ПОКАЗАТЬ ПЛАНПЕРЕЙТИ В КОНЕЦ

Лекция 7

Свободные радикалы в биологических системах

Резюме

Свободные радикалы - это молекулярные частицы, имеющие непарный электрон на внешней электронной оболочке и обладающие высокой реакционной способностью. Их изучение ведется методом ЭПР (спиновые ловушки), хемилюминесценции и путем применения ингибиторов реакций, в которых участвуют радикалы определенного типа. Основные радикалы, образующиеся в клетках - это радикалы кислорода (супероксид и гидроксильный радикал), монооксид азота, радикалы ненасыщенных жирных кислот, радикалы, образующиеся в окислительно-восстановительных реакциях (например, убихинол). Радикалы образуются также при действии ультрафиолетовых лучей и в ходе метаболизма некоторых чужеродных соединений (ксенобиотиков), в том числе некоторых препаратов, одно время применявшихся в качестве лекарств.

Что такое свободные радикалы?

Хорошо известно, что в органических молекулах (включая те, из которых состоит наш организм) электроны на внешней электронной оболочке располагаются парами: одна пара на каждой орбитали. Свободные радикалы отличаются от обычных молекул тем, что у них на внешней электронной оболочке имеется неспаренный (одиночный) электрон. Это делает радикалы химически активными, поскольку радикал стремится вернуть себе недостающий электрон, отняв его от окружающих молекул и тем самым их повреждая. Неспаренный электрон в радикалах принято обозначать точкой. Например, радикал гидроксила обозначают как HO·, радикал перекиси водорода как HOO·, радикал супероксида как ·OO- или O2·-. Ниже даны формулы двух радикалов этилового спирта:
CH3CH2O·; CH3•СHOH

Как изучают реакции, в которых участвуют радикалы?

Биохимические методы

Беда в том, что радикалы обладают такой высокой реакционной способностью, что изучать их обычными химическими методами невозможно: стандартные процедуры вроде хроматографии или центрифугирования совершенно бесполезны. Биохимические анализы позволяют, правда, определять конечные продукты реакций, в которых предполагается участие радикалов, но всегда остается вопрос, а действительно ли радикалы участвовали в процессе и какие именно. Очень важную роль при решении таких вопросов играет так называемый ингибиторный анализ. Классическим примером может служить применение фермента супероксиддисмутазы (СОД). Этот фермент, открытый Дж. Мак-Кордом и И.Фридовичем около тридцати лет назад, катализирует реакцию взаимодействия (дисмутации) двух супероксидных радикалов с образованием перекиси водорода и молекулярного кислорода. Открытие СОД совершило революцию в умах биохимиков: раз есть фермент, удаляющий свободные радикалы, специально вырабатываемый живыми клетками (и, как выяснилось, чрезвычайно широко распространенный в живой природе), то ясно, что и сами радикалы существуют в природе и почему-то их надо обязательно удалять. До этого мало кто думал, что в метаболизме живых организмов участвуют не только "настоящие" молекулы, но и свободные радикалы. Постепенно СОД стала широко использоваться во всех исследованиях, где изучают роль супероксида в том или ином процессе, будь то индивидуальная биохимическая реакция или развитие болезни у лабораторных животных или человека. Если добавление СОД тормозит изучаемый процесс, значит, для его протекания необходим супероксид-радикал и остается выяснить, в какой именно реакции этот радикал участвует. Ингибиторный анализ используется и для изучения реакций с участием других радикалов. Так для выяснения участия в каком-нибудь процессе реакций цепного окисления липидов, на которой мы подробнее остановимся позже, используют жирорастворимые "ловушки" липидных радикалов, которые "ведут" цепи окисления. К числу таких ловушек относятся токоферол (витамин Е) и некоторые синтетические соединения, например трет-бутилгидрокситолуол (ионол). Водорастворимые радикалы эффективно "перехватываются" аскорбиновой или мочевой кислотой. Для "улавливания" радикалов гидроксила (HO·)используют маннитол или бензойную кислоту, а иногда - этанол. Надо однако сказать, что далеко не всегда ловушки специфичны: многие из них реагируют не только с радикалами, но и с достаточно активными молекулами.

Методы биофизики

"Самый прямой" метод изучения свободных радикалов – метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). По наличию, амплитуде и форме сигналов (спектров) ЭПР можно судить о существовании непарных электронов в образце, определять их концентрацию, а иногда и выяснить, какова химическая структура радикалов, которые эти непарные электроны содержат. К прямым методам изучения радикалов можно отнести также метод хемилюминесценции (ХЛ). При взаимодействии радикалов друг с другом выделяется много энергии, которая в некоторых случаях испускается в виде фотонов (квантов света). Интенсивность такого свечения (ХЛ) пропорциональна скорости реакции, в которой участвуют радикалы и, следовательно – их концентрации. Надо отметить, что при всех достоинствах этих методов, в особенности метода ЭПР, их чувствительности оказывается зачастую недостаточной. В биологических системах скорости образования радикалов кислорода или липидных радикалов в мембранах не так уж велики, зато очень велики скорости исчезновения этих радикалов; поэтому концентрация радикалов в каждый данный момент времени (так называемая стационарная концентрация) зачастую так мала, что обнаружить их непосредственно методом ЭПР невозможно. Выход из положения заключается в том, что активные радикалы переводятся в неактивные, стабильные, которые регистрируются с помощью ЭПР [1], стр. 24-28). С этой целью к изучаемому образцу (например, к суспензии клеток, гомогенату ткани или раствору, где протекают реакции с участием свободных радикалов) добавляют особые вещества, называемые спиновыми ловушками (хотя "ловят" они, конечно не спины, а радикалы). Например, для "улавливания" радикалов гидроксила HO· используют фенилбутилнитрон (ФБН) (см. рис.1). При взаимодействии ловушки с радикалом происходит присоединение радикала к ловушке с образованием нового, стабильного радикала, получившего название "спинового аддукта" (от английского слова add – добавлять, складывать). Сигналы ЭПР спиновых аддуктов разных радикалов слегка различаются по форме. Это позволяет идентифицировать радикалы, образующиеся в изучаемой системе. Для улавливания других радикалов (скажем, супероксида) используют другие ловушки. Поскольку спиновая ловушка "перехватывает" свободные радикалы, она тормозит (ингибирует) тот процесс, который этими радикалами вызывается, например, уменьшает повреждение живых клеток радикалами HO·. Таким образом, спиновые ловушки используются в двух целях: чтобы выяснить, какие радикалы образуются и какие процессы в клетке они вызывают.

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 Fe2+ + HOOH -> Fe3+ + HO- + ·OH
Fe2+ + ClO- + H+ -> Fe3+ +Cl - + ·OH
Липидные радикалы LO·
L·
LOO·		 Fe2+ + LOOH -> Fe3+ + 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 + Fe2+ -> Fe3+ + 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- + Fe2+ + H+ -> Fe3+ + 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.

Свободнорадикальное (перекисное) окисление липидов

Содержание данного раздела почти полностью повторяет соответствующий раздел в лекции №5.

См. также лекцию «Кинетика реакций цепного окисления липидов».

Реакция цепного окисления липидов играет исключительную роль в клеточной патологии, и следует остановиться на ее механизме. Она протекает в несколько стадий, которые получили название инициирование, продолжение, разветвление и обрыв цепи (см. рис.8 и 9). Рассмотрим эти стадии подробнее. Инициирование цепной реакции начинается с того, что в липидный слой мембран или липопротеинов внедряется свободный радикал. Чаще всего это радикал гидроксила. Будучи небольшой по размеру незаряженной частицей, он способен проникать в толщу гидрофобного липидного слоя и вступать в химическое взаимодействие с полиненасыщенными жирными кислотами (которые принято обозначать как LH), входящими в состав биологических мембран и липопротеинов плазмы крови. При этом образуются липидные радикалы:
HO· + LH -> H2O + L·
Липидный радикал (L·) вступает в реакцию с растворенным в среде молекулярным кислородом; при этом образуется новый свободный радикал – радикал липоперекиси (LOO·):
L· + O2 -> LOO·
Этот радикал атакует одну из соседних молекул фосфолипида с образованием гидроперекиси липида LOOH и нового радикала L·:
LOO· + LH -> LOOH + L·
Чередование двух последних реакций как раз и представляет собой цепную реакцию перекисного окисления липидов (см. рис.8). Существенное ускорение пероксидации липидов наблюдается в присутствии небольших количеств ионов двухвалентного железа. В этом случае происходит разветвление цепей в результате взаимодействия Fe2+ c гидроперекисями липидов:
Fe2+ + LOOH -> Fe3+ + HO- + LO·
Образующиеся радикалы LO· инициируют новые цепи окисления липидов (см. рис.9):
LO· + LH -> LOH + L·;
L· + O2 -> LOO· -> и т.д.
В биологических мембранах цепи могут состоять из десятка и более звеньев. Но в конце концов цепь обрывается в результате взаимодействия свободных радикалов с антиоксидантами (InH), ионами металлов переменной валентности (например, теми же Fe2+) или друг с другом:
LOO· + Fe2+ + H+ -> LOOH + Fe3+

LOO· + InH -> In· + LOOH

LOO· + LOO· -> молекулярные продукты + фотон
Последняя реакция особенно интересна, поскольку она сопровождается свечением (хемилюминесценцией). Интенсивность этой хемилюминесценции очень мала, поэтому ее иногда называют "сверхслабым свечением". Интенсивность свечения пропорциональна квадрату концентрации свободных радикалов в мембранах, а скорость перекисного окисления прямо пропорциональна концентрации тех же радикалов. Поэтому интенсивность "сверхслабого" свечения однозначно отражает скорость липидной пероксидации в изучаемом биологическом материале, и измерение хемилюминесценции довольно часто используется при изучении перекисного окисления липидов в различных объектах.

См. также раздел «Хемилюминесценция как метод изучения реакций, идущих с участием свободных радикалов» в лекции №5 и лекцию №9.

Биологические последствия пероксидации липидов

См. также соответствующий раздел в лекции №5.

Увеличенное образование свободных радикалов в организме и связанное с этим усиление процессов пероксидации липидов (которое иногда называют "оксидативным стрессом") сопровождается рядом нарушений в свойствах биологических мембран и функционировании клеток. Повреждаются либо белковые структуры, либо липидный бислой в целом. В последнее время ученые уделяют все большее внимание взаимодействию мембран с нуклеиновыми кислотами в ядре и митохондриях. По-видимому, одним из результатов пероксидации липидов может стать повреждение этих макромолекул со всеми вытекающими последствиями. Наиболее изучены три прямых следствия перекисного окисления липидов. Во-первых, перекисное окисление липидов сопровождается окислением тиоловых (сульфгидрильных) групп мембранных белков (Pr). Это может приводить в результате неферментативной реакции SH-групп со свободными радикалами липидов; при этом образуются сульфгидрильные радикалы, которые затем взаимодействуют с образованием дисульфидов либо окисляются кислородом с образованием производных сульфоновой кислоты:
Pr-SH + L· -> LH + Pr-S·

Pr1-S· + Pr2-S· -> Pr1-SS- Pr2

Pr-S· + O2 -> Pr-SO2· -> молекулярные производные
Связанное с перекисным окислением липидов окисление белков и образование белковых агрегатов в хрусталике глаза заканчивается его помутнением; этот процесс играет важную роль в развитии старческой и других видов катаракты у человека. Большую роль в патологии клетки играет также инактивация ион-транспортных ферментов, в активный центр которых входят тиоловые группы, в первую очередь Ca2+-АТФазы. Инактивация этого фермента приводит к замедлению "откачивания" ионов кальция из клетки и, наоборот, к входу кальция в клетку, увеличению внутриклеточной концентрации ионов кальция и повреждению клетки. Наконец, окисление тиоловых групп мембранных белков приводит к появлению дефектов в липидном слое мембран клеток и митохондрий. Под действием разности электрических потенциалов на мембранах через такие поры в клетки входят ионы натрия, а в митохондрий – ионы калия. В результате происходит увеличение осмотического давления внутри клеток и митохондрий и их набухание. Это приводит к еще большему повреждению мембран. Второй результат перекисного окисления липидов связан с тем, что продукты пероксидации обладают способностью непосредственно увеличивать ионную проницаемость липидного бислоя. Так показано, что продукты перекисного окисления липидов делают липидную фазу мембран проницаемой для ионов водорода и кальция. Это приводит к тому, что в митохондриях окисление и фосфорилирование разобщаются, а клетка оказывается в условиях энергетического голода (т.е. недостатка АТФ). Одновременно в цитоплазму выходят ионы кальция, которые повреждают клеточные структуры. Третий (и быть может, самый важный) результат пероксидации – это уменьшение стабильности липидного слоя, что может привести к электрическому пробою мембраны собственным мембранным потенциалом, т.е. под действием разности электрических потенциалов, существующей на мембранах живой клетки. Электрический пробой приводит к полной потере мембраной ее барьерных функций (подробнее см. в лекции «Электрический пробой мембран»).

См. также раздел «Клеточные системы антирадикальной защиты» в лекции №5.

Заключение

Суммируем основное содержание данной лекции. Свободные радикалы – это молекулярные частицы, на внешней орбитали которых имеются неспарные электроны. Радикалы обладают высокой реакционной способностью, и их стационарная концентрация в клетках всегда очень мала. Изучение свободных радикалов и реакций, в которых они участвуют, ведется методами ЭПР, хемилюминесценции и другими с использованием ингибиторного анализа. Активные формы кислорода, окись азота, липидные радикалы, радикалы антиоксидантов и ксенобиотиков постоянно образуются и исчезают в живых клетках. УФ – излучение и облучение ионизирующей радиацией тоже приводит к образованию свободных радикалов молекул-мишеней. Драматические последствия для мембранных структур клетки может иметь реакция цепного (перекисного) окисления липидов. Скорость ее протекания существенно зависит от присутствия ионов двухвалентного железа, которые участвуют в образовании радикала гидроксила, инициирующего цепное окисление, и в разветвлении цепей окисления. Повреждающее действие цепного окисления липидов на биологические мембраны вызвано окислением тиоловых групп белков, увеличением ионной проницаемости мембран и снижением электрической прочности липидного слоя мембран, что приводит к "самопробою" мембран электрическим полем. Живая клетка выработала целую систему защиты от повреждения свободными радикалами. Вещества, тормозящие реакции с участием свободных радикалов локализуются как в водной среде, так и в липидной фазе клеточных структур.

Вопросы для самоконтроля

  1. Свободные радикалы. Определение и классификация.
  2. Происхождение и метаболизм супероксид-радикала.
  3. Происхождение и действие на клеточные структуры радикала гидроксила.
  4. Основные реакции цепного окисления липидов.

Рекомендуемая литература

  1. Владимиров Ю.А., Азизова О.А., Деев А.И., Козлов А.В., Осипов А.Н., Рощупкин Д.И. Свободные радикалы в живых системах. Итоги Науки и Техники, серия Биофизика, том.29. In: Москва: ВИНИТИ, 1992:3-250.
  2. Владимиров Ю.А., Литвин Ф.Ф. Исследование сверхслабых свечений в биологических системах. Биофизика 1959;4(5):601-605.
  3. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в билогических мембранах. Москва, Наука, 1972.
  4. Владимиров Ю.А., Свободнорадикальное окисление липидов и физические свойства липидного слоя биологических мембран. Биофизика 1987;32(5):830-844.
  5. Осипов А.Н., Якутова Э.Ш., Владимиров Ю.А. Образование гидроксильных радикалов при взаимодействии гипохлорита с ионами железа. Биофизика 1993;38(3):390-396.
  6. Арчаков А.И. Микросомальное окисление. Москва, Наука, 1978.

ПОКАЗАТЬ ПЛАНПЕРЕЙТИ В НАЧАЛО