1.1.1. Биологическая эволюция

, начавшись с возникновения протобионтов и простейших клеток (протоклеток) со свойствами живого и сформировав в дальнейшем высшие организмы, в том числе человека, вынуждена была при этом учитывать указанное выше «кислородное» обстоятельство, постоянно адаптируя одно- и многоклеточные организмы к токсическому действию О2.

В клетке, например, такая система представлена не менее чем 3 уровнями (ступенями) защиты (Лю, Ефимов, 1976). Первый и наиболее эффективный уровень, названный нами антикислородным, реализован в виде окислительно-го фосфорилирования в митохондриях клетки. Механизм этого удивительного «изобретения» природы приспособлен для выполнения сразу нескольких функций. Одна из них как раз и является антикислородной в смысле того, что, став основным потребителем О2 в клетке, окислительное фосфорилирование создает в ней весьма низкий уровень парциального давления кислорода (рО2) и тем самым ограничивает токсическое действие свободного О2 (подробнее об этом см. п.2.1). Одновременно с появлением того же механизма стала реальной перспектива энергетического и субстратного обеспечения многих новых формирующихся физиологических функций — клеточных, органных и организменных (Барабой и др., 1992).

Действительно, используя О2 в качестве терминального окислителя, аэробные клетки могли получать, по сравнению с анаэробными, значительно больше энергии при окислении, например, глюкозы. Субстрат в этом случае мог быть полностью окислен до СО2:

Глюкоза + 6 О2 → 6 СО2 + 6 Н2О + 686 ккал/моль глюкозы.

Такой результат привлекателен ещё и тем, что СО2 оказался универсальным ингибитором генерации активных форм кислорода (АФК) различными клетками человека и животных (Коган А. Х. и др., 1997), и этот существенный факт зарегистрирован как открытие.

Второй ступенью антиоксидантной системы защиты в клетке является антирадикальная, предназначенная для ингибирования свободнорадикальных процессов перекисного окисления (ПО), прежде всего липидов (ПОЛ). Определённая категория естественных соединений выполняет функцию инактивации различных АФК (свободных радикалов и нерадикальных форм реактивного О2) и тем самым обрывает цепные пероксигеназные реакции. Третья ступень защиты — антиперекисная, на которой образовавшиеся перекиси разрушаются соответствующими ферментами или же в результате реакций их взаимодействия с определёнными соединениями. Наиболее известными антиоксидантными ферментами, действующими на этих уровнях, являются супероксиддисмутазы, каталаза и пероксидазы. Они катализируют соответственно реакции (Бохински, 1987):

О + О + 2 Н+ → Н2О2 + О2;

2 Н2О2 → О2 + 2 Н2О;

Н2О2 + DН2 → D + 2 Н2О.

В последней реакции DН2 – восстановленное органическое соединение в роли донора водорода.

В указанной антиоксидантной системе вклад отдельных механизмов защиты неодинаков. Решающую роль в ней играет антикислородная ступень, наиболее резко ограничивающая «мощность» пероксигеназных процессов и область их проявления.

Очевидно, указанная пероксидативная ситуация неизбежно и постепенно складывается в стареющих и предопухолевых клетках. При этом необходимо специально отметить, что некоторые из названного выше круга процессов являются неферментативными. К числу последних, причём наиболее известных, относятся и свободнорадикальные процессы, а продукты модификации биомолекул свободными радикалами О2 и оксидом азота признаются, как будет видно из последующего нашего изложения, непосредственно участвующими в старении организма и развитии возрастных патологий, включая канцерогенез. Это означает, что «химические свойства биомолекул не исчерпываются только тем, что нужно живым системам и реализуется в ферментативных процессах» (Голубев, 1996).

Системная антиоксидантная защита возникла и на уровне целого организма. Так, церулоплазмин, синтезируемый в печени в виде полипептида 132 кД с 6-7 атомами меди, выполняет функции «перехватчика» супероксидного ани-он-радикала (О), внеклеточной супероксиддисмутазы (SOD), катализатора распада Н2О2 и ингибитора ПОЛ в системах лимфо- и кровообращения, во всех тканях, где он оказывается с потоком крови (Санина, Бердинских, 1986; Terada et al., 1995; Kim, Park, 1998; Васильев, 1999).

Другое направление адаптации, прямо противоположное по смыслу пре-дыдущему, заключалось в том, чтобы приспособить кислородно-перекисную ситуацию для осуществления каких-то новых нарождающихся функций в организме, в частности на клеточном уровне. Подтверждением этому служат такие известные процессы, базирующиеся на перекисном окислении, как окислительная детоксикация разнообразных ксенобиотиков в микросомах клеток, окислительная деструкция чужеродных и вредных веществ фагоцитами, разборка и обновление биомембран и др. Наиболее же «фундаментальное» применение пероксидативные процессы нашли в качестве одной из необходимых стадий в механизме такого биологического феномена как пролиферация клетки.

Прежде всего, имеются в виду липо- и циклооксигеназный сигнальные пути метаболизма полиненасыщенных жирных кислот с синтезом специфических биологически активных соединений, причастных к процессу пролиферации и к некоторым другим полезным эффектам. В частности, перекисные продукты арахидоновой кислоты являются мощными активаторами гуанилатциклазы и приводят к повышению внутриклеточного уровня циклического гуанозинмонофосфата (cGMP), необходимого для пролиферации. Синтез простагландинов, тромбоксанов, простациклинов и лейкотриенов и поддержание их на необходимом физиологическом уровне осуществляются в норме ферментативно че-рез стадии перекисных производных арахидоновой и эйкозатетраеновой кис-лот. В этих и других внутриклеточных процессах как нормальный метаболит обмена кислорода участвует О (Дубинина, 1989; Durko, Gondko, 1998; Иванов и др., 1999).

В 80-90-х годах АФК-зависимые эффекты были обнаружены и в ядре, и такие данные продолжают пополняться все новыми фактами. Оказалось, что в норме АФК индуцируют опосредованно на уровне транскрипции экспрессию различных генов, в том числе некоторых протоонкогенов, причастных к тран-скрипции, синтезу ДНК и митогенезу (Crawford et al., 1994; Tyrell, Basumodak, 1994; Chen, Zhou, 1995; Sen, Packer, 1996; Пескин, 1997; Flohe et al., 1997; Numa-zawa et al., 1997; Simon et al., 1998; Prosperi et al., 1998; Maziere et al., 1999; Al-len, Tresini, 2000; Бурлакова и др., 2001). Изменение экспрессии генов во время адаптивного стрессового ответа на АФК (Н2О2) обнаружено уже на уровне Saccharomyces cerevisiae. Как отмечают (Godon et al., 1998), у них Н2О2 стимулиру-ет синтез 115 и репрессирует синтез 52 белков, идентифицировано же соответ-ственно 71 и 44. На уровне целого генома D. melanogaster найдено изменение содержания транскриптов как функции старения у интактных мух и мух, обработанных паракватом – генератором свободных радикалов. Авторы этой работы (Zou S. et al., 2000) подтверждают важную роль накапливающихся с возрастом свободных радикалов в регуляции уровня транскриптов при старении.

Таким образом, существенная роль пострецепторной генерации АФК в клетках, не являющихся профессиональными фагоцитами, представляется оче-видной. После определённой стимуляции клеток разных типов образованные ими АФК фактически признаются как «молекулы, участвующие во внутри-клеточной передаче полученного клеткой внешнего стимула» (Гамалей и др., 1999).

Садовникова (1986), обобщая данные о физиологической роли свободнорадикального окисления липидов в лимфоцитах, отмечает следующее. В норме при митогенезе лимфоцитов стимуляция липооксигеназного пути приводит к образованию радикала ОН• и активации им гуанилатциклазы. Митогенез отменяется ловушками свободных радикалов, ингибиторами липооксигеназы и гуа-нилатциклазы. Радикалы являются истинными вторичными посредниками митогенеза Т-лимфоцитов. Основные системы метаболической активации у лимфоцитов — системы обмена липидов и активности мембраносвязанных ферментов, ионного транспорта, циклических нуклеотидов, энергопродуцирующих реакций и репликации ДНК — требуют определенной концентрации свободных радикалов и повреждаются их избытком.

Комплекс осуществлённой в ходе эволюции многоэтапной адаптации привел к снижению рО2 и ПОЛ в клетках до вполне приемлемых (допустимых) пределов, не столь опасных уже для их оксидеструктивного действия. На низком же стационарном уровне, как отмечалось выше, свободнорадикальные реакции пероксигенации и кислородные радикалы стали непременными участниками ряда нормальных метаболических процессов (Кондрашова, 1999; Hochi, Heinemann, 2001 и др.), они оказались адаптированными для выполнения многих регуляторных функций, а сами свободные радикалы в небольшом количестве признаны теперь сигнальными молекулами. Открытым здесь остается вопрос: когда низкоуровневые АФК и ПОЛ были приспособлены для нужд развивающейся клетки — в начале биологической эволюции при ещё малом содержании свободного О2 в атмосфере или позднее в условиях уже сложившегося митохондриального дыхания, заметно снизившего внутриклеточное рО2 и тем самым ограничившего токсическое действие избыточного кислорода.

Логично считать, что адаптация к глобальному процессу постепенного возрастания рО2 в атмосфере Земли также происходила постепенно и носила, скорее всего, непрерывно-дискретный характер. Очевидно, всякий раз на определённое заметное (значимое) приращение рО2 живые организмы отвечали нейтрализацией избыточных (по сравнению с действовавшими в предыдущем эволюционном периоде) окислительных процессов и одновременно приспосабливанием возросшей концентрации О2 для реализации новых функций во всё усложнявшихся организмах. В результате такой многоэтапной разносторонней адаптации на всех уровнях построения живого организма, прежде всего на клеточном, сложилась многоцелевая адаптивная система, каждая подсистема которой использует свободный О2 и продукты его метаболизма для выполнения конкретных специальных функций, ставших теперь необходимыми и обязательными в норме. Несколько повторяясь, отметим, что в клетке такими О2-обусловленными и О2-зависимыми стали подсистемы: многоуровневая антиоксидантная, митохондриальная, микросомальная, липо- и циклооксигеназные; модификации и физиологической регуляции структуры и функции мембран; регуляции активности мембраносвязанных и зависимых от легкоокисляемых фосфолипидов энзимов; индукции экспрессии генов на уровне транскрипции; О2-депонирующая, АФК-продуцирующая в эффекторных и неэффекторных клетках; АФК-зависимой регуляции нормального воспалительного процесса и ряд других.

Таким образом, адаптация к возраставшим концентрациям активного О2 происходила не только путём снижения его уровня, но и через вовлечение АФК в механизм протекания фундаментальных внутриклеточных процессов в качестве одного из непременных их участников. Все указанные выше условные подсистемы так или иначе привлечены в соответствующих главах данной монографии для обсуждения и лучшего понимания затронутых там проблем.

Судя по многим фактам, полной нейтрализации отрицательного (вредного) влияния О2 и его активных форм в процессе длительной адаптации к ним живых организмов всё же не произошло и, по-видимому, невозможно было в принципе. Между глобальным непрерывно действующим токсическим фактором, с одной стороны, и степенью вынужденного приспособления к нему живых организмов, с другой, существует некоторый «зазор», который, казалось бы, должен постепенно уменьшаться в ходе эволюции. Ведь адаптация к кис-лородному воздействию была, продолжается сейчас и будет, вероятно, происходить бесконечно подобно асимптотически затухающему процессу. Наличие указанного «зазора» может рассматриваться как постоянное действие объективно существующего повреждающего окислительного фактора, который, с нашей точки зрения, определяет практически все возрастные изменения и болезни, а также старение живых организмов в целом. Постулируемый нами дисбаланс D (ПО – АО) между про (ПО)- и антиоксидантными (АО) процессами в сторону преобладания первых представляет, по существу, заложенное природой и развивающееся в самом организме главное противоречие, проявляющееся на всех этапах онтогенеза. Величина D (ПО – АО) представляет некоторую условную количественную меру, введённую нами пока в основном для теоретических построений. Этот дисбаланс определяется также многообразием инициаторов перекисного окисления и запаздыванием в эволюционном плане в формировании и совершенствовании адаптивных «решений». Последнее обстоятельство связано с длительностью процессов естественного отбора и наследственного закрепления отобранных антиоксидантных механизмов.

При старении организма большую роль играет пероксидация не только липидов, но и белков (Дубинина, Шугалей,1993; Дубiнiна, 2001). Установлена, например, связь процессов старения с окислительной модификацией белков в эритроцитах, фибробластах и гепатоцитах человека. На фибробластах доноров 10 - 80 лет четко отмечен рост скорости такой модификации белков в зависимости от возраста (Stadman, Oliver, 1991). Степень окислительной модификации белков мозга и печени у старых крыс Fischer существенно выше, чем у молодых. В большинстве тканей снижалась также активность антиоксидантных фер-ментов по мере старения животных (Tian et al., 1998). Реакции окисления белков зависят от содержания О2 и опосредуются алкоксильными и другими свобо-дными радикалами, а перекиси белков как одни из реактивных продуктов этих реакций являются источниками последующего потока свободных радикалов.

У окисленных белков нарушается пространственная структура, они утрачивают свою активность, становятся высокочувствительными к протеолизу. При различных болезнях старения (атеросклерозе, диабете пожилых, нейродегенеративных патологиях и др.) такие белки могут оказывать цитотоксическое действие (Dean et al., 1997). В большинстве клеток окисленные in vivo белки, являясь естественным следствием жизни в аэробных условиях, расщепляются протеасомами 20S. Последние, как считают (Grune et al., 1997), «играют ключевую роль в общей антиоксидантной защите, которая уменьшает разрушительное действие старения и болезней». Однако снижение активности протеасом, например, в стареющих фибробластах человека способствует накоплению в них окисленных белков (Sitte et al., 2000). Значительное место в старении отводится также возрастному накоплению повреждений яДНК, вызванных, прежде всего, окислением (см. п.1.4.1 –.1.4.4).

1.1.2. По указанным выше причинам неглубокая