Свободные радикалы и антиоксиданты

Свободные радикалы и повреждение клетки

Сегодня стало очевидным, что образование свободных радикалов является одним из универсальных патогенетических механизмов при различных типах повреждения клетки, включая следующие:

• реперфузия клеток после периода ишемии;
• некоторые медикаментозно-индуцированные формы гемолитической анемии;
• отравление некоторыми гербицидами;
• правление четыреххлористым углеродом;
• ионизирующее излучение;
• некоторые механизмы старения клетки (например, накопление липидных продуктов в клетке - цероидов и липофусцинов);
• кислородотоксичность;
• атерогенез вследствие окисления липопротеидов низкой плотности в клетках артериальной стенки.

Свободные радикалы участвуют в процессах:

• старения;
• канцерогенеза;
• химического и лекарственного поражения клеток;
• воспаления;
• радиоактивного повреждения;
• атерогенеза;
• кислородной и озоновой токсичности.

Эффекты свободных радикалов

Окисление ненасыщенных жирных кислот в составе клеточных мембран является одним из основных эффектов свободных радикалов. Свободные радикалы также повреждают белки (особенно тиолсодержащие) и ДНК. Морфологическим исходом окисления липидов клеточной стенки является формирование полярных каналов проницаемости, что увеличивает пассивную проницаемость мембраны для ионов Са2+, избыток которого депонируется в митохондриях. Реакции окисления обычно подавляются гидрофобными антиоксидантами, такими как витамин Е и глутатион-пероксидаза. Подобные витамину Е антиоксиданты, разрывающие цепи окисления, содержатся в свежих овощах и фруктах.

Свободные радикалы также реагируют с молекулами в ионной и водной среде клеточных компартментов. В ионной среде антиоксидантный потенциал сохраняют молекулы таких веществ, как восстановленный глутатион, аскорбиновая кислота и цистеин. Защитные свойства антиоксидантов становятся очевидны, когда при истощении их запасов в изолированной клетке наблюдают характерные морфологические и функциональные изменения, обусловленные окислением липидов клеточной мембраны.

Типы вызываемых свободными радикалами повреждений определяются не только агрессивностью продуцируемых радикалов, но и структурными и биохимическими характеристиками объекта воздействия. Например, во внеклеточном пространстве свободные радикалы разрушают гликозаминогликаны основного вещества соединительной ткани, что может быть одним из механизмов деструкции суставов (например, при ревматоидном артрите). Свободные радикалы изменяют проницаемость (следовательно, и барьерную функцию) цитоплазматических мембран в связи с формированием каналов повышенной проницаемости, что приводит к нарушению водно-ионного гомеостаза клетки. Полагают, что необходима обеспеченность витаминами и микроэлементами больных ревматоидным артритом, в частности, коррекция витаминной недостаточности и дефицита микроэлементов олигогалом Е. Это обусловлено тем, что доказана заметная активация процессов перекисного окисления и угнетение антиоксидантной активности, поэтому очень важно включение в комплексную терапию биоантиоксидантов с высокой антирадикальной активностью, к которым и относятся витамины антиоксиданты (Е, С и А) и микроэлементы селен (Sе). Показано также, что использование синтетической дозы витамина Е, который хуже всасывается, чем природный. Например, дозы витамина Е до 800 и 400 МЕ/сут приводят к снижению сердечно-сосудистых заболеваний (на 53%). Однако ответ об эффективности антиоксидантов будет получен в крупных контролируемых исследованиях (от 8000 до 40 000 пациентов), которые проводились в 1997 г.

В качестве защитных сил, поддерживающих скорость ПОЛ на определенном уровне, выделяют ферментные системы ингибирования перекиснош окисления и природные антиоксиданты. Выделяют 3 уровня регуляции скорости свободно-радикального окисления. Первая ступень антикислородная, поддерживает в клетке довольно низкое парциальное давление кислорода. Сюда в первую очередь относятся дыхательные ферменты, конкурирующие за кислород. Несмотря на широкую изменчивость поглощения О3 в организме и выделения из него СО2, рО2 и рСО2 в артериальной крови в норме сохраняются достаточно постоянными. Вторая ступень защиты антирадикальная. Она состоит из различных веществ, имеющихся в организме (витамин Е, кислота аскорбиновая, некоторые стероидные гормоны и т. д.), которые прерывают процессы ПОЛ, взаимодействуя со свободными радикалами. Третья ступень антиперекисная, уничтожающая уже образовавшиеся перекиси с помощью соответствующих ферментов или неферментативно. Однако еще нет единой классификации и единых взглядов на механизмы регуляции скорости свободно-радикальных реакций и действия защитных сил, обеспечивающих утилизацию конечных продуктов ПОЛ.

Полагают, что в зависимости от интенсивности и длительности, изменения в регуляции реакций ПОЛ могут: во-первых, носить обратимый характер с последующим возвращением к норме, во-вторых, приводить к переходу на другой уровень авторегуляции и, в-третьих, некоторые из воздействий разобщают этот механизм саморегуляции, а, следовательно, приводят к невозможности осуществления регуляторных функций. Именно поэтому понимание регуляторной роли реакций ПОЛ в условиях действия на организм экстремальных факторов, в частности, холода, необходимый этап исследований, направленных на разработку научно обоснованных методов управления процессами адаптации и комплексной терапии, профилактики и реабилитации наиболее распространенных заболеваний.

Одним из наиболее часто употребляемых и эффективных является комплекс антиоксидантов, который включает токоферол, аскорбат и метионин. Анализируя механизм действия каждого из примененных антиоксидантов, отмечено следующее. Микросомы - одно из основных мест накопления в клетках печени экзогенно введенного токоферола. В качестве возможного донора протонов может выступать аскорбиновая кислота, которая окисляется до дегидроаскорбиновой. Кроме того, показана способность аскорбиновой кислоты непосредственно взаимодействовать с синглетным кислородом, гидроксильным радикалом и супероксидным анион-радикалом, а также разрушать перекись водорода. Имеются также доказательства, что токоферол в микросомах может регенерироваться тиолами и, в частности, восстановленным глутатионом.

Таким образом, в организме существует целый ряд взаимосвязанных антиоксидантных систем, основная роль которых заключается в поддержании ферментативных и неферментативных окислительных реакций на стационарном уровне. На каждом из этапов развития перекисных реакций существует своя специализированная система, осуществляющая эти функции. Часть из этих систем строго специфична, другие, такие как глутатионпероксидаза, токоферол, обладают большей широтой действия и меньшей субстратной специфичностью. Аддитивность взаимодействия ферментативных и неферментативных антиоксидантных систем между собой обеспечивает устойчивость организма к экстремальным факторам, обладающим прооксидантными свойствами, т. е. способностью к созданию в организме условий, предрасполагающих к выработке активированных форм кислорода и активации реакций ПОЛ. Не вызывает сомнения тот факт, что активация реакций ПОЛ наблюдается под воздействием на организм ряда факторов внешней среды и при патологических процессах различной природы. По мнению В. Ю. Куликова и соавт. (1988), в зависимости от механизмов активации реакций ПОЛ все факторы, действующие на организм, можно с определенной долей вероятности разделить на следующие группы.

Факторы физико-химической природы, способствующие увеличению в тканях предшественников и непосредственных активаторов реакций ПОЛ:

• кислород под давлением;
• озон;
• оксид азота;
• ионизирующая радиация и др.

Факторы биологической природы:

• процессы фагоцитоза;
• разрушение клеток и клеточных мембран;
• системы генерации активированных форм кислорода.

Факторы, определяющие активность антиоксидантных систем организма ферментативной и неферментативной природы:

• активность процессов, связанных с индукцией антиоксидантных систем ферментативной природы;
• генетические факторы, связанные с депрессией того или иного фермента, осуществляющего регуляцию реакций ПОЛ (дефицит глутатионпероксидазы, каталазы и др.);
• пищевые факторы (недостаток в пище токоферола, селена, других микроэлементов и пр.);
• структура клеточных мембран;
• характер взаимоотношений между антиоксидантами ферментативной и неферментативной природы.

Факторы риска, потенцирующие активацию реакций ПОЛ:

• активация кислородного режима организма;
• состояние стресса (холод, высокая температура, гипоксия, эмоционально-болевое воздействие);
• гиперлипидемия.

Таким образом, активация реакций ПОЛ в организме тесно связана с функционированием систем транспорта и утилизации кислорода. Особого внимания заслуживают адаптогены, среди них широко используемый элеутерококк. Препарат из корня этого растения обладает общеукрепляющим, адаптогенным, антистрессорным, антиатеросклеротическим, антидиабетическим и другими свойствами, снижает общую заболеваемость, в том числе гриппом. При изучении биохимических механизмов действия антиоксидантов у человека, животных и растительных организмов существенно расширился спектр патологических состояний, для лечения которых используются антиоксиданты. Антиоксиданты успешно применяются как адаптогены для защиты от лучевого поражения, лечения ран и ожогов, туберкулеза, сердечно-сосудистых заболеваний, нервно-психических расстройств, новообразований, диабета и др. Естественно, что возрос интерес к механизмам, лежащим в основе такой универсальности действия антиоксидантов.

В настоящее время экспериментально установлено, что эффективность антиоксидантов определяется их активностью в ингибировании перекисного окисления липидов за счет взаимодействия с перекисными и другими радикалами, инициирующими ПОЛ, а также за счет влияний антиоксидантов на структуру мембраны, облегчающих доступ кислорода к липидам. ПОЛ может изменяться и при опосредованной системе действия антиоксидантов через нейрогормональные механизмы. Показано, что антиоксиданты влияют на высвобождение нейромедиатора и выброс гормонов, чувствительность рецепторов и их связывание. В свою очередь, изменение концентрации гормонов и нейромедиаторов изменяет интенсивность ПОЛ в клетках-мишенях, что приводит к изменению скорости катаболизма липидов и, как следствие, к изменению их состава. Связь между скоростью ПОЛ и изменением спектра фосфолипидов мембран выполняет регуляторную роль. Аналогичная система регуляции обнаружена в клеточных мембранах животных, растительных и микробных организмов. Как известно, состав и текучесть липидов мембран влияют на активность мембранных белков, ферментов, рецепторов. Через эту систему регуляции антиоксиданты действуют на репарацию мембраны, измененную при патологическом состоянии организма, нормализуют ее состав, структуру и функциональную активность. Изменение активности ферментов синтеза макромолекул и состава ядерного матрикса при изменении состава липидов мембран, вызванном действием антиоксидантов, могут быть объяснены их влиянием на синтез ДНК, РНК, белка. В то же время в литературе появились данные о непосредственном взаимодействии антиоксидантов с макромолекулами.

Эти, а также обнаруженные в последнее время данные эффективности антиоксидантов в пикомолярных концентрациях выдвигают на первый план роль рецепторных путей в их действии на клеточный метаболизм. В работе В. Е. Кагана (1981) о механизмах структурно-функциональной модификации биомембран показано, что Зависимость скорости реакций ПОЛ в биомембранах зависит не только от их жирнокислотного состава (степени ненасыщенности), но и от структурной организации липидной фазы мембран (молекулярной подвижности липидов, прочности белок-липидных и липид-липидных взаимодействий). Обнаружено, что в результате накопления продуктов ПОЛ происходит перераспределение липидов в мембране: уменьшается количество жидких липцдов в биослое, снижается количество иммобилизованных мембранными белками липидов и возрастает количество упорядоченных липидов в биослое (кластеров). В.

При изучении природы, состава и механизма гомеостаза антиоксидантной системы показано, что проявлению повреждающего действия свободных радикалов и перекисных соединений препятствует сложная многокомпонентная антиоксидантная система (АОС), которая обеспечивает связывание и модификацию радикалов, предупреждение образования или разрушения перекисей. В ее состав входят: гидрофильные и гидрофобные органические вещества с редуцирующими свойствами; ферменты, поддерживающие гомеостаз этих веществ; антиперекисные ферменты. Среди естественных антиоксидантов имеются липидные (стероидные гормоны, витамины Е, А, К, флавоноиды и полифенолы витамин Р, убихинон) и водорастворимые (низкомолекулярные тиолы, аскорбиновая кислота) вещества. Эти вещества либо являются ловушками свободных радикалов, либо разрушают перекисные соединения.

Одна часть тканевых антиоксидантов имеет гидрофильный, другая - гидрофобный характер, что делает возможной одновременную защиту от окисляющих агентов функционально важных молекул как в водной, так и в липидной фазах.

Общая сумма биоантиокислителей создает в тканях «буферную антиоксидантную систему», обладающую определенной емкостью, а соотношение прооксидантных и антиоксидантных систем определяет так называемый «антиоксидантный статус» организма. Есть все основания полагать, что среди тканевых антиоксидантов особое место занимают тиолы. Подтверждением служат следующие факты: высокая реакционная способность сульфгидрильных групп, благодаря которой некоторые тиолы окисляются с очень высокой скоростью, зависимость скорости окислительной модификации SН-групп от их радикального окружения в молекуле. Это обстоятельство позволяет выделить из множества тиоловых соединений особую группу легко окисляющихся веществ, выполняющих специфические функции антиоксидантов: обратимость реакции окисления сульфгидрильных групп в дисульфидные, что делает в принципе возможным энергетически выгодное поддержание гомеостаза тиоловых антиоксидантов в клетке без активации их биосинтеза; способность тиолов проявлять как антирадикальное, так и антиперекисное действие. Гидрофильными свойствами тиолов обусловлено их высокое содержание в водной фазе клетки и возможность защиты от окислительного повреждения биологически важных молекул ферментов, нуклеиновых кислот, гемоглобина и др. Вместе с тем, присутствие в тиоловых соединениях неполярных группировок обеспечивает возможность проявления их антиоксидантной активности в липидной фазе клетки. Таким образом, наряду с веществами липидной природы, тиоловые соединения принимают широкое участие в защите клеточных структур от действия окисляющих факторов.

Окислению в тканях организма подвергается и аскорбиновая кислота. Она, как и тиолы, входит в состав АОС, участвуя в связывании свободных радикалов и разрушении перекисей. Аскорбиновая кислота, молекула которой содержит и полярные, и неполярные группировки, проявляет тесное функциональное взаимодействие с SН-глутатионом и липидными антиоксидантами, усиливая действие последних и препятствуя ПОЛ. По всей видимости, тиоловые антиоксиданты играют главенствующую роль в защите основных структурных компонентов биологических мембран, таких, как фосфолипиды или погруженные в липидный слой белки.

В свою очередь, водорастворимые антиоксиданты - тиоловые соединения и аскорбиновая кислота - проявляют свое протекторное действие преимущественно в водной среде - цитоплазме клетки или плазме крови. При этом следует иметь в виду данные о том, что система крови представляет собой внутреннюю среду, которая играет решающую роль в неспецифических и специфических реакциях защиты организма, влияя на его резистентность и реактивность.

[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10]

Свободные радикалы при патологии

До сих пор в литературе дискутируется вопрос о причинно-следственных связях в изменениях интенсивности липопероксидации в динамике развития заболеваний. По мнению одних авторов, именно нарушение стационарности этого процесса является основной причиной указанных заболеваний, в то время как другие полагают, что изменение интенсивности перекисного окисления липидов представляет собой следствие данных патологических процессов, инициируемых совсем иными механизмами.

Исследования, проведенные в последние годы, показали, что изменения интенсивности свободнорадикального окисления сопровождают заболевания самого разного генеза, что подтверждает тезис об общебиологическом характере свободнорадикального повреждения клеток. Накопилось достаточно свидетельств патогенетического участия свободнорадикального поражения молекул, клеток, органов и организма в целом и успешного лечения их фармакологическими препаратами, обладающими антиоксидантными свойствами.