Основная масса АФК появляется как результат «утечки» электронов и «сбоев» в работе систем биоокисления. Даже - для оксидаз, продуцирующих Н2О2 в качестве одного из продуктов катализируемой реакции, эти высокоактивная молекула является лишь побочным результатом, ибо главное предназначение оксидаз состоит в расщеплении минорных метаболитов, доступностью которых и определяется количество образуемых АФК. Если к этому добавить еще возможность неферментативного возникновения свободных радикалов, а также их самовоспроизводство в цепных реакциях, то можно заключить: создание АФК не является специальной функцией каких-то ферментных систем, способных регулировать интенсивность выработки этих оксидантов.
Отсюда — опасность чрезмерного накопления АФК и их разрушительного действия. Ее реальность подтверждается наличием эффективных механизмов ликвидации АФК, совокупность которых называют системой антиок- сидантной защиты (АОЗ).
Наибольшим потенциалом обладают ферментные звенья этой системы. К их числу относятся супероксиддисмутаза, каталаза и пе- роксидазы.
Супероксиддисмутаза катализирует реакцию дисмутащи, т.е., переноса электрона с одного супероксидного радикала 02‘~ на другой. В результате первый окисляется до молекулярного кислорода, а второй восстанавливается до Н2О2. Как показывает уравнение [5-8], самопроизвольное течение такого процесса сопровождается образованием синглетного кислорода 102. В отличие от этого супероксид- дисмутаза (СОД) генерирует обычную, довольно инертную молекулу Ог (триплетный кислород). Таким образом, фермент не только сильно ускоряет ликвидацию радикалов супероксида, но и «уводит» их от спонтанного перехода в высокореактивную форму синглетного кислорода.
Известны три совершенно разные формы СОД. Две из них — цитоплазматическая и внеклеточная - содержат по одному атому Си2+ и Zrf+ в каждой субъединице. Третья локализуется в матриксе митохондрий: вместо меди и цинка в состав ее субъединицы входит атом Мп2+ (или железа - у некоторых бактерий). Молекулярная активность СОД исключительно высока: фермент преобразует до 60 млн супер- оксидных анион-радикалов за 1 мин.
Образующийся водородпероксид относительно стабилен и не несет электрического заряда. Сочетание таких свойств позволяет ему легко проникать через биомембраны, в отличие от радикалов и ион-радикалов. Поэтому молекулы Н2О2 способны оказывать свое действие (или могут быть использованы) не только в месте образования, но и внутри липидного бислоя мембраны, а также по другую сторону ее. Иными словами, Н202 можно считать транспортной формой АФК.
С другой стороны, Н2Ог представляет собой опасность, поскольку может порождать наиболее агрессивную из всех АФК частицу - гидроксидный радикал НО'. Более того, в живом организме едва ли не единственным источником образования НО* служит именно пероксид водорода, подвергаемый одноэлектронному восстановлению ионами металлов переменной валентности (уравнение [5-7]) или супероксидом (уравнение [5-9]).
Чтобы снизить возможность образования НО’, существуют специальные ферменты, которые расщепляют Н2Ог до продуктов, не обладающих высокой реактивностью.
Каталаза является главным из таких ферментов. Она присутствует во всех аэробных клетках, обладает очень высокой молекулярной активностью (порядка 1,2Т0б мин'1) и уникальной способностью расщеплять Н202 до воды и обычного (триплетного) кислорода:
По строению каталаза напоминает гемоглобин. Она состоит из четырех одинаковых субъединиц, содержащих гем, железо которого находится, однако, в окисленной форме (Ре3+), - в отличие от гемоглобина (Ре2+). Ликвидируя молекулы Н202, каталаза тем самым снимает угрозу превращения их в гидроксилы НО'. Кроме того, действуя «по стопам» супероксид-дисму- тазы, она помогает устранению и других АФК.
В эритроцитах каталаза содержится в цитозоле, что облегчает ей задачу защиты железа гемоглобина и НБ-групп белковых и иных мо- лекул от окисления пероксидом водорода. В других клетках каталаза сосредоточена в пе- роксисомах.
Пероксидазы в плане защиты от АФК функционируют подобно каталазе, расщепляя молекулы Н202. Главное отличие заключается в том, что они восстанавливают молекулу Н202 (до воды) не за счет окисления другой молекулы Н202 (до молекулярного кислорода), а за счет двух атомов водорода, отнимаемых у подходящего субстрата:
Как правило, пероксидазы являются гемопротеинами и содержат окисленное железо (Бе3*) в составе гема. В основном они характерны для растений. В качестве субстрата, окисляемого ими с использованием Н2О2, могут выступать разные соединения - фенолы, гидрохиноны, гидроксибензоат, катехолы и т.д. У животных такие ферменты сочетают расщепление Н202 с выполнением специализированных функций некоторых типов клеток.
Миелопероксидаза характерна для грану- лоцитов и моноцитов. Она играет главную роль в системе бактерицидной активности нейтро- филов, составляющих первую линию неспецифической защиты от инфекции. Лишь часть этой активности объясняется обычным перок- сидазным действием - реакцией окисления органических молекул за счет Н2О2. Несравненно важнее другое качество миелопероксидазы: только она способна использовать водородпероксид для окисления ионов хлора:
Образующийся в этой реакции ион гипохлорита ОСГ по своей химической реактивности мало уступает гидроксилу НО". Помимо обычного окислительного воздействия, гипохлорит легко вступает в реакции хлорирования аминокислот и иных веществ, давая начало хло- раминам и серии других химически активных продуктов, включая свободные радикалы. Иными словами, миелопероксидаза не просто разрушает пероксид водорода, но и способна использовать этот умеренный окислитель для выработки гораздо более энергичных молекул, обладающих высокой биоцидной активностью. Относительно НО' гипохлорит гораздо стабильнее, а потому обладает более протяженным радиусом действия. Этим в значительной степени объясняется известный эффект: в борьбе с инфекцией погибают не только сами ней- трофилы. но и соседние клетки здоровой ткани, окружающей очаг воспаления («клетки- свидетели»).
Таким образом, наряду с НАДФ-//2-окси- дазой и ферментами наработки молекул НАДФ-//2, миелопероксидаза является непременным участником феномена «дыхательного взрыва», использующего 02 для уничтожения широкого спектра инфекционных агентов.
Лактопероксидаза вырабатывается клетками слюнных и молочных желез и является секреторным аналогом миелопероксидазы. В слюне и молоке она способна использовать Н202 для превращения тиоцианата (БСИ ) в слабый окислитель гипотиоцианит (ОБСИ), обладающий бактериостатическим действием.
Йодидпероксидаза представляет собой трансмембранный белок тироцитов (отсюда другое название — тироидная пероксидаза). Она катализирует окисление йодида до молекулярного йода:
Кроме этого, собственно пероксидазного действия, фермент способен замещать водород ароматического кольца тирозина одним из атомов молекулы йода. Тем самым осуществляется органификация йода. На рис. 5-55 такая реакция показана на примере внедрения атома йода в положение 3 фенильной группы тирозина, в результате чего образуется 3-монойод- тирозин. Однако реально субстратом служит не
Рис. 5-55. Механизм йодирования тирозильных радикалов в составе тироглобулина.
свободная аминокислота, а лишь особый белок - тироглобулин, изобилующий радикалами тирозина (см. раздел 2.6.3). Часть из них преобразуется в 3-монойодтирозильные производные, а некоторые подвергаются повторному йодированию, превращаясь в 3,5-дийодтиро- зильные радикалы. На следующем этапе циклический фрагмент одного из йодированных звеньев переносится на гидроксильную группу другого, что приводит к возникновению би- циклической структуры йодтиронинов. Процедуру такой конденсации осуществляет тоже тироидная пероксидаза (это уже третья ее функция). Таким способом в составе белка формируются предшественники тироидных гормонов. Преобладает здесь тироксин (Т4), представляющий собой 3.5,3 ",5 '-тетрайодтиронин (его формула показана на рис. 2-29). В небольших количествах в йодтироглобулине содержится также 3,5,3 '-трийодтиронин (Тз), продукт конденсации дийодтирозина и 3 ’-монойодтирозина. Освобождение готовых молекул Т4 и Тз происходит путем гидролитического вычленения их из молекулы йодтироглобулина (как это описано в разделе 2.6.3).
Врожденные дефекты йодидпероксидазы, а также недостаток йода в организме приводят к разной степени гипофункции щитовидной железы.
Глутатиоппероксидазо сильно выделяется среди всех пероксидаз. Это - один из тех редких белков, в состав которых входит селено- цистеин. Будучи аналогом циетеина, сера которого заменена на селен, он включен в каталитический центр фермента. От каталазы глу- татионпероксидаза отличается гораздо более высоким сродством к Н2О2 и потому эффективна даже при низких концентрациях водо- родпероксида. Особенность еще и в том, что в качестве восстановителя для Н2О2 она всегда использует только глутатион.
Глутатион - это трипептид у-глутамил- цистеил-глицин (рис. 5-56). Он своеобразен тем, что пептидная связь, образованная глута- матом, сформирована с участием его «дальней» карбоксильной группы, а не соседней с аминогруппой, как это присуще обычным пептидам. Это придает глутатиону устойчивость к проте- олитическим ферментам и позволяет находиться во всех клетках, причем, в довольно высоких концентрациях (до 10 мМ). Он легко проходит через мембраны, в том числе во внеклеточное пространство.
Рис. 5-56. Глутатион (Г-вН) и его окисленная форма (Гв-вГ).
Главной функциональной ценностью глу- татиона является наличие сульфгидрильной группы циетеина. Поэтому глутатион обозначают сокращением Г-БН. Отдавая водород своих НЖ-групп, две молекулы глутатиона соединяются дисульфидной связью -8-8-. Так образуется окисленный глутатион, часто представляемый как ГБ-БГ (см. рис. 5-56). Реакция обратима: многие восстановители легко превращают окисленный глутатион в две молекулы глутатиона (иногда уточняют — «восстановленного глутатиона»).
Катализируемое глутатионпероксидазой восстановление водородпероксида до воды схематически можно представить уравнением:
Известен ряд ферментов, способных восстанавливать Г8-8Г за счет различных веществ, включая аскорбиновую кислоту.. Однако главную роль в регенерации Г-8Н играет флавопротеиновый фермент глутатионредукта- за, который для восстановления Г8-8Г использует молекулы НАДФ-#2, образующиеся в ходе различных метаболических процессов (особенно в цитоплазме):
Равновесие данной реакции сильно сдвинуто вправо. Поэтому неудивительно, что в обычных условиях около 90% глутатиона находится в тканях в восстановленной форме.
По существу, этот трипептид выполняет роль переносчика восстановительных эквивалентов в клетке. В данном случае — от НАДФТ/г на Н202 (сумма уравнений [5-11] и [5-12]). Мощность переносящей системы весьма велика, учитывая довольно высокое содержание Г-8Н в клетках и достаточно обильное образование молекул НАДФ-//2 в процессах метаболизма. Звенья этой системы имеются во всех тканях. Особенно важную роль глутати- онпероксидаза играет в хрусталике глаза, где отсутствует каталаза — другой из главных «разрушителей» водородпероксида.
Глутатионпероксидаза ликвидирует окислительный потенциал не только перекиси водорода. В частности, она может восстанавливать гидропероксиды полиненасыщенных жирных кислот, возникающие на первой ста
дии биогенеза лейкотриенов (см. рис. 5-53) и способные генерировать свободные радикалы Ь-ОО'. При этом гидропероксидная группа, например, эйкозатетраеноата (5-ГПЭТЕ) превращается в обычную спиртовую группу, как это видно на рис. 5-53 (реакция 5). Возникающий
гидрокси-эйкозатетраеноат (5-ГЭТЕ) химически довольно безопасен, но и лишен биологической активности лейкотриенов. Более того, он способен снижать активность 5-липокси- геназы. Этот алпостерический эффект позволяет осуществлять регуляцию выработки
ГПЭТЕ и следующего за ней биосинтеза лейкотриенов.
Многие вещества способны взаимодействовать с активными формами кислорода даже без участия ферментов. Их принято называть антиоксидантами. Обычно, подвергшись окислению, они затем легко регенерируются благодаря наличию соответствующих редуктаз. Наиболее известными антиоксидантами являются широко распространенные восстановители - аскорбиновая кислота. Г-8Н, цистеин и т.п.
Другие из неферментных факторов анти- оксидантной защиты устраняют АФК благодаря тому, что в результате взаимодействия сами переходят в свободнорадикальную форму. Зачастую вновь образованные радикалы химически более инертны. Потому их появление обрывает цепную реакцию или, по крайней мере, сильно замедляет ее. Таков механизм антиокси- дантного действия многих естественных метаболитов - «ловушек» для свободных радикалов. К ним относятся мочевая кислота, билирубин, некоторые аминокислоты, одно- и многоатомные спирты (включая моносахариды). Появившись, их радикальные формы в дальнейшем либо уничтожаются путем взаимодействия между собой, либо исчезают в ходе обычных метаболических процессов, либо нейтрализуются восстановителями типа аскорбиновой кислоты или сульфгидрильных соединений.
Перечисленные антиоксиданты относятся к числу водорастворимых. В гидрофобной фазе биомембран роль «ловушек» для свободных радикалов выполняют главным образом витамины группы Е, включая а-токоферол (рис.
57), а также витамин А (см. рис. 2-11) и другие каротиноиды. Сохраняя антиоксидантные свойства даже при высоком парциальном давле-
Рис. 5-57. Строение а-токоферол а (витамин Е).
нии кислорода, витамин. Е играет особенно важную роль в мембранах эритроцитов и клеток дыхательных путей. Образуемые им радикалы малоактивны и не реагируют с ненасыщенными жирными кислотами. Этим объясняется эффективность витамина Е в защите от перекисного окисления липидов.
