Гидроксил-радикал
Одноэлектронное восстановление перекиси водорода (третий электрон на пути ступенчатого четырех-электронного восстановления молекулярного кислорода до воды) приводит к возникновению крайне реакционноспособного (термодинамически и кинетически) гидроксил-радикала:
Донором для одноэлектронного восстановления перекиси водорода может служить супероксид-радикал в реакции, катализируемой металлами переменной валентности (Fe2+, Cu+, Co2+, Mn2+, V2+, Cr4+):
Рекомбинация Н2О2 и Fe2+, лежащая в основе реакции Фентона, является главным механизмом образования ОН•. При взаимодействии Н2О2 и О2-• (реакция Хабера-Вайса) в присутствии металлов с переменной валентностью также образуется ОН•.
Гидроксильный радикал является наиболее реакционноспособным радикалом среди АФК. Основные типы повреждений биомолекул гидроксильными радикалами - это отрыв атома водорода; присоединение к молекулам по двойным связям; отрыв электрона (редко). Кроме того гидроксильные радикалы способны разорвать любую С–Н связь, что зачастую приводит к повреждениям структуры белков и нуклеиновых кислот. Особенно активно он взаимодействует с теми липидами, жирнокислотные радикалы которых содержат ненасыщенные двойные связи; это приводит к образованию липидных гидроперекисей в ходе цепных реакций (так называемое перекисное окисление липидов - ПОЛ). для его элиминации в клетке не существует специализированных ферментных систем. Считается, что цитотоксическое действие кислородных радикалов более чем на 50% обусловлено ОН-радикалами, при этом в клетках выделяют два критических объекта повреждения: нуклеиновые кислоты и мембранные белки.
В нормальных условиях АФК поступают в организм с кислородом воздуха, потребляемыми жидкостями и образуются в функциональных системах его клеток в процессе синтеза простангландинов, в результате респираторного взрыва фагоцитирующих клеток, при восстановлении кислорода в дыхательной цепи митохондрии, а также при окислении ксенобиотиков и эндогенных субстратов в митохондриальной цепи транспорта электронов. При этом определенное количество АФК представляет собой постоянный окислительный «фон», присутствующий в живых организмах сигнализирующий о постоянстве окислительно-восстановительного гомеостаза в клетке (редокс-статуса).
Окислительный стресс
Все клеточные процессы характеризуются, тем, что протекают в условиях окислительно-восстановительного гомеостаза, обусловленного изменением в окислительно-восстановительных реакциях множества веществ. Дисбаланс окислительно-восстановительного гомейостаза внутри клетки или ткани, за частую инициируется и/или сопроваждается увеличением концентрации АФК. В норме активные формы кислорода образуются в физиологических концентрациях и играют важную сигнальную и сигнально-регуляторную роль. Избыточную генерацию АФК свыше уровня антиоксидантной защиты, сопровождающуюся повреждением клеточного содержимого, называют окислительным стрессом.
Причинами окислительного стресса называют как внутренние факторы, такие как недостаточная активность антиоксидантных ферментов по сравнению с прооксидантными, так и внешние - ионизирующее и ультрафиолетовое излучение, лекарственные препараты, ксенобиотики.
По концентрации окислительных агентов и реакции на них клеток окислительный стресс условно подразделяют на уровни:
1. Низкий уровень - клетка обеспечивает себе достаточную защиту. При этом изменения наблюдаются большей частью в синтезе белков. В норме клетки могут длительное время пребывать в состоянии непрерывного окислительного стресса низкого уровня без серьезных последствий.
2. Средний уровень - клетка осуществляет адаптацию к стрессу.
3. Высокий уровень - клетка переходит в состояние выживания, клеточный рост и деление в этом случае практически останавливаются. Дальнейшее повышение концентрации активных форм кислорода приводит к массовой гибели клеток.
Очевидно, что опасность для жизни клетки возникает при достижении высокого уровня окислительного стресса, однако отмечено повышение риска становления и развития злокачественной опухоли под воздействием окислительного стресса низкого и среднего уровня (рис. 2).
Рис. 2. Дозозависимый эффект взаимосвязи между уровнем окислительного стресса и процессом прогрессирования опухоли, процессом мутагенеза и процессом апоптоза/некроза.
Такие ткани организма как сетчатка, легкие, мозг обладают наибольшей чувствительностью к окислительному стрессу, что связано с особенностями их метаболизма и морфологией. Повышенной же устойчивостью отличаются клетки кожи, вероятно в силу их постоянного нахождения в прямом контакте с кислородом воздуха.
Окислительный стресс с накоплением в тканях и биологических жидкостях АФК и вторичных продуктов окислительной модификации макромолекул обнаружен при более чем 60 болезнях и синдромах. У человека окислительный стресс может стать первопричиной или неотъемлемой составляющей многих серьёзных заболеваний, таких как атеросклероз, гипертензия, болезнь Альцгеймера, диабет, а также одной из основных составляющих процесса старения. Количество АФК увеличивается при любом патологическом процессе прямо пропорционально тяжести состояния. Такое многообразие негативных эффектов на уровне целого организма на клеточном уровне обуславливается тремя основными процессами:
окислительная модификация липидов;
окислительная модификация белков;
окислительная модификация нуклеиновых кислот.