Оксидативный стресс в повреждении клеток

Оксидативный стресс — повреждение клеток, вызванное АФК (активными формами кислорода), которые относятся к группе молекул, известных как свободные радикалы.

Повреждение клеток, обусловленное свободными радикалами, возникает в различных ситуациях, включая:

• ишемию-реперфузию;
• повреждающее действие химическими веществами;
• облучение;
• гипоксию;
• старение клетки;
• повреждение ткани, связанное с влиянием клеток, участвующих в воспалении.

Во всех этих ситуациях смерть клетки может протекать по типу некроза, апоптоза или по смешанному типу (некроптоз).

Свободные радикалы — это химические соединения с единственным непарным электроном на внешней орбите. Подобные химические состояния чрезвычайно нестабильны, поэтому свободные радикалы легко вступают в реакцию с неорганическими и органическими веществами. Когда свободные радикалы образуются в клетках, они атакуют нуклеиновые кислоты, клеточные белки и жиры. Кроме того, свободные радикалы вызывают реакции, в ходе которых молекулы, реагирующие со свободными радикалами, сами превращаются в свободные радикалы, таким образом, продолжают эту цепь повреждений.

Образование и удаление активных форм кислорода

Накопление АФК определяется темпами их образования и удаления (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Роль активных форм кислорода в повреждении клетки: образование активных радикалов и их удаление из клетки. Образование молекул активных радикалов кислорода увеличивается при воздействии различных повреждающих факторов. Свободные радикалы инактивируются спонтанно или с помощью ферментативных систем. Избыточное образование свободных радикалов или их неэффективное удаление приводит к накоплению свободных радикалов в клетках, что становится причиной повреждения клеточных мембран (липидов, белков) и ДНК, повреждения клетки. СОД — супероксиддисмутаза

АФК образуются двумя основными способами.

1. АФК образуются в клетках при окислительно-восстановительных реакциях в небольших количествах во время клеточного дыхания и производства энергии в митохондриях. В ходе этого процесса молекулярный кислород последовательно восстанавливается в митохондриях за счет четырех электронов; в результате образуется вода. Данная реакция несовершенна, так как кислород полностью не восстанавливается и в клетке появляется небольшое количество невероятно активных, но короткоживущих токсичных медиаторов.

Медиаторы включают супероксид (супероксидный радикал) — О₂ который спонтанно превращается в перекись водорода (Н₂О₂) в результате действия фермента супероксиддисмутаза. Перекись водорода более стабильна по сравнению с О₂ и обладает способностью проникать через биологические мембраны. В присутствии металлов, таких как Fe²⁺, перекись водорода превращается в реактивный гидроксильный радикал •ОН, который используется для разрушения органических веществ (реакция Фентона). Основные свойства и повреждающие действия АФК приведены в табл. 2.3.

2. АФК образуются в фагоцитирующих лейкоцитах, в основном в нейтрофилах и макрофагах, и являются «оружием» для уничтожения микробов и других веществ в ходе воспаления и защитных реакций организма. АФК образуются в фагосомах и фаголизосомах лейкоцитов в ходе процесса, который похож на митохондриальное дыхание и называется респираторным взрывом (или оксидативным взрывом). В ходе этого процесса фермент мембраны фагосомы катализирует образование супероксида, который превращается в Н₂О₂. Перекись водорода (Н₂О₂) в свою очередь превращается в исключительно активное соединение — гипохлорит (основной компонент бытового отбеливателя) с помощью фермента миелопероксидазы, который находится в лейкоцитах.

Оксид азота (NO) — другой активный радикал — образуется в макрофагах и лейкоцитах. Он реагирует с О₂ и образует активное соединение — пероксинитрит, который также вызывает повреждение клетки.

Таблица 2.3. Основные свободные радикалы, принимающие участие в повреждении клеток

Образование свободных радикалов усиливается в нескольких ситуациях:

• Под действием лучистой энергии (например, ультрафиолетовое облучение, рентгеновские лучи). Ионизирующая радиация способствует гидролизу воды с образованием гидроксильного радикала ОН и свободного радикала водорода (-ОН).
• При ферментативном метаболизме экзогенных химических веществ (например, под действием четыреххлористого углерода).
• При воспалении, когда свободные радикалы кислорода образуются в лейкоцитах.
• При реперфузионном повреждении.

Клетки создали множество механизмов для удаления свободных радикалов и уменьшения повреждающего действия. Свободные радикалы исходно нестабильны и распадаются спонтанно. Существуют неферментативные и ферментативные системы, которые участвуют в дезактивации свободных радикалов (см. рис. 2.17):

• Уровень распада супероксида увеличивается в разы при действии супероксидцисмутазы.
• Глутатионпероксидаза — это семейство ферментов, основная функция которых заключается в защите от воздействия свободных радикалов, тем самым они направлены на предотвращение повреждения клеток. Из этого семейства ферментов чаще всего встречается глутатионпероксидаза 1, которая обнаруживается в цитоплазме всех клеток. Она катализирует распад перекиси водорода следующим образом: 2GSH (глутатион) + Н₂О₂ → GSSG + 2Н₂О. Внутриклеточное соотношение окисленного глутатиона (GSSG) к восстановленному глутатиону (GSH) соответствует повышению активности фермента и, таким образом, — способности клетки разрушать свободные радикалы.
• Каталаза, присутствующая в пероксисомах, катализирует расщепление перекиси водорода до воды (2Н₂О₂ → О₂ + 2Н₂0). Это один из самых активных известных ферментов, способный расщепить миллионы молекул Н₂О₂ в 1 с.
• Эндогенные или экзогенные антиоксиданты (например, витамины Е, А, С и Р-каротин) могут либо блокировать образование свободных радикалов, либо нейтрализовать свободные радикалы сразу после их образования.

Повреждения клеток, вызванные активными формами кислорода

АФК приводят к повреждению различных компонентов клетки (см. рис. 2.17):

• Перекисное окисление липидов мембран. Двойные валентные связи в полиненасыщенных жирных кислотах, входящих в состав мембран, служат мишенью для АФК. В ходе реакции между жирными кислотами и свободными радикалами происходит образование пероксидов, которые также являются нестабильными химически-активными веществами, и последующая цепная реакция приводит к синтезу новых свободных радикалов. Повреждение цитоплазматических, митохондриальных и лизосомальных мембран также может привести к катастрофическим последствиям (как это уже обсуждалось выше в контексте ишемии и гипоксии).
• Сшивание и другие изменения белков. Свободные радикалы способствуют перекрестному сшиванию белков, что приводит к разрушению или утрате ими ферментативной активности. Реакции свободных радикалов могут также напрямую вызывать полипептидную фрагментацию цепей. Поврежденные белки не подвергаются фолдингу, что приводит к нарушенному белковому ответу.
• Повреждение ДНК. Взаимодействие свободных радикалов с тиминовыми основаниями в ядерной и митохондриальной ДНК вызывают повреждение ДНК. Такие повреждения ДНК были обнаружены в клетках при апоптозе, старении и злокачественной трансформации.

Активные радикалы кислорода играют важную роль при повреждении клетки и уничтожении микроорганизмов; при низких концентрациях они принимают участие в различных сигнальных путях, то есть в физиологических реакциях. Таким образом, активные радикалы кислорода образуются в условиях нормы, но, для того чтобы избежать повреждений, их концентрация внутри клетки должна находиться под жестким контролем здоровых клеток.