Жизнь без старости

В случае наиболее мощных генераторов АФК, таких как комплексы I и III дыхательной цепи (а также комплекса II, дегидрогеназы дигидролипоата и цитохрома Р450), образование O₂^- выглядит как «преждевременная утечка» электронов, которые вместо переноса по дыхательной цепи (или применительно к цитохрому Р450 — участия в оксигенации субстрата) захватываются кислородом в процессе его одноэлектронного восстановления. Ввиду колоссальных объемов кислорода, поглощаемых дыхательной цепью, даже очень небольшая их «утечка» должна привести к образованию таких количеств АФК, которые значительно больше тех, что генерируются ферментами, специализированными на восстановлении О₂ до O₂^- или Н₂О₂, т. е. моноаминооксидазой внешней митохондриальной мембраны, NADPH-оксидазой плазмалеммы, оксидазами пероксисом, ксантиноксидазой и некоторыми другими ферментными системами (таблица П-4.1).

Таблица II-4.1. Генераторы АФК в живой клетке

Большему вкладу дыхательной цепи в общую генерацию АФК организмом соответствует и значительное количественное преобладание ферментов этой цепи над другими оксидазами и оксигеназами. Ферменты дыхательной цепи — один из основных компонентов внутренней мембраны митохондрий, общая площадь которой в организме человека равна примерно 14 тыс. м². Прямые измерения распределения АФК в разных участках живой клетки показали, что, например, вспышка образования АФК при самоубийстве дрожжевой клетки первоначально происходит в ее митохондриях.

Как живые системы защищаются от АФК?

Традиционно в качестве защиты от АФК рассматривают прежде всего вещества-антиоксиданты, убирающие ядовитые формы кислорода. Результат взаимодействия АФК и антиоксидантов состоит в том, что АФК инактивируются, а антиоксиданты, как правило, выходят из строя, теряя свои защитные свойства. Антиоксидант гибнет, как бы прикрывая собой другие, более важные биомолекулы, такие, как ДНК, РНК, белки, фосфолипиды и т. п. Иногда возможна регенерация окисленного антиоксиданта в исходную активную форму. Антиоксиданты принято делить на водорастворимые, действующие в гидрофильных областях клетки (аскорбиновая кислота, SH-глутатион, цистеин и др.), и жирорастворимые, призванные защищать мембранные структуры (CoQ, пластохинон, витамины A, D, E и K). Например, CoQH₂ может восстанавливать свободнорадикальные формы липидов, окисляясь в CoQ·^-. Полученный CoQ·^- регенерирует в исходный CoQH₂, восстанавливаясь дыхательной цепью.

В последнее время все больше внимания уделяется биологическим механизмам защиты от АФК, снижающим продукцию активных форм кислорода в клетке, а не убирающим уже образовавшиеся АФК. Все аэробные организмы располагают глубокоэшелонированной системой защиты от АФК путем предотвращения самой их генерации. Простейшим приемом служит снижение внутриклеточной концентрации кислорода. Дело в том, что цитохромоксидаза и другие терминальные оксидазы, восстанавливающие О₂ до Н₂О, сохраняют максимальную активность вплоть до концентрации кислорода, составляющей всего несколько процентов от той, которая имеется в воде при нормальном атмосферном давлении. В то же время, скорость восстановления О₂ до O₂'^- в митохондриях линейно зависит от концентрации O₂. Вот почему снижение в 10–20 раз уровня O₂ внутри клетки ведет к резкому торможению продукции O₂^- без существенного торможения цитохромоксидазной реакции, а значит, и без уменьшения скорости дыхания и сопряженного с ним синтеза АТФ. И действительно, измерения концентрации O₂ в тканях животных показали, что эта величина примерно на порядок ниже, чем в воде, насыщенной воздухом, т. е. лежит в области В на рис. II-4.2.

Рис. П-4.2. Ферментативное (четырехэлектронное) и неферментативное (одноэлектронное) восстановление О₂ как функция от концентрации кислорода [02]. Концентрация О₂, обеспечивающая полумаксимальную скорость ферментативного восстановления (О₂ → Н₂О), считается равной 3×10^-7 М. Принято также, что скорость неферментативного восстановления (О₂ → О₂·^-) линейно повышается с ростом концентрации О₂. Скорость поглощения О₂ при уровне О₂, соответствующем атмосферному давлению кислорода (0,22 мМ), взята за 100 %. При этом следует помнить, что абсолютная скорость поглощения О₂, принятая за 100 % для реакции О₂ ^ Н₂О, обычно по крайней мере на два порядка больше, чем для реакции О₂ → О₂·^-