Стаття на конкурс «біо / мовляв / текст»: Довгий час активні форми кисню вважалися шкідливими побічними продуктами обміну речовин. За останнє десятиліття, проте, вчені показали, що живі організми не тільки можуть використовувати активний кисень в своїх цілях, але і цілеспрямовано його виробляють. Виникає питання: чи потрібно боротися з активними формами кисню за допомогою антиоксидантів?
Ця стаття представлена на конкурс науково-популярних робіт «Біо / мовляв / текст» -2013 в номінації «Кращий огляд».
Спонсор конкурсу - далекоглядна компанія Thermo Fisher Scientific . Спонсор призу глядацьких симпатій - фірма Helicon .
Ось уже багато років виробники продуктів харчування і косметики твердять про користь для нашого здоров'я антиоксидантів . У зв'язку з цим в головах людей міцно зміцнюється точка зору, що ці чудодійні речовини є свого роду панацеєю від багатьох хвороб і навіть запобігають процесу старіння. Проте недавні дослідження показують, що все не так однозначно, як вважалося раніше.
З часів винаходу синьо-зеленими бактеріями кисневого фотосинтезу [1] ми живемо в надзвичайно агресивною окислювальному середовищі. Правда, сам по собі кисень не дуже страшний для нас, живих організмів, оскільки, щоб пішла реакція окислення, необхідно подолати високий енергетичний бар'єр (або, кажучи іншими словами, нас потрібно було б підпалити). Однак іноді в процесах неповного окислення кисень перетворюється в так звані активні форми (АФК), і тоді ці молекули стає воістину страшним окислювачем, взаємодіючи з будь органікою, що зустрілася на шляху: білками, жирами, вуглеводами, нуклеїновими кислотами ... І в наших клітинах щомиті виробляються тисячі таких молекул - як побічні продукти дихання, реакцій синтезу і розпаду біомолекул.
На щастя, в нашому організмі передбачені системи захисту від небажаного окислення. Існують спеціальні ферменти, які займаються нейтралізацією активних форм кисню і їх відновленням до води. Окислювальні пошкодження білків і ДНК, які ще можна звернути, відновлюються спеціальними ферментами репарації, а молекули, які були піддані незворотних змін, знищуються. Таким чином, наш організм наділений природними антиоксидантами і здатний сам постояти за себе.
Але іноді антиоксидантні системи організму дають збій, і тоді активні форми кисню можуть заподіяти істотної шкоди. Небезпека полягає ще й в тому, що процес накопичення окисних ушкоджень володіє позитивним зворотним зв'язком: пошкодження молекул, що відповідають за регуляцію вироблення і деградації АФК, породжують ще більше збільшення вмісту АФК в клітині. Так, відомо, що при старінні, травмах і деяких захворюваннях (наприклад, хворобах Альцгеймера і Паркінсона) підвищується рівень окислювальних пошкоджень в мозку [2] , [3] .
У світлі сказаного зрозуміло, чому лікарі і фармацевти покладають великі надії на використання природних і синтетичних антиоксидантів для лікування (або хоча б полегшення перебігу) хвороб, що супроводжуються окисними ушкодженнями тканин. І дійсно, дослідження на модельних тварин показали, що використання антиоксидантів сприяє пом'якшенню симптомів деяких захворювань і навіть може збільшувати середню тривалість життя. Так, в лабораторії академіка В.П. Скулачов були отримані штучні антиоксиданти, широко відомі під назвою « іони Скулачов »І здатні вбудовуватися в мембрани мітохондрій - одного з основних джерел активних форм кисню в клітині. За допомогою цих антиоксидантів вдалося повернути назад деякі викликані старінням порушення у лабораторних тварин [4] .
І все ж, за останній десяток років ставлення вчених до активних форм кисню кардинально змінилося. Все почалося з відкриття в клітинах імунної системи ферменту NADPH-оксидази , Єдина функція якого - здійснювати продукцію активних форм кисню для боротьби з патогенними організмами. З його допомогою макрофаги «поливають» небажаних гостей токсичними молекулами супероксида , пероксиду водню , гіпохлориту та ін. в ході так званого «окисного вибуху». Яке ж було здивування вчених, коли цей фермент і ще цілих шість його «родичів» (изоформ) були виявлені практично у всіх тканинах організму!
Зараз відомо, що активні форми кисню беруть участь в регуляції багатьох процесів в клітині, впливаючи на швидкість ділення клітин і диференціювання, а також на інші клітинні функції. Деяка іронія полягає в тому, що розвитку «корисних» функцій АФК сприяли властивості, що випливають із його токсичності - висока здатність взаємодіяти з биомолекулами і наявність систем для його швидкого руйнування в клітці. Іншими словами, активний кисень можна використовувати як сигнальний маяк, швидко включаючи або вимикаючи за потребою. Таким чином, наш організм навчився отримувати вигоду навіть з такого, здавалося б, «шкідливого» побічного продукту, як активні форми кисню.
Як же здійснюється така регуляція? Для злагодженої роботи нашого організму клітинам необхідно обмінюватися між собою інформацією за допомогою гормонів, факторів росту та інших спеціальних молекул. Ці речовини впізнаються і зв'язуються білками-рецепторами, про що останні сповіщають клітку за допомогою цілого каскаду ферментативних реакцій. Особливу роль в цих процесах грає здійснювана спеціальними ферментами - кіназами [5] , [6] - реакція фосфорилювання білків. Вона полягає в тому, що до деяких амінокислотним залишкам білка - тирозину і серину - приєднується фосфатна група, що призводить до його активації або, навпаки, придушення активності. Цьому процесу протистоїть реакція дефосфорилирования, здійснювана ферментамі- фосфатази і викликає в точності зворотну дію. Баланс цих двох реакцій і визначає рівень активності регульованого білка в клітині. Наприклад, інсулін - гормон, який відповідає за регуляцію споживання глюкози клітинами, - пов'язується з інсуліновими рецепторами, що знаходяться на поверхні практично всіх клітин організму, що призводить до появи тірозінкіназной активності рецептора. Це запускає ланцюжок ферментативних процесів, в результаті яких на мембрані клітин збільшується число білків-переносників глюкози, і споживання клітиною глюкози збільшується [7] .
Виявилося, що активні форми кисню можуть можна зупинити окисляти залишки цистеїну в каталітичних ділянках деяких фосфатаз і пригнічувати їх активність. Це призводить до зміщення рівня фосфорилювання регульованих ними білків, що, звичайно, впливає на переданий клітці сигнал. Так, виділення активних форм кисню було зафіксовано при зв'язуванні клітинними рецепторами інсуліну, і було показано, що придушення їх продукції додаванням антиоксидантів послаблює дію гормону на клітину [7] .
У численних дослідженнях було показано, що активні форми кисню беруть участь в синтезі деяких ситуаціях (наприклад, тиреоїдних гормонів), регуляції рухливості клітин сполучних тканин, зростання судин і нервових закінчень і т.д.
Ще один зовсім недавно відкритий ефект - участь АФК в регуляції процесів в мозку, які лежать в основі навчання і пам'яті. Як відомо, основна функція нервових клітин - отримувати і передавати електричні сигнали за допомогою міжклітинних контактів - синапсів. Саме тут визначається, чи буде що входить з іншого нейрона електричний сигнал переданий далі наступним нейронам, або ж він пропаде безслідно. При цьому мозок - динамічна структура, причому в ньому не тільки постійно утворюються нові і розсмоктуються непотрібні клітинні контакти, а й провідність самих синапсів може змінюватися [8] . Без цих процесів ми не змогли б навчитися ніяким навичкам або, наприклад, запам'ятати відомості, наведені в цій статті.
Так ось, на клітинних культурах, а потім і в дослідженнях на модельних тварин було показано, що активні форми кисню не тільки впливають, але і необхідні для регулювання провідності синапсів. Так, надмірна продукція антиоксидантних білків в миші приводила до розвитку когнітивних порушень у цих тварин [9] .
Малюнок 1. Механізм регуляції сигнальних каскадів пероксидом водню. Активація різних клітинних рецепторів активує NADPH-оксидазу, що виділяє пероксид водню. Він, в свою чергу, інактивує тирозин-фосфатази і активує тирозин-кінази, регулюючи тим самим ступінь фосфорилювання багатьох клітинних ферментів і, отже, їх активність.
* * *
Таким чином, за останні десятиліття активний кисень перетворився в очах вчених з небезпечного побічного продукту в важливий компонент сигнальних шляхів клітини. У зв'язку з цим і нам потрібно переглянути своє ставлення до антиоксидантів як до безумовно корисних речовин, яких чим більше - тим краще. Антиоксидантів, одержуваних зі споживанням свіжих фруктів і овочів, цілком достатньо для щоденних потреб організму. А до активного використання антиоксидантів в медицині треба ставитися уважно, маючи на увазі можливі побічні ефекти при надмірному придушенні продукції активних форм кисню.
- волонтер фотосинтезу ;
- Marina S. Hernandes, Luiz RG Britto. (2012). NADPH Oxidase and Neurodegeneration . Current Neuropharmacology. 10, 321-327;
- Cynthia A. Massaad, Eric Klann. (2011). Reactive Oxygen Species in the Regulation of Synaptic Plasticity and Memory . Antioxidants & Redox Signaling. 14, 2013-2054;
- VP Skulachev. (2007). A biochemical approach to the problem of aging: "Megaproject" on membrane-penetrating ions. The first results and prospects . Biochemistry Moscow. 72, 1385-1396;
- Рецептор «нетрадиційної орієнтації» ;
- Mark A. Lemmon, Joseph Schlessinger. (2010). Cell Signaling by Receptor Tyrosine Kinases . Cell. 141, 1117-1134;
- Barry J. Goldstein, Kalyankar Mahadev, Xiangdong Wu, Li Zhu, Hiroyuki Motoshima. (2005). Role of Insulin-Induced Reactive Oxygen Species in the Insulin Signaling Pathway . Antioxidants & Redox Signaling. 7, 1021-1031;
- Елементи: « Який же внесок протеинкиназа M-дзета вносить в формування пам'яті? »;
- Dick Jaarsma, Elize D. Haasdijk, JAC Grashorn, Richard Hawkins, Wim van Duijn, et. al .. (2000). Human Cu / Zn Superoxide Dismutase (SOD1) Overexpression in Mice Causes Mitochondrial Vacuolization, Axonal Degeneration, and Premature Motoneuron Death and Accelerates Motoneuron Disease in Mice Expressing a Familial Amyotrophic Lateral Sclerosis Mutant SOD1 . Neurobiology of Disease. 7, 623-643;
- SG Rhee. (2006). CELL SIGNALING: H2O2, a Necessary Evil for Cell Signaling . Science. 312, 1882-1883.
Як же здійснюється така регуляція?
