Повреждение клетки может быть индуцировано свободными радикалами при многих патологических состояниях, вызванных химическим или радиационным повреждением, повреждением при ишемической реперфузии (индуцированным восстановлением кровотока в ишемизированной ткани), старением клетки и киллингом микробов при фагоцитозе.

а) Свободные радикалы имеют один неспаренный электрон на внешней орбите. Энергия, созданная этой нестабильной конфигурацией, высвобождается через реакцию с соседними молекулами белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот, многие из которых являются ключевыми компонентами мембран клеток и ядер. Более того, свободные радикалы запускают аутокаталитические реакции. Молекулы, с которыми они реагируют, самоконвертируются в свободные радикалы, продолжая процесс повреждения.

б) Активные формы кислорода (АФК) — это свободные радикалы кислорода, роль которых при повреждении клетки хорошо изучена. В норме АФК образуются в клетках при дыхании митохондрий и генерации энергии, но АФК расщепляются и удаляются системой защиты клетки. Таким образом, клетки способны сохранять стабильное состояние, при котором свободные радикалы присутствуют в низких концентрациях транзиторно и не вызывают повреждений.

Когда продукция АФК повышается или «очистительные системы» клетки становятся неэффективными, это приводит к накоплению свободных радикалов. Такое состояние называют окислительным стрессом. Многие патологические процессы, например повреждение клетки, злокачественные опухоли, старение, некоторые дегенеративные заболевания (в частности, болезнь Альцгеймера) развиваются с участием окислительного стресса.

АФК в большом количестве продуцируются лейкоцитами, особенно нейтрофилами и макрофагами, как медиаторы для уничтожения микробов, мертвых тканей и других ненужных субстанций. Вследствие этого повреждение, вызванное этими активными компонентами, часто сопровождается воспалительными реакциями и активацией лейкоцитов.

Свойства некоторых особенно важных свободных радикалов представлены в таблице ниже.

Генерация свободных радикалов

Свободные радикалы могут генерироваться внутри клеток вследствие:
- окислительно-восстановительных реакций в ходе нормальных метаболических процессов. Во время нормального дыхания молекула О₂ восстанавливается при переносе четырех электронов на H₂, в результате образуется молекула воды (H₂О). Эта конверсия катализируется ферментами окисления в ЭПР, цитозоле, митохондриях, пероксисомах и лизосомах.

При этом продуцируются частично восстановленные медиаторы, на которые с молекулы О₂ переносится разное количество электронов:
1 электрон — на супероксид (О₂),
2 электрона — на пероксид водорода (H₂О₂) и
3 электрона — на гидроксильные ионы (ОН);

- поглощения радиоактивной энергии (например, ультрафиолетовых лучей, рентгеновских лучей).

В частности, ионизирующая радиация может гидролизовать воду в свободные радикалы:

- гидроксильный ион (ОН) и ион водорода (Н+);

- реакции воспаления, во время которой АФК в активированных лейкоцитах быстро разрушается. Этот процесс происходит под строгим контролем в мультипротеиновом комплексе плазматической мембраны, который для окислительновосстановительной реакции использует оксидазу восстановленного никотинамидадениндинуклеотидфосфата (NADPH-оксидазу). Кроме того, некоторые внутриклеточные оксидазы (например, ксантин-оксидаза) генерируют О₂;

- ферментативного метаболизма экзогенных химических веществ или лекарственных средств, при котором могут образовываться свободные радикалы, обладающие теми же эффектами, что АФК (например, СС14 может образовывать СС13);

- допирования или акцептирования переходными металлами, например железом и медью, свободных электронов во время внутриклеточных реакций и катализации формирования свободных радикалов, как при реакции Фентона (H₂О₂ + + Fe2+ => Fe3+ + ОН + ОН). Поскольку большинство внутриклеточного свободного железа трехвалентно (Fe3+), для участия в реакции Фентона оно должно превратиться в двухвалентное (Fe2+). Преобразование может быть усилено О₂, и, таким образом, железо совместно с О₂ может участвовать в окислительном повреждении клетки;

- участия оксида азота (NO) — важного химического медиатора, образующегося в эндотелиальных клетках, макрофагах, нейронах и других типах клеток (см. главу 2). Он может действовать как свободный радикал и конвертироваться в высокоактивный пероксинитрит (ONOO) так же, как NО₂ и NО3.

Удаление свободных радикалов

Свободные радикалы нестабильны и обычно спонтанно распадаются. Например, О₂ превращается в О₂ и H₂О₂ в присутствии воды. Кроме того, в клетках существует множество неферментативных и ферментативных механизмов удаления свободных радикалов, посредством которых минимизируются повреждения:

- антиоксиданты либо блокируют образование свободных радикалов, либо инактивируют их. Примерами антиоксидантов являются жирорастворимые витамины Е и А, а также аскорбиновая кислота и глутатион в цитозоле;

- железо и медь могут катализировать образование АФК. Уровни этих активных металлов минимизируются путем связывания ионов с накопительными и транспортными белками (например, трансферрином, ферритином, лактоферрином и церулоплазмином), что снижает образование АФК;

- некоторые ферменты удаляют свободные радикалы и расщепляют H₂О₂ и О₂. Эти ферменты располагаются рядом с участками генерации окислителей. К ним относятся:

- каталаза. Присутствующая в пероксисомах каталаза разлагает H₂О₂ (2H₂О₂ => О₂ + + 2H₂О);

- супероксиддисмутаза (СОД). Обнаруживается во многих типах клеток и конвертирует О₂ в H₂О₂ (О₂ + 2Н -> H₂О₂ + О₂). Эта группа ферментов включает и марганец-СОД, которая локализуется в митохондриях, и медь-цинк-СОД, которая присутствует в цитозоле;

- глутатионпероксидаза. Защищает от повреждения, катализируя расщепление свободных радикалов (H₂О₂ + 2GSH => GSSG [гомодимер глутатиона] + 2H₂О или 2ОН + 2GSH => GSSG + 2H₂О). Внутриклеточное отношение содержания окисленного глутатиона (GSSG) к восстановленному глутатиону (GSH) является отражением окислительного состояния клетки и важным индикатором способности клетки инактивировать АФК.

Патологические эффекты свободных радикалов

Воздействие АФК и других свободных радикалов многостороннее, но для повреждения клетки наиболее значимы следующие реакции:

- перекисное окисление липидов мембран. В присутствии О₂ свободные радикалы могут вызвать перекисное окисление липидов цитоплазматической мембраны и мембран органелл. Окислительное повреждение начинается, когда двойные связи в ненасыщенных жирных кислотах мембранных липидов атакуются АФК, особенно при атаке *ОН. В результате взаимодействий свободных радикалов с липидами образуются пероксиды, которые сами по себе нестабильны и активны, запускается цепь аутокаталитических реакций (цепная реакция), которая заканчивается обширным повреждением мембран;

- окислительная трансформация белков. Свободные радикалы стимулируют окисление цепей аминокислот, формирование перекрестных связей белок-белок (например, дисульфидных связей) и окисление белкового скелета. Окислительная трансформация белков может повредить активные участки ферментов, разрушить конформационные структуры белков, усилить протеасомную деградацию развернутых или неправильно свернутых белков, увеличивая повреждение клетки;

- повреждение ДНК. Свободные радикалы способны вызывать разрывы одно- или двухцепочечных ДНК, перекрестное сшивание цепей ДНК и формирование побочных продуктов. Окислительное повреждение ДНК наблюдается при старении клеток и злокачественной трансформации клеток.

Принято считать, что свободные радикалы могут вызвать повреждение клетки и ее смерть в результате некроза: в действительности продукция АФК часто предшествует некрозу. Сейчас полагают, что свободные радикалы также могут запускать апоптоз. Современные исследования выявили, что АФК участвуют в передаче различных сигналов через клеточные рецепторы и биохимические медиаторы. В соответствии с одной гипотезой, основное действие О* в большей степени обусловлено его способностью стимулировать выработку ферментов деградации, чем прямым повреждением макромолекул.

- Рекомендуем ознакомиться со следующей статьей "Механизмы повреждения мембраны клетки"

1. Этапы обратимого повреждения клеток и ее морфология
2. Что такое некроз? Морфология некроза
3. Варианты некроза и их виды
4. Механизмы повреждения клетки (патогенез)
5. Истощение запасов АТФ как механизм повреждения клетки
6. Повреждение митохондрий клеток и их последствия
7. Приток кальция как механизм повреждения клетки
8. Накопление свободных радикалов как механизм повреждения клетки
9. Механизмы повреждения мембраны клетки
10. Механизмы повреждения ДНК и белков клетки