ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ  СТРЕСС  И  ФЕРМЕНТЫ-АНТИОКСИДАНТЫ

Ломихина  Мария  Сергеевна

студент  2  курса,  кафедра  медицинской  химии  НГМУ,  РФ,  г.  Новосибирск

E-mail:  the_quiet_scream@sibnet.ru

Терах  Елена  Игоревна

научный  руководитель,  канд.  хим.  наук,  доцент  НГМУ,  РФ,  г.  Новосибирск

E-mail: 

Проведенные  в  разных  странах  за  последние  десятилетия  исследования  подтверждают,  что  одной  из  основных  причин  патологических  изменений  в  человеческом  организме  является  избыточное  накопление  в  тканях  кислородных  свободных  радикалов  и  активных  форм  кислорода.  Это  приводит  к  возникновению  окислительного  стресса,  лежащего  в  основе  целого  ряда  патологических  процессов  и  заболеваний:  воспаления,  реперфузионное  поражение  тканей,  старение,  канцерогенез  и  др.  [5]. 

Биохимические  процессы  в  тканях  сопровождаются  образованием  целого  ряда  реакционно-способных  соединений  и  радикалов  (H₂O₂,  ROOH,  О₂^–,  НО₂•,  НО•,  RO₂•  и  др.)  —  активных  форм  кислорода  (АФК),  представляющих  собой  продукты  метаболизма  в  клетках  при  физиологических  условия  существования  организма.  Действие  АФК  на  функциональную  активность  клеток  двойственно  [2,  4].  В  норме  АФК  участвуют  в  метаболизме  структурных  компонентов  клеточных  мембран  (белков,  липидов,  углеводов),  изменяя  текучесть  и  деполяризацию  мембран.  Но  при  патологических  состояниях,  протекающих  на  фоне  интенсивной  генерации  АФК,  последние  начинают  проявлять  свое  цитотоксическое  действие,  приводящее  к  окислительной  деструкции  белков,  липидов,  углеводов,  нуклеиновых  кислот,  а  также  разрушению  клеточных  структур.

Усиление  свободнорадикальных  процессов  и  развитие  окислительного  стресса  является  одним  из  патогенетических  звеньев  психических  и  неврологических  поражений  центральной  нервной  системы.  С  развитием  окислительного  стресса  связывают  воспалительные  и  травматические  поражения  мозга,  психические  нарушения,  алкоголизм,  наркоманию  и  др.  При  этом  нарушаются  процессы  передачи  сигналов  внешней  и  внутренней  среды  организма,  что  и  приводит  к  неисправностям  функционирования  сложных  каскадных  циклов  в  клетке,  метаболизма  медиаторов,  состояния  рецепторного  аппарата  и  пр.  [2,  4].

Цитотоксическое  действие  АФК  предотвращается  в  результате  функционирования  антиоксидантной  защиты,  регулирующей  физиологический  уровень  оксидантов  в  тканях,  следовательно,  для  поддержания  гомеостаза  необходима  непрерывная  регенерация  антиоксидантной  способности.  К  антиоксидантам  можно  отнести  вещества,  которые  понижают  активность  ферментативных  реакций  наработки  АКМ.  По  химической  природе  антиоксиданты  представляют  собой  широкий  класс  соединений,  такие  как  ферменты,  фенолы,  полифенолы,  стероидные  гормоны  и  многие  другие  соединения  [4].

В  клетках  для  защиты  от  АКМ  имеются  специализированные  системы  антиоксидантов,  для  которых  характерны:  высокая  специфичностью  действия,  направленная  против  определенных  форм  АКМ,  а  также  специфичность  клеточной  (органной)  локализации  и  использование  металлов  в  качестве  катализаторов.  Уровень  внутриклеточных  ферментов-антиоксидантов  (ФА)  находится  под  генетическим  контролем,  а  их  активность  изменяется  в  зависимости  от  гормонального  статуса.  В  нормальных  условиях  у  человека  содержание  ФА  постоянно  вне  зависимости  от  пола,  возраста,  веса  и  прочих  физических  параметров,  в  то  время  как  при  патологических  состояниях  изменяется  их  концентрация  и  активность  в  клетках  и  тканях  [1].  Рассмотрим  наиболее  важные  ФА  и  их  биологическую  роль. 

Супероксиддисмутаза  (СОД)  имеет  несколько  изоферментных  форм,  которые  отличаются  строением  активного  центра  и  структурной  организацией  молекулы  [2—4].  Медь-цинковая  форма  (Cu,  Zn-СОД)  наиболее  изучена,  она  состоит  из  двух  идентичных  субъединиц,  каждая  из  которых  содержит  в  области  активного  центра  один  атом  меди  и  один  атом  цинка  (медь  принимает  участие  в  дисмутации  супероксидного  анион-радикала,  а  цинк  способствует  стабилизации  белковой  молекулы).  Марганцевая  форма  (Mn-СОД)  состоит  из  четырех  субъединиц,  содержащих  в  активном  центре  ион  марганца.  Железосодержащая  форма  (Fe-СОД)  представляет  собой  димер,  в  области  активного  центра  которого  основное  место  занимает  железо. 

Механизм  антиоксидантного  действия  СОД  основан  на  протекании  следующих  реакций  [2-4].  СОД  ускоряет  реакцию  дисмутации  супероксид-аниона,  при  этом  О₂^–  переходит  в  протонированную  форму:

О₂^–  +  О₂^–  +  2Н⁺  →  Н₂О₂  +  О₂.

Cu,  Zn-СОД  при  высоких  pH  и  концентрациях  перекиси  может  взаимодействовать  с  H₂O₂  с  образованием  радикалов  НО•  и  O₂^–:

Сu²⁺-СОД  +  Н₂О₂  ↔  Сu⁺-СОД  +  О₂^–  +  2Н⁺,

Сu⁺-СОД  +  Н₂О₂  ↔  Сu²⁺-СОД  +  ОН⁺  +  НО^–,

а  также  восстанавливать  NO-радикалы  с  образованием  иона  NO^–,  который,  в  свою  очередь,  образуют  с  кислородом  агрессивный  пероксинитрит: 

Сu⁺-СОД  +  NO•  ↔  Сu²⁺-СОД  +  NO^–,

NO^–  +  O₂  ↔  ONOO^–.

СОД,  удаляя  О₂^–,  не  дает  ему  провзаимодействовать  с  NO•,  предотвращая  образование  пероксинитрила,  более  опасного,  чем  H₂O₂. 

Супероксилредуктаза  (СОР)  —  фермент,  содержащийся  в  анаэробных  микроорганизмах,  является  гомоди-  или  гомотетрамером  (в  зависимости  от  вида  бактерий)  [3—4].  Каждый  мономер  СОР  содержит  1—2  атома  негемового  железа. 

СОР  осуществляет  восстановление  супероксид-аниона  О₂^–  до  перекиси  водорода,  которая  затем  восстанавливается  пероксидазами  до  воды:

О₂^–  +  2Н⁺  +  1е  →  Н₂О₂.

В  ходе  данной  реакции  не  образуется  кислород,  который  токсичен  для  микроорганизмов.

Каталаза  —  гемсодержащий  фермент,  который  катализирует  реакцию  расщепления  перекиси  водорода  [2—4].  Разложение  перекиси  водорода  каталазой  протекает  в  две  стадии: 

Кат-Fe³⁺  +  H₂O₂  →  (окисленная  каталаза),

(окисленная  каталаза)  +  H₂O₂  →  Кат-Fe³⁺  +  2H₂O  +  O₂.

Одна  молекула  каталазы  за  секунду  восстанавливает  до  44  тысяч  молекул  перекиси  водорода.  В  окисленном  состоянии  она  катализирует  окисление  спиртов,  фенолов,  альдегидов.  Каталаза  может  выступать  источником  образования  АКМ.  В  клетках  она  препятствует  накоплению  перекиси,  оказывающей  повреждающее  действие  на  клеточные  компоненты. 

Глутатионпероксидаза  (ГПО)  представлена  несколькими  изоформами  (желудочно-кишечной,  внеклеточной,  секреторной  и  др.),  в  состав  которых  либо  входит,  либо  не  входит  селен  [3—4].  Все  формы  ГПО  в  большей  или  меньшей  степени  катализируют  реакции  восстановления  глутатионом  нестойких  органических  гидропероксидов  в  стабильные  соединения:

2GSH  +  ROOH  →  GSSG  +  ROH  +  H₂O.

Подобно  каталазе  ГПО  способны  также  утилизировать  перекись  водорода:

2GSH  +  H₂O₂  →  2H₂O  +  GSSG.

В  результате  взаимодействия  селенсодержащих  форм  фермента  с  гидропероксидом  ROOH  селеноцистеиновый  остаток  переходит  из  селенола  в  селененовую  кислоту,  с  которой  затем  связывается  GSH  с  образованием  селененилсульфида:

ГПО-SeH  +  ROOH  →  ROH  +  ГПО-SeOH,

ГПО-SeOH  +  GSH  →  H₂O  +  ГПО-Se-SG.

Прореагировав  со  второй  молекулой  глутатиона,  ГПО  возвращается  в  исходное  состояние: 

ГПО-Se-SG  +  GSH  →  ГПО-SeH  +  GSSG.

При  недостатке  селена  в  рационе  питания  уменьшается  уровень  ГПО,  что  снижает  устойчивость  организма  к  окислительному  стрессу  и  может  приводить  к  развитию  свободнорадикальной  патологии. 

Глутатион-S-трансферазы  (ГТ)  представляют  собой  гомо-  и  гетеродимерные  белки,  которые  способны  использовать  восстановленный  глутатион  для  конъюгации  с  гидрофобными  соединениями  и  восстановления  органических  пероксидов  [3—4].  Основная  функция  ГТ  —  защита  клеток  от  ксенобиотиков  и  продуктов  перекисного  окисления  липидов  посредством  их  восстановления,  глутатионилирования  или  нуклеофильного  замещения  гидрофобных  групп: 

2GSH  +  ROOH  →  GSSG  +  ROH  +  H₂O,

GSH  +  R  →  НRSG,

GSH  +  RX  →  RSG  +  HX.

ГТ  могут  восстанавливать  гидропероксильные  группы  окисленных  фосфолипидов  непосредственно  в  мембранах  без  их  предварительного  фосфолипазного  гидролиза.  Кроме  этого,  ГТ  конъюгируют  с  SGH  токсичные  продукты  перекисного  окисления  липидов  и  способствуют  их  выведению  из  организма. 

Таким  образом,  в  организме  осуществляются  процессы,  с  которыми  связано  образование  АФК,  различных  реакционно-способных  радикальных  соединений,  концентрация  которых  в  тканях  зависит  от  активности  антиоксидантной  защиты.  Ферментативные  элементы  антиоксидантной  защиты  в  норме  поддерживают  в  тканях  физиологический  уровень  оксидантов,  а  при  патологических  состояниях  действие  ферментов  направлено  на  снижение  и  предотвращение  токсического  действия  АФК,  интенсивно  генерируемых  в  организме. 

Список  литературы:

1. Варфоломеев  С.Д.  Химическая  энзимология.  М.:  Академия,  2005.  —  480  с.
2. Дубинина  Е.Е.  Продукты  метаболизма  кислорода  в  функциональной  активности  клеток:  жизнь  и  смерть,  созидание  и  разрушение.  СПб:  Медицинская  пресса,  2006.  —  397  с.
3. Зенков  Н.К.,  Ланкин  В.З.,  Меньщикова  Е.Б.  Окислительный  стресс.  Биохимические  и  патофизиологические  аспекты.  М.:  Наука/Интерпериодика,  2001.  —  343  с.
4. Меньщикова  Е.Б.,  Ланкин  В.З.,  Зенков  Н.К.  и  др.  Окислительный  стресс.  Проантиоксиданты  и  антиоксиданты  М.:  Слово,  2006.  —  556  с.
5. Яшин  Я.И.,  Рыжнев  В.Ю.,  Яшин  А.Я.  Природные  антиоксиданты.  Содержание  в  пищевых  продуктах  и  влияние  их  на  здоровье  и  старение  человека.  М.:  ТрансЛит,  2009.  —  212  с.