Реактивні форми кисню та окислювальні стреси
Каміль Мігдал * та Мірей Серес
Університет Ліона 1, EA 41-69, Дерматологічна дослідна лабораторія, павільйон R, Hôpital Édouard Herriot, 69437 Lyon Cedex 03, Франція
Окислювальний стрес визначається як дисбаланс між утворенням радикальних (або реактивних) форм кисню (АФК) та клітинними антиоксидантними можливостями. АФК здавна вважалися токсичними побічними продуктами нормального метаболізму кисню і причетні до багатьох патологій. Однак вже кілька років контрольоване вироблення радикалів виявляється важливим механізмом клітинної сигналізації, який бере участь у підтримці клітинного гомеостазу. Вплив вільних радикалів у біології зараз добре задокументовано. Живі організми не тільки адаптувались та співіснували в присутності радикалів АФК, вони також розробили механізми їх використання на свою користь. Однак джерела радикалів та механізми їх дії часто недостатньо визначені. Таким чином, цей огляд підбиває підсумок основних властивостей АФК та їх парадоксальних наслідків.
Окислювальний стрес визначається як дисбаланс між утворенням активних форм кисню (АФК) та антиоксидантною здатністю клітини. Довгий час АФК вважалися шкідливими побічними продуктами нормального аеробного процесу метаболізму мітохондрій, причетних до великої різноманітності захворювань. Але зараз стає все більше доказів того, що контрольоване вироблення АФК також відіграє фізіологічну роль, особливо в регулюванні окисно-відновного гомеостазу клітин та передачі сигналів клітин. Біологічні ефекти АФК зараз добре задокументовані. Дані показують, що живі організми не тільки пристосувались до співіснування із вільними радикалами, але також розробили механізми їх вигідного використання. Однак їх основні джерела та механізми дії залишаються погано описаними. Цей огляд фокусується на основних властивостях АФК та їх парадоксальних ефектах.
Походження активних форм кисню
Кисень і дихальний ланцюг мітохондрій
Походження активних форм кисню. Детально описані чотири стадії відновлення кисню та утворення частково відновлених проміжних продуктів.
NAD (P) H оксидази та інші клітинні джерела АФК
На додаток до продукції АФК мітохондріальним ферментним комплексом дихального ланцюга, більшість клітин здатні продукувати супероксидні радикали O2 • - через активність мембрани NAD (P) H оксидази (NOX). NOX - це фермент, який каталізує моноелектронне відновлення O2, використовуючи NADPH або NADH як донора електрона:
НАДФН-оксидази. Усі ферменти сімейства NOX мають домен gp91 phox/NOX2 або подібний до них, що складається з цитоплазматичного карбокси-кінцевого домену, здатного зв'язувати NAD (P) H, та аміно-кінцевого домену, що включає шість трансмембранних доменів, що мають дві групи гемів (червона стрілка ). Електрони передаються з НАД (Р) Н, через FAD та внутрішньомембранні геми з молекулярним киснем, що утворює супероксидний радикал O2 • -. NOX2 і 1, 3, 4 утворюють гетеродимер з р22 фоксом. Гомологи цитозольних регуляторних білків NOX2, NOXA1 і NOXO1 беруть участь у активності NOX1, 3 і 4. NOX5 і Duox1 і 2 мають так звані домени "руки E-F", що робить їх активність оксидази кальцію залежною. Нарешті, Duox може виробляти H2O2 (згідно з [5, 6]).
Ерк, позаклітинний сигнал, регульована кіназа; FGF, фактор росту фібробластів; IGF, інсуліноподібний фактор росту 1; ВІН, інтерлейкін; IP3, інозитол трифосфат; JNK, c-Jun N-кінцева кіназа; LPS, ліпополісахарид; КАРТА, мітоген-активована протеїнкіназа; МАПКАПК2; Активована кіназа-2 MAPK; MKP, MAPK фосфатаза; MMP, матрична металопротеїназа; PAK1, p21-активована протеїнкіназа; Генеральний директор, похідний тромбоцитами фактор росту; PDK1, фосфоїнозитидзалежна кіназа-1; pRb, білок ретинобластоми; SSH1L, рогатка 1л фосфатази; СТАТ, перетворювачі сигналу та активатори транскрипції; TGF, трансформуючий фактор росту; TNF, фактор некрозу пухлини; TRPV1, перехідний потенціал рецептора ванілоїдного рецептора 1; VEGF, фактор росту судинного ендотелію. п. д., не визначено.
На додаток до NOX, інші джерела, цитозольні або присутні в різних органелах, можуть виробляти АФК. Наприклад, ксантиноксидаза, яка каталізує окислення гіпоксантину та ксантину під час метаболізму пуринів, призводить до утворення O2 • -. Ферменти в ендоплазматичній сітці, включаючи цитохром P450, окислюють ненасичені жирні кислоти (і деякі ксенобіотики) і відновлюють молекулярний кисень, утворюючи O2 • - та/або H2O2. Ферменти шляху арахідонової кислоти, пероксисоми, лізосоми (які містять мієлопероксидазу, відповідальну за утворення хлорноводневої кислоти) і ядро (яке має цитохромоксидази та ланцюг транспорту електронів) також здатні продукувати O2 • - [7].
Характеристика ЕРО та способи дії
Супероксидний радикал O2 • - це ЕРО, який має найнижчу реакційну здатність щодо біоорганічних субстратів завдяки, зокрема, низькій константі швидкості. Ми знаємо про деякі бажані мішені, такі як цитохром c (Fe 3+) (k = 2,6 × 10 5 моль -1 · L · s -1), вітамін С (k = 2,7 × 10 8 моль -1 · L · s - 1), і звичайно СОД (k = 2 × 10 9 моль −1 · L · s −1). Однак O2 • - здатний виробляти інші радикали, які є набагато більш реактивними. Це непряма токсичність (Таблиця II):
через реакція Габера-Вейса, каталізована Fe 3+, в результаті якої утворюються гідроксильні • ОН-радикали під час відновлення H2O2;
через втручання протонованої форми O2 • -, пергідроксильного радикала (HO2 •), який, здається, є так званою активною формою. Насправді HO2 • має більш високі константи швидкості, зокрема щодо поліненасичених жирних кислот (10 3 моль −1 · L · s -1), з якими O2 • - не реагує. HO2 • бере участь, зокрема, у некаталізованій диспропорції O2 • -, тобто у відсутності СОД;
через реакція O2 • - з радикальним оксидом азоту • NO, що породжує пероксинітрит OONO -, добре відомий своїм шкідливим впливом на ДНК, білки та ліпіди.
Спосіб дії первинних вільних радикалів
Гідроксильний радикал • ОН - найпотужніший окислювач АФК з високою константою швидкості. Наприклад, k (• OH + ДНК) = 4 × 10 8 моль −1 · L · s −1; k (• OH + цистеїн) = 4 × 10 10 моль −1 · L · s −1; k (• OH + глюкоза) = 7,4 × 10 8 моль −1 · L · s −1. Однак ці реакції обмежуються дифузією, і • ОН, отже, є видом, який реагує із субстратами у місці виробництва, який не має привілейованих цілей і має дуже короткий термін життя. • ОН може окислювати субстрат у трьох режимах дії: розривання електрона, відривання атома водню від органічного субстрату або додавання на подвійному зв'язку (Таблиця II). Останні два способи дії призводять до утворення вуглецево-центрованих радикалів.
Окислювальний стрес
Визначення
АФК присутні в клітині в розумних дозах: їх концентрація регулюється балансом між швидкістю їх продукування та швидкістю виведення антиоксидантними системами [8]. Таким чином, у стані спокою антиоксидантний/прооксидантний баланс (окисно-відновний баланс), як кажуть, знаходиться в рівновазі. Однак цей окислювально-відновний гомеостаз може бути порушений або надмірною продукцією АФК (як при старінні або атеросклерозі), або зменшенням антиоксидантної здатності (як у людей, що страждають ожирінням та курців). Це називається окислювальним стресом. Такий дисбаланс може бути викликаний регульованим способом шляхом активації виробничих систем ERO. Тоді антиоксидантна реакція ефективно компенсує це виробництво, а дисбаланс є тимчасовим. З іншого боку, у певних патологічних ситуаціях (рак) вироблення АФК є більшим і тривалішим, а антиоксидантна реакція недостатньою. Дисбаланс тривалий. Цей збій в окисно-відновному гомеостазі може мати кілька джерел: стрес екзогенного походження (прооксидантні агенти навколишнього середовища), отруєння важкими металами, опромінення, дефіцит антиоксидантів, що забезпечуються їжею, або генетичні відхилення.
ERO: парадокс
Парадокс АФК полягає в тому, що вони є потенційно токсичними продуктами метаболізму і одночасно є молекулами, необхідними для клітинної сигналізації та регуляції. Цю подвійну потенціал можна пояснити, принаймні частково, тим, що клітинні реакції різняться дуже чутливим і дуже різним чином залежно від хімічної природи АФК, рівня її продукування (дозозалежний ефект) або знову від сайт виробника.
Помірне та контрольоване вироблення АФК може призвести до оборотного окислення навколишніх молекул: АФК тоді виступають справжніми другими вісниками. І навпаки, перевиробництво ЕРО або дефіцит у захисних системах призводить до виникнення стресу, який спричиняє неспецифічне та незворотне окислення біологічних молекул, що призводить до втрати функції [9].
Багато молекул сприйнятливі до атаки або модифікації АФК. Амінокислоти та білки є головними мішенями. Було підраховано, що від 50% до 70% АФК, що виробляються клітиною, можуть потрапити в білок. Створені окисні модифікації можуть бути декількох типів:
окислення бічних ланцюгів амінокислот. Усі амінокислоти є потенційними мішенями для АФК [10]; тим не менш, основними мішенями є сірковмісні амінокислоти (цистеїн, метіонін), основні (аргінін, гістидин, лізин) та ароматичні (фенілаланін, тирозин, триптофан). Візьмемо для прикладу цистеїн (Малюнок 2А) оборотні окислення яких відіграють важливу роль у регуляції функції багатьох білків [12];
Радикальна атака білків. AT. Окислення тіолових функцій цистеїну. Залишки цистеїну можуть окислюватися до сульфонової кислоти (R-SOH), потім до сульфінової (R-SO2H) та сульфонової (R-SO3H) кислоти. Хоча сульфінова та сульфонова кислоти стабільні, а їх окислення незворотне, утворення сульфенової кислоти є оборотним під дією глутатіону та/або тіоредоксину. B. Окислення поліпептидного ланцюга. 1. Окислення ініціюється гідроксильним радикалом, який видаляє атом водню на альфа-вуглеці пептидного зв’язку, утворюючи вуглецево-центрований радикал. За відсутності кисню два вуглецево-центровані радикали можуть реагувати разом, утворюючи внутрішньо- або міжланцюгові поперечні зв’язки. 2. У присутності кисню відбувається реакція приєднання, утворюючи пероксильний радикал. 3. Після серії повних реакцій утворюється алкоксильний радикал - етап, необхідний для фрагментації поліпептидного ланцюга (згідно [11])
окислення поліпептидного ланцюга, що потенційно супроводжується фрагментацією та/або утворенням внутрішньо- або міжланцюгових зшивок (Малюнок 2B);
утворення карбонільних білків (в результаті фрагментації поліпептидних ланцюгів, окислення певних амінокислот або взаємодії їх бічного ланцюга з продуктами перекисного окислення ліпідів). Таким чином, окислення специфічних білків є не лише показником наявності шкідливого окисного стресу, але й втручається в регуляцію метаболічних процесів [13].
Також згадується ще одна головна мішень нападу вільних радикалів: поліненасичені жирні кислоти, такі як лінолева кислота та арахідонова кислота, що містяться, зокрема, у плазматичних мембранах. Їх окислення АФК, яке називається перекисним окисленням ліпідів, призводить до утворення великої кількості первинних (гідропероксидів) та вторинних (альдегідів) продуктів, біологічна активність яких є багаторазовою [14].
ЕРО: корисні чи шкідливі ?
Сприятливі ефекти: приклад протимікробного захисту
Шкідливі наслідки: приклад атеросклерозу та антрациклінів
Висновок
Незважаючи на те, що слово "шкідливий" все ще занадто часто асоціюється з АФК, в останні роки багато досліджень згадують їх корисну роль. АФК - це не тільки руйнівні радикали, здатні атакувати клітинні складові, вони також є головними гравцями в метаболічній та клітинній регуляції організму. Отже, окислювальний стрес виглядає повсюдним механізмом, при якому багато фізіологічних та патологічних реакцій виділяють радикальний компонент.
Конфлікт інтересів
Автори заявляють, що не мають конфлікту інтересів щодо даних, опублікованих у цій статті.
Організми, анаеробні за своєю природою, але які можуть вижити в присутності кисню, який вони не використовують.