Механизмы защиты от АФК (активных форм кислорода)

Введение

Большая часть живых организмов на Земле не может обходиться без кислорода. Молекулярный кислород О2 не ядовит для клеток. Он играет главную роль в процессах окисления веществ в ходе дыхания.
АФК могут играть положительную роль сигнальных молекул в растениях. Они являются основным компонентом стрессовых реакций, и в зависимости от уровня АФК определяется тип клеточного ответа на действие стрессора. Низкие концентрации АФК вызывают активацию защитных генов и развитие адаптивных реакций, а высокие концентрации приводят к гибели клеток.
При неблагоприятных условиях среды, когда нарушается нормальный ход физиологических процессов, в первую очередь фотосинтез и дыхание, накопление активных форм кислорода происходит в избыточных количествах. А это может вызывать повреждение практически всех компонентов живой клетки. Такая же реакция на неблагоприятные условия характерна и для животной клетки.
Как известно, в условиях окислительного стресса, развивающегося при гипоксии, ишемии, гипероксии, действии стрессорных раздражителей бактериальной природы - эндо-, экзотоксинов, ферментов и токсинов бактерий, ферментативная защита оказывает менее эффективное по сравнению с протекторным действием низкомолекулярных антиоксидантов. Последнее обусловлено быстрой инактивацией конститутивного пула ферментов антиоксидантной системы свободными радикалами и значительным временем, необходимым для индукции их синтеза.
Актуальность работы объясняется тем, что выделение АФК считается нормальным процессом и у организма есть механизмы их обезвреживания. Но когда его количество достигает критической точки, АФК в силу своей высокой реакционной способности, становится достаточно опасным соединением, пагубно влияющим на клетку. Например, избыточное выделение АФК может привести к окислительному стрессу.
В норме окислительные процессы регулируются с помощью антиоксидантной системы. Если равновесие в организме смещается в сторону окислительных процессов, то это называется окислительным стрессом. А окислительный стресс связан, например, со старением клеток. Кроме того, накопление большого количества активных форм кислорода, а также снижение концентрации клеточного глютатиона (основного антиоксиданта, вырабатываемого нашим организмом) является хорошо известной распространенной причиной возникновения острых и хронических дегенеративных заболеваний, таких как, атеросклероз, диабет, инсульт, болезни Альцгеймера и Паркинсона.
Целью работы является определение механизмов защиты от активных форм кислорода. Для достижения данной цели решаются следующие задачи:
описывается сущность активных форм кислорода и их виды,
анализируется значение активных форм кислорода,
исследуются различные механизмы защиты от активных форм кислорода.
В работе использована литература таких русских и зарубежных исследователей и ученых, как Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах, Биологическая химия с упражнениями и задачами: учеб. под ред. С.Е. Северина. Бурлакова Е.Б. Перекисное окисление липидов мембран и природные антиоксидаты, Владимирова Ю.А. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах, Нельсон Д., Кокс М. - Основы биохимии Ленинджера, Франклин Т., Сноу Д. Биохимия антимикробного действия.

Сущность активных форм кислорода и их виды
Свободные радикалы - это молекулярные частицы, имеющие непарный электрон на внешней электронной оболочке и обладающие высокой реакционной способностью. Их изучение ведется методом ЭПР (спиновые ловушки), хемилюминесценции и путем применения ингибиторов реакций, в которых участвуют радикалы определенного типа. Основные радикалы, образующиеся в клетках - это радикалы кислорода (супероксид и гидроксильный радикал), монооксид азота, радикалы ненасыщенных жирных кислот, радикалы, образующиеся в окислительно-восстановительных реакциях (например, убихинол). Радикалы образуются также при действии ультрафиолетовых лучей и в ходе метаболизма некоторых чужеродных соединений (ксенобиотиков), в том числе некоторых препаратов, одно время применявшихся в качестве лекарств.
Ключевой активной формой кислорода является супероксид анион - радикал (О2-), образующейся при присоединении одного электрона к молекуле кислорода в основном состоянии. Супероксид радикал сам по себе обладает малой реакционной способностью. Он может действовать как окислитель (акцептор электрона), как восстановитель (донор эелектрона)

. В водной среде может спонтанно дисмутировать (один атом может выступать в качестве акцептора эелектрона, а другой в качестве донора).
Время его жизни в биологических субстратах составляет около 10-6 с. Супероксид анион-радикал представляет опасность тем, что способен повреждать белки, содержащие железо-серные кластеры, такие как аконитаза, сукцинатдегидрогеназа и НАДН-убихинон оксидоредуктаза.
При кислых значениях рН супероксид анион-радикал может протонироваться с образованием более реакционноспособного пероксильного радикала (НО2.), представляющего собой слабую кислоту. [4]
Присоединение двух электронов к молекуле кислорода или одного электрона к супероксид-аниону приводит к образованию перекиси водорода, которая является окислителем умеренной силы. Однако из перекиси водорода может образовываться гидроксид-радикал (ОН.), который является весьма сильным окислителем. ОН радикал может образовываться при трехэлектронном восстановлении кислорода или при взаимодействии перекиси водорода с супероксид радикал - анионом - реакция Габера-Вейса. В процессе реакции генерируется OH (гидроксил-радикал) из H2O2 (пероксида водорода) и супероксида (O2−). Реакция может возникать в клетке и вызывать окислительный стресс. Реакция проходит довольно медленно, однако катализируется ионами железа. Первая стадия каталитического цикла включает восстановление Fe3+:
+ + O2− → Fe2+ + O2 
Вторая стадия: 
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH− + OH 
Возникновение цепи:
− + H2O2 → OH + HO− + O2 
В обычных условиях эта реакция протекает достаточно слабо. Токсичность перекиси водорода резко возрастает в присутствии металлов переменной валентности, что объясняется ускорением образования ОН. (Halliwell and Gutteridge). [5] 
Гидроксид-радикал практически не участвует в образовании других АФК, но является важным фактором окислительной модификации многих клеточных структур. Он может окислять молекулы белков и липидов, особенно активно атакуя мембранные липиды, которые содержат ненасыщенные двойные связи. Этот процесс приводит к образованию липидных гидроперекисей и изменению свойств клеточных мембран. Гидроксид-радикал вызывает разрыв связей в молекуле ДНК, что может вызывать глубокие повреждения генетического аппарата клеток. Константы скоростей его взаимодействия с большинством биологически важных молекул близки к диффузионным. [1]
Вследствие высокой химической активности гидроксид-радикала, время его жизни в клетке составляет 100 нс, а расстояние, которое он может пройти от места образования до места взаимодействия с мишенью ~100 нм. 
Гипохлорит-анион (OCl-), представляющий собой активную форму хлора и условно относимый к АФК, так как он обладает сходными свойствами окислителя. В ходе миелопероксидазной реакции Н2О2 ферментативно превращается в гипохлорит-анион, который является мощным окислителем. Гипохлорит - анион опасен сам по себе, а также может взаимодействовать с О2. - с образованием гидроксид-радикала и с перекисью водорода с образованием синглетного кислорода.
К радикальным компонентам клетки относится NO-радикал, образуемый ферментом NO-синтаза и участвующий в образовании пероксинитрита при взаимодействии с супероксид. 
Значение активных форм кислорода
В тканях аэробных организмов в процессе метаболизма постоянно образуются продукты неполного восстановления кислорода. Активные формы кислорода и радикалы синтез в организме, выполняют не только вредные, но и множество полезных для клетки функций. Так, создание супероксид-аниона и гипохлорита клетками иммунной системы применяется организмом при защите от бактерий и других чужеродных инфекций. Для многих тканей, например, для мозга, свойственен повышенный синтез простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов. Такой процесс требует внимания супероксид-аниона, взаимодействующего с еще одним компонентом такой системы, арахидоновой кислотой - совмещением, высвобождающимся из мембранных фосфолипидов в процессе индуцируемого АФК перекисного окисления липидов. [2]
АФК оживленно участвуют в ходе передачи клеточного сигнала. Так, в частности, свободные радикалы, которые организуются в цитозоле клетки в ответ на стимуляцию факторами регрессии, участвуют в регуляции пролиферативного. Имеется несколько публикаций, свидетельствующих, что активные формы кислорода стимулируют деление различных типов клеток.
Механизм, где активные формы кислорода участвуют в передаче митотического сигнала, безызвестен