Антиоксидантные системы организма

 Антиоксидантная система. Повреждающему эффекту СР, АФК противостоит система противоокислительной защиты, главным действующим звеном которой являются антиоксиданты — соединения, способные тормозить, уменьшать интенсивность свободнорадикального окисления (СРО), нейтрализовывать СР путем обмена своего атома водорода (в большинстве случаев) на кислород свободных радикалов. В выведении СР и радикальных форм антиоксидантов играют роль системы естественной детоксикации. Антиоксиданты могут быть природного (биоантиоксиданты) и синтетического происхождения. Вещества этой группы имеют подвижный атом водорода и поэтому реагируют со свободными радикалами, а также катализаторами свободнорадикального окисления и, прежде всего, с ионами металлов переменной валентности. Подвижность атома водорода обусловлена нестойкой связью с атомами углерода (С-Н) или серы (S-Н). В результате взаимодействия возникают малоактивные радикалы самого антиоксиданта (они не способны к продолжению цепи), гидроперекиси разлагаются без диссоциации на активные радикалы (под действием серосодержащих соединений), образуются комплексоны с металлами переменной валентности. По-мнению исследователей (П.Г. Богач и соавт., 1981; Н.Е. Кучеренко, А.Н. Васильев, 1985), образующиеся свободные радикалы антиоксидантов малоактивны и выводятся из организма в виде молекулярных соединений — продуктов взаимодействия с другими антиоксидантами (токоферолами, хинонами, витаминами группы К, серосодержащими соединениями). Ряд антиоксидантов не обрывает, а замедляет продолжение цепи, т. е. обладает пролонгирующим действием. Несмотря на малую активность радикалов антиоксидантов, их накопление в клетках нежелательно. Антиоксиданты могут обезвреживать свободные радикалы еще до развития эффекта повреждения биомолекул. Антиоксидантная защита направлена против всех видов радикалов, образующихся в организме (B. Frei et al., 1988; N.I. Krinsky, 1988; R. Stocker, B. Frei, 1991; K.L. Retsky et al., 1993; B. Frei, J.M. Gaziano, 1993; B. Frei, 1994). Жирорастворимые биоантиоксиданты (фосфолипиды, токоферолы, витамин А, каротиноиды, убихинон, витамины группы К, стероидные гормоны) осуществляют свою защитную функцию в биологических мембранах, водорастворимые (аскорбиновая кислота, лимонная, никотиновая, серосодержащие соединения — цистеин, гомоцистеин, липоевая кислота, бензойная, церулоплазмин, фенольные соединения — полифенолы, флавоноиды, трансферрин, лактоферрин, альбумин, мочевина, мочевая кислота) — в цитозоле клеток, межклеточной жидкости, плазме крови, лимфе. Защита от повреждающего действия АФК, СР осуществляется на всех уровнях организации: от клеточных мембран до организма в целом.

2.1. Ферменты. Угроза для клеток со стороны  активных радикалов устраняется  действием ряда ферментов, эффективно (А. Уайт и соавт. 1981; А. Ленинджер, 1985) обезвреживающих эти соединения. Первую линию защиты от свободных радикалов составляют антиоксидантные ферменты супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза. Супероксиддисмутазы (металлоферменты) катализируют реакцию:

O₂^-. + O₂—. ––––> H₂O₂ + O₂

Они находятся во всех клетках, потребляющих кислород. Скорость реакции чрезвычайно высока и лимитируется только скоростью диффузии O₂^-.. Каталитический цикл этих ферментов включает восстановление и окисление иона металла на активном центре фермента. В организме имеется три формы СОД, содержащие медь, цинк (одна находится в цитозоле, другая экстрацеллюлярная — в эндотелии) и магний (находится в матриксе митохондрий) (B. Halliwel, J.M.C. Gutteridge, 1985). Супероксиддисмутаза осуществляет инактивацию радикалов кислорода, которые могут возникнуть в ходе биологических реакций переноса электронов или при воздействии металлов с переменной валентностью, ионизирующего, ультрафиолетового излучения, ультразвука, гипербарической оксигенации, различных заболеваниях.

Почти во всех животных клетках и органах определяется каталазная активность. Особенно богаты каталазой клетки печени, почек, эритроциты. Она предотвращает накопление в клетке перекиси водорода, образуемой при аэробном окислении восстановленных флавопротеидов и из O₂^-..

H₂O₂ + H₂O₂ ––––> O₂ + 2H₂О 
каталаза

Каталаза может  разложить 44 000 молекул H₂O₂ в секунду (относится к числу ферментов с наиболее высоким числом оборотов). Для расщепления большого количества перекиси водорода требуется малое количество фермента. Как и в случае супероксиддисмутазы, скорость реакции определяется диффузией и не требует энергии для активации. Каталаза преимущественно находится в пероксисомах (B. Halliwel, J.M.C. Gutteridge, 1989; R. Stocker, B. Frei, 1991), внеклеточно каталаза находится в незначительных концентрациях. Наибольшая активность каталазы в организме характерна для печени. К алиментарным факторам, понижающим каталазную активность, относят недостаточность витаминов группы В, фолиевой кислоты, биотина, пантотеновой кислоты, рибофлавина, витамина А. Снижение активности каталазы наблюдается при избытке метионина, тирозина, цистина, меди, цинка. В эритроцитах при высокой скорости образования перекиси водорода (1010-109 моль H₂O₂ на 1 мг гемоглобина в 1 мин) преобладает активность глутатионпероксидазы, а при низкой скорости образования H₂O₂ (109-107) — защитное действие оказывает в основном каталаза.

В печени, почках, нейтрофильных  лейкоцитах обнаруживается пероксидазная  активность.

H₂O₂ + H₂O₂ ––––> 2H₂О + RO₂ 
пероксидаза

Миелопероксидаза в нейтрофилах окисляет ионы галогенов до свободного галогена, являющегося эффективным бактерицидным агентом. В эритроцитах, печени, хрусталике глаза имеется глутатионпероксидаза, которая содержит селен и специфично окисляет восстановленный глутатион. Как каталаза, так и пероксидаза могут утилизировать как субстраты органические гидроперекиси (например, гидроперекись этила, надуксусную кислоту). Полагают, что в животных тканях каталаза действует, как пероксидаза.

В пептидной цепи глутатионпероксидазы имеется остаток селеноцистеина — аналога цистеина, в котором атом серы замещен атомом селена. Селеноцистеин входит в активный центр фермента. Глутатиопероксидаза может восстанавливать гидроперекиси свободных жирных кислот, гидроперекиси фосфолипидов, эстерифицированных жирных кислот (B. Halliwel, J.M.C. Gutteridge, 1984). Глутатионпероксидаза, окисляющаяся до GSSG, восстанавливается НАДФН-зависимым ферментом глутатионредуктазой. Антиоксидантные ферменты играют важную защитную роль и во внеклеточных пространствах, где они содержатся в незначительных концентрациях (B. Frei et al., 1988; R. Stocker, B. Frei, 1991).

Во всех животных тканях содержится глутатион (гамма-глутамилцистеининглицин) — самое распространенное сульфгидрильное соединение в клетках. Глутатион содержит нетипичную гамма-связь между Glu и Cys. Восстановителем является тиольная группа цистеинового остатка. Функцией фермента является поддержание активного состояния многих ферментов, самопроизвольное окисление которых приводит к образованию дисульфидной группы: глутатион восстанавливает сульфгидрильные формы. Окисленный глутатион восстанавливается флавопротеидом глутатионредуктазой, которая утилизирует Н+ из НАДФ.Н+Н. Две молекулы восстановленной формы (GSH) при окислении образуют дисульфид (GSSG).

НАДФ + Н⁺+GSSG ––––> НАДФ⁺ + 2GSH.

Восстановленный глутатион — главный антиоксидант эритроцитов, он служит коферментом при восстановлении метгемоглобина в функционально активный гемоглобин. С помощью восстановленного глутатиона осуществляется детоксикация H₂O₂ и гидроперекисей, которые образуются при реакции активных радикалов кислорода с ненасыщенными жирными кислотами мембраны эритроцитов. Вторым важным защитным ферментом в эритроцитах является селеносодержащая глутатионпероксидаза. В гексозомонофосфатном шунте (пентозном цикле) образуется НАДФ.Н+Н, который поставляет Н+ для регенерации восстановленного глутатиона (GSH) из глутатион-дисульфида (GSSG) с помощью глутатионредуктазы. Восстановленный глутатион содержится в клетках (в милимолярных концентрациях), плазме, других средах (в следовых количествах). В значительных количествах он имеется в нижних дыхательных путях, где нейтрализует поступающие из атмосферы озон, NO.

Селен представляет собой компонент глутатионпероксидазы и является выраженным синергистом  витаминов антиоксидантной группы. Этот микроэлемент — важная составная часть сбалансированного питания (в почвах Украины имеется его дефицит). Необходимые суточные добавки к пище селена составляют около 70 мкг для мужчин и 50 — для женщин (0,87 мкг/кг). В крови часть селена связывается с белками, концентрация его в тканях органов значительно различается. Об уровне селена в организме можно судить по активности глутатионпероксидазы, особенно это касается лиц с низким потреблением селена. Из организма селен удаляется в основном путем экскреции с мочой. Токсичность селена весьма низкая: клинические проявления наблюдаются при длительном приеме 1 мг/сут и более. Молекулярные механизмы развития токсичности неизвестны. От содержания селена в организме зависит функционирование цитохрома Р-450 в эндоплазматической сети клеток печени, а также транспорт электронов в митохондриях. Дефицит его в организме сопровождается развитием алиментарной мышечной дистрофии, эндемической селенодефицитной кардиомиопатии. Сниженное содержание этого микроэлемента обнаруживают у больных инфарктом миокарда, миокардиодистрофиями, дилатационной кардиомиопатией. Применение селена положительно влияет на процессы регенерации в сердечной мышце после перенесенного инфаркта миокарда. Он стимулирует иммуногенез и, в частности, продукцию антител, участвует как антиоксидант в окислительно-восстановительных процессах, дыхании клетки, синтезе специфических белков. Дефицит его у животных сопровождается фиброзом, дистрофическими процессами в поджелудочной железе, некрозами в печени, эозинофильным энтеритом, который протекает на фоне недостаточности витамина Е. У животных наблюдается задержка роста, развития, нарушается репродуктивная функция. Имеется отрицательная обратная корреляция между потреблением селена, его уровнем и смертностью от злокачественных заболеваний легких, молочной железы, кишечника, яичников. Он оказывает и непосредственное повреждающее действие на злокачественные клетки. Кроме антиканцерогенного действия селен имеет и антимутагенный эффект, противодействует токсическому влиянию тяжелых металлов (возможно за счет образования нерастворимых комплексов, восстановления дисульфидных связей в белках в SH-группы). Важнейшей ролью селена является его вхождение в состав глутатионпероксидазы — фермента предохраняющего клетки от токсического действия перекисных радикалов. Имеется связь между селеном и витамином Е — они влияют на разные этапы образования органических перекисей: токоферолы подавляют (предупреждают) перекисное окисление полиненасыщенных жирных кислот, а содержащая селен глутатионпероксидаза разрушает уже образовавшиеся перекиси липидов, перекись водорода. Глутатионпероксидаза, не содержащая селен, — глутатион-S-трансфераза — разрушает только перекись водорода (как и каталаза). При достаточном поступлении в организм витамина Е проявления дефицита селена значительно нивелируются. Наибольшее количество селена содержится в белках с высоким содержанием цистина: образуются трисульфиды, которые подобно сульфгидрильным группам мембранных белков, регулируют стабильность и проницаемость мембран. При дефиците селена и снижении активности глутатионпероксидазы повышается гемолиз эритроцитов вследствие действия перекиси водорода и липоперекисей. На активность глутатионпероксидазы влияет уровень содержания витаминов С и А, которые способствуют усвоению селена, его транспорту и утилизации. Селен также принимает участие в фотохимических реакциях, связанных с функцией зрения. Витамин Е предупреждает окисление селена, способствует его сохранению. Добавка селена при Е-дефицитном рационе тормозит накопление липоперекисей, ликвидирует или предупреждает симптомы Е-витаминной недостаточности. Восстановленный глутатион и глутатионпероксидаза превращают липоперекиси в менее токсичные оксикислоты и этим предупреждают повреждение биоструктур. Пополнение фонда глутатиона происходит за счет аминокислот, которые содержат серу.

2.2. Жирорастворимые  антиоксиданты. Витамины Е (a-токоферол), А (ретинол) содержатся и обезвреживают свободные радикалы в жировом слое клеточных мембран. Из токоферолов биологически наиболее активным является a-токоферол. Он, как и витамин С, — донатор водородных ионов и называется «жертвоприносящим» антиоксидантом (B. Halliwel, J.M.C. Gutteridge, 1985), ограничителем свободнорадикальных реакций. Альфа-токоферол превращается в радикал, который может дальше реагировать с другим перекисным радикалом и в результате образуется нерадикальное соединение. Он стабилизирует мембранные структуры, в которых совершаются процессы свободнорадикального окисления, угнетает образование липоперекисей, разрывает цепь свободнорадикального окисления путем нейтрализации свободных радикалов в момент их образования. Молекулы витамина Е локализуются во внутренних мембранах митохондрий. Они защищают их, а также лизосомы от повреждающего действия перекисей, поддерживают функциональную целостность внешней цитоплазматической мембраны клеток и являются основным фактором резистентности эритроцитов к гемолитическим ядам, важнейшим элементом защиты при действии различных повреждающих факторов, патологических состояниях. Альфа-токоферол, располагающийся в липопротеиновом слое клеточных мембран и защищающий клеточные мембраны от перекисного окисления, является главным жирорастворимым антиоксидантом в организме (B. Halliwel, J.M.C. Gutteridge, 1985). Он эффективно прерывает цепные свободнорадикальные реакции в процессе переокисления ненасыщенных жирных кислот в мембранах, предупреждает атерогенные изменения ЛПНП (B. Frei, J.M. Gaziano, 1993). Являясь донатором водородных атомов витамин Е может инициировать цепную радикальную реакцию пероксидации липидов (W.A. Pryor, 1994). Его радикал незначительно активен в отношении свободных жирных кислот. In vitro аскорбиновая кислота восстанавливает окисленную форму токоферола. Наличие подобного эффекта (взаимодействия между этими витаминами) in vivo окончательно не подтверждено (G.W. Burton et al., 1990). Альфа-токоферол играет важную роль в обмене селена — составной части глутатионпероксидазы, которая защищает мембраны от пероксидных радикалов. Предотвращая аутоокисление липидов мембран, a-токоферол снижает потребность в глутатионпероксидазе. Витамин откладывается в жировой ткани, мышцах, поджелудочной железе, других тканях. Существует прямая связь между витамином Е и тканевым дыханием и обратная связь со степенью окисления липидов.

Витамин А и каротиноиды. Витамин А необходим для образования  серосодержащих биомолекул, связывания и обезвреживания эндогенных веществ  и ксенобиотиков. Как антиоксидант он тормозит превращение сульфгидрильных  групп в дисульфидные. Может участвовать в окислительно-восстановительных реакциях благодаря наличию двойных связей в молекуле, способности образовывать перекиси, которые повышают скорость окисления других соединений. Принимает участие в синтезе гликопротеинов, воздействует на метаболизм мембранных фосфолипидов. Антиоксидантное действие витамина А объясняется участием в обмене тиоловых соединений, нормализацией функционально-структурных свойств мембран. Он препятствует канцерогенному действию бензпирена и других веществ, что обусловлено способностью тормозить микросомальное окисление этих соединений. С антиоксидантным торможением превращения ксенобиотиков связаны и антимутагенные свойства витамина А. Окисленные промежуточные продукты b-каротина и витамина А могут иметь прооксидантные свойства. Установлено (G.W. Burton, K.U. Ingold, 1984), что b-каротин наибольшую антиоксидантную активность проявляет при низком парциальном давлении в крови, хотя в целом как антиоксидант он уступает b-токоферолу. При высоком содержании кислорода b-каротин может проявлять прооксидантную активность (G.W. Burton, K.U. Ingold, 1984). b-Каротин расходуется при обезвреживании оксидированных липопротеидов низкой плотности (H. Esterbauer et al., 1992; S.M. Lynch et al., 1994), реагирует с синглетным кислородом (G.W. Burton, K.U. Ingold, 1984). Он может реагировать с перекисными радикалами в так называемой добавочной реакции без донации гидрогенного атома (G.W. Burton, K.U. Ingold, 1984; D.C. Liebrer, 1993). Промежуточные радикалы дериватов b-каротина могут взаимодействовать с O₂, образуя перекисные радикалы (D.C. Liebrer, 1993), которые могут в дальнейшем инициировать цепную реакцию пероксидации липидов.

Соотношение концентраций в организме b-каротина и a-токоферола составляет около 1:20 (B. Frei, J.M. Gaziano, 1993). b-Каротин расходуется в организме после использования запасов b-токоферола (S.M. Lynch et al., 1994). Его роль в атерогенезе и канцерогенезе как биоантиоксиданта в настоящее время устанавливается. Требует уточнения и роль b-каротина и других каротиноидов в физиологических условиях как «уборщиков» радикалов. Имеются сомнения (B. Frei, 1994), что свое антиатерогенное действие витамин А реализует через антиоксидантную активность. b-Каротин, другие каротиноиды как антиоксиданты действуют совместно с витаминами Е и С. Витамины С, Е, b-каротин составляют так называемую антиоксидантную витаминную группу. Их поступление в организм снижает риск развития рака, сердечно-сосудистых заболеваний, катаракты. Витамин А — естественный пищевой продукт, который помимо антиоксидантной роли необходим в организме для поддержания целостности мембранных структур, роста, развития. Витамин А влияет на процессы клеточной дифференциации, пролиферации, репродуктивные процессы, от уровня его содержания в организме зависит состояние иммунной системы, зрение. Предшественниками ретинола являются каротиноиды, которые превращаются в витамин А в тонкой кишке. Каротиноиды более эффективно, чем витамин А, уничтожают свободные радикалы, в т.ч. синглетный кислород, который может привести к развитию неопластического процесса. Каротиноиды даже при многолетнем применении и в достаточно высоких дозах не проявляют токсичность.

Имеется тесная связь между витамином  А и другими антиоксидантами. Так, высокие дозы витамина А уменьшают  содержание запасов в организме  аскорбиновой кислоты. У животных витамин А может уменьшать активность витамина Е и понижать его уровень в плазме и печени (у человека это не подтверждено). Витамин Е предохраняет клетки от разрушения мембран, которое наблюдается при гипервитаминозе А, уменьшает тератогенный эффект. Витамин А уменьшает отрицательные эффекты токсичности витамина D у животных (в том числе гиперкальциемию). Может наблюдаться антагонизм между витаминами А и К: развивается гипопротромбинемия у людей с гипервитаминозом А. Недостаток в организме белка повышает риск развития гипервитаминоза. С высоким уровнем витамина А в сыворотке крови может быть связана гиперлипопротеинемия. Негативно влияет на обмен витамина А в организме (потребление, депонирование) недостаток железа и цинка.

Из всех каротиноидов b-каротин обладает наибольшей биохимической активностью. Фактически ингибитором свободнорадикального окисления, в т.ч. синглетного кислорода, является не ретинол, а b-каротин. Он, помимо выраженного антиоксидантного эффекта, принимает участие в процессах деления иммунокомпетентных клеток, синтезе иммуноглобулинов, в том числе секреторного иммуноглобулина А, интерферона, лизоцима и других факторов специфической и неспецифической защиты от инфекций, активирует ферменты лизосом в фагоцитах, что необходимо для переваривания патогенных микроорганизмов.