VII. Антиоксиданты неферментативной природы
В качестве компонентов неферментативной антиоксидантной системы (АОС) могут выступать низкомолекулярные вещества, имеющие высокую константу скорости взаимодействия с АФК.
Неферментативная АОС включает различные по химическому строению и свойствам соединения: водорастворимые - глутатион, аскорбат, цистеин, эрготионеин, и гидрофобные - α-токоферол, витамин А, каротиноиды, убихиноны, витамины группы К, которые снижают скорость образования свободных радикалов и уменьшают концентрацию продуктов реакций, протекающих с участием радикалов.
Основная направленность действия низкомолекулярных АО связана с защитой белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, а также биомембран от окислительного разрушения при свободнорадикальной процессах. Важное значение низкомолекулярные АО приобретают в условиях окислительного стресса, когда ферментативная АОС оказывается менее эффективной в сравнении с их протекторным действием. Причины этого - быстрая инактивация конститутивного пула ферментов свободными радикалами и значительное время, необходимое для индукции их синтеза.
Аскорбиновая кислота
Антиоксидантные свойства аскорбата основаны на существовании одноэлектронных циклических переходов между дигидро-, монодегидро- и дегидроаскорбатными формами. Именно поэтому первой мерой для повышения сопротивляемости заболеваниям, которую рекомендуют врачи – прием ударной дозы аскорбиновой кислоты. Но в присутствии ионов металлов переменной валентности аскорбат обладает прооксидантным эффектом.
Как антиоксидант аскорбат реагирует с супероксидом кислорода, перекисью водорода и радикалом токоферола, при этом окисляясь до монодегидроаскорбиновой кислоты (МДГА) или дегидроаскорбиновой кислоты (ДГА). Окисленные формы превращаются в аскорбат с помощью редуктаз МДГА и ДГА соответственно. В первом случае используется восстановленный эквивалент NADPH+H+, а во втором – глутатион.
Токоферол
Витамин Е представлен несколькими гомологами (α, β , γ- токоферолами) из которых наибольшей антиоксидантной активностью обладает α-токоферол. Эффективность действия α-токоферола, как природного антиоксиданта, обусловлена его исключительно высокой антирадикальной активностью (константа скорости его взаимодействия с перекисными радикалами составляет 3,10,3 106 л/моль с, что на 1 - 2 порядка выше соответствующих констант скоростей для многих известных синтетических и биоантиоксидантов) и стабилизацией липидного бислоя мембран путем образования прочных комплексов с полиеновыми жирными ацилами липидов. α-Токоферол взаимодействует с перекисными радикалами в качестве донора водорода:
ROO• + α-ТФ-ОН →ROOH + α-ТФ-О•
Рис 6. Механизм антиоксидантного действия витамина Е.
Токофеноксильный радикал (α-ТФ-О∙) взаимодействует с аскорбиновой кислотой (НО-АК-ОН), в результате чего радикал альфа-токоферола восстанавливается, но возникает свободный радикал полувосстановленной формы аскорбиновой кислоты – семидегидроаскорбат (НО-АК-О∙), при взаимодействии которого с новой молекулой токофеноксильного радикала образуется дегидроаскорбиновая кислота (О=АК=О):
α-ТФ-О∙ + НО-АК-ОН → α-ТФ-ОН + НО-АК-О∙
α-ТФ-О∙ +НО-АК-О∙→ α-ТФ-ОН + О=АК=О
Рис.7. Восстановление радикала альфа-токоферола
Восстановление аскорбиновой кислоты и ее полувосстановленной формы - семидегидроаскорбиновой кислоты осуществляется в различных компартаментах клетки (микросомы, митохондрии, цитозоль) с участием NADPH+ и G-SH-зависимых редуктаз. Окисленный глутатион (GS – SG) быстро регенерируется под влиянием глутатионредуктазы, источником которого является пентозофосфатный цикл.
Представленная на схеме система регенерирующих циклов фактически исключает побочные реакции токоферилрадикала, обусловливая не только высокую антирадикальную, но и антиоксидантую активность, прерывая развитие цепей перекисного окисления липидов.
Время полураспада α-токоферола, определенное с помощью изотопной метки варьирует от 5 дней в печени и эритроцитах до 30 дней в клетках головного мозга.
Каротиноиды
К гидрофобным антиоксидантам также относятся витамины группы А: А1 (ретинол), А2 и цис-форма витамина А1, отличающиеся дополнительными двойными связями в кольце ионона. Все соединения представляют собой циклический непредельный одноатомный спирт, состоящий из 6-членного кольца (ионон), двух остатков изопрена и первичной спиртовой группы:
.
Всасывание происходит в кишечнике в присутствие липидов. В организме легко окисляются с образованием цис- (сетчатка глаза) и транс-альдегидов (остальные ткани); откладываются про запас в печени в форме более устойчивых сложных эфиров: ретинилпальмитат, ретинилацетат и ретинилфосфат. Известны также предшественники (провитамины) витамина А - каротины. Различают α и β-каротины. Наибольшей биологической активностью обладает β-каротин, поскольку он содержит два -иононовых кольца и при расщеплении в кишечнике, и возможно в печени, при участие -каротин-диоксигеназы, в присутствие молекулярного О2, из него образуются две молекулы витамина А:
.
Повышенное содержание β-каротина в пищевом рационе и плазме крови оказывает профилактическое действие в отношении целого ряда заболеваний. Существует предположение, что благодаря наличию двойных связей в молекуле, витамин А может участвовать в окислительно-восстановительных реакциях, поскольку он способен образовывать перекиси, которые в свою очередь увеличивают активность антиоксидантных ферментов в клетке. Также предполагается участие витамина А в делении и дифференцировке клеток, обусловленного его действием на инициацию репликации; на рост костной ткани - участие в синтезе хондроитинсульфата. Неотъемлемым является участие витамина А в фотохимическом акте зрения.
Коэнзим Q10
КоэнзимQ10(Q10)–жирорастворимоевитамино подобное вещество. Q10 встречается в организме человека буквально повсюду, с чем связано его второе официальное название – «убихинон» (от лат.ubique–везде,повсюду). Внутри клеток Q10 в основном содержится в митохондриях. В сердечной мышце этого вещества вдвое больше, чем в любом другом органе или ткани. Сегодня известны две основные функции Q10 в живых организмах. Q10 участвует в выработке энергии в любой из клеток. Коэнзим Q10 в митохондриях участвует в синтезе АТФ как переносчик электронов, сопрягающий процессы электронного транспорта и окислительного фосфорилирования. Он является необходимым звеном для передачи электронов с комплексов I и II на комплекс III дыхательной цепи. При недостатке Q10 (затруднении в передаче электронов по дыхательной цепи) комплексы I и III становятся основными генераторами супероксид-радикалов.
Q10 – единственный жирорастворимый антиоксидант, способный синтезироваться в организме человека и животных, а также постоянно регенерировать из окисленной формы с помощью ферментных систем. Непосредственное (прямое) антиоксидантное действие Q10 заключается в улавливании свободных радикалов. Q10 способен предупреждать развитие цепных реакций свободнорадикального окисления, в том числе перекисного окисления фосфолипидов клеточных мембран и липопротеинов плазмы.
Еще одно уникальное свойство коэнзима Q10 – постоянная регенерация его окисленной формы с помощью ферментных систем организма и антиоксидантов неферментной природы (аскорбата, альфа-токоферола), что возвращает ему антиоксидантную активность.
Опосредованное (непрямое) антиоксидантное действие Q10 состоит в предупреждении образования феноксил-радикалов альфа-токоферола, то есть в недопущении возможного прооксидантного действия альфа-токоферола
Тиоредоксин
Тиоредоксины — дисульфид-содержащие редокс-активные небольшие (молекулярная масса 12 кДа, 105 остатков аминокислот) белковые молекулы, обнаруживаемые во всех аэробных организмах. Тиоредоксины выполняют функцию дисульфидоксидоредуктазы, восстанавливая NADPH-зависимым путем SH-группы различных белков и тем самым поддерживая их специфическую активность. Окисленные формы тиоредоксинов ретроредуцируются в активноесостояние тиредоксинредуктазой.
Рис. 8. Структурные переходы тиоредоксина-1
Металлотионеины
Металлотионеины – еще один класс соединений, обеспечивающих эффективное ингибирование свободнорадикальных процессов. Они представляют собой семейство низкомолекулярных белков, характеризующихся необычно высоким содержанием остатков аминокислоты цистеин (до 30% от общего количества аминокислотных остатков) и способностью связывать ионы двухвалентных металлов. Например, связывая и выделяя ионы Zn2+ металлотионеины регулируют уровень данного катиона в биологических системах.
Сульфгидрильные группы металлотионеинов могут восстанавливать супероксидный, гидроксильный радикалы и другие прооксиданты. При этом антиоксидантная активность металлотионеинов оказалась существенно выше, чем у цистеина, N-ацетилцистеина и глутатиона. Окисление SH-групп остатков аминокислоты цистеин металлотионеинов в процессе восстановления прооксидантов сопровождается выделением связанных ранее данным полипептидом ионов цинка, обладающих способностью стимулировать экспрессию металлотионеинов. Этот самооптимизирующийся процесс — важный элемент антиоксидантной защиты организма.