БИОЛОГИЯ БИОЛОГИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС И МОЗГ

БИОЛОГИЯ
ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС И МОЗГ
А. А. БОЛДЫРЕВ
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Стресс – это состояние организма, характеризующееся выработкой адаптационных реакций
в ответ на неблагоприятные факторы среды.
Ганс Селье
OXIDATIVE STRESS
AND BRAIN
А. А. BOLDYREV
ВВЕДЕНИЕ
We examine the major sources of free radicals
formation in excitable tissues, which takes
place when normal blood circulation is interrupted by the so-called oxidative stress. Highly
reactive oxygen radicals easily oxidize biomacromolecules that are important for the cell
metabolism. However, they can also play positive role, i.e., adjusting the metabolism in the
brain so that it could function under unfavorable conditions.
© Болдырев А.А., 2001
Проанализированы основные источники образования свободных радикалов в возбудимых тканях, наблюдающиеся в условиях нарушения нормального кровообращения при
так называемом окислительном стрессе.
Высокореакционные кислородные радикалы
легко окисляют биомакромолекулы, важные для клеточного метаболизма. Однако
они также могут играть положительную
роль, приспосабливая обмен веществ мозга
к функционированию в неблагоприятных
условиях.
www.issep.rssi.ru
Аэробные организмы нуждаются в кислороде для своей
жизнедеятельности. Однако повышение концентрации
О2 в среде выше уровня, характерного для атмосферного воздуха, является для них токсическим. Степень токсичности зависит от вида организмов, а также многих
других факторов. Например, чистый кислород менее
токсичен для взрослого человека, чем для взрослых
крыс, или для новорожденных крыс по сравнению со
взрослыми. Токсические эффекты кислорода определяются не им самим, а разнообразными кислородными
радикалами, которые образуются в тканях. Эти радикалы образуются в клетках как в результате нормальных
метаболических реакций, так и вследствие нарушения
их снабжения кислородом [1]. Состояние тканей, которое характеризуется избыточным уровнем в них радикалов кислорода (активные формы кислорода, АФК),
называется окислительным стрессом.
ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС
В нормальных условиях подавляющее количество
молекулярного кислорода (более 95%) потребляется в
клетке митохондриальным ферментом цитохромоксидазой, которая, присоединяя к O2 четыре электрона,
катализирует образование двух молекул воды. Однако
молекула кислорода способна присоединять и один
электрон. В ходе одноэлектронного восстановления образуется радикал, содержащий неспаренный электрон –
супероксид-анион кислорода O 2H . Такой радикал может
образоваться при взаимодействии кислорода с промежуточными компонентами дыхательной цепи митохондрий – убихинонами, хотя в нормальных условиях
величина утечки составляет не более 2–5% от общего
потребления кислорода.
Супероксидный радикал кислорода сам по себе обладает малой реакционной способностью. Кроме того,
в клетках имеется фермент супероксиддисмутаза (СОД),
БОЛДЫРЕВ А.А. ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС И МОЗГ
21
БИОЛОГИЯ
которая быстро превращает радикал в молекулу перекиси водорода Н2О2 . В водной среде O H2 может нейтрализоваться и спонтанно, этот процесс сопровождается
появлением синглетного кислорода.
При нормальном течении метаболизма кислородные радикалы не накапливается в клетках. Однако их
содержание может увеличиваться, если повышается скорость образования свободных радикалов или снижается способность клетки к их нейтрализации. В этих условиях супероксид-анион претерпевает превращения,
приводящие к образованию других высокореакционных радикалов, которые могут причинить прямой вред
клетке. По этой причине стойкое увеличение в клетках
свободнорадикальных соединений и создает условия
окислительного стресса.
Защита тканей от окислительного стресса обеспечивается специальной антиоксидантной системой, задачей которой является предохранение тканей от избыточного образования свободнорадикальных молекул [2, 3].
В ее состав входят как низкомолекулярные антиоксиданты, так и белки-ферменты. В числе последних –
СОД, которая превращает супероксид-анион в пероксид водорода. Н2O2 как более гидрофобное (по сравнению с O 2H ) соединение легко покидает клетку. В противном случае Н2O2 атакуется другими ферментами –
каталазой или пероксидазой, в результате чего превращается в воду.
Таким образом, благодаря наличию в клетке антиоксидантных ферментов из кислородных радикалов
образуются нерадикальные соединения – пероксид водорода или вода. Они не представляют непосредственной опасности для клетки: Н2О инертна, а Н2О2 сам по
себе является очень слабым окислителем.
Однако пероксид водорода при взаимодействии с
супероксид-анионом может образовывать гидроксидрадикал:
O 2H + Н2О2
ОН− + ОН•,
который является весьма сильным окислителем. В обычных условиях образование гидроксид-радикала протекает достаточно слабо. Однако токсичность пероксида
водорода резко возрастает в присутствии металлов переменной валентности, что объясняется ускорением образования ОН•:
Fe2+ + Н2О2
Fe3+ + OH− + OH•
Гидроксид-радикал является фактором окислительной модификации многих клеточных структур. Он может окислять молекулы белков и липидов, особенно
активно атакуя мембранные липиды, которые содержат ненасыщенные двойные связи. Этот процесс приводит к образованию липидных гидроперекисей (он
носит название перекисное окисление липидов, ПОЛ)
22
и изменению свойств клеточных мембран. Гидроксидрадикал вызывает разрыв связей в молекуле ДНК, химическую модификацию дезоксирибозы и самих нуклеиновых оснований, что может вызывать глубокие повреждения генетического аппарата клеток.
Известна также миелопероксидазная реакция, в
ходе которой Н2О2 ферментативно превращается в
гипохлорит-анион, который также является мощным
окислителем. Он опасен для клетки как сам по себе, так
и потому, что в присутствии ионов железа может превращаться в гидроксид-радикал.
Еще одним важным радикальным соединением является оксид азота NO•. Он образуется специальным
ферментом, NO-синтазой, содержащейся в фагоцитах,
нейронах и гладкомышечных клетках кровеносных сосудов. NO-радикал относительно стабилен (время жизни составляет несколько секунд) и способен проникать
через клеточные мембраны, его рассматривают как сигнальную молекулу – вторичный мессенджер. В гладких
мышцах он играет роль расслабляющего фактора –
увеличивает просвет кровеносных сосудов (вызывает
вазодилятацию) и улучшает кровоснабжение тканей.
Супероксид-анион кислорода, напротив, выступает как
сосудосуживающий фактор, поскольку связывает NOрадикал с образованием пероксинитрита:
NO• + O H2 + H+
ONOOH
Таким образом, O 2H контролирует концентрацию
NO-радикала, и соотношение концентраций двух радикальных соединений – NO• и O H2 управляет тонусом
сосудов.
NO-радикал выполняет в клетках и другие функции. Взаимодействуя с низкомолекулярными серосодержащими соединениями, цистеином или глутатионом, он образует ди- и мононитрозильные комплексы.
Первые способны обратимо окислять NH2-группы липидов и сульфгидрильные группы белков и выступать
как ингибиторы мембранных белков клетки, а вторые,
напротив, препятствуют этим повреждениям.
Пероксинитрит отличает высокая реакционная способность, он способен разрушать клеточные структуры
и вызывать смерть клеток. При закислении среды пероксинитрит высвобождает гидроксид-радикал, окисляет SH-группы белков, а образующийся при этом NO2 −
осуществляет нитрование тирозиновых радикалов белков, тем самым модифицируя их свойства (рис. 1). В
случае если образование свободных радикалов не будет остановлено системой антиоксидантной защиты,
окислительный стресс приводит к смерти клетки [4].
В табл. 1 приведены данные о наиболее важных активных формах кислорода и родственных им соединениях.
С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 4 , 2 0 0 1
БИОЛОГИЯ
Рис. 1. Сигнальные функции свободных радикалов. Образующийся с помощью NO-синтазы NO-радикал стимулирует расслабление сосудов, при взаимодействии с цистеином или
глутатионом он образует ди- или мононитрозильные комплексы. Первые активируют ПОЛ и
окисление сульфгидрильных групп белка, вторые нейтрализуют эти изменения. Супероксид-анион кислорода понижает уровень NO•, превращая его в пероксинитрит, и тем самым
подавляет вазодилятацию. Пероксинитрит также способен к окислению SH-групп белка, а
в присутствии ионов железа высвобождает ОН• и NO2−. Развитие окислительного стресса
может формировать очаг воспаления, в котором миелопероксидаза (МП) фагоцитов образует гипохлорит (OCl−). При избыточной продукции свободных радикалов создаются условия для клеточной смерти. Этому препятствуют супероксиддисмутаза (СОД), каталаза
(Кат) и пероксидаза (Пер)
Нарисованная здесь картина показывает, что свободные радикалы кислорода являются высокореакционными, быстро превращающимися друг в друга веществами. Их появление сигнализирует о необходимости
изменения метаболизма клетки [3]. Однако наступающие в условиях окислительного стресса нарушения в
образовании и превращениях свободных радикалов
Таблица 1. Активные формы кислорода и родственных соединений
Соединения
Название
РадиСупероксид
кальные Гидроперокси-радикал
Гидроксид-радикал
Алкоксил-радикал
Липоперокси-радикал
NO-радикал
Неради- Пероксид водорода
кальные Синглетный кислород
Гипохлорит-анион
Пероксинитрит
Формула
Относительная
активность
O H2
НОО•
OH•
LO•
LOO•
NO•
Н2O2
1
O2
OCl−
ONOO−
0
1
107
104
1
Не измерена
0
1
103
102
могут оказаться губительными для клетки, если система антиоксидантной защиты не сумеет справиться с их
избытком.
ОСОБЕННОСТИ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО
СТРЕССА В МОЗГЕ
Как ясно из сказанного, окислительный стресс вызывает повреждение клетки. Окисление нуклеиновых кислот может приводить к возникновению мутаций, это
объясняет наличие специальных механизмов, включение которых приводит к клеточной смерти: устранение
клеток с испорченной программой принесет меньше
вреда, чем их неконтролируемая активность.
Перекисное окисление мембранных липидов (ПОЛ)
является причиной повреждения клеток. Наиболее
уязвимы жирнокислотные цепи мембранных фосфолипидов, которые содержат сопряженные двойные связи.
Их атака кислородными радикалами приводит к образованию гидрофобных радикалов, взаимодействующих
друг с другом (рис. 2). ПОЛ приводит к нарушению
нормальной упаковки мембранного бислоя и грозит
нарушением целостности клеточной мембраны. Этот
процесс сопровождает, а возможно, и вызывает многие
патологические (воспалительные, нейродегенеративные,
БОЛДЫРЕВ А.А. ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС И МОЗГ
23
БИОЛОГИЯ
А
Б
X•
Инициация
OH•
HOO•
ONOOH
XH
LOOH
•
O2
•
В
−
•
2
OH•, O2, O
а
LH
L•,
Липидные
радикалы
C
O
C OC
C
O
C
Свободнорадикальная
атака бислоя
C
O
C OC
C
O
O C
H
O
O
L•',
O2
O2
L•'', … LOO•, LOO•', LOO•'', …
Пероксильные
радикалы
LOOH, LOOH', … LH•, LH•', …
Липоперекиси
Фл + Ca2+ + H2O
б
C
O
C OC
C
O
O C
O
O2
Липиды
LOO•
Пероксильный
радикал
LH
Распространение
O
OC
H
O
O
в
C
O
C OC
C
O
O C
Окисленный
бислой
с нарушенной
структурой
C
C OH
C
O
O C
O
Глу-Пер
Арахидоновая
кислота
г
C
O
C OC
C
O
C
Окисленная
жирная кислота,
подвергающаяся
восстановлению
Глу-Пер
C
O
C OC
C
O
O C
O
C
O
C OC
C
O
C
Репарированная
мембрана
Рис. 2. Свободнорадикальная активация процессов перекисного окисления липидов. Радикал Х• атакует ненасыщенные связи жирных кислот, приводя к образованию липидных радикалов (А). Процесс ПОЛ, инициируемый этими радикалами, осуществляется как цепная
реакция, которая приводит к накоплению различных липоперекисей (Б ). Последние вызывают нарушения упаковки мембраны и внедрение в области мембранных дефектов молекул
воды и гидрофильных соединений, в том числе ионов Са (В). Кальций активирует фосфолипазу (Фл), которая расщепляет дефектную молекулу липида. Легче всего окисляются фосфолипиды, содержащие полиненасыщеную арахидоновую кислоту. Высвобождение арахидоновой кислоты позволяет использовать ее для образования биологически активных соединений. В дальнейшем специальный фермент глутатион-пероксидаза (Глу-Пер)
обеспечивает репарацию мембраны
злокачественные) и возрастные изменения в тканях,
приводящие к гибели клеток.
Клеточные белки тоже повреждаются свободными
радикалами. Многие ферменты, содержащие SH-группы, такие, как ATФазы или дегидрогеназы, легко окисляются активными формами кислорода. Интересный
пример окислительной модификации белков представляет ксантиндегидрогеназа, один из специфических ферментов мозга. Его задача – превращать ксантин
в мочевую кислоту. Эта реакция может рассматриваться как один из механизмов антиоксидантной защиты
клеток, поскольку образующаяся мочевая кислота связывает свободнорадикальные формы кислорода и та-
24
ким образом выступает как неферментативный компонент антиоксидантной системы. Однако именно этот
фермент сам реагирует на окислительный стресс – в
результате его атаки свободными радикалами кислорода происходит окисление SH-групп и превращение
ксантиндегидрогеназы в ксантиноксидазу. Характер катализируемой реакции изменяется, и одновременно с
мочевой кислотой начинает образовываться супероксид-анион кислорода (рис. 3). В результате этого в нейронах происходит дополнительное увеличение концентрации свободных радикалов.
Еще одним важным источником свободнорадикальных соединений в мозге являются нейромедиаторы.
С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 4 , 2 0 0 1
БИОЛОГИЯ
а
SH
R•
КД
КО
S
S
SH
б
НАД НАДН НАД НАДН
КД
КД
Мочевая
Гипоксантин
Ксантин
кислота
АТФ
АМФ
КО
АДФ
O2
Функция
−
O2•
КО
O2
−
O2•
Рис. 3. Трансформация ксантиндегидрогеназы в
ксантиноксидазу усиливает окислительный стресс в
нейронах: а – фермент, превращающий гипоксантин
в мочевую кислоту, может находиться в двух состояниях: в восстановленной форме он является ксантиндегидрогеназой (КД), в окисленной – ксантиноксидазой (КО); б – выполнение клеточных функций
приводит к распаду АТФ до аденозинмонофосфата
(АМФ) и накоплению гипоксантина. Его превращение в мочевую кислоту обеспечивается или КД
(верхняя часть реакции), или КО (нижняя часть реакции). Появление в клетках свободных радикалов (R•)
приводит к окислению сульфгидрильных групп ксантиндегидрогеназы, что превращает ее в оксидазу. В
результате образование мочевой кислоты сопровождается накоплением супероксид-аниона кислорода и усугубляет окислительный стресс
Гипоксия
↑↑ H+, Ацидоз
При нарушении целостности клеточной мембраны они
высвобождаются и самопроизвольно окисляются с образованием супероксид-аниона кислорода и гидропероксида. Типичным примером является допамин, нарушение обмена которого является одной из причин
таких нейродегенеративных процессов, как болезнь
Паркинсона. Нарушение обмена глутаминовой и аспарагиновой аминокислот, также играющих в мозге роль
медиаторов, имеет нежелательные последствия. Процесс возбуждения в нейронах обычно сопровождается
генерацией радикальных форм кислорода, и избыточное высвобождение этих медиаторов приводит к повышению уровня кислородных радикалов и токсическим
эффектам. По этой причине такие возбуждающие медиаторы относят к экзайтотоксическим соединениям
(от английских терминов “excitation” – возбуждение и
“toxicity” – токсичность).
Все названные процессы активируются при нарушении мозгового кровообращения (рис. 4). При недостатке кислорода в митохондриях увеличивается восстановленность дыхательной цепи, а образование АТФ
уменьшается. Поэтому после восстановления кровообращения появляющийся в тканях кислород взаимодействует с промежуточными компонентами дыхательной
цепи, убихинонами, которые обладают к нему более
Реперфузия
Повреждение
митохондрий
−
O2• , H2O2↑
↓↓ АТФ, ↑ Лактат
↑↑ Внутрикл. Ca2+
Активация ФЛ
↑↑ Арахидонат
Повреждение
эндотелия
↓ NO•
Активация протеаз
и фосфолипаз
Лейкотриены
Тромбоксаны
Концентрация
и адгезия лейкоцитов
−
↑↑ O2• , NO•,
ONOO−
Миелопероксидаза
−
АТФ
КД
Аденозин
Гипоксантин/Ксантин
O2• , H2O2,
OH•,OCl−,
ONOOH ↑↑↑
КО
Рис. 4. Образование свободных радикалов на разных стадиях ишемического повреждения
тканей. На стадии гипоксии истощается клеточный запас АТФ, наблюдаются ацидоз, повреждение митохондриальных мембран и высвобождение ионов кальция в цитоплазму. Это
активирует фосфолипазы и протеиназы и подготавливает ткани к окислительному стрессу.
На стадии восстановления кровообращения (реперфузии) наблюдается самоускоряющийся рост свободных радикалов вследствие множественных механизмов. Их продукция может привести к повреждению биомакромолекул, несовместимому с жизнью клетки. Сможет
ли клетка отразить свободнорадикальную атаку, зависит от системы ее антиоксидантной
защиты
БОЛДЫРЕВ А.А. ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС И МОЗГ
25
БИОЛОГИЯ
высоким сродством. Такое взаимодействие происходит
по одноэлектронному пути и заканчивается образованием супероксид-аниона. Феномен повышенного образования АФК после смены гипоксии на усиленную реоксигенацию мозга носит название кислородного парадокса,
поскольку восстановление нормального пути утилизации кислорода проходит через стадию его “неправильного” использования, приводящего к росту АФК.
Фактором, усиливающим окислительный стресс,
является закисление среды, вызываемое происходящей
при гипоксии активацией гликолиза. В тканях, лишенных кислорода, гликолиз призван хотя бы частично
компенсировать нехватку АТФ. Однако это приводит к
накоплению кислых продуктов (молочная кислота),
которые в условиях нарушения кровообращения накапливаются в тканях. Закисление среды приводит к
высвобождению ионов железа. В норме они связаны со
специальным белком трансферином, содержание которого в мозге составляет около 0,25 мкM. Каждая молекула трансферина при нейтральной кислотности
среды присоединяет два иона железа, следовательно,
при нормальном содержании железа в мозге млекопитающих (0,22–0,45 мкM) все оно находится в связанном состоянии и не может стимулировать образования
гидроксид-радикала. Это обстоятельство сберегает нейроны от окислительного стресса и компенсирует характерную для мозга низкую активность каталазы, пероксидазы и СОД. Однако при закислении среды
способность трансферина связывать железо снижается, и оно легко высвобождается из ставшего непрочным комплекса. Поэтому, когда мозг выходит из состояния гипоксии и кровообращение восстанавливается
(например, при лечении мозгового инсульта), его подстерегает реальная опасность окислительного стресса.
Наконец, важно отметить, что вдобавок к легкой
активации образования радикалов в нейронах в их
мембранах повышено содержание липидов с полиненасыщенными жирными кислотами (типа арахидоновой кислоты), которые легко окисляются свободными
радикалами. Все эти особенности могут приводить к
тому, что нарушения обмена кислорода в мозге будут
вызывать свободнорадикальное повреждение клеток.
ДВОЙСТВЕННАЯ РОЛЬ
СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ В ТКАНЯХ
Не следует думать, что радикальные процессы приносят только вред организму. Ярким примером положительной роли этих соединений является клеточная система иммунитета. Входящие в ее состав макрофаги
используют целый набор ферментов для уничтожения
чужеродных элементов или поврежденных клеток. Мак-
26
рофаги мигрируют в очаг воспаления, где они активируются и с помощью специальной оксидазы генерируют из O2 супероксид-анион, а затем гидропероксид (с
помощью СОД) и гипохлорит (в результате миелопероксидазной реакции) (рис. 5). Таким образом создаются условия для ликвидации инфекции.
Положительная роль свободных радикалов не ограничивается этим примером. Клетки мозга балансируют
на грани допустимого уровня свободных радикалов, повидимому, по той причине, что эти короткоживущие
высокореакционные соединения выполняют в нейронах важные регуляторные функции. Действительно,
для мозга характерен повышенный синтез простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов. Этот процесс
требует участия супероксид-аниона кислорода, а также
арахидоновой кислоты – соединения, высвобождающегося из мембранных фосфолипидов в ходе ПОЛ (см.
рис. 2). Образующийся в эндотелиальном русле NO-радикал используется для тонкой регуляции кровоснабжения мозга. Поэтому нельзя исключить, что происходящий после гипоксии всплеск образования свободных
радикалов является сигналом к восстановлению нарушенного снабжения нейронов кислородом. Таким образом, в тканях мозга осуществляется неустойчивое
равновесие между образованием и нейтрализацией свободных радикалов [3].
Миелопероксидаза
H2O2 + Cl−
СОД
O2 + OH− + OH•
Fe2+
−
O2•
HOCl
O2
НАДФН-оксидаза
Рис. 5. Согласованная работа ферментов при активации макрофага приводит к образованию набора
свободных радикалов. НАДФН-оксидаза производит супероксид-анион, СОД трансформирует его в
пероксид водорода, из которого в присутствии ионов железа происходит образование гидроксид-радикала. Миелопероксидаза превращает пероксид
водорода в гипохлорит, который также способен образовывать гидроксид-радикал
С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 4 , 2 0 0 1
БИОЛОГИЯ
АНТИОКСИДАНТНАЯ ЗАЩИТА МОЗГА
Итак, мозг уязвим для свободнорадикального повреждения. Ишемия мозга – процесс, вырастающий из локальных нарушений кровообращения как комбинация
гипоксии (понижения уровня снабжения клеток кислородом), гипогликемии (снижения притока глюкозы
к клеткам) и ацидоза (закисления от накопления в
клетках продуктов гликолиза, которые не могут быть
унесены с током крови). Чем быстрее будут устранены
эти факторы, тем менее болезненны последствия для
будущего функционирования мозга. Для их устранения
следует восстановить нормальное кровоснабжение. Однако тут нас подстерегают последствия кислородного
парадокса – восстановление снабжения тканей кислородом чревато ростом АФК.
Естественным выводом из анализа этих событий
явилась концепция антирадикальной терапии – использование антиоксидантных соединений и ферментов, способных понижать уровень свободных радикалов
в тканях. При рассмотрении табл. 2 можно заключить,
что из всех известных антиоксидантов наиболее подходящими в этих условиях должны быть низкомолекулярные соединения: они проникают через гематоэнцефалический барьер и понижают уровень гидрофильных
(гидроксид-радикал) и гидрофобных (пероксирадикалы) окислителей. Такими соединениями могут быть
α-токоферол (витамин Е), каротиноиды, таурин, глутатион, мочевая и аскорбиновая кислоты. Будучи природными соединениями, они могли бы восстанавливать разбалансированную систему антиоксидантной
защиты тканей. Можно использовать и синтетические
антиоксиданты при условии, если они проникают через гематоэнцефалический барьер и не образуют токсических метаболитов.
На основе этого подхода для лечения инсульта в
клинике предлагается применять разнообразные антиоксиданты, но обнадеживающие данные были получены лишь в редких случаях. Наибольшее количество
литературных данных относится к витамину Е – жирорастворимому соединению, ингибирующему цепные
реакции перекисного окисления липидов за счет нейтрализации пероксильного радикала. Однако клинический эффект витамина Е начинает проявляться лишь
после длительного лечения (несколько недель). При быстром течении болезни такой подход может оказаться
неэффективным.
При некоторых заболеваниях (в том числе при паркинсонизме) рост свободнорадикальных соединений в
тканях не сопровождается снижением внутриклеточного фонда витамина Е. Более того, использование в терапии инсультов флавоноидов, действие которых также основано на прерывании цепного процесса ПОЛ,
даже усугубляло течение патологического процесса,
поскольку эти вещества способны восстанавливать
трехвалентное железо до двухвалентного, которое инициирует образование гидроксид-радикалов.
Антиоксидантную защиту тканей мог бы обеспечивать аскорбат. Сложность возникает с его доставкой к
участкам повреждения: ввиду высокой реакционной
способности аскорбиновой кислоты ее запасы могут
исчерпаться еще в токе крови. К тому же аскорбат, как
и большинство других природных антиоксидантов, в
Таблица 2. Природные антиоксиданты
Антиоксиданты
Ферменты, белки
СОД
Каталаза
Пероксидазы
Ферритин
Трансферин
Лактоферин
Церулоплазмин
Альбумин
Низкомолекулярные вещества
Витамин Е
Каротиноиды
Витамин С
Мочевая кислота
Билирубин
Локализация
Плазма крови, клетки
Пероксисомы
Клеточные мембраны, митохондрии
Цитоплазма
Внеклеточная жидкость
То же
”
”
Клеточные мембраны
Клеточные мембраны
Цитоплазма
Кровь
То же
Функция
Дисмутация O 2H
Деградация Н2О2
Деградация Н2О2
Связывание Fe
То же
”
Связывание Fe, Сu
Дисмутация O 2H
То же
Нейтрализация жирорастворимых радикалов
То же
Нейтрализация супероксида, гидроксид-радикала
То же
”
БОЛДЫРЕВ А.А. ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС И МОЗГ
27
БИОЛОГИЯ
малых концентрациях может переводить ионы железа
из трехвалентного в двухвалентное, выступая, как и
флавоноиды, в качестве прооксиданта.
При использовании антиоксидантных ферментов,
в частности СОД, также были получены неоднозначные результаты. Эффективность СОД при лечении мозга ограничена ее проникновением через гематоэнцефалический барьер, хотя его проницаемость и возрастает
при ишемическом поражении мозга. Такие же ограничения встречает использование синтетических антиоксидантов или хелаторов железа (например, десфероксамина).
В последнее время обнадеживающие результаты в
опытах на животных получены с 21-аминостероидами
(лазароидами). Эти вещества эффективно нейтрализуют гидроксид-радикалы. Однако их передозировка может вызывать нежелательные побочные эффекты. Поскольку в современном обществе наблюдается резкое
возрастание ишемических заболеваний мозга и сердца,
становится все более острым вопрос о природных протекторах возбудимых клеток, которые могли бы поддерживать антиоксидантный статус организма. Их функцией могло бы быть не снижение уровня свободных
радикалов в клетках, а регуляция их образования.
Одним из природных регуляторов свободнорадикальных процессов в клетке, работающих совместно с
известными витаминами – водорастворимым аскорбатом и жирорастворимым α-токоферолом, является
карнозин. Этот довольно просто устроенный дипептид
(его молекулу составляют две аминокислоты – гистидин и β-аланин) выступает регулятором многих процессов, протекающих с участием свободных радикалов
[5]. Его можно с успехом применять для заживления
ран, иммунокоррекции, защиты тканей от окислительных повреждений. Он эффективно защищает ткани
мозга от ишемических повреждений в эксперименте. В
настоящее время в некоторых научных лабораториях
завершается производство лекарственных препаратов,
изготовленных на основе этого природного соединения.
28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотрение путей образования и нейтрализации
АФК в мозге приводит нас к пониманию их двойственной роли: как фактора повреждения клетки и как стимула к мобилизации метаболических реакций для
адаптации к неблагоприятным условиям и борьбы с
ними. Как одни и те же соединения могут выполнять
двойную функцию? По-видимому, решающую роль играет величина сигнала – низкие концентрации АФК
стимулируют защитные системы клетки, а высокие
приводят к разрушению клеточных структур и вызывают клеточную смерть. Таким образом, выяснение молекулярных механизмов окислительного стресса позволило найти схожие черты в адаптации на клеточном
и организменном уровнях [6].
ЛИТЕРАТУРА
1. Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: Добро и зло // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 3. С. 2–10.
2. Владимиров Ю.А. Свободные радикалы в клетке // Природа.
1997. № 4. С. 47–54.
3. Болдырев А.А., Куклей М.Л. Свободные радикалы в нормальном и ишемическом мозге // Нейрохимия. 1996. № 13.
С. 271–278.
4. Агол В.И. Генетически запрограммированная смерть клеток
// Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 6. С. 20–24.
5. Болдырев А.А. Карнозин // Химия и жизнь. 1997. № 10.
С. 10–15.
6. Селье Г. На уровне целого организма. М., 1982.
Рецензент статьи Ю.А. Владимиров
***
Александр Александрович Болдырев, доктор биологических наук, профессор Международного биотехнологического центра МГУ им. М.В. Ломоносова по кафедре
биохимии, зав. лабораторией нейрохимии Института
неврологии РАМН. Область научных интересов – природные механизмы защиты мозга от окислительного
повреждения. Автор более 300 научных публикаций, в
том числе четырех монографий и двух учебников по
биохимии мембран, рекомендованных Минвузом РФ
для студентов высшей школы.
С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 4 , 2 0 0 1