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.