Активные формы кислорода.

К активным формам кислорода (АФК) относятся супероксид (O2—), синглетный кислород, H2O2 и радикал гидроксида (OH ). В организме человека и животных первичной АФК служит супероксид, возникающий при одноэлектронном восстановлении молекулярного кислорода. Супероксид превращается в H2O2, а H2O2 в OH в присутствии ионов железа или меди. OH – сильнейший окислитель, способный разрушить практически любое органическое вещество биологического происхождения.

Одноэлектронное восстановление кислорода в принципе возможно за счёт окисления всех веществ с окислительно-восстановительным потенциалом ниже или равным –0,15 В (окислительно-восстановительный потенциал пары O2/супероксид).

В ходе эволюции в клетке был создан ряд мер, позволяющий свести к минимуму паразитные реакции образования супероксида и не допустить его превращение в очень опасный OH.

.Существуют многоуровневые системы защиты от АФК. Например, вещества-антиоксиданты, механизмы, препятствующие накоплению веществ-восстановителей, ферменты, снижающие внутриклеточную концентрацию кислорода и тем самым замедляющие образование супероксида; системы выбраковывающие митохондрии и клетки, в которых образуется в силу тех или иных обстоятельств очень много супероксида, и т.д. У высших животных эти внутриклеточных механизмы дополнены физиологическими надклеточными системами, такими как уменьшение вентиляции лёгких и сужении капилляров при переходе от работы к покою, когда потребность в кислороде резко падает.

И, тем не менее, в среднем 2% кислорода клетка животного потребляет не за счёт безопасной реакции четырёхэлектронного восстановления кислорода до воды, а путём энергетически бессмысленной и опасной реакции O2 →O2— . В результате клетка оказывается не в состоянии полностью защитится от повреждающего действия АФК. Так, количество окислительных повреждений ядерной ДНК в клетке человека в среднем оценивается величиной порядка 10 000 повреждений в день, а в клетке крысы, имеющей более высокую скорость дыхания, -- 100 000 в день. На порядок выше чистота повреждений митохондриальной ДНК, расположенной в непосредственной близости от дыхательной цепи – главного генератора супероксида.

На первый взгляд, такую ситуацию можно было бы списать на несовершенство живой системы. Однако известно, что в клетке существует фермент ксантиноксидаза — фермент, который окисляет ксантин молекулярным кислородом. Такой процесс, например, обеспечивает стерильность молока, так как АФК — мощный бактерицид. Однако, как быть с внутриклеточной ксантиноксидазой, обнаруженной в целом ряде тканей? АФК слишком опасны, чтобы доверять им какие либо внутриклеточные функции, кроме одной — функции самоубийства живой системы, будь то митохондрия, клетка или организм.

Не исключено, что во всех этих событиях роковую роль играют митохондрии. Именно в митохондриях генерируется больше всего супероксида, причём этот процесс может приобретать характер саморазгоняющегося. Чем больше образуется супероксида, тем больше вероятность повреждения митохондриальной ДНК. Повреждение митохондриальной ДНК ведёт к нарушению синтеза белков — переносчиков электронов дыхательной цепи. Торможение дыхательной цепи приводит к генерации ещё большего количества супероксида. Таким образом, может возникнуть угроза уничтожения ядерной ДНК и клетки в целом.

Нарастание продукции АФК с возрастом — твёрдо установленный факт. Помимо повреждения ДНК этот эффект может отражаться и на белках. Увеличение окислительной денатурации белков усугубляется тем, что при старении такая денатурация уже не может полностью компенсироваться индукцией белков теплового шока.