Какие радикалы образуются в наших клетках и тканях?

См. также соответствующий раздел в лекции №5.

Классификация свободных радикалов, образующихся в нашем организме

Согласно предложенной нами классификации, все радикалы, образующиеся в нашем организме, можно разделить на природные и чужеродные. В свою очередь природные радикалы можно разделить на первичные (полезные), вторичные (повреждающие) и третичные (радикалы антиоксидантов) (см. схему на рис. 2 и таблицы 1 и 2). Образование первичных радикалов осуществляется при участии определенных ферментных систем; эти радикалы выполняют полезные для организма функции. Из первичного радикала – супероксида, а также в результате других реакций в организме могут образоваться весьма активные молекулярные соединения: перекись водорода, гипохлорит и гидроперекиси липидов. Под действием ионов металлов переменной валентности, в первую очередь – ионов Fe²⁺, из этих веществ образуются вторичные свободные радикалы, такие как радикал гидроксила и радикалы липидов, которые оказывают разрушительное действие на клеточные структуры (таблица 2).

Таблица 1. Первичные радикалы, образующиеся в нашем организме

Название радикала	Структура радикала	Ферментная система, ответственная за образование радикала	Биологическая роль радикала
Супероксид	·OO^-	НАДФН-оксидаза	Антимикробная защита
Нитроксид	·NO	NO-синтаза	Фактор расслабления сосудов
Убихинол	·Q	Дыхательная цепь митохондрий	Переносчик электронов

Таблица 2. Вторичные радикалы

Название радикала	Структура радикала	Образуется в реакции
Радикал гидроксила	·OH	Fe^2+ + HOOH -> Fe^3+ + HO^- + ·OH Fe^2+ + ClO^- + H^+ -> Fe^3+ +Cl ^- + ·OH
Липидные радикалы	LO· L· LOO·	Fe^2+ + LOOH -> Fe^3+ + HO^- + LO· LO· + LH -> LOH + L· L· + O2 -> LOO·

Перечисленные в таблицах 1 и 2 радикалы можно считать природными, поскольку они в определенном количестве всегда образуются в наших клетках. Наряду с этими радикалами разрушительное действие могут оказывать радикалы, появляющиеся при таких воздействиях, как ионизирующее излучение, ультрафиолетовое облучение или даже освещение интенсивным видимым светом, например, светом лазера. Такие радикалы можно назвать чужеродными. К ним принадлежат также радикалы, образующиеся из попавших в организм посторонних соединений, ксенобиотиков, многие из которых оказывают токсическое действие именно благодаря свободным радикалам, образующимся при метаболизме этих соединений.

Радикалы кислорода

Человеку, как и всякому многоклеточному организму, приходиться бороться с микробами, случайно попавшими внутрь его тела в кровь. Эту борьбу ведут специализированные клетки – фагоциты, к которым относятся гранулоциты и моноциты крови и тканевые клетки – макрофаги. Все эти клетки, соприкасаясь с поверхностью клеток бактерий, начинают энергично выделять свободные радикалы в результате переноса электрона от НАДФН-оксидазного ферментного комплекса, встроенного в мембраны фагоцита, на растворенный молекулярный кислород (см. схему на рис. 3).

НАДФН + 2O2 -> НАДФ^+ + 2O2^•- (супероксид анион–радикал)

При этом каждая молекула НАДФН, окисляясь, отдает два электрона в цепь переноса электронов, а каждый из этих электронов присоединяется к молекуле кислорода, в результате чего образуется супероксид – (анион)радикал. Супероксидные радикалы, как мы увидим позже, могут нанести вред как самим фагоцитам, так и другим клеткам крови и, разумеется, микробам, вызвавшим активацию макрофага. Естественно, что все эти клетки стараются избавиться от супероксид-радикалов, для чего они вырабатывают ферменты, называемые супероксиддисмутазами (СОД).Различаясь по строению активного центра и структуре полипептидной цепи, все СОД катализирует одну и ту же реакцию дисмутации супероксидного радикала:

При этом супероксид превращается в кислород и перекись водорода. Судьба последней может быть разной (см. рис. 2 из лекции №5).

Чтобы увидеть пояснения к рисунку нажмите здесь.

В норме фагоциты используют перекись водорода для синтеза гипохлорита, выделяя специальный фермент - миелопероксидазу (МП). Миелопероксидаза катализирует реакцию:

Гипохлорит разрушает стенку бактериальной клетки и тем самым убивает бактерии. Перекись водорода диффундирует в клетки, но там разрушается в результате активности ферментов каталазы и глутатион-пероксидазы (GSH-пероксидазы), которые катализируют, соответственно, такие реакции:

В присутствии ионов двухвалентного железа перекись водорода разлагается с образованием гидроксильного радикала (HO·):

H2O2 + Fe^2+ -> Fe^3+ + HO^- + HO·

Эта реакция (известная как реакция Фентона) приводит к печальным последствиям для окружающих клеток. Радикал гидроксила чрезвычайно активен химически и разрушает почти любую встретившуюся ему молекулу. Действуя на SH-группы, гистидиновые и другие аминокислотные остатки белков, HO· вызывает денатурацию последних и инактивирует ферменты. В нуклеиновых кислотах HO· разрушает углеводные мостики между нуклеотидами и, таким образом, разрывает цепи ДНК и РНК; в результате чего происходят мутации и гибель клеток. Внедряясь в липидный слой клеточных мембран, гидроксильный радикал запускает (инициирует) реакции цепного окисления липидов, что приводит к повреждению мембран, нарушению их функций и гибели клеток. Таким образом, радикал HO· – это радикал-разрушитель, радикал-убийца. Гидроксильный радикал образуется не только в реакции Фентона. А. Н. Осиповым в нашей лаборатории было показано, что гидроксильные радикалы образуются также при взаимодействии ионов железа (Fe²⁺) с гипохлоритом. При этом радикал гидроксила выделяется даже с более высоким выходом, чем в реакции Фентона.

ClO^- + Fe^2+ + H^+ -> Fe^3+ + Cl^- + HO·

Возвращаясь к реакциям утилизации перекиси водорода, можно сказать, что первая из них – реакция, полезная для организма человека, вторая и третья – защитные, а две последние – безусловно вредны для окружающих клеток и тканей. Супероксидный радикал и продукты его метаболизма (H₂O₂, HO·, ·OO^-, ClO^-) называют активными формами кислорода.

Окись азота

Второй свободный радикал, синтезируемый живыми клетками, – это монооксид азота NO·, часто называемый просто окисью азота. Структурную формулу окиси азота можно записать как ·N=O. NO· образуется клетками стенок кровеносных сосудов (эндотелия); эта реакция катализируется гем-содержащим ферментом NO-синтазой. В присутствии соединений, содержащих SH-группы, из ·NO образуется выделяемый эндотелием "фактор расслабления". Он играет ключевую роль в регуляции тонуса сосудов и кровяного давления: его недостаток приводит к гипертонии, избыток – к гипотонии. Именно с нарушением метаболизма фактора расслабления связывают такие заболевания как эссенциальная гипертензия и другие, связанные с нарушением нормального кровяного давления. ·NO выделяется также клетками-фагоцитами и вместе с супероксид-радикалами используется для борьбы с микробами (преимущественно грибковой природы). Полагают, что цитотоксическое действие NO· обусловлено его реакцией с супероксидом:

^•N=O + ^•O-O^- + H^+ -> O=N-O-OH (пероксинитрит)

Пероксинитрит, образующийся в этой реакции, может разлагаться с образованием ·OH:

O=N-O-OH -> O=N-O· + HO· (радикал гидроксила)

Образование пероксинитрита и радикала гидроксила приводит к повреждению клеток при взаимодействии ·NO с супероксидом. Хорошо, если повреждающее действие системы (·NO + супероксид) направлено на болезнетворные микроорганизмы. Плохо, если оно направлено на свои собственные клетки и ткани. Поэтому в тех участках кровяного русла, где выделяется ·NO (как необходимый регулятор кровяного давления), не должно быть супероксидных радикалов. Для этого, в частности, в этих местах синтезируется фермент СОД, который удаляет супероксид.

Радикал коэнзима Q

Биологическое окисление субстратов клеточного дыхания, таких как глюкоза, пировиноградная и янтарная кислота и другие, осуществляется, как известно, в два этапа. На первом этапе в цикле трикарбоновых кислот происходит последовательный отрыв атомов водорода от субстрата и образование восстановленных форм пиридиннуклеотидов НАДН и НАДФН. На втором этапе электроны от НАДН и НАДФН переносятся по так называемой дыхательной цепи на кислород. В состав дыхательной цепи входят флавопротеиды, комплексы негемового железа, убихинон и гемопротеиды (цитохромы a,b и c и цитохром-оксидаза). Схема дыхательной цепи дана на рис. 4. Важным звеном цепи переноса электронов служит убихинол (коэнзим Q)(см. рис. 5), радикал которого (семихинон, ·QH) образуется либо при одноэлектронном окислении убихинола (QH₂, гидрохинон-форма) (см. рис. 6), либо при одноэлектронном восстановлении убихинона (Q) (см. рис. 7). В норме радикал этот – не более как рядовой участник процесса переноса электронов; но при нарушении работы дыхательной цепи он может стать источником других, менее безобидных радикалов, в первую очередь, радикалов кислорода.