АФК
2010-06-19 13:39Активные формы кислорода (АФК) - реактивные молекулы, содержащие атом кислорода.
Словарь
| Основная форма: | АФК |
Типы
- Свободный радикал анион-супероксид О2-·
- Перекись водорода Н2О2
- Гидроксил НО·
- Синглетный кислород 1О2
- Озон О3
- Гипохлорит HOCl
Пути образования
Кроме полного четырехэлектронного восттановления молекулы О2 до воды в дыхательной цепи митохондрий в аэробных клетках всегда происходит и неполное - одно-трехэлектронное восстановление с последовательным образование различных АФК (1):
1
Донорами электрона могут быть Fe2+, Cu+или семихиноны, а для второй и третьей реакций О2-·
2
3
Последствия образования АФК
Рис.1
Перекисное окисление (пероксидация) – образование органических гидропероксидов ROOH
АФК вызывают образование органических гидропероксидов ROOH-ДНК, белков, липидов, малых молекул. ROOH также образуются в реакции с молекулярным кислородом О2при участии ферментов диоксигеназ или циклооксигеназ.
4
ROOH при последующем метаболизме переходят в спирты, альдегиды, эпоксиды и другие окисленные соединения.
Перекисное окисление липидов (ПОЛ)
АФК вызывают в липидах (L), в основном в остатках полиненасыщенных жирных кислот, цепные реакции с накоплением липидных радикалов L·, пероксилов LOO·, гидропероксидов LOOH и алкоксилов LO·:
5
Существует также и ферментативный способ образования ПОЛ с участием липооксигеназ и циклооксигеназ, приводящий к образованию эйкозаноидов – специфических регуляторов.
В организме главными продуктами образования ПОЛ являются 4-гидроксиалкенали типа C5H9-CHOH-CH=CH-CHO.
Окислительная модификация (ОМ) нуклеиновых кислот
При ОМ ДНК происходит образование гидропероксидов ROOH (так, из тимина образуется 5-CH2OOH-урацил), а затем гидроксипроизводных ROH или R(OH)2, основными из которых являются 8-OH-2’-дезоксигуанозин и тимингликоль (маркеры ОМ ДНК в тканях и моче).
Окислительная модификация (ОМ) белков
При ОМ белков происходит образование в организме ROOH, а затем ROH (o- и m-тирозины), R(OH)2(ДОФА), карбонилов и других окисленных производных. Образуются димеры (дитирозины). Происходит аутооксидативное гликозилирование белков.
Биологическое значение
Положительные эффекты
Образование эйкозаноидов
Эйкозаноиды – гормоны, производные C:sub:`20`-полиненасыщенных дирных кислот, типа арахидоновой. Разделяются на циклические (простаноиды) и линейные (лейкотриены).
Промежуточными метаболитами являются пероксиды (соответственно циклический эндопероксид ПГ G2 и 5-HOO-арахидонат). Роль и значение простаноидов кратко описаны в [1]. Кроме того, они защищают от повреждений клетки желудка, сердца и других органов. Липоксигеназа образует первый лейкотриен A4—5,6-эпоксид арахидоновой кислоты, который при гидратации переходит в лейкотриен B4, а при присоединении глутатиона — в лейкотриен C4. Лейкотриены, как и простаноиды, способствуют развитию воспаления (первично это полезная защитная реакция), при этом лейкотриен вызывает хемотаксис и активацию нейтрофилов; лейкотриен и его метаболит стимулируют сокращение гладких мышц.
Борьба с клетками-врагами
Фагоциты (нейтрофилы и макрофаги) используют АФК для уничтожения микроорганизмов. Макрофаги разрушают поврежденные, старые или иммунологически несовместимые клетки, а также способствуют уничтожению злокачественных клеток и клеток, пораженных вирусами. Остеокласты (специализированные макрофаги) применяют АФК для разрушения кости — обязательного условия ее обновления. Во всех этих случаях клетки-защитники быстро поглощают большое количество O2(дыхательный взрыв) и затем используют его для образования АФК при помощи расположенной в плазматической мембране НАДФН-оксидазы дыхательного взрыва:
6
Регуляторные функции
АФК стимулируют накопление в клетке вторичных посредников — циклонуклеотидов: цAMФ и цГМФ, при этом цГМФ образуется в результате активации НО·гиалоплазматической гуанилилциклазы. АФК вызывают накопление ионов в цитозоле и стимуляцию фосфорилирования белков в результате активации протеинкиназ (особенно протеинкиназы С) и протеинтирозинкиназ и ингибирования протеинфосфатаз; активируют белок Ras, играющий важную роль в передаче сигналов в ядро клетки.
Гипотеза о функции вторых посредников гормонов
Активно исследуется, не могут ли АФК сами прямо выполнять функции вторых посредников гормонов. В пользу этого свидетельствуют накопление АФК при воздействии факторов роста клеток, цитокинов, инсулина, паратирина, витамина D3, модификация эффектов этих гормонов под влиянием АФК и их снижение или блокада антиоксидантами. АФК и липидные ROOH в низких субтоксических концентрациях индуцируют такие процессы, как экспрессия генов (в том числе генов раннего ответа и других протоонкогенов) и деление клеток. H2O2, накапливающаяся при инвазии вирусов и бактерий, активирует транскрипционный фактор NF-kВ, что приводит к индукции ряда цитокинов и иммунных рецепторов и в результате к иммунным и воспалительным ответам, а также к индукции белков острой фазы и адгезии (последние способствуют выходу лейкоцитов в ткани, что важно при воспалении).
Отрицательные эффекты
Повреждение нуклеиновых кислот
Из АФК только НО·вызывает повреждения ДНК (окисление оснований, их модификации, разрывы цепей, повреждения хромосом), при этом сейчас считают, что АФК вызывают больше мутаций, чем другой класс мутагенов — алкилирующие вещества. Мутации могут привести к патологии и гибели клеток или их злокачественному перерождению (раки, лейкозы идр.), а мутации в ДНК половых клеток — к наследуемым заболеваниям. Высокие концентрации АФК и липидных гидропероксидов ингибируют синтез ДНК и деление клеток и могут активировать апоптоз (программированную смерть клеток), что полезно для организма, так как ценой гибели части клеток предупреждает прогрессирование злокачественных процессов и гибель целого организма.
Повреждение белков
ОМ белков, вызванная АФК, не только изменяет аминокислотные остатки, но и нарушает третичную структуру и даже вызывает агрегацию и денатурацию. В результате снижается или исчезает их многообразная функциональная активность (ферментативная, регуляторная, участие в матричных синтезах, транспорт ионов и липидов), а некоторые из них способствуют мутациям или становятся аутоантигенами. ПОЛ прежде всего повреждает клеточные мембраны. Кроме того, продукты ПОЛ (4-гидроксиалкенали, малоновый диальдегид и др.) являются мутагенными и цитотоксичными. Избыток некоторых эйкозаноидов также дает патологические эффекты: тромбоз и гипертонию (тромбоксаны), гиперчувствительность, участие в патогенезе бронхиальной астмы, шока, инфаркта миокарда, язвы желудка (лейкотриены).
Оксидативный стресс с накоплением в тканях и биологических жидкостях АФК и вторичных продуктов ОМ макромолекул обнаружен при многих (>60) болезнях и патологических синдромах, часто называемых свободно-радикальной патологией: старении, различных злокачественных процессах, хроническом воспалении (ревматоидный артрит, гастрит и язва, колиты, цистит и др.), СПИДе, сахарном диабете, атеросклерозе, последствиях инфаркта и инсульта, катаракте, нейродегенеративных заболеваниях (паркинсонизм, болезнь Альцгеймера и др.) и многих других. Правда, далеко не всегда установлены первичность накопления АФК и/или ОМ макромолекул и их важное значение в патогенезе. Многие не учитывают, что эти нарушения могут быть не причиной, а следствием развития болезней.
Защита от АФК
Ферментативная
- супероксиддисмутаза (СОД)
СОД восстанавливает супероксид:
7
- селеновая глутатионпероксидаза (ГПО) и каталаза
Каталаза восстанавливает H2O 2:
8
- ГПО и глутатионтрансферазы (рис. 1), а также недавно обнаруженная фосфолипидгидропероксид-ГПО.
ГПО восстанавливает и органические гидропероксиды свободных жирных кислот, нуклеотидов, нуклеиновых кислот и, вероятно, белков:
9
10
Глутатионтрансферазы восстанавливают только ROOH, но важно, что один из изоферментов находится прямо в хроматине и восстанавливает ROOH ДНК в ядре. Фосфолипидгидропероксид-ГПО восстанавливает ROOH жирных кислот в составе фосфолипидов (для этого не требуется предварительный гидролиз последних). Вспомогательным ферментом является глутатионредуктаза, регенерирующая GSH из GSSG путем NADPH-зависимого восстановления:
11
Сопряженная работа этих ферментов показана на рис.2
Рис.2
Это уменьшает или даже предупреждает прогрессирование ПОЛ и ОМ нуклеиновых кислот и белков. Однако необходимо обезвреживание вторичных метаболитов ОМ (см. рис. 1) — это четвертая линия защиты. ГТ конъюгирует с GSH ряд окисленных веществ (на рис. 1), в том числе главный продукт ПОЛ — 4-гидроксиалкенали и опасные эпоксиды. Формальдегиддегидрогеназа и глиоксалаза, использующие GSH в качестве кофермента, окисляют свои субстраты до органических кислот. Кроме того, альдегиддегидрогеназа окисляет малоновый диальдегид. Хинонредуктаза (ДТ-диафораза) обеспечивает двухэлектронное восстановление хинонов в дигидрохиноны, что предупреждает образование вредных продуктов одноэлектронного восстановления — семихинонов; эпоксидгидролаза гидратирует эпоксиды с образованием диолов.
Ферментативная АОС обеспечивает мощный и эффективный метаболизм не только АФК, но и активных окисленных соединений.
В АОС особенно важна роль GSH:
- это главный восстановитель клетки, его концентрация (1—10 мМ) выше, чем большинства органических веществ;
- как и другие низкомолекулярные антиоксиданты, он прямо восстанавливает АФК;
- функционирует на трех линиях ферментативной защиты (восстановление H2O2, ROOH и обезвреживание вторичных метаболитов ОМ) из четырех;
- GSH-зависимые ферменты работают во всех частях клетки, включая ядро, митохондрии и эндоплазматическую сеть. Известный антиоксидатный эффект Se также в основном опосредован ферментами — обеими ГПО.
Важность АОС доказывается: 1) накоплением АФК и нарастанием ОМ при дефиците низкомолекулярных антиоксидантов: GSH, витаминов E и C; 2) гибелью нейронов спинного и головного мозга при инактивирующей мутации СОД (амиотрофический латеральный склероз); 3) развитием при серьезном дефиците GSH или GSH-зависимых ферментов гемолиза эритроцитов, катаракты хрусталика и поражения печени проксидантными ядами (CCL4и др.).
АОС снижает или даже предупреждает большинство эффектов, вызываемых АФК и OМ макромолекул: активацию протеинкиназы С, фактора NF-кВ, экспрессии генов (в том числе протоонкогенов) и апоптоза, действие гормонов типа факторов роста клеток и цитокинов, тормозит прогрессирование СПИДа. Это не только стало дополнительным и независимым подтверждением регуляторных функций АФК, но и привело к признанию регуляторных функций АОС, к рождению концепции внутриклеточной редокс-регуляции, определяемой соотношением прооксидантов и антиоксидантов.
Неферментативная
Гидрофильные восстановленный глутатион (GSH) и аскорбиновая кислота (в мышцах и карнозин) находятся в водной фазе клетки и защищают вещества гиалоплазмы и матрикса митохондрий, а гидрофобные антиоксиданты защищают мембраны. Эти вещества перехватывают свободные радикалы, восстанавливают АФК и продукты ОМ. Cреди низкомолекулярных антиоксидантов важную роль играют пищевые вещества: витамины C и E и каротины. Такими же свойствами обладают ураты и билирубин.
Литература: В.И.Кулинский. Активные формы кислорода и оксидативная модификация макромолекул: польза, вред и защита
Ссылки по теме:
| [1] |
Ссылки на эту статью:
Защити себя от меланомы|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|