Важной структурной особенностью антиоксидантной системы защиты организма животных является распределение ее компонентов между гидрофильной и гидрофобной фазами клеточных структур. В липидных структурах мембран (липопротеидах) локализуются гидрофобные (жирорастворимые) антиоксиданты -- токоферол, полифенолы, убихинон, -каротин, флавоноиды и др. Гидрофильные (водорастворимые) антиоксиданты (аскорбиновая кислота, глутатион, эрготонин, антиперекисные ферменты) действуют внутри клетки. Во внеклеточном пространстве локализуются различные металлопротеины (гемоглобин, церулоплазмин, трансферрин и др.), а также мочевая и аскорбиновая кислоты. Это создает такие условия, при которых практически все клеточные структуры, а также внеклеточная среда находятся под контролем биоантиоксидантной системы.
Разносторонние механизмы биохимического действия биоантиоксидантов направлены на различные метаболические и регуляторные системы организма. Так, установлено, что антиоксидантная функция этих соединений сочетается с довольно большим спектром общебиологического действия, не связанного непосредственно с антиоксидантной защитой. Группа структурно-родственных соединений, таких как токоферол, убихинон и убихроменол, выполняет в организме сходные между собой функции, в том числе и антиоксидантную.
Среди веществ, составляющих систему биологических ингибиторов, антиоксидантная мембранопротекторная роль токоферола в живом организме считается наиболее обоснованной (36, 41, 42). При недостатке токоферола (витамин Е) наблюдаются многообразные патологические изменения большого числа органов и тканей животных. Среди важнейших симптомов Е-витаминной недостаточности (авитаминоза и гиповитаминоза) -- нарушения репродуктивной функции, мышечная дистрофия, некроз печени, повреждения эпителия почечных канальцев и т.д. При этом наблюдаются морфологические нарушения, которые заключаются в значительном увеличении проницаемости или полном разрушении цитоплазматических или внутриклеточных мембран клеток различных тканей, в том числе митохондрий и микросом. При этом морфологическим аномалиям предшествуют изменения жирно-кислотного состава липидов и снижение концентрации полиненасыщенных жирных кислот. На молекулярном уровне эти нарушения могут быть обусловлены усилением интенсивности пероксидного окисления при Е-авитаминозе. В многочисленных работах показана возможность регулирования интенсивности перекисного окисления липидов посредством изменения концентрации токоферола, что обеспечивает защиту на различных уровнях организации живых систем (43). Токоферол является универсальным протектором всех клеточных мембран, независимо от типа тканей.
Вместе с тем многие исследователи придерживаются мнения, что механизмы биологической активности токоферола и других биоантиоксидантов на молекулярном уровне до настоящего времени полностью не расшифрованы и не могут быть сведены к антиоксидантному действию (44). Биологическую активность токоферола истолковывают в связи с его защитным действием в отношении селена, входящего в состав селенопротеидов. Считается, что токоферол выступает как регулятор энергетического метаболизма. Снижение интенсивности тканевого дыхания, наступающее при Е-авитаминозе (45), связывают с прямым участием токоферола в качестве кофактора или катализатора транспорта электронов и проявлением регуляторного эффекта на ферментном уровне.
Установлено, что токоферол обладает способностью тормозить образование полимерных продуктов окисления не только липидов, но и белков, ферментов, коферментов (46, 47). Известно, что макромолекулярная агрегация ферментов и других белковых компонентов мембран приводит к потере ферментативной активности и увеличению проницаемости за счет образования пор в мембранах (48). Этот нежелательный эффект обусловлен образованием сшивок при окислении сульфгидрильных групп белков и ферментов, а также агрегатов типа шиффовых оснований при взаимодействии аминогрупп белков с продуктами окисления липидов. Показано, что токоферол тормозит эти процессы, оказывая защитное действие на сульфгидрильные группы ферментных белков как непосредственно, так и ингибируя образование диальдегидов при окислении липидов, содержащих непредельные жирные кислоты (46, 47).
Накоплены многочисленные сведения о том, что токоферол является универсальным модификатором биологических мембран; под его влиянием меняются состав, степень окисленности липидов, проницаемость и заряд мембран, структурные характеристики бислоя и связанная с этим активность мембранных белков (ферментов, рецепторов, каналообразующих белков). Воздействие токоферола приводит к качественному системному изменению состояния клетки в целом. В свете этих представлений могут найти обоснование многочисленные эффекты токоферола, непосредственно не связанные с его влиянием на перекисное окисление липидов.
В энергетическом метаболизме клетки токоферол опосредованно влияет на обмен одного из участников цепи транспорта электронов -- коэнзима Q (убихинон) (43). Последний также вовлечен в регуляцию энергетических процессов клетки, что подтверждается в ряде работ (24, 49). Выявлена зависимость между содержанием в организме витамина Е и убихинона. Токоферол увеличивает интенсивность биосинтеза убихинона и снижает таковую убихроменола. Показано, что действие токоферола осуществляется на уровне транскрипции; отмечено его влияние на синтез гема (49, 50). Имеются данные о регуляторном действии токоферола на гем-содержащие белки ферментов (каталазы, пероксидазы). С этих позиций рассматривается влияние токоферола на содержание пероксидов и метаболизм жирных кислот (50, 51). Известен феномен онкотропии витамина Е: опухолевые клетки на определенных стадиях развития интенсивно поглощают и утилизируют токоферол (52). Полагают, что токоферол может играть определенную роль в регуляции деления клеток (36).
В последние годы выявлено иммуномоделирующее действие токоферола: стимуляция клеточного и гуморального иммунных ответов как на тимус-зависимые, так и на тимус-независимые антигены; торможение генерации как антиген-специфических, так и антиген-неспецифических супрессоров; усиление активности естественных киллеров (53).
Коэнзим Q неизменно присутствует в составе липидов биологических мембран. Основная функциональная роль этого фермента связана с участием в процессах окислительного фосфорилирования, передачи электронов в цепи транспорта между флавиновыми ферментами и цитохромами; подробно изучены антигипоксические свойства убихинона (54). Положительные результаты были получены при использовании коэнзима Q для восстановления функции дыхательной цепи (55). Сильное антигипоксическое действие оказывает аналог убихинона -- убинон (в сочетании с сукцинатом). Восстановление электронно-транспортной функции дыхательной цепи приводит в этом случае к усилению сукцинатдегидрогеназной активности, что служит подтверждением важной роли коэнзима Q в дыхательной цепи при гипоксии. При экспериментальной малярии был установлен высокий терапевтический индекс коэнзима Q, разработаны подходы к созданию новых антималярийных препаратов (56).
Убихинон способен устранять ряд симптомов, вызванных недостатком токоферола. Показано, что в условиях недостаточности убихинона и гипоксии усиливается образование свободных радикалов, что приводит к дополнительному нарушению целостности биологических мембран. На практике весьма успешно применяют антиоксиданты, которые существенно ослабляют гипоксию (56). В связи с этим в комплексе стратегии защиты энергетического аппарата клетки рассматривают антиоксиданты, способные в значительной степени предотвращать нарушения функций электронно-транспортной дыхательной цепи.
Данные об уменьшении содержания убинона при мышечной дистрофии также связывают с антиоксидантными свойствами аналога убихинона (53). Есть основания считать, что особенности антиоксидантного действия природных ингибиторов хиноидной природы состоят в способности связывать радикалы, участвующие в инициировании перекисного окисления липидов, и в первую очередь -- радикалы супероксидиона (2-4, 36). Показано, что убинон в количестве 0,2-1,5 % от общего количества существует в организме в виде убисемихинона, который локализован только на внешней стороне внутренней мембраны митохондрий (43, 57).
Циклический аналог убинона -- убихроменол в последние годы также привлекает значительное внимание. Считают, что убихроменол не принимает участия в процессе переноса электронов в дыхательной цепи, который может осуществляться посредством взаимопревращений окисленной и восстановленной форм, а, по-видимому, выполняет антиоксидантную функцию (24). Подобным действием обладает не только убихроменол, но и гексагидроубихинон (43, 58). Более подробно антиоксидантные свойства убихроменола исследованы в опытах in vitro: получены количественные характеристики активности окисленных и восстановленных аналогов убихинона в реакции с пероксильными радикалами (36). Убихроменол рассматривается некоторыми авторами как распространенный в природе антиоксидант (24, 36). Было высказано предположение, что вещества с антиоксидантными свойствами, такие как убихроменол, могут регулировать содержание в организме токоферола (48). В пользу предположения о единстве антиоксидантного действия токоферола, убихинона и убихроменола свидетельствует тесная взаимосвязь между метаболизмом этих веществ (24, 36). Показано, что токоферол и соединения группы убихинона интенсивно расходуются после облучения (56). Введение животным токоферола или убихинона существенно изменяет антиоксидантную активность липидов, то есть оказывает влияние на всю систему природных антиоксидантов (2-5, 18, 36).
Известно также, что существует определенная взаимосвязь между содержанием индивидуальных биоантиоксидантов (24). Так, характер изменения содержания убихинона и его циклического аналога убихроменола зависит от обеспеченности организма витамином Е. Установлено, что в тканях каждому гомологу убихинона соответствует гомолог убихроменола (24, 28). Последний синтезируется в организме животных из общих с убихиноном предшественников, а не является продуктом спонтанного превращения коэнзима Q в процессе выделения, как считали ранее (24, 59).
Предполагается, что структурное сходство токоферола и соединений группы убихинона обусловливает общность выполняемой ими биологической роли, в том числе и антиоксидантной (60). Убихинон, как и токоферол, помимо антиоксидантной активности обладает специфическими функциями. Так, различные формы убихинона способны связываться с активными центрами ферментов и влиять на их активность (48). Убихинон и его производные, участвуя в процессах образования пероксида водорода, могут воздействовать на активность АТФ-азной системы митохондрий, регулировать энергетические процессы клетки, оказывать влияние на терморегуляцию гоймотермных животных и некоторые реакции гидроксилирования, а также, возможно, определять третичную структуру белка (28, 55, 61, 62).
В липидах наряду с токоферолом и веществами группы убихинона присутствуют каротиноиды и витамины группы А (каротиноиды играют важную роль в качестве предшественника витамина А). При недостатке ретинола приостанавливается рост и возникает тяжелое заболевание глаз -- ксерофтальмия. Ранее считалось, что каротиноиды и витамин А являются переносчиками активного кислорода, стимулирующего пероксидное окисление липидов мембран (36). Однако в настоящее время появились немногочисленные, но прямые указания на антиоксидантные свойства ретинола, что объясняет его способность в физиологических концентрациях регулировать этот процесс (43, 52). При содержании в мембране 1 моль% ретинола проявляется прооксидантное влияние последнего, а в более высоких дозах он обладает выраженными антиоксидантными свойствами, подобно витамину Е (43). В работах последних лет при окислении фосфолипидов отмечена ингибирующая активность изомеров каротиноидов (63).
Получены новые данные о влиянии витаминов группы А и каротиноидов на генетический аппарат клетки. Известно, что витамин А циркулирует в крови в комплексе с ретинол-связывающим белком, присоединение к которому в печени является обязательным условием поступления этого витамина в кровь (12, 17, 41). Низкая концентрация ретинола и ретинол-связывающего белка коррелирует с частотой развития опухоли. В последнее десятилетие активно исследуется иммуномоделирующая активность каротиноидов (6, 44). Показано, что дополнительное введение витамина А нормализует ослабленные гуморальный и клеточный иммунные ответы при целом ряде заболеваний, вызывает увеличение массы тимуса, возрастание числа Т-лимфоцитов в периферической крови, стимулирует естественную киллерную активность, способствует снижению активности Т-супрессоров. (6). При этом стимулирующий эффект наблюдается через 4-6 нед после приема витамина А. Высокие дозы каротиноидов, напротив, вызывают развитие кратковременного обратимого состояния иммунодепрессии (64).
Витамины группы К широко представлены в липидах; эта группа объединяет так называемые антигеморрагические факторы (65). Активной формой витамина К служит гидрохиноновая, участвующая в реализации (катализе) его основной биологической функции -- карбоксилировании глутаминовой кислоты в ходе ферментной реакции. При дефиците этого витамина наблюдаются значительные нарушения в структуре и функции биомембран, что позволяет рассматривать его в качестве одного из эссенциальных компонентов биомембран (6). Витамин К относят к группе биоантиоксидантов; in vitro его восстановленные формы проявляют чрезвычайно высокую антирадикальную активность (2, 4, 36). Во многих работах выявлена взаимосвязь между воздействием витаминов К и Е на биохимические реакции (66). Так, обогащение организма токоферолом полностью или частично предотвращает ряд биохимических нарушений, обусловленных К-витаминной недостаточностью (3). При этом действие витамина Е направлено на устранение тех нарушений, вызванных дефицитом витамина К, которые не связаны непосредственно с участием последнего в биосинтезе.
Действие витамина К, как и ряда других природных антиоксидантов, наряду с ингибирующей способностью определяется коферментными свойствами не только в составе системы витамин-зависимого карбоксилирования, но и при функционировании других ферментов. Дефицит витамина К оказывает модифицирующее влияние на активность спектр-независимой АТФ-азы эритроцитов и растворимой миозинредуктазы печени. При недостатке этого витамина снижается сродство Nа-, К-АТФ-азы эритроцитов к специфическому ингибитору уабаину, уменьшается содержание цитохрома Р-450 в микросомах печени, изменяется креатинкиназная активность миозина скелетных мышц (3).
Особенности функционирования антиоксидантов в мембранах зависят от взаимодействия с другими компонентами липидов. К настоящему времени достаточно обширная литература посвящена оценке характера взаимосвязей между токоферолом (основной природный антиоксидант) и фосфолипидами (24, 36, 48). При этом важная роль в структурной стабилизации липидного бислоя мембран придается боковой алифатической цепи антиоксидантов (67). Токоферол оказывает структурообразующее и модифицирующее влияние на фосфолипидные бислои биомембран, участвует в специфическом гидрофобном взаимодействии с остатками жирно-кислотных компонентов и со свободными жирными кислотами, нивелируя хронотропное действие последних (68), поддерживает бислойную организацию лизоформ фосфолипидов, которые могут дестабилизировать действие оксидантов на мембраны. Под влиянием токоферола в процессе окисления полиненасыщенных фосфолипидов образуется гексагональная фаза -- кластеры с высокой локальной концентрацией витамина Е (69). Мембранотропные эффекты токоферола модулируют физические свойства бислоя и не только поддерживают необходимую плотность упаковки фосфолипидов, ограничивают доступ кислорода к ацильным цепям, препятствуют возникновению пероксильных радикалов липидов, но и обеспечивают в биомембранах условия для осуществления антиоксидантной функции (70).