Иммунология и биохимия

Активные формы кислорода

Кислород друг и враг

Воздух вокруг нас содержит 21% по объему кислорода (O2), газа, необходимого для жизни. Восемьдесят процентов или больше 02 расходуется на процессы аэробного дыхания, которое обеспечивает эффективную генерацию энергии в форме аденозинтрифосфата (АТФ) в митохондриях. Некоторая часть 0используется ферментами, которые катализируют реакции синтеза гормона адреналина, кортикостероидов, нейтропередатчика допамина, гидроксилирование аминокислотных остатков при синтезе коллагена, необходимого для построения соединительной ткани. Для обезвреживания и выведения ксенобиотиков ("чужеродных для живых организмов соединений) в том числе лекарства, промышленных химических вещества. пестицидов, токсинов системе цитохрома Р450 так же нужен 02. 

Нашу потребность в 02 омрачает тот факт, что это токсичный, мутагенный газ; мы выживаем в его присутствии только потому, что от его вредного воздействия имеем широкий спектр антиоксидантной защиты, которая и позволяют нам его безопасное использование. В дополнение к антиоксидантам, которые мы синтезируем сами ( "эндогенные антиоксиданты "), мы получаем их с пищей. Рацион человека богат антиоксидантами. В основном это растительная пища. Растения синтезируют много антиоксидантов, чтобы защитить себя от высокого уровня 02, который они образуют в процессе фотосинтеза. Некоторые из антиоксидантов нашего рациона имеют для нас важное значение (например, витамин Е), тогда как другие не существенны, но полезны (например, каротиноиды, флавоноиды). Кроме антиоксидантов, растения содержат много химических соединений, которые могут модулировать (подстраивать) различные процессы, в том числе воспаление. В последние годы роль антиоксидантов в нашей диете или их добавки интенсивно исследуется. Однозначных результатов пока нет.

 Почему кислород токсичен

Активные формы кислорода

Более 80%, потребляемого нами 0используется в митохондриях, остальной помогает осуществлять полезные метаболические преобразования (см. выше). Тем не менее, небольшой процент потребляемого 02 (1-2%), превращается в активные формы кислорода (АФК). АФК более реактивны, чем сам 02 и способные повреждать биологические молекулы. Некоторые АФК - свободные радикалы, такие как супероксидный радикал (02 - и гидроксильный радикал (ОН), а другие нет ( табл. 1) .

Таблица 1 - Номенклатура активных форм кислорода (АФК) -примеры
Свободные радикалы Не радикальные АФК
Супероксид O2•- Перекись водорода
Гидроксил OH Хлорноватистая кислота (HOCl)
Липидов пероксил, липид-OO•  Гидроперекись липидов, липид-OOH

Оксид азота, NO•

Диоксид азота,NO2,

Пероксинит, ONOO-

Азотистая кислота, HNO2

АКтивные формы кислорода (АФК) не радикалы - перекись водорода (Н202) и хлорноватистая кислота (HOCI).

Термин "реакционноспособный" охватывает широкий круг. Некоторые АФК имеют высокую реакционную способность, другие - меньшую. Классический пример первого - гидроксильный радикал (ОН), который реагирует при контакте со всеми биологическими молекулами и окисляет их мгновенно. Например, в ДНК OH  быстро повреждает все четыре основания (аденин, тимин, цитозин, гуанин), преобразуя их во вредные продукты. Таким образом, пуриновое основание гуанин преобразуются OH в 8-гидроксигуанин, который встраивается в ДНК во время репликации и генерирует мутации, которые способствуют развитию рака. Окисление ОН• липидов в мембранах или липопротеинах инициирует цепную реакцию (перекисное окисление липидов), при которой липиды окисляются в пероксиды липидов через ряд промежуточных пероксильных липид-радикалов (табл 1).

Окисление липидов в естественных условиях ухудшает функции клеточных мембран, способствует развитию атеросклероза (особенно окисление липидов в липопротеинах низкой плотности (ЛПНП) и многих других заболеваний. Окисление липидов осуществляют некоторые токсины, особенно те, которые поражают печень (например, органические растворители, такие как четыреххлористый углерод и избыток этанола). Окисление липидов в пищевых продуктах приводит к прогорклости и "привкусам". Гидроксильные радикалы образуются в организме при воздействию ионизирующего излучения, такие как рентгеновские лучи или гамма-лучи. Интенсивная энергия расщепляет воду на гидроксил и водородный радикал:H2O -->>> > Н +OH . Избыток воздействия ионизирующего излучения повреждает ДНК, в основном с помощью ОН , и, следовательно, повышает риск развития рак, OH также окисляет липиды. Гидроксил радикалы также легко генерируется из перекиси водорода

(H2O2). В противоположность OH радикалу , супероксидный радикал (02 -) гораздо селективнее в своих действиях. Он не атакует ДНК или липиды, но может инактивировать ферменты, которые имеют решающее значение для обмена веществ, в том числе некоторые из них в митохондриях, что может привести к формирование более реактивного OH. Следовательно, уровни супероксид радикала должны тщательно контролироваться. 

Н202, не-радикальное АФК, широко генерируется в естественных условиях, но также быстро разрушается ферментом каталазой, , так что стационарный уровень перекиси водорода, как правило,низкий (мкмоли или меньше). Молекула перекиси водорода пересекает мембраны
довольно легко, поэтому может диффундировать между различными субклеточными отсеками или даже между клетками. Перекись водорода не в состоянии атаковать большинство биомолекул. Однако, если Н202 соприкасается с ионами железа или меди, то образуется OH (реакция Фентона): Fe2 + Н202 >>> Fe 3+ + ОН- + OHи Cu1+Н202 >>> Cu2+ + ОН- + OH

Причиненные биомолекулам (ДНК, липиды, углеводы, белки) повреждения при избыточной генерации АФК (например, во время воздействия ионизирующего излучения, токсинов, которые генерируют АФК при хронических воспалительных заболеваниях, называют окислительное повреждение, а состояние, при котором происходят такие повреждения - окислительный стресс.

Физиологические эффекты активных форм кислорода

Активные формы кислорода (АФК) всегда образуются в естественных условиях, например, в течение воспаление . Некоторые активные формы кислорода (АФК), особенно Н2О2, генерируются для участия в передаче внутриклеточных сигналов, которые контролируют функцию, рост, деление и дифференциацию клеток. Например, Н202 (при адекватном уровне) может стимулировать пролиферацию нескольких типов клеток, таких как фибробласты. Сигнал запускается связыванием фактора роста со специфическим рецептором на поверхности клетки. Важное место в этом каскаде принадлежит фосфорилированию остатков тирозина или серина протеинкиназами. Клетки также содержат ферменты (фосфатазы), которые удаляют эти фосфатные группы. При передаче сигналов увеличивается уровень перекиси водорода в клетке и инактивирует фосфатазы, что усиливает сигналы. Уровень перекиси водорода в клетке тщательно регулируется: слишком много перекиси водорода может привести к чрезмерной пролиферации и содействие развития рака. Слишком мало - сигнализация и клетки не будут функционировать должным образом, или будут неправильно развиваться органы. Уровень H202 также влияет на поведение стволовых клеток, помогает контролировать их деление и направленность их дифференцировки в определенные типы клеток. Дополнительно к этому физиологическому образованию активных форм кислорода (АФК) , часть их, по всей видимости, производится "случайно". Мы постоянно подвергаемся воздействию ионизирующего излучения (например, космических лучей или радона), поэтому всегда при расщеплении воды есть базисный уровень образования в организме OH•. Многие биомолекулы являются неустойчивыми в присутствии 02, вступают с ним в химические реакции с образование супероксид радикала. Примерами являются восстановленные фолаты гормоны адреналин и норадреналин, нейромедиатор допамин, но есть многие другие. Пожалуй, наиболее важным источником супероксида является митохондрии. Во время нормального функционирования митохондрий электроны отщепляются от окисляемых субстратов в цикле трикарбоновых кислот ферментами дегидрогеназами,и перемещаются на их коферменты НАД и ФАД с образованием восстановленных форм НАДН и ФАДН2 соответственно. Восстановленные коферменты окисляются ферментами дыхательной цепи внутренней мембраны митохондрий. В дыхательной цепи электроны траспортируются на кислород при участии разнообразных переносчиков, в том числе и железа в цитохромах. Электроны достигают кислорода и восстанавливают его при участии фермента цитохромоксидазы, которая катализирует реакцию, отражающую суть дыхания: 02 + 4е + 4Н + -> 2Н20.

Энергия, которая выделяется при транспорте электронов по дыхательной цепи, используется на синтез АТФ.

К сожалению, некоторые из переносчиков электронов в электрон-транспортной цепи сами могут переносить одиночные электроны непосредственно 02. Этот процесс часто называют утечка электронов и образование супероксида. Обычно более 98% 02  используется для получения воды, но митохондриальное образование O2•- происходит все время, и увеличивается, если:

  • поступает избыток кислорода(отсюда кислород выше нормального 21% является токсичным для всехаэробов, включая человека)
  •  если митохондрии повреждены и переносчики электронов дезорганизованы, идет утечка электронов на кислород

Избыток образования митохондриального супероксида происходит при диабете и вносит свой вклад в патологию этого заболевания. Избыток активных форм кислорода играет роль при сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваниях.