5. Свободно-радикальные процессы

В последние годы широкое распространение получила свободно-радикальная теория токсического действия кислорода, связывающая повреждающий эффект гипероксии с высокореактивными метаболитами молекулярного кислорода. Молекулярный кислород (диоксиген) в процессах аэробного метаболизма активируется путем переноса на

него электронов.

В организме существует два типа использования кислорода

клеткой, или два пути окисления, сопряженных с активацией молекулярного кислорода:

1.оксидазный

2.оксигеназный

1.-происходит четырехэлектронное восстановление кислорода с

образованием воды. Таким образом,образуется универсальное биологическое топливо - АТФ и малотоксичные для клетки вода и углекислота.

2.-происходит прямое присоединение кислорода к органическим

веществам, при этом полного четырехэлектронного восстановления кислорода не происходит, а наблюдается неполное одноэлектрическое

его восстановление. Появление неспаренного электрона в молекуле

кислорода придает свойства активного радикала, получившего название супероксидного анион-радикала[2].

Присутствуя (в норме) в малых концентрациях эти радикалы не оказывают повреждающего действия, однако при увеличении, складывается ситуация, реально угрожающая нормальному протеканию важнейших метаболических реакций, проницаемость мембран и существованию клетки. Одним из условий, создающих подобную ситуацию является избыточное насыщение тканей кислородом. В

эксперименте, подобное было получено на крысах, при воздействии

гипероксии 1,2 атм. 26-29 часов.

Повреждающее действие тканей реализуется через

инициирование реакций свободнорадикального перекисного окисления

липидов в мембранах клеток или клеточных органелл, изменения структуры ДНК, РНК и белков, инактивацию Н-группы тиоловых ферментов, глютатиона и деградацию макромолекул гиалуроновой кислоты.

В последние годы установлено, что супероксидный анион-радикал в водных растворах не очень реактивен. Поэтому скорее всего повреждающий эффект на

ткани оказывает не он сам, а его высокоактивные производные, такие

как синглетный кислород и гидроокисный радикал. Эти высокоактивные

радикальные формы кислорода обладают выраженной

способностью реагировать с эндогенными субстратами, образующими

структуры организма, прежде всего с мембранными фосфолипидами,

причем один из атомов или вся молекула кислорода включается в

окисляемый субстрат, что характерно для оксигеназного окисления. В

результате таких реакций инициируется ценное свободнорадикальное

окисление липидов, в ходе которого образуются перекисные соединения.

Отсюда этот процесс в целом получил название перекисное

окисление липидов[4].

Выделяют следующие механизмы для продуктов перекисного

окисления липидов в биологических мембранах:

1."разрыхление "гидрофобной области липидного биослоя мембран;

2.разрушение веществ, обладающих антиоксидантной активностью

(витаминов, стеридных гормонов, убихинона) и снижение концентрации

тиолов в клетке,

3.образование перекисных кластеров, являющихся каналами проницаемости для ионов Са" ведет к возникновению избытка Са" в клетках, повреждающее действие на сердце;

4.изменение функциональных свойств белков, входящих в состав

мембран и мембраносвязывающих ферментов и рецепторов (от их активации до полного ингибирования) и др.механизмы. Все это вызывает большие нарушения функциональных свойств ферментов, белков, РНК, ДНК, а также повреждения мембран митохондрий, саркоплазматической сети и лизосом, деградацию полирибосом и угнетение синтеза белков, что сопровождается угнетением окислительного фосфорелирования, высвобождением ферментов, глубокими расстройствами функции и гибелью клетки. Образующееся в процессе продуктов перекисного

окисления липидов гидроперекиси неустойчивы, их распад приводит к появлению разнообразных вторичных и конечных продуктов, представляющих собой высокотоксичные соединения (диеновые коньюгаты, шиффовы основания и др.), которые оказывают повреждающее действие на мембраны и клеточные структуры. Как следствие образуются сшивки биополимеров, определяются набуханием митохондрий и разобщение окислительного фосфорилирования, инактивация тиоловых ферментов, участвующих в дыхании и гликолизе, дальнейшее разрушение липидной основы мембран[6].

К первичным продуктам перекисного окисления липидов относятся циклические эндоперекиси и алифатические моно- и гидроперекиси, так называемые липопероксиды и диеновые конъюгаты.

Диеновые конъюгаты являются первичными продуктами перекисного

окисления липидов. При свободнорадикальном окислении арахидоновой кислоты происходит отрыв водорода в α-положении по отношению к двойной связи, что приводит к перемещению этой двойной связи с образованием диеновых коньюгат. Диеновые конъюгаты, являющиеся первичными продуктами перекисного

окисления липидов, относятся к токсическим метаболитам, которые оказывают повреждающее действие на липопротеиды, белки, ферменты и нуклеиновые кислоты.

Липопероксиды являются весьма нестойкими и подвергаются дальнейшей окислительной дегенерации. При этом накапливаются вторичные продукты окисления, наиболее важными из которых являются ненасыщенные альдегиды (малоновый диальдегид). Продуктами взаимодействия малонового диальдегида с аминосодержащими соединениями являются шиффовы основания.

Шиффовы основания, органические соединения общей формулы RR¢C=NR¢¢ где R и R¢ - водород, алкил или арил, R¢¢ - алкил или арил (в последнем случае называют также анилами). Шиффовы основания – кристаллические или маслообразные вещества, нерастворимые в воде, растворимые в органических растворителях. Слабые основания, в безводной среде образуют соли с кислотами, в водных растворах кислот гидролизуются до амина и альдегида, в щелочных растворах большинство устойчиво. Гидрируются до вторичных аминов (RR¢CH - NHR¢¢), присоединяют многие соединения, содержащие подвижный водород, например b-дикарбонильные соединения, кетоны, имины. Образуются шиффовы основания в результате обратимой реакции между карбонильной группой альдегида или кетона со свободной аминогруппой. Непрерывное накопление оснований Шиффа дестабилизирует мембраны и способствует деструкции клеток.

ТБК-реактанты – вторичные продукты перекисного окисления липидов. Как известно, малоновый диальдегид образуется только из жирных кислот с тремя и более двойными связями, он принадлежит важная роль в синтезе простагландинов, прогестерона и других стероидов. Отрицательная роль малонового диальдегида заключается в том, что он сшивает молекулы липидов и понижает текучесть мембраны. Вследствие этого мембрана становится более хрупкой. Нарушаются процессы связанные с изменением поверхности мембраны: фагоцитоз, пиноцитоз, клеточная миграция.

Гидроперекиси, ненасыщенные альдегиды, являются мутагенами и обладают выраженной цитотоксичностью. Они подавляют активность гликолиза и окислительного фосфорилирования, ингибируют синтез белка и нуклеиновых кислот, нарушают секрецию триглицеридов гепатоцитами, ингибируют различные мембранносвязанные ферменты.

Накопление в организме продуктов перекисноготокисления липидов (диеновых коньюгатов, ТБК-реактантов, шиффовых оснований) и развитие эндотоксикоза приводит к стимуляции монооксигеназной системы, изменениям реакции липидного, гормонального, иммунного, микроэлементного, нейромедиаторного статусов, числа мест связывания и сродства рецепторов к лигандам, истощению антиоксидантной системы.