УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2010, том 130, № 5, с. 487-496
УДК 591.147.5:577.171.55
МЕЛАТОНИН КАК АНТИОКСИДАНТ: ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ И СВОЙСТВА
© 2010 г. А. Ю. Беспятых, О. В. Бурлакова, В. А. Голиченков
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова E-mail:bespiat@mail.ru
Суммированы последние данные по антиоксидантным свойствам мелатонина. Обсуждены возможности непосредственного поглощения мелатонином свободных радикалов: супероксид-анионов, перекиси водорода, гидроксил-радикалов, синглетного кислорода, пероксильных радикалов, пероксинитрит-анионов. Приведены данные о регуляции мелатонином антиоксидантных ферментов и участии метаболитов гормона (АМК, АФМК и 6-ОНМ) в защите от окислительного стресса. Проанализировано действие мелатонина на митохондрии - основной источник образования свободных радикалов в клетках.
Ключевые слова: мелатонин, антиоксидант, свободные радикалы.
ВВЕДЕНИЕ
Мелатонин - эволюционно консервативная молекула, принимающая участие в передаче фотопериодической информации у разных организмов. Присутствие мелатонина было показано у беспозвоночных и позвоночных животных, в том числе и человека [5, 7, 8, 61]. Мелатонин также обнаружили в грибах, микро- и макроводорослях и высших растениях [7, 56]. У позвоночных основным источником мелатонина, циркулирующего в крови, является эпифиз. В меньших количествах гормон синтезируется экстрапинеально - в сетчатке, Гар-деровой железе и желудочно-кишечном тракте [64].
Широкое распространение мелатонина в эволюционном древе живых систем свидетельствует о его участии в регуляции различных функций. В настоящее время исследуются биоритмологические, иммунологические, антиоксидантные свойства гормона и возможности применения его в терапии широкого спектра заболеваний. В данном обзоре основное внимание уделено антиоксидантным функциям мелатонин. Рассмотрены основные механизмы защитного действия ме-латонина на разных уровнях: непосредственное участие мелатонина в нейтрализации свободных радикалов, его влияние на про- и антиоксидант-ные ферменты, антиоксидантная активность продуктов превращения мелатонина, а также роль мелатонина в качестве антиокислителя в митохондриях - основном источнике свободных радикалов в организме.
МЕХАНИЗМЫ АНТИОКСИДАНТНОГО ДЕЙСТВИЯ МЕЛАТОНИНА
Экспериментальных данных, подтверждающих антиоксидантное действие мелатонина, на данный момент достаточно, однако его механизмы еще не совсем ясны.
Согласно математическим расчетам, наиболее вероятны следующие механизмы непосредственного тушения мелатонином свободных радикалов:
а) передача электрона от молекулы мелатонина к активному радикалу с образованием катион-радикала мелатонина и аниона и последующей транспортировкой протона от катион-радикала к аниону с образованием мелатонил-радикала и Я-И;
б) прямой перенос атома водорода между мела-тонином и свободным радикалом (рис. 1). Однако взаимодействие мелатонина со свободными радикалами осуществляется не совсем обычным способом: в данном случае непосредственно после реакции не образуется стабильного радикала. Возможно, активный мелатонил-радикал
Ме1-Н-- МеГ + Ы-Н
Я'
Рис. 1. Наиболее вероятные механизмы взаимодействия молекулы мелатонина со свободными радикалами (по [85]).
быстро окисляет a-токоферол, образующий более стабильный радикал. Эта гипотеза объясняет возможную причину их известного синергичного действия. С другой стороны, если в эксперименте применяются достаточно высокие дозы мела-тонина, в результате последовательных реакций соответствующий радикал не успевает превратиться в стабильный метаболит, вследствие чего общая антиоксидантная активность мелатонина снижается. Экспериментально данная гипотеза исследуется в работе [85].
ПРЯМОЕ АНТИОКСИДАНТНОЕ ДЕЙСТВИЕ МЕЛАТОНИНА
В последние 10-12 лет появилось много работ, касающихся способности мелатонина непосредственно поглощать свободные радикалы, нейтрализуя их вредное воздействие на клетки и ткани организма.
Мелатонин и супероксид-анион (О2-'). Было показано, что мелатонин слабо реагирует с О;-• [10, 48]. Но при использовании электронно-спинового резонанса для идентификации аддукта О;-• было показано, что мелатонин реагирует, хотя и умеренно, с О- [91]. Также продемонстрировали значительное снижение продукции супероксид-анион радикала на ранней стадии реперфузии в стенке артерии после инъекции мелатонина [91]. Кроме того, показано концентрационно-зависи-мое снижение продукции О;-'' и Н2О2 в митохондриях печени мыши в системе in vitro в присутствии мелатонина [40]. Однако, роль мелатонина при нейтрализации О;-' в системе in vivo пока не ясна.
Мелатонин и пероксид водорода (H2O2). Мелатонин способен устранять H2O2 непосредственно реагируя с радикалом для удаления его из клетки. Недавно установили, что мелатонин непосредственно снижает уровень H2O2 в простой химической системе, однако механизм его действия пока не расшифрован [81]. К тому же, мелатонин может устранять H2O2 за счет стимуляции активности двух метаболизирующих Н202-ферментов, глута-матпероксидазы и каталазы [54, 68, 91]. Продукт, являющийся результатом взаимодействия мела-тонина и Н202 - АФМК ^[1]-ацетил-К[2]-фор-мил-5-метоксикинурамин) [79]. Кроме того, было показано, что АФМК сам способен отдавать два электрона и играть, таким образом, роль поглотителя свободных радикалов [70]. Таким образом, не только мелатонин, но и по меньшей мере один из его метаболитов может эффективно поглощать свободные радикалы.
Мелатонин и 'ОН. Многие исследователи также подтвердили способность мелатонина нейтрализовать 'ОН [49, 60]. Каждая молекула мелатонина способна поглощать два 'ОН-радикала и генерировать в качестве продукта циклический 3-гидроксимелатонин [77], причем появление его в моче - показатель поглощающего действия ме-латонина.
In vitro также была подтверждена поглощающая способность мелатонина [55] при использовании в качестве химического дозиметра 'ОН те-рефталевой кислоты [THA], при взаимодействии с 'ОН формирующей аддукт THA-'ОН. В такой системе снижение образования данного аддук-та при помощи мелатонина зависит от концентрации гормона. Данные индольной флуоресценции в других системах in vitro показали, что мелатонин быстро окисляется 'ОН, образованными при реакции Фентона, но не самим железом [59]. Кроме того, мелатонин окисляется только в присутствии Н2О2 и при поглощении радикалов действует синергично с другими антиоксиданта-ми, такими как витамины С и Е. Поэтому весьма вероятно, что in vivo, особенно в присутствии других поглотителей свободных радикалов, мела-тонин может играть роль физиологически значимого антиоксиданта.
Показано также, что экзогенный мелатонин in vivo способен поглощать 'ОН-радикалы [36] -самые опасные из всех активных частиц эндогенного происхождения. Образовавшись, 'ОН-ради-калы реагируют с любой молекулой, находящейся в непосредственной близости. Тем не менее, их высокая реакционная способность играет и положительную роль - 'ОН-радикал вследствие малого времени жизни не может мигрировать от места своего образования больше, чем на несколько диаметров молекул. Таким образом, для предотвращения повреждений, связанных с появлением 'ОН-радикалов, любой поглотитель должен находиться в месте, где эти радикалы образуются. В противоположность остальным известным анти-оксидантам, которые обычно либо жиро- (например, витамин Е), либо водорастворимы (витамин С) и поэтому имеют ограниченное местоположение в клетке, амфифильность мелатонина позволяет ему поглощать 'ОН и в липидных, и в водных клеточных компартментах [91], что подчеркивает его важность.
Вторичные и третичные метаболиты мелато-нина, которые образуются in vitro и in vivo (например, 6-ОНМ, ^ацетил-5-метоксикинурамин и АФМК [31]), как полагают, формируются при взаимодействии мелатонина со свободными радикалами и также считаются эффективными погло-
тителями свободных радикалов [41, 43, 45, 78]. Метаболиты мелатонина, как и сам гормон, способны нейтрализовать активные формы кислорода [91]. Данный эффект мелатонина и его метаболитов называется антиоксидантным каскадом, который позволяет поглощать дополнительные радикалы сверх того, что может нейтрализовать только мелатонин [41, 78], в отличие от классических антиоксидантов, для которых соотношение количества поглотителя к количеству нейтрализованных радикалов обычно 1:1.
Мелатонин и синглетный кислород (1О2). Косвенные доказательства, указывающие на способность мелатонина нейтрализовать 1О2, впервые были получены в 1995 году [9]. Показано, что ме-латонин нейтрализует 1О2 одновременно с образованием АФМК [59]. Мелатонин предотвращает апоптоз нейронов и ингибирование активности креатинкиназы. Поскольку в фармакологических концентрациях мелатонин подавляет фотодинамическое повреждение нейронов, сделан вывод, что мелатонин непосредственно нейтрализует 1О2. Можно предположить, что АФМК - продукт, общий для нескольких типов взаимодействий ме-латонина с активными формами кислорода. Под действием лазерного излучения мелатонин способен вырабатывать свободные радикалы, а также поглощать 1О2, образованные нафталеном, то есть в биологических условиях мелатонин является поглотителем синглетного кислорода и/или других свободных радикалов, генерируемых из нафталена под действием лазерного излучения [44]. Это может быть использовано при фотодинамической терапии опухолей, что открывает новые перспективы в терапевтическом применении мелатонина.
Мелатонин и пероксил-радикал (LOO'). Один из наиболее интенсивно изучаемых процессов в биологии свободных радикалов - перекисное окисление липидов, во время которого образуется радикал LOO\ Этот радикал окисляет соседние молекулы липидов в цепной реакции перекисного окисления. Однако нельзя считать доказанным то, что мелатонин является антиоксидантом, прерывающим реакционную цепь. Согласно ранним исследованиям (цит. по 27), мелатонин занимает достойное место среди эффективных поглотителей LOO^ и является даже более эффективным, чем витамин Е, считающийся самым лучшим анти-оксидантом, прерывающим цепные радикальные реакции. Это утверждение не было подтвержде
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.