Токсические формы кислорода, их физиологическая роль и токсическое действие

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. Имеется много публикаций, свидетельствующих, что активные формы кислорода стимулируют деление различных типов клеток.

Механизм, по которому активные формы кислорода участвуют в передаче митотического сигнала, неизвестен. Возможно, что АФК могут активировать такие ферменты, как митоген-активируемую киназу p38, что, в свою очередь, приводит к активации транскрипционного фактора HIF-1 и экспрессии соответствующих генов. Показано, что они включают каскад реакций, которые передают митотический сигнал при воздействии "физиологических" агентов, таких как факторы роста: активируют в клетке различные транскрипционные факторы, но наиболее эффективно - продукт гена c-jun и ядерный транскрипционный фактор NF-kB. Свободные радикалы обладают активностью, модулирующей транскрипционные факторы, как NF-kB и активирующий белок-1 (AP-1). В случае NF-kB показано, что он становится транскрипционно активным после того, как происходит опосредованная АФК деградация IkB белка, ингибирующего NF-kB. Также показана роль АФК в качестве вторичных мессенджеров в сигнальных каскадах, запускаемых такими факторами как TGF-b1, PDGF, ATII, FGF-2 и эндотелин.

Еще одной мишенью АФК может являться Na/K-АТФаза, белок, отвечающий за электрогенный транспорт ионов калия и натрия через клеточную мембрану. В нормальных условиях нейрональная Na/K-АТФаза потребляет от 15% до 40% энергии клетки, направляя ее на поддержание ионных градиентов. Избыточная активация глутаматных рецепторов и повышение уровня АФК приводит к обратимому ингибированию фермента. Известно разнонаправленное влияние глутаматных рецепторов первой и третьей групп на активность Na/K-АТФазы. Так, АФК усиливают ингибирующее влияние NMDA-рецепторов на активность Na/K-АТФазы, а mGluI предотвращают ингибирование ее NMDA - рецепторами.

Негативное воздействие АФК

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. Например избыточное выделение АФК может привести к окислительному стрессу.

Окислительный стресс, являющийся следствием дисбаланса про - и антиоксидантных систем (речь пойдет ниже) клетки и отражающийся в избыточном образовании в клетке активных форм кислорода, может являться причиной повреждения различных структур: ДНК, белков и липидов, и может приводить к клеточной смерти. Окислительный стресс сопровождает многие нейродегенеративные заболевания, по этой причине АФК принято считать вестниками клеточной смерти.

В норме окислительные процессы регулируются с помощью антиоксидантной системы. Если равновесие в организме смещается в сторону окислительных процессов, то это называется окислительным стрессом. А окислительный стресс связан, например, со старением клеток. Кроме того, накопление большого количества активных форм кислорода, а также снижение концентрации клеточного глютатиона (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.

Для того, чтобы выяснить, какую роль молекулярный механизм уменьшения концентрации глутатиона играет в метаболическом пути гибели клеток, вызванной оксидативным стрессом, нами были выведены специальные клетки и мыши, у которых отсутствовала пероксидаза глутатиона 4 (GPx4), один из наиболее важных глутатион-обуславливающих ферментов. Индуцированная инактивация GPx4 стала причиной массового окисления липидов и, в конечном итоге, клеточной смерти. Аналогичный фенотип можно наблюдать, если при помощи химического ингибитора биосинтеза глутатиона удалить внутриклеточный глутатион из клеток дикого (немутантного) типа.

Таким образом окислительный стресс, являющийся следствием дисбаланса про- и антиоксидантных систем (речь пойдет ниже) клетки и отражающийся в избыточном образовании в клетке активных форм кислорода, может являться причиной повреждения различных структур: ДНК, белков и липидов, и может приводить к клеточной смерти. Окислительный стресс сопровождает многие нейродегенеративные заболевания, по этой причине АФК принято считать вестниками клеточной смерти.

Термином "апоптоз" обозначают программированную клеточную смерть. Апоптоз может быть индуцирован целым рядом факторов. В целом процесс "клеточного самоубийства" выглядит следующим образом. Вначале наблюдается некоторое снижение трансмембранного потенциала в митохондриях, одновременно с которым отмечается аккумуляция ионов кальция в митохондриальном матриксе. После этого отмечается повышение концентрации АФК в цитозоле и последующее открытие митохондриальной поры. Полное открытие поры приводит к набуханию митохондриального матрикса, разрыву внешней мембраны и выходу в цитозоль апоптоз-инициирующих факторов, прежде всего цитохрома с и особых протеаз-каспаз. Следствием чего осуществляется фрагментация ДНК.

С точки зрения защиты клетки от окислительного стресса, апоптоз можно рассматривать как важную, хотя и крайнюю меру борьбы с неконтролируемой продукцией АФК. Рассматриваемую цепь событий при развитии апоптоза можно в этом случае интерпретировать следующим образом: при возрастании уровня АФК в клетке включается механизм "мягкого" разобщения в митохондриях, как потенциально основных источников клеточных АФК. Если после этого снизить уровень продукции АФК не удается, открывается митохондриальная пора. При этом трансмембранный потенциал падает практически до нуля, а скорость поглощения кислорода становится максимальной. Таким образом, преследуются сразу две цели: полная деактивация потенциал - зависимых митохондриальных источников АФК и по возможности быстрое снижение концентрации кислорода в клетке. Если же при этом не удается добиться снижения концентрации АФК в клетке за определенный срок, то происходит выход апоптоз-инициирующих факторов в цитозоль и клетка устраняется как потенциально опасный компонент организма.

Существуют исследования, доказывающие что производство АФК является одной из причин развития рака. Точка зрения, согласно которой движущей силой промоции канцерогенеза является образование активных форм кислорода, была сформулирована вначале по аналогии с кожным канцерогенезом. Было показано, что промоторная активность форболовых эфиров коррелирует с их способностью вызывать кислородный "взрыв" у макрофагов и введение актиоксидантов препятствует промоции. Продемонстрировано также, что такой источник активных форм кислорода, как перекись бензоила, является промотором опухолей кожи.

В дальнейшем были получены прямые указания на то, что активные формы кислорода обладают промоторными свойствами: введение в культуру инициированных гамма-облучением или бенз/а/пирен-диолэпоксидом фибробластов ксантин+ксантиноксидазы (системы, продуцирующей активные формы кислорода) увеличивало выход трансформированных клонов, а одновременное добавление каталазы и супероксиддисмутазы предотвращало промоторное действие. Показано развитие опухоли при перевивке бестимусным мышам линии фибробластов 10Т 1/2, обработанных активированными нейтрофилами, которые продуцируют активные формы кислорода, или системой ксантин+ксантиноксидаза. В культуру клеток почек был встроен под промотор ген уратоксидазы, производящий фермент, окисляющий мочевую кислоту до аллантоина с образованием Н2О2. При введении в культуру мочевой кислоты происходила трансформация клеток. Введение животному, инициированному кожным канцерогеном 7,12-диметилбенз/а/антраценом, фотосенсибилизатора-дигематопорфирина с последующим ультрафиолетовым облучением кожи вызывало образование активных форм кислорода и оказывало промоторное действие. В отсутствие облучения дигематопорфирин промоторными свойствами не обладал.

Одним из показателей образования активных форм кислорода и вызываемого ими кислородного стресса является появление в среде культивирования продукта окисления гуанина в молекуле ДНК - 8-гидроксидезоксигуанидина. Это соединение обнаружено в культуре клеток, а также в печени при действии различных типов индукторов цитохрома Р-450 (ТХДД, фенобарбитала, пролифераторов пероксисом). Одновременное с индукторами введение ингибитора функций цитохрома Р-450, 7,8-бензофлавона, резко уменьшает образование 8-гидроксидезоксигуанидина.

В культуре мутантных клеток с дефектным Ah-рецептором, в которых индукция цитохрома Р-450 при введении индукторов семейства 1 отсутствует, добавление ТХДД не вызывало появления в культуральной среде 8-гидроксидезоксигуанидина.

Таким образом, приведенные результаты говорят о том, что окислительный стресс, наблюдаемый при введении индукторов цитохрома Р - 450, обусловлен функционированием изоформ этого фермента.

Окислительный стресс, связанный с окислением гуанина в молекуле ДНК, дает основание для предположения, что промоция обусловлена мутагенным действием активных форм кислорода. Имеется довольно много публикаций, обсуждающих подобный механизм действия промоторов. Однако феноменология процесса промоции свидетельствует, что он в отличие от инициации не связан с наследуемым изменением в геноме клетки. В первую очередь об этом свидетельствует способность клетки "забыть" воздействие промотора канцерогенеза после прерывания воздействия, но "помнить" инициацию.

Имеются прямые экспериментальные доказательства, свидетельствующие о том, что активные формы кислорода участвуют в промоции при действии индукторов цитохрома Р-450: маннитол-ловушка для ОН-радикалов - и антиоксиданты уменьшают количество локусов трансформации при промоторном действии ТХДД. В этой же работе продемонстрировано, что механизм промоторного действия форболовых эфиров и индукторов цитохрома Р-450 различен: ингибитор ПКС подавляет промоторное действие форбол-12-миристат-13-ацетата, но не влияет на промоторное действие ТХДД.

Уже на ранних этапах изучения цитохрома Р-450 было показано, что при функционировании цитохрома Р-450 как в микросомах, так и в реконструированной ферментной системе образуется перекись водорода. Принято считать, что ее образование связано с тем, что в процессе цитохром Р-450-зависимого окислительного цикла образующийся тройственный комплекс, включающий цитохром Р-450, субстрат и ион супероксида (оксицитохром Р-450), может, помимо основного пути превращения - внедрения кислорода в структуру субстрата, - распадаться с образованием исходного комплекса субстрат-цитохром Р-450 и высвобождением супероксида (процесс "разобщения") с последующей его дисмутацией, с образованием перекиси водорода. В присутствии ионов железа перекись водорода в результате одноэлектронного переноса может восстанавливаться до гидроксил-радикала - сильнейшего окислителя. Показано также, что высвобождение железа из ферритина - белка, являющегося основным депо железа в клетке, происходит в результате образования супероксида при функционировании цитохрома Р-450.

Таким образом, супероксид, образующийся при "разобщении" на цитохроме Р-450, одновременно может быть источником перекиси водорода и генератором ионов железа из ферритина - компонентов, необходимых для образования различных активных форм кислорода. Действительно, образование супероксида, перекиси водорода и гидроксил радикала показано в реконструированных ферментных системах с использованием различных изоформ цитохрома Р-450. Введение фенобарбитала увеличивало в микросомах печени крыс NADPH - зависимое образование активных форм кислорода (супероксида + перекиси водорода), определяемых методом хемилюминесценции. Ингибитор функционирования цитохрома Р-450 - SKF 525A - почти на 100% подавлял хемилюминесценeцию. Увеличение перекисного окисления липидов, вызванное образующимися активными формами кислорода, показано и в микросомах, выделенных из печени животных, обработанных пролифераторами пероксисом.

Как уже говорилось, гепатопромоция реализуется в результате двухфакторного действия индукторов цитохрома Р-450: митогенного эффекта и ингибирования межклеточных коммуникаций, "отключающего" контролирующее воздействие окружающих клеток.

Заключение

Резюмируя вышеизложенное в целом, следует заключить, что в целостном макроорганизме находятся в динамическом равновесии системы генерации свободных радикалов, в частности, свободных форм кислорода, и антирадикальной, антиоксидантной защиты. Нарушение этого взаимодействия нередко приводит к дестабилизации биологических мембран, активации процессов липопероксидации, расстройствам гемостаза, фибринолиза, активации каликреинкининовой системы, системы комплемента, нарушению васкуляризации, оксигенации и трофики тканей, потенцированию специфических цитопатогенных эффектов воздействия бактериальных токсинов. Антиоксиданты блокируют активацию протоонкогенов, нормализуют иммунный статус. Ослабление антиоксидантной защиты клеток может быть вызвано недостаточным поступлением в организм неферментных антиоксидантов, в частности, токоферола. Недостаточное поступление в организм селена может быть одной из причин нарушения активности селензависимой глутатионпероксидазы, дефицит Cu2+ и Zn2+ резко снижают активность СОД и резко повышают чувствительность к оксидантному повреждению.

Следует отметить, что изменения активности антиоксидантных ферментов зависят от интенсивности образования активных форм кислорода: в случае умеренного возрастания АФК возникает, как правило активация ферментного звена антиоксидантной системы, при чрезмерном возрас-тании уровня свободных радикалов нередко происходит, подавление ферментативного звена радикальной защиты клеток.

Как известно, в условиях окислительного стресса, развивающегося при гипоксии, ишемии, гипероксии, действии стрессорных раздражителей бактериальной природы - эндо-, экзотоксинов, ферментов и токсинов бактерий, ферментативная защита оказывает менее эффективное по сравнению с протекторным действием низкомолекулярных антиоксидантов. Последнее обусловлено быстрой инактивацией конститутивного пула ферментов антиоксидантной системы свободными радикалами и значительным временем, необходимым для индукции их синтеза. В связи с этим повышается значимость низкомолекулярных антиоксидантов, что обусловлено их избыточным содержанием в клетках и биологических жидкостях, а также достаточно высокой миграционной способностью.

Однако при чрезмерном образовании инициаторов свободно-радикального окисления может истощиться пул и неферментных антиоксидантов, которые, выполнив роль ловушки свободных радикалов, превращаются в неактивные димерные и другие формы.