загрузка...
 
ПУТИ ОБРАЗОВАНИЯ АФК И ИХ ПРЕВРАЩЕНИЯ
Повернутись до змісту

ПУТИ ОБРАЗОВАНИЯ АФК И ИХ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Первоисточником АФК являются некоторые ферментативные реакции. Полагают, что доминирует в этом система митохондриального окисления. Обычно она почти идеально реализует практически одновременную передачу 4 электронов на молекулу 02. Однако из-за того, что дыхательные ансамбли содержат редокс- центры одноэлектронного транспорта, возможны «утечки» отдельных электронов, приводящие к появлению продуктов неполного восстановления кислорода. Многие монооксигеназные комплексы тоже обладают звеньями одноэлектронного переноса, случайные нарушения «адресности» которого могут привести к возникновению супероксидного анион-радикала.

Более специфичными источниками (хотя далеко не столь масштабными) являются те ферменты, которые производят АФК в качестве непременного продукта реакции. К ним относятся оксидазы (раздел 5.4.1), действие которых сопровождается выработкой Н202, а также липоксигеназы, которые создают высокореактивные молекулы гидропероксидов (см. рис. 5-53), способные генерировать свободные радикалы жирных кислот.

Наконец, следует упомянуть ИО-синтетазу (см. рис. 5-47). Образуемый ею оксид азота и сам обладает высокой химической реактивностью. Но при низких концентрациях субстрата (аргинин) и кофермента (ТГБП) она способна вместо N0 производить супероксидный анион- радикал (02'~)- В некотором (и довольно обычном) диапазоне условий ИО-синтетаза вырабатывает одновременно и N0, и супероксид. Они легко и быстро взаимодействуют, образуя гораздо более реактивный пероксииитрит (ОМХГ):

Активные формы кислорода метут самопроизвольно (без участия ферментов) реагировать с себе подобными. Так, молекула супер- оксидного анион-радикала способна отдавать электрон другой такой же молекуле, окисляясь тем самым до бирадикального кислорода О2. Молекула же, принявшая этот электрон, восстанавливается до пероксидного аниона 022-, который легко протонируется в водородперок- сид н202:

Иными словами, два супероксидных радикала могут превращаться в молекулу кислорода и молекулу перекиси водорода (с участием двух протонов). Эту реакцию диспропорцио- нирования супероксида чаще называют дисму- тацией (супероксидных радикалов). Нюанс заключается в том, что при спонтанном течении процесса возникают молекулы синглетно- го кислорода (^Ог). От обычного (триплетного) Ог он отличается антипараллельностью спинов неспаренных электронов. Поэтому 02 обладает высокой реактивностью («возбужденный» кислород) и, следовательно, тоже относится к АФК.

Супероксидный анион-радикал может реагировать и с пероксидом водорода. Теряя электрон, он окисляется в этой реакции до обычного кислорода 02. В свою очередь, водородпе- роксид, принимая электрон, распадается на гидроксидный радикал НО* и гидроксильный ион НО- (как и в приведенном выше примере восстановления Н202 двухвалентным железом). В целом реакцию можно представить следующим уравнением:

Таким образом, перечисленные активные формы кислорода представляют собой единую систему родственных соединений, легко переходящих друг в друга. Все они в большей или меньшей степени способны оказывать повреждающее действие на биомолекулы. В белках наиболее уязвимыми оказываются боковые радикалы цистеина, гистидина и триптофана, химические изменения которых метут привести к нарушению функциональной способности пораженного фермента или иного белка. В нуклеиновых кислотах окислительной модификации подвергаются главным образом азотистые основания, что лежит в основе мутагенного действия АФК. Установлена способность этих активных молекул разрушать некоторые полисахариды. В липидах к окислительной атаке наиболее чувствительны полинена- сыщенные жирные кислоты, деградация которых приводит к образованию продуктов так называемого перекисиого окисления липидов (ПОЛ). В данном случае оно протекает спонтанно, и потому его называют неферментативным ПОЛ (в отличие от окислительных преобразований полиеновых кислот липокси- геназами и циклооксигеназами). Главная опасность окислительного повреждения липидов связана с наступающими изменениями физикохимических свойств липидного бислоя, которые приводят к нарушениям проницаемости, рецепторной и иных функций биомембраны, работы связанных с нею ферментов.

Среди всех АФК наиболее агрессивным является гидроксидный радикал (НО')» способный атаковать практически любое вещество клетки, включая ДНК. Фактически он представляет собой продукт протонирования О - - анион-радикала атома кислорода. Жизнь его настолько скоротечна, что за время своего существования НО' может сместиться (путем диффузии) на расстояние не более 0,1 мкм. Значит, химические воздействия гидроксид- ного радикала реализуются почти в самом месте его возникновения.

Энергии гидроксидного радикала НО* достаточно даже для того, чтобы отрывать атом водорода от углерода в различных органических соединениях. Например:

Восстанавливаясь при этом до воды, гидроксил превращает атакованную им молекулу в новый радикал, что в конечном счете может привести к разрыву межуглеродных связей. Так, если объектом атаки становятся пентозы нуклеиновых кислот, то возможен разрыв нуклеотидной цепи со всеми неблагоприятными последствиями, вплоть до гибели клетки.

Чаще мишенью радикалов НО* бывают полиненасыщенные жирные кислоты, в том числе в составе фосфолипидов биомембран. Обычно атакуется метиленовая группа, находящаяся между непредельными углеродами. Отнятие атома водорода приводит к появлению неспаренного электрона, локализованного на углероде этой группы:

Если липид обозначить буквой Ь и отметить факт отнятия у него атома водорода, то переход этой органической молекулы в состояние радикала можно представить так:

Возникший свободный радикал жирной кислоты (липида) — X — способен положить начало целой цепочке последовательных реакций образования все новых АФК. Например, в реакции с Ог он может переходить в липопе- роксидный радикал Ь-ОО*, который, в свою очередь, готов отнимать атом водорода у по- лиеновой структуры другой молекулы, делая из нее новый радикал X, а сам превращаясь в гидропероксидное производное Ь-ООН:

Легко заметить, что во всех приведенных реакциях исчезновение одного свободного радикала сопровождается возникновением другого, так что в целом процесс идет в самопод- держивающемся режиме. Это и есть отличительный признак цепной реакции линейного типа. В данном случае наряду с постоянным воспроизводством свободных радикалов она вовлекает все новые молекулы липидов, преобразуя их в гидропероксиды, эндопероксиды и т.д., вплоть до расщепления (фрагментации) жирнокислотных цепочек.

Описанный линейный процесс может переходить в разветвленную цепную реакцию со свойственным ей «размножением» активных частиц. Например, упомянутый липопероксид- ный радикал Ь -00', генерируя новый радикал X (из Ь"-Н), одновременно превращается в гидропероксид Ь-ООН, который тоже способен производить свободные радикалы, т.е., инициировать новые веточки цепного процесса. Это может произойти либо путем одноэлектронного восстановления с участием металлов переменной валентности:

либо под действием УФ-лучей или ионизирующей радиации, когда ЬООН образует не одну, а две радикальных частицы, что позволяет усилить степень ветвления цепной реакции:

Безудержное развитие цепной реакции в какой-то мере сдерживается вероятностью реакции между двумя свободными радикалами. Объединяя свои неспаренные электроны, они перестают быть радикалами и оказываются скрепленными ковалентной связью. Так возникают разнообразные межмолекулярные сшивки:

Таким образом, взаимодействия между радикалами тормозят цепную реакцию, вызывая «обрыв» цепи. Однако это не устраняет уже возникших повреждений молекул.

Ориентировочные подсчеты показывают, что всего за одну секунду в клетке может образоваться более 30 частиц НО*. Это совсем немало, если учесть, что воздействие даже одной из них на молекулу ДНК может привести к фатальным последствиям.

Агрессивное поведение АФК, тяжесть и необратимость вызываемых ими изменений побудили называть их токсичными формами кислорода. Однако возникают они не в результате какой-то патологии, а как продукты обычных ферментативных процессов или как следствие вполне естественных «утечек» электронов в ходе некоторых из них. Очевидно, живая природа в ходе эволюции не могла не обернуть себе на пользу высокую химическую реактивность и потенциальную опасность АФК.

Есть основания считать, что это действительно так. В частности, химическая модификация радикалов аминокислот нарушает пространственную организацию белковой молекулы. Поэтому протеолитические ферменты быстрее расщепляют окисленный белок, чем нативный. Следовательно, свободнорадикальное повреждение становится фактором, который сокращает продолжительность существования белковой молекулы и тем самым стимулирует замену ее вновь синтезированной. Аналогичным образом окислительные преобразования фосфолипидов в процессе неферментативного ПОЛ играют важную роль в обеспечении деградации и обновления этих компонентов биомембран.

Однако помимо обшедеструктивного действия АФК выполняют и ряд специальных функций. В частности, упомянутый выше пе- роксинитрит активирует проколлагеназу (ме- таллопротеиназа-8) и вызывает инактивацию тканевого ингибитора этого фермента, а также агантитрипсина (главного из эндогенных ингибиторов эластазы). Накапливаются свидетельства того, что в низких (нетоксичных) концентрациях АФК выполняют роль сигнальных молекул, с помощью которых регулируется скорость многих метаболических процессов, включая мембранный транспорт ионов Са2+, фосфорилирование ряда белков, экспрессию определенных генов, инициацию пролифера- тивных процессов и т.д.

Особую роль играют АФК в механизмах антимикробной защиты, осуществляемой фагоцитирующими клетками. Наиболее эффективны в этом отношении нейтрофилы, которые обладают специальной системой генерации АФК. Важным ее компонентом является мембранный комплекс НАДФ //2-оксидазы, включающий ФАД и цитохром Ь, а также ряд цитозольных белков. Перемещение последних к мембране и сборка комплекса происходят в момент активации нейтрофилов, в частности, при контакте с микробными клетками. Активный комплекс утилизирует нарабатываемые в цитоплазме молекулы НАДФ-//2 для восстановления молекул Ог по механизму одноэлектронного переноса:

В состоянии функциональной активности фагоциты претерпевают так называемый «дыхательный взрыв» («оксидативный стресс»). Он проявляется в скачке потребления кислорода, используемого НАДФ’//2.оксидазой. Поставщиком НАДФ-//2 служит резко возрастающий при этом распад глюкозы гексозомонофосфатным путем (см. раздел 6.6.1). Всплеск поглощения кислорода развивается в нейтрофилах очень быстро, достигая максимума в течение 3 мин и обеспечивая интенсивную генерацию суперок- сидных радикалов, которые вместе с последующими высокореактивными продуктами производят прямое разрушение чужеродных агентов. Затухает «дыхательный взрыв» сравнительно скоро: уже через 30-60 мин потребление кислорода возвращается к исходному уровню.



загрузка...