Низкомолекулярные и высокомолекулярные компоненты антиоксидантной системы

К низкомолекулярным антиоксидантам в первую очередь принято относить фенольные соединения.

Разнообразие природных фенольных соединений велико и исчисляется тысячами, но их всех объединяют строение и биогенетическая природа. Большинство известных фенольных соединений образуется с использованием в качестве ключевого предшественника шикимовой кислоты. Отсюда сам путь биосинтеза называют шикиматным путем. Шикиматный путь объединяет в себе образование фенольных соединений и образование ароматических аминокислот (L — фенилаланина, L — тирозина и L — триптофана). При дезаминировании L — фенилаланина под действием Lфенилаланинаммиак-лиазы образуется простейший представитель фенилпропаноидов — транс — коричная кислота. Сходным путем из L — тирозина образуется n — оксикоричная кислота. Транс — коричная кислота при участии 4-гидроксилазы коричной кислоты далее превращается в nкумаровую кислоту, а орто-гидроксилирование n-кумаровой кислоты приводит к образованию кофейной кислоты. Из кофейной затем последовательно образуются феруловая, 5-оксиферуловая и синаповые кислоты. На этом завершается процесс формирования основных представителей фенилпропаноидного блока фенольных соединений (Борисова, 2014).

Оксикоричные кислоты, подвергаясь превращениям, образуют основной предшественник флавоноидов халкон халконарингенин.

Флавоноиды исключительно разнообразны по строению. Объясняется это тем, что они обычно присутствуют в тканях растений в виде моно-, ди-, трии даже тетра-гликозидов, причем к сахарным фрагментам часто присоединяются ацильные остатки в виде оксикоричных, оксибензойных или иных органических кислот. Из примерно 9000 известных фенольных соединений половина приходится на долю флавоноидов. (Запрометов, 1974). Фенольные соединения обладают антиоксидантным эффектом, защищая от повреждений (стабилизируя) мембраны клеток, оказывая в целом цитозащитный эффект.

Также к низкомолекулярным антиоксидантам относятся аскорбиновая кислота, б-токоферол, глутатион, полиамины, каратиноиды.

Важную роль в антиоксидантной защите организма и поддержании окислительно-восстановительного баланса играют легкоокисляющиеся белки и пептиды, в состав которых входят SH-содержащие аминокислоты: цистеин и метионин. Особое место среди них занимает глутатион — трипептид, образованный аминокислотами глутаминовой кислоты, цистеином и глицином и содержащий нетипичную (некарбоксамидную) гсвязь между первой и второй аминокислотами. В отличие от фенольных соединений, он способен эффективно инактивировать реакционные нерадикальные формы АФК, а также разлагать гидроперекиси с образованием спиртов (Меньщикова, 2006).

Основной антиоксидантный эффект глутатиона реализуется посредством его участия в работе ферментативных антиоксидантов: глутатион выступает донором атомов водорода для перекиси водорода и липидных перекисей (Кулинский, Колесниченко, 1990). Вместе с тем, он является ингибитором АФК и стабилизатором мембран (Rice-Evans, 1992). Существует мнение, что взаимодействие глутатиона с органическими радикалами эффективно только в условиях удаления О2-, поэтому глутатион образует с СОД своеобразную антиоксидантную систему, ибо в противном случае развиваются реакции образования перекиси водорода и реакционных радикалов (Munday, Winterboume, 1989).

Следующий компонент низкомолекулярной антиоксидантной системы — витамин Е (б-токоферол). Главный источник витамина Е для человека — зерновые и бобовые культуры, орехи; особенно много токоферолов в проростках ржи, гороха, пшеницы. Фрукты также являются важным источником витамина Е, в то время как в овощах, за исключением некоторых салатных культур (шпинат, аспарагус) содержание токоферолов очень незначительно. Витамин Е устойчив и не разрушается под действием пищевых кислот, а также выдерживает кратковременное нагревание до 200? С. Биологическое действие витамина Е преимущественно связывается с его антиоксидантными свойствами, которые в большей или меньшей степени проявляются на всех уровнях организации — от субклеточных частиц и мембранных образований до организма в целом. На сегодняшний день классическая теория действия токоферолов предполагает передачу атомов водорода с молекулы токоферола (Тф-ОН) на пероксильный радикал ROO? с образованием гидроперекиси (Меньщикова, 2006):

Тф-ОН + (ROO?.———Тф-О. + + ROOH.

Будучи липофильными соединениями, токоферолы обладают выраженными мембранотропными свойствами и способны стабилизировать клеточные мембраны (Кузьменко, Клименко, Алексеев и др., 1994).

Кроме всех выше перечисленных низкомолекулярных соединений, антиоксидантными свойствами обладают и каротиноиды. По химической природе каротиноиды относятся к огромному классу терпеноидов, включающих также эфирные масла, фитогормоны, стероиды, сердечные гликозиды, жирорастворимые витамины, млечный сок. Их углеводородная структура состоит из цепи двух или более изопренов (С5-углеводородов). Каротиноиды относятся к тетратерпенам; они состоят из длинных ветвящихся углеводородных цепей, содержащих несколько сопряженных двойных связей, заканчивающихся на одном (g-каротин) или обоих концах (b-каротин) кольцевой циклической структурой — иононовым кольцом (Никитюк, 1974). В зависимости от степени поглощения каротиноиды разделяются на 2 группы: каротины и ксантофилы. Все незамещенные каротиноиды — каротины. Они не содержат атомов кислорода, являются чистыми углеводородами и обычно имеют оранжевый цвет (например, b — каротин). Каротиноиды, окрашенные в цвета от желтого до красного, характеризуются наличием кислородсодержащих функциональных групп и называются ксантофилами.

Показано, что каротиноиды — эффективные антиоксиданты, действующие в отношении алкоксильных и перекисных радикалов, синглетного кислорода, NO-радикалов и пероксинитрита (Yoshioka, Hayakawa,, Ishizuka, 2006).

Еще одним представителем низкомолекулярной антиоксидантной системы является аскорбиновая кислота (витамин С). Она синтезируется всеми хлорофиллсодержащими растениями, пресмыкающимися и земноводными.

Аскорбиновая кислота нестабильна, легко разрушается при нагревании в щелочных условиях, а также под действием кислорода в присутствии ионов металлов переменной валентности, катализирующих ее окисление с образованием неактивных продуктов. Основной источник витамина С — свежие овощи и фрукты (Меньщикова, 2006).

В экспериментальных исследованиях было установлено, что акорбиновая кислота может восстанавливать б-токоферольный радикал, тем самым возвращая витамину Е антиоксидантные свойства (Rice-Evans, 1991). Это позволяет предположить, что аскорбиновая кислота превосходит другие антиоксиданты в защите липидов от перекисного окисления, так как только это соединение достаточно реакционноспособно, чтобы эффективно ингибировать инициацию ПОЛ в водной фазе. В присутствии Fe3+ или Cu+ аскорбат становится мощным прооксидантом (Bast, Haenen, Doelman, 1991): он переводит ионы в восстановленное состояние и тем самым индуцирует разложение органических перекисей.

Ферментативные антиоксиданты являются средством внутриклеточной защиты клетки (Меньщикова, 2006). К такому роду АО относятся в первую очередь супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, различные пероксидазы и другие белки. Работа каждого антиоксидантного фермента связана с элиминацией строго определенного окислительного субстрата. Ферментные АО обладают также специфичностью клеточной и органной локализации, которые зачастую перекрываются комплементарным образом (Меньщикова, 2006; Крысин, Сорокина, 2006). Уровень внутриклеточных ферментативных антиоксидантов находится под генетическим контролем. Воздействия, приводящие к усилению образования О2- и Н2О2, индуцируют синтез ферментативных АО (Меньщикова, 2006).

Супероксиддисмутаза (СОД) — фермент, выполняющий не только защитную, но и регуляторную функции; является ключевым звеном системы регуляции стационарной концентрации О2- (Меньщикова, 2006).

Данный фермент катализирует реакцию дисмутации О2- с образованием перекиси водорода, которая в дальнейшем разлагается с помощью фермента каталазы, и молекулярного кислорода. Эти реакции экзотермичны, катализирующие их СОД и каталаза не нуждаются в кофакторах, что делает их работу автономной, не зависящей от функционирования других клеточных структур (Меньщикова, 2006).

Биологическая выгода элиминирования О2- СОД не вполне очевидна — токсичность супероксид-аниона невысока, более того в химическом отношении он скорее восстановитель, чем окислитель. Образовавшаяся в результате реакции дисмутации перекись водорода является более сильным окислителем, дающем начало чрезвычайно активному ОН-радикалу. Вместе с тем, СОД удаляя О2-, не дает ему взаимодействовать с NO*, тем самым предотвращая образование пероксинитрита (гораздо более опасного прооксиданта, чем перекись водорода) (Меньщикова, 2006).

СОД имеет несколько изоферментных форм, отличающихся строением активного центра: медь-цинковая (Cu-Zn-СОД), марганцевая (Mn-СОД), экстрацеллюлярная (Э-СОД), железосодержащая (Fe-СОД).

Cu-Zn-СОД — главный цитозольный изофермент, но также обнаружен в ядрах, пероксисомах, лизосомах и митохондриях клеток эукариот. Mn-СОД локализована в митохондриях и матриксе хлоропластов эукариот. Данные изоформы являются преимущественно внутриклеточными ферментами и в межклеточных жидкостях быстро разрушаются (в течение 5−25 мин).

Э-СОД осуществляет дисмутацию супероксиданиона во внеклеточном матриксе; она также содержит в активном центре по одному атому меди и цинка.

Fe-СОД является наиболее древним в эволюционном плане изоферментом; имеет широкое филогенетическое распределение — от бактерий через простейших до растений-эукариот, относящихся к семействам Gingkoceae, Cruciferae, Nymphaceae (Меньщикова, 2006).

Каталаза — гемсодержащий фермент с молекулярной массой около 250 кДа. Ее каталитическая активность определяется во всех растениях и микроорганизмах, за исключением облигатных анаэробов. Разложение перекиси водорода каталазой осуществляется в двух реакциях:

Кат-Fe3+ + Н2О2———-(окисленная каталаза).

(окисленная каталаза) + Н2О2————- Кат-Fe3+ + Н2О + О2.

В окисленном состоянии каталаза может работать как пероксидаза, катализируя окисление спиртов, фенолов или альдегидов:

(окисленная каталаза) + АН2———- Кат-Fe3+ + 2Н2О + А Также показана и прооксидантная роль каталазы: так, она может выступать источником образования АФК — около 0,5% кислорода, образующегося в результате разложения Н2О2, возникает в возбужденном состоянии.

В клетках, согласно современным представлениям, каталаза препятствует накоплению перекиси водорода, оказывающей повреждающее действие на клеточные компоненты.

Также одним главных компонентов высокомолекулярной антиоксидантной системы является пероксидаза.

Пероксидаза способна катализировать окисление различных неорганических и органических соединений. Обладая широкой субстратной специфичностью, она может проявлять свойства оксидазы. Утилизация активных форм кислорода, образующихся на мембранах, например, митохондрий или хлоропластов (Рогожин, 2004), и окисление различных полифенолов пероксидазами, вероятно, является эффективной защитой, как от самоповреждения клеток при окислительном взрыве, так и от разрушения клеточных структур в результате воздействия неблагоприятных внешних условий (Jansen et al., 2001). Кроме того, уровень ее активности может определять устойчивость растений к различным факторам внешней среды. Трансгенные растения, у которых блокирован синтез данного фермента, оказались чувствительными к окислительному стрессу (Rizhsky et al., 2002).