Ферменти антиоксидантного захисту

Клінічне використання цих ферментів обмежене в умовах сучасної медичної практики, однак показники активності антиоксидантних ферментів широко використовуються у наукових дослідженнях як тест при окиснювальному стресі. Висока чутливість системи антиоксидантних ферментів до дії зовнішніх факторів (як фізичної, так і хімічної природи) дозволяє використовувати їх із метою фізіолого-біохімічного моніторингу.

 

4.18.1. Глутатіонпероксидаза (ГПО, КФ 1.11.1.9) – один із ключових ферментів антиоксидантної системи організму, функціями якого є руйнування та інактивація перекису водню та гідроперекисів за допомогою глутатіону. ГПО володіє широкою субстратною специфічністю відносно гідроперекисів, але є абсолютно специфічною до відновленого глутатіону (GSH), який у результаті реакції переходить у окиснену форму (GSSG):

ROOH + 2GSH→ROH + GSSG + H₂O.

Фермент міститься практично в усіх тканинах. Активність ГПО є найбільшою в печінці, надниркових залозах, кришталику, еритроцитах, підшлунковій залозі, дещо нижчою – в нирках; середні значення характерні для серця, легенів, селезінки, головного мозку, низькі значення – для сім’яників, шлунково-кишкового тракту, м’язів, сполучної тканини.

ГПО клітин печінки складається із чотирьох субодиниць, кожна з яких містить в активному центрі атом селену. У клітинах печінки ГПО локалізована в цитозолі й матриксі мітохондрій. Таким чином, Н₂О₂, що утворюється при роботі пероксисомальних ферментів, видаляється каталазою, що міститься в пероксисомах, а Н₂О₂, який утворюється в мітохондріях і ендоплазматичному ретикулумі, руйнується переважно під дією ГПО. ГПО має в 1000 разів більшу спорідненість до Н₂О₂ порівняно з каталазою, тому ГПО розглядають як антиоксидантний фермент, що має першорядне значення в захисті клітини від постійно утворюваного перекису водню. Разом із цим ГПО здатна відновлювати гідроперекиси жирних кислот, перекиси білкового й нуклеїново-кислотного походження.

Крім селеновмісної ГПО, в організмі тварин виявлено ГПО, що не містить селену, має інші физико-хімічні й каталітичні властивості. Активність селеновмісної ГПО прямо залежить від рівня селену в організмі. Зниження активності ферменту при недостатності селену залежить від зменшення кількості мРНК цього білка. Перекис водню й активні радикали, які утворюються в результаті перекисного окиснення ліпідів (ПОЛ), призводять до дестабілізації клітинних мембран і у тяжких випадках до їх руйнування. Активація ПОЛ спостерігається при різних захворюваннях: ішемії органів і тканин, цукровому діабеті, атеросклерозі та ін. Визначення ГПО допомагає оцінити антиоксидантну здатність організму при різних захворюваннях, а також у людей із підвищеним ризиком селенового дефіциту (у старечому віці, при поганому харчуванні, курінні, алкоголізмі, стресі, нирковій недостатності, хворобі Крона, аутоімунних захворюваннях, хіміотерапії та ін.), дає змогу рекомендувати призначення препаратів для антиоксидантної терапії й оцінювати ефективність терапії.

Бажано використовувати норми значень активності ферменту стосовно тих лабораторій, у яких проводяться дослідження. Збільшення активності ГПО спостерігається при: дефіциті глюкозо-6-фосфатдегідрогенази, гострому лімфоцитарному лейкозі, таласемії. Зменшення активності ГПО супроводжує серцево-судинні захворювання, атеросклероз, цукровий діабет, залізодефіцитну анемію, аутоімунні захворювання (ревматоїдний артрит), процеси старіння організму, муковісцидоз.

Активність ГПО знижена у хворих на алкоголізм, у результаті чого знижується захист печінкових клітин від пошкоджувальної дії алкоголю. Рівень ГПО й селену в крові у таких хворих повертається до норми після абстиненції. Тому моніторинг активності ГПО дозволяє контролювати перебіг захворювання, вчасно додавати до комплексного лікування хворого препарати селену.

Зниження активності ГПО виявляється у хворих на шизофренію та маніакально-депресивний психоз, де вільним радикалам відводиться провідна роль у патогенезі їх розвитку.

У хворих на муковісцидоз погано абсорбується селен, що призводить до зниження активності ГПО. Моніторинг активності ГПО у таких хворих дозволяє вчасно прийняти рішення про проведення замісної терапії.

Зменшення активності ГПО значно підвищує ризик виникнення ракових захворювань.

Низька активність ГПО та низький рівень селену можуть бути причиною безплідності.

Вільні радикали беруть участь у патогенезі ревматоїдного артриту, тому у таких хворих дуже часто знижені активність ГПО та вміст селену.

Активність ГПО знижена у хворих, які перебувають на програмному гемодіалізі, що викликано пов’язаною з гемодіалізом недостатністю мікроелементів, зокрема селену.

Із віком рівень активності ГПО знижується. Цим можна пояснити збільшення частоти онкологічних захворювань і розвиток атеросклерозу. Моніторинг активності ГПО через 1–5 років дозволяє ефективно проводити профілактичне лікування антиоксидантами.

Активність ГПО визначають спектрофотометричним методом при довжині хвилі 340 нм. Про швидкість ГПО-реакції судять за зменшенням оптичної густини у результаті окиснення НАДФН, що відбувається внаслідок здійснення спряжених ферментативних реакцій: утворення окисненого глутатіону під дією ГПО та його подальшого відновлення, взаємозв’язаного з окисненням НАДФН під дією ГР.

 

4.18.2. Глутатіонредуктаза (ГР; КФ 1.6.4.2) – НАДФ-залежний фермент, що каталізує перетворення окисненої форми глутатіону у відновлену:

GSSG + HAДФН + Н⁺ → 2GSH + HAДФ⁺.

ГР наявна практично в усіх тканинах, але найбільший її вміст у нирках, печінці, серці й еритроцитах.

Підвищення активності ферменту спостерігається при гепатиті, механічній жовтяниці, цукровому діабеті, при дефіциті глюкозо-6-фосфатдегідрогенази, серпоподібній і мегалобластичній анеміях, після введення нікотинової кислоти, після фізичного навантаження. Нестача ГР відмічається при дефіциті рибофлавіну.

Для визначення активності ГР використовують оптичний тест Варбурга.

4.18.3. Супероксиддисмутаза (супероксид: супероксид-оксидоредуктаза, СОД, КФ 1.15.1.1.) – фермент (металопротеїн), що каталізує реакцію дисмутації двох супероксидних радикалів, перетворюючи їх на менш токсичний пероксид водню й кисень:

2 О₂^•-+ 2 Н⁺ → О₂ + Н₂О₂.

Розрізняють декілька ізоформ СОД, що відрізняються за наявністю кофакторів (металів – мідь, цинк, марганець, залізо). При інфаркті міокарда СОД захищає серцевий м’яз від дії вільних радикалів, які утворюються при ішемії, при цьому в сироватці крові при інфаркті міокарда реєструється висока активність ферменту. Ступінь підвищення СОД обернено пропорційний діяльності лівого шлуночка, що використовується як маркер для оцінки ушкодження міокарда та при м’язовій дистрофії. Виявлення великих концентрацій СОД в організмі можливе при різних захворюваннях: ішемії органів, нефропатії, захворюваннях, що супроводжуються запаленням (ревматоїдний артрит).

Високий рівень СОД у септичних хворих є раннім маркером розвитку у них респіраторного дистрес-синдрому.

Можливе значне збільшення активності СОД при синдромі Дауна (трисомія за 21-ю хромосомою), оскільки ген супероксиддисмутази – Cu/Zn SOD розміщується в 21-й хромосомі. При такому захворюванні та при старінні, зокрема ранньому, надлишок СОД приводить до накопичення перекису водню в тканині мозку.

При захворюваннях нирок рівень СОД зростає у відповідь на посилене утворення вільних радикалів, після гемодіалізу активність ферменту нормалізується.

Рівень активності СОД у спермі пов’язаний із рухливістю сперматозоїдів; зниження активності СОД приводить до порушення рухливості цих клітин.

Рівень СОД знижений у хворих з ослабленою імунною системою, що робить таких людей чутливими до респіраторних інфекцій із розвитком пневмонії.

Рівень еритроцитарної СОД підвищений у хворих на гепатит, при різних формах лейкемії. Еритроцитарна СОД буває низькою при ревматоїдному артриті; за її рівнем можна судити про ефективність терапії, що проводиться. Призначення хворим на ревматоїдний артрит препаратів СОД призводить до ремісії захворювання.

Активність СОД визначають спектрофотометричним методом за інгібуванням швидкості відновлення нітросинього тетразолію в неензиматичній системі феназинметасульфату і НАДН.

 

4.18.4. Каталаза (КФ 1.11.1.6; Н₂О₂: Н₂О₂ – оксидоредуктаза) – фермент, що каталізує реакцію розкладання перекису водню на воду та молекулярний кисень:

2Н₂О₂ = О₂ + 2Н₂О.

Каталаза являє собою гемопротеїн, простетичною групою якого є гем, що містить іон тривалентного заліза. Молекула каталази складається із чотирьох ідентичних субодиниць із молекулярною масою 60 кДа та має відповідно чотири простетичні групи. Ферипротопорфіринові групи гему щільно зв’язані із білковою частиною ферменту – апоферментом – і не відділяються від нього при діалізі. Оптимальна величина рН для каталази знаходиться в межах значень 6,0–8,0. Каталаза значно поширена у тканинах людини. У клітинах каталаза локалізується у спеціальних органелах – пероксисомах. Біологічна роль каталази полягає в деградації перекису водню, що утворюється в клітинах у результаті дії ряду флавопротеїнових оксидаз (ксантиноксидази, глюкозооксидази, моноамінооксидази й ін.), і забезпеченні ефективного захисту клітинних структур від руйнування під дією перекису водню.

Генетично зумовлена недостатність каталази є однією з причин так званої акаталазії – спадкового захворювання, що клінічно проявляється виразкою слизової оболонки носа й ротової порожнини, іноді різко вираженими атрофічними змінами альвеолярних перетинок і випадінням зубів. Активність каталази в еритроцитах залишається постійною при деяких захворюваннях, проте при злоякісній та інших макроцитарних анеміях збільшується так званий каталазний індекс (відношення величини каталазної активності певного об’єму крові до кількості еритроцитів у цьому об’ємі), що має істотне діагностичне значення. При злоякісних новоутвореннях відмічається зменшення активності каталази в печінці й нирках, причому існує залежність між величиною пухлини, швидкістю її росту й ступенем зменшення активності каталази. З деяких пухлин виділені речовини – токсогормони, які при введенні експериментальним тваринам викликають у них зниження активності каталази в печінці.

Методи визначення активності каталази базуються на реєстрації утвореного в процесі реакції О₂ (манометричним або полярографічним методами) або на вимірюванні поточної (спектрофотометричним) або залишкової (перманганатометричним, йодометричним та іншими титриметричними методами) концентрації перекису водню.

У комплексі з іншими антиоксидантними ферментами (супероксиддисмутаза, глутатіонредуктаза) та продуктами вільнорадикального окиснення ліпідів (малоновий діальдегід, гідроперекиси ліпідів та ін.) вимірювання активності каталази є кількісним показником антиоксидантного захисту організму.