Свободные радикалы в физиологии и патологии легких

В представлениях о природе свободнорадикальных процессов при легочной патологии пока существуют немалые разночтения. Свободными радикалами называются молекулы или их части, имеющие на внешней орбитали неспаренный электрон.

В нейтрофилах под влиянием фермента миелопероксидазы пероксид водорода присоединяет ион хлора и превращается в гипохлорит - ОСІ^-, который является сильным окислителем, выполняющим активную бактерицидную функцию. В связи с высоким окислительным потенциалом гипохлорит накапливается в нейтрофилах в специальных гранулах, мембрана которых предохраняет цитоплазму клетки от повреждения. Пероксид водорода образуется не только ферментом СОД, но и некоторыми другими ферментами [Ide T, et al., 2000]. Таким свойством обладает, например, фермент циклоксигеназа, который избытком образующегося пероксида водорода вызывает собственную деструкцию, “выключая” тем самым синтез простагландинов, когда влияние этих физиологически активных соединений организму больше не требуется. Таким образом, инактивация ряда ферментов пероксидом водорода представляет собой физиологический механизм регуляции их активности. В органах дыхания под влиянием факторов окружающей среды образование Н2О2 может оказаться чрезмерным.

Продукт третьей стадии восстановления молекулы кислорода представляет собой гидроксильный радикал - OH^-. Он отличается наиболее высоким окислительным потенциалом и вступает в химические реакции с биосубстратом практически на месте и в момент своего образования. Чрезвычайная химическая активность гидроксильного радикала делает невозможной ферментативную регулировку его образования. В связи с

этим предотвращение его “несанкционированного” возникновения осуществляется на предыдущем этапе. В организме сразу три фермента — каталаза, пероксидаза и глутатионпероксидаза — восстанавливают пероксид водорода до воды и молекулярного кислорода без образования свободных радикалов. Именно с гидроксильным радикалом связана, прежде всего, опасность токсического воздействия кислорода на организм.

Превращение пероксида водорода в гидроксильный радикал происходит под влиянием ионов металлов переменной валентности, чаще всего иона железа Fe²⁺(реакция Фентона). Гипохлорит под влиянием двухвалентного иона железа также превращается в ОН^- (реакция А.Н.Осипова). Встреча пероксида водорода или гипохлорита с ионом двухвалентного железа происходит обычно в очаге воспаления. Выход гидроксильных радикалов в расчете на 1 моль Fe²⁺в реакции А.Н.Осипова в 20 раз выше, чем в реакции Фентона.

Именно поэтому роль нейтрофилов и макрофагов в организме различна. Нейтрофил является “камикадзе” острого воспаления. Макрофаг, в котором практически нет фермента миелопероксидазы и гипохлорит не образуется, служит ключевой клеткой хронического воспаления.

В очаге воспаления молекулы гипохлорита могут реагировать с молекулами пероксида водорода с образованием синглетного кислорода —^.О2, который также обладает большой химической активностью и бактерицидным действием.

Потенциальная способность фагоцитов генерировать АФК может повышаться после предварительной стимуляции.

физиологической предстимуляции лейкоцитов в организме является их прохождение через сосудистое русло легких. Как показал Б.М.Мануйлов (1994), такая предстимуляция обусловлена нарастанием напряжения кислорода и снижением парциального давления углекислого газа в крови легочных капилляров. Усиленная диффузия кислорода в цитоплазму фагоцитов повышает активность клеточных ферментов НАДФН-оксидазы и миелопероксидазы и соответственно увеличивает продукцию АФК [Дубинина Е.Е., 2001].

Гипервентиляция легких вызывает повышение, а гиповентиляция, напротив, снижение генерации АФК лейкоцитами. При прохождении крови через сосудистое русло других органов — селезенки, почек, печени — в отличие от легких, происходит не повышение, а снижение способности лейкоцитов образовывать АФК. Предстимуляция лейкоцитов в легких не ограничивается только усилением синтеза АФК. Повышается также фагоцитарная активность лейкоцитов, синтез белков и др. Подобное улучшение функциональной способности клеток обусловлено возросшей “производительностью” митохондрий и увеличением продукции АТФ. Предстимуляция лейкоцитов в легких имеет важное физиологическое значение, повышая их бактерицидную защиту в условиях постоянного контакта с внешней средой [Чучалин А.Г., 1998]. В бактерицидной защите органов дыхания, наряду с АФК, принимает участие NO^-(см. раздел 1.5.2.) . Если OH^- взаимодействует не с ДНК и белками, а с липидами клеточной мембраны, то запускается цепная реакция ПОЛ [Suematsu N., et al., 2003]. Химическая активность липидных радикалов ниже, чем гидроксильного, поэтому запуск процесса ПОЛ в определенной мере выступает в роли защитного механизма от воздействия OH^-.

В основе ПОЛ лежит саморазвивающаяся цепная реакция, а не ферментативный процесс, как, например, при активации бактерицидной системы фагоцитов. Это различие указывает на то, что генерация АФК необходима организму периодически, при определенных условиях. Процесс ПОЛ, напротив, должен протекать в организме постоянно. Если бы в основе ПОЛ лежала ферментативная реакция, её пришлось бы активировать непрерывно. В ходе эволюции для ПОЛ стал использоваться гораздо более экономный химический процесс - цепная реакция. Как показал академик РАМН Ю.А.Владимиров (1999), для коррекции ПОЛ в организме требуется не купирование, а регуляция скорости процесса. Регуляция интенсивности ПОЛ осуществляется не только, возможно, даже не столько с помощью антиоксидантов, сколько путем изменения состава жирных кислот, входящих в липидный бислой клеточных мембран. Это происходит потому, что под влиянием АФК стимулируется как ПОЛ, так и фосфолиполиз. Например, при развитии силикотического фиброза в составе фосфолипидов легочной ткани резко уменьшается содержание наиболее метаболически активной фракции — фосфатидилсерина и постепенно снижаются доли фосфотидилхолина и фосфотидилэтаноламина. Одновременно нарастает содержание метаболически инертного сфингомиелина, что может повышать устойчивость легочной ткани в условиях профессиональной пылевой патологии. Избыточная жировая нагрузка в виде умеренного количества подсолнечного масла, содержащего, как известно, метаболически активные

ненасыщенные жирные кислоты, ускоряет гибель кониофагов и развитие фиброза легочной ткани. Сливочное масло подобным негативным действием не обладает. Данный пример указывает на то, что представление о безоговорочной полезности растительных жиров в пищевом рационе нуждается в пересмотре.

Сказанное вовсе не означает, что нарушение процессов ПОЛ не грозит возникновением патологических изменений в организме. Несомненна роль ПОЛ в развитии атеросклероза и поражении центральной нервной системы. По-видимому, продукты ПОЛ являются мутагенами.

В заключение этого раздела доклада рассмотрим биохимические механизмы антиоксидантной защиты. Они представляют собой сложную систему, в которой могут быть выделены четыре главных звена:

• антиоксидантные ферменты (СОД, каталаза, пероксидаза, глутатионпероксидаза, глутатионтрансфераза и др. [Baez S., et al, 1997]);

• низкомолекулярные антиоксиданты, синтезируемые в организме (глутатион, мочевая кислота, аминокислоты, содержащие сульфгидрильную группу — цистеин и цистин и др. Особого упоминания заслуживают низкомолекулярные белки — металлотионеины, содержащие до 30% цистеина, который в составе этих белков в 770 раз более эффективен в инактивации свободных радикалов, чем цистеин глутатиона);

• естественные антиоксиданты, поступающие в организм с пищей (аскорбиновая кислота — витамин С [Combs G.F., 1992], альфа-токоферол — витамин Е, рутин — витамин Р, и другие флавоноиды, бета-каротин и другие каротиноиды, предшественники группы витаминов А [Schaivh K.M., 1992]. Кроме витаминов и их предшественников, в эту же группу веществ могут быть отнесены химические элементы, входящие в состав активных центров антиоксидантных ферментов — селен, четыре атома которого входят в состав глутатионпероксидазы, цинк, входящий в состав цитоплазматической и марганец - митохондриальной СОД, и

др.);

• специфические белки и пептиды, связывающие ионы переходных металлов, катализирующие реакции свободнорадикального окисления (ферритин — в клетках, трансферин — в плазме [Kotamraju S, et al., 2002], церулоплазмин — в плазме , карнозин — в мышцах и др.).

Существующая в организме система антиоксидантной защиты поддерживает концентрацию АФК оксида азота, а также продуктов ПОЛ в легких на стационарном, безопасном уровне. Это и делает возможным существование здорового человека в течение определенного времени в условиях значительно более высокой их продукции: при вдыхании запыленного воздуха, курении, работе в кессоне, гипербарической оксигенации, гипоксической гипоксии, воспалении и др.

1.5.5.1.