CC BY
82
ОБЗОРЫ
УДК 547.1-3
ПЕРЕКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ И АНТИОКСИДАНТНЫЕ СИСТЕМЫ ПРИ ПСИХИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ.
Сообщение V.
М.Г. Узбеков
Московский научно-исследовательский институт психиатрии -филиал «ФМИЦПН им. В. П. Сербского» Минздрава России
Свободно-радикальные процессы при физиологических условиях
В литературе основное внимание уделяется роли свободно-радикальных процессов в патологии. Вместе с тем, эти процессы имеют важное физиологическое значение.
Становится очевидным, что свободные радикалы вовлечены не только в патологические процессы. Их наличие также необходимо для многих физиологических функций живого организма [4, 20], включая «здоровое», физиологическое старение [11]. Перекисное окисление липидов, главное следствие свободно-радикального повреждения, имеет как негативные, так и позитивные эффекты [14]. Свободные радикалы, эти биологически «гиперреактивные» молекулы, действуют как сигнальные молекулы в различных клеточных метаболических путях, что открыло новое научное направление, так называемый «окислительно-восстановительный сигналинг» ("redox signaling") [16]. Например, считается, что перекись водорода и пероксинитрит участвуют в значительном числе клеточных сигнальных каскадов [18]. Это связано с тем, что не-радикальная структура этих молекул имеет сравнительно более длинный полупериод жизни, чем остальные оксиданты, что позволяет им мигрировать от одного метаболического пути к другому и диффундировать через внутриклеточные мембраны.
Низкие концентрации внутриклеточных или внеклеточных кислородных радикалов необходимы для многих биохимических процессов, включая опосредование внутриклеточных сигналов, защита от микроорганизмов и клеточные функции [17, 22].
Свободные кислородные радикалы при умеренных и низких уровнях проявляют положительные эффекты. Они вовлекаются в различные физиологические процессы, такие как иммунная функция, в различные сигнальные пути, в митогенный ответ и регуляцию окислительно-восстановительного статуса [6, 21].
В настоящее время является хорошо установленным, что супероксидный радикал, О2^-, играет важную роль в развитии и дифференцировке всех тканей. Под действием О2^- происходят изменения во внутриклеточной концентрации кальция за счет изменений в митохондриальных и микросомальных местах хранения кальция, что в конечном итоге ведет к изменениям в передаче сигналов, которые играют роль в экспрессии гена. Активность супе-роксиддисмутазы (СОД) повышается на ранних стадиях развития мозга крысы [2]. Установлено, что в культуре фибробластов кожи человека изменения в активности СОД связаны с регуляторными механизмами развития, а не с изменениями парциального давления кислорода в среде [5]. Повышенная экспрессия СОД в период раннего постнатального развития, как было показано, имеет причинную связь с процессом дифференцировки, которая инициируется повышенной продукцией перекиси водорода (Н2О2) и гидроксильного радикала в результате активации СОД. Эти же механизмы важны и для упорядоченного во времени развития нейронов. О2^- также необходим для реакций гидроксилиро-вания в реакциях синтеза моноаминов. Окись азота (NO^), чей фермент синтеза - синтаза окиси азота -широко распространен в головном мозге, выполняет двойственную функцию: нейропротекторную и нейротоксическую. NO^ играет важную роль как в модуляции действия возбуждающих аминокислот, в частности глутамата, так и в поддержании тонуса сосудов эпителия головного мозга [12].
Роль свободных радикалов в процессе фагоцитоза
Если фагоциты (нейтрофилы, эозинофилы, моно-нуклеарные фагоциты) подвергаются воздействию соответствующего стимула, то в них происходит скоординированная серия реакций, которая называется «кислородным взрывом» (respiratory burst) [6]. Активировать фагоциты способны как раство-
римые агенты, так и частицы (например, опсонизи-рованные бактерии). Растворимыми активаторами являются лимфокины, иммуноглобулины, иммунные комплексы и другие. Эта активация представляет собой сложный, энергозависимый процесс, который начинается с взаимодействия активатора с плазматической мембраной фагоцита. Молекулярный механизм процесса активации изучен недостаточно. Считается, что он может быть связан с перераспределением Са2+, или с ненасыщенными жирными кислотами (например, арахидоновой кислотой), образуемыми после активации фосфолипаз А и С, или с лизофосфолипидами (фосфолипидами, от которых отщеплена жирная кислота под действием фосфолипазы А) или с диацилглицерином (производное фосфолипидов, образующееся после действия фосфолипазы С). Стимул запускает следующий процесс, который протекает со скоростью, указанной в схеме:
10 сек 30-60 сек
Стимул ->■ Деполяризация -►
Мембраны
Образование О^", изменение уровня цАМФ, высвобождение лизосомальных ферментов/ дегрануляция
Образование О2"-, сопровождаемое дегрануляцией и изменением уровня циклического АМФ (цАМФ), предваряется деполяризацией мембраны. Генерация О2"- начинается в результате активации мембрано-связанной НАДФН-оксидазы, вследствие изменений, происходящих в мембране [19]:
НАДФН-оксидаза
2О2 + НАДФН
2О2"- + НАДФ + Н+
руемой СОД [9, 10]. Эта система выделяет в вакуоль бактерицидный агент.
МПО катализирует окисление галоидных ионов (Х-) с образованием гипогалоидных ионов (ХО-):
мпо
Х- + Н2О
22
ХО- + Н2О.
В этой реакции принимают участие ионы хлора (С1-), которые совместно с гипогалоидными ионами убивают микроорганизм в результате галогенизации его клеточной оболочки или декарбоксилирования его аминокислот. В фагоцитарной вакуоле, кроме того, образуются еще более мощные оксиданты, также обладающие бактерицидным действием. Так, взаимодействие супероксидного радикала с перекисью водорода
Бе или Си
О2- + Н2О
22
•ОН + ОН- + О2 и
Фермент локализован в мембране таким образом, что центр, связывающий НАДФН, обращен в цитоплазму, а центр, продуцирующий О2"-, находится в липидном би-слое мембраны. В результате этого О2"-может генерироваться как в сторону цитоплазмы, так и на наружную поверхность фагоцита. Однако во время фагоцитоза наружная поверхность мембраны смотрит внутрь фагоцитируемой вакуоли, куда и выделяется О2"-. Установлено, что фермент переносит электрон из НАДФН на кислород при помощи мини-электрон-транспортной цепи, в которой принимают участие цитохром Ь и флавопротеин.
Супероксиддисмутаза дисмутирует О2"- в Н2О2. Фагоцитированные частички или микроорганизм находятся в вакуоле, которая расплавляется в клетке под действием азурофильных гранул, имеющихся в фагоцитах.
Фермент миелопероксидаза (МПО) азурофильных гранул является составной частью Н2О2-МПО-галоидной1 системы, использующей Н2О2, генери-
1 Галоидный, то есть хлор-содержащий
супероксидного радикала с гидропероксидами, образующимися в мембранах,
О2"- + ЬООН ->- • •ОН + ЬО- + О2
приводит к образованию гидроксильного радикала. Более того, в реакции, катализируемой миелопе-роксидазой, вместо О 2 может образовываться синглетный кислород 1О2. Таким образом, все перечисленные выше свободные радикалы выделяются в фагоцитарную вакуоль и способствуют уничтожению патогена.
Часть О2"- и Н2О2 может попадать из фагоцитарной вакуоли в цитоплазму фагоцита, а также выделяться во внеклеточное пространство. В цитоплазме они нейтрализуются супероксиддисмутазой, каталазой и глутатион-пероксидазой. Защитные от оксидантов механизмы внеклеточного пространства менее эффективны из-за более низкой активности внеклеточных скэвенджеров (церуллоплазмин, трансферрин, внеклеточная СОД). Поэтому, эти оксиданты играют определенную роль в развитии ограниченной воспалительной реакции, связанной с процессом фагоцитоза.
«Кислородный взрыв» - явление преходящее, продолжающееся около 30-60 мин. В его завершении определенное значение имеют активность Н2О2-МПО-галоидной системы, которая способна инакти-вировать НАДФН-оксидазную систему, а также дегенерация мембранной НАДФН-оксидазной системы во время фагоцитоза [7, 24].
Роль свободных радикалов в активности тромбоцитов
Функционирование тромбоцитов сопровождается образованием О2"-. Вероятнее всего, что супероксидный радикал является одним из побочных продуктов обмена арахидоновой кислоты в этих клетках.
Тромбоцитарная активность сопровождается значительным потреблением кислорода, который в основном идет на окисление свободной арахи-
доновой кислоты. При этом в качестве побочного продукта образуется О2^-. Супероксидный радикал, другие свободные радикалы могут модулировать функции тромбоцитов. Они ускоряют освобождение арахидоновой кислоты из фосфолипидов мембраны тромбоцитов и сдвигают баланс в отношении проста-циклин ( простагландин PGy/тромбоксан А2 (ТХА2) в сторону образования ТХА2, усиливая агрегацию тромбоцитов. В этой ситуации свободные радикалы проявляют тромбогенную функцию [23].
Антиоксиданты, напротив, сдвигают равновесие в отношении Р012/ТХА2 в сторону увеличения концентрации PGI2, который обладает антиагрегационной активностью и снижает сосудистый тонус. Таким образом, колебания в уровне свободных радикалов способны в определенной степени участвовать в регуляции функции тромбоцитов [7].
Свободные радикалы как сигнальные молекулы
Известно, что свободные радикалы являются важными факторами в защитных механизмах, таких как фагоцитоз, антибактериальная активность. Однако исследования последних лет выявили другую функцию свободных радикалов, а именно их способность выполнять функции сигнальных молекул.
Была выдвинута гипотеза, что свободные радикалы можно рассматривать в качестве сигнальных молекул, если они принимают участие хотя бы на одной стадии процесса передачи сигнала [8]. Выявление физиологических функций у свободных радикалов - супероксидного (О2^-) и нитроксидного (NO) радикалов - полностью изменило представления о свободно-радикальных процессах в биологии.
Способность супероксидного радикала инициировать процесс апоптоза указывает на наличие уникального сигнального свободно-радикального апоптотического пути [13]. Супероксидный радикал также способен инициировать апоптоз путем фосфо-рилирования экстрацеллюлярной протеинкиназы и апоптотической сигнал-регулируемой киназы 1, компонентов суперсемейства митоген-активируемой протеинкиназы [3, 4].
Роль свободных радикалов в обмене различных соединений
Метаболизм арахидоновой кислоты. Арахидо-новая кислота, так же как и линолевая кислота, из которой она образуется, относятся к незаменимым жирным кислотам и участвуют в регуляции различных процессов в организме млекопитающих, таких как регуляция роста и размножения организма, различные реакции метаболизма в коже и почках и т.д. Важна их роль в синтезе простагландинов. Арахидоновая кислота играет специфическую роль в тромбоцитах при синтезе фактора хемотаксиса нейтрофилов.
Метаболизм арахидоновой кислоты фактически является процессом перекисного окисления. Но в отличие от неконтролируемого, неферментативного патологического перекисного окисления липидов (ПОЛ), обмен этой кислоты представляет собой стереоспецифический, энзиматически контролируемый процесс. Свободные радикалы принимают участие в некоторых стадиях обмена арахидоновой кислоты [7]. Оксиданты повышают активность мембрано-связанной фосфолипазы А2, которая отщепляет арахидоновую кислоту от фосфолипидов мембран. Фосфолипаза А2 активируется тогда, когда ПОЛ, запущенное свободными радикалами, изменяет фосфолипидное окружение фермента. Образующиеся переокисленные фосфолипиды также вносят вклад в активацию фосфолипазы А2. Благодаря своему участию в обмене арахидоновой кислоты свободные радикалы могут оказывать влияние на свертывание крови (через изменения баланса PGI2/ ТХА2), на воспаление (через синтез лейкотреинов), на патологические процессы в легких (через синтез медленно реагирующих субстанций анафилаксии) [20].
Свободные радикалы не только инициируют начальные стадии обмена арахидоновой кислоты, но и участвуют в синтезе простагландинов. Этот процесс протекает с участием простагландин (PG)-эндопероксид-синтетазы (PGН-синтетазы), обладающей активностью циклооксигеназы и перок-сидазы. На первом этапе под действием циклоокси-геназы из арахидоновой кислоты образуется пере-кисный радикал, который затем подвергается циклизации с образованием простагландин-эндопероксида (PGG2). На втором этапе в реакции, катализируемой PGН-синтетазой (пероксидазная активность), PGG2 восстанавливается с образованием простагландина PG^ (простагландины ряда, обозначаемые цифрой 2, являются производными арахидоновой кислоты). Для проявления своей активности PGН-синтетазе абсолютно необходимы арахидоновая кислота, О2, гем и липидный гидропероксидный активатор. Последнее указывает на интересное аутокаталитическое свойство фермента: простагландин-эндопероксид (PGG2), являясь продуктом циклооксигеназной реакции, в то же время в качестве гидропероксида необходим для поддержания циклооксигеназной активности фермента, выполняя, таким образом, роль активатора. Пероксидазная активность фермента на фоне синтеза простагландинов способствует элиминации значительных количеств липидных гидропероксидов. В процессе пероксидазной реакции образуются органические свободные радикалы (L^), которые способствуют генерации низкомолекулярных свободных кислородных радикалов. Если при этом концентрация гидропероксидов не превышает 10-7М, то образующиеся свободные радикалы нейтрализуются ферментами-антиоксидантами (глутатион-перокси-дазой, каталазой и др.) [2, 21].
108
М.Г. Узбеков
Другие примеры участия свободных радикалов в физиологических функциях организма. Кора надпочечника является одной из тканей, которая наилучшим образом обеспечена антиоксидантами. В ней в высоких концентрациях содержатся восстановленный глутатион, селен, витамины Е и С. Это образование характеризуется высокой активностью супероксид-дисмутазы, глутатион-редуктазы и глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы и относительно высокой активностью каталазы и глутатион-пероксидазы. Такая высокая степень антиоксидантной защиты указывает, что даже при физиологических условиях в ткани протекают интенсивные процессы перекисного окисления липидов, сопровождающиеся генерацией свободных радикалов. При этом антиоксиданты необходимы для контроля и локализации свободно-радикальных процессов. В биосинтезе стероидных гормонов коры надпочечников важная роль принадлежит реакциям гидроксилирования, которые протекают в митохондриях и микросомах и катализируются различными изоферментами системы цитохромов Р-450. Как мы указывали ранее, реакции, катализируемые этими ферментами, являются одним из важных источников свободных радикалов [1]. Последние могут повреждать ферменты системы цитохрома Р-450 или непо-
средственно, или путем индукции процессов ПОЛ. Поэтому в коре надпочечников высок уровень анти-оксидантной защиты.
Свободные радикалы влияют на активность различных ферментов. О2^- инактивирует ряд ферментов, например, папаин, алкогольдегидро-геназу дрожжей, глицеринальдегид-3-фосфат-дегидрогеназу, рибонуклеазу и др. В то же время перевод некоторых ферментов в активную форму происходит только после воздействия О к таким ферментам относятся, например, 2-нитро-пропан-диоксигеназа, индоламин-2,3-диоксигеназа, дофамин-Р-гидроксилаза и индофенол-диоксигеназа.
Многие процессы аутоокисления в биологических системах сопровождаются генерацией супероксидного радикала. Аутоокисление оксигемоглобина в метгемоглобин сопровождается продукцией О2^-. Функционирование некоторых ферментов, например, ксантиноксидазы, альдегидоксидазы, диоксиоротат-дегидрогеназы, сопровождается генерированием значительного количества О2^- [7].
Таким образом, постоянная и контролируемая продукция свободных радикалов абсолютно необходима для нормальных физиологических и клеточных функций [15].
ЛИТЕРАТУРА
1. Узбеков М.Г. Перекисное окисление липидов и антиоксидантные системы при психических заболеваниях. Сообщение I // Социальная и клиническая психиатрия. 2014. Т. 24, № 4. С. 97-103.
2. Узбеков М.Г. Перекисное окисление липидов и антиоксидантные системы при психических заболеваниях. Сообщение III. // Социальная и клиническая психиатрия. 2016, Т. 26, Т 2. С. 91-96.
3. Afanas'ev I.B. On mechanism of superoxide signaling under physiological and pathophysiological conditions // Medical Hypotheses. 2005. Vol. 64. P. 127-129
4. Afanas'ev I.B. Signaling functions of free radicals superoxide and nitric oxide under physiological and pathological conditions // Mol. Biotechnol. 2007. Vol. 37. P. 2-4
5. Allen R.G., Venkatraj V.S. Oxidants and antioxidants in development and differentiation // J. Nutr. 1992. Vol. 122. P. 63-635.
6. Bogdan C., Rollinghoff M., Diefenbach A. Reactive oxygen and reactive nitrogen intermediates in innate and specific immunity // Curr. Opin. Immunol. 2000. Vol. 12. P. 64-76
7. Feher J., Csomos G., Vereckei A. Free Radical Reactions in Medicine. Springer, Berlin, 1987, 199 p.
8. Forman H.J., Fukuto J.M. Redox signaling: thiol chemistry defines which reactive oxygen and nitrogen species can act as second messengers. American Journal of Physiology // Cell Physiology. 2004. Vol. 287. P. 246-256.
9. Gaut J.P., Yeh G.C., Tran H.D., Byun J., Henderson J.P. Neutrophils employ the myeloperoxidase system to generate antimicrobial brominating and chlorinating oxidants during sepsis // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001. Vol. 98. P. 11961-66.
10. Hampton M.B., Kettle A.J., Winterbourn C.C. Inside the neutrophil phagosome: oxidants, myeloperoxidase, and bacterial killing // Blood. 1998. Vol. 92. P. 3007-3017.
11. Linnane A.W., Kios M., Vitetta L. The essential requirement for superoxide radical and nitric oxide formation for normal physiological function and healthy aging // Mitochondrion. 2007. Vol. 7. P. 1-5.
12. Mahadik S.P., Mukherjee S. Free radical pathology and antioxidant
defense in schizophrenia: a review // Schizophrenia Research. 1996. Vol. 19. P. 1-17.
13. Moreno-Manzano V., Ishikawa Y., Lucio-Cazana J., Kitamura M. Selective involvement of superoxide anion, but not downstream compounds hydrogen peroxide and peroxynitrite, in tumor necrosis factor-alpha-induced apoptosis of rat mesangial cells // J. Biol. Chem. 2000. Vol. 275. P. 12684-12691.
14. Niki E. Lipid peroxidation: physiological levels and biological effects // Free Radic. Biol. Med. 2009. Vol. 47. P. 469-484.
15. Oter S., Jin S., Cucullo L., Damien Dorman J.H. Oxidants and antioxidants: friends or foes? // Oxid. Antioxid. Med. Sci. 2012. Vol.
I. P. 1-4.
16. Powis G., Gasdaska J.R., Baker A. Redox signaling and the control of cell growth and death // Adv. Pharmacol. 1997. Vol. 38. P. 329-359.
17. Rahman K. Studies on free radicals, antioxidants, and co-factors // Clin. Intervent. Aging. 2007. Vol. 2. P. 219-236.
18. Rhee S.G. Redox signaling: hydrogen peroxide as intracellular messenger // Exp. Mol. Med. 1999. Vol. 31. P. 53-59.
19. Segal A. How neutrophils kill microbes // Ann. Rev. Immunol. 2005. Vol. 23. P. 197-223.
20. Sies H. Role of reactive oxygen species in biological processes // Klin. Wochenschr. 1991. Vol. 69. P. 965-968.
21. Valko M., Leibfritz D., Moncola J., Cronin M.T., Mazura M., Telser J. Review. Free radicals and antioxidants in normal physiological functions and human disease // Int. J. Biochem. Cell Biol. 2007. Vol. 39. P. 44-84.
22. Ushio-Fukai M. Compartmentalization of redox signaling through NADPH oxidase-derived ROS // Antioxid. Redox. Signal. 2009. Vol.
II. P. 1289-1299.
23. Yamazaki I., Tamura M., Nakajima R., Nakamura M. Physiological Aspects of Free-Radical Reactions // Environmental Hlth Perspectives. 1985. Vol. 64. P. 331-342.
24. Yu B.P. Cellular defenses against damage from reactive oxygen species // Physiol. Rev. 1994. Vol. 74. P. 139-162.
ПЕРЕКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ И АНТИОКСИДАНТНЫЕ СИСТЕМЫ ПРИ ПСИХИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ. Сообщение V.
М.Г. Узбеков
В статье описывается роль свободно-радикальных процессов при физиологических состояниях организма. Рассматривается роль свободных радикалов в процессах фагоцитоза, в активности тромбоцитов, в метаболизме арахидоновой кислоты и других физиоло-
гических функциях. Обсуждается роль свободных радикалов как сигнальных молекул.
Ключевые слова: свободные радикалы, физиология, сигнальные молекулы, фагоцитоз, тромбоциты, арахидоновая кислота.
LIPID PEROXIDATION AND ANTIOXIDANT SYSTEMS IN MENTAL DISORDERS.
Communication V.
M.G. Uzbekov
Physiological aspects of free-radical reactions are discussed. The role is discussed. of free radicals in phagocytosis, in blood platelet activity, in metabolism of Key words: free radicals, physiology, signal molecules, phagocytosis,
arachidonic acid is considered. The role of free radicals as signal molecules platelets, arachidonic acid.
Узбеков Марат Галиевич - профессор, доктор медицинских наук, руководитель лаборатории патологии мозга Московского научно-исследовательского института психиатрии - филиала «ФМИЦПН им. В.П. Сербского» Минздрава России; e-mail: [email protected]
