Свободные радикалы отличаются от обычных молекул не только высокой химической активностью, но и тем, что порождают цепные реакции. «Отобрав» доступный электрон у оказавшейся рядом молекулы, радикал превращается в молекулу, а донор электрона — в радикал, который может продолжить цепь дальше. Действительно, когда в растворах биоорганических соединений развиваются свободнорадикальные реакции, немногочисленные исходные свободные радикалы могут вызывать повреждение громадного числа биомолекул. Именно поэтому АФК традиционно рассматриваются в биохимической литературе как чрезвычайно опасные частицы. Их появлением в среде организма объясняют многие заболевания и даже видят в них основную причину старения.
Все организмы оснащены разнообразными механизмами для целенаправленной генерации АФК. Давно известен фермент НАДФН-оксидаза, активно продуцирующий «токсичный» супероксид, за которым порождается вся гамма АФК. Но до самого последнего времени его считали специфической принадлежностью клеток иммунной системы, объясняя необходимость продукции АФК критическими обстоятельствами защиты от патогенных микроорганизмов и вирусов. Сейчас стало ясно, что этот фермент вездесущ. Он и подобные ему ферменты найдены в клетках всех трех слоев аорты, в фибробластах, синоцитах, хондроцитах, клетках растений, дрожжей, почки, нейронах коры мозга. Недавно обнаружилось, что все антитела способны продуцировать Н2О2, то есть они также являются генераторами АФК. По некоторым оценкам, даже в покое 10–15 % всего потребляемого животными кислорода подвергается одноэлектронному восстановлению, а в условиях стресса, когда активность супероксид-генерирующих ферментов резко возрастает, интенсивность восстановления кислорода увеличивается еще на 20 %. Таким образом, АФК должны играть весьма важную роль в нормальной физиологии.
Биорегуляторная роль АФК
Многочисленные исследования показали, что АФК принимают непосредственное участие в формировании разнообразных физиологических ответов клеток на тот или иной молекулярный биорегулятор. Какой конкретно будет реакция клетки — вступит ли она в митотический цикл, пойдет ли в сторону дифференцировки, или же в ней активируются гены, запускающие процесс ее гибели (апоптоза), зависит и от конкретного биорегулятора молекулярной природы, действующего на специфические клеточные рецепторы, и от «контекста», в котором действует данный биорегулятор: предыстории клетки и фонового уровня АФК. Последний зависит от соотношения скоростей и способов продукции и устранения этих активных частиц.
На продукцию АФК клетками влияют те же факторы, что регулируют физиологическую активность клеток, в частности гормоны. Разные клетки, составляющие ткань, реагируют на физиологический раздражитель по-разному, но индивидуальные реакции складываются в реакцию ткани как единого целого. Так, факторы, влияющие на активность НАДФН-оксидазы хондроцитов, стимулируют перестройки хрящевой и костной тканей. Активность НАДФН-оксидазы фибробластов повышается при их механическом раздражении, а на скорость продукции оксидантов стенкой сосудов влияет интенсивность и характер тока по ним крови. Одно из первых событий при оплодотворении сперматозоидом яйцеклетки — резкая активация НАДФН-оксидаз обоих партнеров. При подавлении продукции ими АФК нарушается развитие многоклеточного организма.
АФК и сами могут имитировать действие многих гормонов и нейромедиаторов. Так, Н2О2 в низких концентрациях имитирует действие на жировые клетки инсулина, а инсулин стимулирует в них активность НАДФН-оксидазы. Антагонисты действия инсулина — адреналин и его аналоги — ингибируют НАДФН-оксидазу жировых клеток, а Н2О2 подавляет действие глюкагона иадреналина. Существенно, что генерация клетками О-2 и других АФК предшествует остальным событиям во внутриклеточной информационной цепи.
Хотя в организме есть множество источников продукции АФК, для нормальной жизнедеятельности человека и животных необходимо регулярное потребление их извне. Еще А. Л. Чижевский показал, что отрицательно заряженные ионы воздуха необходимы для нормальной жизнедеятельности. И хотя их концентрация в чистом воздухе ничтожна (сотни в см3), но при их отсутствии экспериментальные животные погибают в течение нескольких дней с симптомами удушья. В то же время обогащение воздуха супероксидом до 104 частиц/см3 нормализует давление крови и ее реологию, облегчает оксигенацию тканей, усиливает общую резистентность организма к стрессорным факторам. Другие АФК, например озон О3, перекись водорода Н2О2, использовались еще в первой трети ХХ в. для лечения разнообразных хронических заболеваний — от рассеянного склероза до нейрологических патологий и рака. В настоящее время в общей медицине они применяются редко из-за их предполагаемой токсичности. Тем не менее в последние годы озонотерапия становится все популярнее, начинается и применение внутривенных вливаний разбавленных растворов Н2О2.
Таким образом, становится ясно, что АФК — это универсальные регуляторные агенты, благотворно влияющие на процессы жизнедеятельности от клеточного уровня до уровня целого организма. Но если АФК, в отличие от молекулярных биорегуляторов, не обладают химической специфичностью, как они могут обеспечить тонкую регуляцию клеточных функций?
Единственный способ, позволяющий оборвать опасные радикальные цепные реакции, в которые вовлекаются все новые биоорганические молекулы — рекомбинация двух свободных радикалов с образованием устойчивого молекулярного продукта. 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 доказал, что в присутствии растворенного в воде кислорода в системе, где протекают цепные свободнорадикальные процессы с участием простых биомолекул, могут испускаться фотоны в УФ-области спектра, способные стимулировать деление клеток — митоз (поэтому такое излучение было названо митогенетическим).
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 кислородзависимым. Из всех тканей животных таким излучением обладали только кровь и нервная ткань. С использованием современной техники детекции фотонов ученые 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. Недавно было показано, что интенсивность излучения мозга крысы настолько высока, что может детектироваться высокочувствительной аппаратурой даже на целом животном.
Как отмечалось выше, заметная часть О2 в организм человека и животных восстанавливается по одноэлектронному механизму. Но при этом текущие концентрации АФК в клетках 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 об/с СОД катализирует реакцию дисмутации (рекомбинации) двух супероксидных радикалов с образованием Н2О2 и кислорода, а каталаза разлагает Н2О2 до кислорода и воды. Обычно обращают внимание лишь на детоксифицирующее действие этих ферментов и низкомолекулярных антиоксидантов — аскорбиновой кислоты, витамина Е, глутатиона и других.
Но в чем смысл интенсивной генерации АФК, например НАДФН-оксидазой, если ее продукты немедленно устраняются СОД и каталазой?
