6. Биологические эффекты о2..

По оценкам Бэрри Холливелла, 1-3 % кислорода, поступающего при дыхании, преобразуется в О₂^.. и в организме человека за год образуется 2 кг О₂^..

- О₂^.. относится к активным формам кислорода и может быть родоначальником других свободнорадикальных интермедиатов – Н₂О₂, ^.ОН;

- участвует в образовании бактерицидного и цитотоксического потенциала клеток, является важным компонентом неспецифической иммунной защиты;

- О₂^.. – новый внутриклеточный мессенджер, индуцирует образование пор в митохондриальной мембране и регулирует сопряжение окисление и фосфорилирования в ЭТЦ митохондрий;

- участвует в регуляции апоптоза;

- модулирует экспрессию генов;

- регулирует клеточную пролиферацию;

- участвует в биотрансформации ксенобиотиков;

- управляет процессом вазоконстрикции путем выключения сигнальной функции NO^.;

- участвует в метаболизме железа, О₂^.. может повышать уровень Fe²⁺ путем мобилизации его из Fe-содержащих белков;

- О₂^.., образующийся под контролем G-белков, регулирует хлорные каналы париентеральных клеток желудка.

1. 2.3. Перекись водорода

Перекись водорода является продуктом двухэлектронного восстановления кислорода:

1. _Н+

   1. О₂ + 2 е^- → Н₂О₂

|

2рπ^*   |  



³О₂ Н₂О₂

Схема электронного строения 2р-подуровня молекулы кислорода и перекиси водорода

Перекись водорода – это стабильный продукт восстановления кислорода, является окислителем средней силы, легко проникает через мембраны и может мигрировать в клетки и ткани.

Несмотря на хорошую проницаемость мембран для Н₂О₂, ее внутриклеточная концентрация в 8-10 раз ниже внеклеточной, что связано с работой ферментов, катаболизирующих Н₂О₂.

Время жизни и радиус диффузии Н₂О₂ зависят от активности каталазы, глутатионпероксидазы, пероксиредоксинов, которые метаболизируют гидропероксид водорода.

В аэробных организмах главными эндогенными источниками Н₂О₂ служат:

- ферментативные реакции с оксидазами, переносящими два электрона на кислород (ксантиноксидаза, оксидазы L-аминокислот, моноаминооксидаза, цитохром Р-450 и др.);

- реакции дисмутации, катализируемые СОД:

2. _СОД

О₂^. + О₂^. → Н₂О₂ + О₂

3. ^2Н+

В клетках эукариот ферменты, вырабатывающие Н₂О₂, локализованы главным образом в пероксисомах. Это внутриклеточные структуры, окруженные однослойной мембраной, которые содержат более 50 ферментов, катализирующих различные процессы, в том числе синтез и катаболизм Н₂О₂. Среди ферментов, синтезирующих Н₂О_2, - ацил-КоА-оксидазы, оксидазы Д-аминокислот, ксантиноксидаза, ферменты пероксисом, расщепляющие Н₂О₂, - это каталаза, GSH-пероксидаза, пероксиредоксин I.

Перекись водорода обладает не только цитотоксическим и деструктивным действием, но в живых системах она является важнейшим регулятором и сигнальной молекулой.

При концентрации больше 1 мМ Н₂О₂ проявляет цитотоксические эффекты:

- Н₂О₂ – источник ОН-радикалов, обладающих наибольшим деструктивным потенциалом:

Н₂О₂ + Fe²⁺ → ОН^. + ОН^- + Fe³⁺

Н₂О₂ + О₂^. → ОН^. + ОН^- + ¹О₂

Н₂О₂ является субстратом ферментативных реакций образования гипогалогенитов, которые катализируют миелопероксидаза (МПО), эозинпероксидаза (ЭПО), лактопероксидаза (ЛПО):

1. _{МПО, ЭПО}

Н₂О₂ + х^- + Н⁺ → НОХ + Н₂О, где х^- - Cl^-, I^-, Br^-, SCN^-

1. ^ЛПО

- Н₂О₂ в милимолярных концентрациях вызывает гибель в культуре фибробластов, гепатоцитов, гладкомышечных клеток.

Н₂О₂ индуцирует апоптоз опухолевых клеток, эндотелиоцитов, NK-клеток, Т-лимфоцитов ВИЧ-инфицированных людей.

Механизмы цитотоксического действия Н₂О₂ довольно разнообразны. Показано, что в опытах in vitro Н₂О₂ в концентрациях 0,1-2,5 мМ вызывает однонитевые разрывы ДНК. Под действием Н₂О₂ в клетках наблюдается снижение интенсивности гликолиза, индукция процессов ПОЛ, продукты которого обладают разнообразными повреждающими эффектами.

- Наработка Н₂О₂ в фагосоме и очаге воспаления приводит к закислению среды и выходу Fe²⁺ из ферритина, трансферрина. Н₂О₂ вызывает деградацию гемовых белков, что приводит к высвобождению Fe²⁺ из гемоглобина и миоглобина. Присутствие Fe²⁺ увеличивает токсичность Н₂О₂ в 10-1000 раз (за счет генерации ОН-радикала).

Смесь Н₂О₂ и внеэритроцитарного гемоглобина (ВЭГ) в сыворотке или плазме крови называют «биологическим реактивом Фентона», т.к. Fe²⁺ в свободном состоянии, а также в составе ВЭГ, гема, гемина является мощным прооксидантом.

- Н₂О₂ в сублетальных концентрациях (1-50 мМ) нарушает статус эндотелиальных клеток: повышается синтез фактора активации тромбоцитов, усиливается секреция простагландинов Е₂ и I₂, снижается связывание фактора некроза опухоли; повышается адгезия тромбоцитов и нейтрофилов к эндотелию;

- Отравление Н₂О₂ на уровне целого организма приводит к газовой эмболии повышению активности ядер блуждающего нерва, что приводит к нарушению дыхания и гибели.

Однако известные живые организмы, способные нарабатывать и хранить высокие концентрации Н₂О₂. Например, жук-бомбардир, защищаясь, выбрасывает едкую жидкость при температуре 100⁰С. Для получения такой жидкости в специальной камере запасается реакционная смесь, содержащая 25 % Н₂О₂ и 10 % гидрохинона и метилгидрохинона; затем смесь подается в камеру с каталазой и пероксидазой, в результате экзотермической реакции смесь разогревается и выброшенная на воздух струя жидкости превращается в пар.

При концентрациях Н₂О₂ ниже 50 мкМ она является стимулятором клеточной активности, регулятором физиологических функций и сигнальной молекулой.

НАДФН-оксидазный аппарат клеток создает и поддерживает в крови и межклеточной среде определенный пул Н₂О₂.

Эффекты малых доз Н₂О₂ (0,1-50 мкМ):

- активация К⁺-каналов плазматической мембраны;

- дозозависимое усиление окислительного взрыва нейтрофилов и макрофагов;

-модуляция циклооксигеназной активности эндотелия и тромбоцитов;

- участие в биосинтезе тиреоидных гормонов;

- стимуляция выброса гистамина из тучных клеток;

- обратимый сдвиг потенциал плазматической мембраны в сторону гипер- или деполяризации в зависимости от типа клеток

- создание, наряду с другими АКМ, определенного уровня редокс-потенциала в суставе, что способствует синтезу главных компонентов сухожилия – протеогликанов и коллагена. Нарушение этого уровня Е_о¹ приводит к артриту.

- является энергетически ценной молекулой. При распаде 1 М Н₂О₂ выделяется около 25 ккал энергии, что достаточно для синтеза 2 молекул АТФ. В митохондриях и цитозоле насекомых и эвглены зеленой показано Н₂О₂-опосредованное образование АТФ.

- вызывает SOS-ответ клетки на окислительный стресс. Показано, что обработка бактерий малыми дозами Н₂О₂ вызывает синтез более 30 белков с антиоксидантными свойствами, 9 из которых находятся под контролем гена oxyR. Этот ген интересен тем, что регулирует собственную транскрипцию. Ген oxyR связан с белком, имеющим активный сайт, который прямо «ловит» окислители (АКМ), вследствие чего меняется конформация белка. В результате этого комплекс белок-ген диссоциирует и белок связывается с другими генами, находящимися под его контролем. Это показано и для фибробластов человека в культуре;

- Н₂О₂ в малых дозах может активировать транскрипционные факторы NF-KB, АР-1, а также ферменты сигнальных путей – тирозинкиназы, тирозинфосфатазы, митоген-активируемые протеинкиназы (МАР-киназы).