Вільні радикали і антиоксиданти

Відкриття вільних радикалів і антиоксидантів стало для медичної науки таким же значним кордоном, як свого часу відкриття мікроорганізмів і антибіотиків, так як лікарі отримали не тільки пояснення багатьом патологічним процесам, включаючи старіння, а й ефективні методи боротьби з ними.

Впродовж останнього десятиріччя ознаменувалося успіхами у вивченні вільних радикалів в біологічних об'єктах. Ці процеси виявилися необхідним метаболічним ланкою в нормальної життєдіяльності організму. Вони беруть участь в реакціях окисного фосфорилювання, в біосинтезі простагландинів і нуклеїнових кислот, в регулюванні ліпотіческой активності, в процесах клітинного ділення. В організмі вільні радикали найчастіше утворюються при окисленні ненасичених жирних кислот, і цей процес тісно пов'язаний з перекисне вільно-радикальним окислення ліпідів (ПОЛ).

Що таке вільні радикали?

Вільний радикал - це молекула або атом, що має неспарених електронів на зовнішній орбіті, що обумовлює його агресивність і здатність не тільки вступати в реакцію з молекулами клітинної мембрани, але також і перетворювати їх у вільні радикали (самопідтримується лавиноподібний реакція).

Вуглець, що містить радикал вступає в реакцію з молекулярним киснем, утворюючи ПЕРОКСИДНОГО вільний радикал СОО.

ПЕРОКСИДНОГО радикал витягує водень з бічного ланцюга ненасичених жирних кислот, утворюючи ліпідний гідропероксид і ще один вуглець містить радикал.

Ліпідні гідропероксиди збільшують концентрацію цитотоксичних альдегідів, а вуглець містить радикал підтримує реакцію формування пероксидних радикалів і т. Д. (По ланцюжку).

Відомі різні механізми утворення вільних радикалів. Один з них - вплив іонізуючої радіації. У деяких ситуаціях в процесі відновлення молекулярного кисню приєднується один електрон замість двох і утворюється високореактивний супероксидний аніон (О). Утворення супероксида - це один із захисних механізмів від бактеріальної інфекції: без кисневих вільних радикалів нейтрофіли і макрофаги не можуть знищувати бактерії.

Наявність антиоксидантів як в клітці, так і в позаклітинному просторі вказує на те, що утворення вільних радикалів це не епізодичне явище, обумовлене впливом іонізуючого випромінювання або токсинів, а постійне, що супроводжує реакції окислення в звичайних умовах. До основних антиоксидантів відносяться ферменти групи супероксидних дисмутази (SODs), функція яких полягає в каталітичному перетворенні перекисного аниона в перекис водню і молекулярний кисень. Оскільки супероксидні дисмутази зустрічаються повсюдно, правомірно припустити, що супероксидний аніон є одним з основних побічних продуктів всіх процесів окислення. Каталази і пероксидази перетворюють утворюється в процесі дисмутації перекис водню в воду.

Головною особливістю вільних радикалів є їх надзвичайна хімічна активність. Немов відчуваючи свою ущербність, вони намагаються повернути собі втрачений електрон, агресивно віднімаючи його у інших молекул. У свою чергу "скривджені" молекули теж стають радикалами і вже самі починають розбійничати, віднімаючи електрони у своїх сусідів. Будь-які зміни в молекулі - будь то втрата або приєднання електрона, поява нових атомів або груп атомів - позначаються на її властивості. Тому вільнорадикальні реакції, що протікають в будь-якому речовині, змінюють фізико-хімічні властивості цієї речовини.

Найбільш відомим прикладом вільнорадикального процесу є псування масла (прогоркание). Згіркле масло має своєрідний смак і запах, що пояснюється появою в ньому нових речовин, що утворилися в ході вільнорадикальних реакцій. Найголовніше, що учасниками вільнорадикальних реакцій можуть ставати білки, жири і ДНК живих тканин. Це призводить до розвитку різноманітних патологічних процесів, що ушкоджують тканини, старіння і розвитку злоякісних пухлин.

Найбільш агресивними з усіх вільних радикалів є вільні радикали кисню. Вони можуть спровокувати в живій тканині лавину вільнорадикальних реакцій наслідки якої можуть бути катастрофічними. Вільні радикали кисню і його активні форми (наприклад, перекису ліпідів) можуть утворюватися в шкірі і будь-який інший тканини під дією УФ-випромінювання, деяких токсичних речовин, що містяться воді і повітрі. Але найголовніше, що активні форми кисню утворюються при будь запаленні, будь-якому інфекційному процесі, що протікає в шкірі або будь-якому іншому органі, так як саме вони є головною зброєю імунної системи, яким вона знищує патогенні мікроорганізми.

Сховатися від вільних радикалів можна (також як не можна сховатися від бактерій але від них можна захиститися). Існують речовини, які відрізняються тим, що їх вільні радикали менш агресивні, ніж радикали інших речовин. Віддавши свій електрон агресорові, антиоксидант не прагне компенсувати втрату за рахунок інших молекул, вірніше, робить це лише в рідкісних випадках. Тому, коли вільний радикал реагує з антиоксидантом, то він перетворюється в повноцінну молекулу, а антиоксидант стає слабким і малоактивним радикалом. Такі радикали вже безпечні не створюють хімічного хаосу.

Що таке антиоксиданти?

«Антиоксиданти» - поняття збірне і, подібно до таких понять, як «антибластомною засоби» і «імуномодулятори», не має на увазі приналежності до якої-небудь певної хімічної групи речовин. Специфікою їх є найтісніший зв'язок зі вільнорадикальним окислення ліпідів взагалі і вільнорадикальної патологією зокрема. Це властивість об'єднує різні антиоксиданти, кожному з яких притаманні свої особливості дії.

Процеси вільнорадикального окислення ліпідів носять загальнобіологічий характер і є при їх різкій активації, на думку багатьох авторів, універсальним механізмом пошкодження клітин на рівні мембран. При цьому в ліпідної фазі біологічних мембран процеси ліпопероксидації викликають підвищення в'язкості і впорядкованості мембранного бішару, змінюють фазові властивості мембран і знижують їх електричний опір, а також полегшують обмін фосфоліпідів між двома моношарами (так званий фосфоліпідний шльопанці). Під дією перекисних процесів відбувається також пригнічення рухливості мембранних білків. На клітинному рівні перекисне окислення ліпідів супроводжується набуханням мітохондрій, роз'єднанням окисного фосфорилювання (а при далеко зайшов процесі - Солюбілізація мембранних структур), що на рівні цілого організму проявляється в розвитку так званих вільнорадикальних патологій.

Вільні радикали і пошкодження клітини

Сьогодні стало очевидним, що утворення вільних радикалів є одним з універсальних патогенетичних механізмів при різних типах ушкодження клітини, включаючи наступні:

• реперфузия клітин після періоду ішемії;
• деякі медикаментозно-індуковані форми гемолітичної анемії;
• отруєння деякими гербіцидами;
• правління чотирьоххлористим вуглецем;
• іонізуюче випромінювання;
• деякі механізми старіння клітини (наприклад, накопичення ліпідних продуктів в клітці - цероїд і Ліпофусцин);
• кіслородотоксічность;
• атерогенез внаслідок окислення ліпопротеїдів низької щільності в клітинах артеріальної стінки.

Вільні радикали беруть участь в процесах:

• старіння;
• канцерогенез;
• хімічного і лікарського ураження клітин;
• запалення;
• радіоактивного ушкодження;
• атерогенез;
• кисневої та озонової токсичності.

Ефекти вільних радикалів

Окислення ненасичених жирних кислот у складі клітинних мембран є одним з основних ефектів вільних радикалів. Вільні радикали також пошкоджують білки (особливо тіолсодержащіе) і ДНК. Морфологічним результатом окислення ліпідів клітинної стінки є формування полярних каналів проникності, що збільшує пасивну проникність мембрани для іонів Са2 +, надлишок якого депонується в мітохондріях. Реакції окислення зазвичай придушуються гідрофобними антиоксидантами, такими як вітамін Е і глутатіон-пероксидаза. Подібні вітаміну Е антиоксиданти, що розривають ланцюги окиснення, містяться в свіжих овочах і фруктах.

Вільні радикали також реагують з молекулами в іонної і водному середовищі клітинних компартментов. У іонної середовищі антиоксидантний потенціал зберігають молекули таких речовин, як відновлений глутатіон, аскорбінова кислота і цистеїн. Захисні властивості антиоксидантів стають очевидні, коли при виснаженні їх запасів в ізольованій клітці спостерігають характерні морфологічні та функціональні зміни, зумовлені окислення ліпідів клітинної мембрани.

Типи викликаються вільними радикалами ушкоджень визначаються не тільки агресивністю продукуються радикалів, а й структурними і біохімічними характеристиками об'єкта впливу. Наприклад, у позаклітинному просторі вільні радикали руйнують глікозаміноглікани основної речовини сполучної тканини, що може бути одним з механізмів деструкції суглобів (наприклад, при ревматоїдному артриті). Вільні радикали змінюють проникність (отже, і бар'єрну функцію) цитоплазматических мембран в зв'язку з формуванням каналів підвищеної проникності, що призводить до порушення водно-іонного гомеостазу клітини. Вважають, що необхідна забезпеченість вітамінами і мікроелементами хворих на ревматоїдний артрит, зокрема, корекція вітамінної недостатності і дефіциту мікроелементів олігогалом Е. Це обумовлено тим, що доведена помітна активація процесів перекисного окислення і пригнічення антиоксидантної активності, тому дуже важливо включення в комплексну терапію біоантіоксідантов з високою антірадікальной активністю, до яких і відносяться вітаміни антиоксиданти (Е, С і А) і мікроелементи селен (Sе). Показано також, що використання синтетичної дози вітаміну Е, який гірше всмоктується, ніж природний. Наприклад, дози вітаміну Е до 800 і 400 МЕ / сут призводять до зниження серцево-судинних захворювань (на 53%). Однак відповідь про ефективність антиоксидантів буде отримано в великих контрольованих дослідженнях (від 8000 до 40 000 пацієнтів), які проводилися в 1997 р

В якості захисних сил, що підтримують швидкість ПОЛ на певному рівні, виділяють ферментні системи інгібування перекіснош окислення і природні антиоксиданти. Виділяють 3 рівні регуляції швидкості вільно-радикального окислення. Перший ступінь антікіслородная, підтримує в клітці досить низьке парціальний тиск кисню. Сюди в першу чергу відносяться дихальні ферменти, що конкурують за кисень. Незважаючи на широку мінливість поглинання О3 в організмі і виділення з нього СО2, рО2 і рСО2 в артеріальній крові в нормі зберігаються досить постійними. Другий ступінь захисту антирадикальна. Вона складається з різних речовин, наявних в організмі (вітамін Е, аскорбінова кислота, деякі стероїдні гормони і т. Д.), Які переривають процеси ПОЛ, взаємодіючи з вільними радикалами. Третій ступінь антиперекисного, нищівна вже утворилися перекису за допомогою відповідних ферментів або неферментативно. Однак ще немає єдиної класифікації і єдиних поглядів на механізми регуляції швидкості вільно-радикальних реакцій і дії захисних сил, що забезпечують утилізацію кінцевих продуктів ПОЛ.

Вважають, що в залежності від інтенсивності і тривалості, зміни в регуляції реакцій ПОЛ можуть: по-перше, носити оборотний характер з наступним поверненням до норми, по-друге, приводити до переходу на інший рівень авторегуляции і, по-третє, деякі з впливів роз'єднують цей механізм саморегуляції, а, отже, призводять до неможливості здійснення регуляторних функцій. Саме тому розуміння регуляторної ролі реакцій ПОЛ в умовах дії на організм екстремальних факторів, зокрема, холоду, необхідний етап досліджень, спрямованих на розробку науково обґрунтованих методів управління процесами адаптації та комплексної терапії, профілактики та реабілітації найбільш поширених захворювань.

Одним з найбільш часто вживаних і ефективних є комплекс антиоксидантів, який включає токоферол, аскорбат і метіонін. Аналізуючи механізм дії кожного із застосованих антиоксидантів, зазначено наступне. Мікросоми - одне з основних місць накопичення в клітинах печінки екзогенно введеного токоферолу. В якості можливого донора протонів може виступати аскорбінова кислота, яка окислюється до дегідроаскорбіновою. Крім того, показана здатність аскорбінової кислоти безпосередньо взаємодіяти з синглетного кисню, гідроксильних радикалом і супероксидних аніонів-радикалом, а також руйнувати перекис водню. Є також докази, що токоферол у мікросомах може регенеруватися тіолами і, зокрема, відновленим глутатионом.

Таким чином, в організмі існує цілий ряд взаємозв'язаних антиоксидантних систем, основна роль яких полягає в підтримці ферментативних і неферментативних окислювальних реакцій на стаціонарному рівні. На кожному з етапів розвитку перекисних реакцій існує своя спеціалізована система, що здійснює ці функції. Частина з цих систем строго специфічна, інші, такі як глутатионпероксидаза, токоферол, мають більшу широтою дії і меншою субстратной специфічністю. Адитивність взаємодії ферментативних і неферментативних антиоксидантних систем між собою забезпечує стійкість організму до екстремальних факторів, що володіє прооксидантних властивостями, т. Е. Здатністю до створення в організмі умов, що привертають до вироблення активованих форм кисню і активації реакцій ПОЛ. Не викликає сумніву той факт, що активація реакцій ПОЛ спостерігається під впливом на організм ряду факторів зовнішнього середовища і при патологічних процесах різної природи. На думку В. Ю. Куликова та співавт. (1988), в залежності від механізмів активації реакцій ПОЛ всі фактори, які діють на організм, можна з певною часткою ймовірності розділити на наступні групи.

Фактори фізико-хімічної природи, що сприяють збільшенню в тканинах попередників і безпосередніх активаторів реакцій ПОЛ:

• кисень під тиском;
• озон;
• оксид азоту;
• іонізуючарадіація і ін.

Фактори біологічної природи:

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

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

• активність процесів, пов'язаних з індукцією антиоксидантних систем ферментативної природи;
• генетичні фактори, пов'язані з депресією того чи іншого ферменту, що здійснює регуляцію реакцій ПОЛ (дефіцит глутатіонпероксидази, каталази та ін.);
• харчові фактори (недолік в їжі токоферолу, селену, інших мікроелементів і ін.);
• структура клітинних мембран;
• характер взаємин між антиоксидантами ферментативної і неферментативної природи.

Фактори ризику, що потенціюють активацію реакцій ПОЛ:

• активація кисневого режиму організму;
• стан стресу (холод, висока температура, гіпоксія, емоційно-болючий вплив);
• гіперліпідемія

Таким чином, активація реакцій ПОЛ в організмі тісно пов'язана з функціонуванням систем транспорту та утилізації кисню. На особливу увагу заслуговують адаптогени, серед них широко використовуваний елеутерокок. Препарат з кореня цієї рослини має загальнозміцнюючу, адаптогенну, антістрессорним, антиатеросклеротическим, антидіабетичною і іншими властивостями, знижує загальну захворюваність, в тому числі на грип. При вивченні біохімічних механізмів дії антиоксидантів у людини, тварин і рослинних організмів істотно розширився спектр патологічних станів, для лікування яких використовуються антиоксиданти. Антиоксиданти успішно застосовуються як адаптогени для захисту від променевого ураження, лікування ран і опіків, туберкульозу, серцево-судинних захворювань, нервово-психічних розладів, новоутворень, діабету та ін. Природно, що зріс інтерес до механізмів, які лежать в основі такої універсальності дії антиоксидантів.

В даний час експериментально встановлено, що ефективність антиоксидантів визначається їх активністю в інгібуванні перекисного окислення ліпідів за рахунок взаємодії з перекисних і іншими радикалами, ініціювали ПОЛ, а також за рахунок впливів антиоксидантів на структуру мембрани, що полегшують доступ кисню до ліпідів. ПОЛ може змінюватися і при опосередкованої системі дії антиоксидантів через нейрогормональні механізми. Показано, що антиоксиданти впливають на вивільнення нейромедіатора і викид гормонів, чутливість рецепторів і їх зв'язування. У свою чергу, зміна концентрації гормонів і нейромедіаторів змінює інтенсивність ПОЛ в клітинах-мішенях, що призводить до зміни швидкості катаболізму ліпідів і, як наслідок, до зміни їх складу. Зв'язок між швидкістю ПОЛ і зміною спектру фосфоліпідів мембран виконує регуляторну роль. Аналогічна система регуляції виявлена в клітинних мембранах тварин, рослинних і мікробних організмів. Як відомо, склад і плинність ліпідів мембран впливають на активність мембранних білків, ферментів, рецепторів. Через цю систему регуляції антиоксиданти діють на репарацію мембрани, змінену при патологічному стані організму, нормалізують її склад, структуру і функціональну активність. Зміна активності ферментів синтезу макромолекул і складу ядерного матриксу при зміні складу ліпідів мембран, викликаному дією антиоксидантів, можуть бути пояснені їх впливом на синтез ДНК, РНК, білка. У той же час в літературі з'явилися дані про безпосередній взаємодії антиоксидантів з макромолекулами.

Ці, а також виявлені останнім часом дані ефективності антиоксидантів в пікомолярних концентраціях висувають на перший план роль рецепторних шляхів в їх дії на клітинний метаболізм. У роботі В. Е. Кагана (1981) про механізми структурно-функціональної модифікації биомембран показано, що Залежність швидкості реакцій ПОЛ в биомембранах залежить не тільки від їх жирнокислотного складу (ступеня ненасиченості), але і від структурної організації ліпідної фази мембран (молекулярної рухливості ліпідів , міцності білок-ліпідних і ліпід-ліпідних взаємодій). Виявлено, що в результаті накопичення продуктів ПОЛ відбувається перерозподіл ліпідів в мембрані: зменшується кількість рідких ліпцдов в биослой, знижується кількість іммобілізованих мембранними білками ліпідів і зростає кількість упорядкованих ліпідів в биослой (кластерів). В.

При вивченні природи, складу і механізму гомеостазу антиоксидантної системи показано, що прояву шкідливої дії вільних радикалів і перекисних сполук перешкоджає складна багатокомпонентна антиоксидантна система (АОС), яка забезпечує зв'язування і модифікацію радикалів, попередження утворення або руйнування перекисів. До її складу входять: гідрофільні і гідрофобні органічні речовини з редукуючими властивостями; ферменти, що підтримують гомеостаз цих речовин; антиперекисного ферменти. Серед природних антиоксидантів є ліпідні (стероїдні гормони, вітаміни Е, А, К, флавоноїди і поліфеноли вітамін Р, убіхінон) і водорозчинні (низькомолекулярні Меркаптани, аскорбінова кислота) речовини. Ці речовини або є пастками вільних радикалів, або руйнують перекисні сполуки.

Одна частина тканинних антиоксидантів має гідрофільний, інша - гідрофобний характер, що робить можливою одночасну захист від окислюють агентів функціонально важливих молекул як у водному, так і в ліпідної фазах.

Загальна сума біоантіокіслітелей створює в тканинах «буферну антиоксидантну систему», що володіє певною ємністю, а співвідношення прооксидантних і антиоксидантних систем визначає так званий «антиоксидантний статус» організму. Є всі підстави вважати, що серед тканинних антиоксидантів особливе місце займають Меркаптани. Підтвердженням служать наступні факти: висока реакційна здатність сульфгідрильних груп, завдяки якій деякі Меркаптани окислюються з дуже високою швидкістю, залежність швидкості окислювальної модифікації SН-груп від їх радикального оточення в молекулі. Ця обставина дозволяє виділити з безлічі тіолових сполук особливу групу легко окислюється речовин, що виконують специфічні функції антиоксидантів: оборотність реакції окислення сульфгідрильних груп в дисульфідні, що робить в принципі можливим енергетично вигідне підтримання гомеостазу тіолових антиоксидантів в клітці без активації їх біосинтезу; здатність тиолов проявляти як антирадикальна, так і антиперекисного дію. Гідрофільними властивостями тиолов обумовлено їх високий вміст у водній фазі клітини і можливість захисту від окислювального пошкодження біологічно важливих молекул ферментів, нуклеїнових кислот, гемоглобіну та ін. Разом з тим, присутність в тіолових з'єднаннях неполярних угруповань забезпечує можливість прояву їх антиоксидантної активності в ліпідної фазі клітини. Таким чином, поряд з речовинами ліпідної природи, тіоловою сполуки беруть широку участь в захисті клітинних структур від дії окислювальних факторів.

Окислення в тканинах організму піддається і аскорбінова кислота. Вона, як і Меркаптани, входить до складу АОС, беручи участь в зв'язуванні вільних радикалів і руйнуванні перекисів. Аскорбінова кислота, молекула якої містить і полярні, і неполярні угруповання, проявляє тісну функціональну взаємодію з SН-глутатионом і ліпідними антиоксидантами, посилюючи дію останніх і перешкоджаючи ПОЛ. По всій видимості, тіоловою антиоксиданти відіграють чільну роль у захисті основних структурних компонентів біологічних мембран, таких, як фосфоліпіди або занурені в ліпідний шар білки.

У свою чергу, водорозчинні антиоксиданти - тіоловою з'єднання і аскорбінова кислота - проявляють свою протекторну дію переважно у водному середовищі - цитоплазмі клітини або плазмі крові. При цьому слід мати на увазі дані про те, що система крові є внутрішнє середовище, яка відіграє вирішальну роль в неспецифічних і специфічних реакціях захисту організму, впливаючи на його резистентність і реактивність.

[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]

Вільні радикали при патології

До сих пір в літературі дискутується питання про причинно-наслідкові зв'язки в змінах інтенсивності ліпопероксидації в динаміці розвитку захворювань. На думку одних авторів, саме порушення стаціонарності цього процесу є основною причиною зазначених захворювань, в той час як інші вважають, що зміна інтенсивності перекисного окислення ліпідів являє собою наслідок даних патологічних процесів, ініційованих зовсім іншими механізмами.

Дослідження, проведені в останні роки, показали, що зміни інтенсивності вільнорадикального окислення супроводжують захворювання самого різного генезу, що підтверджує тезу про общебіологіческом характер вільнорадикального пошкодження клітин. Накопичилося достатньо свідчень патогенетичного участі вільнорадикального ураження молекул, клітин, органів і організму в цілому і успішного лікування їх фармакологічними препаратами, що володіють антиоксидантними властивостями.