3.1.7. Свободнорадикальное (перекисное) окисление липидов

Все радикалы, образующиеся в организме человека, можно разделить на природные и чу­жеродные. В свою очередь природные радикалы можно разделить на первичные, вторичные и третичные (рис. 8).

Первичные радикалы - те радикалы, образо­вание которых осуществляется при участии оп­ределенных ферментных систем. Прежде всего к ним относятся радикалы (семихиноны), обра­зующиеся в реакциях таких переносчиков элек­тронов, как коэнзим Q (обозначим радикал как Q) и флавопротеины. Два других радикала - су-

пероксид (00 ) и монооксид азота (N0) также выполняют полезные для организма функции.

Из первичного радикала - супероксида, а так­же в результате других реакций в организме образуются весьма активные молекулярные со­единения: перекись водорода, гипохлорит и гид­роперекиси липидов. Под действием ионов ме­таллов переменной валентности, в первую оче­редь Fe²⁺, из этих веществ образуются вторич­ные радикалы (радикал гидроксила и радика­лы липидов), которые оказывают разрушитель­ное действие на клеточные структуры.

Для защиты от повреждающего действия вто­ричных радикалов в организме используется большая группа веществ, называемых антиок-сидантами, к числу которых принадлежат ло­вушки, или перехватчики свободных радикалов. Примером последних служат альфа-токоферол, тироксин, восстановленный убихинон (QH₂) и женские стероидные гормоны. Реагируя с ли-пидными радикалами, эти вещества сами пре­вращаются в радикалы антиоксидантов, которые можно рассматривать как третичные радикалы.

Наряду с этими радикалами, постоянно обра­зующимися в том или ином количестве в клет­ках и тканях организма человека, разрушитель­ное действие могут оказывать радикалы, появ­ляющиеся при таких воздействиях, как иони­зирующее излучение, ультрафиолетовое облуче­ние или даже освещение интенсивным видимым светом, например светом лазера. Такие радика­лы можно назвать чужеродными. К ним при­надлежат также радикалы, образующиеся из по-

павших в организм посторонних соединений, ксе­нобиотиков, многие из которых оказывают ток­сическое действие именно благодаря свободным радикалам, образующимся при метаболизме этих соединений.

Радикалы кислорода. Клетки-фагоциты (к которым относятся гранулоциты и моноциты крови и тканевые клетки - макрофаги), сопри­касаясь с поверхностью клеток, бактерий, начи­нают энергично выделять супероксид: радика­лы, образующиеся в результате переноса элект­рона от НАДФН-оксидазного ферментного ком­плекса, встроенного в мембрану клеток и внут­риклеточных везикул-фагосом, на растворенный молекулярный кислород

При этом каждая молекула НАДФН, окисля­ясь, отдает два электрона в цепь переноса элек­тронов, а каждый из этих электронов присоеди­няется к молекуле кислорода, в результате чего образуется супероксид анион-радикал (рис. 9).

Супероксидные радикалы, как мы увидим позже, могут нанести вред как самим фагоци­там, так и другим клеткам крови и, разумеется, микробам, вызвавшим активацию макрофага. Естественно, что все эти клетки стараются изба­виться от супероксид-радикалов, для чего они вырабатывают ферменты, называемые суперок-сиддисмутазами. Различаясь по строению актив­ного центра и структуре полипептидной цепи, все СОД катализируют одну и ту же реакцию дисмутации супероксидного радикала:

род и перекись водорода. Судьба последней мо­жет быть разной (рис. 10).

В норме фагоциты используют перекись во­дорода для синтеза гипохлорита, выделяя спе­циальный фермент - миелопероксидазу (МП). Миелопероксидаза катализирует реакцию

Гипохлорит разрушает стенку бактериальной клетки и тем самым убивает бактерии. Перекись водорода диффундирует в клетки, но там разру­шается в результате активности ферментов ка-талазы и глутатионпероксидазы (GSH-перокси-дазы), которые катализируют соответственно такие реакции:

В присутствии ионов двухвалентного железа перекись водорода разлагается с образованием гидроксильного радикала (НО):

Эта реакция (известная как реакция Фентон) приводит к тяжелым последствиям для окружа­ющих клеток. Радикал гидроксила чрезвычай­но активен химически и разрушает почти лю­бую встретившуюся ему молекулу. Действуя на SH-группы, гистидиновые и другие аминокис­лотные остатки белков, НО' вызывает денатура­цию последних и инактивирует ферменты. В нуклеиновых кислотах НО' разрушает углевод­ные мостики между нуклеотидами и таким об-

разом разрывает цепи ДНК и РНК, в результате чего происходят мутации и гибель клеток. Вне­дряясь в липидный слой клеточных мембран, гидроксильный радикал запускает (иницииру­ет) реакции цепного окисления липидов, что при­водит к повреждению мембран, нарушению их функций и гибели клеток.

Гидроксильный радикал образуется не толь­ко в реакции Фентон, но и при взаимодействии ионов железа (Fe²⁺) с гипохлоритом (реакция Осипова):

Супероксидный радикал (00 )и продукты его метаболизма (Н₂0₂, НО', СЮ) называют актив­ными формами кислорода.

Окись азота. К числу радикалов, синтезиру­емых клетками, относится монооксид азота ' N0, называемый также нитроксидом. Нитроксид об­разуется клетками стенок кровеносных сосудов (эндотелия); эта реакция катализируется гемсо-держащим ферментом N0 -синтазой. 'NO играет ключевую роль в регуляции тонуса сосудов и кровяного давления: его недостаток приводит к гипертензии, избыток - к <гипотензии. Наруше­ние метаболизма фактора расслабления вызыва­ет заболевания, связанные с изменением кровя­ного давления.

' N0 выделяется также клетками-фагоцитами и вместе с супероксид-радикалами используется для борьбы с микробами (преимущественно гриб­ковой природы). Полагают, что цитотоксическое действие ' N0 обусловлено его реакцией с супер­оксидом

Пероксинитрит, образующийся в этой реак­ции, может разлагаться с образованием 'ОН:

О = N - О - ОН -> О = N - О + ОН (ради­кал гидроксила)

Образование пероксинитрита и радикала гид­роксила приводит к повреждению клеток. По-видимому, одна из функций супероксиддисму-тазы состоит в предотвращении образования пе­роксинитрита за счет удаления супероксида из зоны образования окиси азота.

Радикал коэнзима Q. Биологическое окисле­ние субстратов клеточного дыхания, таких как глюкоза, пировиноградная и янтарная кислоты и другие, осуществляется, как известно, в два этапа. На первом этапе в цикле трикарбоновых кислот происходит последовательный отрыв ато­мов водорода от субстрата и образование восста­новленных форм пиридиннуклеотидов НАДН и НАДФН. На втором этапе электроны от НАДН и НАДФН переносятся по так называемой ды­хательной цепи на кислород. В состав дыхатель­ной цепи входят флавопротеиды, комплексы негемового железа, убихинон и гемопротеиды (цитохромы a, b и с и цитохромоксидаза). Схе­ма дыхательной цепи дана на рис. 11.

Важным звеном цепи переноса электронов служит убихинон (коэнзим Q) :

радикал которого (семихинон, 'QH на рис. 11) образуется либо при одноэлектронном окислении

убихинона (QH₂, гидрохинон-форма):

либо при одноэлектронном восстановлении уби­хинона (Q на рис. 11):

В норме этот радикал является рядовым уча­стником процесса переноса электронов, но при нарушении работы дыхательной цепи он может стать источником других, менее безобидных ра­дикалов, в первую очередь радикалов кислоро­да.

Основные стадии цепного окисления. Реак­ция цепного окисления липидов играет исклю­чительную роль в клеточной патологии. Она про­текает в несколько стадий, которые получили название инициирование, продолжение, развет­вление и обрыв цепи (см. схему 3).

Инициирование цепной реакции начинается с того, что в липидный слой мембран или ли-попротеинов внедряется свободный радикал.

Чаще всего это радикал гидроксила. Будучи небольшой по размеру незаряженной частицей, он способен проникать в толщу гидрофобного липидного слоя и вступать в химическое взаи­модействие с полиненасыщенными жирными кислотами (которые принято обозначать как LH), входящими в состав биологических мембран и липопротеинов плазмы крови. При этом образу­ются липидные радикалы:

Липидный радикал (L') вступает в реакцию с растворенным в среде молекулярным кислоро­дом, при этом образуется новый свободный ра­дикал - радикал липоперекиси (LOO):

Этот радикал атакует одну из соседних моле­кул фосфолипида с образованием гидропереки­си липида LOOH и нового радикала L':

Чередование двух последних реакций как раз и представляет собой цепную реакцию перекис-ного окисления липидов (см, схему 3).

Существенное ускорение пероксидации липи­дов наблюдается в присутствии небольших ко­личеств ионов двухвалентного железа. В этом случае происходит разветвление цепей в резуль­тате взаимодействия Fe²⁺ с гидроперекисями ли-

пидов:

Образующиеся радикалы L0' инициируют новые цепи окисления липидов (см. схему 3):

В биологических мембранах цепи могут со­стоять из десятка и более звеньев. Но в конце концов цепь обрывается в результате взаимодей­ствия свободных радикалов с антиоксидантами (InH), ионами металлов переменной валентнос­ти (например, теми же Fe²⁺) или друг с другом:

Последняя реакция особенно интересна, по­скольку она сопровождается свечением (хеми-люминесценцией). Интенсивность этой хемилю-минесценции очень мала, поэтому ее иногда на­зывают «сверхслабым свечением». Интенсив­ность свечения пропорциональна квадрату кон­центрации свободных радикалов в мембранах, а

скорость перекисного окисления прямо пропор­циональна концентрации тех же радикалов. Поэтому интенсивность «сверхслабого» свечения однозначно отражает _чскорость липидной перок­сидации в изучаемом биологическом материале и измерение хемилюминесценции довольно час­то используется при изучении перекисного окис­ления липидов в различных объектах.

Повреждающее действие пероксидации ли­пидов. На рис.12 показаны основные мишени перекисного окисления липидов в мембранных структурах клеток. Повреждаются либо белко­вые структуры, либо липидный бислой в целом. В последнее время ученые уделяют все большее внимание взаимодействию мембран с нуклеино­выми кислотами в ядре и митохондриях. По-видимому, одним из результатов пероксидации

липидов может стать повреждение этих моле­кул со всеми вытекающими последствиями.

Наиболее чувствительны к перекисному окис­лению липидов сульфгидрильные, или тиоловые, группы (- SH) мембранных белков: ферментов, ионных каналов и насосов. В ходе окисления тиоловых групп образуются радикалы (- S')» ко­торые затем либо взаимодействуют друг с дру­гом с образованием дисульфидов (- SS-), либо связываются с кислородом с образованием суль­фитов и сульфатов (- S0₃ и - S0₄). Большую роль в патологии клетки играет также повреждение ионтранспортирующих ферментов (например, Са²⁺ , М£²⁺-АТФазы), в активный центр которых входят тиоловые группы (рис. 12-1). Инактива­ция Са²⁺-АТФазы приводит к замедлению отка­чивания из клетки ионов кальция и ускорению их «протечки» в клетку (где их концентрация меньше). Это вызывает рост уровня ионов каль­ция в цитоплазме и повреждение клеточных структур.

Окисление тиоловых групп мембранных бел­ков приводит к появлению дефектов в мембра­нах клеток и митохондрий. Под действием элек­трического поля через такие дефекты в клетки входят ионы натрия, а в митохондрии - ионы калия. В результате происходит увеличение ос­мотического давления внутри клеток и митохон­дрий и их набухание. Это приводит к еще боль­шему повреждению мембранных структур.

Еще одним интересным примером может слу­жить окисление белков и последующее образо-

вание белковых агрегатов в хрусталике глаза, вызванное пероксидацией липидов. Процесс при­водит к помутнению хрусталика и может счи­таться одной из причин развития старческой и других видов катаракты у человека.

Наряду с белками и нуклеиновыми кислота­ми мишенью повреждающего действия перекис-ного окисления служит сам липидный бислой. Было показано, что продукты перекисного окис­ления липидов делают липидную фазу мембран проницаемой для ионов водорода и кальция (рис. 12-2; 12-3). Это приводит к тому, что в митохон­дриях окисление и фосфорилирование разобща­ются и клетка оказывается в условиях энерге­тического голода. Одновременно из митохондрий в цитоплазму выходят ионы кальция, которые повреждают клеточные структуры (см. выше).

Но, быть может, самый важный результат пероксидации - это уменьшение электрической стабильности липидного слоя, которое приво­дит к электрическому пробою мембраны собствен­ным мембранным потенциалом (рис. 12-4). Элек­трический пробой вызывает полную потерю мем­браной ее барьерных функций.

Клеточные системы защиты от поврежде­ния свободными радикалами. Свободные ради­калы преследовали живую материю с первых же моментов ее появления на Земле, и неудивитель­но, что в ходе эволюции клетки и организм в целом выработали нечто подобное глубокоэше-лонированной обороне, которая включает в себя ферменты и низкомолекулярные соединения, в

совокупности называемые антиоксидантами (табл. 10).