Продукция свободных радикалов кислорода в организме

05.08.2016
I. Факторы окружающей среды. Усиление образования свободных радикалов кислорода может быть вызвано воздействием на организм рентгеновского или γ-излучения, ультрафиолета, ультразвука, токсических химических веществ (пестицидов, ароматических углеводов, загрязненной окружающей среды, табачного дыма), а также гипероксии. Показано, в частности, что под влиянием указанных видов излучения in vivo в хрусталике и сетчатке глаза образуется синглетный кислород.

II. Внутриклеточные источники свободных радикалов кислорода. Среди образующихся эндогенно в клетках свободных радикалов кислорода первичным радикалом является супероксид — продукт одноэлектронного восстановления O2. Образование супероксидного аниона-радикала происходит в ходе многочисленных ферментативных и неферментативных реакций, протекающих в субклеточных органеллах и цитоплазме (рис. 12).
Продукция свободных радикалов кислорода в организме

Перекись водорода — вторичный продукт одноэлектронного восстановления O2. Она образуется при спонтанной или ферментативно опосредуемой дисмутации O2. Возможна и прямая продукция H2O2 некоторыми оксидазными ферментами, например, аминоацидоксидазой.

1. Аутоокисление низкого пекулярных соединений

Находящиеся в цитоплазме некоторые биологически активные молекулы (например, тиоловые соединения, гидрохиноны, катехоламины, флавины, тетрагидроптерины), окисляются в присутствии O2 с переносом на него одного электрона, что приводит к образованию O2-.

В продукции O2 важную роль играют ионы металлов переменной валентности (Fe, Cu), ускоряющие аутоокислительные реакции. Например, Fe3+ может быть восстановлено в Fe2+ с помощью аскорбиновой кислоты или тиоловых соединений. В дальнейшем Fe2+ может быстро подвергаться аутоокислению, в результате чего также образуется O2-. Cu2+ при связывании с SH-группами различных веществ может восстанавливаться до Cu+, и после этого аутоокисляться с образованием O2:
Продукция свободных радикалов кислорода в организме

2. Водорастворимые ферменты и белки

Многие ферменты обладают способностью генерировать свободные радикалы кислорода, в частности супероксид. Среди этих ферментов наиболее изученным является ксантиноксидаза, которую используют в опытах in vitro с целью генерации супероксидного аниона-радикала. Интересно, что ксантиноксидаза в организме человека представляет собой НАД-зависимую дегидрогеназу, не образующую свободнорадикальных интермедиатов. Протеолитическая модификация ксантиноксидазы во время выделения фермента из ткани или во время ишемии in vivo превращает фермент из дегидрогеназной формы в форму ксантиноксидазы. При ишемии, в частности, вследствие дефосфорилирования АТФ в ткани увеличивается концентрация АМФ, который в дальнейшем катаболизируется до гипоксантина (рис. 13). Одновременно с этим в клетках под влиянием избытка Ca2+ происходит активация протеаз. Под действием этих ферментов ксантиндегидрогеназа, использующая НАД как акцептор электронов для превращения гипоксантина в мочевую кислоту, преобразуется в ксантиноксидазу, катализирующую превращение гипоксантина в ксантин. Ксантиноксидаза в качестве акцептора электронов использует молекулярный кислород с образованием O2-. Важно отметить при этом, что продукция O2 под действием ксантиноксидазы резко возрастает при постишемической реоксигенации (рис. 13).
Продукция свободных радикалов кислорода в организме

Помимо ксантиноксидазы, и другие ферменты (например, дигидрооротатдегидрогеназа, альдегидоксидаза, триптофандиоксигеназа) в ходе своего каталитического цикла генерируют O2. Модуляция активности этих ферментов, изменение концентрации кофакторов, субстратов и O2 сопровождаются изменением скорости внутриклеточной продукции свободных радикалов кислорода.

3. Транспорт электронов в митохондриях

Как было отмечено выше, восстановление молекулярного кислорода до воды происходит в конечном пункте электронтранспортной цепи митохондрий, содержащем цитохромоксидазу, которая обеспечивает одновременный перенос четырех электронов на O2. Этот процесс не сопровождается генерацией свободнорадикальных интермедиатов кислорода. Однако в некоторых пунктах электронтранспортной цепи создается реальная возможность «утечки» отдельных электронов прямо на O2 с образованием O2. Главным источником такой продукции O2- является участок дыхательной цепи, содержащий убихинонцитохром b. По сути дела, генерация O2B этом участке есть следствие аутоокисления убисемихинона (рис. 14). НАД-Н-дегидрогеназа и дигидрооротатдегидрогеназа также являются аутоокисляемыми переносчиками электронов, могущими «сбрасывать» один электрон на O2 и ответственными, таким образом, за часть продуцируемого в митохондриях O2.
Продукция свободных радикалов кислорода в организме

Важно подчеркнуть, что существуют 3 ситуации, в которых создаются благоприятные условия для усиления образования O2 в митохондриях. Во-первых, при уменьшении парциального напряжения O2 в тканях до уровня, лимитирующего его восстановление цитохромоксидазой до H2O (~1—3 мм рт. ст.), наблюдается увеличение содержания восстановленных компонентов дыхательной цепи — НАД, НАДФ, ФАД и KoQ, являющихся донорами электронов. Вторая ситуация, усиливающая производство O2 в митохондриях, связана c увеличением концентрации O2 (акцептора электронов) в тканях. И, наконец, наиболее благоприятные условия для усиления генерации O2 создаются при гипоксии, сменяющейся гипероксией, что имеет место, например, в ближайший период от начала постишемической реперфузии.

4. Электронтранспортные системы эндоплазматического ретикулума и ядерных мембран

Главным источником продукции O2 в микросомах и ядерных мембранах является аутоокисление цитохромов Р-450 и b5 (рис. 15). Дополнительное количество O2 продуцируется микросомальными флавинсодержащими оксидазами. Пока еще остается неясным, почему некоторые субстраты микросомальных реакций, катализируемых цитохромом Р-450, могут направлять поток электронов на O2, генерируя тем самым побочные свободнорадикальные продукты, тогда как в присутствии других субстратов «утечки» электронов на O2 не происходит. Во всяком случае, как мы в этом ниже убедимся, для некоторых видов клеток (например, для лейкоцитов) целенаправленное увеличение выработки свободных радикалов O2 представляет собой один из важнейших механизмов, с помощью которого этими клетками осуществляется выполнение специфической функции (фагоцитоза).

5. Пероксисомы

Эти органеллы являются источником образования в клетках H2O2 главным образом из-за высокого содержания в них оксидаз, ни одна из которых не генерирует O2. Из ферментов, генерирующих H2O2, можно назвать ацидоксидазу, уратоксидазу, ацил-КоА-оксидазу. Часть образующейся в пероксйсомах H2O2 диффундирует в цитоплазму.

6. Плазматические мембраны

Продукция свободных радикалов кислорода с помощью липоксигеназы и циклооксигеназы — ферментов, связанных не только с микросомальными, но и плазматическими (клеточными) мембранами, представляет особый интерес по той причине, что субстратом действия этих ферментов является арахидоновая кислота, а продуктами ее метаболизма — такие биологически активные соединения, как простагландины, тромбоксаны, лейкотриены.

Как показано на рис. 16, ферментативное окисление арахидоновой кислоты с помощью мембраносвязанной циклооксигеназы сопровождается образованием свободнорадикальных интермедиатов. В процессе метаболизма циклических эндоперекисей, и в частности, при превращении простагландина G2 в простагландин H2 образуется супероксид.
Продукция свободных радикалов кислорода в организме

Таким образом, процесс утилизации кислорода в клетках аэробных организмов сопряжен с образованием свободнорадикальных интермедиатов. Предполагается, что около 5% потребляемого тканями молекулярного кислорода подвергается одновалентному (одноэлектронному) восстановлению до супероксидного аниона-радикала с последующим образованием и других активированных форм O2.

Здесь уместно отметить одно существенное обстоятельство. Если такие радикальные интермедиаты кислорода, обладающие высокой окислительной способностью, образуются in vivo, то это не может не иметь важнейших последствий для фундаментальных процессов, определяющих функционирование живых клеток. Иными словами, если свободные радикалы кислорода являются продуктом нормального клеточного метаболизма аэробных организмов, то из этого с неизбежностью следует, что в процессе эволюции должны были сформироваться механизмы, контролирующие стационарную концентрацию активированных форм O2 в клетке и препятствующие реализации их повреждающего действия на клеточные компоненты. С другой стороны, вполне возможно предположить, что в процессе эволюции клетки аэробов приобрели способность утилизировать для удовлетворения своих функциональных потребностей не только молекулярный кислород, но и его свободнорадикальные формы.

Действительно, в сравнительно недавних исследованиях было убедительно показано, что, во-первых, продукция свободных радикалов кислорода имеет место in vivo в клетках животных и человека как в норме, так и в патологии и, во-вторых, эти клетки способны не только обезвреживать, но и использовать активированные формы кислорода в некоторых физиологических (например, фагоцитоз) или биохимических (оксигеназные реакции) процессах.

Поскольку увеличение концентрации O2 в тканях, происходящее при гипероксии, неизбежно приводит к повышению содержания в них активных интермедиатов кислорода, совершенно очевидно, что реализация как терапевтического, так и токсического эффекта ГБО на организм во многом связана с тем особым влиянием, какое оказывают свободные радикалы кислорода на метаболизм, функций, структуру и нейрогуморальную регуляцию органов и тканей. Следовательно, понимание принципа действия ГБО на организм в целом и сердечно-сосудистую систему в частности невозможно без знания механизмов образования, биологического действия и регуляции стационарной концентрации в клетках активированных форм кислорода.