Механизмы защиты от АФК

Введение
Научные изучения говорят о том, что активные формы кислорода (АФК) представляют существенную роль в регуляции ключевых функций клетки, как в обычных обстоятельствах, так и при влиянии на клетку разных патогенных условий [8]. При этом необходимо отметить, что АФК в зависимости от силы действующего на клетку патогенного условия могут выступать или индукторами процессов адаптации, или индукторами апоптоза.
Помимо того, АФК готовы проявлять непосредственное деструктивное действие на клеточные структуры, а кроме того инициировать свободнорадикальное окисление липидов, белков, нуклеиновых кислот, что лежит в базе патогенеза множества заболеваний, в том числе самых известных и небезопасных: старения, атеросклероза, инфаркта и инсульта, тяжелых воспалительных болезней, СПИДа, злокачественных процессов и др. [3].
По этой причине имеется защитная антиоксидантная система. Она заключается из низкомолекулярных антиоксидантов, а также антиоксидантных ферментов. Соотношение прооксидантов и антиоксидантов и устанавливает, разовьется ли и будут ли прогрессировать оксидативный стресс и в следствии свободно-радикальная патология.
Актуальность исследования состоит в том, что знание системы самоорганизации АФК, ключевых закономерностей ее функционирования и механизмов защиты от АФК, важно как для осмысления закономерностей физиологического функционирования тканей организма в норме, так и особенностей течения множества патологических процессов и подбора методов активного воздействия на них.
Цель исследования: изучить механизмы защиты от АФК.
Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Раскрыть общие представления об АФК и механизмах свободнорадикального окисления
2. Проанализировать методы защиты организма от АФК, а именно роль супероксиддисмутазы, роль каталазы, роль пероксидазы, роль системы тиоредоксина, митоптоз как форму защиты от АФК и другие формы защиты от АФК

1. Общие представления об АФК и механизмах свободнорадикального окисления
Активные формы кислорода (АФК) – содержат ионы кислорода, свободные радикалы а также перекиси как неорганического, таким образом и органического возникновения. Это, как принцип, незначительные молекулы с исключительной реактивностью благодаря присутствию неспаренного электрона на внешнем электронном уровне[5].
АФК считаются значимыми физиологическими агентами в самой клетке. Они способны проявлять самые различные регуляторные эффекты а также опосредовать общие адаптационные реакции клетки, известные в нынешнее время как «оксидативный стресс».
АФК, как установлено, стимулируют апоптоз – программируемую гибель клеток, путем выявления каналов мембраны митохондрий для белка, пребывающего в межмембранном пространстве, а также запускающего данный процесс при переносе в ядро.
Ниже перечислены главные выявленные в нынешнее время физиологические эффекты перекиси водорода в биосистемах:
• стимуляция неспецифического иммунитета (фагоцитоз) — антиинфекционный эффект, регуляция воспаления;
• стимуляция специфического иммунитета (А-клетки, Т-лимфоциты);
• стимуляция антиопухолевого иммунитета (ЕК, ИЛ-1 из А-клеток);
• стимуляция регенерации (через Т-регуляторы деления клеток, через сосудистые реакции, А-клетки и др.);
• внутриклеточные регуляторы клеточного деления;
• регуляторы апоптоза в клетке;
• межклеточные переносчики апоптоза;
• регуляторы сосудистого тонуса (через NO и, возможно, непосредственно);
• регуляция обновления мембран клеток (умеренный процесс накапливания ПОЛ считается физиологическим стимулятором их самообновления);
• общеадаптационные эффекты (оксидативный стресс и дистресс), а также др. [13].
Молекулярный кислород считается составным компонентом метаболизма человека, его реакция четырехэлектронного возобновления вплоть до воды составляет базу биоэнергетики клеток. Наравне с окислительным фосфорилированием, в организме регулярно самопроизвольно протекают реакции его неполного, одно-, двух- либо трехэлектронного возобновления, в ходе каковых возникают активные формы кислорода: супероксиданион-радикал (О2-), гидроксильный радикал (НО), перекись водорода (Н2О2), синглетный кислород (1О2) также другие, а кроме того их вторичные метаболиты: гипогалоиды (HOCl и HOBr), пероксинитрил (ONOO-), альдегиды, кетоны и продукты перекисного окисления липидов [4, 7].
Активные формы кислорода возникают в ходе транспорта электронов по дыхательной цепи. В норме на это расходуется от 1 вплоть до 5 % употребляемого кислорода. Однако при критических состояниях и развитии гипоксии данная величина может значимым образом изменяться [6].
Супероксиданион-радикал считается пусковым звеном каскада свободно-радикальных реакций, приводящих к образованию многих активных форм кислорода и продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ). Это вещество принимет участие в синтезе хемотаксических пептидов, усиливает митоген-стимулированную пролиферацию лимфоцитов, ингибирует действие эндотелиального фактора расслабления сосудов, может повреждать мембраны эритроцитов, ингибировать синтез РНК и белка эндотелиальных клеток, окислять белки и сыворотки, в то же время непосредственно его цитотоксичность сравнительно невелика [10].
Гидроксильный радикал (НО) считается более токсичным из абсолютно всех активных форм кислорода, из-за собственной значительной реакционноспособности. Главным источником образования гидроксильного радикала считается реакция Фентона, которая протекает с участием металлов переменной валентности, в основном Fe2+. Гидроксильный радикал принимет участие в осуществлении микробицидного и цитотоксического воздействия гранулоцитов, моноцитов и Т-лимфоцитов, вызывает повреждения нуклеиновых кислот, белков, а кроме того иных клеточных структур, ингибирует ряд фракций комплемента. Гидроксильный радикал индуцирует формирование органических радикалов и таким образом запускает процессы перекисного окисления липидов [7].
В организме отсутствуют специальные ферментные системы, способные инактивировать гидроксильный радикал. Низкомолекулярные соединения (урацил, мочевая кислота, салицилаты, глюкоза, диметилсульфоксид) могут ингибировать гидроксильный радикал только лишь в весьма высоких концентрациях [9].
Таким Образом, при формировании патологических процессов, сопровождаемых излишним образованием активных форм кислорода (АФК), организм не в состоянии справиться с высокими концентрациями гидроксильного радикала и удержаться перед его повреждающим воздействием. Предотвратить повреждение клеток допустимо только лишь, снизив концентрацию радикалов его предшественников — супероксиданион-радикала и перекиси водорода, с поддержкой супероксиддисмутазы и каталазы. Перекись водорода (Н2О2) считается окислителем средней силы. При определенных обстоятельствах сохранения ее стабильности, она может мигрировать в клетки. Данное вещество проявляет ограниченное повреждающее действие, в частности, порождает нарушение гомеостаза кальция в клетке. В организме ее источником считаются реакции с участием оксидаз, которые переносят два электрона на молекулу кислорода, а кроме того реакция дисмутации супероксиданион-радикала, катализируемая супероксиддисмутазой [8].
В обычных обстоятельствах клетки достаточно устойчивы к влиянию перекиси водорода, которая разлагается ферментами глутатионпероксидазой, а также каталазой. Каталаза — гемсодержащий фермент, находящийся в пероксисомах клетки, катализирует реакцию разложения двух молекул перекиси водорода вплоть до двух молекул воды и кислорода

. Глутатионпероксидаза находится в цитозоле и митохондриях клеток, разлагает перекись водорода посредством окисления глутатиона.
Процессы СРО с участием активных форм кислорода при довольно низкой интенсивности относятся к нормальным метаболическим процессам. Радикалы кислорода индуцируют процессы перекисного окисления липидов, требуемые для обновления фосфолипидов и регуляции проницаемости клеточных мембран. Важной физиологической функцией активных форм кислорода считается активация ряда мембранных белков и иммуноглобулинов, а кроме того ферментов, регулирующих переключение метаболических путей и синтез макроэргических соединений в клетке. Метаболиты кислорода участвуют в реакциях клеточного и гуморального иммунитета, а непосредственно, радикалы кислорода, генерируемые оксидазами нейтрофильных гранулоцитов и мононуклеарных фагоцитов, играют немаловажную роль в осуществлении микробицидного, цитотоксического и иммунорегуляторного воздействия данных клеток [9].
Активные формы кислорода стимулируют пролиферацию иммунокомпетентных клеток. Доказано непосредственное их содействие в образовании факторов, вызывающих активацию и миграцию лейкоцитов в очаг воспаления. Процессы генерации активных форм кислорода лежат в базе многих реакций фагоцитоза, обеспечивая роль неспецифических регуляторов фагоцитоза и пиноцитоза [10].
Подобным образом, радикалы кислорода, невзирая на собственную реакционную активность и возможную токсичность, в небольших концентрациях считаются нормальными метаболитами множества биохимических реакций в клетке. Если концентрация активных форм кислорода возрастает, это приводит к формированию целого ряда различных патологических процессов. Главной причиной накапливания активных форм кислорода считаются нарушения нормального окислительного метаболизма клеток при патологии [3]. В концентрациях, превышающих физиологические, все данные соединения считаются высокотоксичными для биологических систем абсолютно всех уровней. Окислительная деструкция компонентов биологических систем, обусловленная активными формами кислорода, получила определение — «токсичность кислорода» [6].
Защита организма от АФК и продуктов ПОЛ считается одной из основных задач по поддержанию гомеостаза.

2. Защита организма от АФК
Все АФК являются окислителями клеточных компонентов и в больших количествах необратимо повреждают клетки [1]. Защита организма от АФК осуществляется функционированием системы антиоксидантной системы (АОС).
Высказывается точка зрения о нескольких уровнях защиты клеток макроорганизма от активных форм кислорода, которые могут быть представлены следующим образом:
- системная защита клеток за счет значительного снижения напряжения O2 в тканях по сравнению с атмосферным воздухом;
- обеспечивается в процессе четырехэлектронного восстановления основной массы внутриклеточного O2 при участии цитохромоксидазы без освобождения свободных радикалов;
- ферментативное удаление образовавшихся супероксидного анион-радикала и H2O2;
- наличие ловушек свободных радикалов (антиоксидантов);
- ферментативное восстановление гидроперекисей полиненасыщенных жирных кислот[12].
Система зашиты от АФК включает два основных способа: неферментативный и ферментативный.
Неферментативная защита. Она осуществляется с помощью антиоксидантов — веществ, выступающих в качестве ловушки кислородных радикалов. Эти вещества взаимодействуют с АФК, тем самым снижают их реакционную активность и прерывают цепной процесс образования.
К основным природным антиоксидантам относятся аскорбиновая кислота (витамин С) и а-токоферол (витамин Е,). Аскорбиновая кислота, будучи хорошо растворимой в воде, способна защитить от АФК компоненты цитозоля, а гидрофобный токоферол — мембранные липиды от пероксидного окисления.
Антиоксидантным действием обладают ряд других природных веществ: (5-каротин, мочевая кислота, трипептид глутатион, дипептид карнозин, таурин и ряд других.
Ферментативная защита. Антиоксидантная система включает низкомолекулярные антиоксиданты (АО) и систему ферментов.
Среди антиоксидантных ферментов выделяют три линии защиты:
1) СОД, каталаза, пероксидаза,
2) глутатион-пероксидаза и глутатионтрансфераза,
3) селеновая глутатионтрансфераза [3].

2.1 Роль супероксиддисмутазы
Супероксиддисмутаза (СОД) является важным ферментом антиоксидантной защиты, переводящим супероксидные радикалы – O2 в перекись водорода, которая уже менее активна и разлагается при участии других ферментов. Показано, что клетка быстро реагирует на окислительный стресс повышением активности СОД и синтезом глутатиона [5]. СОД рассматривается даже как стресс-белок, синтезируемый в ответ на окислительный стресс [2]. Существует несколько форм СОД: в цитозоле клеток Cu и Zn-зависимые СОД, в митохондриях Mn-зависимая СОД, у бактерий Fe-зависимая СОД. В печени крысы и человека обнаружена Mn-содержащая СОД. Этот фермент ускоряет распад – O 2 на 4 порядка. СОД — фермент, устойчивый в диапазоне от –20 до +80° С, его полная инактивация достигается при 130° С, а кипячение в течение 30 мин снижает активность на 70 %).
Супероксиддисмутаза клеток высших животных и человека состоит из двух субъединиц, содержащих один атом меди и один атом цинка. Эта форма СОД получила название Cu, Zn-СОД. Она представляет собой димер с молекулярной массой 32000 дальтон, встречающийся во всех клетках эукариот (табл. 1). Считается, что атом меди обеспечивает каталитическую активность фермента, а атом цинка придает ему стабильность. Cu, Zn-СОД у человека и высших животных – это главным образом внутриклеточный фермент. В клетках Cu, Zn СОД локализована преимущественно в цитозоле и в межмембранном пространстве митохондрий[8].
В межклеточном пространстве обнаружена высокомолекулярная внеклеточная (экстрацелюлярная) СОД, обозначаемая как экта-СОД (ECSOD), состоящая из 4-х субъединиц. Этот Cu, Zn-содержащий гликопротеин является главной изоформой межклеточных жидкостей – плазмы, лимфы, синовиальной жидкости (и в небольших количествах обнаруживается почти во всех тканях).
Таблица 1. Супероксиддисмутазы и их локализация в клетке
Форма
фермента Молекулярная
масса, Д Количество
субъединиц Локализация
Прокариоты
Mn-СОД 40000
80000 2
4 матрикс
Fe-СОД 40000 2 наружная мембрана
Эукариоты
Mn-СОД 88000 4 матрикс митохондрий
Cu, Zn-СОД 32000 2 цитоплазма, ядро, межмембранное пространство митохондрий, лизосомы
EC-СОД 135000 4 внеклеточное пространство
ECMn-СОД 150000 2,4 плазматическая мембрана
      
Кроме Cu, Zn-СОД существует супероксиддисмутаза, содержащая ион марганца. Mn-СОД обнаружена и у прокариот, и у эукариот. Показано, что у высших животных Mn-СОД присутствует в матриксе митохондрий, где участвует в дисмутации супероксид-аниона, образующегося в результате функционирования системы тканевого дыхания. Описана также железосодержащая форма СОД (Fe-СОД), которая имеется у прокариот и содержится в растительных клетках.
В организме человека наиболее высокий уровень активности СОД отмечается в печени, в некоторых областях мозга, в тестикулах. Напротив, низкая активность СОД характерна для эритроцитов, щитовидной и поджелудочной желез, а также легких. В различных отделах мозга у крыс активность СОД значительно колеблется. В коре, полосатом теле, гиппокампе и мозжечке активность значительно меньше, чем в гипоталамусе, среднем и промежуточном мозге[10].
Регуляция активности СОД осуществляется по принципу обратной связи