6.2. Краткая характеристика отдельных компонентов системы антиоксидантной защиты организма

 

Токоферол – основной жирорастворимый антиоксидант организма:

α-Токоферол, или витамин Е, является по сути дела единственным и самым мощным липидорастворимым антиоксидантом как в плазме, так и в любой клеточной мембране.

α-Токоферол способен прервать цепную реакцию за счет образования стабильного радикала. Отдавая лабильный атом водорода липидному пероксильному радикалу, α-токоферол превращается в радикал. Образующийся радикал α-токоферола является энергетически стабильным и обладает низкой реактивностью по отношению к другим молекулам мембраны. Окисленный α-токоферол восстанавливается в исходную форму при участии аскорбиновой кислоты (рис. 12).

 

 

Рис. 12. Цепные реакции витамина Е и С с липидными пероксильными радикалами.

 

Общепринято, что действие α-токоферола сводится к следующим механизмам:

1) защита от избыточного ПОЛ за счет очень высокой антирадикальной активности. Подобно другим фенольным производным, α-токоферол взаимодействует с радикалами как донор водорода и ловушка электронов, а его углеводородный «хвост» является каналом удаления радикалов из углеводородной зоны мембран;

2) стабилизация липидного состава и физического состояния бислоя (фактор структурной стабилизации мембран);

3) защита от деструкции, вызванной продуктами гидролиза фосфолипидов под действием фосфолипазы А2: фосфолипаза деполяризует мембрану, снижает ее микровязкость и увеличивает ее отрицательный поверхностный потенциал за счет образования свободных жирных кислот и фосфатидной кислоты, в то время как α-токоферол связывает продукты гидролиза фосфолипидов и уменьшает хаотропный эффект. Кроме того, α-токоферол повышает микровязкость мембран, тем самым снижая пассивную проницаемость для ионов;

4) блокирование повреждающего действия синглетного кислорода и других активных форм кислорода.

При недостатке α-токоферола может произойти разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования, уменьшается поглощение кислорода, концентрация убихинона, содержание ферментов дыхательной цепи.

Имеются данные о том, что около 20 % α-токоферола в плазме переносится с фракцией липопротеинов низкой плотности (ЛПНП), а еще 50 % – с фракцией липопротеинов высокой плотности (ЛПВП), что определяет антиоксидантные свойства последней. Кроме того, исследователи выделяют в плазме особый белок, связывающий и переносящий α-токоферол. Между ЛПВП и ЛПНП происходит обмен α-токоферола. Кроме того, доказано, что существует обмен α-токоферола между плазмой и эритроцитами: этот обмен занимает 84–86 ч и находится в зависимости от уровней гематокрита и общей концентрации липидов в плазме.

Таким образом, витамин Е встраивается в биологические мембраны и структурирует их подобно холестерину. Однако, в отличие от последнего, α-токоферол преимущественно включается в участки с наибольшим содержанием неэстерифицированных жирных кислот (в частности, со стороны цитоплазмы и во внутренней мембране митохондрий). Гидрофильное кольцо обращено к поверхности мембраны, а гидрофобный «хвост» – внутрь мембраны, обеспечивая максимальное физическое взаимодействие с неэстерифицированными жирными кислотами, в первую очередь с длиной углеводородного радикала 16–20 атомов, т. е. сопоставимую с длиной углеводородного «фитиля» α-токоферола. Следует помнить, что это не просто «заполнение пустот», а специфическое межмолекулярное взаимодействие. Одна молекула α-токоферола реагирует более, чем с одной молекулой фосфолипидов, т. к. боковые фетильные радикалы размещаются в карманах, где имеется цис-двойная связь неэстерифицированных жирных кислот. Именно такая локализация молекулы α-токоферола в биомембранах и частицах фосфолипидов обеспечивает антиоксидантные свойства витамина Е и его способность быть стабилизатором мембран.

Убихинон (коэнзим Q) является обязательным и наиболее подвижным компонентом электрон-транспортных цепей:

Убихинон участвует в удалении протонов из матрикса митохондрий и последующем освобождении их в межмембранное пространство. В соответствии с общепринятой в настоящее время хемиосмотической моделью Питера Митчелла это обеспечивает сопряжение процессов электронного транспорта и окислительного фосфорилирования. Кроме того, восстановленная форма убихинона, благодаря своей способности присоединять электроны, служит хорошим антиоксидантом.

Антиоксидантная функция убихинона была доказана после того, как снижение содержания убихинона в митохондриях сопровождалось усилением перекисного окисления, а его восстановление – обратным эффектом. Восстановленный убихинон является единственным липидорастворимым антиоксидантом, который синтезируется в клетках животных и человека, а также постоянно регенерируется из окисленной формы с помощью ферментных систем организма. Обе формы убихинона встречаются во всех клеточных мембранах, в плазме крови и липопротеинах низкой плотности.

Метаболизм убихинона тесно связан с метаболизмом другого липофильного антиоксиданта – витамина Е, являющегося наиболее эффективным антиоксидантом в миокарде. Убихинон способен регенерировать восстановленную форму витамина Е. Их концентрации в плазме пропорциональны содержанию липопротеинов, в частности оба антиоксиданта прямо коррелируют с уровнем холестерина. При этом концентрация витамина Е в плазме в несколько раз выше, чем убихинона, а в тканях – ситуация обратная.

Витамин С. Витамин С, взаимодействуя с токоферолом и глутатионом, является одним из ведущих компонентов биологической антиоксидантной системы. Аскорбиновая кислота служит донором водорода для фермента аскорбат-пероксидазы, разрушающей перекиси. Доказано стимулирующее влияние витамина С на активность цитохрома Р450 – ключевого фермента гидроксилирования и перекисного окисления.

Витамин С в форме аскорбат-иона – наиболее важный эндогенный антиоксидант плазмы крови, он защищает липиды от окисления пероксидными радикалами. Витамин С проявляет свойства антиоксиданта особенно в гидрофильной среде. Высокие концентрации аскорбата определяются в хрусталике, роговице, почках, головном мозге, поджелудочной железе, сердце. Ткани этих органов метаболически очень активны, в больших количествах потребляют кислород и нуждаются в аскорбате для ферментных реакций и для защиты от окислителей. Антиоксидантный эффект аскорбата проявляется при достаточном количестве и активности в организме других антиоксидантов, в частности токоферола, глутатиона. При их недостатке может превалировать прооксидантный эффект аскорбата и его метаболитов. Прооксидантные свойства могут проявляться и при избыточном содержании аскорбиновой кислоты и, особенно, ее окисляющихся метаболитов – монодегидроаскорбата и дегидроаскорбата. В присутствии меди и железа аскорбиновая кислота способствует образованию перекиси водорода и супероксидного иона.

Fe3+ + Вит C → Fe2+ + Вит C•+ 2H+

2Вит C•+ 2H+ → Вит C + ДАК (дегидроаскорбат)

Вит C + Fe3+ → ДАК + Fe2+

Вит C + O2 → ДАК + H2O2

Таким образом, аскорбиновая кислота обладает не только антиоксидантными, но и прооксидантными свойствами.

Антиоксиданты, содержащие в своей структуре восстановленную сульфгидрильную группу или нуждающиеся в восстановленном тиоле для проявления биологической активности. В составе водорастворимых антиоксидантов ключевое место принадлежит веществам, содержащим восстановленную сульфгидрильную группу (SH-группу) или нуждающихся в присутствии тиолов для проявления активности. Так, в состав неферментативного звена АОС входят низкомолекулярные тиолы (восстановленный глутатион) и тиолсодержащие белки, которые по некоторым данным даже более реактивны по отношению к свободным радикалам, чем восстановленный глутатион (к такого рода белкам относится, например, альбумин). С другой стороны, ферменты, принимающие участие в противоокислительной защите, либо являются собственно тиоловыми энзимами, либо нуждаются в присутствии тиолов (СОД, каталаза, ГПО). Исключительно высокая реакционная способность этих соединений делает возможным их участие в самых разнообразных химических превращениях, но самую важную в биологическом смысле роль играют окислительно-восстановительные реакции, в ходе которых тиоловые группы легко окисляются с образованием, как правило, дисульфидных группировок, и вновь регенерируют при их восстановительном расщеплении: 2R–SH = R–S–S–R + 2Н+.

Следует помнить, что восстановленные тиолы обладают высокой антиокислительной активностью, они имеют как антирадикальные, так и антиперекисные свойства, и способны защищать от повреждения ферменты и нуклеиновые кислоты, липиды и другие биологически активные соединения.

Ключевое место среди тиоловых антиоксидантов небелковой природы занимает трипептид глутатион (рис. 13), участвующий в обезвреживании различных АФК.

Рис. 13. Структура глутатиона: 1 – остаток глутаминовой кислоты; 2 – остаток цистеина; 3 – остаток глицина

В АОС роль глутатиона (GSH) заключается в том, что: 1) это главный восстановитель клетки, его концентрация (1–10 мМ) 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 окислительной модификации) 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. Особое значение это вещество играет в жизнедеятельности эритроцитов и лимфоцитов, обеспечивая в первом случае защиту от окисления гемоглобина, а во втором – пролиферацию, продукцию иммуноглобулинов и синтез цитокинов.

Следует отметить, что тиоловое звено системы АОЗ занимает особое место: между суммарной антиокислительной активностью и уровнем восстановленных тиолов нет линейной зависимости, индивидуальный уровень тиолов более стабилен, нежели общая антиокислительная активность. Это говорит о том, что в приспособительных реакциях организма участвуют два фланга АОЗ, но отражают они разные стороны клеточного метаболизма.

Антиоксидантные свойства белков плазмы крови. Говоря о факторах системы АОЗ, нельзя не затронуть вопрос об антиоксидантных свойствах плазменных белков. Белки плазмы крови могут инактивировать активные формы кислорода, а также связывать ионы переменной валентности, инициирующие образование АФК, что позволило даже сформулировать представление об «антиоксидантной белковой буферной системе», оказывающей в первую очередь защиту на уровне эритроцитов, предотвращая их гемолиз в результате активации ПОЛ.

Проблема заключается в том, что во внеклеточной среде активность антиокислительных защитных ферментов (ГПО, каталазы, СОД) мала, но тем не менее плазма обладает мощным антиокислительным потенциалом, который проявляют альбумин, иммуноглобулины, церулоплазмин, фракции α2- и β-глобулинов и в меньшей степени трансферрин, гаптоглобин и сывороточная СОД. В предельно низких концентрациях эти белки практически не влияют на скорость протекания реакций ПОЛ, но в средних концентрациях, которые, однако, не достигают физиологических, они добиваются полной защиты эритроцитов и легко окисляемых компонентов плазмы от окисления, проявляя при этом выраженный кооперативный эффект.

Ключевое место среди белков плазмы принадлежит альбумину, который несет основную антиокислительную функцию в плазме крови. Этот белок, кроме выполнения роли основного осмотического компонента плазмы, выполняет транспортную функцию, способен ассоциировать с разными лигандами и влиять на перенос их через мембраны. Среди веществ, транспортируемых альбумином, ведущее место принадлежит билирубину, ионам кальция, различным лекарственным препаратам и, конечно же, жирным кислотам, для которых в молекуле альбумина имеются специфические независимые центры с высокой избирательностью, недоступные для других лигандов. Обратимое связывание альбумином и другими белками крови биологически активных веществ очень тесно связано с нативным состоянием восстановленных тиоловых и дисульфидных группировок на поверхности молекул белка и в центрах связывания.

Связывая жирные кислоты, в первую очередь неэстерифицированные жирные, альбумин предохраняет их от пероксидации. С другой стороны, альбумин способен связывать и тем самым инактивировать продукты их окисления, таким образом защищая клеточные структуры от повреждающего действия продуктов ПОЛ при патологии.

Следует помнить, что при чрезмерной активации ПОЛ окислительной модификации подвергаются также и белковые компоненты АОС, что приводит к потери ими антиокислительных свойств.

 

Литература

1.           Барабой В.А. Биоантиоксиданты. – Киев: Книга плюс, 2006. – 462 с.

2.           Болдырев А.А. Окислительный стресс и мозг // Соросовский образоват. журн. – 2001. – Т. 7, № 4. – С. 21–28.

3.           Костюк В.А., Потапович А.И. Биорадикалы и биоантиоксиданты. – Мн.: БГУ, 2004. – 179 с.

4.           Кулинский В.И., Колесниченко Л.С. Биологическая роль глутатиона // Успехи совр. биол. – 1990. – Т. 110, вып. 4. – С. 20–33.

5.           Меньшикова Е.Б., Зенков Н.К. Антиоксиданты и ингибиторы радикальных окислительных процессов // Успехи совр. биологии. – 1993. – № 4. – С. 112–117.

6.           Brigelius-Flohe R., Traber M.G. Vitamin E: function and metabolism // FASEB J. – 1999. – V. 13. – P. 1145–1155.

7.           Halliwell B., Aeschbach R., Loliger J., Aruoma O.I. The characterization of antioxidants // Food Chem. Toxicol. – 1995. – V. 33 – P. 601–617.

8.           Linster C L., Van Schaftingen E. Vitamin C. Biosynthesis, recycling and degradation in mammals // FEBS Journal. – 2007. – V. 274. – P. 1–22.

9.           Sies H. Glutathione and its role in cellular functions // Free Radic. Biol. Med. – 1999. – V. 27. – P. 916–921.

10.         Rice M.E. Ascorbate regulation and its neuroprotective role in the brain // Trends Neurosci. – 2000. – V. 23. – P. 209–216.