"МИС-РТ" - 2001. Сборник №24-1-5.

Благотворная роль
активных форм кислорода

Воейков В. Л. ( sb24-1.zip)

 

  1. Парадоксы кислородного дыхания
  2. Особые свойства молекулы кислорода и продуктов его превращения
  3. Целенаправленная продукция АФК живыми клетками
  4. Биорегуляторная роль АФК
  5. Свободно-радикальные реакции - источники импульсов света
  6. Осцилляторные режимы реакций с участием АФК
  7. Вместо заключения

Свободно-радикальные реакции - источники импульсов света

Единственный способ, позволяющий оборвать опасные радикальные цепные реакции, в которые вовлекаются все новые биоорганические молекулы - рекомбинация двух свободных радикалов с образованием устойчивого молекулярного продукта. Но в системе, где концентрация радикалов очень низка, а органических молекул - высока, вероятность встречи двух радикалов ничтожна. Замечательно, что кислород, который порождает свободные радикалы, является чуть ли не единственным агентом, который может их устранить. Будучи би-радикалом, он обеспечивает размножение моно-радикалов, повышая вероятность их встречи. Если радикал Rá взаимодействует с O2ââ, возникает пероксильный радикал ROOâ. Он может оторвать атом водорода у подходящего донора с превращением его в радикал, сам при этом становясь перекисью. Связь O-O в перекисях сравнительно слаба, и при определенных обстоятельствах она может разорваться, породив 2 новых радикала, ROá и HOâ. Это событие называется запаздывающим (относительно основной цепной реакции) разветвлением цепей. Новые радикалы могут рекомбинировать с другими и оборвать ведомые ими цепи (Рисунок 2).

Рисунок 2. Схема цепной реакции с запаздывающими разветвлениями, протекающая в присутствии кислорода. В правой нижней части - электронно-возбужденные продукты реакций рекомбинации радикалов, которые могут высвечивать фотоны при переходе в основное состояние.

И здесь следует подчеркнуть уникальную особенность реакций рекомбинации радикалов: освобождающиеся при таких актах кванты энергии сопоставимы с энергией фотонов видимого и даже УФ-света. Еще в 1938 г. А.Г. Гурвич показал, что в присутствии растворенного в воде кислорода в системе, где протекают цепные свободно-радикальные процессы с участием простых биомолекул, могут испускаться фотоны в УФ-области спектра, способные стимулировать в клеточных популяциях митозы (поэтому такое излучение было названо митогенетическим) [29]. При исследовании инициированных АФК процессов автоокисления в водных растворах глицина или глицина и восстанавливающих сахаров (глюкозы, фруктозы, рибозы) мы наблюдали сверх-слабое излучение из них в сине-зеленой области спектра и подтвердили представления Гурвича о разветвленно-цепном характере этих реакций [30].

А.Г. Гурвич первым обнаружил, что растения, дрожжи, микроорганизмы, а также некоторые органы и ткани животных служат источниками митогенетических излучений в "спокойном" состоянии, причем это излучение является строго кислород-зависимым. Из всех тканей животных таким излучением обладали только кровь и нервная ткань. С использованием современной техники детекции фотонов мы полностью подтвердили утверждение Гурвича о способности свежей неразбавленной крови человека быть источником излучения фотонов даже в спокойном состоянии что говорит о непрерывной генерации в крови АФК и рекомбинациях радикалов. При искусственном возбуждении в крови иммунных реакций, интенсивность излучения цельной крови резко возрастает [31]. Недавно было показано, что интенсивность излучения мозга крысы настолько высока, что может детектироваться высокочувствительной аппаратурой даже на целом животном [32].

Как отмечалось выше, заметная часть О2 в организме человека и животных восстанавливается по одноэлектронному механизму. Но при этом текущие концентрации АФК в клетках и внеклеточном матриксе очень низки из-за высокой активности ферментативных и неферментативных механизмов их устранения, известных в совокупности как "антиоксидантная защита". Некоторые элементы этой защиты действуют с очень высокой скоростью. Так, скорость супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы превышает 106 оборотов/сек [33]. СОД катализирует реакцию дисмутации (рекомбинации) двух супероксидных радикалов с образованием H2O2 и кислорода, а каталаза разлагает H2O2 до кислорода и воды. Обычно обращают внимание лишь на детоксифицирующее действие этих ферментов и низкомолекулярных антиоксидантов - аскорбата, токоферола, глутатиона и др. Но в чем смысл интенсивной генерации АФК, например NADPH-оксидазой, если ее продукты немедленно устраняются СОД и каталазой?

В биохимии обычно энергетика этих реакций не рассматривается, тогда как энергетический выход одного акта димсутации супероксидов - около 1 эВ, а разложения H2O2 -- 2 эВ, что эквивалентно кванту желто-красного света. Вообще, при полном одноэлектронном восстановлении одной молекулы О2 освобождается 8 эВ (для сравнения укажем, что энергия УФ-фотона с l=250 нм равна 5 эВ). При максимальной активности ферментов энергия освобождается с мегагерцовой частотой, что затрудняет ее быстрое рассеяние в виде теплоты. Бесполезное рассеяние этой ценной энергии маловероятно еще и потому, что ее генерация происходит в организованной клеточной и внеклеточной среде. Экспериментально установлено, она может излучательно и безизлучательно переноситься на макромолекулы и надмолекулярные ансамбли, и использоваться в качестве энергии активации или для модуляции ферментативной активности [34, 35].

Рекомбинация радикалов, происходящая как при цепных реакциях с запаздывающими разветвлениями (Рис. 2), так и опосредованная ферментативными и нефермантативными антиоксидантами не только поставляет энергию высокой плотности для запуска и поддержания более специализированных биохимических процессов. Она могут поддерживать их ритмичное протекание, так как в процессах с участием АФК происходит самоорганизация, проявляющаяся в ритмическом освобождении фотонов.