"Тольяттинский медицинский консилиум" 2014г. № 1-2

Биологическая и патогенетическая роль антиоксидантной системы
в функционировании живого организма
(Обзор литературы)

С.С. Купчинская

Одесский государственный аграрный университет, Украина

Biological and pathogenetic role of the antioxidant system in the fuctioning of a living organism

В последние годы многочисленные исследования показали, что в патогенезе различных форм бесплодия важная роль принадлежит оксидативному стрессу, который развивается в результате дисбаланса между оксидантной и антиоксидантной системами. Это приводит к активации процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ), при этом в крови и тканях возрастает концентрация продуктов свободнорадикального окисления, в частности, малонового диальдегида (МДА). Данное вещество постоянно образуется в тканях живого организма, но в минимальных количествах. Возрастание МДА приводит к дестабилизации клеточных мембран. Кроме того, при бесплодии наблюдается и выраженное снижение активности в тканях и крови антиоксидантов: каталазы (КАТ) и церулоплазмина (ЦП).

Церулоплазмин представляет собой медьсодержащий гликопротеин α2-глобулиновой фракции сыворотки крови. Он синтезируется главным образом в печени, а также в лимфоцитах, моноцитах, селезенке, ткани мозга и др. [1]. ЦП связывает более 95% общего количества меди, содержащейся в сыворотке крови. Молекула ЦП состоит из 1046 аминокислотных остатков, содержит около 8% углеводов и 6-7 атомов меди. Пространственная организация и каталитические свойства ЦП определяются присутствием меди. ЦП - это мультифункциональный белок, одна из главных его функций - медьтранспортная, реализуется при взаимодействии со специфическими рецепторами, локализованными на наружной поверхности плазматических мембран клеток. Установлено существование специфического белка-рецептора на мембранах различных клеток, в том числе и на мембранах эритроцитов человека [2]. Рецепция осуществляется путем связывания терминальных остатков сиаловых кислот эритроцитарной мембраны и остатков маннозы и ацетилглюкозамина углеводной части молекулы ЦП. Известно, что лишь 40% ЦП содержит углеводный фрагмент, способный прочно связываться с рецепторами эритроцитов [3].

Уровень ЦП в сыворотке крови значительно возрастает при различных инфекционных заболеваниях, в начальных острых стадиях воспалительных процессов, в раннем периоде после травмы, что отражает его роль в организме как белка острой фазы [4]. При переходевоспалительного процесса в хроническую фазу в случае развития тяжелых гнойно-воспалительных осложнений содержание ЦП в плазме крови прогрессивно снижается.

Противовоспалительное действие ЦП в значительной мере обусловлено его антиоксидантными свойствами, и снижение его содержания в плазме крови при длительной воспалительной эндотоксемии связано с истощением системы антиоксидантной защиты [5].

В живом организме, помимо антиоксидантной, ЦП выполняет ряд других, важных для жизнедеятельности организма функций: участвует в метаболизме железа принимает активное участие в транспорте меди, необходимой для нормального течения метаболических процессов в кроветворной и иммунной системах, головном мозге, миокарде, а также для синтеза супероксиддисмутазы (СОД) - активного эндогенного антиоксиданта [6].

В тканях аэробных организмов в процессе метаболизма постоянно образуются продукты неполного восстановления кислорода. Активные формы кислорода (АФК) и радикалы выполняют в организме не только вредные, но и множество полезных для клетки функций. Так, образование супероксид-аниона и гипохлорита клетками иммунной системы используется организмом при защите от инфекций и других чужеродных факторов. Для некоторых тканей, в частности, для мозга, характерен повышенный синтез простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов. Этот процесс требует участия супероксид-аниона, взаимодействующего с другим компонентом этой системы, арахидоновой кислотой - соединением, высвобождающимся из мембранных фосфолипидов в ходе индуцируемого АФК перекисного окисления липидов. АФК активно участвуют в процессах передачи клеточного сигнала.

Так, например, свободные радикалы, которые образуются в цитозоле клетки в ответ на стимуляцию факторами роста, участвуют в регуляции пролиферативного процесса. Согласно литературным данным, активные формы кислорода стимулируют деление различных типов клеток. Выделение АФК считается нормальным процессом, и у организма есть механизмы их обезвреживания. Но когда его количество достигает критической точки, АФК в силу своей высокой реакционной способности, становится достаточно опасным соединением, пагубно влияющим на клетку. В качестве иллюстрации последнего тезиса напомним, что избыточное выделение АФК может привестик окислительному стрессу [7].

Окислительный стресс, являющийся следствием дисбаланса про - и антиоксидантных систем клетки и проявляющийся избыточным образованием в клетке активных форм кислорода, может являться причиной повреждения различных структур: ДНК, белков и липидов, вплоть до апоптоза. В норме окислительные процессы регулируются с помощью антиоксидантной системы (АОС). Если равновесие в организме смещается в сторону окислительных процессов, то это называется окислительным стрессом [7].

Окислительный стресс принято связывать и со старением клеток. Накопление большого количества активных форм кислорода, а также снижение концентрации клеточного глутатиона (основного антиоксиданта, вырабатываемого нашим организмом) является хорошо известной распространенной причиной возникновения острых и хронических дегенеративных заболеваний, таких как атеросклероз, диабет, инсульт, болезни Альцгеймера и Паркинсона [8]. Поскольку окислительный стресс сопровождает многие нейродегенеративные заболевания, АФК принято считать вестниками клеточной смерти.

Систему защиты тканей и клеток от токсических метаболитов кислорода и продуктов ПОЛ условно разделяют на физиологическую (механизмы, осуществляющие регуляцию доставки кислорода в клетки) и биологическую (собственно антиоксидантную систему организма, то есть разнообразные химические соединения, которые снижают активность радикальных процессов).

Эффекторные компоненты антиоксидантной системы называются антиоксидантами. Число эндогенных соединений, относимых к антиоксидантам, постоянно возрастает.
До настоящего момента нет единой классификации систем антиоксидантной защиты клеток. Уровни защиты клеток макроорганизма от активных форм кислорода могут быть представлены следующим образом: 1-й уровень – системная защита клеток за счет значительного снижения напряжения кислорода в тканях по сравнению с атмосферным воздухом; 2-й уровень – обеспечивается в процессе четырехэлектронного восстановления основной массы внутриклеточного кислорода при участии цитохромоксидазы без освобождения свободных радикалов; -й уровень – ферментативное удаление образовавшихся супероксидного анион-радикала и перекиси водорода; 4-й уровень – наличие ловушек свободных радикалов (антиоксидантов); 5-й уровень – ферментативное восстановление гидроперекисей полиненасыщенных жирных кислот [9].

Высокомолекулярные соединения - ферменты антиоксидантной защиты, а также белки, способные связывать ионы Fe и Cu, являющиеся катализаторами свободнорадикальных процессов. Антиоксидантные ферменты (СОД, ЦП, КАТ, глутатионзависимые ферменты) обеспечивают комплексную антирадикальную защиту биополимеров. Для ферментативных антиоксидантов характерна высокая специфичность, строго определенная органная и клеточная локализация, а также использование в качестве катализаторов металлов Cu, Fe, Mn, Zn, Se.

К числу белков, обладающих способностью связывать металлы с переменной валентностью и, соответственно, обладающих антиоксидантными свойствами, относят альбумины крови, трансферрин, ферритин, лактоферрин. Многие из них весьма эффективны в ингибировании свободнорадикальных процессов, но слабо проникают через мембраны и тканевые барьеры.

Низкомолекулярные антиоксиданты представлены некоторыми аминокислотами, полиаминами, мочевиной, мочевой кислотой, глутатионом, аскорбиновой кислотой, билирубином, токоферолом, витаминами A, K, P.

При этом можно говорить о своеобразных антиоксидантных цепях переноса электронов, эффективность функционирования которых определяется работой всех компонентов.
Эффекты антагонизма установлены в действии смеси токоферола с природными хинонами (убихиноном, филлохиноном). Напротив, фосфолипиды усиливают активность всех антиоксидантов, независимо от их природы. Физиологический компонент обеспечивает равновесие между интенсивностью транспорта кислорода к клеткам и метаболическими процессами, а также редукцией микроциркуляции в тканях при увеличении парциального давления в артериальной крови.

Биохимическая антиоксидантная система защиты организма условно делится на специфическую и неспецифическую: специфическая АОС направлена на уничтожение АФК, которые образовались из продуктов их дальнейших превращений; неспецифическая – предупреждает условия и возможности вытечки электронов и генераций АФК в ходе окислительно-восстановительных реакций [10].

Специфическая АОС включает в себя антиоксидантные ферменты и неферментные соединения.
К специфическим антиоксидантным ферментам можнo отнести каталазу (КАТ), супероксиддисмутазу (СОД) и глутатионзависимые пероксидазы и трансферазы [11]. Антиоксидантные ферменты локализуются в основном внутри клетки и имеют способность разрушать свободные радикалы, а также принимать участие в разложении гидроперекисей нерадикальным путем [12].

Таким образом, рассматривая в общем виде антиоксидантные системы, следует иметь в виду, что организм располагает ферментативными системами, ингибирующими ПОЛ на этапе инициации. Так, СОД инактивирует супероксиданионрадикал, субстратами действия глутатионпероксидазы и каталазы являются перекись водорода и гидроперекиси липидов [7].

Действие ферментных антиоксидантов дополняется в целостном организме естественными антиоксидантами, в частности, витаминами группы Е, стероидными гормонами, серосодержащими аминокислотами, аскорбиновой кислотой, витаминами группы A, K и P, убихиноном, пептидами, производными Υ-аминомасляной кислоты, фосфолипидами, продуктами метаболизма эйкозаноидов, а также тиолами, в частности, эрготионеином, содержащимся в эритроцитах печени, мозге [13].
Ферментные антиоксиданты (АО) практически всегда выполняют свою функцию в клетке. Их синтез и внутриклеточное содержание, как и большинства белков, находятся под генетическим контролем и активизируется под влиянием ряда внешних веществ, к которым относят и фармакологические (введение лекарственных препаратов). Большая молекулярная масса молекул энзимов предотвращает их выход за границы клетки, и одновременно это является преградой для проникновения в клетку и введенным в организм в виде лекарственных препаратов экзогенных ферментов и белков (например, церебролизин или актовегин).

В случае попадания ферментных АО и белков в кровь, они не могут рассматриваться в качестве ключевых механизмов в антирадикальной и антиперекисной защите крови, поскольку очень быстро, на протяжении 5-10 минут инактивируются под действием протеаз крови или выводятся в неизменном виде почками. В результате уровень ферментных АО крови очень низкий и суммарно составляет менее 1% её антирадикальной и антиперекисной активности.

Доказано, что нарушения АОС защиты организма играет большую роль в патогенезе многочисленных заболеваний зрительного аппарата, включая инфекционную патологию и травмы роговицы. Свободные радикалы, образующиеся в организме, являются важными факторами в развитии опухолей, преждевременного старения, сосудистых и мозговых заболеваний. Действие внешних прооксидантов, повышенное потребление кислорода, ионизирующее и ультрафиолетовое облучение, загрязнение воздуха, воды и продуктов, недостаток естественных антиоксидантов (витамины Е, К, А, селен и пр.), врожденная недостаточность ферментов антиоксидантной защиты, другие состояния могут приводить к напряжению системы антиоксидантной защиты организма и вызывать, так называемый, «оксидативный стресс», проявляющийся на молекулярном, клеточном и организменном уровне [14].

Свободные радикалы генерируют высокотоксические метаболиты кислорода, такие как синглетный кислород, перекись водорода и другие [15]. В дальнейшем в процессе липидной пероксидации и оксидативном стрессе, селективно повреждаются клеточные мембраны, которые теряют способность транспортировать кислород, воду, ионы, что, в свою очередь, вместе с повреждениеммитохондрий приводит к преждевременному старению клеток, их апоптозу и другим патологическим изменениям на клеточном уровне[16].

Общий анализ данных об участии АФК в процессах старения и сопровождающих старение заболеваний позволяет ряду авторов утверждать, что повреждение под действием АФК макромолекул приводит к мутациям, нестабильности генома в целом и развитию ряда возрастных патологий, таких, как рак, сердечно-сосудистые заболевания, возрастная иммунодепрессия, дисфункция мозга, катаракта и др. [17, 18, 19, 20, 21].

Конкретный механизм индукции старения свободными радикалами мало понятен. Предполагают, что АФК повреждают хроматин, ДНК, мембраны, коллаген, изменяют регуляцию внутриклеточного кальция и пр. [22, 23].

Важным также является разнонаправленность изменений антиоксидантного статуса в различных органах [20], что соответствует и различной чувствительности к химическим канцерогенам и ионизирующему облучению. Скорость накопления соматических мутаций в разных тканях может существенно различаться с возрастом, причем она выше в печени, чем в мозге [24]. Все это позволяет говорить о возможности использования антиоксидантов в качестве геропротекторов и средств коррекции возрастной патологи [25] .

Нами были проведены исследования антиоксидантной системы и ее влияния на заболевания полового аппарата. Анализируя полученные данные, можно с уверенностью сказать, что антиоксидантная система связана с половым циклом, беременностью и некоторыми патологическими изменениями в половом аппарате. Так уровень МДА существенно повышался при разных формах бесплодия (персистенция желтого тела, гипофункция яичников, кисты яичников), а также в период беременности. Наряду с этим, активность показателей АОС, а именно КАТ и ЦП вначале повышалась, что свидетельствовало о компенсаторном выбросе антиоксидантних ферментов, тогда как в дальнейшем мы наблюдали существенное снижение их активности.

Резкое увеличение продуктов свободнорадикального окисления и снижение активности антиоксидантних ферментов в период беременности и разных форм бесплодия указывают на развитие окислительного стресса, что подтверждается целым рядом исследователей [ 26, 27, 28, 29, 30].

Литература

1. Клебанов Г.И., Теселкин Ю.О., Бабенкова И.В. и др. Антиоксидантная активность сыворотки крови// Вестн. Рос. АМН. −1999. − №2. − С. 15-22.
2. Гюлиханданова Н.Е. Регуляция экспрессии гена церулоплазмина в клетках молочной железы. Автореферат дисс. канд. биол. наук.- Санкт-Петербург, 2004.
3. Саенко Е. Л., Скоробогатько О. В., Ярополов А.И. Взаимосвязь между строением и защитным действием препаратов нормального и патологического церулоплазмина при медьиндуцированном лизисе эритроцитов / // Биохимия. - 1991. - 56,- N5. - С. 820-827.
4. Кения М.В., Лукаш А.И., Гуськов Е.П. Роль низкомолекулярных антиоксидантов при окислительном стрессе// Успехи соврем. биологии. − 1993 . − №4. − С. 456-470.
5. Воскресенский С.К., Жутаев И.А., Бобырев В.Н. с соавт. Антиоксидантная система, онтогенез и старение // Вопр. мед. Химии, 2004. - № 1. - C. 14-27.
6. Воскресенский О.Н., Левицкий А.П. Перекиси липидов в живом организме / О.Н. Воскресенский, // Вопр. мед. Химии, 2003. - Т. 16. - № 6. – С. 563-583.
7. Петрович Ю.А., Гуткин Д.В. Свободнорадикальное окисление и его роль в патогенезе воспаления, ишемии и стресса // Патол. физиол. и экперим. Терапия, 2005. - № 5. - С. 85-92.
8. Непряхина О. К. Изучение динамики митохондриального ретикулума при окислительном стрессе Автореферат дисс. канд. биол. наук. -Москва – 2009.
9. Чеснокова Н.П., Понукалина Е.В., Бизенкова М.Н., Афанасьева Г.А. Общая характеристика антиоксидантных систем макроорганизма. Глава 2. В кн.: Активация липопероксидации как ведущий патогенетический фактор развития типовых патологических процессов и заболеваний различной этиологии. Издательство «Академия Естествознания», 2012.- С. 213-223.
10. Шепелев А.П., Корниенко И.В., Шестопалов А.В. с соавт. Роль процессов свободнорадикального окисления в патогенезе инфекционных болезней // Вопр. мед. Химии, 2004. - № 2. - С. 15-17.
11. Дубина Е.Е. Некоторые особенности функционирования ферментной антиоксидантной защиты плазмы крови человека // Биохимия, 2005. - Вып. 2. – С. 3-18.
12. Cord J.M. Superoxide dismutase. An enzymic function for erythrocuprein (hemocuprein) / J. M. Cord, I. Fridovich // J. Biol. Chem., 2000. - Vol. 244. - Issue 22. - P. 6049-6055.
13. Корж С.М. Дослідження радіозахисних властивостей церулоплазмин. Автореф. дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук, Київ.- 2000.
14. Sies H. Oxidative stress – from basic research to clinical application // Amer. J. Med. – 1991. – Vol. 91, Suppl.3. – P. 31–38.
15. Журавлева Т.Д., Суплотов С.Н., Киянюк Н.С. с соавт Возрастные особенности свободнорадикального окисления липидов и антиоксидантной защиты в эритроцитах здоровых людей // Вопр. мед химии, 2003. - № 5. - C. 17-18.
16. Бурлакова Е.Б., Храпова Н.Г. Перекисное окисление липидов мембран В кн.: // Успехи химии, 2004. - Т. 54. - C. 1540-1558.
17. Голубев А.Г. Изнанка метаболизма. Биохимия, 1996.- т. 61., С. 2018 -2039.
18. Кольтовер В.К. Свободнорадикальная теория старения: современное состояние и перспективы. Успехи геронтологии, 1998.- т. 2. с. 37-42.
19. Cutler R. Human longevity and aging: possible role of reactive oxygen species. Annu. N.Y. Acad, Sci, 1991.-vol.621.-Р.11-28.
20. Dogru-Abbasoglu S., Tamer-Toptani S., Ugurnal B., Kosak-Toker N., Ayka-Toker G., Uysal M. Lipid peroxidation and antioxidant enzymes in livers and brains of aged rats. Mech. Ageing. Devel., vol. 1997.- 98 (2), Р. 177-180.
21. Shigenaga M.K., Hogen T.M., Ames B.N. Oxidative damage and mitochondrial decay in aging. Proc. Nat. Acad. Sci. USA.- 1994.- vol.91 (23).-Р.10771-10778.
22. Papa S., Skulachev V.P. Reactive oxygen species, mitochondria, apoptosis and aging // Molec. Cell. Biochem. - 1997. - Vol.174. - P. 305-319.
23. Yan L.-J., Levine R.L., Sohal R.S. Oxidative damage during aging targets mitochondrial aconitase.// Proc.Nat.Acad.Sci.USA. 1997.-Vol.94. -P.11168-11172.
24. Dolle M.E.T., Giese H., Hopkins C.L. et al. Telomerase expression in human somatic cells does not induce changes associated with a transformed phenotype // Nature Genetics -1997.- Vol.17.- P. 431-434.
25. Anisimov S.V. Volkova M.V., Lenskaya V.K. et al. Age-associated accumulation of the Apolipoprotein C-III gene T-455C polymorphism С allele in a Russian population// J. Gerontol.: Biol. Sci. 2001. -Vol. 56A. – Р. 827-832.
26. Давлетишина Л.Н., Магзумова Н.М. Динамика процессов перекисного окисления липидов у рожениц, страдающих железодефицитной анемией// В кн.: Актуальные вопросы акушерства и гинекологии, Ташкент.-1991.-С.25-27.
27. Колчина А.Ф. Патогенетические особенности токсикозов беременных и фетоплацентарной недостаточности у коров // В кн.: Материалы науч. конференции, посв. 70-летию фак.вет.мед. ВГАУ им. К.Д.Глинки, Воронеж.-1996.- С.43.
28. Колчина А.Ф. Фетоплацентарная недостаточность и токсикозы беременных коров в техногенно-загрязненных регионах Урала и методы их профилактики. Автореф. дисс. на соиск. док. вет. наук. Воронеж, 2000.
29. Кушнир И.Ю. Перекисное окисление липидов и антиоксидантная защита организма у высокопродуктивных коров в предродовый и послеродовый периоды: Автореф. дисс.на соиск. канд.биол.наук, Воронеж, 2002.
30. Савченко А.А., Титова Н.М., Новикова Л.А.с соавт. Система мать-плацента-плод. В кн.: //Вопросы функциональной диагностики.–Красноярск: РИОКрас.
    ГУ, 2006.- С.126.