Свободнорадикальные реакции в интенсификации

компенсаторно-адаптационных процессов

Свободные радикалы - это атомы или группы химически связанных атомов, которые имеют неспаренные электроны на внешний валентной орбитали, то есть свободные валентности, наличие которых определяет их высокую химическую реакционную способность. Процессы, в которых участвуют  эти свободные радикалы, являются обязательным атрибутом нормального аэробного метаболизма.

Молекулярный кислород в обычных условиях не вступает в прямые неферментативные химические реакции с органическими соединениями, которые входят в состав живых клеток и тканей. Реакции с участием О2 в живой клетке зачастую протекают в активных центрах оксидаз или оксигеназ [158]. Во время этих реакций промежуточные продукты восстановления О2 не выделяются во внешнюю среду, а превращаются до конечных соединений в реакционном центре ферментов. Вместе с этим, в биологических системах могут образоваться и все промежуточные продукты восстановления молекулы О2:

- О2-·

- НО2-·

- ОН·

- Н2О2

Эти соединения обладают высокой реакционной способностью и получили название активных форм кислорода (АФК).

Образование АФК является следствием неполного:

- одноэлектронного (образование О2-·),

- двухэлектронного (образование HO2-·) или

- трёхэлектронного (образование Н2О2)

восстановления кислорода вместо полного четырёхэлектронного его восстановления, которое приводит к образованию воды (H2O). Процесс полного восстановления О2 до Н2О более энергозависимый, чем процессы неполного восстановления, и осуществляется конечным ферментом дыхательной цепи митохондрий - цитохромоксидазой. Кроме продуктов восстановления кислорода, к АФК относят также:

- молекулы кислорода в синглетном состоянии (1О2)

- окисел азота (NО)

- пероксинитрит (ОNОО·)

- гипогалогениты (НОСl, НОВг, НОJ)

- а также продукты перекисного окисления липидов

   (ПОЛ) - перекисные (RО2-·) и алкоксильные (RО·)

   радикалы. Ниже представлены схемы восстановления молекулы О2 и её строение (рис. 1,2,3).

АФК - нестабильные соединения. Известно, что время жизни АФК в биологических системах очень коротко (рис. 4). Соответственно времени жизни изменяется и радиус диффузии каждого из них в живых организмах (рис.5).

 

 

 

Известно, что кислородные свободные радикалы принимают участие:

- в метаболизме ксенобиотиков в организме;

- при повреждениях, вызванных ишемией и реперфузией;

- в онтогенезе и в клеточной пролиферации;

- в регуляции тонуса сосудов;

- при воспалении;

- при бактериальных и вирусных инфекциях;

- в регуляции метаболических процессов как внутриклеточные мессенджеры;

- в канцерогенезе;

- в атерогенезе;

- при старении и т.д.

В человеческом организме выявлено много систем, которые продуцируют активные формы кислорода, как в физиологических условиях, так и в патологических. Это образование кислородных свободных радикалов:

- в дыхательной цепи митохондрий;

- в электронно-транспортной цепи микросом;

- путём перехода оксигемоглобина в метгемоглобин;

- во время метаболизма арахидоновой кислоты;

- в реакции гипоксантин-ксантиноксидаза;

- при биосинтезе и окислении катехоламинов;

- под воздействием ионизирующего излучения, озона, NO, NO2;

          - при фотолизе и функциональной активности фагоцитирующих клеток

крови (нейтрофилов, моноцитов, макрофагов.

Поскольку в организме всегда есть вода, возможны реакции спонтанной дисмутации активных форм кислорода между собой:

ОН- →ē + ОН ;                            ОН- + ОН +О2-→ Н2О2 + О2- ;

ē + H+H;                                              НО2 + О2 + H+ → Н2О22;

ē +О2 →О2-                                                2НО2- →Н2О2 + O2;

H2 → НО2-;                             НО2- +ОН → Н2О+О2;

О2- + H+ → НО2-;                                   2˙- + 2H+H2О22;

ОH+ Н2→ Н2О + Н                    Н + НО2H2О2;

О2 +2ē + 2Н+→ Н2O2;                               2ОН → Н2О2.

Реакции дисмутации могут происходить и с участием металлов переменной валентности (Fe, Cu, Zn, Mo, Mn, Co):

Fe2+ + O2 +H+Fe3+ +HО.2.;

Fe2+  + H2О2Fe3+ + OH- + OH;

Fe3+ + H2O2→Fe2+ +2H+ +O2-

Fe3+ + O2-→Fe2+ +O2.

 

Рис.6. Основные пути генерации, конверсии и утилизации АФК в организме человека.

 

В реакциях преобразования кислородных свободных радикалов принимают участие также и антиоксидантные ферменты:

супероксиддисмутаза (E-Cu2+, E-Mn3+, E-Fe3+):

Е-Сu2+  + О2- →Сu+ + О2;

Е-Сu+  2- +2H+→Е-Си2+2О2;

       каталаза и пероксидаза:

E - Fe3+ - ОН- + Н2О2 → Е – Fe3+ - ООН- + H2О

E-Fe3+ - OOH-+H2O2→E-Fe3+ - OH- +H2O + O2.

В реакциях ПОЛ при радикал-радикальной аннигиляции происходит обрыв цепей с образованием молекулярных продуктов реакции:

RO + O2- + H+RОH + О2;

ROO + O2-ROOH + O2

RO2 +RO2R = O + O2 +hv.

Следствием обрыва цепей в этих преобразованиях будет образование пероксида водорода и кислорода. По мере накопления пероксид водорода в реакциях дисмутации  содействует образованию de novo свободных радикалов, которые снова могут вступать в вышеуказанные преобразования с образованием Н2О2 и выделением кислорода:

О2- + Н2О2 → О2 + ОН- + ОН;

ОН2О2H2O +H+ 2-;

Н2О2 +ē→ОН + ОН-.

Таким образом, поддерживается стационарная цепь образования пероксида водорода, который определяет соответствующую концентрацию свободных радикалов и ведёт к образованию эндогенного кислорода.

Всесторонние исследования этого вопроса сделаны Зайцевым В.В. и сотрудниками, которые добавляли экзогенную каталаза и супероксиддисмутазу в перитонеальные макрофаги, прикреплённые к стеклу, к яйцеклеткам морского ежа вида St. intermedius и сперматозоидов in vitro. Авторы с помощью полярографического метода исследования выявили уменьшение скорости утилизации кислорода. Кроме этого, исследователи наблюдали снижение скорости дыхания во время добавления к суспензии гепатоцитов и яйцеклеток морского ежа маннитола, что является специфическим перехватчиком гидроксильного радикала. Все эти данные, бесспорно, свидетельствуют о том, что в организме происходит образование кислородных свободных радикалов, которые с участием антиоксидантных ферментов обеспечивают образование эндогенного кислорода и поддержание кислородного гомеостаза при активном дыхании.

Подобный эффект описан в работах Л.С. Ягужинского, где показано, что супероксиддисмутаза, ионы Сu и каталаза ингибируют цианид-резистентное дыхание митохондрий печени, а добавление каталазы в камеру во время опыта приводит к выделению эндогенного кислорода.

В серии работ, осуществлённой под руководством В.К. Гусака, изучали оксигенирующее действие внутриартериальных инфузий пероксида водорода при различных видах ишемии. Авторы выявили, что непосредственная инфузия раствора Н2О2 приводит к повышению напряжения кислорода в тканях и интенсификации тканевого дыхания. При этом повышается активность каталазы, а концентрация малонового диальдегида (МДА) снижается. Авторы приходят к выводу, что пероксид водорода не только проявляет оксигенирующее действие, но и прямо участвует в поддержании окислительно-восстановительных процессов, которые повышают активность утилизации недоокисленных метаболитов.

В этом плане интересны работы В.П. Галанцева и сотрудников, которые исследовали перекисные процессы у водных и полуводных животных, для которых задержка дыхания во время ныряния является физиологической нормой. Так, уровень активности антиоксидантних ферментов - каталазы и пероксидазы - у этих животных на порядок выше, чем у наземных животных. При недостатке кислорода, который возникает при задержке дыхания, резко активируется система перекисного окисления липидов, а дополнительное количество кислорода образуется при разложении пероксида водорода каталазой. То есть - у ныряющих животных функционирование системы ПОЛ направлено на поддержание в их тканях высокого уровня кислорода, необходимого в аэробном энергетическом обмене во время задержки дыхания.

На это обращает внимание и В.А. Барабой, который поддерживает идею Г. Селье о том, что активные формы кислорода выступают в роли "первичного медиатора" стресса. Активация ПОЛ, которая является следствием действия стрессора, в свою очередь, мобилизует реализующие стресс-системы, реактивно увеличивая антиоксидантный потенциал живой системы.

Во многих работах можно найти подтверждение тому, что лазерное и ультрафиолетовое облучение сопровождается не только генерацией активных форм кислорода, но и повышением антиоксидантной активности, которая приводит к утилизации продуктов ПОЛ. Так, исследованиями В.Н. Коробова и соавторов выявлено возрастание активности супероксидцисмутазы и каталазы в гемолизатах крови животных, облучённых рентгеновскими лучами. Вместе с этим, дыхательные гемопротеиды крови и мышц под влиянием стрессорных факторов способны выполнять функцию генераторов супероксиданионов, которые, обезвреживаясь антиоксидантной системой, обеспечивают образование резерва молекулярного кислорода в виде пероксида водорода. Распад Н2О2  до воды и кислорода в результате реакции, что осуществляется каталазой, создаёт условия для оксигенации части восстановленного гемоглобина.

Показано, что кислород, образованный в замкнутых модельных системах в результате каталазной реакции с Н2О2 без его экзогенного доступа, используется для оксигенации гемоглобина. Во время введения в свежеприготовленные гемолизаты слабых концентраций Н2О2 в открытых системах выявляется дополнительная оксигенация гемоглобина после двух минут латентного периода. Очевидно, что гемоглобин, кроме известных ранее функций, катализирует оксидазную реакцию, при которой кислород восстанавливается до пероксида водорода:

Нb2+ + О2 + 2ē + 2Н+→ НЬ2+ +H2О2.

Таким образом, оксидазная активность гемоглобина обеспечивает образование дополнительного количества молекулярного кислорода.

Вышеприведённый анализ показывает, что свободнорадикальные процессы являются теми посредниками, с помощью которых реализуются все виды активаций, которые широко применяются в медицинской практике. Это электрохимическая, ультразвуковая, магнитная, термическая активации, различные виды облучения и пр. Самой эффективной и самой распространённой среди них является электрохимическая активация.

Так, в медицине давно эмпирически применяют электроактивированный водный раствор гипохлорита натрия, который получают электролизом 0,89 % раствора хлорида натрия. Гипохлорит натрия применяют для:

- очищения и ускорения заживания ран;

- угнетения воспалительных процессов;

- уничтожения болезнетворных микроорганизмов;

- стимуляции репаративных процессов;

- при хирургической инфекции;

- для лечения перитонита, сепсиса, отравлений, остро-

  го панкреатита и прочих заболеваний.

Известно, что гипохлорит натрия (NaClO) вызывает ПОЛ в составе липопротеинов, которые выполняют липид-транспортную функцию в крови, причём, при высоких концентрациях NaClO содержание МДА сначала резко возрастает, а потом постепенно уменьшается. В сыворотке крови собак гипохлорит элиминирует продукты ПОЛ, не вызывая снижения антиоксидантной активности. Взаимодействие NaClO с каталазой вызывает ингибирование каталазной и появление пероксидазной активности.

Из литературы также известен препарат персульфат натрия (ПСН), который используют как антигипоксант при тканевой гипоксии. Он содействует нормализации процессов дыхания в тканях с выраженной гипоксией:

- после облучения летальными и сублетальными дозами клеток злокачественных опухолей;

- при сахарном диабете;

- ишемии;

- гепатитах, циррозах печени;

- язвенной болезни желудка и 12-перстной кишки;

- гнойных, инфекционных и иных заболеваниях.

Для проверки этих обобщений нами была проведена серия модельных и экспериментальных исследований роли свободнорадикальных реакций в поддержании кислородного баланса функционирующих систем. Как показали полярографические исследования, под влиянием препаратов NaClO и ПСН напряжение кислорода (рО2) при инкубации гомогената печени крысы значительно повышается.

При введении этих растворов в начале инкубации рО2 через 25 минут было в 5 раз более высоким по сравнению с контролем, в который добавляли среду инкубации при тех же условиях (рис. 7). Добавление такой же концентрации NaClO и ПСН после 5 минут инкубации увеличивает рО2 на 25-той минуте уже в 10 раз (рис. 8).

Тем не менее, введение NaClO и ПСН на 15-той минуте инкубации не приводит к возрастанию напряжения кислорода. Оно увеличивается только кратковременно на 10 - 15 мм. рт.ст., а потом возвращается к контрольному уровню (рис.8). Это доказывает, что система с течением времени стареет и истощается, а препараты NaClO и ПСН не являются непосредственными донаторами кислорода, а только стимулируют окислительные процессы в гемогенатах с инкубационной средой

 

Рис. 8. Изменение напряжения кислорода при инкубации гомогената печени крысы под влиянием экзогенных добавок:

1 - контроль (среда инкубации + гомогенат);

2,3 – опыт (стрелками показаны добавки - 0,5мл NaCIO,  0,2 мл ПСН).

А сами окислительно-восстановительные процессы, которые обеспечивают активирующие препараты, без взаимосвязи с процессами, которые происходят в гомогенате, также не дают должного эффекта.

Это подтверждает и непосредственное определение нами окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) в гомогенате, который через 15 минут инкубации значительно уменьшался. На это указывает также и значительное увеличение концентрации супероксидрадикала и пероксида водорода в сыворотке крови под влиянием препаратов NaClO и ПСН.

Следовательно, вышесказанное показывает, что в результате различных видов активации фактически получается возрастание концентрации свободных радикалов, из которых при участии окислительно-восстановительных реакций происходит образование перекиси водорода и кислорода. А появившийся кислород инициирует оксидазные реакции клеток, в частности, активирует ПОЛ в мембранах. Вместе с этим кислородные свободные радикалы активируют АОС клеток, индуцируя синтез ферментативных антиоксидантов. Кроме этого, стимулируются процессы, которые приводят к повышению интенсификации реакций цикла Кребса и вовлечению восстановленных эквивалентов с участием дыхательной цепи в окислительное фосфорилирование. Такое протекание реакций  способно обеспечить не только эффективную элиминацию свободнорадикальных метаболитов и продуктов ПОЛ (МДА и других недоокисленных субстратов), но и их использование в различных синтезах, которые поддерживают индукцию антиоксидантов и репарацию повреждённых клеточных мембран.

Эта мысль согласуется с исследованиями В.В Давыдова и сотрудников, которые с помощью меченных изотопом углерода (С14) МДА и малоновой кислоты установили возможность их утилизации в окислительных процессах. Угнетая реакции в цикле Кребса непосредственным введением АТФ и восстановленных пиридиннуклеотидов в инкубационную среду, показано уменьшение включения МДА в катаболические и анаболические процессы. А при глубоких дистрофических энергодефицитных состояниях эти процессы угнетаются, что ведёт к появлению токсических концентраций недоокисленных метаболитов.

Тем не менее, как показывают исследования Донченко Г.В., защитное действие антиоксидантов зиждется не только на взаимодействии со свободными радикалами, но и  непосредственно влияет на окислительно-восстановительные процессы в митохондриях, содействуя восстановлению их функциональной активности посредством своей способности быть акцептором протонов, а также стимулирует синтез убихинона и ферментов дыхательной цепи.

Результаты проведённых исследований при изучении нами динамики изменений ПОЛ Û АОА у легкоатлетов-бегунов и в контрольный группе до и после физической нагрузки показали, что перегрузка вызывает различную реакцию у нетренированных и у тренированных людей. Когда в контрольной группе физическая нагрузка сопровождалась активацией ПОЛ, что проявлялось в возрастании малонового диальдегида, и угнетением активности антиоксидантных ферментов - супероксиддисмутазы и каталазы, то у спортсменов отмечалась только лишь тенденция к повышению малонового диальдегида и возрастанию активности супероксиддисмутазы и каталазы.

 Это, по-видимому, связано с угнетением окислительных и синтетических процессов, которые развиваются у нетренированных людей при перегрузке. Для спортсменов, у которых мощность энергетического обмена является более  высокой, данная нагрузка была адекватной, поскольку интенсификация свободнорадикальных реакций и обменных процессов  содействовала как эффективной утилизации недоокисленных метаболитов, так и обеспечению сопряжённости оксигеназных, оксидазных и синтетических процессов, которые поддерживают на должном уровне активность ферментов антиоксидантной защиты.

С этими результатами коррелируют данные об изменении метаболитов углеводного обмена, которые характеризуют интенсивность, мощность и сопряжённость метаболических процессов в состоянии покоя и во время физических нагрузок. Значительно более низкий уровень молочной кислоты и более высокий уровень пировиноградной кислоты до нагрузки в контрольной группе по сравнению со спортсменами указывает на то, что мощность и сопряжённость окислительно-восстановительных процессов у тренированных легкоатлетов преобладает. Это содействует поддержанию высокого уровня восстановленных эквивалентов и их утилизации, как в энергетическом, так и в пластическом обменах.

Возрастание пировиноградной и молочной кислоты в крови спортсменов после нагрузки при высокой скорости утилизации МДА свидетельствует о том, что соответствующая интенсификация окислительных процессов поддерживается на высоком уровне за счёт сопряжённости белкового, углеводного и липидного обменов. Вследствие этого возрастает эффективность синтетических процессов, которые стабильно поддерживают высокую активность антиоксидантных ферментов, которые обеспечивают баланс ПОЛ Û АОА.

Поэтому дисбаланс интенсивности ПОЛ и АОА в контрольной группе при чрезмерных физических нагрузках непосредственно связан с угнетением окислительно-восстановительных реакций и их сопряжения с анаболическим обменом. Кроме этого, как показывают литературные данные и наши исследования, свободнорадикальные реакции, которые происходят в организме, непосредственно ведут к образованию эндогенного кислорода. Такой механизм ведёт к постоянному поддержанию в клетках высокого напряжения кислорода, что стимулирует работу митохондрий, поддерживает кислородный гомеостаз и обеспечивает высокую интенсивность аэробного метаболизма.

Следовательно, активация окислительно-восстановительных процессов, с одной стороны, обеспечивает кислородный обмен и высокий субстратный потенциал, а с другой - эффективную утилизацию недоокисленных субстратов и мобилизацию их в окислительных процессах, что ведёт к высокой интенсивности окислительно-восстановительных реакций, к синтезу макроэргических интермедиатов и активности анаболического обмена, который, собственно, и поддерживает высокую эффективность ферментативной антиоксидантной защиты.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что активация окислительно-восстановительных процессов имеет, прежде всего, регуляторную функцию. Она обеспечивает как мобилизацию эндогенных высоколабильных субстратов, так и их утилизацию. Она также поддерживает сопряжённость окислительных и синтетических реакций, что  содействует повышению стабильности и активности клеточных структур и функциональных систем организма.

Это имеет особое значение при разработке индивидуальных схем метаболической коррекции и в определении режима активирующих влияний, которые бы соответствовали мощности функционирующих систем и постоянному контролю их адекватности. Только при таких условиях активация может обеспечить нормальный синергизм метаболически-функциональной деятельности и будет постоянно поддерживать его развитие и адаптацию к различным экстремальных влияниям.

 

 

Вернуться на главную страницу

Посетить форум