Активные формы кислорода

Н2О2 + 2GSH 2Н2О + GSSG;

ROOH + 2GSH ROH + H2O + GSSG.

     ГТ-восстанавливают только ROOH, но один из изоферментов находится прямо в хроматине и восстанавливает ROOH ДНК в ядре. Фосфолипидгидропероксид-ГПО восстанавливает ROOH жирных кислот в составе  фосфолипидов. Вспомогательным ферментом является глутатионредуктаза, регенерирующая GSH из GSSG путем НАДФН-зависимого восстановления:

GSSG + НАДФН  + Н+ 2GSH + НАДФ+. 
 

Это уменьшает  или даже предупреждает прогрессирование ПОЛ и ОМ нуклеиновых кислот и белков (Владимиров Ю.А. и др., 1991; Кулинский В.И. и др., 1993; Ланкин В.З., 1984; Кулинский В.И., 1994; Кулинский В.И. и др., 1990). Однако необходимо обезвреживание вторичных метаболитов ОМ - это четвертая линия защиты (Кулинский В.И. и др., 1993).

     ГТ конъюгирует с GSH ряд окисленных веществ, 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 (Кулинский В.И. и др., 1993; Кулинский В.И. и др., 1990). В целом ферментативная АОС обеспечивает мощный и эффективный метаболизм не только АФК, но и активных окисленных соединений. В АОС особенно важна роль GSH:

1) это  главный восстановитель клетки, его концентрация выше, чем большинства  органических веществ; 

2) как  и другие низкомолекулярные антиоксиданты,  он прямо восстанавливает АФК;

3) функционирует  на трех линиях ферментативной  защиты (восстановление Н2О2 , ROOH и  обезвреживание вторичных метаболитов  ОМ) из четырех; 

4) 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 (Кулинский В.И. и др., 1993; Кулинский В.И. и др., 1990).

     Важность АОС доказывается накоплением АФК и нарастанием ОМ при дефиците низкомолекулярных антиоксидантов: GSH, витаминов Е и С.

     Таким образом, оксидативный стресс возникает не только при избыточности АФК и ОМ макромолекул, но и при недостаточности АОС (не только абсолютной, но и относительной). Следовательно, оксидативный стресс - это сдвиг к преобладанию прооксидантов над антиоксидантами (Кулинский В.И., 1999).

     Но АОС выполняет и другую важную функцию. Она снижает или даже предупреждает большинство эффектов, вызываемых АФК и OМ макромолекул: активацию протеинкиназы С, фактора NF-kB, экспрессии генов (в том числе протоонкогенов) и апоптоза, действие гормонов (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 (Suzuki Y.J. et al., 1996; Lander H.M., 1997). Возникли и определенные надежды на антиоксидантную профилактику злокачественных процессов путем применения природных (витамины Е, С и каротины) и синтетических антиоксидантов. Сейчас это усиленно проверяется (Кулинский В.И., 1999).

      
 

     Если ОМ происходит и повреждает макромолекулы, то клетка вынуждена их разрушать: активируется катаболизм полимеров, осуществляемый пептидазами, фосфолипазами (особенно А2) и нуклеазами (Wiseman H. et al., 1996; Dean R.T. et al., 1997), а затем новые синтезы восполняют убыль. Для ДНК включается и механизм репарации - это единственные биомолекулы, для которых он существует (Кулинский В.И., 1999).

               Глава 4. Полезные эффекты образования АФК

     Эйкозаноиды - это гормоны, производные С20-полиненасыщенных жирных кислот типа арахидоновой. Их разделяют на циклические (простаноиды) и линейные (лейкотриены). Промежуточными метаболитами являются пероксиды (соответственно циклический эндопероксид ПГ G2 и 5-НОО-арахидонат). Кроме того, у животных и человека, они защищают от повреждений клетки желудка, сердца и других органов (Кулинский В.И., 1994). Липоксигеназа образует первый лейкотриен А4 - 5,6-эпоксид арахидоновой кислоты, который при гидратации переходит в лейкотриен В4 , а при присоединении глутатиона - в лейкотриен С4 . Лейкотриены, как и простаноиды, способствуют развитию воспаления (первично это полезная защитная реакция), при этом лейкотриен В4 вызывает хемотаксис и активацию нейтрофилов; лейкотриен С4 и его метаболит D4 стимулируют сокращение гладких мышц (Кулинский В.И., 1994; Сала А. и др., 1998).

     Серьезной проблемой для многоклеточных организмов является борьба с клетками-врагами. Важную роль в этом играют фагоциты (нейтрофилы и макрофаги), которые захватывают микроорганизмы, а затем убивают их, используя АФК в качестве основного оружия (Владимиров Ю.А. и др., 1991), повреждающего макромолекулы и мембраны путем их ОМ.

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 О2 (дыхательный взрыв) и затем используют его для образования АФК при помощи расположенной в плазматической мембране НАДФН-оксидазы дыхательного взрыва:

2О2 + НАДФН  2 + НАДФ+ + Н+

     Важное значение АФК для защиты от бактерий доказывается тем, что при инактивирующей мутации этого фермента возникает хронический септический грануломатоз: фагоцитированные микроорганизмы остаются живыми, что приводит к повторным хроническим инфекциям и чревато сепсисом. Н2О2 используется также для окисления галоген-анионов: в нейтрофилах - Сl- - для образования мощного окислителя гипохлорита HClO, также убивающего бактерии, а в щитовидной железе - J-, что необходимо для синтеза гормонов иодтиронинов (Кулинский В.И., 1999).

     В последнее время обнаружены новые функции АФК - регуляторные (Suzuki Y.J. et al., 1996; Lander H.M. et al., 1997). АФК стимулируют накопление в клетке вторых посредников - циклонуклеотидов: цAMФ и цГМФ, при этом последний образуется в результате активации НО’ (но не другими АФК) гиалоплазматической гуанилилциклазы. АФК вызывают накопление ионов Са2 + 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.

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 Д3 , 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 (Кулинский В.И., 1999).

     Н2О2 , накапливающаяся при инвазии вирусов и бактерий, активирует транскрипционный фактор NF-kB, 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) (Кулинский В.И., 1999).

     Очевидно, роль АФК в защите организма шире, чем предполагалось ранее: она включает не только фагоцитоз опасных клеток, но и запуск других воспалительных реакций и иммунных процессов (Кулинский В.И., 1999).

     Так что наряду с вредными функциями АФК (повреждение белков, липидов и ДНК) новые исследования всё больше обнаруживают и их полезные функции — такие как активация разобщающих белков (uncoupling proteins), регулирующая продукцию АТФ, и передача сигналов роста через тирозин-киназы. Теперь обнаружена еще одна роль АФК — компенсаторная регуляция активности клеточной дыхательной цепи через активацию репликации митохондриальной ДНК (Кулинский В.И., 1999). 
 

                                                  Выводы

     На основании изученного материала  можно сделать следующие выводы:

1. АФК как сильные и реакционно-способные окислители потенциально могут разрушить и убить клетку;

2. АФК  постоянно образуются в растительных  и животных клетках в реакциях и процессах, в которых участвует молекулярный кислород;

3. АФК при контакте с клеткой приводят к разрушению мембран, повреждению белков и деградации хлорофилла;

4. АФК  являются опасными побочными  продуктами аэробного метаболизма;

5. АФК участвуют в регуляции физиологических процессов, таких как рост, прорастание пыльцы, поведение устьиц и программируемое отмирание клеток. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                      Список литературы

1) Кулинский В.И. Активные формы кислорода и оксидативная модификация макромолекул: польза, вред и защита.// Биология.1999.

2) Владимиров Ю.А., Азизова О.А., Деев А.И. и др. Свободные радикалы в живых системах // Итоги науки и техники. Сер. Биофизика. 1991. Т. 29.

3) Кулинский В.И., Колесниченко Л.С. // Успехи соврем. биологии. 1993. Т. 113, вып. 1. С. 107 – 122.

4) Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах. М.: Наука, 1972.

5) Ланкин В.З. // Укр. биохим. журнал. 1984. Т. 56, № 3. С. 317-331.

6) Варфоломеев С.Д. Простагландины – новый тип биологических регуляторов // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 1. С. 40-47.

7) Кулинский В.И. Лекционные таблицы по биохимии. Иркутск: Иркут. мед. ин-т, 1994. Вып. 4: Биохимия регуляций. 94 с.

8) Сала А., Зарини С., Бола М. // Биохимия. 1998. Т. 63, № 1. С. 101-110.

9) Wiseman H., Halliwell B. // Biochem. J. 1996. Vol. 313, № 1. P. 17-29.

10) Dean R.T., Fu Sh.,Stocker R., Davies M.J. // Ibid. 1997. Vol. 324, № 1. P. 1-18.

11) Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: Добро и зло // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 3. С. 4-10.

12) Полесская О.Г. Растительная клетка и активные формы кислорода: учебное пособие / Под ред. И.П. Ермакова. – Москва : КДУ,2007. – 140 с.: ил., табл.

13) Hernandez J.A.,Corpas F.J.,Gomes L.A.,del Rio L.A.,Salt induced oxidative stress mediated by activated oxygen species in pea leaf mitochondria. Plant Physiol. Vol. 89. 1993. P. 103 – 110. 
 
 

14) Meloni D.A., Oliva M.A., Martinez C.A., Cambraia J.Photosynthesis and activity of superoxide dismutase, peroxidase and glutathione reductase in cotton under salt stress. Environmen. and Experimen. Botany. Vol. 49. 2003. P. 69 – 76.

15) Mittova V., Kiddle G., Theodoulou F.L., Gomez L., Volokita M., Tal M., Foyer C.H., Guy M. Coordinate induction of glutathione biosynthesis and glutathione-metabolising enzymes is correlated with salt tolerance in tomato. FEBS Letters. Vol. 554. 2003. P. 417 – 421.

16) Физиология растений / Под ред. И. П. Ермакова. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 640 с.

17) Suzuki Y.J., Forman H.J., Sevanian A. // Free Radical Biol. Med. 1996. Vol. 22, № 1/2. P. 269-285.

18) Lander H.M. // FASEB J. 1997. Vol. 11, № 1. P. 118-124. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                 Приложения

Разновидности                                                                                    Комментарий

Супероксид анион (О^2‾)                                                     Вырабатывается в электронной

                                                                                         транспортной цепи и прочих местах