Активные формы кислорода (АФК) включают ионы кислорода, свободные радикалы и перекиси как неорганического, так и органического происхождения. Это, как правило, небольшие молекулы с исключительной реактивностью благодаря наличию неспаренного электрона на внешнем электронном уровне.
Нормальные функции АФК включают индукцию иммунной системы, мобилизацию систем ионного транспорта, запуск программируемой клеточной смерти. Однако их избыток может приводить к окислительному стрессу и повреждению клеточных структур. Организм использует различные системы защиты, включающие как ферментативные, так и неферментативные механизмы.
К основным типам АФК относятся:
Свободны радикалы:
1. Супероксидный анион (O₂⁻) — продукт неполного восстановления молекулярного кислорода, который может превращаться в другие АФК.
2. Гидроксильный радикал (OH·) — наиболее короткоживущий и самый агрессивный. повреждает ДНК, белки и липиды.
3. Алкоксильный радикал (RO·)
4. Гидропероксильный (HO-O·)
5. Алкилпероксильный (RO-O·)
Синглетный кислород
(¹O₂) —высокоэнергетическая форма кислорода, которая может вызывать повреждения мембран. Эту форму связывают с окислением холестерина и развитием сердечно-сосудистых изменений. Является регулятором клеточной жизнедеятельности, существенно определяющим механизм инициации апоптоза
Нейтральные молекулы:
Перекись водорода (H₂O₂) — менее реакционная, но способная преобразовываться в гидроксильные радикалы.
Источники образования АФК
- Митохондрии: Основной источник АФК в клетке. Для полного восстановления кислорода до двух молекул воды необходимо 4ē и 4Н+. Однако во время дыхания в митохондриях происходит утечка электронов на кислород, что приводит к неполному восстановлению и образованию супероксидного аниона.
- Фагоциты: В процессе фагоцитоза активные формы кислорода используются для уничтожения патогенов. Этот процесс называется "респираторный взрыв".
- Метаболизм ксенобиотиков: В клетках печени и других тканях метаболизм чужеродных соединений (лекарств, токсинов) может сопровождаться образованием АФК.
- Воздействие внешних факторов: Ультрафиолетовое излучение, загрязнение окружающей среды, табачный дым и радиация могут стимулировать образование АФК.
1. Факультативные аэробы
Факультативные аэробы могут существовать как в условиях с кислородом, так и без него, что требует наличия механизмов борьбы с АФК при наличии кислорода. Основные механизмы защиты:
- Супероксиддисмутаза (СОД) - катализирует превращение супероксидного аниона (O₂⁻) в перекись водорода (H₂O₂), который менее реактивен.
- Каталаза: Перекись водорода, образованная под действием СОД, далее разрушается до воды и кислорода с помощью каталазы.
- Глутатионпероксидаза (GPx): Этот фермент разрушает перекись водорода и органические гидропероксиды с участием восстановленного глутатиона, предотвращая образование высокореактивных гидроксильных радикалов (OH·).
2. Облигатные аэробы
Облигатные аэробы зависят от кислорода для выживания и активно используют его в процессе клеточного дыхания. Поэтому их защита от АФК особенно важна. Механизмы:
- Супероксиддисмутаза, каталаза и пероксидазы (например, глутатионпероксидаза) - как и у факультативных аэробов
- Антиоксидантные молекулы: Витамины C и E, а также глутатион и каротиноиды играют важную роль в нейтрализации АФК и предотвращении их воздействия на клеточные структуры, такие как мембраны и ДНК.
3. Факультативные анаэробы
Факультативные анаэробы могут выживать как в присутствии кислорода, так и без него. Однако в присутствии кислорода они могут образовывать АФК, что требует включения соответствующих защитных систем:
- СОД, каталаза, пероксидазы
4. Облигатные анаэробы
Облигатные анаэробы не могут использовать кислород для метаболизма и часто его избегают, так как для них кислород и АФК являются токсичными. Многие облигатные анаэробы имеют ограниченные механизмы защиты от АФК, что делает их чувствительными к кислородным условиям:
- Отсутствие супероксиддисмутазы (СОД): У большинства облигатных анаэробов этот фермент отсутствует или неактивен. Это означает, что они не могут эффективно обезвреживать супероксид.
- Частичное наличие ферментативных систем: Некоторые облигатные анаэробы содержат минимальные уровни каталаз или пероксидаз, которые могут защищать клетки при кратковременном воздействии кислорода, но длительное воздействие приводит к их гибели.
- Облигатные анаэробы часто используют альтернативные метаболические пути, чтобы уменьшить количество АФК: использование нитратов, сульфатов и других акцепторов электронов.
Система защиты организма человека
Ферментативная защита
1. Супероксиддисмутаза (СОД): Преобразует супероксид в перекись водорода. Существуют три формы СОД в организме человека:
- СОД1 — цитозольная.
- СОД2 — митохондриальная.
- СОД3 — внеклеточная.
2. Каталаза: Преобразует перекись водорода в воду и кислород, особенно активно в пероксисомах.
3. Глутатионпероксидаза (GPx): Участвует в разрушении перекиси водорода и липидных пероксидов при помощи восстановленного глутатиона.
Неферментативная защита
1. Аскорбиновая кислота (витамин C): Один из мощнейших водорастворимых антиоксидантов, защищающий клетки от окислительного стресса, а также восстанавливающий другие антиоксиданты, такие как витамин E. Окисление происходит в две стадии:
На первой стадии аскорбиновая кислота (восстановленная форма) превращается в дегидроаскорбиновую (окисленная форма), эта стадия обратима. На второй стадии более глубокого окисления происходит расщепление молекулы с образованием двух карбоновых кислот Окислительным расщеплением аскорбиновой кислоты объясняется её неустойчивость при хранении и при нагревании.
2. Токоферолы (витамин E): Липидорастворимый антиоксидант, который защищает клеточные мембраны от перекисного окисления липидов.
3. Глутатион: Трипептид, который участвует в восстановлении окисленных молекул и нейтрализации АФК. Работает как субстрат для ферментов антиоксидантной системы.
4. Флавоноиды (кверцетин, рутин, ресвератрол и др.): Растительные соединения, обладающие антиоксидантной активностью. За счет своей полифенольной структуры, они могут эффективно связываться с АФК, тормозя процессы окисления в клетках.
- Каротиноиды: Такими соединениями, как бета-каротин, организм защищает клетки от повреждений, вызванных синглетным кислородом
- Мочевая кислота - нейтрализует свободные радикалы, такие как супероксид-анионы и гидроксильные радикалы, предотвращая повреждение белков, липидов и нуклеиновых кислот
- Билирубин - продукт распада гемоглобина, обладает сильной антиоксидантной активностью. Его основная функция как антиоксиданта заключается в нейтрализации пероксидных радикалов и предотвращении перекисного окисления липидов.
- Гормоны: Мелатонин нейтрализует гидроксильные радикалы, пероксильные радикалы и перекиси водорода. Кроме того, он стимулирует активность ферментативных антиоксидантов, таких как супероксиддисмутаза, каталаза и глутатионпероксидаза. антиоксидантные свойства эстрадиола связаны с фенольной структурой, которая позволяет ему действовать как ловушка для свободных радикалов. Также он усиливает активность эндогенных антиоксидантов и защищает липопротеиды низкой плотности (ЛПНП) от окисления