НЕЙРОХИМИЯ, 2013, том 30, № 2, с. 93-102
= ОБЗОРЫ
УДК 577.334.17
ОСОБЕННОСТИ СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ И АНТИОКСИДАНТНОЙ ЗАЩИТЫ ВЗРОСЛОГО МОЗГА
© 2013 г. О. В. Галкина*
Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра биохимии
Обзорная статья посвящена особенностям протекания свободнорадикальных процессов в ЦНС. Рассматриваются пути генерации АФК в нервной ткани, особенности, связанные с субстратами свободнорадикального окисления, а также содержанием и активностью различных антиоксидан-тов. Коротко описаны некоторые физиологические эффекты активных форм кислорода в нервной ткани.
Ключевые слова: свободные радикалы, свободнорадикальное окисление, антиоксидантная система, ферменты антиоксидантной защиты, низкомолекулярные антиоксиданты, ЦНС, головной мозг.
DOI: 10.7868/S1027813313020027
Кислород является незаменимым химическим элементом для большинства живых организмов, без которого невозможно протекание многих окислительно-восстановительных реакций в клетке. Кроме того, кислород также может служить источником образования, так называемых, активных форм кислорода (АФК). АФК, такие
как супероксиданион радикал (O-), перекись водорода (Н2О2), гипохлорит (НС1О), а также активные формы азота, например, оксид азота (NO), постоянно образуются в клетке и представляют собой продукты нормальных метаболических процессов [1—4].
Эти соединения являются оксидантами и активно участвуют в окислении различных биомолекул, в том числе белков, липидов, нуклеиновых кислот. Данный процесс получил название свободнорадикального окисления (СРО). Двойственная роль радикалов кислорода и азота заключается в том, что, с одной стороны, они выполняют ряд важных физиологических функций и могут предотвращать развитие заболеваний, участвуя в опосредовании клеточных сигналов, иммунном ответе, запуске апоптоза и др. С другой стороны, они способны разрушать важнейшие макромолекулы клетки, что приводит к развитию или усугубляет течение болезни [5—8].
В нервной системе, в том числе в головном мозге, существует своя специфика протекания свободнорадикальных процессов, связанная с особенностями метаболизма. Именно в нерв-
*Адресат для корреспонденции: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9, e-mail: galkina@bio.spbu.ru.
ной ткани как нигде проявляется двойственная роль АФК.
Интенсивность свободнорадикальных процессов в тканях зависит от ряда факторов: концентрации кислорода и интенсивности систем генерации АФК, наличия субстрата окисления (для липидов особое значение имеет наличие полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК)), уровня прооксидантов и активности антиоксидантной системы (АОС). Каждое из этих условий имеет свои особенности в нервной системе.
Уникальность метаболизма головного мозга состоит в интенсивном потреблении кислорода (20—25% всего О2, потребляемого организмом), несмотря на сравнительно небольшую массу — 2% от общей массы тела. Следует также учитывать, что основные функциональные элементы мозга — нейроны занимают лишь 5% объема целого мозга, но на их долю приходится около 1/4 части всего поглощенного мозгом О2. Среди разных отделов головного мозга максимальная интенсивность дыхания установлена в коре больших полушарий и ряде подкорковых структур (хвостатое ядро, нижний холмик и др.). При этом нейроны коры мозга поглощают в 12 раз больше кислорода, чем глиальные клетки [9, 10]. Основной причиной высокого поглощения О2 мозгом может являться необходимость в значительном количестве АТФ (примерно 4 х 1021 молекул/мин), требуемом для поддержания внутриклеточного гомеостаза нейронов [11]. Это в свою очередь обусловлено работой ионных каналов, необходимой для распространения потенциалов действия и нейросекре-ции [12].
Генерация АФК в нервной ткани может осуществляться митохондриальной электрон-транспортной цепью (в основном комплексом I), а также такими ферментными системами, как НАДФН-оксидаза, NO-синтаза, моноаминоок-сидаза (МАО), ксантиноксидаза, циклооксиге-наза, триптофаноксигеназа, цитохромы Р-450 [13—18]. Кроме того, олигодендроциты и астро-циты содержат значительное количество перок-сисом, метаболические реакции в которых могут вносить вклад в общее производство АФК в клетках головного мозга [17].
Различные семейства цитохромов Р-450 (CYP) обнаружены в нейрональных и глиальных клетках некоторых областей мозга [19], но наибольший вклад в продукцию АФК в условиях окислительного стресса, видимо, вносит CYP2T1 [12].
Модификация ксантиндегидрогеназы в условиях окислительного стресса в ксантиноксидазу,
которая продуцирует O-, является существенной для мозга из-за высокого содержания фермента [20, 21]. Такая трансформация фермента может усиливать окислительный стресс в нейронах.
В клетках мозга обнаружена экспрессия генов различных изоформ НАДФН-оксидазы (NOX), хотя данные о наличии и распределении конкретных изоформ крайне противоречивы. С помощью различных методических подходов (с помощью ПЦР в реальном времени, ПЦР с обратной транскрипцией, in situ гибридизации, гистохимическими методами) показано наличие фермента в микроглиальных клетках, астроцитах и нейронах, но не в олигодендроцитах [22—24]. Преимущественной изоформой фермента в астроцитах, видимо, является NOX2, в то время как в нейронах экспрессируются NOX1, NOX2 и NOX4 [23]. Функциональное значение этого фермента в ЦНС пока до конца не выяснено. Предполагается, что в астроцитах, АФК, генерируемые в ходе НАДФН-оксидазной реакции, вовлечены во внутриклеточный сигналинг и регуляцию выживания клеток. В нейронах НАДФН-оксидаза может участвовать в модуляции нейрональной активности и апоптоза. NOX2, обнаруженная в нейронах гиппокампа, вовлечена в сигнальные процессы, опосредованные NMDA-рецептора-ми, что может свидетельствовать о ее участии в поддержании долговременной потенциации и процессах обучения и памяти [24—26]. В то же время увеличение активности NOX2 показано при различных нейродегенеративных заболеваниях [24].
Различные формы NO-синтазы (NOS), катализирующие реакцию окисления Z-аргинина до цитруллина с образованием оксида азота (*NO), выявлены в клетках мозга [27]. В настоящее время описаны несколько форм NOS, кодируемые разными генами. Нейрональная форма (nNOS или
тип I) присутствует в основном в нейронах мозга (причем как в популяции развивающихся, так и в зрелых нейронах): в мозжечке, гипоталамусе, коре мозга, стриатуме и гиппокампе, при этом наиболее высокая активность фермента обнаружена в нейронах мозжечка; пМОЗ найдена также в гли-альных клетках, в основном в астроцитах и мик-роглие [28, 29]. В мозгу присутствуют и другие формы фермента. Индуцибельная МО-синтаза (iNOS) преимущественно обнаруживается в гли-альных клетках (астроцитах и микроглие), а также присутствует в нейронах коры и мозжечка. Активность эндотелиальной формы (еNOS), наиболее характерной для клеток эндотелия, выявлена в нейрональных популяциях и астроцитах. nNOS и еNOS относятся к Са-кальмодулин-зависимым ферментам [27, 30].
В нервной ткани также существуют пути образования АФК, связанные с нарушением целостности синаптических мембран, что ведет к повышенному высвобождению экзайтотоксических соединений [12, 14]. К ним относятся нейро-трансмиттеры, такие как глутамат и аспартат, избыточная продукция или недостаточно быстрая нейтрализация которых может приводить к ней-ротоксическим эффектам, связанным со стимуляцией образования АФК.
Причиной образования АФК под действием избытка глутамата считают гиперактивацию постсинаптических глутаматных рецепторов. Показано, что связывание глутамата с NМДА-ре-
цепторами приводит к генерации O-, увеличивается также продукция оксида азота [20, 21]. При активации NМДА-рецепторов увеличение образования *NO связано с открытием Са2+-каналов, входом Са2+ внутрь клетки, и, как следствие, кальмодулин-опосредованной активацией nNOS и еNOS. В условиях дефицита аргинина под действием nNOS может образовываться O - [27].
Оксид азота несет ответственность за потенциально вредные эффекты, особенно когда он образуется в концентрациях, существенно превышающих физиологические, например, при ишемиче-ском повреждении мозга. При этом существенное значение имеет способность *NO взаимодействовать с O - с образованием высокореакционной молекулы пероксинитрита (ONOO-). Большая вероятность такого взаимодействия в мозге связана с относительно низкой активностью фермента су-пероксиддисмутазы [31]. Пероксинитрит может представлять еще большую опасность, чем 'ОН, так как скорость его взаимодействия с молекулами выше, а повреждающие концентрации ниже. К тому же, по сравнению с другими АФК, он может мигрировать на значительные расстояния (радиус действия около 100 мкм). Пероксинитрит и продукты его разрушения ('ОН и диоксида азо-
та) участвуют в повреждении различных соединений. В ходе окислительной модификации белков под действием пероксинитрита происходит окисление SH-групп, и нитрование тирозиновых остатков. В результате такие модифицированные белки не могут подвергаться фосфорилированию, что нарушает механизм передачи сигнала в нервной клетке [27, 30, 32]. Некоторые АФА, включая пероксинитрит, снижают поглощение глутамата глиальными клетками (астроцитами), а также блокируют работу глутаминсинтазы, превращающую эту аминокислоту в глутамин [12].
Следует остановиться на возможности образования АФК в ходе метаболизма моноаминов (дофамина, норадреналина, серотонина), выполняющих важную нейромедиаторную функцию, а также их производных. Вклад этих реакций в общую генерацию АФК в мозге весьма велик, особенно в структурах, богатых дофаминергически-ми нейронами, напрмер, в черной субстанции.
Генерация АФК митохондриями нейронов и глии может осуществляться не только электрон-транспортной цепью, но и расположенными на наружной мембране митохондрии моноаминоок-сидазами А и В, участвующими в катаболизме ка-техоламинов [12, 33]. При окислении моноаминов в ходе МАО-реакции выделяется Н2О2. Кроме того, продуктами этой же реакции являются высоко нейротоксичные альдегиды. Так, при окислении дофамина образуется 3,4-дигидроксифе-нилацетальдегид, а при окислении адреналина
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.