Активные формы кислорода воспаление
Активные формы кислорода (АФК) и другие факторы киллинга бактерий нейтрофилами — полиморфноядерными лейкоцитами (ПЯЛ) и другими лейкоцитами, освобождаемые в очаге острого воспаления, разрушают не только возбудителей, но наносят ущерб окружающим их тканям. Вот почему их синтез в ПЯЛ активируется только при необходимости. В целом, однако, реакции острого воспаления полезны — как только агенты, инициировавшие его, уничтожены, воспаление стихает, биомолекулы, поврежденные активными формами кислорода, восстанавливаются или заменяются новыми, все приходит в норму.
При чрезмерной и/или длительной активации лейкоцитов их потенциал способен нанести серьёзный ущерб. При некоторых аутоиммунных заболеваниях иммунная система вырабатывает антитела против компонентов собственных тканей — аутоантитела. Обычно антитела генерируются только в ответ на чужеродные организмы и облегчают атаку нейтрофилов и других клеток иммунной системы. Это физиологическая задача антител в иммунитете. Однако когда аутоантитела связываются с тканями человека, они вызывают постоянное нападение на них лейкоцитов — формируют хроническое воспаление. Это плохо, и может привести к серьезным повреждениям, в которые вносят свой вклад АФК. Хроническое воспаление и сопровождающий его серьезный ущерб тканей активными формами кислорода являются частью многих заболеваний. Вот некоторые примеры.
Активные формы кислорода и рак — сложные отношения
Возможно, самым серьезным эффектом хронического воспаления является повышенный риск рака. Например, хроническое воспаление печени, часто вызваны вирусной инфекцией, которая противостоит атакам иммунной системы (например, гепатит C), повышает риск развития рака печени. Хронические воспалительные заболевания толстой кишки (язвенный колит, например) увеличивают риск рака толстой кишки. Сигаретный дым — богатый источник свободных радикалов; это одна из причин, почему курение предрасполагает к развитию рака. АФК, такие как гидроксил радикал (OH•) повреждают азотистые основания ДНК и образуют мутагены. При хронических воспалительных заболеваниях репарация поврежденных азотистых оснований не успевает восстановить их нормальный уровень, они включаются в состав ДНК и в результате вызывают мутацию, активацию онкогенов, а также инактивацию опухолевых супрессорных генов, таких как р53. АФК при хроническом воспалении могут способствовать патологической пролиферации, вызывая чрезмерную сигнализацию.
Один важный вопрос, учитывая роль активных форм кислорода в патогенезе рака, почему антиоксидантные добавки, как правило, неэффективны в замедлении развития рака у человека? Подробнее мы рассмотрим этот вопрос в статье «Окислительный стресс «.
Атеросклероз и слабоумие
Гепатит и воспалительные заболевания кишечника — примеры хронического воспаления высокого уровня. В последние годы стало понятно, что хронические воспаления более низкого уровня играют ключевую роль в возникновении повреждения тканей при многих заболеваниях, в том числе диабете и атеросклерозе. Атеросклероз можно охарактеризовать как хроническое воспаление низкого уровня стенки сосудов крови, повреждение ее активными формами кислорода, отложение ЛНП (липопротеины низкой плотности) в стенки сосудов. При болезни Альцгеймера (AD), скопления токсичных белков (бляшки и клубки) накапливаются в мозге и вызывают нейронную дисфункцию. Это ведет к нецелесообразной активации фагоцитов в мозге, в клетках микроглии. Обычно микроглия обеспечивает защиту и помощь нейронам, но хроническая и постоянная активация микроглии при болезни Альцгеймера усугубляет повреждение активными формами кислорода белков липидов, ДНК и РНК мозга. Остаётся не ясным, почему антиоксиданты, способные проникать через гематоэнцефалический барьер, не эффективны при болезни Альцгеймера.
Ожирение
Ожирение — фактор риска для нескольких заболеваний, особенно метаболического синдрома и диабета типа 2. Риск этих заболеваний связан с увеличением окислительного повреждения активными формами кислорода биомолекул. Одной из причин считают белую жировую ткань, которую раньше считали инертным хранилищем триглицеридов. Оказалось, что белая жировая ткань активно секретирует провоспалительные цитокины, химические сигналы, которые могут вызвать воспаление и последующее образование активных форм кислорода. Если есть много жировой ткани, то следует ожидать и много провоспалительных цитокинов. Когда они поступают в циркуляцию, то способствуют воспалению и окислительному повреждению других тканей тела. Другими словами, ожирение может привести к хроническому низкоуровневому воспалению. Метаболический синдром и диабет тип 2, спровоцированные воспалением, утяжеляют течение воспаления.
Цитокины и активные формы кислорода
Воспаление сопровождается рядом метаболических изменений. Во-первых, увеличивается синтез цитокинов. Цитокины — термин, который охватывает широкий спектр молекул образующихся временно и влияющих на несколько типов клеток. Цитокины играют ключевую роль в нормальном росте и развитии, воспалении и ремоделировании тканей и ремонте после травмы (например, заживление ран). Некоторые цитокины способствуют воспалению (например, Интерлейкин-1 (ИЛ-1), Интерлейкин-6 (IL-6), фактор некроза-опухоли (ФНО-а); в то время как другие, уменьшают его (например, интерлейкин-10 (ИЛ-10)). Цитокины тесно связаны с активными формами кислорода, синтезом провоспалительных цитокинов нейтрофилами и несколькими другими типами клеток. Действие этих цитокинов на клетки, в свою очередь увеличивают образование в них активных форм кислорода.. Противовоспалительный цитокин IL-10 проявляет тенденцию к снижению уровней активных форм кислорода.
Источник
Кислород друг и враг
Воздух вокруг нас содержит 21% по объему кислорода (O2), газа, необходимого для жизни. Восемьдесят процентов или больше 02 расходуется на процессы аэробного дыхания, которое обеспечивает эффективную генерацию энергии в форме аденозинтрифосфата (АТФ) в митохондриях. Некоторая часть 02 используется ферментами, которые катализируют реакции синтеза гормона адреналина, кортикостероидов, нейтропередатчика допамина, гидроксилирование аминокислотных остатков при синтезе коллагена, необходимого для построения соединительной ткани. Для обезвреживания и выведения ксенобиотиков («чужеродных для живых организмов соединений) в том числе лекарства, промышленных химических вещества. пестицидов, токсинов системе цитохрома Р450 так же нужен 02.
Нашу потребность в 02 омрачает тот факт, что это токсичный, мутагенный газ; мы выживаем в его присутствии только потому, что от его вредного воздействия имеем широкий спектр антиоксидантной защиты, которая и позволяют нам его безопасное использование. В дополнение к антиоксидантам, которые мы синтезируем сами ( «эндогенные антиоксиданты «), мы получаем их с пищей. Рацион человека богат антиоксидантами. В основном это растительная пища. Растения синтезируют много антиоксидантов, чтобы защитить себя от высокого уровня 02, который они образуют в процессе фотосинтеза. Некоторые из антиоксидантов нашего рациона имеют для нас важное значение (например, витамин Е), тогда как другие не существенны, но полезны (например, каротиноиды, флавоноиды). Кроме антиоксидантов, растения содержат много химических соединений, которые могут модулировать (подстраивать) различные процессы, в том числе воспаление. В последние годы роль антиоксидантов в нашей диете или их добавки интенсивно исследуется. Однозначных результатов пока нет.
Активные формы кислорода
Более 80%, потребляемого нами 02 используется в митохондриях, остальной помогает осуществлять полезные метаболические преобразования (см. выше). Тем не менее, небольшой процент потребляемого 02 (1-2%), превращается в активные формы кислорода (АФК). АФК более реактивны, чем сам 02 и способные повреждать биологические молекулы. Некоторые АФК — свободные радикалы, такие как супероксидный радикал (02• — и гидроксильный радикал (ОН•), а другие нет ( табл. 1) .
| Таблица 1 — Номенклатура активных форм кислорода (АФК) -примеры | |
| Свободные радикалы | Не радикальные АФК |
| Супероксид O2•- | Перекись водорода |
| Гидроксил OH• | Хлорноватистая кислота (HOCl) |
| Липидов пероксил, липид-OO• | Гидроперекись липидов, липид-OOH |
Оксид азота, NO• Диоксид азота,NO2•, | Пероксинит, ONOO- Азотистая кислота, HNO2 |
АКтивные формы кислорода (АФК) не радикалы — перекись водорода (Н202) и хлорноватистая кислота (HOCI).
Термин «реакционноспособный» охватывает широкий круг. Некоторые АФК имеют высокую реакционную способность, другие — меньшую. Классический пример первого — гидроксильный радикал (ОН•), который реагирует при контакте со всеми биологическими молекулами и окисляет их мгновенно. Например, в ДНК OH • быстро повреждает все четыре основания (аденин, тимин, цитозин, гуанин), преобразуя их во вредные продукты. Таким образом, пуриновое основание гуанин преобразуются OH•в 8-гидроксигуанин, который встраивается в ДНК во время репликации и генерирует мутации, которые способствуют развитию рака. Окисление ОН• липидов в мембранах или липопротеинах инициирует цепную реакцию (перекисное окисление липидов), при которой липиды окисляются в пероксиды липидов через ряд промежуточных пероксильных липид-радикалов (табл 1).
Окисление липидов в естественных условиях ухудшает функции клеточных мембран, способствует развитию атеросклероза (особенно окисление липидов в липопротеинах низкой плотности (ЛПНП) и многих других заболеваний. Окисление липидов осуществляют некоторые токсины, особенно те, которые поражают печень (например, органические растворители, такие как четыреххлористый углерод и избыток этанола). Окисление липидов в пищевых продуктах приводит к прогорклости и «привкусам». Гидроксильные радикалы образуются в организме при воздействию ионизирующего излучения, такие как рентгеновские лучи или гамма-лучи. Интенсивная энергия расщепляет воду на гидроксил и водородный радикал:H2O —>>> > Н +OH• . Избыток воздействия ионизирующего излучения повреждает ДНК, в основном с помощью ОН• , и, следовательно, повышает риск развития рак, OH• также окисляет липиды. Гидроксил радикалы также легко генерируется из перекиси водорода
(H2O2). В противоположность OH• радикалу , супероксидный радикал (02• -) гораздо селективнее в своих действиях. Он не атакует ДНК или липиды, но может инактивировать ферменты, которые имеют решающее значение для обмена веществ, в том числе некоторые из них в митохондриях, что может привести к формирование более реактивного OH•. Следовательно, уровни супероксид радикала должны тщательно контролироваться.
Н202, не-радикальное АФК, широко генерируется в естественных условиях, но также быстро разрушается ферментом каталазой, , так что стационарный уровень перекиси водорода, как правило,низкий (мкмоли или меньше). Молекула перекиси водорода пересекает мембраны
довольно легко, поэтому может диффундировать между различными субклеточными отсеками или даже между клетками. Перекись водорода не в состоянии атаковать большинство биомолекул. Однако, если Н202 соприкасается с ионами железа или меди, то образуется OH• (реакция Фентона): Fe2 + + Н202 >>> Fe 3+ + ОН- + OH• и Cu1+ + Н202 >>> Cu2+ + ОН- + OH•
Причиненные биомолекулам (ДНК, липиды, углеводы, белки) повреждения при избыточной генерации АФК (например, во время воздействия ионизирующего излучения, токсинов, которые генерируют АФК при хронических воспалительных заболеваниях, называют окислительное повреждение, а состояние, при котором происходят такие повреждения — окислительный стресс.
Физиологические эффекты активных форм кислорода
Активные формы кислорода (АФК) всегда образуются в естественных условиях, например, в течение воспаление . Некоторые активные формы кислорода (АФК), особенно Н2О2, генерируются для участия в передаче внутриклеточных сигналов, которые контролируют функцию, рост, деление и дифференциацию клеток. Например, Н202 (при адекватном уровне) может стимулировать пролиферацию нескольких типов клеток, таких как фибробласты. Сигнал запускается связыванием фактора роста со специфическим рецептором на поверхности клетки. Важное место в этом каскаде принадлежит фосфорилированию остатков тирозина или серина протеинкиназами. Клетки также содержат ферменты (фосфатазы), которые удаляют эти фосфатные группы. При передаче сигналов увеличивается уровень перекиси водорода в клетке и инактивирует фосфатазы, что усиливает сигналы. Уровень перекиси водорода в клетке тщательно регулируется: слишком много перекиси водорода может привести к чрезмерной пролиферации и содействие развития рака. Слишком мало — сигнализация и клетки не будут функционировать должным образом, или будут неправильно развиваться органы. Уровень H202 также влияет на поведение стволовых клеток, помогает контролировать их деление и направленность их дифференцировки в определенные типы клеток. Дополнительно к этому физиологическому образованию активных форм кислорода (АФК) , часть их, по всей видимости, производится «случайно». Мы постоянно подвергаемся воздействию ионизирующего излучения (например, космических лучей или радона), поэтому всегда при расщеплении воды есть базисный уровень образования в организме OH•. Многие биомолекулы являются неустойчивыми в присутствии 02, вступают с ним в химические реакции с образование супероксид радикала. Примерами являются восстановленные фолаты гормоны адреналин и норадреналин, нейромедиатор допамин, но есть многие другие. Пожалуй, наиболее важным источником супероксида является митохондрии. Во время нормального функционирования митохондрий электроны отщепляются от окисляемых субстратов в цикле трикарбоновых кислот ферментами дегидрогеназами,и перемещаются на их коферменты НАД и ФАД с образованием восстановленных форм НАДН и ФАДН2 соответственно. Восстановленные коферменты окисляются ферментами дыхательной цепи внутренней мембраны митохондрий. В дыхательной цепи электроны траспортируются на кислород при участии разнообразных переносчиков, в том числе и железа в цитохромах. Электроны достигают кислорода и восстанавливают его при участии фермента цитохромоксидазы, которая катализирует реакцию, отражающую суть дыхания: 02 + 4е + 4Н + -> 2Н20.
Энергия, которая выделяется при транспорте электронов по дыхательной цепи, используется на синтез АТФ.
К сожалению, некоторые из переносчиков электронов в электрон-транспортной цепи сами могут переносить одиночные электроны непосредственно 02. Этот процесс часто называют утечка электронов и образование супероксида. Обычно более 98% 02 используется для получения воды, но митохондриальное образование O2•- происходит все время, и увеличивается, если:
- поступает избыток кислорода(отсюда кислород выше нормального 21% является токсичным для всехаэробов, включая человека)
- если митохондрии повреждены и переносчики электронов дезорганизованы, идет утечка электронов на кислород
Избыток образования митохондриального супероксида происходит при диабете и вносит свой вклад в патологию этого заболевания. Избыток активных форм кислорода играет роль при сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваниях.
Источник
В ответ на повреждение тканей тела травмой или инфекцией развивается острая воспалительная реакция — острое воспаление. Его характерные признаки известны на протяжении веков и включают отек, жар, боль и покраснение. В области острого воспаления увеличивается объем кровотока и проницаемость кровеносных сосудов. Определенные лейкоциты, как правило, присутствующие в обращении, покидают кровоток и мигрируют в поврежденную ткань ткань под влиянием ряда химических сигналов (хемотаксические факторы), освобождаемые очагом повреждения. Костный мозг производит и освобождает больше лейкоцитов, количество которых увеличивается в крови и в месте воспаления (табл., п.3).
| Таблица -Некоторые биомаркеры воспаления | |
1. Повышение в плазме или сыворотке уровня провоспалительных цитокинов
| |
2. Повышенный уровень в плазме или сыворотке белков острой фазы
| |
3. Увеличение числа лейкоцитов в крови Выход в кровоток из костного мозга молодых нейтрофилов |
Один из хемотаксических факторов — активная форма кислорода — перекись водорода (Н202), которую генерируют поврежденные ткани в повышенных количествах. Другие хематрактанты представлены метаболитами омега-6 полиненасыщеных жирных кислот (ПНЖК) , включая арахидоновую кислоту (AK). AK под действием ферментов мембран активных лейкоцитов превращается в семейство простагландинов и лейкотриенов, которые способствуют боли и отеку. Аспирин помогает уменьшить боль, потому что останавливает синтез простагландинов путем ингибирования циклооксигеназы (ЦОГ) — первого фермента на пути метаболизма AK. Особенно важным типом лейкоцитов при остром воспалении является нейтрофилы, полиморфноядерные лейкоциты (ПЯЛ) клетки с сегментированным ядром и множеством гранул с оружием. Когда ПЯЛ, мигрировавшие в поврежденную ткань, распознают бактерии или вирусы, они обволакивают их мембраной и поглощают, фагоцитируют. Патогены оказываются в цитоплазме ПЯЛ в составе вакуоли — фаголизосомы. В фаголизосоме они подвергаются действию содержимого гранул нейтрофилов, которые убивают микроорганизмы. Среди оружия киллинга активная форма кислорода супероксид радикал (O2•-) . ЕгоПЯЛ генерируют с помощью ферментной системы (НАДФН оксидаза), которая окисляет НАДФН и использует электроны для образования супероксида (02•-).
НАДФН + 202 ->> НАДФ + 202 •- + Н
Фагоцитированные микроорганизмы, таким образом, атакуются с избытком активной формы кислорода. Некоторые радикалы супероксида преобразуется в другую активную форму кислорода Н202, которая также токсична для бактерий. В грунулах ПЯЛ содержится фермент миелопероксидаза (МПО), которая использует H202 для окисления иона хлорида (CI-) в мощный антибактериальный и противогрибковый агент хлорноватистую кислоту (HClO)
МПО + H2O2 + CI — >HClO + ОН-
Многие отечественные отбеливатели — натриевая соль хлорноватистой кислоты. МПО имеет зеленый цвет и её присутствие легко распознаётся в инфицированных тканях и жидкостях организма. После уничтожения микроорганизмов или других токсичных факторов, нейтрофилы умирают, воспаление разрешается, ткань ремонтируется и восстанавливается, организм возвращается к норме.
Острое воспаление имеет важное значение для выживания человека, в противном случае мы бы умерли от инфекций. В последние годы мы узнали, что генератор активных форм кислорода НАДФН-оксидаза не являются уникальными для лейкоцитов; их нашли (при значительно меньшем уровне) и во многих других типах клеток. Некоторые из них генерируют активную форму кислорода H202, необходимую для передачи сигналов.
Нейтрофилы имеют много механизмов уничтожения патогенов; важность активных форм кислорода в киллинге возбудителей зависит от вида патогена. Тем не менее, пациенты с наследственными дефектами синтеза нейтрофилами активных форм кислорода страдают синдромом стойких и множественных инфекций (хроническая грануломатозная болезнь) и требуют профилактику антибиотиками.
Кроме того, у них часто воспаление не разрешается, как обычно. Оказывается, что активные формы кислорода лейкоцитов нужны не только для убийства инфекционных агентов, но и для нормального разрешения воспаления и репарации тканей. Лекарственные препараты, полученные из омега-3 полиненасыщенных жирных кислот — эйкозапентаеновой (ЭПК) и докозагексаеновой (ДГК), такие как резольвин и протектин — эффективные противовоспалительные средства.
Источник