Антиоксидантна система (АОС) – це потужний механізм, що запобігає розвитку лавиноподібних вільно-радикальних та перекисних реакцій в організмі. Ця система клітин організму діє завдяки наявності сполук - антиоксидантів, у складі яких міститься рухливий атом водню, що не дуже міцно з’єднаний з вуглецем (С-Н) або сіркою (S-Н). У результаті реакцій молекул антиоксидантів та вільних радикалів утворюються радикали антиоксидантів, які не є потужними окисниками й не можуть продовжувати перебіг вільно-радикальних реакцій окиснення, тобто вони обривають ці ланцюги. Радикали молекул-антиоксидантів виводяться у вигляді кінцевих продуктів, що є результатом взаємодії з молекулами інших антиоксидантів.
Антиоксиданти можуть знешкоджувати вільні радикали ще до моменту реалізації їх руйнівної дії.
Таким чином основним завданням антиоксидантної системи є зменшення кількості вільних радикалів до мінімально можливого рівня.
Усі компоненти антиоксидантної системи організму умовно поділяють на декілька груп:
ферменти АОС;
макромолекулярні неферментні сполуки;
низькомолекулярні неферментні сполуки (жиророз- чинні та водорозчинні антиоксиданти).
Ферменти АОС стоять на першій лінії захисту організму від шкідливої дії вільних радикалів. До них належать:
супероксиддисмутаза (СОД);
каталаза;
глутатіонпероксидаза.
Супероксиддисмутаза – металофермент, який має три ізоферментні форми, що містять різні іони металів зі змінною валентністю. СОД, що містить магній, знаходиться у мітохондріях, мідьвмісна СОД – у цитозолі, цинк містить ендотеліальна СОД. Цей фермент каталізує реакцію інактивації супероксидного аніон радикала:
2 + 2H+ ? H2O2 + O2.
У разі збільшення кількості супероксидного радикала відбувається індукція синтезу молекул СОД.
Каталаза – гемовмісний фермент, що знаходиться переважно в пероксисомах (незначна активність спостерігається також у ЕПР та цитозолі) клітин печінки (найбільша активність), нирок, еритроцитів. Цей фермент перешкоджає накопиченню перекису водню:
2Н2О2 ? 2 Н2О + О2.
Каталазу відносять до ферментів з найбільшою активністю – вона здатна розщепити 44 000 молекул H2O2 за секунду. Активність каталази може бути знижена при дефіциті вітамінів (тіаміну, рибофлавіну, пантотенової кислоти, біотину, фолієвої кислоти тощо), надлишку деяких амінокислот (метіоніну, тирозину, цистеїну) та мінералів (міді, цинку).
Ферментативна пара СОД та каталаза дуже потужна і практично повністю виключає можливість вільно-радикальних реакцій, але дія різноманітних факторів внутрішнього та навколишнього середовища можуть знижувати їх ферментативну активність. Саме тому дія цих ферментів АОС не гарантує 100% захист клітин від вільних радикалів.
Глутатіонпероксидаза – фермент, що містить селен і для своєї роботи потребує наявності трипептиду глутатіону (GSH). Фермент використовує глутатіон для відновлення перекису водню (H2O2) та ліпідних гідроперекисів (LOOH) до нейтральних малотоксичних сполук:
H2O2 + 2GSH ? GS-SG + 2H2O;
LOOH + 2GSH ? GS-SG + LOH + H2O.
Далі окиснена форма глутатіону (GS-SG) відновлюється за допомогою глутатіонредуктази:
GS-SG + НАДФН ? 2GSH - НАДФ+.
Робота глутатіонпероксидази може бути пригнічена в разі алементарного дефіциту селену. Цей мікроелемент переважно накопичуєтся у злакових культурах. У разі вирощування рослин на ґрунтах з низьким вмістом цього елемента (наприклад, у деяких регіонах України, Фінляндії, Китаю, Нової Зеландії) надходження в організм людини селену зменшується, що може мати негативні наслідки для роботи АОС та стану здоров’я людини взагалі. Дефіцит селену в організмі призводить до розвитку аліментарної м’язової дистрофії, кардіоміопатії, підвищує ризик розвитку інфаркту міокарда тощо.
Відомо, що в еритроцитах у разі високої швидкості утворення H2O2 переважає активність глутатіонпероксидази, а при низькій швидкості утворення – каталази.
Макромолекулярні неферментні сполуки АОС – це білки, що беруть участь у транспорті та зв’язуванні іонів металів зі змінною валентністю - заліза, міді, селену, кобальту (трансфе-рин, феритин, церулоплазмін, гаптоглобін, транскобаламін).
Церулоплазмін
Цей мідьвмісний білок крові є універсальним позаклітинним гасником вільних радикалів. Церулоплазмін має су пероксид-дисмутазну активність і, таким чином, захищає ліпіди мембран від окиснення. Важливою функцією церулоплазміну є знешкод-ження вільних радикалів, що генеруються та вивільняються у кров макрофагами під час фагоцитозу. Крім того, цей білок інактивує вільні радикали, які утворюються у місцях запалення.
Опосередкована антиоксидантна дія цитохрому пов’язана з транспортом міді від печінки до тканин. Активність такого клітинного ферменту АОС як супероксиддисмутаза залежить від наявності саме цього мікроелемента.
Низькомолекулярні неферментні сполуки АОС поділяють на дві групи:
Жиророзчинні, які ще називають «істинними» (інактивують вільні радикали).
Водорозчинні, які належать до допоміжних антиоксидантів (у тому числі відновлюють «істинні» антиоксиданти).
Жиророзчинні антиоксиданти – це токофероли, вітаміни А, каротиноїди, убіхінон, флавоноїди, стероїдні гормони та ін.
Токофероли
Серед токоферолів найбільш активним антиоксидантом є ?-токоферол. Молекули вітаміну Е знаходяться в ліпідному шарі плазматичних мембран, внутрішній мембрані мітохондрій, мембранах інших органел клітини, що забезпечує захист мембранних структур від ушкодження та руйнації під дією вільних радикалів. Цей вітамін ефективно прериває ланцюги вільнорадикальних реакцій, тому токоферол відносять до головного жиророзчинного антиоксиданта клітини.
Механізм антиоксидантної дії вітаміну Е полягає у тому, що його молекули віддають атом водню вільному радикалу пероксиду ліпіду (LOO•) і відновлюють його до гідропероксиду (LOOH). Таким чином зупиняється розвиток ланцюга реакцій ПОЛ (рис. 25).
Токоферол є важливим фактором захисту від різноманітних ушкоджувальних факторів, у тому числі гемолітичних отрут.
Було встановлено, що in vitro вітамін С відновлює окислену форму токоферолу, але in vivo факт такої взаємодії вітамінів не доведений. Вітамін Е також взаємодіє з іншими компонентами АОС. Так, наприклад, він відіграє важливу роль в обміні селену – складової частини глутатіонпероксидази.
Вітамін А та каротиноїди
Молекула ретинолу містить спряжені подвійні зв’язки, що дозволяє йому взаємодіяти з вільними радикалами різних типів і бути ефективним антиоксидантом. Антиоксидантна дія вітаміну А також пояснюється тим, що він забезпечує захист сульфгідрильних груп та перетворення їх у дисульфідні. Вказана властивість досить суттева для роботи АОС, оскільки значна кількість сполук, що містять SH-групи, мають антиоксидантні властивості. Крім того, цей вітамін нормалізує структурно-функціональні властивості біомембран.
Вітамін А взаємодіє з іншими компонентами АОС. Разом з токоферолом та вітаміном С він активує включення селену до складу глутатіонпероксидази.
Рисунок 26 – Механізм антиоксидантної дії вітаміну Е
Токоферол запобігає прояву прооксидантних властивостей вітаміну А, тому що здатний захищати подвійні зв’язки ретинолу від окиснення та утворення високоактивних вільнорадикальних продуктів.
Спряжені подвійні зв’язки, що забезпечують антиоксидантні властивості, містяться також у структурі молекул каротиноїдів, найбільш активним з яких є ?-каротин. Антиоксидантна властивість ?-каротину приблизно у 5 разів вища, ніж у ретинолу. Цей каротиноїд здатний інактивувати синглетний кисень, супероксидний аніон радикал, перекис водню. Вважають, що ?-каротин є найбільш потужним «гасником» саме синглетного кисню. Він також є активним синергістом дії вітаміну Е як мембранний антиоксидант.
Убіхінон (коензим Q)
За хімічною будовою цей жиророзчинний антиоксидант схожий на вітаміни Е та К. Антиоксидантна дія коферменту обумовлена його відновленою формою (QH2), активність якої втричі більша, ніж невідновленої. Цей кофермент, як і вітамін Е, інактивує вільні радикали фенольного типу, безпосередньо реагує з перекисними радикалами, зменшує їх кількість у клітині та стабілізує мембрани. Убіхінон підключається до роботи АОС в разі значного використання вітаміну Е. Крім того він здатний відновлювати антиоксидантну активність токоферолів.
Убіхінон входить до п’ятірки антиокисників, що захищають клітини мозку від ПОЛ та перешкоджають руйнації нейронів. Саме загибель нейронів є причиною таких дегенеративних захворювань, як хвороби Паркінсона та Альцгеймера. Як було зазначено вище, вміст убіхінону в організмі з віком зменшується і все більша його кількість використовується для знешкодження вільних радикалів, у тому числі й у мозку.
Стероїдні гормони
Серед стероїдних гормонів антиоксидантні властивості мають естрогени. Ці ліпофільні сполуки мають найбільшу антиоксидантну активність у ті періоди циклу, коли їх кількість в організмі жінки найбільша. Естрогени підтримують струк-турно-функціональні властивості мембран, регулюють мікросо-мальне окиснення, підтримуючи активність монооксигеназ.
Флавоноїди
До цих неферментних антиоксидантів належать як ліпофільні, так і водорозчинні фенольні сполуки рослин, які є компонентами їжі людини і віднесені до групи вітаміну Р. На сьогодні відомо понад 6500 флавоноїдів. Найбільший їх вміст у цитрусових, зеленому чаї, червоному вині, чорному шоколаді, цибулі тощо.
Одними з найбільш потужних флавоноїдів-антиоксидантів є катехіни. Наприклад, у зеленому чаї міститься епігалокатехін (EGC), антиоксидантна активність у 25-100 разів більша, ніж вітамінів С та Е.
З антиоксидантними властивостями пов’язують важливу роль флавоноїдів у профілактиці серцево-судинних та онколо-гічних захворювань, а також радіопротекторну дію.
Водорозчинні антиоксиданти – це вітамін С, глутатіон, карнозин, сечова кислота тощо.
Вітамін С (аскорбінова кислота)
Аскорбінова кислота надходить в організм із їжею, в тому числі у вигляді окисленої форми дегідроаскорбінової кислоти. Системи «аскорбінова кислота-дегідоаскорбінова кислота» є окисно-відновною парою, яка здатна приєднувати та віддавати протони та електрони. Антиоксидантна дія вітаміну С насам-перед полягає в тому, що його молекули здатні реагувати з супероксидним аніон радикалом, перекисом водню, гідроксиль-ним аніон радикалом та інактивувати їх. Аскорбінова кислота також нейтралізує окисники, що надходять із забрудненим по-вітрям (NO, вільні радикали сигаретного диму), та перешкоджає пероксидації холестеролу ЛПНЩ і, таким чином, запобігає прогресуванню атеросклерозу. Крім того, аскорбінова кислота є потужним синергістом дії токоферолів та каротинів. Так, відомо, що вона відновлює окислену форму вітаміну Е і таким чином підтримує його необхідну концентрацію у мембранах.
Глутатіон
Для роботи АОС важливими сполуками є ті, що містять сульфгідрильні групи (SH-). Глутатіон – трипептид (Глу-Цис-Глі), що міститься у всіх клітинах організму і належить до основного мобільного фонду сульфгідрильних груп. Антиокси-дантна властивість глутатіону пов’язана з роботою таких ферментів, як: глутатіонпероксидаза (містить селен) та глутаті-онредуктаза. Глутатіон є кофактором глутатіонпероксидази, яка відновлює перекиси ліпідів та перекис водню і захищає клітинні структури від окиснення. Участь глутатіону (G-SH) у функ-ціонуванні глутатіонпероксидази наведена у такій реакції:
2GSH + H2O2 ? GS-SG + 2H2O.
GS-SG – це дисульфід глутатіону, що утворюється після відновлення перекису водню.
Далі глутатіонредуктаза відновлює окислений глутатіон:
GS-SG + НАДФН + H+ ? 2 GSH + НАДФ+.
Карнозин
Цей дипептид, що містить гістидин та ?-аланін, також належить до природних регуляторів вільнорадикальних процесів. Карнозин виявлений у мозку, скелетних м’язах, серці. Антиоксидантні властивості карнозину обумовлені його здатністю нейтралізувати активні форми кисню та взаємодіяти з продуктами вільнорадикального окиснення. Молекули цього дипептиду можна вважати «пастками» пероксильних та гідроксильних радикалів, синглетного кисню. Карнозин здатний також нейтралізувати гіпохлорит-аніон шляхом утворення з ним стабільних хлорамінових комплексів.
+ 2H+ ? H2O2 + O2.
