АНТИОКСИДАНТНА СИСТЕМА ЗАХИСТУ ОРГАНІЗМУ (огляд)

І.Ф. Бєленічев, к.б.н., Е.Л. Левицький*, д.б.н., Ю.І. Губський*, член-кор. АМНУ, С.І. Коваленко, О.М. Марченко*, к.б.н.

Запорізький державний медичний університет
*Інститут фармакології та токсикології АМН України

Останнє десятиріччя XX століття ознаменувалося рядом відкриттів у галузі природничих наук, особливо молекулярної біології та медичної біохімії. Отримані дані дозволили більш повно оглянути та оцінити проблему захисту молекулярних компонентів живої клітини від ушкодження її вільними радикалами (ВР) та іншими продуктами пероксидації.

На сьогодні, у зв'язку з цією проблемою, назріла нагальна проблема вирішення вкрай необхідних для теоретичної та практичної науки завдань: 1) визначення внеску різних видів реакцій вільно радикального окислення в етіологію найбільш поширених та небезпечних захворювань (серцево-судинних, онкологічних, інфекційних, аутоімунних та ін.); 2) встановлення основних механізмів захисної дії антиоксидантних систем захисту організму (АОСЗО) на різні ланки патологічного процесу (етапи, стадії, фази); 3) доказ існування певної спрямованості захисного впливу АОСЗО на певні молекулярні біоструктури (у першу чергу, на найголовніші з них — ядерний геном та біомембрани, що є основними "вмісниками" та регуляторами клітинного метаболізму); 4) на основі знання цих механізмів встановлення можливості цілеспрямованого пошуку, скринінгу, розробки та впровадження максимально ефективних фармакологічних препаратів з антиоксидантною та цитопротекторною дією. Виходячи з вищевикладеного, існує нагальна потреба узагальнення та систематизації даних літератури, присвячених вирішенню цих питань.

У поданому нижче матеріалі автори намагалися відповісти у першу чергу на поставлені питання, що стосуються другого, третього та четвертого аспектів цієї наукової проблеми, використовуючи наявні дані літератури та результати власних експериментальних досліджень.

Вільно-радикальне перекисне окислення (ВРПО) практично на всіх етапах свого перебігу утворює ряд продуктів, які є результатом взаємодії вільних радикалів як між собою, так і з біологічними макромолекулами [1-8, 13, 42, 46]. Так, при ВРПО разом з активними формами кисню (АФК) утворюються і інші активні радикали (пероксиди, епоксиди, альдегіди, кетони, спирти, діальдегіди та ін.), які здатні ковалентно взаємодіяти з окремими функціональними групами білків, що приводить до їх полімеризації і руйнування амінокислотних залишків, особливо які містять SH-, SCH₃-групи цистеїну, метіоніну, NH-групи лізину тощо. Усе це може викликати модифікацію білків, у тому числі ферментів, зміну їх активності, руйнування біоантиокислювачів (вітамінів, убіхінону, стероїдних гормонів тощо), зміну фосфоліпідного складу, появу в гідрофобній частині продуктів окислення, які ініціюють процеси іонного транспорту, зміну конформації білків і ліпідного складу, а звідси структурних і функціональних властивостей мембран. Аналогічні явища спостерігаються і в структурі ДНК пошкоджених клітин. Вільні радикали (ВР) можуть взаємодіяти як безпосередньо з азотистими основами ДНК, утворюючи їх модифіковані похідні, зокрема, 8-азагуанін, так і опосередковано, через вторинні та кінцеві продукти ПОЛ (малоновий диальдегід та його похідні), які можуть зв'язуватися з ДНК та білками ядерного хроматину, призводячи до спотворення процесів зчитування генетичної інформації — реплікації та транскрипції [ 11а].

В цьому плані цікавими є отримані нами раніше дані про існування в ядерному хроматині самостійної системи переокислення хроматин-зв'язаних ліпідів (ПОЛ), при модифікації реакцій у якій утворюються ті ж самі ВР, що безпосередньо взаємодіють з ДНК та білками хроматину, призводячи до їх ушкодження [11б].

Активність протікання ВРПО в організмі залежить від концентрації кисню в тканинах, а також від ферментних і не ферментних систем. Останнім часом виділені спеціальні органели — пероксисоми, у яких зосереджені специфічні ферментні системи ВРПО. Крім того, знайдені речовини біологічно активні речовини (біоантиоксиданти), які здатні в невеликих концентраціях гальмувати вільнорадикальні процеси шляхом впливу на одну або декілька ланок систем утворення активних форм кисню, реактивувати антиоксидантні ферменти, тощо. Усе вище перераховане складає систему захисту організму — антиоксидантну систему (АОСЗО).

З цього приводу нам представлялося важливим, з огляду на досвід інших дослідників і власні експериментальні результати, узагальнити та охарактеризувати одну з найважливіших систем захисту організму — антиоксидантну систему захисту організму.

Антиоксидантна система захисту організму контролює і гальмує всі етапи вільнорадикальних реакцій, починаючи від їх ініціації і закінчуючи утворенням гідроперекисів та МДА. Основний механізм контролю цих реакцій пов'язаний з ланцюгом оборотних окисно-відновних реакцій іонів металів, глутатіону, аскорбату, токоферолу та інших речовин, значення яких особливо важливо для збереження довго існуючих макромолекул нуклеїнових кислот і білків, деяких складових мембран. Невипадково рівень активності АОСЗО досягає максимальних значень до початку S-фази, коли ДНК деспіралізується і особливо уразлива до продуктів ВРПО. Більш того, є підстави думати, що тривалість життя макромолекул у клітині багато в чому визначається саме їх стійкістю до атаки вільно-радикальних продуктів [5, 6]. Раніше нами в цьому плані було показано, що під час реплікації ядерної ДНК, коли спостерігається деспіралізація її вторинної структури, вона є особливо уразливою до пошкоджень різного генезу, у першу чергу, вільно-радикального [11в, 11г]. Особливо це стосується клітин тканин, що перебувають у стадії активного поділу, зокрема, клітин імунної системи, тканин, що регенерують, слизової тонкого кишечника та ін. [11г]. Цікавими в цьому плані є дані про вільно-радикальні пошкодження та модифікації вторинної структури ДНК під час процесу старіння, які є особливо вираженими саме у клітинах тканин, що перебувають у стані активного поділу, що визначає вкорочення їх життя та виведення з популяції за допомогою механізму запрограмованої загибелі клітини — апоптозу [11д].

Еволюція до високої надійності і лабільності АОСЗО, імовірно, визначило властиву їй надмірність, дубльованість і взаємозамінність елементів. Включення окремих ланок АОС відбувається за принципом зворотного зв'язку з участю "гормонів-тригерів". Даний принцип дозволяє не очікувати небезпечного для життєдіяльності клітини зниження активності АОС, а попереджати виникнення порушень по типу позитивного зворотного зв'язку. Роль таких систем, очевидно, дуже велика при виникненні різних патологічних станів організму (онкологія, різні види ішемії та ін.) та при знаходженні біологічних об'єктів у несприятливих умовах існування, зокрема, екологічного. За даних умов існування та дії несприятливих факторів на організм активність ендогенних АОСЗО різко зростає. Для продовження тривалості життя важливо те, що введення екзогенних антиоксидантів (при радіації, підвищенні температури, збільшенні вмісту токсичних продуктів, ішеміях, гіпер- або гіпоксії, інфекції тощо) сприяє збереженню життєздатності в екстремальних умовах. Невипадково багато показників інтенсивності утворення вільних радикалів і їх "перехоплення" є гарними предикторами тривалості життя і, зокрема, задовільно корелюють з видовою тривалістю останнього [3, 5, 6, 10, 19, 24, 48]. За нашими даними, за умов старіння організму відбуваються певні модифікації процесів ПОЛ у ядерному геномі клітин, що призводить до специфічних зрушень процесів зчитування генетичної інформації (реплікації та транскрипції) [11, 11д]. Цікавим у цьому плані є той факт, що ці зміни мають деяку специфіку, відрізняючись від аналогічних змін процесів ПОЛ, реплікації та транскрипції ДНК за умов хімічного ураження клітини [11в, 11д]. Це знаходить своє відображення у деяких відмінностях модифікації активності ферментів реплікації та транскрипції ДНК—ДНК- та РНК-полімераз, відповідно, у цих двох системах пошкодження клітини — хімічного ураження та старіння. В цьому зв'язку значний внесок у відновлення структури ДНК та хроматину вносить введення експериментальним тваринам як природних, так і деяких синтетичних антиоксидантів — a-токоферолу, іонолу, фітоантиоксидантів, похідних піридин карбонових кислот та ін. [10].

В даний час існує кілька підходів до класифікації АОСЗО. Найперша класифікація була запропонована на основі фізико-хімічних властивостей самих антиоксидантів, які, у свою чергу, розділяються на жиро- і водорозчинні. До жиророзчинних біоантиоксидантів, згідно цієї класифікації, відносять вітаміни групи Е (токофероли), ряд фосфоліпідів, зокрема фосфатидилхолін і фосфатидилетаноламін, вітаміни групи К, білірубін, білівердин, убіхінон, деякі стероїдні гормони [6, 34].

До водорозчинних біоантиоксидантів відносять низько- і високомолекулярні сполуки, які містять SH-групи, зокрема цистеїн, цистін, глутатіон; моно-, ди- і трикарбонові кислоти та інші аніони, що зв'язують залізо; тироксин, нікотинову кислоту, адреналін, інозин, вітаміни групи Р, сечовину, селен [35, 36]. Крім названих антиоксидантів природного походження, існує ціла низка синтетичних фізіологічно активних речовин, до яких, крім перерахованих, належать представники різних класів хімічних сполук.

Ряд авторів проводять умовний розподіл АОС на ферментативну і неферментативну, до першої відносячи всі антиоксидантні (АО) ферменти: супероксиддисмутазу (СОД), каталазу, глутатіонпероксидазу (ГП) тощо, а до другої: токофероли, убіхінони, ретиноли, Se- і S-похідні та метаболіти [3].

Останнім часом з'явилися підходи до класифікації АОСЗО за механізмом реалізації АО ефекту. Так, захист клітинних структур від ушкоджуючої дії АФК, які утворюються усередині клітки (ендогенні АФК) і діючи ззовні (екзогенні АФК), організується різними шляхами. У першу чергу це пов'язано з нездатністю АФК проникати крізь мембрани. У результаті цього, екзогенні АФК завжди впливають на клітину тільки опосередковано через стимуляцію ПОЛ у плазматичній мембрані. Тому захист від ушкодження екзогенними АФК спрямований, у першу чергу, на утилізацію жирнокислотних і ліпідних гідроперекисів — продуктів ПОЛ, що стимулюють вільно радикальні реакції ліпопереокислення за принципом ланцюгової реакції. Основна роль у цьому процесі належить глутатіон пероксидазам (ГП), особливо, специфічним ГП гідроперекисів фосфоліпідів. Експресія в клітинах різних форм ГП приводить до значного підвищення їх стійкості до екзогенних окислювачів. Інша частина вільно-радикальних продуктів у мембрані перехоплюється SH-групами мембранних білків, а більшість з них, головним чином, поблизу зовнішньої поверхні мембрани, знешкоджується токоферолами. Останні регенеруються на внутрішній стороні мембрани за рахунок передачі окисних еквівалентів на цитозольний аскорбат. Фосфоліпіди з перекисно-окисненими жирнокислотними залишками є більш кращим субстратом для фосфоліпази А₂, ніж нормальні неокислені фосфоліпіди. Лізофосфоліпіди, що утворюються, знову ацилюються за участю ацилтрансферази. Гідроперекиси жирних кислот, які відщеплюються, утилізуються низькоспецифічними формами ГП. Подібний механізм репарації окислених ліпідів та інших біомолекул дозволяє знизити шкідливий вплив ПОЛ на молекулярну структуру плазматичної мембрани. Карбонільні продукти, що утворюються, утилізуються у цитозолі, а дієнові кон'югати (ДК), триєнкетони (ТК) та продукти рекомбінації ліпідних радикалів, вірогідно, не утилізуються, а накопичуються в клітинах разом з окисленими білками у вигляді "ліпофусцинових гранул". Наявність подібних гранул, до складу яких входять продукти зв'язування МДА з різними біомолекулами, зокрема, білками, була встановлена у клітинах старих тварин [11г, 11д]. Аналогічна система захисту мембрани від продуктів ПОЛ існує також у мітохондріях [17, 43].

Навпаки, захист від ендогенних АФК заснований головним чином на ефективній елімінації первинних АФК. У цих процесах приймають участь ферменти супероксиддисмутаза (СОД), каталаза та пероксидази. Оскільки СОД утилізує АФК з утворенням Н₂О₂, важливим для життєздатності клітини є встановлення балансу між активністю СОД та ферментами, які окислюють Н₂О₂. Необхідно відмітити, що занадто швидке підвищення в клітині активності СОД без відповідної активації каталази або пероксидаз саме по собі є цитотоксичним. Раніше нами були показані певні зрушення у активності каталази, зв'язаної з фракціями транскрипційно активного та репресованого хроматину клітин печінки за умов активації ПОЛ чинниками хімічної природи, зокрема, хлористого кадмію [11е]. Оскільки в цитозолі основною мішенню для АФК є білки, важливу роль у їх захисті від ендогенних АФК відіграють глутатіон відновлений (GSH) та цистеїн. SH-групи цих речовин окислюються набагато легше, ніж SH-групи білкових молекул, захищаючи тим самим білки від ушкоджуючої окисної модифікації. Приведені факти дозволяють цілком обґрунтовано говорити, що клітинна АОС досить чітко підрозділяється на дві підсистеми: захисту від ендогенних АФК та екзогенних АФК.

Виходячи з сучасних уявлень про механізм ВРПО, АОСЗО можна умовно розділити на слідуючи групи в залежності від того, на яку ланку метаболізму спрямована її дія [14].

До першої групи антиоксидантної системи захисту можна віднести жиророзчинні ендогенні антиоксиданти: вітаміни групи Е (токофероли), убіхінон, вітаміни групи А (ретіноли) та провітаміни групи А (a-, b-, g-каротини), вітаміни групи D (кальцифероли), К (філохінони і менахінон), ліпоєва кислота, деякі стероїдні гормони, мелатонін та інші.

Механізм антиоксидантної дії цих сполук обумовлений їх високими донорськими властивостями (зменшення кількості вільного кисню в клітині, наприклад, шляхом активації його утилізації, підвищення активності процесів окислення і фосфорилювання) і здатністю відновлювати ліпідні радикали. Усі перераховані сполуки відносять до речовин антирадикального захисту або "прямих" антиоксидантів. Однак сумарна антиоксидантна активність цих речовин (здатність гальмувати вільно радикальні перекисні реакції на всіх етапах ВРО) визначається не тільки їх антирадикальною активністю, але і здатністю утвореного радикалу самого антиоксиданту паралельно з реакціями рекомбінації з утворенням стабільних молекул, ініціювати нові ланцюги ВРО при взаємодії з кожною новою молекулою окисленої сполуки.

A + RO·₂ —> ROOH + A·   (1)
A· + A· —> МП   (2)
A· + RH —> AH +R·   (3)
A· + RO·₂ —> МСП   (4)

де А — антиоксидант прямого типу дії;
A· — радикал антиоксиданту;
ROOH — гідроперекис ліпіду;
R· — ліпідний алкільний радикал;
RH — ліпід;И МП — молекулярний продукт;
МПС — молекулярний стабільний продукт.

Докази цих положень були нами отримані на прикладі проведених нами раніше експериментальних дослідженнях, у яких за умов пошкоджень боіомолекул на моделі експериментального рахіту була показана значна геномопротекторна активність вітамінів D₂, D₃ та природних фітостероїдів зі серпухи вінценосної. Реалізація цієї активності відбувається на рівні відновлення структури та генетичної активності ДНК ядерного хроматину клітин печінки, а також нормалізації значень фізико-хімічних показників, що характеризують молекулярну організацію білків хроматину [11].

Ендогенні "прямі" антиоксиданти, які утворюють менш реакційноздатні радикали, володіють більш вираженою антиоксидантною активністю (реакція 3) [5, 6, 9, 10]. Так, найбільше значення серед усіх відомих ендогенних антиоксидантів мають токофероли. У даний час виділені із природних джерел і вивчені сім різних сполук, які проявляють Е-вітамінну активність. Всі вони за хімічною будовою є похідними хроману (бензо-g-дигідропірану) та відрізняються за кількістю, наявністю і положенням метильних груп [15, 16, 19, 25, 36, 39].

Фосфоліпіди мітохондрій, ендоплазматичний ретикулум мембран мають специфічну спорідненість до a-токоферолу. Токофероли проявляють антиоксидантну дію завдяки їх здатності захвачувати неспарені електрони активних форм кисню (АФК) та пероксидних радикалів, тобто переносити фенольний водень на пероксидний радикал. Феноксильний радикал є резонансно стабілізованою структурою і відносно не реакційноздатним, за винятком його взаємодії з пероксидним радикалом. Виходячи з цього, токофероли майже не вступають у процес ланцюгової реакції, а при окислені хроманового циклу і бічного ланцюга утворюють продукти нерадикальної природи [16, 29, 30, 38].

Крім того, наявність у токоферолів бічного ізопренового ланцюга, який відповідає за довжиною жирнокислотним ланцюгам фосфоліпідів, забезпечує їх здатність вбудовуватися в мембрану з наступним утворенням комплексів між метильними групами бічного ланцюга і подвійними зв'язками жирних кислот [31, 32, 37].

Необхідно відзначити, що антиоксидантна дія токоферолів зберігається також при високих концентраціях кисню, тому не дивно, що вони накопичуються в багатих на ліпіди областях, які контактують із середовищем, де підтримується високий парціальний тиск кисню (мембрани еритроцитів, клітини дихальних шляхів тощо), де є найбільша імовірність активації ВРПО. Певна значна кількість токоферолів накопичується також у ядрі клітини, що є необхідною передумовою захисту ядерного хроматину та ДНК від ушкоджучої дії вільних радикалів [11ж].

Найбільшою антиоксидантною активністю володіють a- та g-токофероли, причому антирадикальна активність є вищою для a-токоферолу, а антиоксидантна — g-токоферолу. a-Токоферол володіє 60 % антирадикальної дії всіх жиророзчинних ендогенних антиоксидантів [2, 3]. Крім антирадикальної дії, a-токоферол має найбільшу здатність стабілізувати мембрани і утворювати комплекси з жирними кислотами, що приводить до підвищення стійкості мембран до ВРО. Окрім мембраностабілізуючої дії, a-токоферолу притаманна також значна геномозахисна активність, виходячи з наведених вище даних про значну кількість цієї сполуки у ядрі клітини та у складі ядерного хроматину. Раніше нами було показано, що як за умов in vitro, так і in vivo цей антиоксидантний вітамін спричиняє значний нормалізуючий та корегуючий впливи на структурно-функціональну організацію ядерного хроматину, ушкодженого внаслідок вільно-радикальних процесів, ініційованих дією гепатотоксину тетрахлоретану [10]. Зокрема, у дослідах in vitro було доведено, що екзогенний коротколанцюговий a-токоферол, взаємодіючи з елементами ядерного матриксу клітин печінки інтактних та отруєних тетрахлоретаном щурів, сприяє значному підвищеню у ньому тотальної ДНК-полімеразної активності, причому у клітинах отруєних тварин величина подібного впливу є достовірно меншою [11ж]. Можливо, цей ефект лежить в основі доступності сайтів-мішеней на молекулах ДНК та білків ядерних структур для нормалізуючої взаємодії з a-токоферолом.

Токофероли також необхідні і для відновлення інших жиророзчинних редокс-вітамінів — ретинолів та убіхінонів. Убіхінони, особливо коензім Q₁₀, — учасник мітохондріального процесу тканинного дихання. Вони існують як у зв'язаному вигляді, так і в комплексі з білком. Встановлено, що убіхінони, як і токофероли, інгібують ліпідні радикали. Причому, антирадикальною дією володіють не тільки відновлені, але й, у меншій мірі окислені форми. Однак, подібний антирадикальний ефект є дуже помірним і, на думку авторів, становить 5-7 % від подібного ефекту a-токоферолу [3, 6, 18, 19, 31, 43].

Другими за значенням жиророзчинними ендогенними антиоксидантами є ретиноли та їх попередники, головним чином, b-каротин. Механізм антиоксидантної та антирадикальної дії ретинолів не цілком ясний, можливо він пов'язаний як із здатністю інгібувати ліпідні радикали, так і зберігати тіольні угрупування у клітині [2, 3, 6, 32].

Відомо, що стероїдні гормони гальмують вільнорадикальні процеси, насамперед, за рахунок інгібіювання фосфоліпази А₂, тим самим знижуючи утворення субстратів цього процесу — фосфоліпідів і вільних жирних кислот. Подібний механізм дії відзначений у кортикостероїдів. Однак, останніми дослідженнями встановлено, що стероїдні гормони здатні гальмувати не ферментативне перекисне окислення арахідонової кислоти і утворення її метаболітів — 8-епі-ізопростанів [41, 45]. Підтвердженням цього положення є отримані нами раніше дані про наявність геномозахисної активності у природних та синтетичних фітостероїдів, зокрема, біологічно активної сполуки БТК-8Л. Раніше нами на моделі експериментального ушкодження біомолекул хроматину тетрахлорметаном та хлорофосом було встановлено наявність подібної активності на підставі цілої низки біохімічних та фізико-хімічних показників, що є маркерами структури ДНК, білків та ліпідів хроматину [11]. При цьому отримані дані свідчили про те, що ця сполука певним чином гальмує входження пошкоджених клітин печінки на шлях генетичної програми їх загибелі, тобто, апоптозу [11з]. У зв'язку з цим, можливим механізмом подібного захисного ефекту є взаємодія (пряма чи опосередкована) цієї сполуки з генами, які індукують процес апоптозу.

Є дані про те, що глюкокортикоїди інгібують транскрипцію індуцибельної синтази оксиду азоту і знижують вміст кінцевих метаболітів цієї сполуки в крові, що, очевидно, й визначає їх високу антирадикальну активність за умов патологічних станів, що характеризуються гіперпродукцією оксиду азоту [7, 27, 47].

Крім цього, виявлений антирадикальний ефект естрогенів, який полягає в інгібуванні вільно-радикального окислення нуклеїнових кислот (див. вище), що і обумовлює антимутагенні властивості гормонів [11, 20, 42]. Наявність антирадикальних властивостей в естрогенів є одним з механізмів молекулярної еволюції та еволюції організмів, що лежить в основі збереження їх генофонду [45].

Ряд авторів вважає, що до першої групи антиоксидантної системи захисту клітини можна віднести мелатонін. Індольний амін — мелатонін (N-ацетил-5-метокситриптамін) — виробляється пінеальною залозою (епіфізом) і апудоцитами шлунково-кишкового тракту (ЕС-клітини), клітинами повітреносних шляхів, коркового шару надниркової залози, параганглієв, жовчного міхура, яєчників, ендотелію плаценти. Останнім часом мелатонін виявлено і у не ендокринних формуваннях — тучних клітинах, еозинофілах, тромбоцитах, ацинарних клітинах підшлункової залози, ретикулоепітеліальних клітинах тимусу. Найбільше значення у синтезі мелатоніну належить пінеальній залозі [24, 38].

Пінеальний мелатонін виявляє широкий спектр біологічної активності (антигонодотропна, імуностимулююча, цитостатична, антипроліферативна, антидепресивна), і окрім того, контролює циркадні ритми. Найбільш цікавими уявляються антиоксидантні властивості мелатоніну, особливо, пінеального походження. Виявлено, що мелатонін проявляє унікальні нейроантиоксидантні властивості, що дозволило назвати його "ідеальним інгібітором вільних радикалів". Мелатонін інгібує ОН· і гідроперекиси ліпідів, регулює активність глутатіонпероксидази, яка проявляє виражену антиоксидантну дію [38].

За умов ішемії головного мозку антиоксидантний ефект пінеального мелатоніну проявляється за рахунок специфічного інгібування нейрональної NO-синтетази та пероксинітрит-радикалу (ONOO·) [44, 48]. Окрім того, в ряді робіт відмічається, що мелатонін підсилює експресію генів, відповідальних за синтез антиоксидантних ферментів, особливо глутатіонпероксидази (ГПР) і марганець- і цинк-мідь-залежної супероксиддисмутази (СОД) [див. вище, а також 24].

Останнім часом до ендогенних систем відносять і білкові молекули, які синтезуються de novo і являють собою "пастки" вільних радикалів жирних кислот і ONOO·. До подібних білкових макромолекул відносять білок теплового шоку HSP-70, що забезпечує антиоксидантний захист за умов окисного стресу. Експресія індуцибельної форми HSP-70 відбувається за допомогою оксиду азоту або активних форм кисню [34].

До другої групи можна віднести захисні ферменти: СОД, каталазу, глутатіонредуктазy (ГР), а також низько- та високомолекулярні сполуки, що містять тіольні- та селеногрупи, зокрема цистеїн, цистін та інші.

Ці захисні ферменти запобігають надлишковому утворенню активних форм кисню та приймають участь в нерадикальному розкладі перекисів ліпідів. Так, СОД є ключовим ферментом антирадикального захисту. Вона дисмутує супероксидрадикал до менш токсичного перекису водню. В залежності від мікроелементу в активному центрі виділяють Fe-, Zn-Cu- та Mn-залежну СОД. Fe-залежна СОД у більшій мірі є представленою в еритроцитах, Zn-Cu-залежна — у цитоплазмі, а Mn-залежна — у мітохондріях [3, 4, 9, 12, 26, 28, 33, 40, 43].

Каталаза відновлює Н₂О₂ до води. До активного центру ферменту входить трьохвалентне залізо, протопорфірін, який взаємодіє з перекисом водню за каталазним, або по пероксидазним механізмом, в залежності від концентрації субстрату. Фермент міститься практично у всіх тканинах, у яких його концентрація сягає 10^-6 М. У сукупності, дія всіх захисних ферментів зводиться до зниження концентрації цитотоксичних гідроксильних радикалів [3, 46].

Фізіологічні концентрації сірковмісних сполук також проявляють безсумнівний антиоксидантний ефект, що набагато перевершує прооксидантний. Основним сірковмісним антиоксидантом в організмі є глутатіон відновлений. Крім інактивації ферментативним шляхом гідроперекисів ліпідів, глутатіон неферментативним шляхом інактивує Н₂О₂ і інгібує активні форми кисню і одночасно окислює тіольні угрупування, у першу чергу глутатіон (GSH) до дисульфідів [3, 43, 45, 47].

Н₂О₂ + 2GSH—>GSSG + 2H₂O

Швидкість цієї реакції залежить від концентрації глутатіону у клітині, при зниженні якої збільшується вміст пероксиду водню і зростає концентрація цитотоксичних вільних радикалів. Для регенерації GSSH в GSH у клітках присутня ГР. Ферментативне відновлення глутатіону залежить від НАДФН, тому функціонування GSH-залежних компонентів АОС тісно зв'язано з активністю НАДФН-виробляючих ферментів.

GSSG + НАДФН + Н⁺—>2GSH + НАДФ⁺.

Підсумовуючи антиоксидантний ефект глутатіону та глутатіон-вмісних ферментів на перебіг вільно-радикальних процесів у різних біомолекулах клітини, необхідно відзначити певну специфіку цього впливу в залежності від походження певних біоструктур. Так, нами вперше було встановлено існування у ядерному хроматині самостійної системи реакцій ПОЛ та її специфічність у порівнянні з аналогічною системою у біомембранах [11б]. Ця специфіка певним чином зумовлює і визначає специфічність дії антиоксидантів різних класів. Зокрема, в цьому плані стосовно антиоксидантної активності відновленого глутатіону нами у дослідах in vitro було встановлено, що при порівнянні антиоксидантного впливу ряду антиоксидантів (a-токоферол, іонол, відновлений глутатіон) на процеси ПОЛ у мембранах ендоплазматичного ретикулуму та фракціях транскрипційно активного та репресованого хроматину клітин печінки щурів найбільша активність у хроматині була виявлена саме у відновленого глутатіону [11и].

Не є випадковим той факт, що інтенсифікація ВРО призводить до активації в клітині не тільки ферментів АОС і ГР, але й пентозофосфатного шляху [21, 23, 25, 37, 42]. Для роботи системи репарації структури ліпідів потрібна постійна наявність у клітині резервного пулу жирних кислот, зв'язаних з коферментом А. Важливу роль у даному процесі відіграє також мікросомальна система регенерації токоферолів.

Недостатня кількість глутатіону у клітинах, наприклад еритроцитах, або спадковий недолік ГР приводить до активації ліпопереокислення, що спостерігається, зокрема, при деяких гемолітичних анеміях.

Крім того, в організмі антиоксидантну функцію виконують також селенвмісні сполуки. Необхідно відмітити, що селен входить до складу селенвмісних амінокислот (Se-цистеїн, Se-метіонін) та білків. Включення селену в активний центр селензалежної ГП відбувається у вигляді Se-цистеїну. Так, селенвмісні амінокислоти (Se-цистеїн, Se-метіонін) виявляють самостійну антиоксидантну дію, виступаючи у ролі "пастки" для алкоксильних радикалів, і беруть участь у неферментативному розкладі гідроперекисів ліпідів. Крім того, селен входить до активного центру селензалежної ГП [2, 3, 6, 43, 47].

Третя захисна система — це два ферменти: ГП і глутатіонтрансфераза (ГТ). ГП каталізує розклад гідроперекисів ліпідів нерадикальним шляхом за допомогою глутатіону відновленого. Більше 70 % ГП локалізуються у цитозолі, тоді як 25-30 % — у матриксі мітохондрій [26, 30, 31, 35, 43]. При цьому дія фосфоліпаз полягає у відщeпленні окисленої жирної кислоти, що містить гідроперекисну групу (LOOH), а дія глутатіонпероксидази зводиться до відновлення цієї групи до спиртової з одночасним окисненням глутатіону (GSH) до дисульфіду (GSSH):

LOOH + 2GSH—>LOH + GSSG + Н₂О.

Відновлений глутатіон та іони двовалентного заліза є антагоністами: іони Fe²⁺ активують ВРПО, розгалужуючи ланцюги окиснення, а глутатіон перешкоджає цьому, видаляючи (детоксикуючи) гідроперекиси, що утворюються у ході самого процесу ВРПО [43]. Двовалентне залізо, як витікає з вищезазначеного, дуже токсична сполука, оскільки у водному середовищі з його участю відбувається утворення вільних радикалів з перекису водню (реакція Фентона), а у ліпідній фазі мембран Fe²⁺ розгалужує ланцюги окислення ліпідів, розкладаючи гідроперекиси ліпідів з утворенням алкоксильних вільних радикалів.

У цьому плані доречним буде згадати ранні роботи Б.І. Гольдштейна та співробітників [цит. за 11к], які постулювали та довели існування у складі ядерної ДНК клітин вищих організмів окисно-відновлювальної системи Fe²⁺(Fe³⁺)-аскорбат (окисленний-відновлений), що є важливим механізмом регуляції реплікації ядерної ДНК. У подальшому, розвиваючи ці дослідження, нами на експериментальній моделі in vitro було встановлено існування регулюючого впливу ендогенного аскорбату на ендогенну активність ДНК-полімераз хроматину клітин печінки, який по різному проявляється на інтактному та на ушкодженому тетрахлоретаном (in vitro та in vivo) хроматині [11к].

Окрім того, у складі АОС можна виділити також підсистему детоксикації продуктів ВРО і ушкоджених компонентів клітини. У першу чергу до цієї підсистеми варто віднести ГТ, яка являє собою групу ферментів. ГТ є, власне, найважливішим компонентом системи детоксикації токсичних метаболітів та ксенобіотиків. У той же час, існують ізоферменти, які мають високу активність по відношенню до продуктів ВРПО [22, 42]. Так, ГТ 5-5 щурів високоактивна по відношенню до продуктів окисної модифікації нуклеотидів та нуклеїнових кислот і є єдиною ізоформою, яка виявлена винятково в ядрі клітини (див. наведені раніше дані про антиоксидантний вплив відновленого глутатіону на процеси ПОЛ у ядерному хроматині). ГТ А3-А3 миші здатна до ефективної детоксикації гідропероксидів жирних кислот, а деякі ізоформи ГТ — до продукції кон'югатів GSH з 4-гідроксиалкеналями. Окрім того, експресія різних форм ГТ може підвищуватися паралельно з інтенсифікацією ВРПО в клітині [42].

І, нарешті, для детоксикації Fe²⁺ в організмі існує четверта захисна система: окислення і зв'язування іонів Fe²⁺. У плазмі крові ця система представлена ферментом церулоплазміном (фероксидазою), що окислює Fe²⁺ до Fe³⁺ киснем без утворення вільних радикалів, та білком трансферином, який зв'язує і переносить у кров'яному руслі іони Fe³⁺, а потім захоплюється клітинами. У клітинах іони заліза можуть відновлюватися аскорбіновою кислотою та іншими відновниками, але потім окисляються і депонуються усередині ферментного білкового комплексу феритину [2, 3].

Отже, підсумовуючи, необхідно підкреслити, що наявність багатоступеневої АОС захисту клітини від ВРПО, яка склалася в ході філогенетичного розвитку, зумовлює складність причино-наслідкових відносин серед про- та антиоксидантами і направлена, в першу чергу, на встановлення балансу поміж ними, і внаслідок цього — збереження оптимального метаболічного балансу клітини. З відомих в цьому плані даних необхідно виділити декілька найважливіших аспектів. По-перше, ця багатоступеневість визначається чітким поділом систем АОЗК на ферментативні та не ферментативні. Перші є, якби, "вбудованими" у клітинний метаболізм та набагато складніше та повільніше піддаються екзогенному впливові різних біологічно активних речовин, в тому числі, фармакологічних препаратів. Другі є набагато більш автономними і складаються, окрім ендогенних, також і з ендогенних елементів, що робить ці системи набагато гнучкішими, дозволяючи регулювати до певних меж про- та антиоксиданттний статус клітин організму, знов-таки, за допомогою фізіологічно активних речовин, у тому числі і фармакологічних препаратів. Накопичений у цьому зв'язку досвід експериментального вивчення та практичного впровадження у клінічну практику антиоксидантних препаратів на основі різних класів хімічних сполук дозволяє з оптимізмом дивитися у майбутнє.

По-друге, з існуючих на сьогоднішній час даних експериментальних досліджень з очевидністю витікає наявність специфічної дії систем антиоксидантного захисту на різні біоструктурні елементи клітини, зокрема, на найголовніші з них — ядерний геном та біомембрани. Наявність подібної специфіки є вкрай необхідною передумовою існування можливості вибору фармакологічної корекції цитотоксичних пошкоджень антиоксидантами різних класів в залежності від типу вільно-радикального ураження клітини. У свою чергу, не викликає сумніву існування якісних та кількісних співвідношень між цими основними типами уражень (зокрема — уражень ядерного хроматину та біомембран) за умов різних патологічних станів. Знання цих співвідношень дозволить у подальшому, на основі відповідних експериментальних та клінічних досліджень, проводити більш цілеспрямований та ефективний пошук, розробку та впровадження фармакологічних препаратів, яким притаманна антиоксидантна та цитопротекторна активності.

Література
1. Биленко М.В. Биоантиокислители в регуляции метаболизма в норме и патологии. —М., 1982. —Т. 6. —С. 195-213.
2. Биленко М.В. Биоантиокислители в регуляции метаболизма в норме и патологии. —М.: "Медицина", 1982. —Т. 6. —С. 195-213.
3. Биленко М.В. Ишемические и реперфузионные повреждения органов. —М.: "Медицина", 1989. —С. 368.
4. Биоантиоксиданты и свободнорадикальная патология / Под ред. О.Н.Воскресенского. —Полтава, 1987. —154 с.
5. Бурлакова Е.Б., Алесенко А.В., Молочкина Е.М. и др. Антиоксиданты в лучевом поражении и злокачественном росте. // М.: "Наука", 1975. —220 с.
6. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах. —М.: "Наука", 1972. —252 с.
7. Губский Ю.И., Горюшко А.Г. Шнурко З.В. // Укр. биохим. журн. —1994. —66, №2. —С. 53-58.
8. Губский Ю.И., Юршенко Н.Н., Шаповая Г.С. // Укр. биохим. журн. —1998. —10, №3. —С. 124-130.
9. Губський Ю.І, Юршенко Н.М.//Одеський медичн. журн.-1998. -№4 (48). -С. 66-70.
10. Губський Ю.І., Левицький Є.Л., Примак Р.Г. // Ліки. —1995. —№6. —С. 112-116.
11. Губський Ю.И., Левицький Є.Л., Холодова Ю.Д. и др. // Укр. биохим. журн. —1993. —Т. 65, №5. —С. 76-83.
11а. Левицкий Е.Л., Губский Ю.И. // Укр. биохим. журн. —1994. —Т. 66, №4. — С. 18-30.
11б. Губский Ю.И., Левицкий Е.Л. // Биополимеры и клетка. —1993. —Т. 9, №5. —С. 34-43.
11в. Левицкий Е.Л., Губский Ю.И. Регуляторное влияние ионов кальция и циклических нуклеотидов на синтез ДНК в клетках млекопитающих // В кн.: "Биохимия животных и человека". —Киев: Наукова думка, 1990. —№14. —С. 33-44.
11г. Левицкий Е.Л. // Укр. биохим. журн. —1984. —Т. 56, №4. —С. 460-472.
11д. Gerasimova V.V., Levitsky E.L. // Gerontology. —1982. —V. 28, №4. —P. 217-222.
11е. Губский Ю.И., Левицкий Е.Л., Ленчевская Л.К., Вистунова И.Е. // Укр. биохим. журн. —1993. —Т. 65, №5. —С. 112-115.
11ж. Капралов А.А., Петрова Г.В., Левицкий Е.Л. Локализация альфа-токоферола в составе клеточного ядра и его возможные функции // Труды конференции "Теоретические и прикладные аспекты молекулярной биологии". —Деп. в ВИНИТИ. —№816-В90. —С. 197-214.
11з. Фильченков А.А., Стойка Р.С. Апоптоз и рак. —Киев, Морион, 1999. —184 с.
11и. Губський Ю.І., Левицький Є.Л. Перекисно-антиоксидантний механізм регуляції активності хроматину // Журн. АМН України. —1997. —Т. 3, №2. —С. 275-281.
11к. Губский Ю.И., Левицкий Е.Л., Гольдштейн Н.Б., Литошенко А.Я. // Бюл. эксперим. биологии и медицины. —1989. —Т. 57, №3. —С. 296-298.
12. Дунаев В.В., Беленичев И.Ф., Мазур И.А. //Укр. биохим. журн. —1993. —Т. 63, №3. —С. 118-122.
13. Дунаев В.В., Беленичев И.Ф., Тишкин В.С. и др. // Тез. докл. Всесоюзн. совещ. "Транспорт кислорода и антиоксидантные системы". Гродно, 1989. —С. 86.
14. Бєленічев І.Ф., Коваленко С.І., Дунаєв В.В. "Антиоксиданти: сучасне уявлення, перспективи створення" / Ліки. —2002. —№ 1. —С.25-29.
15. Журавлёв Л.И. Биоантиокислители в животном организме. —В кн.: Биоантиокислители. —М., 1975. —158 с.
16. Иванов И.И. Механизм защитного действия токоферолов в биологических мембранах и некоторые родственные вопросы. —В кн.: Биомембраны. —Рига, 1977. —471 с.
17. Зайцев В.Г., Закревский В.И. // Вест. Волгоград. мед. акад. —1998. —Вып. 4. —С. 49-53.
18. Левицкий Е.Л. // Мед. вести. —1998. —№2. —С. 16-17.
19. Левицкий Е.Л. // Фармакол. вісн. —1997. —№2. -С. 68-72.
20. Левицкий Е.Л., Холодова Ю.Д., Губский Ю.И. и др. // Укр. биохим. журн. —1993. —Т. 65, №1. -С. 28-36.
21. Меерсон Ф.З. Патогенез и предупреждение стрессорных и ишемических повреждений сердца. —М.: "Медицина", 1984. —272 с.
22. Меерсон Ф.З., Пшенникова М.Г. Адаптация к стрессовым ситуациям и физическим нагрузкам. —М.: "Медицина", 1988. —С. 193.
23. Михеев Ю.А., Гусеева Л.Н., Зайков Г.Е. // Успехи химии РАН. —1997. —Т. 66, №1. —С. 3-9.
24. Мелатонин в физиологии и патологии желудочно-кишечного тракта / Под ред. Ф.И.Комарова. —М.: Советский спорт, 2000. —184 с.
25. Перекисное окисление липидов в норме и патогенезе различных заболеваний: Сб. научн. трудов / Под ред. М.И. Агаджаков. —Ереван: "Айастан", 1988. —220 с.
26. Петровский Б.В., Ефуни С.Н., Демуров Е.А., Родионов В.В. Гипербарическая оксигенация и сердечно-сосудистая система. —М.: "Наука", 1987. —326 с.
27. Раевский К.С., Башкатова В.Г., Внукова Г.Ю. // Экспер. и клин. фармакология. —1998. —Т. 61, №1. —С. 13-16.
28. Спрышкова Р.А., Спрышкова Н.А., Серебряков Н.Г. и др. // Вопросы мед. химии. —1981.- №6. —С. 835-840.
29. Храпова Н.Г. // В сб.: Липиды, структура, биосинтез, превращение и функции.- М.: "Наука", 1977. —С. 157-170.
30. Чугасова В.А. // Косметика и мед. —1998. —№2. —С. 18-19; 21-23.
31. Шеленкова Л.Н., Биленко М.В. Структура, биосинтез и превращение липидов в организме животного и человека. —Л., 1978. —320 с.
32. Шумаков В.И., Онищенко Н.А., Кирпатовский В.И. Фармакологическая защита трансплантата. —М.: "Медицина", 1983. —232 с.
33. Щуигаев К.Б., Рууге Э.К., Дмитровский А.А. и др. // Биохимия. —1997. —Т. 62, № 6. —С. 769-771.
34. Araki Chiaki // I. Iwate Med. Assoc. —1998. —50, №2. —P. 159-168.
35. Beckman J.S., Beckman T.W., Chen J. et al. // Proc. Notl. Acad.Sci. U.S.A. —1990. —№87. —P. 1620-1627.
36. Block F., Tondar A., Schmidt W. // Neuroreport. —1997. —8, №17. —P. 3829-3832.
37. Cheton Paulette L., Archibald Frederich S. // Free Radic. Biol. and Med. —1989. —V. 5, №5-6. —P. 325-333.
38. Chen S.T., Chung J.I. // Neur. Physiol. —1999. —V. 124(2). —P. 237-241.
39. Elmadfa J., Senvable P., Weidler B., Schlotzer E. // Ann. Nutr. and Metab. —1989. —V. 33, №1. —P. 1-6.
40. Fridovich I. // Handdook of Methods for Oxygen Radical Rescarch, R.A. Greenwald. —Boca Raton, EL: CRC, 1987. —367 p.
41. Gryglewski R.J., Palmer R.M.J., Monsada S. // Nature. —1986. —№320. —P. 454-457.
42. Racay P., Qteishat A.W., El Kambergy H. et al. // Bioshim. et biophys. acta. —Biomembranes. —1998. —1370, №1. —P. 119-126.
43. Halliwell B., Gutteridge M.C. Free radicals in Biology and Medicine. —Oxford: Clarendon Press, 1989. —320 р.
44. Kasama T., Takama M. // Neurochem. Res. —1993. —V. 14, №8. —P. 798.
45. Liu Y., Burns F.I., Wang B.X. // Bull. Environ. Contam and Toxicol. —1998. —V. 59, №6. —P. 888-893.
46. McCord S.M., Fridovich I. // Superoxide and Superoxidedis mutase. —Acad Press, London-New York-San Francisco, 1977. —340 р.
47. Rice M.E. // Trends Neuro. Sci. —2000. —V. 23. —P. 209-216.
48. Zhang F., Iadecola C. // Ibid. —1993. —V. 4. —P. 559-563.

| Зміст |