Значение на свободните радикали в патогенезата на заболявания и интоксикации

Брой 8/2001

Проф. Д-р Д. Станева-Стойчева

Интензивни фундаментални и приложни изследвания на биохимици, биофизици, токсиколози, фармаколози и клиницисти през последните две десетилетия разкриват все по-задълбочено голямата роля, която играят свободнорадикалните процеси в патогенезата на редица болести, интоксикации с химически вещества, увреждания от йонизираща радиация. Под свободен радикал обикновено се разбира молекула, която има неспрегнат (нечифтен) електрон на последната електронна орбита. Сво­бодни радикали се образуват при метаболизма на молекулярния кислород и на редица лекарства и други химически вещества в клетката, както и при действие на йонизираща радиация, чрез пряко активиране на органични молекули или чрез ра­диолиза на водата. Те са изключително реактивоспособни, тъй като неспрегнатият електрон има голям термодинамичен потенциал и образува лесно елекронни двойки.

Сериозни успехи са постигнати в разкриването на биохимичната и биофизичната същност на сво­боднорадикалните реакции. Най-често процесите в клетката започват с генерирането на суперок­сиден радикал, който след това преминава в други, по-реактивоспособни кислородни радикали, нарече­ни още активни форми на кислорода или реактивни кислородни метаболити. Едноелектронната редук­ция на кислорода до супероксиден радикал се катализира от редица ензими като ксантиноксидаза, NADPH-цитохром Р-450 редуктаза, цитохром-450, хемоглобин, а така също и при автоокисление на някои ендогенни вещества, като например катехо­ламини.

Супероксидни радикали се образуват в организма и при метаболизма на редица лекарства и други ксенобиотици. Образувалите се при този метаболизъм свободнорадикални метаболити (като семихининов анион, ацо-йон, нитроароматни аниони, бипиридиниев катион и други), могат да окажат пряко токсично действие или да активират моле­кулярния кислород чрез едноелектронна редукция до супероксиден радикал и да отключат целия верижен процес на превръщане на кислородните сво­бодни радикали.

Супероксидният радикал е относително слабо реактивоспособен. Той обаче, претърпява химически или метаболитни реакции, при които се получават други реактивни кислородни метаболити: дисмутация до водороден прекис (Н202) и протониране до хидропероксирадикал (Н02). Хебер и вайс са първите учени, които предполагали, че при взаимодействието на водородния прекис със супероксидния ра­дикал се образува силно реактивоспособният хидрооксиден радикал (ОН). впоследствие се установява, че тази реакция, известна като фентонова реакция, се катализира от метал с променлива ва­лентности като желязо и мед:

Н202+ Fe = ОН + ОН + Fe

Хидроксилни радикали се образуват и при ра­диолиза на водата.

Хидроксилният радикал е с много кратък полуживот от порядъка на 10’9 секунди, и е по-реактивоспособен, в сравнение с другите кислородни ра­дикали. Той реагира с голяма скорост с много нискомолекулни и полимерии природни съединения и атакува клетъчните макромолекули: липиди, нуклеинови киселини, белтъци и полизахариди.

От свободнорадикалните процеси в клетката, най-добре е изучено прекисното окисление на липидите в биологичните мембрани. То играе съществена роля в патогенезата на много интоксикации и други патологични процеси. Липидите в биоло­гичните мембрани съдържат значително количес­тво лесноокисляващи се ненаситени мастни кисе­лини и са достъпният субстрат на свободноради­калните процеси. Настъпва верижна реакция на прекисно окисление на липидите, при която се образуват различни свободни липидни радикали: алкилни (L), алкилпероксидни (LOO), алкоксилни (LO) и липидни хидропрекиси (LOOFI).

Прекисното окисление на липидите е процес, кой­то протича нормално във всички клетки и има оп­ределено физиологично значение. Достатъчно е да се спомене за физиологичната роля на такива важ­ни ендогенни вещества като простациклините и тромбоксаните, получавани при окислението на арахидоновата киселина. Ниските стационарни концентрации на продуктите на прекисното окис­ление на липидите изпълняват важни физиологич­ни функции в мембраните, в регулирането на тяхната прободимост и други функционални отнасяния, в процесите на фагоцитоза и пиноцитоза и др. От друга страна, не подлежи на съмнение, че прекомерно повишеното прекисно окисление на ли­пидите (краен етап на свободнорадикалния про­цес), довежда до функционални и морфологични увреждания на биологичните мембрани и на други клетъчни структури и е основен патобиохимичен механизъм при много интоксикации, лъчеви пораже­ния и други болест ни състояния.

Липидната пероксидация може да започне с продукцията на т.нар. синглетен кислород (02).Това е първото възбудено състояние на кислорода, при което той се активира чрез приемане на един електрон в по-висока орбита и обръщане на неговото спинобв състояние. В биологичните системи „синглетен кислород“ се получава при каталитичното въздействие на някои пероксидазни ензимни системи или чрез фотосенсибилизиране на едногенни вещества (като ретинол), на някои бои (метиленово синьо, бенгалово розово, еозин), аромат­ни хидрокарбони и др. „Синглетният кислород“ е много по-реактивоспособен към биологичните мо­лекули, в сравнение с молекулярния кислород и предизвиква токсични увреждания, подобни на тези на супероксидния радикал. Той е инициатор на прекисното окисление на липидите и окислител на аминокиселини и нуклеинови киселини.

Освен прекисното окисление на липидите, редица други процеси участват в механизма на клетъчното увреждане, предизвикано от свободните радика­ли. Свободните радикали пряко или чрез образува­ните от тях кислородни радикали, могат да реагират с небелтъчните и белтъчните сулфхидрилни групи на клетките, като ги окисляват или образуват смесени дисулфиди между нискомолекулни тиолови съединения и белтъчни молекули, съдържащи сулфхидрилни групи.

Блокирането на сулфхидрилните групи нарушава функционирането на тиоловите ензимни системи и боли до увреждане на клетките. По такъв механизъм могат да бъдат повлияни транспортните АТР-ази и да се наруши интрацелуларното йонно равновесие. Чрез повлияване на критичните тиолови групи на „калциевата помпа“ на плазмените мембрани и повишаване на нивото на интрацелуларния цитоплазмен калций, свободните радикали могат да изменят клетъчния метаболизъм, да активират зависими катаболитни ензими (фосфолипази, протеази, ендонуклеази), което допринася за клетъчното увреждане.

Свободните радикали окисляват или свързват глутатиона трипептид, който се намира в клет­ките и телесните течности, и с това нарушават неговата защитна функция (по-специално по отно­шение на стабилността на клетъчните мембрани).

Една друга двойка, формираща свободнорадикална система, включваща N0 и N02. Азотнодиоксидният свободен радикал 1\Ю2 е мощен оксидантен агент, образуващ се главно при изгарянето на ор­ганични молекули, включително и в цигарения дим. От своя страна, азотнооксидният радикал N0 е слаб редуциращ агент, който играе основна роля в такива важни физиологични процеси като поддържането на съдовия тонус, естествената дилата­ция на кръвоносните съдове, тромбоцитната аг­регация, нервната трансмисия, тумурната цитотоксичност.

При повишаване на телесната тем­пература, азотоксидният радикал N0 може да реагира с молекулярния кислород и да образува азотдиоксидния радикал N02, който от своя стра­на може да извлече Н атом от мембранните липиди и да инициира липидна пероксидация. в малки ко­личества, азотоксидните радикали могат да бъ­дат полезни за клетките и тъканите. Например макрофагите използват N02 радикали за разграждане на паразитни причинители. Независимо от това, образуваните в излишък 1\Ю2 радикали могат да бъдат твърде токсични за организма.

Свободнорадикални процеси в патогенезата на някои заболявания

Значителен е броят на заболяванията, в чиято патогенеза е доказано или се предполага участието на свободнорадикалните процеси.

Исхемична болеет на сърцето и мозъчна исхемия

При исхемични състояния на тъканите се повишава генерирането на кислородни свободни ради­кали, който участват в последващото тъканно увреждане. Според хипотезата на McGutteridge, в исхемичната тъкан, от една страна, се деплетира АТф, което предизвиква натрупване на хипоксантин, а от друга ксантиндехидрогеназата се превръща в ксантиноксидаза чрез окисляване на функционално важни SH-групи или протеолиза. Натрупаният хипоксантин се окислява от ксантиноксидазата, при което се генерира супероксиден радикал. Този процес играе особено важна роля в човешката патология, като се има предвид, че коронарната болест (исхемичната болест на сърцето) и мозъчната исхемия заемат челно място като причина за смърт в съвременното общество.

Установено е, че при исхемия на миокарда се натрупва хипоксантин и ксантиндехидрогеназата се превръща в ксантиноксидаза, което предизвик­ва повишено генериране на супероксидни радикали, особено силно изразено при реоксигенация. Последното се благоприятства също и от навлизането на неутрофилни гранулоцити в исхемичния мио­кард и от „изтичането“ на повече електрони от митохондриалната електроннотранспортна вери­га. Известно е, че сърдечният мускул е особено чувствителен към действието на свободни ради­кали. При опити с перфузиране на изолирани животински сърца е доказано протективно действие на супероксиддисмутаза, каталаза, „уловители“ на свободни радикали и десфериоксамин (специфичен комплексообразувател за желязо).

Наличието на много ненаситени мастни киселини в мембранните липиди, по-голямото количество желязо и аскорбинова киселина и по-ниската активност на антиоксидантните ензимни системи (супероксидусмутаза, каталаза и глутатионпероксидаза) в мозъчната тъкан, я правят значително по-чувствителна към увреждащото действие на свободнорадикалното прекисно окисление на липидите. Хемоглобинът и метхемоглобинът при мозъчни хеморагии допълнително повишават прекис­ното окисление на липидите в мозъка. Все още обаче, не са напълно изяснени причинно-следствените връзки между исхемията, прекисното окисление на липидите и увреждането на мозъчната кора. Възможно е прекисното окисление на липидите да е следствие, а не причина за увреждането на мо­зъчната тъкан.

Свободнорадикалните процеси са въвлечени ве­роятно и в увреждането на много други тъкани при исхемия. Напоследък този проблем придобива голямо значение при консервирането и трансплантацията на тъкани и органи. Съществуват експериментални данни за протективно действие на супероксиддисмутаза, каталаза, алопуринол и комби­нация от тях срещу исхемичната некроза на трансплантирани тъкани и органи, без да се забравя, че оснобен проблем при трансплантацията на тъкани и органи си остава имунологичният.

Продължава в следващия брой.