Aнтиоксидантная система и ее функционирование в организме человека

Aнтиоксидантная  система и ее  функционирование  в организме человека

В. К. Казимирко, д. м. н., профессор; В. И. Мальцев, д. м. н.; Киевская медицинская академия последипломного образования им. П .Л. Шупика

Антиоксидантная система (АОС) противостоит повреждающему  эффекту свободных радикалов (СР), непрерывно образующихся в организме  человека.

1. Источники активных  форм кислорода  (АФК) в организме. В организме имеются ферменты, которые катализируют прямые реакции между своими субстратами и O₂. Вклад таких реакций в общее потребление кислорода в организме невелик. Основная доля кислорода потребляется в митохондриальной системе, дающей энергию клеткам в виде АТФ. Эти реакции включены в различные пути биосинтеза, распада (обезвреживания), в метаболизм ароматических соединений, стероидов. К таким ферментам относятся флавопротеидные оксидазы. Окисление таких веществ, как ксантин, гипоксантин, L- и D-аминокислоты совершается коротким путем. Атомы водорода от этих соединений с помощью флавиновых коферментов переносятся непосредственно на молекулярный кислород, минуя систему цитохромов и цитохромоксидазы. Конечным продуктом окисления в этих случаях является не вода, а перекись водорода. В балансе тканевого дыхания процессы, которые заканчиваются образованием воды, составляют 93-95%, а заканчивающиеся образованием перекиси водорода — только 5-7%. Образующаяся H₂O₂ может разлагаться каталазой или использоваться в реакциях, катализируемых пероксидазой. Почти у половины лиц, страдающих врожденной акаталазией, не наблюдается никаких патологических симптомов. Это свидетельствует о том, что не только каталаза регулирует концентрацию H₂O₂ в организме, но и пероксидаза. Ферменты, участвующие в метаболизме H₂O₂, в значительном количестве содержатся в таких клеточных (печени, почек) органеллах, как пероксисомы. В них H₂O₂ образует простые самоокисляющиеся флавопротеиды — ферменты уратоксидаза, оксидаза D-аминокислот, оксидаза a-оксикислот, а каталаза (в клетках печени она составляет около 40% общего количества пероксисомного белка) разрушает ее. Перекись водорода образуется в реакциях с участием флавожелезопротеидов, медьсодержащих оксидаз, ферментов, содержащих молибден (ксантиндегидрогеназа, ксантиноксидаза, альдегидоксидаза). К дегидрогеназам, которые с помощью флавопротеидов переносят водород на молекулярный кислород с образованием H₂O₂, относятся моноамино-, диамино-, глицин-, гликольоксидазы. Действие ферментов группы монооксигеназ (гидроксилаз), в частности флавопротеидных, включает последовательные стадии, в которых восстановитель переводит флавин в дигидроформу, восстанавливающую O₂ до H₂O₂, затем фермент-флавин-пероксидный комплекс гидроксилирует субстрат. К группе монооксигеназ (гидроксилаз) относят ферменты, которые названы цитохромами Р-450. Оксигенированию (в мембранах эндоплазматической сети клеток печени) подвергаются различные продукты метаболизма, чужеродные соединения. Промежуточным продуктом этих реакций является супероксидный радикал O₂^-.. Он образуется в процессе реакций, катализируемых диоксигеназами (чаще катализируют разрыв двойной связи в ароматическом кольце). Образование O₂^-. и H₂O₂ происходит при самопроизвольном окислении гемоглобина, ферредоксинов, восстановленных цитохромом b5 гидрохинонов, тетрагидроптеридинов, адреналина. Образование активных форм кислорода катализируют ионы железа. АФК постоянно производятся при взаимодействии O₂ с ФМН или ФАД (флавиновыми коферментами), которые имеются в дегидрогеназах, оксидазах, монооксигеназах. Активной группой обоих коферментов является флавин (изоаллоксазин), имеющий сопряженную систему из трех колец, которая может при восстановлении принимать два электрона и два протона. Образуется O₂^-. в митохондриальной дыхательной цепи в QH2-цитохром-с-редуктазном комплексе (в дыхательной цепи имеются флавиновые коферменты), а также в нейтрофильных лейкоцитах и макрофагах, в которых активные формы кислорода используются для уничтожения фагоцитированных микроорганизмов. А. Ленинджер (1985) отмечает, что в митохондриях в цепи переноса электронов возможно неполное восстановление кислорода: в случае присоединения только двух электронов образуется перекись водорода (H₂O₂), одного — супероксидный радикал (O₂^-.). Восстановление O₂ цитохром-с-оксидазой протекает без накопления АФК, так как фермент не высвобождает промежуточные продукты в среду (Я. Кольман, К.Г. Рем, 2000). В течении нормального аэробного метаболизма 1-2% всех электронов, движущихся по митохондриальной дыхательной цепи, превращаются в супероксид или трансформируются в перекись водорода (А. Boveris et al., 1972). Супероксид образуется и в других электронно-транспортных клеточных системах. Каждая клетка человеческого организма продуцирует около 1010 молекул (0,15 моля) супероксида в сутки (B.N. Ames et al., 1993) или около 1,75 кг в год. Приведенные данные свидетельствуют, что образование активных форм кислорода в клетках является нормальным физиологическим явлением, отрицают случайность этого события (так называемой утечки кислорода).

Таким образом, представленные выше сведения показывают, что образование активных форм кислорода может происходить: в процессе переноса электронов в  митохондриальной дыхательной цепи; в реакциях, которые катализируются оксидазами (образуется перекись водорода), в том числе в свободнорадикальных  процессах, совершающихся в фагоцитах; в реакциях микросомального окисления  при обезвреживании веществ с  участием цитохрома Р-450; в реакциях самопроизвольного (неферментативного) окисления веществ (гемоглобина, ферредоксинов, адреналина и др.); в биологических  системах с наличием ионов металлов с переменной валентностью и, прежде всего, железа (свободных атомов, так  называемых внегемовых).

Свободные радикалы могут инициировать перекисное окисление полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), играющее существенную роль во многих реакциях обмена, формировании структуры клетки и, в частности, мембран. Возникающие перекиси липидов  лучше растворяются в воде, чем  ПНЖК, из которых они образуются, и поэтому легче вымываются из мембран, способствуя самообновлению мембранных структур. Это, по мнению И.В. Савицкого (1982), создает благоприятные  условия для функционирования ферментных систем в мембранах. Перекиси липидов  необходимы для биосинтеза эйкозаноидов (простагландинов, простациклинов, тромбоксанов, лейкотриенов), прогестерона. Они участвуют  в гидроксилировании холестерина (в частности, при образовании  кортикостероидов).

Как это было показано нами (В.К. Казимирко, В.И. Мальцев, В.Ю. Бутылин и др., 2004) интенсификация свободнорадикальных  процессов, перекисного окисления  ПНЖК наблюдается при развитии общего неспецифического адаптационного синдрома (стресса), т. е. практически при большинстве  острых заболеваний и состояний, обострении хронических заболеваний, интоксикациях, ожогах, травмах, операциях  и т. п. В основе биологической  целесообразности этой интенсификации лежит усиление в возникающих  экстремальных условиях синтеза  эйкозаноидов, обновления мембран, детоксикационных (обезвреживающих) процессов. Накопление АФК, перекисей в значительных количествах (как это наблюдается при действии радиации, ультрафиолетового излучения, гипербарической оксигенации, интоксикациях, в том числе алкоголем) может  сопровождаться целым рядом негативных изменений:

• нарушением жидкокристаллической структуры липопротеидов мембран;
• снижением прочности биологических мембран: разрушением мембран, набуханием и разрушением митохондрий;
• структурно-функциональными нарушениями ферментных систем дыхания;
• окислением сульфгидрильных групп глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, сукцинатдегидрогеназы и др.;
• ослаблением биосинтеза макроэргических соединений (АТФ);
• дезорганизацией транспортных механизмов переноса ионов (Na+, K+, Ca2+ и др.), различных метаболитов между цитозолем, митохондриями и рибосомами;
• торможением процессов биосинтеза белков, нуклеиновых кислот, других соединений;
• повреждением (разрывом) лизосом с выходом гидролитических ферментов;
• разрушением мембран эритроцитов, ослаблением процессов дыхания, развитием гемолиза;
• накоплением (в результате нарушения окислительно-восстановительных процессов) продуктов промежуточного обмена, в том числе молочной кислоты, окси-, кетокислот, и развитием ацидоза;
• инактивацией глутатиона, липоевой кислоты и др.

2. Антиоксидантная  система. Повреждающему эффекту СР, АФК противостоит система противоокислительной защиты, главным действующим звеном которой являются антиоксиданты — соединения, способные тормозить, уменьшать интенсивность свободнорадикального окисления (СРО), нейтрализовывать СР путем обмена своего атома водорода (в большинстве случаев) на кислород свободных радикалов. В выведении СР и радикальных форм антиоксидантов играют роль системы естественной детоксикации. Антиоксиданты могут быть природного (биоантиоксиданты) и синтетического происхождения. Вещества этой группы имеют подвижный атом водорода и поэтому реагируют со свободными радикалами, а также катализаторами свободнорадикального окисления и, прежде всего, с ионами металлов переменной валентности. Подвижность атома водорода обусловлена нестойкой связью с атомами углерода (С-Н) или серы (S-Н). В результате взаимодействия возникают малоактивные радикалы самого антиоксиданта (они не способны к продолжению цепи), гидроперекиси разлагаются без диссоциации на активные радикалы (под действием серосодержащих соединений), образуются комплексоны с металлами переменной валентности. По-мнению исследователей (П.Г. Богач и соавт., 1981; Н.Е. Кучеренко, А.Н. Васильев, 1985), образующиеся свободные радикалы антиоксидантов малоактивны и выводятся из организма в виде молекулярных соединений — продуктов взаимодействия с другими антиоксидантами (токоферолами, хинонами, витаминами группы К, серосодержащими соединениями). Ряд антиоксидантов не обрывает, а замедляет продолжение цепи, т. е. обладает пролонгирующим действием. Несмотря на малую активность радикалов антиоксидантов, их накопление в клетках нежелательно. Антиоксиданты могут обезвреживать свободные радикалы еще до развития эффекта повреждения биомолекул. Антиоксидантная защита направлена против всех видов радикалов, образующихся в организме (B. Frei et al., 1988; N.I. Krinsky, 1988; R. Stocker, B. Frei, 1991; K.L. Retsky et al., 1993; B. Frei, J.M. Gaziano, 1993; B. Frei, 1994). Жирорастворимые биоантиоксиданты (фосфолипиды, токоферолы, витамин А, каротиноиды, убихинон, витамины группы К, стероидные гормоны) осуществляют свою защитную функцию в биологических мембранах, водорастворимые (аскорбиновая кислота, лимонная, никотиновая, серосодержащие соединения — цистеин, гомоцистеин, липоевая кислота, бензойная, церулоплазмин, фенольные соединения — полифенолы, флавоноиды, трансферрин, лактоферрин, альбумин, мочевина, мочевая кислота) — в цитозоле клеток, межклеточной жидкости, плазме крови, лимфе. Защита от повреждающего действия АФК, СР осуществляется на всех уровнях организации: от клеточных мембран до организма в целом.

2.1. Ферменты. Угроза для клеток со  стороны активных радикалов устраняется  действием ряда ферментов, эффективно (А. Уайт и соавт. 1981; А. Ленинджер, 1985) обезвреживающих эти соединения. Первую линию защиты от свободных  радикалов составляют антиоксидантные  ферменты супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза. Супероксиддисмутазы  (металлоферменты) катализируют  реакцию:

O₂^-. + O₂—. ––––> H₂O₂ + O₂

Они находятся во всех клетках, потребляющих кислород. Скорость реакции чрезвычайно  высока и лимитируется только скоростью  диффузии O₂^-.. Каталитический цикл этих ферментов включает восстановление и окисление иона металла на активном центре фермента. В организме имеется три формы СОД, содержащие медь, цинк (одна находится в цитозоле, другая экстрацеллюлярная — в эндотелии) и магний (находится в матриксе митохондрий) (B. Halliwel, J.M.C. Gutteridge, 1985). Супероксиддисмутаза осуществляет инактивацию радикалов кислорода, которые могут возникнуть в ходе биологических реакций переноса электронов или при воздействии металлов с переменной валентностью, ионизирующего, ультрафиолетового излучения, ультразвука, гипербарической оксигенации, различных заболеваниях.

Почти во всех животных клетках и органах  определяется каталазная активность. Особенно богаты каталазой клетки печени, почек, эритроциты. Она предотвращает  накопление в клетке перекиси водорода, образуемой при аэробном окислении  восстановленных флавопротеидов и  из O₂^-..

H₂O₂ + H₂O₂ ––––> O₂ + 2H₂О 
каталаза

Каталаза  может разложить 44 000 молекул H₂O₂ в секунду (относится к числу ферментов с наиболее высоким числом оборотов). Для расщепления большого количества перекиси водорода требуется малое количество фермента. Как и в случае супероксиддисмутазы, скорость реакции определяется диффузией и не требует энергии для активации. Каталаза преимущественно находится в пероксисомах (B. Halliwel, J.M.C. Gutteridge, 1989; R. Stocker, B. Frei, 1991), внеклеточно каталаза находится в незначительных концентрациях. Наибольшая активность каталазы в организме характерна для печени. К алиментарным факторам, понижающим каталазную активность, относят недостаточность витаминов группы В, фолиевой кислоты, биотина, пантотеновой кислоты, рибофлавина, витамина А. Снижение активности каталазы наблюдается при избытке метионина, тирозина, цистина, меди, цинка. В эритроцитах при высокой скорости образования перекиси водорода (1010-109 моль H₂O₂ на 1 мг гемоглобина в 1 мин) преобладает активность глутатионпероксидазы, а при низкой скорости образования H₂O₂ (109-107) — защитное действие оказывает в основном каталаза.

В печени, почках, нейтрофильных лейкоцитах обнаруживается пероксидазная активность.

H₂O₂ + H₂O₂ ––––> 2H₂О + RO₂ 
пероксидаза

Миелопероксидаза  в нейтрофилах окисляет ионы галогенов  до свободного галогена, являющегося  эффективным бактерицидным агентом. В эритроцитах, печени, хрусталике глаза  имеется глутатионпероксидаза, которая  содержит селен и специфично окисляет восстановленный глутатион. Как  каталаза, так и пероксидаза могут  утилизировать как субстраты  органические гидроперекиси (например, гидроперекись этила, надуксусную  кислоту). Полагают, что в животных тканях каталаза действует, как пероксидаза.

В пептидной  цепи глутатионпероксидазы имеется  остаток селеноцистеина — аналога цистеина, в котором атом серы замещен атомом селена. Селеноцистеин входит в активный центр фермента. Глутатиопероксидаза может восстанавливать гидроперекиси свободных жирных кислот, гидроперекиси фосфолипидов, эстерифицированных жирных кислот (B. Halliwel, J.M.C. Gutteridge, 1984). Глутатионпероксидаза, окисляющаяся до GSSG, восстанавливается НАДФН-зависимым ферментом глутатионредуктазой. Антиоксидантные ферменты играют важную защитную роль и во внеклеточных пространствах, где они содержатся в незначительных концентрациях (B. Frei et al., 1988; R. Stocker, B. Frei, 1991).

Во  всех животных тканях содержится глутатион (гамма-глутамилцистеининглицин) — самое распространенное сульфгидрильное соединение в клетках. Глутатион содержит нетипичную гамма-связь между Glu и Cys. Восстановителем является тиольная группа цистеинового остатка. Функцией фермента является поддержание активного состояния многих ферментов, самопроизвольное окисление которых приводит к образованию дисульфидной группы: глутатион восстанавливает сульфгидрильные формы. Окисленный глутатион восстанавливается флавопротеидом глутатионредуктазой, которая утилизирует Н+ из НАДФ.Н+Н. Две молекулы восстановленной формы (GSH) при окислении образуют дисульфид (GSSG).

НАДФ + Н⁺+GSSG ––––> НАДФ⁺ + 2GSH.

Восстановленный глутатион — главный антиоксидант эритроцитов, он служит коферментом при восстановлении метгемоглобина в функционально активный гемоглобин. С помощью восстановленного глутатиона осуществляется детоксикация H₂O₂ и гидроперекисей, которые образуются при реакции активных радикалов кислорода с ненасыщенными жирными кислотами мембраны эритроцитов. Вторым важным защитным ферментом в эритроцитах является селеносодержащая глутатионпероксидаза. В гексозомонофосфатном шунте (пентозном цикле) образуется НАДФ.Н+Н, который поставляет Н+ для регенерации восстановленного глутатиона (GSH) из глутатион-дисульфида (GSSG) с помощью глутатионредуктазы. Восстановленный глутатион содержится в клетках (в милимолярных концентрациях), плазме, других средах (в следовых количествах). В значительных количествах он имеется в нижних дыхательных путях, где нейтрализует поступающие из атмосферы озон, NO.