АФК (Reactive Oxygen Species) являются собирательным обозначением высокореакционных молекул и радикалов, которые получаются на основе кислорода. Соответственно, окислительный стресс является общим термином для обозначения повреждений белков, липидов, ДНК и сопутствующих функций, которые вызваны действием АФК на биологические объекты.
Общая информация об окислительном стрессе и роли митохондрий в продукции активных радикалов кислорода
Активные радикалы кислорода являются естественными побочными продуктами метаболизма кислорода у всех аэробных организмов. Радикалы кислорода оказывали влияние на аэробные организмы с момента возникновения кислородной атмосферы на планете миллиарды лет назад. Бóльшая часть АФК образуется в митохондриях в ходе нормального окислительного фосфорилирования, однако часть радикалов образуется при взаимодействии организма с окружающей средой. Например, у человека яркий солнечный свет может взаимодействовать с некоторыми химическими соединениями кожного покрова и глаз и вызывать постепенное повреждение кожи и зрения, способствовать развитию катаракты. Промышленное загрязнение атмосферы окислами азота приводит к образованию радикалов, которые могут быть причиной патологических изменений в тканях.
В ходе эволюции жизни на Земле возникли разные способы приспособления к воздействию АФК. Появились способы уменьшения продукции радикалов и механизмы защиты от их вредного воздействия, организмы стали использовать радикалы в качестве сигнальных молекул для включения и усиления защитных механизмов, и даже для борьбы с бактериальной инфекцией (Ristow, Zarse, 2010).
В настоящее время проблема продукции митохондриями радикалов кислорода и развития окислительного стресса оказалась самой противоречивой в биоэнергетике и патофизиологии. Причин тому много. Одна из главных причин состоит в сложности вовлеченных процессов, начиная от уровня атомов и молекул и кончая особенностями метаболизма и его регуляции в течение жизненного цикла. В данной главе мы рассмотрим физические и химические свойства кислорода и его производных радикалов, дадим краткий обзор основных радикалов и их действия на организм человека. В следующих главах мы рассмотрим фосфолипидный и жирнокислотный состав клеточных мембран, поскольку окислительное повреждение ЖК мембран митохондрий, как оказалось, играет более важную роль в окислительном стрессе и процессе старения, чем повреждения митохондриальной ДНК. Метаболизм ЖК очень важен не только в производстве энергии, но и в функциях мембран и клеток, а также в регуляции многих физиологических функций. За последние 2–3 десятилетия были сделаны открытия, которые пока не вошли в учебники, поэтому в следующих главах мы рассмотрим ферментативные и неферментативные пути метаболизма ПНЖК, перекисное окисление и образование регуляторных и токсичных продуктов из АК и ДГК. Мы будем не раз обращаться к этим вопросам при обсуждении возрастных изменений метаболизма, известных как метаболический стресс.
Несмотря на интенсивные исследования механизмов продукции АФК и поиски методов борьбы с окислительным стрессом, до сих пор существуют огромные пробелы в понимании этих процессов. С одной стороны, это связано с тем, что мы все еще не знаем многих принципов, которые управляют продукцией АФК, а также механизмов их повреждающего действия, развития окислительного стресса и защиты от него. С другой стороны, не существует абсолютно надежных методов определения радикалов.
Несмотря на все трудности, в результате упорной работы многих ученых накопилось достаточно материала о свойствах АФК, а в последние годы появилась принципиально новая информация, которая заставляет отказаться от многих устоявшихся гипотез и пересмотреть механизмы участия АФК в процессах старения организма, мутациях ядерной ДНК, особенно митохондриальной ДНК (мтДНК). Например, недавно было убедительно указано на отсутствие прямых доказательств того, что АФК непосредственно вызывают мутации мтДНК (Pinto, Moraes, 2015; Szczepanowska, Trifunovic, 2017). Представление о роли АФК в мутациях мтДНК оказалось построенным не на доказательной информации, а только на параллельных корреляциях между производством АФК и мутациями мтДНК. Все это вызвало необходимость объяснить читателю свойства кислорода, механизмы образования и свойства отдельных радикалов, а также представления о конечных результатах воздействия АФК на митохондрии и клетки, конкретных механизмах действия радикалов. Оказалось, что окислительный стресс и старение являются не только и даже не столько результатом повреждения нуклеиновых кислот, сколько результатом повреждений липидов и белков мембран, а также связанных с этим дисфункций митохондрий и других клеточных органелл. Это вызвало необходимость подробного рассмотрения в данной книге свойств липидов мембран, а также механизмов их окислительного повреждения.
В популярных публикациях, интернете, среди специалистов по вопросам питания и даже среди медиков и научных работников многие представления об окислительном стрессе, старении и обмене веществ в организме оказались мифами. Хорошим примером является широко распространенное мнение о пользе различных пищевых добавок, которые обладают антиоксидантными свойствами и потому «задерживают старение и возвращают молодость». Недавние исследования показали, что процесс старения не зависит от антиоксидантной активности ферментов и разного рода пищевых добавок (Barja, 2014).
В этой главе сделана попытка собрать полезную, рассеянную в литературе информацию о базовых принципах продукции АФК, представить собственные данные о метаболических и функциональных различиях митохондрий в органах, о том, как эти различия влияют на продукцию АФК и защиту от окислительного стресса.
Свойства молекулярного кислорода и образование радикалов О2
В живых организмах образование активных радикалов кислорода неразрывно связано со свойствами молекулярного кислорода и механизмами аэробного, т.е. кислород-зависимого митохондриального дыхания. Структура электронной оболочки, молекулярного кислорода (O2) предрасполагает к образованию радикалов и делает O2 химически очень активным. Одним из важных свойств O2, которое сделало возможным возникновение жизни, является тот факт, что кислород гораздо лучше растворяется в жирах, чем в воде (Subczynski, Hyde, 1983), поэтому биологические мембраны не являются барьером для O2, и его концентрация в липидной фазе мембран примерно в 4–5 раз выше, чем в цитоплазме.