Вільні радикали та антиоксиданти

Відкриття вільних радикалів та антиоксидантів стало такою ж значною віхою для медичної науки, як і відкриття мікроорганізмів та антибіотиків, оскільки лікарі отримали не лише пояснення багатьох патологічних процесів, включаючи старіння, але й ефективні методи боротьби з ними.

Останнє десятиліття ознаменувалося досягненнями у вивченні вільних радикалів у біологічних об'єктах. Ці процеси виявилися необхідною метаболічною ланкою нормального функціонування організму. Вони беруть участь у реакціях окисного фосфорилювання, у біосинтезі простагландинів та нуклеїнових кислот, у регуляції ліпотичної активності, у процесах поділу клітин. В організмі вільні радикали найчастіше утворюються під час окислення ненасичених жирних кислот, і цей процес тісно пов'язаний з перекисним окисленням ліпідів (ПОЛ).

Що таке вільні радикали?

Вільний радикал — це молекула або атом, який має неспарений електрон на своїй зовнішній орбіті, що робить його агресивним і здатним не тільки реагувати з молекулами клітинної мембрани, але й перетворювати їх на вільні радикали (самопідтримувальна лавинна реакція).

Вуглецевмісний радикал реагує з молекулярним киснем, утворюючи вільний пероксидний радикал COO.

Пероксидний радикал екстрагує водень з бічного ланцюга ненасичених жирних кислот, утворюючи гідропероксид ліпіду та інший вуглецевмісний радикал.

Гідропероксиди ліпідів збільшують концентрацію цитотоксичних альдегідів, а вуглецевмісний радикал підтримує реакцію утворення пероксидних радикалів тощо (у ланцюзі).

Існують різні механізми утворення вільних радикалів. Одним з них є вплив іонізуючого випромінювання. У деяких ситуаціях під час процесу відновлення молекулярного кисню замість двох додається один електрон, і утворюється високореактивний супероксидний аніон (O). Утворення супероксиду є одним із захисних механізмів проти бактеріальної інфекції: без вільних кисневих радикалів нейтрофіли та макрофаги не можуть знищувати бактерії.

Наявність антиоксидантів як у клітині, так і в позаклітинному просторі свідчить про те, що утворення вільних радикалів не є епізодичним явищем, спричиненим впливом іонізуючого випромінювання або токсинів, а постійним явищем, що супроводжує реакції окислення за нормальних умов. До основних антиоксидантів належать ферменти групи супероксиддисмутази (СОД), функція яких полягає в каталітичному перетворенні пероксидного аніона на пероксид водню та молекулярний кисень. Оскільки супероксиддисмутази поширені повсюдно, логічно припустити, що супероксидний аніон є одним з основних побічних продуктів усіх процесів окислення. Каталази та пероксидази перетворюють пероксид водню, що утворюється під час дисмутації, на воду.

Головною особливістю вільних радикалів є їхня надзвичайна хімічна активність. Ніби відчуваючи свою неповноцінність, вони намагаються повернути втрачений електрон, агресивно забираючи його в інших молекул. У свою чергу, «ображені» молекули також стають радикалами і починають обкрадати самі себе, забираючи електрони у своїх сусідів. Будь-які зміни в молекулі – будь то втрата або додавання електрона, поява нових атомів або груп атомів – впливають на її властивості. Тому вільнорадикальні реакції, що відбуваються в будь-якій речовині, змінюють фізичні та хімічні властивості цієї речовини.

Найвідомішим прикладом вільнорадикального процесу є псування (прогіркання) олії. Прогіркла олія має своєрідний смак і запах, що пояснюється появою в ній нових речовин, що утворюються під час вільнорадикальних реакцій. Найголовніше, що учасниками вільнорадикальних реакцій можуть стати білки, жири та ДНК живих тканин. Це призводить до розвитку різних патологічних процесів, що пошкоджують тканини, старіння та розвитку злоякісних пухлин.

Найагресивнішими з усіх вільних радикалів є вільні кисневі радикали. Вони можуть спровокувати лавину вільнорадикальних реакцій у живій тканині, наслідки яких можуть бути катастрофічними. Вільні кисневі радикали та їх активні форми (наприклад, перекиси ліпідів) можуть утворюватися в шкірі та будь-якій іншій тканині під впливом УФ-випромінювання, деяких токсичних речовин, що містяться у воді та повітрі. Але найголовніше те, що активні форми кисню утворюються під час будь-якого запалення, будь-якого інфекційного процесу, що відбувається в шкірі чи будь-якому іншому органі, оскільки вони є головною зброєю імунної системи, за допомогою якої вона знищує патогенні мікроорганізми.

Від вільних радикалів неможливо сховатися (як і від бактерій неможливо сховатися, але захиститися від них можливо). Існують речовини, які відрізняються тим, що їхні вільні радикали менш агресивні, ніж радикали інших речовин. Віддавши свій електрон агресору, антиоксидант не прагне компенсувати втрату за рахунок інших молекул, а точніше, робить це лише в рідкісних випадках. Тому, коли вільний радикал реагує з антиоксидантом, він перетворюється на повноцінну молекулу, а антиоксидант стає слабким і неактивним радикалом. Такі радикали вже не є небезпечними та не створюють хімічного хаосу.

Що таке антиоксиданти?

«Антиоксиданти» – це збірний термін і, як і такі терміни, як «протипухлинні засоби» та «імуномодулятори», не означає приналежність до якоїсь конкретної хімічної групи речовин. Їхня специфічність полягає в найтіснішому зв'язку з вільнорадикальним окисленням ліпідів загалом та вільнорадикальною патологією зокрема. Ця властивість об'єднує різні антиоксиданти, кожен з яких має свої специфічні особливості дії.

Процеси вільнорадикального окислення ліпідів мають загальнобіологічний характер і, на думку багатьох авторів, є універсальним механізмом пошкодження клітин на мембранному рівні при різкій активації. При цьому в ліпідній фазі біологічних мембран процеси перекисного окислення ліпідів викликають підвищення в'язкості та впорядкованості мембранного бішару, змінюють фазові властивості мембран та зменшують їх електричний опір, а також сприяють обміну фосфоліпідів між двома моношарами (так званий фосфоліпідний фліп-флоп). Під впливом процесів перекисного окислення також гальмується рухливість мембранних білків. На клітинному рівні перекисне окислення ліпідів супроводжується набуханням мітохондрій, роз'єднанням окисного фосфорилювання (а в запущених процесах - солюбілізацією мембранних структур), що на рівні цілого організму проявляється в розвитку так званих вільнорадикальних патологій.

Вільні радикали та пошкодження клітин

Сьогодні стало очевидним, що утворення вільних радикалів є одним з універсальних патогенетичних механізмів при різних типах пошкодження клітин, включаючи такі:

• реперфузія клітин після періоду ішемії;
• деякі лікарсько-індуковані форми гемолітичної анемії;
• отруєння деякими гербіцидами;
• управління тетрахлорметаном;
• іонізуюче випромінювання;
• деякі механізми старіння клітин (наприклад, накопичення в клітині ліпідних продуктів – цероїдів та ліпофусцинів);
• киснева токсичність;
• атерогенез внаслідок окислення ліпопротеїнів низької щільності в клітинах артеріальної стінки.

Вільні радикали беруть участь у процесах:

• старіння;
• канцерогенез;
• хімічне та лікарське пошкодження клітин;
• запалення;
• радіоактивне ураження;
• атерогенез;
• токсичність кисню та озону.

Вплив вільних радикалів

Окислення ненасичених жирних кислот у клітинних мембранах є одним з основних ефектів дії вільних радикалів. Вільні радикали також пошкоджують білки (особливо тіолвмісні білки) та ДНК. Морфологічним результатом окислення ліпідів клітинної стінки є утворення каналів полярної проникності, що збільшує пасивну проникність мембрани для іонів Ca2+, надлишок яких відкладається в мітохондріях. Реакції окислення зазвичай пригнічуються гідрофобними антиоксидантами, такими як вітамін Е та глутатіонпероксидаза. Вітамін Е-подібні антиоксиданти, що розривають ланцюги окислення, містяться у свіжих овочах та фруктах.

Вільні радикали також реагують з молекулами в іонному та водному середовищі клітинних компартментів. В іонному середовищі молекули таких речовин, як відновлений глутатіон, аскорбінова кислота та цистеїн, зберігають антиоксидантний потенціал. Захисні властивості антиоксидантів стають очевидними, коли після виснаження їхніх запасів в ізольованій клітині спостерігаються характерні морфологічні та функціональні зміни внаслідок окислення ліпідів у клітинній мембрані.

Типи пошкоджень, спричинених вільними радикалами, визначаються не лише агресивністю утворюваних радикалів, але й структурними та біохімічними характеристиками мішені. Наприклад, у позаклітинному просторі вільні радикали руйнують глікозаміноглікани основної речовини сполучної тканини, що може бути одним із механізмів руйнування суглобів (наприклад, при ревматоїдному артриті). Вільні радикали змінюють проникність (а отже, і бар'єрну функцію) цитоплазматичних мембран через утворення каналів підвищеної проникності, що призводить до порушення водно-іонного гомеостазу клітини. Вважається, що необхідно забезпечити пацієнтів з ревматоїдним артритом вітамінами та мікроелементами, зокрема корекцію дефіциту вітамінів та мікроелементів за допомогою олігогалу Е. Це пов'язано з тим, що доведено помітну активацію процесів перекисного окислення та пригнічення антиоксидантної активності, тому дуже важливо включати до комплексної терапії біоантиоксиданти з високою антирадикальною активністю, до яких належать антиоксидантні вітаміни (Е, С та А) та мікроелемент селен (Se). Також показано, що використання синтетичної дози вітаміну Е, яка засвоюється гірше за натуральну, покращує стан організму. Наприклад, дози вітаміну Е до 800 та 400 МО/день призводять до зниження серцево-судинних захворювань (на 53%). Однак відповідь на ефективність антиоксидантів буде отримана у великих контрольованих дослідженнях (від 8000 до 40000 пацієнтів), які були проведені у 1997 році.

До захисних сил, що підтримують швидкість ПОЛ на певному рівні, належать ферментні системи, що пригнічують перекисне окислення, та природні антиоксиданти. Існує 3 рівні регуляції швидкості вільнорадикального окислення. Перший етап – антикисневий, він підтримує досить низький парціальний тиск кисню в клітині. Це, перш за все, включає дихальні ферменти, які конкурують за кисень. Незважаючи на широку мінливість поглинання O3 в організмі та вивільнення з нього CO2, pO2 та pCO2 в артеріальній крові зазвичай залишаються досить постійними. Другий етап захисту – антирадикальний. Він складається з різних речовин, присутніх в організмі (вітамін Е, аскорбінова кислота, деякі стероїдні гормони тощо), які переривають процеси ПОЛ, взаємодіючи з вільними радикалами. Третій етап – антипероксидний, який руйнує вже утворені пероксиди за допомогою відповідних ферментів або неферментативно. Однак досі немає єдиної класифікації та єдиних поглядів на механізми, що регулюють швидкість вільнорадикальних реакцій, та дію захисних сил, що забезпечують утилізацію кінцевих продуктів перекисного окислення ліпідів.

Вважається, що залежно від інтенсивності та тривалості, зміни в регуляції реакцій ПОЛ можуть: по-перше, бути оборотними з подальшим поверненням до норми, по-друге, призводити до переходу на інший рівень ауторегуляції та, по-третє, деякі ефекти роз'єднують цей механізм саморегуляції, а отже, призводять до неможливості реалізації регуляторних функцій. Саме тому розуміння регуляторної ролі реакцій ПОЛ в умовах впливу екстремальних факторів, зокрема, холоду, є необхідним етапом досліджень, спрямованих на розробку науково обґрунтованих методів управління процесами адаптації та комплексної терапії, профілактики та реабілітації найпоширеніших захворювань.

Одним із найбільш часто використовуваних та ефективних є комплекс антиоксидантів, до складу якого входить токоферол, аскорбат та метіонін. Аналізуючи механізм дії кожного з використовуваних антиоксидантів, було зазначено наступне. Мікросоми є одним з основних місць накопичення екзогенно введеного токоферолу в клітинах печінки. Аскорбінова кислота, яка окислюється до дегідроаскорбінової кислоти, може виступати в ролі можливого донора протонів. Крім того, показано здатність аскорбінової кислоти безпосередньо взаємодіяти з синглетним киснем, гідроксильним радикалом та супероксидним аніон-радикалом, а також руйнувати перекис водню. Також є дані, що токоферол у мікросомах може регенеруватися тіолами та, зокрема, відновленим глутатіоном.

Таким чином, в організмі існує низка взаємопов'язаних антиоксидантних систем, основна роль яких полягає в підтримці ферментативних та неферментативних окислювальних реакцій на стаціонарному рівні. На кожному етапі розвитку перекисних реакцій існує спеціалізована система, яка виконує ці функції. Деякі з цих систем є суворо специфічними, інші, такі як глутатіонпероксидаза, токоферол, мають більшу широту дії та меншу субстратну специфічність. Адитивність взаємодії ферментативних та неферментативних антиоксидантних систем одна з одною забезпечує стійкість організму до екстремальних факторів, що мають прооксидантні властивості, тобто здатність створювати в організмі умови, що сприяють виробленню активованих форм кисню та активації реакцій перекисного окислення ліпідів. Немає сумніву, що активація реакцій перекисного окислення ліпідів спостерігається під впливом низки факторів навколишнього середовища на організм та при патологічних процесах різної природи. За даними В. Ю. Куликова та ін. (1988), залежно від механізмів активації реакцій ПОЛ, усі фактори, що впливають на організм, можна з певною мірою ймовірності розділити на такі групи.

Фактори фізико-хімічної природи, що сприяють збільшенню тканинних попередників та безпосередніх активаторів реакцій ПОЛ:

• кисень під тиском;
• озон;
• оксид азоту;
• іонізуюче випромінювання тощо.

Фактори біологічної природи:

• процеси фагоцитозу;
• руйнування клітин та клітинних мембран;
• системи для генерації активованих форм кисню.

Фактори, що визначають активність антиоксидантних систем організму ферментативної та неферментативної природи:

• активність процесів, пов'язаних з індукцією антиоксидантних систем ферментативної природи;
• генетичні фактори, пов'язані з пригніченням того чи іншого ферменту, що регулює реакції перекисного окислення ліпідів (дефіцит глутатіонпероксидази, каталази тощо);
• харчові фактори (брак токоферолу, селену, інших мікроелементів тощо в їжі);
• будова клітинних мембран;
• характер взаємозв'язку між антиоксидантами ферментативної та неферментативної природи.

Фактори ризику, що посилюють активацію реакцій поліполізу:

• активація кисневого режиму організму;
• стан стресу (холод, висока температура, гіпоксія, емоційний та больовий вплив);
• гіперліпідемія.

Таким чином, активація реакцій ПОЛ в організмі тісно пов'язана з функціонуванням систем транспорту та утилізації кисню. Особливої уваги заслуговують адаптогени, серед яких широко використовується елеутерокок. Препарат з кореня цієї рослини має загальнотонізуючі, адаптогенні, антистресові, антиатеросклеротичні, антидіабетичні та інші властивості, знижує загальну захворюваність, зокрема грип. При вивченні біохімічних механізмів дії антиоксидантів у людей, тварин і рослин значно розширився спектр патологічних станів, для лікування яких використовуються антиоксиданти. Антиоксиданти успішно використовуються як адаптогени для захисту від радіаційного ураження, лікування ран та опіків, туберкульозу, серцево-судинних захворювань, нейропсихіатричних розладів, новоутворень, діабету тощо. Природно, що інтерес до механізмів, що лежать в основі такої універсальної дії антиоксидантів, зріс.

Наразі експериментально встановлено, що ефективність антиоксидантів визначається їхньою активністю в інгібуванні перекисного окислення ліпідів завдяки взаємодії з пероксидом та іншими радикалами, що ініціюють ПОЛ, а також завдяки впливу антиоксидантів на структуру мембран, що полегшує доступ кисню до ліпідів. ПОЛ також може змінюватися за допомогою опосередкованої системи антиоксидантної дії через нейрогормональні механізми. Показано, що антиоксиданти впливають на вивільнення нейромедіаторів та гормонів, чутливість рецепторів та їх зв'язування. У свою чергу, зміна концентрації гормонів та нейромедіаторів змінює інтенсивність ПОЛ у клітинах-мішенях, що призводить до зміни швидкості катаболізму ліпідів і, як наслідок, до зміни їх складу. Зв'язок між швидкістю ПОЛ та зміною спектру мембранних фосфоліпідів відіграє регуляторну роль. Подібна регуляторна система виявлена в клітинних мембранах тварин, рослин та мікробних організмів. Як відомо, склад та плинність мембранних ліпідів впливають на активність мембранних білків, ферментів та рецепторів. Через цю систему регуляції антиоксиданти впливають на репарацію мембрани, зміненої при патологічному стані організму, нормалізують її склад, структуру та функціональну активність. Зміни активності ферментів, що синтезують макромолекули, та складу ядерного матриксу зі зміною складу мембранних ліпідів, спричинені дією антиоксидантів, можна пояснити їх впливом на синтез ДНК, РНК, білка. Водночас у літературі з'явилися дані про пряму взаємодію антиоксидантів з макромолекулами.

Ці дані, а також нещодавно виявлені дані про ефективність антиоксидантів у пікомолярних концентраціях, підкреслюють роль рецепторних шляхів у їхньому впливі на клітинний метаболізм. У роботі В.Є. Кагана (1981) про механізми структурної та функціональної модифікації біомембран було показано, що залежність швидкості реакцій ПОЛ у біомембранах залежить не тільки від їх жирнокислотного складу (ступінь ненасиченості), але й від структурної організації ліпідної фази мембран (молекулярна рухливість ліпідів, міцність білок-ліпідних та ліпід-ліпідних взаємодій). Було виявлено, що в результаті накопичення продуктів ПОЛ відбувається перерозподіл ліпідів у мембрані: зменшується кількість рідких ліпідів у біошарі, зменшується кількість ліпідів, іммобілізованих мембранними білками, та збільшується кількість упорядкованих ліпідів у біошарі (кластерів). В.

При вивченні природи, складу та механізму гомеостазу антиоксидантної системи було показано, що прояву шкідливої дії вільних радикалів та пероксидних сполук запобігає складна багатокомпонентна антиоксидантна система (АОС), яка забезпечує зв'язування та модифікацію радикалів, запобігаючи утворенню або руйнуванню пероксидів. До її складу входять: гідрофільні та гідрофобні органічні речовини з відновлювальними властивостями; ферменти, що підтримують гомеостаз цих речовин; антипероксидні ферменти. Серед природних антиоксидантів є ліпідні (стероїдні гормони, вітаміни Е, А, К, флавоноїди та поліфеноли вітамін Р, убіхінон) та водорозчинні (низькомолекулярні тіоли, аскорбінова кислота) речовини. Ці речовини або захоплюють вільні радикали, або руйнують пероксидні сполуки.

Одна частина тканинних антиоксидантів має гідрофільний характер, інша – гідрофобний, що робить можливим одночасний захист функціонально важливих молекул від окислювачів як у водній, так і в ліпідній фазах.

Загальна кількість біоантиоксидантів створює в тканинах «буферну антиоксидантну систему», яка має певну ємність, а співвідношення прооксидантної та антиоксидантної систем визначає так званий «антиоксидантний статус» організму. Є всі підстави вважати, що тіоли займають особливе місце серед тканинних антиоксидантів. Це підтверджується такими фактами: висока реакційна здатність сульфгідрильних груп, завдяки якій деякі тіоли окислюються з дуже високою швидкістю, залежність швидкості окисної модифікації SH-груп від їх радикального оточення в молекулі. Ця обставина дозволяє виділити з різноманітності тіолових сполук особливу групу легкоокислюваних речовин, які виконують специфічні функції антиоксидантів: оборотність реакції окислення сульфгідрильних груп у дисульфідні групи, що дозволяє, в принципі, енергійно підтримувати гомеостаз тіолових антиоксидантів у клітині без активації їх біосинтезу; здатність тіолів проявляти як антирадикальну, так і антипероксидну дію. Гідрофільні властивості тіолів визначають їх високий вміст у водній фазі клітини та можливість захисту від окисного пошкодження біологічно важливих молекул ферментів, нуклеїнових кислот, гемоглобіну тощо. Водночас, наявність неполярних груп у тіолових сполуках забезпечує можливість їх антиоксидантної активності в ліпідній фазі клітини. Таким чином, поряд з речовинами ліпідної природи, тіолові сполуки беруть велику участь у захисті клітинних структур від дії окислювальних факторів.

Аскорбінова кислота також підлягає окисленню в тканинах організму. Як і тіоли, вона входить до складу АОС, беручи участь у зв'язуванні вільних радикалів та руйнуванні пероксидів. Аскорбінова кислота, молекула якої містить як полярні, так і неполярні групи, проявляє тісну функціональну взаємодію з SH-глутатіоном та ліпідними антиоксидантами, посилюючи дію останніх та запобігаючи перекисному окисленню ліпідів. Очевидно, тіольні антиоксиданти відіграють провідну роль у захисті основних структурних компонентів біологічних мембран, таких як фосфоліпіди або білки, занурені в ліпідний шар.

У свою чергу, водорозчинні антиоксиданти – тіолові сполуки та аскорбінова кислота – проявляють свою захисну дію переважно у водному середовищі – цитоплазмі клітин або плазмі крові. Слід враховувати, що кровоносна система – це внутрішнє середовище, яке відіграє вирішальну роль у неспецифічних та специфічних реакціях захисту організму, впливаючи на його резистентність та реактивність.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ]

Вільні радикали в патології

Питання причинно-наслідкових зв'язків у змінах інтенсивності перекисного окислення ліпідів у динаміці розвитку захворювань досі обговорюється в літературі. На думку одних авторів, саме порушення стаціонарності цього процесу є основною причиною зазначених захворювань, інші ж вважають, що зміна інтенсивності перекисного окислення ліпідів є наслідком цих патологічних процесів, ініційованих зовсім іншими механізмами.

Дослідження, проведені останніми роками, показали, що зміни інтенсивності вільнорадикального окислення супроводжують захворювання різного генезу, що підтверджує тезу про загальнобіологічну природу пошкодження клітин вільнорадикалами. Накопичено достатньо доказів патогенетичної участі пошкодження молекул, клітин, органів та організму в цілому вільними радикалами та успішного лікування фармакологічними препаратами, що мають антиоксидантні властивості.