Активные формы кислорода в окислительных процессах у животных и защитная регуляторная роль биоантиоксидантов
И.В. Сидоров, Н.А. Костромитинов
Рассматривается влияние активных форм кислорода на процессы перекисного окисления в организме животных. Описаны механизмы биохимического воздействия биоантиоксидантов на метаболические и регуляторные системы животных. Отражены разнообразные проявления биологической активности природных антиоксидантов. Обсуждаются возможности коррекции повышенного уровня перекисного окисления липидов, проявляющегося как неспецифический ответ организма на болезнь, и перспективы для развития нового направления -- антиоксидантотерапии.
OXYGEN ACTIVE FORMS IN OXIDIZING PROCESSES IN ANIMALS AND PROTECTIVE ROLE OF BIOANTIOXIDANTS
I.V. Sidorov, N.A. Kostromitinov
Summary
The influence of oxygen active forms on processes of peroxide oxidation in animals organism was considered. The mechanisms of bioantioxidants biochemical action on metabolic and regulator systems in animals were described. The diverse manifestation of biological activity of natural antioxidants were reflected. The possibilities for correction of increased level of peroxide oxidation of lipids as nonspecific organism reaction on disease and future trends for development of new direction -- antioxidant therapy.
Х а з и е в Г.З., С а г и т о в а А.С. Гельминты и гельминтозы птиц в Башкортостане и их профилактика. Уфа: изд-во БГАУ, 2002, 297 с.
В монографии представлены результаты изучения видового состава гельминтов домашней и дикой птицы в Башкортостане. Приведены данные о распространенности основных гельминтозов птицы. Изложены принципы лечения зараженных гельминтами птиц, в том числе, смесями препаратов при смешанных гельминтозах. Предложена система мероприятий по профилактике гельминтозов в хозяйствах региона с учетом вида возбудителя, природно-климатических условий и экономических возможностей хозяйств, кариопластов при клонировании животных, а также донорских яйцеклеток коров в новейших технологиях репродукции. Отражено влияние интеграции и экспрессии гена рилизинг-фактора гормона роста человека на фенотип, особенности развития, физиологические и биохимические признаки и мясные качества свиней. Уделено внимание созданию трансгенных сельскохозяйственных животных -- продуцентов рекомбинантных лекарственных белков.
Большое количество биохимических реакций протекает у животных при участии свободных радикалов, обладающих исключительно высокой химической активностью (1-5). Особое значение для оценки гомеостаза организма животных имеет свободнорадикальное перекисное окисление липидов, что обусловлено решающей ролью биомембран в обеспечении жизнедеятельности живых существ. Важное место в структуре биомембран занимают липиды с высоким содержанием ненасыщенных жирных кислот.
Неферментативное свободнорадикальное окисление липидов в нерегулируемых условиях носит цепной, автокаталический характер, причем разветвленные радикальные реакции сопровождаются образованием разнообразных по реакционной способности соединений, участвующих в дальнейших превращениях. Субстратами этих реакций служат аминокислоты, белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды. Для организма животных жизненно важное значение имеют свободнорадикальные реакции, повреждающие липидный компонент липопротеидов в составе мембран клеток и субклеточных структур (особенно фосфолипидов), что приводит к различным видам нарушений (уменьшение проницаемости мембранных структур клеток, изменение клеточного электропотенциала и нарушение ферментативных функций) и гибели клеток.
В качестве наиболее реактивных факторов, инициирующих перекисное окисление, выступают активные формы кислорода: супероксидный (О2-), гидроперекисный (НО2-) и гидроксидный (ОН-) радикалы, перекись водорода (Н2О2-), синглетная форма кислорода *О2- (6). Основные механизмы образования активных форм кислорода в организме животных связаны с нарушением функционирования электронно-транспортных цепей митохондрий микросом, а также свойствами дегидрогеназ. Наиболее часто активные формы кислорода образуются вблизи цепей переноса электронов -- дыхательная цепь, микросомы, у растений -- хлоропласты (7-9).
Супероксидный анион-радикал О2- и его протонированная форма (гидроперекисный радикал НО2-) возникают в процессе восстановления молекулярного кислорода в клетках и инициируют образование других активных форм кислорода. Супероксид-ион выделяется в реакции, протекающей в фагоцитах (моноциты, гранулоциты крови и тканевые макрофаги) и катализируемой ферментным комплексом -- НАДФН-оксидазой. Супероксидный радикал может прямо инактивировать адреналин, аскорбиновую кислоту, а более активный гидроперекисный радикал реагирует с линолевой, линоленовой, арахидоновой кислотами, окисляя их до гидроперекисей (10, 11). Образованию гидроперекисного радикала способствует закисление среды; он также свободно проникает через биомембраны, так как не имеет заряда.
Дисмутация супероксидных анион-радикалов под действием супероксиддисмутазы ведет к образованию в биологических тканях перекиси водорода, способной легко проникать через мембраны клеток. Перекись водорода выделяется при фагоцитозе, функционировании митохондрий и микросом (8, 9, 12, 13). В присутствии ионов металлов (Fe2+) перекись водорода может давать высокоактивный гидроксильный радикал ОН-, способный образовывать вторичные радикалы, в том числе перекисные соединения липидов. Этому процессу препятствуют главные высокоактивные ферменты антиоксидантной защиты -- каталаза и глутатион-пероксидаза (14-16).
К основным типам повреждений биомолекул гидроксильным радикалом ОН- относятся следующие: отрыв атома водорода (таким образом повреждается лецитин -- главный компонент биологических мембран, а также сахара в составе нуклеозидов ДНК); присоединение ОН- к молекулам по двойным связям (взаимодействие с пуринами и пиримидинами ДНК и РНК, в том числе с образованием вторичных радикалов); перенос электронов (17, 18). В образовании гидроксильного радикала важное значение имеют ионы металлов с переменной валентностью, в первую очередь ионы железа, которые в большом количестве содержатся в крови в связанной форме с трансферрином (гемоглобин, миоглобин и др.) (19, 20). Снижение количества железопереносящих белков и повышение концентрации свободного железа в крови может стимулировать образование свободных радикалов; своевременная диагностика и профилактика этого процесса включены в программы по предотвращению старения.
Образование гидроксильного радикала отмечено также под действием связанного железа -- лактоферрина и при взаимодействии гемоглобина и перекиси водорода (21-23).
Синглетная форма кислорода (*О2-) образуется в реакциях фотоокисления в присутствии так называемых фотосенсибилизаторов (флавин, гематопорфирин, хлорофилл и др.), а также при дисмутации супероксидных радикалов (24). Синглетная форма кислорода характеризуется повышенной реакционной способностью в отношении биосубстратов, особенно молекул с двойной связью. В результате таких реакций образуются гидроперекиси органических молекул -- важнейшие продукты перекисного окисления ненасыщенных липидов в биомембранах (6, 25). В присутствии металлов переменной валентности эти соединения запускают цепные реакции окислительной деградации биомолекул (2). Защитную функцию обеспечивает -каротин, переводящий синглетную форму кислорода в триплетную, однако обычная вода и токоферол также способны инициировать процесс инактивации *О2- (26, 27). Синглетная форма кислорода участвует в кожных проявлениях некоторых генетических заболеваний -- порфирий (28), а также в процессах эритемы после ультрафиолетового облучения кожи при приеме лекарств, обладающих фотосенсибилизирующим действием.
Образованием активных форм кислорода обычно сопровождается инактивация ксенобиотиков, усиливающая повреждающий эффект последних (17, 29, 30). Активные формы кислорода выполняют важную роль в защитных механизмах неспецифического иммунитета организма животных. Вследствие взаимодействия природных частиц (опсонизированных бактерий, механических частиц, латекса) с поверхностью фагоцитов происходит перестройка метаболизма клеток (увеличение ионной проницаемости клеточных мембран, усиление окисления глюкозы, возрастание более чем в 10 раз потребления кислорода, сопровождающееся интенсивным образованием супероксида О2-) и выделяются биоцидные кислородные радикалы, например при инфекционных и других воспалительных процессах (31-33). Это явление называется «дыхательным взрывом».
Именно генерализацией супероксидного радикала обеспечивается не только микробоцидное и цитотоксическое, но и в немалой степени иммунорегуляторное действие активированных фагоцитов (34, 35). Процесс активации фагоцитов сначала приводит к образованию О2-, а затем и более сильных окислителей -- ОН-, НОСl-, которые могут вызывать модификацию тканевых и сывороточных белков и липидов. Кроме того, после высвобождения в ходе «дыхательного взрыва» активные формы кислорода обнаруживаются не только в фагосомах, но и в прилежащих тканях, что наряду с инактивацией бактериальных клеток может повреждать как фагоциты, так и нормальные клетки. Следует отметить, что фактор изменения реактивности фагоцитов многими авторами рассматривается как ключевой в патогенезе инфекционного процесса (2, 3, 36).
Действие внешних прооксидантов, повышенное потребление кислорода, ионизирующее и ультрафиолетовое облучение, загрязнение воздуха, воды и продуктов питания, недостаток естественных антиоксидантов (витамины Е, К, А, селен и др.), врожденная недостаточность ферментов антиоксидантной защиты и другие факторы могут приводить к напряжению системы антиоксидантной защиты организма и вызывать так называемый «оксидативный стресс», проявляющийся на молекулярном, клеточном и организменном уровнях (30). Подобный стресс, видимо, является патогенетическим при развитии воспалительных и бронхолегочных заболеваний (31).
Необходимость защиты клеточных структур от аутоокисления реакционно-активными радикалами и перекисными соединениями обусловила формирование в организме животных защитных механизмов, ограничивающих неконтролируемое свободнорадикальное окисление и препятствующих переходу последнего в цепной неуправляемый процесс. У животных существует активная антиокислительная система защиты, представленная ферментативными и неферментативными реакциями. Роль ферментативного звена этой системы состоит в угнетении образования цепей окисления посредством элиминации супероксидного радикала и перекисных продуктов. Действие неферментативного звена направлено на торможение дальнейшего развития цепных реакций, то есть биоантиоксиданты выступают как антирадикальные агенты.
Следовательно, в нормальных физиологических условиях регуляция постоянства содержания активных форм кислорода и перекисей липидов в биологических мембранах в значительной степени осуществляется за счет сбалансированного взаимодействия между реакциями оксидации и антиоксидации. При дисбалансе между интенсивностью свободнорадикальных реакций и активностью системы антиоксидантной защиты развивается свободнорадикальная патология, которая является составной частью патогенеза многих болезней сельскохозяйственных животных.
Основным элементом ферментативной системы защиты организма животных от активных форм кислорода служит супероксиддисмутаза, которая ускоряет распад О2-, а также инактивирует пероксиды в месте их образования, не допуская диффузии в макромолекулы ткани (28, 37-39). Этот фермент состоит из двух субъединиц с общей молекулярной массой 32 кД и содержит по одному атому меди и цинка. В печени крысы и человека обнаружена марганецсодержащая, в бактериальных клетках -- железосодержащая супероксиддисмутаза.
Супероксиддисмутаза, инактивируя супероксидный радикал, превращает его в перекись водорода, которая затем разлагается под действием каталазы с образованием воды. Совместная активность каталазы и супероксиддисмутазы подавляет инициацию липидной пероксидации, поддерживая минимальную концентрацию супероксида -- 10-9 М.
Источником супероксиддисмутазы является система феназинметасульфат + НАДФН или ксантин + ксантиноксидаза. За единицу активности супероксиддисмутазы принято считать ее количество, в 2 раза замедляющее восстановление цитохрома С при реакции между ксантиноксидазой (0,003 ед/мл), ксантином (2 мкмоль/мл) и цитохромом С (0,6 мкмоль/мл) (40). Каталаза сосредоточена в основном в пероксисомах клеток, где содержатся также ферменты, продуцирующие перекись водорода, необходимую для многих процессов жизнедеятельности организма, в частности обеспечения неспецифического иммунитета.
Пероксидаза и особенно глутатионпероксидаза широко распространены в клетках животных и растений (цитозоле и матриксе митохондрий). Глутатионпероксидаза состоит из четырех субъединиц, в каждой из которых содержится по одной молекуле селена. Активность глутатионпероксидазы зависит от содержания глутатиона в клетке, что в свою очередь определяется активностью глутатионредуктазы и концентрацией НАДФН, который образуется в пентозофосфатном метаболическом цикле. Фермент инактивирует перекиси липидов, при этом окисленный глутатион восстанавливается глутатионредуктазой. Эта система включает в себя еще и другие субстратзависимые ферменты: аскорбат-, полифенол-, глутатион-, НАДФН- и НАДН-пероксидазы (6).
Неферментативное звено антиоксидантной защиты организма представлено отдельными биоантиоксидантами, в состав которых входят фенольные соединения (токоферол, полифенолы, флавоноиды) и сходные с ними по строению хиноны (витамины группы К, убихинон, убихроменолы, каратиноиды). Действие этих веществ усиливается серосодержащими соединениями: глутатионом, эрготонином, цистеином, метионином, а также витаминами А и С, -каротином.