Перекисне окислення ліпідів

>

Мал. 11

1.3 Фізіологічна антиоксидантна система

1.3.1 Антиоксидантні ферменти клітини

До числа АО-ферментів відносяться супероксиддисмутаза (СОД), що інактивує супероксидний аніон-радикал ; каталаза, що розкладає пероксид водню Н2
О2
, а також ферменти системи глутатіону (Г-SH): глутатіонпероксидаза (ГПО), що розкладає поряд з Н2
О2
також органічні (ліпідні) перекиси, глутатіонредуктаза (ГР), що відновлює глутатіон, окиснений у ході ферментативних (ГПО) і неферментативних реакцій, і сімейство глутатіонтрансфераз (ГТ), що алкілують глутатіоном різноманітні токсичні метаболіти. Нарешті, до числа АО-ферментів відноситься церулоплазмін - головний АО-фермент крові, а також частково трансферрин.

Супероксиддісмутаза (СОД)
- каталізує реакцію

+ + 2Н+
® О2
+ Н2
О2
.(9)

У результаті реакції утворюється пероксид водню, здатний інактивувати СОД [3]. Тому СОД локалізована й функціонує звичайно в співдружності з каталазою, що швидко й ефективно розкладає Н2
О2
. Активний центр ферменту містить атоми металів зі змінною валентністю. Наприклад, у матриксі мітохондрій присутня й дисмутує радикали , що «витікають» з електроно-транспортного ланцюга, СОД, яка містить марганець.

Каталаза
- каталізує реакцію

Н2
О2
+ Н2
О2
® О2
+ 2Н2
О(10)

Реакція протікає у дві стадії: спочатку утворюється комплекс ферменту з однієї, потім - із другою молекулою пероксиду водню. Каталаза здатна реагувати й з іншими донорами водню, у цьому випадку комплекс ферменту з однією молекулою пероксиду реагує із субстратами подібно пероксидазі:

Каталаза
+ Н2
О2
+ RH ® R·
+ 2Н2
О + Каталаза
(11)

Основна функція каталази в клітині - розкладання пероксиду водню, що утворюється при дисмутації супероксидного аніон-радикала [7]. Найбільш висока активність каталази відзначена в гепатоцитах.

Гемоглобін й міоглобін, піддаючись окисній атаці й перетворюючись відповідно в метгемоглобін і метміоглобін, вивільняють при цьому СОД і каталаза, що знаходяться в еритроцитах і м'язах усувають його продукцію [3].

Таким чином, АО-ферменти СОД і каталаза, функціонуючи спільно, у більшості випадків вчасно інактивують АФК - і Н2
О2
, що утворюються як у процесі нормальної життєдіяльності клітин, так і в умовах значної активації ПОЛ, у тому числі патологічно обумовленої. Однак найбільше ефективно ПОЛ активується в ліпідних (фосфоліпідних) структурах біомембран і супроводжується утворенням ліпідних пероксидів, що слабко усуваються системою СОД - каталаза.

1.3.2 Система глутатіону

Глутатіонзалежна антиоксидантна система (АОС) включає три глутатіон-залежних ферменти: ГПО, ГР і ГТ. Центральний метаболіт системи - трипептид глутатіон, (Г-SH) - глутамілцистеїнілгліцин [8, 9], що володіє й власної антиоксидантною активністю й функціонує у якості кофактора, донора водню, метаболіту й субстрату з ферментами системи, а також із СОД і каталазою:

З функціональної точки зору в АОС глутатіону можна виділити чотири ланки:

1) забезпечення функціонування системи - ГР;

2) детоксикації пероксидних сполук - ГПО й каталаза;

3) антирадикального захисту - СОД і Г-SH,

4) детоксикації електрофільних сполук - ГТ [9].

Глутатіонредуктаза
(ГР) каталізує реакцію:

2НАД(Ф)Н + ГS-SГ ® 2НАД(Ф) + 2Г-SH(12)

Центральне місце цього ферменту в метаболізмі глутатіону й усієї його системи пов'язане з тим, що він здійснює єдиний відомий механізм відновлення Г-SH з його окисненої форми ГS-SГ Інші ферменти, крім глутатіонсинтетаз, є споживачами відновленого глутатіону [9].

Глутатіонпероксидаза
(ГПО) каталізує реакцію:

2Г-SH + Н2
О2
® ГS-SГ + 2Н2
О (13)

ГПО знешкоджує не тільки Н2
О2
, але й органічні, у тому числі ліпідні пероксиди, що утворюються в організмі при активації ПОЛ.

Глутатіонтрансфераза
(ГТ) каталізує реакції типу:

RX + Г-SH ® НХ + ГS-SГ(14)

З віком активність АО-ферментів крові людей суттєво зростає, досягаючи максимуму у віці 61-65 років, що перевищує рівень у молодих на 25-40 %. Найбільше сильно активується ГПО [3], що можна розглядати як непряме підтвердження вільнорадикальної теорії старіння.

1.3.3 Жиророзчинні антиоксиданти

Слідом за цитохром-с
-оксидазою і АО-ферментами клітини третю лінію АО- захисту утворюють речовини-антиоксиданти, що володіють антирадикальною й антипероксидною активностями й перебувають там, де розташовані субстрати-мішені атаки вільних радикалів і пероксидів, найбільш уразливі для процесу ПОЛ біологічні структури [3]. До таких структур належать насамперед біологічні мембрани, а найбільш адекватними мішенями в них є поліненасичені (полієнові) жирні кислоти - линолева (2), ліноленова (3), арахідонова (4 подвійних зв'язки).

Із числа жиророзчинних АО-мембранопротекторів найважливішу роль відіграє α-токоферол
– вітамін Е
. Молекула токоферолу складається з бензольного ядра з гідроксильною групою, що виконує АО-функцію, і бічного ланцюга молекули, що здійснює взаємодію молекули токоферолу з мембранними структурами [3], зокрема, з вуглеводневим ланцюгом арахідонової кислоти, що підвищує ефективність АО-захисту мембран:

Головна АО-функція токоферолу полягає в тому, що він завдяки наявності в молекулі лабільного атома водню взаємодіє з пероксидними радикалами ліпідів, відновлюючи їх у гідропероксиди і перериваючи, таким чином, ланцюгову реакцію пероксидації [10]:

Утворений вільнорадикальний продукт токоферолу є малоактивним і вступає в реакцію рекомбінації з утворенням димерних і тримерних форм α-токоферолу и α-токоферилхінону, які підлягають екскреції. Інакше кажучи, він зупиняє процес утворення перекисів ліпідів у клітинних мембранах, зберігаючи цим їх цілісність і функціональну активність.

Вітамін А (ретинол, ретиналь, ретиноїва кислота)
та його провітаміни β–каротин та інші каротиноїди. Під назвою вітамін А об'єднується група похідних рослинних пігментів - каротинів. З хімічної точки зору ретинол являє собою циклічний ненасичений одноатомний спирт, який складається із шестичленного кільця (β-іонона), двох залишків ізопрену та первинної спиртової групи. Вітамін А2
відрізняється від А1
наявністю додаткового подвійного зв'язку в положенні 3-4 кільця циклогексану. Вітаміни А1
і А2
мають однакову біологічну дію і фізико-хімічні властивості, проте вітамін А2
є менш активним. Основною структурною особливістю, обумовлюючою хімічну і біологічну, зокрема, АО-активність є наявність системі спряжених, одинарних і подвійних зв’язків, що чергуються, між атомами вуглецю:

АО-потенціал ретиналя, його здатність до відновлення після світлового імпульсу сприяє захисту фоторецепторів сітківки ока відіграє найважливішу роль у самому сприйнятті зорової інформації. Вітамін А і каротиноїди виступають в якості антиокислювачів не тільки сітківки, вони беруть участь в захисті будь-яких біологічних мембран від пошкодження АФК (зокрема, , пероксидними радикалами).

Коензим
Q
(убіхінон)
– подібно α-токоферолу жиророзчинний і проявляє АО-активність, утворюючи окислювально-відновну буферну систему убіхінол-убіхінон. Молекула убихінону складається з бензохінонової частини (ядра) і бокового ланцюга, що має ізопреноїдну структуру:

Найважливіша біологічна роль убіхінону пов’язана з участю у мітохондріальному ланцюгу електронного транспорту в якості одного з компонентів і коферменту сукцинат-Q-, НАДН-Q-редуктазних і цитохром с
-Q-оксидазною систем.

1.3.4 Водорозчинні антиоксиданти

Водні середовища організму (кров, лімфа, міжклітинна і внутрішньоклітинна вода) являють собою природну матрицю життєвих процесів, в якій протікають найважливіші метаболічні процеси, циркулює біологічно активні речовини (гормони, медіатори, метаболіти), за допомогою якої транспортуються у клітини поживні речовини і кисень, усуваються вуглекислота і продукти розкладу. Стабільність складу і властивостей біологічних рідин – найважливіша і необхідна умова гомеостазу організму, зокрема гомеостазу окислювального.

Транспорт молекулярного кисню, надходження в рідинні середовища організму його активних форм як резутат інтенсивної життєдіяльності і патологічних процесів в клітинах і тканинах створюють реальну небезпеку окислювального стресу, зміщення гомеостатичної рівноваги у напрямку інтенсифікації окислювальних, деструктивних процесів. Присутність в рідинних середовищах організму ліпідних утворень, що легко окислюються (ліпопротеїдів крові, а також холестерина, тригліцеридів і фосфоліпідів, адсорбованих і тих, що входять до складу мембран клітин крові)збільшує цю небезпеку. Тому існують спеціалізовані АО-системи, відповідальні за стабільність прооксидантно-антиоксидантної рівноваги рідинних середовищ організму. До них відноситься глутатіон та система аскорбінової кислоти. Кожна з цих АО-систем, в свою чергу, являє собою окислювально-відновну буферну систему, що складається з відновленого і окисленого членів, що переходять один в одного в залежності від найтонших коливань параметрів середовища і напрямку метаболічних процесів. В нормальних умовах рівновага всередині кожної з редокс-ситем зміщена в бік відновленого субстрату. Переважання останніх і створює АО-резерв, буферну ємність систем.

Глутатіон
(γ-глутамінілцистеїлгліцин) відіграє ключову роль в захисті клітин і внутрішньоклітинного середовища від реакційно здатних интермедіатів кисню, що утворюються при дії іонізуючої радиації і окислювальному стресі іншої природи. Тому зниження внутрішньоклітинного вмісту глутатіон, обумовлене генетичною недостатність ферментів його синтезу або введенням антагоністів, суттєво знижує стійкість клітин і організмів до променевого ураження та інтоксикації.

Одним з прикладів дефіциту глутатіону і як наслідку гепатотоксичної дії може бути передозування жарознижувального та знеболюючого препарату парацетамолу (ацетамінофенол):

При збільшенні дози парацетамолу збільшується кількість гепатотоксичного метаболіту N-ацетілбензохіноніміну, при цьому виникає нестача глутатіону, щоб зв’язати весь N-ацетілбензохінонімін, тому останній вступає у взаємодію з нуклеофільними групами білків гепатоцитів, що призводить до некрозу печінки [11].

Система аскорбінової кислоти
(АК). При окисленні АК зазнає дегідрування з утворенням дегідроаскорбінової кислоти (ДАК). Перехід здійснюється через проміжну стадію нестійкого інтермедіату – семідегідроаскорбату (аскорбілу). При наступному необоротному окисленні утворюється дикетогулонова кислота. АК метаболічно високоактивна, тоді як аскорбіл-радикал – перший продукт її окислення – відносно інертний і може брати участь в окислювально-відновних реакціях [12]:

Таким чином, система АК – буферна. Фізиологічне зміщення рівноваги всередині неї в бік відновлених продуктів характеризує її роль як АО-системи наявність певної резервної потужності. Однак в екстремальних ситуаціях, за умов надлишку кисню і прооксидантів резервні можливості системи вичерпуються, вона починає функціонувати в пануючому прооксидантному напрямку.

1.4 Перекисне окислення і променеве ураження

1.4.1 Вільні радикали і пероксиди – продукти взаємодії радіації з речовиною

Кванти і частинки високої енергії при зустрічі з атомами і молекулами речовини поступово віддають ім. свою надлишкову енергію, яка витрачається на підйом одного з електронів на більш високий енергетичний рівень. Підсумок цієї первинної взаємодії іонізуючої радіації з речовиною - ефекти іонізації (електрон, що набув надлишкову енергію, залишає межі атома, у результаті чого виникає пара протилежно заряджених іонів) і збудження (якщо енергії, набута електроном, недостатньо для вибивання його з атома, збуджений електрон на короткий час – 10-7
- 10-12
с – переходить на більш високий енергетичний рівень, а потім стрибком вертається на основний рівень, віддаючи надлишкову енергію у вигляді кванта випромінювання). Обидва процеси - іонізації й збудження - розігруються насамперед у рідких фазах організму, водних і ліпідних, які поглинають більш 80% енергії іонізуючої радіації.

У результаті первинного процесу фізичної взаємодії радіації з речовиною за мільйонні частки секунди утворюється іони й збуджені стани води, а також ліпідів. На наступній, фізико-хімічній стадії процесу, також досить короткочасній, розгортаються первинні реакції радіолізу води (мал. 12):

Мал. 12 - Схема первинних реакцій радіолізу води

Таким чином, при нейтральному рН середовища і за умов відсутності кисню в найбільшій кількості утворюються гідратовані електрони й гідроксильні радикали. Останні - потужні окислювачі й реагують із широким колом органічних молекул; завдяки своїй високій активності (час життя - 10-7
с) гідроксильні радикали, утворившись у надлишку поблизу біологічно активних молекул, здатні викликати їхнє ушкодження.

У присутності молекулярного кисню продукти радіолізу води здатні утворювати радикали гідропероксиду Н й супероксидні аніон-радикали

егідр
+ О2
+ Н+
→ Н;(15)

егідр
+ О2
→ ;(16)

Н•
+ О2
→ Н → + Н+
.(17)

До числа найбільш характерних реакцій окисні радикалів з органічними молекулами відносяться реакції утворення гідропероксидів. Вільні окисні радикали ·
ОН, Н, а також егідр
, енергетично здатні окислити органічні речовини навіть за тими зв'язками, які вважаються стійкими у звичайних окисно-відновних реакціях.

Утворення вільних радикалів при впливі іонізуючої радіації відбувається на другій (фізико-хімічній) стадії їх дії також у ліпідних структурах. Це вільні окисні радикали ненасичених жирних кислот, здатні дифундувати на більші відстані й ініціювати процеси ПО в опроміненій клітині.

Третя, хімічна стадія процесу променевого ураження біологічних систем являє собою сукупність вільнорадикальних ланцюгових реакцій, породжених активними продуктами радіолізу води й ліпідів, насамперед радикалами ·
ОН, й пероксидом водню. Взаємодія цих продуктів з молекулярним киснем у присутності іонів металів збільшує сумарний окисний потенціал і стимулює розвиток процесу ПОЛ. Ці реакції розгортаються як у ліпідних, так і у водних фазах організму, спочатку латентно, а потім, у міру вичерпання антиоксидантних ресурсів клітин, кількість активних продуктів радіолізу зростає й супроводжується ураженням життєво важливих клітинних структур.

1.4.2 Радіотоксини

Після завершення дії іонізуючої радіації на живу систему в ній зберігаються прямі пошкодження унікальних структур клітинного ядра і маса активних продуктів радіолізу у ліпідних і водних фазах організму, схильних до аутокаталітичного накоплення і вторинного опосередкованого ураження біологічних мембран. На певній стадії радіаційної післядії саме ці продукти радіоліза, що живуть значно довше, ніж первинні радикали води, є матеріальними носіями, посередниками в реалізації радіобіологічного ефекту, тому вони одержали назву «радіотоксини». Їхній вплив на неопромінені організми, клітини, клітинні структури якісно аналогічний дії радіації.

Таким чином, безпосереднім біологічним ефектом радіаційного впливу є виникнення в опроміненому об’ємі тканин, в його водних і ліпідних фазах маси окисних радикалів, ініціюючих вільнорадикальні реакції ПОЛ, а також активацію стрес-реалізуючих систем, що призводить до ураження унікальних клітинних структур.

В
исновки

У підсумку розгляду комплексу проблем, пов'язаних з розвитком ПОЛ у живих системах, слід констатувати наступні положення.

- У всіх без винятку живих системах існують об'єктивні передумови розвитку неферментативних реакцій вільнорадикального окислення, що полягають у присутності в їхній структурі (насамперед біомембранах) органічних сполук, що легко окислюються та акумулюють у своїх молекулах запас потенційної енергії. Серед органічних молекул найбільш уразливі для реакції ПО полієнові молекули жирних кислот - лінолевої, ліноленової і особливо арахідонової, що входять до складу фосфоліпідів біологічних мембран і ліпопротеїнів крові.

- Присутність вільного кисню в біосфері, його використання в життєдіяльності рослинних і особливо тваринних організмів, присутність у біологічних рідинах робить неминучим постійний контакт кисню з ліпідами мембран.

- Йони металів зі змінною валентністю (Fe2+
, Cu2+
, Co2+
, Мо2+
, Мn2+
і тп.) можуть виступати в ролі факторів розгалуження ланцюгів вільнорадикального окислення й, отже, загального посилення ПОЛ.

- Сукупність перерахованих прооксидантних факторів обумовлює універсальний характер та поширення процесу ПОЛ у всіх живих системах. Більше того, двоїста роль проміжних продуктів ПОЛ, їх здатність виступати також у якості каталізаторів аутоокислення створюють реальну небезпеку розгортання вільнорадикальних ланцюгових реакцій і, як наслідок, повної деструкції мембранних структур, кліток і організмів при доступі кисню. Лише наявність факторів протилежної дії - антиоксидантних систем – утримує процес ПОЛ на стаціонарному рівні, який не перешкоджає нормальній життєдіяльності.

- Будь-яка значна напруга функціонування живої системи, обумовлена впливом незвичайних по силі, тривалості і якості зовнішніх агентів, супроводжується посиленням окисного метаболізму, збільшенням продукції активних форм кисню й активацією процесу ПОЛ, здатної подолати бар'єр антиоксидантного захисту. Таким чином, зовнішні стрес-впливи поряд із внутрішніми передумовами виступають у якості компонентів причинного комплексу, що детермінує розвиток у живих системах хвилі (спалаху) активації ПОЛ. Одним з таким стрес-агентів є іонізуюча радіація, дія якої на організм призводить до порушення унікальної структури біологічних мембран.

Список літератури

1. Біологічна хімія: [Підручник / Л.М. Вороніна, В.Ф. Десенко, Н.М. Мадієвська та ін.]; За ред.. проф.. Л.М. Вороніної. – Х.: Основа; Видавництво УкрФА, 1999.

2. Губський Ю.І. Біологічна хімія. Підручник / Видання 2-е. – Київ-Вінниця: НОВА КНИГА, 2009.

3. Окислительно-антиоксидантный гомеостаз в норме и патологии / Барабой В.А., Сутковой Д.А.; Под общ. ред. Зозули Ю.А. – Киев: Наук. Думка. 1997.

4. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах. – М.: Наука, 1972.

5. Журавлев А.И. Развитие идей Б.Н. Тарусова о роли цепных процессов в биологии // Биоантиокислители и регуляция метаболизма в норме и патологи. – М.: Наука, 1982.

6. Гусев М.В., Гохлернер Г.Б. Свободный кислород и эволюция клетки. – М., 1980.

7. Ленинжер А. Основы биохимии. – М.: Мир, 1985. – Т. 1.

8. Кулинский В.И., Колесниченко Л.С. Биологическая роль глютатиона // Успехи соврем. биологии. – 1990. – 110, №1.

9. Косовер Н., Косовер Э. Глутатион-дисульфидная система // Свободные радиаклы в биологии / Под. ред. У. Прайора. – М.: Мир, 1979. – Т. 2. – с. 65-95.

10. Иванов И.И., Тарусов Б.Н. Молекулярные механизмы действия токоферолов в биологических мембранах // Свободнорадикальное окисление липидов в норме и патологии. – М.: Наука, 1976. – с.105-108.

11. Харкевич Д.А. Фармакология: Учебник. – 9-изд., перераб., доп. и испр. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2006.

12. Газдаров А.К., Лошкомоева И.Н. Свободнорадикальное окисление липидов и некоторые пути его регуляции аскорбиновой кислотой // Биофизика. – 1978. – 23, №2.