Роль свободнорадикальных процессов в адаптации организма к изменению уровня кислорода

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Гипоксические и ишемические повреждения являются основой или сопутствующими факторами патогенеза многих заболеваний. Поэтому изучение механизмов этих повреждений на всех уровнях организма и разработка методов их профилактики и коррекции составляют важнейшую проблему медицины.

Одним из ключевых механизмов повреждения клеток при ишемии, стрессе, гипоксии и реоксигенации является чрезмерная активация свободнорадикального окисления, обусловленная повышенным уровнем образования активных форм кислорода (АФК). Однако известно, что повышение уровня АФК вызывает не только повреждение мембранных структур клеток, но и является стимулом для индукции защитных систем.

Из работ последних лет стало очевидным, что АФК играют важную роль на начальных этапах внутриклеточной сигнализации, которая является многокомпонентной системой передачи сигнала к клеточному ядру, и получила название ре-докс-сигнализации по начальному звену, чувствительному к изменению уровня свободнорадикального окисления. Одним из важных следствий инициации редокс-сигнализации и АФК-опосредованной передачи сигнала является активация ядерных факторов транскрипции, принимающих непосредственное участие в активации генов, кодирующих различные защитные системы - антиоксидантную систему клеток, простагландины, а также систему белков срочного ответа, которые могут синтезироваться при гипоксии и реоксигенации, гипероксии, действии окислителей. В настоящее время наибольшее значение придают следующим факторам транскрипции - NF-kB, АР-1, HIF (индуцированный гипоксией фактор). HIF-1 играет важную роль при развитии гипоксических состояний, поскольку через активацию генома приводит к увеличенному синтезу различных защитных белков.

Среди белков срочного ответа, которые синтезируются при гипоксии, особое внимание исследователей привлекает гем-оксигеназа, изменение экспрессии которой коррелирует с содержанием кислорода в тканях. Транскрипция гена гем-оксигеназы регулируется уровнем свободнорадикалыюго окисления и индуцируется различными прооксидантными факторами. Несмотря на то, что эти процессы имеют особое значение при гипоксических состояниях, данные о роли индукции факторов транскрипции и синтеза защитных белков, в том числе и гем-оксигеназы, при гипоксии разрозненны, а, кроме того, эти эксперименты проведены в основном на культуре клеток.

В настоящее время накоплены многочисленные данные относительно роли АФК-индуцированных процессов в патогенезе гипоксических состояний. С другой стороны, помимо развития повреждений при гипоксических состояниях АФК участвуют в генерации редокс-зависимого ответа. Однако, мало изучен компонентный состав редокс-сигнальной системы, последовательность включения ее звеньев при физиологических условиях и переход физиологического сигнала в патологический. Таким образом, актуальным является разработка новых способов эффективной коррекции гипоксических состояний организма на основе комплексного изучения механизмов индукции защитных систем клетки и их участия в регуляции свободнорадикального окисления.

Важным аспектом этой проблемы является изучение активации компонентов редокс-сигнальной системы при гипоксических состояниях с учетом гено- и фенотипических особенностей животных. В связи с этим большое значение представляют исследования высоко- и низкоустойчивых организмов при острых и адаптационных гипоксических и стрессорных воздействиях. Показано, что у высокоустойчивых животных при острой гипоксической нагрузке нарушения сократительной функции сердца развиваются позже и выражены слабее, чем у низкоустойчивых. Вместе с тем, при длительной адаптации к гипоксии у низкоустойчивых животных резистентность к действию повреждающих факторов увеличивается, а у высокоустойчивых не меняется или даже уменьшается. Однако, особенности активации компонентов редокс-сигнализации на острое и адаптационное гипоксическое воздействие у таких животных практически не изучены.

1. Роль свободнорадикальных процессов в организме

Свободные радикалы являются неизменными спутниками клеток в условиях нормы и патологии, особенно при ишемических и гипоксических состояниях различного генеза, стрессовых ситуациях, бактериальных инфекциях и интоксикациях, хирургических вмешательствах, нарушениях кислотно-основного состояния, расстройствах нервно-гормональной регуляции деятельности внутренних органов и систем и т.д.

В условиях нормы свободные радикалы не вызывают дезорганизацию биологических мембран и цитозоля клеток, поскольку минимальный уровень их образования адекватно нивелируется биоантиоксидантами.

Защита от цитотоксического действия свободных радикалов осуществляется на всех уровнях организации биосистем, прежде всего за счет ферментов, обеспечивающих антиоксидантную защиту, таких как супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза, а также за счет донатора SH - групп - восстановленного глутатиона. В то же время мощным антирадикальным эффектом обладают жирорастворимые антиоксиданты - стероидные гормоны, фосфолипиды, токоферолы, витамины А, К каротиноиды, убихинон. В цитозоле клеток, межклеточной жидкости, плазме в инактивации свободных радикалов участвуют водорастворимые биоантиоксиданты церулоплазмин, трансфферин, альбумины, мочевина, никотиновая кислота, а также цистеин, гомоцистеин, липоевая кислота и другие соединения.

Однако, в условиях интенсификации образования свободных радикалов под влиянием различных патогенных факторов возможно развитие относительной, а также абсолютной недостаточности антиоксидантной системы. В этих условиях биологические молекулы становятся мишенями высокореактогенных радикалов кислорода, причем объектами дезорганизации могут быть биомолекулы различной химической природы, прежде всего липиды, а затем белки и нуклеиновые кислоты.

2. Активные формы кислорода

Большая часть живых организмов на Земле не может обходиться без кислорода, который играет ключевую роль в энергетике, являясь окислителем питательных веществ. Молекулярный кислород не токсичен для клеток, однако опасность представляют продукты его неполного окисления: перекисные соединения, супероксидные радикалы, синглетный кислород и др. В связи с биологической активностью эти соединения получили название активные формы кислорода (АФК). Появление АФК вызвано тем, что молекулярный кислород (02) может пере­хватывать электроны у некоторых переносчиков цепи электронного транспорта. В результате одноэлектронного восстановления молекулы кислорода образуется супероксидный радикал или анион-радикал:

02 + е -> 02-.

Образование АФК про­исходит и при взаимодействии озона с кислородом:

03 + 02 -> 202 + 02-.

Супероксидный радикал -- заряженная частица, окруженная молекулами воды. Поэтому 02- не может преодолеть мембрану, оказывается «запертым» в клетке и становится источником других форм АФК, например перекиси водорода:

02- + е + 2Н+ --> Н202.

Перекись водорода, в свою очередь, восстанавливается и дает гидроксил-радикал:

Н202 + е + Н+ -> ОН-.

Реакционная способность последнего чрезвычайно высока, поэтому гидроксил-радикал способен окислить практически любое вещество клетки, включая ДНК. Концентрации АФК в тканях невысоки и составляют 10-8--10-11 М. АФК вызывают образование органических гидропероксидов (ROOH) ДНК, белков, липидов. Этот процесс называют перекисным окислением. Гидропероксиды в ходе метаболизма способны пре­вращаться в различные окисленные соединения -- спирты, альдегиды и др. Так, в ходе перекисного окисления липидов (ПОЛ) снижается содержание ненасыщенных жирных кислот, образуются различные производные жирных кислот, а затем такие метаболиты как малоновый диальдегид, этан и др. АФК образуются в различных частях клетки. У животной клетки наибольший вклад вносит дыхательная цепь митохондрий. У растений эти процессы происходят еще и в хлоропластах. Поэтому у растений возможность образования АФК выше, чем в животной клетке. Возникновение АФК в хлоропластах обусловлено работой Rubisco по оксигеназному типу, а также фотосистемами. В ФС I появление супероксидного радикала связано с ферредоксином, а в ФС II -- с фотолизом воды. В растительных митохондриях образование супероксидного радикала обусловлено не только функционированием ЭТЦ, но и наличием цианидоустойчивого дыхания. Образование АФК в клетке происходит постоянно и является обычным метаболическим процессом. АФК принимают участие в защитных реакциях, например, при действии патогенов, а также служат вторичными посредниками в передаче сигналов. Однако при неблагоприятных воздействиях (засуха, затопление, повышенная температура, тяжелые металлы, механические повреждения, гербициды и др.) происходит чрезмерное накопление АФК, что может приводить к серьезным функциональным нарушениям, поскольку повреждаются различные компоненты клеток. Примером является инициирование пероксидного окисления липидов (ПОЛ) биологических мембран, что способствует нарушению их структуры и повышению проницаемости. АФК могут вызывать повреждение фотосинтетического аппарата хлоропластов (фотоингибирование). АФК вызывают модификацию нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Ингибируется деление клетки. Особенно АФК влияют на электронтранспортную цепь хлоропластов и митохондрий. Защита клетки обеспечивается благодаря работе антиоксидантной системы (АОС), которая может осуществляться энзиматическим и неэнзиматическим путем. Основным способом защиты от АФК является их инактивация. Это достигается работой специальных ферментов: супероксиддисмутазы, катал азы и пероксидазы. Супероксиддисмутаза (СОД) -- фермент, который широко рас­пространен в природе. В активном центре СОД содержатся ионы металлов (меди, железа, марганца, цинка). Так, в митохондриях содержится Мп СОД, в хлоропластах -- Fe СОД, в цитоплазме и пероксисомах -- Cu-Zn СОД. СОД присутствует во всех аэробных организмах и служит для эффективного удаления супероксидных радикалов. СОД катализирует реакцию превращения двух анион-радикалов в перекись водорода (Н202) и молекулярный кислород:

202- + 2Н+ -> Н202 + 02.

Каталаза расщепляет перекись водорода с образованием воды и молекулярно­го кислорода, а пероксидазы восстанавливают перекись до воды специальными субстратами, например, глютатионом. Глютатиону принадлежит особая роль, что связано со способностью восстанавливать перекись водорода, гидропероксиды ROOH, а также обезвреживать вторичные метаболиты. Глютатион-зависимые ферменты работают во всех частях клетки, включая ядро, митохондрии и эндоплазматическую сеть. Антиоксидантный эффект селена также в основном опо­средован глютатион-зависимыми ферментами. В растительной клетке перекись водорода образуется еще и при окислении гликолата, который является продуктом оксигеназной реакции, катализируемой РБФ-карбоксилазой/оксигеназой. В состав АОС входят низкомолекулярные вещества-антиоксиданты, способные реагировать с АФК без участия ферментов. К таким веществам относятся каротины, витамины (А, Е, С) и др. Так, аскорбиновая кислота (витамин С) способна реагировать с супероксидным и гидроксильным радикалами и тем самым снижать их концентрацию в клетке. Важность работы каротиноидов по обез­вреживанию АФК доказывается опытами с мутантами. Мутанты микрооганизмов, лишенные каротиноидов, оказываются нежизнеспособными и погибают на свету в результате фотоокисления. Другим механизмом защиты от АФК является уменьшение внутриклеточной концентрации молекулярного кислорода, а соответственно и АФК в клетке. Это достигается путем усиления фотодыхания, активированием альтернативной оксидазы в ЭТЦ митохондрий, энергетического использования поглощенного кислорода, например дыхательной цепью. Кроме того, в ответ на накопление АФК могут открываться поры на внутренней мембране митохондрий, что, по-видимому, связано с утечкой протонов. В результате стимулируется дыхание и «утилизируется» 02. При избыточном накоплении АФК клеткой и невозможности избавится от них, клетки уничтожаются апоптозом. Степень повреждений от АФК зависит от эффективности работы АОС и определяется устойчивостью растений. У устойчивых растений выше активность антиоксидантных ферментов, содержание витаминов Е и С. Показано, что введение в ткани СОД подавляет образование избыточных АФК и снижает гибель клеток под действием патогенов. Трансгенные растения с повышенной активностью СОД оказывались более устойчивыми в ряду стресс-факторов, в т.ч. водному дефициту.

3. Роль активных форм кислорода в редокс-сигнализации

В клетках аэробных организмов кислород используется главным образом в митохондриях, где при сопряжении окисления с фосфорилированием происходит синтез АТФ и образование тепла. Наряду с окислительным фосфорилированием в организме постоянно протекают реакции неполного (одно-, двух и трехэлектронного) восстановления кислорода, в ходе которых и образуются его активные (радикальные) формы. На образование этих форм расходуется небольшая часть (2--4%) поглощаемого клеткой кислорода, однако эта величина, в том числе и при действии некоторых физических факторов, может существенно возрастать.

К числу основных активных форм кислорода относят супероксиданион-радикал (О2-я), гидроксильный радикал (ОНя), перекись водорода (Н2О2), синглетный кислород (`О2) и др. Как в патологических, так и в физиологических условиях образование АФК происходит в нескольких биологических системах, таких как дыхательная цепь митохондрий, электронно-транспортная цепь микросом, при переходе оксигемоглобина в метгемоглобин, в процессах метаболизма арахидоновой кислоты, в реакции гипоксантин-ксантиноксидаза, при биосинтезе и окислении катехоламинов и др.

Важно подчеркнуть, что образование АФК возможно также при действии ионизирующего излучения, озона, ультрафиолетовых лучей и других физических факторов.

В общем, можно заключить, что множество процессов, связанных с окислением биологических молекул, сопровождаются генерацией АФК. Говоря об образовании АФК, следует отметить два важных момента. Во-первых, в организме существует постоянный источник АФК, даже в условиях сниженного уровня кислорода. Во-вторых, многочисленные системы индукции АФК дублируют друг друга, вплоть до образования их нестандартными прооксидантами, что лишний раз подчеркивает необходимость существования свободнорадикальных процессов для жизнедеятельности клетки.

Образующиеся АФК участвуют в двух разнонаправленных, но постоянно протекающих биохимических процессах -- катаболизме старых и синтезе новых молекул. С помощью АФК в клетке происходит окисление тех липидов и белков, которые должны быть подвержены деструкции. Это облегчает дальнейшее действие ферментов деградации, поскольку они имеют на несколько порядков большее сродство именно к окисленному субстрату.

Благодаря этому АФК включены в постоянно протекающие в клетке катаболические процессы.

С другой стороны, АФК участвуют также в постоянно протекающем синтезе новых молекул. Так, с помощью свободнорадикального окисления полиненасыщенных жирно-кислотных остатков фосфолипидов, составляющих биологические мембраны, происходит синтез таких физиологически активных веществ липидной природы, как лейкотриены, тромбоксаны, простагландины. Следовательно, участвуя в катаболизме и синтезе, АФК способствуют адаптации клетки к новым условиям среды, изменяя состав мембранных фосфолипидов и обновляя белковый спектр.

Значительную роль АФК играют и в других физиологических процессах и метаболических реакциях. Важным свойством активных метаболитов кислорода является регуляция метаболизма соединительной ткани. АФК стимулируют пролиферацию фибробластов, синтез и распад коллагена, участвуют в метаболизме железа. Некоторые из оксигеназ используют кислород и АФК для детоксикации липофильных ксенобиотиков. АФК участвуют в регуляции сосудистого тонуса путем ингибирования эндогенного оксида азота. Метаболиты кислорода принимают участие в реакциях клеточного и гуморального иммунитета как регуляторы и эффекторы этих процессов. В частности, радикалы кислорода, генерируемые оксидазами нейтрофильных гранулоцитов и мононуклеарных фагоцитов, играют одну из активных ролей в реализации бактерицидного, цитотоксического и иммунорегуляторного действия этих клеток. АФК стимулируют пролиферацию иммунокомпетентных клеток. Доказано прямое участие супероксиданион-радикала в образовании хемотаксических факторов, вызывающих активацию и миграцию лейкоцитов в очаг воспаления. Работы последних лет свидетельствуют о том, что процессы генерации АФК лежат в основе большинства реакций фагоцитоза. Имеющее место резкое усиление феномена хемолюминесценции в ходе фагоцитоза позволяет сделать вывод о существовании в клетках физиологических механизмов усиления ферментативного инициирования свободнорадикальных процессов.

Таким образом, радикалы кислорода, несмотря на свою реакционность и потенциальную токсичность, в малых концентрациях являются нормальными участниками множества метаболических реакций в клетках. В физиологических условиях свободнорадикальные реакции протекают с невысокой активностью. Приведенный нами далеко не полный перечень процессов с участием радикалов кислорода свидетельствует о важной роли этих соединений в поддержании гомеостаза, формировании резистентности организма к инфекции, обеспечении регенерации органов и тканей. Если процесс генерации АФК усиливается, то это может явиться и, как будет показано ниже, является пусковым фактором патологических процессов.

В концентрациях, превышающих физиологические, радикальные соединения являются высокотоксичными для биологических систем всех уровней, от молекулярного до организменного. Являясь химически активными соединениями, свободные радикалы вступают в реакции с молекулами различной химической природы и вызывают деградацию структурных белков и липидов клеточных мембран и нуклеиновых кислот, ингибирование ферментов, изменение структуры и функциональных свойств гормонов и их рецепторов.

Наряду с прямым повреждающим действием АФК на клеточные структуры и эндогенные макромолекулы не менее значимыми являются последующие процессы, индуцируемые радикалами кислорода. К их числу прежде всего относятся АФК-индуцированное увеличение уровня свободного кальция и изменение кальцийзависимых процессов Чрезмерное накопление АФК сопровождается разрушением многих компонентов антирадикальной защиты, особенно белковой природы, что ведет к дальнейшему повышению уровня свободнорадикальной реакции. АФК, генерируемые внутриклеточно, а также проникающие внутрь через мембрану, являются пусковым фактором индукции апоптоза.

Одним из важнейших следствий повышенного образования АФК является избыточная и неконтролируемая в этих условиях активация процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ). Чрезмерная, патологически усиленная активация ПОЛ под действием АФК приводит к изменению или даже повреждению клеточных мембран, опасность которого для организма трудно переоценить. При чрезмерной активации ПОЛ, когда значительная часть мембранных фосфолипидов подвергается окислительной деградации, липидная фаза мембран становится более ригидной. Это ограничивает конформационную подвижность полипептидной цепи, вследствие чего снижается функциональная активность ферментов, рецепторов и каналообразующих белков, встроенных в мембраны, что в свою очередь препятствует удалению ионов кальция из саркоплазмы и обеспечивает повреждающее действие кальция на клеточные органеллы.

АФК и продукты ПОЛ способствуют избыточной выработке и высвобождению ряда провоспалительных цитокинов (фактора некроза опухолей, интерлейкина-1, интерлейкина-6) и медиаторов воспаления (гистамина, брадикинина, серотонина), производных арахидоновой кислоты (лейкотриенов, простагландинов и тромбоксанов).

Свободнорадикальный механизм повреждения плазматических, митохондриальных и ядерных мембран, ядерного и митохондриального генома, липопротеинов крови приводит к повреждению сосудов и гистогематических барьеров, что играет важную роль в патогенезе наиболее распространенных заболеваний воспалительной, токсической и аутоиммунной природы. Патогенетическая роль АФК выявлена к настоящему времени приблизительно для более чем сотни заболеваний человека.

Это имеет место при сердечно-сосудистой патологии -- ишемической болезни сердца, инфаркте миокарда, ишемических и перфузионных поражениях головного мозга и почек, атеросклерозе. АФК играет важную роль при бронхолегочной патологии -- эмфиземе, бронхиальной астме, хроническом бронхите, респираторном дистресс-синдроме и др.

Многочисленные исследования свидетельствуют, что процессы свободнорадикального окисления лежат в основе патогенеза многих хронических заболеваний печени, причем избыточное образование АФК и продуктов ПОЛ наблюдается на самых ранних стадиях процесса. Радикалы кислорода повреждают мембранный аппарат гепатоцита, разрушают липидный слой его мембран, а также повреждают белки-ферменты монооксигеназной системы.

Избыточное образование АФК и активация ПОЛ являются причиной возникновения и прогрессирования гипертонической болезни. Под их влиянием происходит накопление в клетке ионизированного кальция, повышается тонус артериальных сосудов, развивается артериокапиллярный фиброз.

Избыточное образование свободных радикалов кислорода является одним из ведущих механизмов в патогенезе гриппа. Генерирование АФК определяет мутагенез и протеолитическую активность вируса гриппа, цитолитический эффект вирусной инфекции, деструкцию капиллярной сети и стенок капилляров, развитие отека легких. Токсическое повреждение нейронов АФК и продуктами ПОЛ рассматривается в качестве основного механизма при нейродегенеративных заболеваниях мозга (рассеянный склероз, болезнь Паркинсона, хорея Геттингтона, болезнь Альцгеймера и др.). АФК и продукты ПОЛ оказывают прямое деструктивное действие на внутренние органы и приводят к развитию полиорганной недостаточности после тяжелых травм и обширных ожогов.

Таким образом, АФК имеют фундаментальное значение как для физиологических процессов, так и для патогенеза различных заболеваний. В связи с этим патогенетически обоснованным является предупреждение выработки, нейтрализация и элиминация избытка радикалов кислорода и продуктов свободнорадикального окисления.

Список используемой литературы

гипоксический кислород цитотоксический патогенетический

1. Аврущенко М.Ш. Изменение гетерогенных нейронных популяций в постреанимационном периоде после остановки сердца у крыс. // Анестезиология и реаниматология. 1994. - №5. - С.41-44.

2. Аврущенко М.Ш., Волков А.В. Механизмы формирования скрытых и отсроченных постреанимационных энцефалопатий на уровне нейрональных популяций. // Вестник РАМН. 1997. -№10. - С.26-32.

3. Агаджанян Н.А., Миррахимов М.М. Горы и резистентность организма. // М.: Наука, 1970. - 183С.

4. Агаджанян Н.А., Исабаева В.А., Елфимов А.И. Хеморецепторы, гемокоагуляция и высокогорье. // Фрунзе: Илим. 1973. - 195С.

5. Анищенко Т.Г., Бриль Г.Е., Романова Т.П., Шорина JT.H. Половые различия в степени активации перекисного окисления липидов и устойчивости к сердечно-сосудистым повреждениям у крыс при стрессе. // Бюл. эксперим. биол. мед. 1995. - №4. - С.354-357.

Размещено на Allbest.ru