Активные формы кислорода: виды, источники и защита

Активные формы кислорода, или АФК, - это не один «токсичный кислород», а несколько частиц с разной химией. Одни из них несут неспаренный электрон и поэтому являются радикалами, другие радикалами не являются, но всё равно окисляют клеточные мишени. Их образование неизбежно при аэробном обмене, а в ряде клеток специально включается для защиты от микробов. Задача клетки не в том, чтобы убрать АФК до нуля, а в том, чтобы удерживать их образование, превращения и удаление в согласованном диапазоне.

Что относят к активным формам кислорода

К базовым АФК в учебной биохимии относят супероксид-анион-радикал $\mathrm{O_2^{\bullet-}}$, пероксид водорода $\mathrm{H_2O_2}$, гидроксильный радикал $\mathrm{HO^{\bullet}}$ и синглетный кислород $^1\mathrm{O_2}$. Супероксид и гидроксильный радикал - радикалы; пероксид водорода - нет. Синглетный кислород отличается от обычного триплетного $\mathrm{O_2}$ электронным состоянием и часто образуется при фотохимических процессах или в реакциях с участием фотосенсибилизаторов.

Не стоит выстраивать эти частицы в одну линейку «вредности». Решают место, количество, время жизни и близость уязвимой молекулы. Например, $\mathrm{H_2O_2}$ может быть безопасно разложен ферментом либо, оказавшись рядом с доступным железом, стать источником более агрессивного $\mathrm{HO^{\bullet}}$. Это различие объясняет, почему термин «окислительный стресс» означает не присутствие АФК само по себе, а нарушение редокс-баланса.

Для ответа на семинаре удобно отдельно назвать термин «свободный радикал»: это частица с одним или несколькими неспаренными электронами. Поэтому супероксид и гидроксильный радикал - свободные радикалы, а пероксид водорода и синглетный кислород - нет. Однако из отсутствия неспаренного электрона не следует химическая инертность. Пероксид способен окислять определённые белковые группы и служит предшественником радикала в присутствии переходного металла. Название класса АФК шире, чем название класса свободных радикалов.

Рассчитать для своей задачи

Откуда в клетке берутся АФК

Часть АФК появляется как побочный результат переноса электронов. Во внутренней мембране митохондрии электроны могут преждевременно перейти на кислород; особенно часто в учебных схемах называют комплексы I и III. Полезно сначала восстановить нормальный маршрут электронов в дыхательной цепи митохондрий: кислород там должен принять четыре электрона и превратиться в воду. Если перенос идёт по одному электрону, возникает супероксид.

Есть и регулируемые ферментные источники. NADPH-оксидаза фагоцитов переносит электроны на кислород в фагосоме: это кислородный взрыв, который участвует в уничтожении захваченных микроорганизмов. Последовательность поглощения и роль фаголизосомы разобраны в статье «Фагоцитоз: стадии и механизм». Ксантиноксидаза при превращениях пуринов также может восстанавливать кислород с образованием АФК. В эндоплазматическом ретикулуме утечка электронов возможна в системе цитохрома P450, которая участвует в метаболизме многих ксенобиотиков; связь детоксикации с эпителием бронхиол можно посмотреть на примере клеток Клара.

Как супероксид превращается в пероксид водорода

Супероксиддисмутаза, СОД, ускоряет дисмутацию:

$2\mathrm{O_2^{\bullet-}} + 2\mathrm{H^+} \rightarrow \mathrm{H_2O_2} + \mathrm{O_2}$

На первый взгляд превращение радикала в пероксид должно быть только обезвреживанием. Но это ещё и смена «географии» реакции: $\mathrm{H_2O_2}$ не имеет заряда, способен достигать чувствительных белков и участвовать в контролируемом окислении их цистеиновых остатков. Поэтому СОД не уничтожает окислительную нагрузку окончательно, а переводит её в форму, для которой нужны следующие ферменты.

У млекопитающих изоформы СОД работают в разных компартментах, в том числе в матриксе митохондрий и в цитозоле. Такое распределение важно: АФК не образуют единое облако по всей клетке. Рядом с источником и системой обезвреживания формируется локальный редокс-микродомен.

С этим связана типичная задача на причинно-следственную цепочку. Если в условии дано усиление утечки электронов, не следует сразу писать «образовался гидроксильный радикал». Сначала указывают восстановление кислорода до супероксида, затем дисмутацию до $\mathrm{H_2O_2}$. Только после добавления условия о доступном $\mathrm{Fe^{2+}}$ оправдан переход к реакции Фентона. Такой порядок не только точнее, но и показывает, на каком звене могли сработать СОД, каталаза или глутатионпероксидаза.

Реакция Фентона и гидроксильный радикал

При наличии восстановленного железа пероксид водорода может вступить в реакцию Фентона:

$\mathrm{Fe^{2+}} + \mathrm{H_2O_2} \rightarrow \mathrm{Fe^{3+}} + \mathrm{OH^-} + \mathrm{HO^{\bullet}}$

Гидроксильный радикал живёт так недолго и реагирует так быстро, что для него неправильно искать «путь миграции» к ДНК или мембране. Он повреждает то, что находится в непосредственной близости от места образования: липиды мембраны, белок или нуклеиновую кислоту. Именно поэтому контроль доступного, не связанного белками железа так важен для безопасности клетки. О роли железа как кофактора и о его включении в гем рассказывает материал «Гем, железо и протопорфирин IX».

Реакцию Фентона нельзя превращать в универсальное объяснение всех повреждений. Она описывает конкретное образование $\mathrm{HO^{\bullet}}$ из пероксида и $\mathrm{Fe^{2+}}$; наличие пероксида в пробе ещё не доказывает, что именно этот механизм стал причиной повреждения.

Ферментная защита: СОД, каталаза и глутатионпероксидаза

Следующий уровень защиты удаляет $\mathrm{H_2O_2}$. Каталаза особенно эффективна при его высоких концентрациях и разлагает пероксид на воду и кислород:

$2\mathrm{H_2O_2} \rightarrow 2\mathrm{H_2O} + \mathrm{O_2}$

Глутатионпероксидаза восстанавливает $\mathrm{H_2O_2}$ или органические гидропероксиды, используя восстановленный глутатион $\mathrm{GSH}$:

$\mathrm{H_2O_2} + 2\mathrm{GSH} \rightarrow 2\mathrm{H_2O} + \mathrm{GSSG}$

Затем глутатионредуктаза возвращает $\mathrm{GSSG}$ к $\mathrm{GSH}$ за счёт NADPH. Поэтому антиоксидантная защита - это не список витаминов, а связанная ферментная система, которой нужны восстановительные эквиваленты. Удобно не путать эти термины с белковой частью фермента: различие между коферментом и кофактором разобрано в отдельной статье.

У этих путей разные роли, а не только разные названия. Каталаза проводит диспропорционирование пероксида и особенно заметна там, где его поток велик. Глутатионпероксидаза использует восстановительную способность глутатиона и может работать также с органическими гидропероксидами. После её реакции запас $\mathrm{GSH}$ нужно восстановить, поэтому устойчивость системы зависит от поступления NADPH. В схеме ответа полезно рисовать не отдельные стрелки «АФК исчезла», а замкнутый цикл: образование супероксида, работа СОД, удаление пероксида и регенерация восстановленного глутатиона.

Рассчитать для своей задачи

Почему АФК нужны для редокс-сигналинга

Умеренное и кратковременное изменение концентрации АФК может быть сигналом. В частности, $\mathrm{H_2O_2}$ способен обратимо окислять чувствительные цистеиновые группы в белках, меняя активность ферментов или передачу сигнала. Так клетка связывает состояние обмена, ростовые факторы, воспалительный ответ и транскрипционные программы с редокс-обстановкой.

Сигнал отличается от повреждения не названием молекулы, а дозой, локализацией и временем. Локально созданный и быстро погашенный $\mathrm{H_2O_2}$ может передать информацию; массивное или длительное образование АФК перегружает ферментные буферы. Поэтому популярная формула «антиоксиданты всегда полезны» биохимически неточна: бесконтрольное подавление АФК потенциально вмешивается и в нормальный сигнал, и в противомикробную функцию фагоцитов.

Окислительный стресс: что именно повреждается

Окислительный стресс возникает, когда образование окислителей превышает возможности антиоксидантных систем и ремонта. Последствия зависят от мишени: белки могут менять структуру и активность, в липидных мембранах появляются гидропероксиды, а в нуклеиновых кислотах - окислительные модификации. Это общий механизм клеточного повреждения, а не самостоятельный диагноз по одному лабораторному показателю.

В учебном ответе полезно сохранить причинную цепочку: источник электронов или оксидаза → конкретная АФК → ферментное превращение либо реакция с мишенью → ответ клетки. Не нужно писать, что любой кислород автоматически токсичен, или приписывать каждому случаю повреждения одну реакцию Фентона без условий для неё.

Экспериментальные маркеры окислительного повреждения тоже нельзя трактовать в отрыве от контекста. Обнаружение окисленного белка, продукта окисления липидов или изменения отношения $\mathrm{GSH}/\mathrm{GSSG}$ говорит о сдвиге системы, но само по себе не называет единственный источник АФК. Для вывода нужны условия опыта, компартмент, время измерения и сопоставление с активностью защитных ферментов. Это важное ограничение помогает не превращать общую биохимическую схему в слишком уверенное клиническое заключение.

Частые ошибки

• Называть пероксид водорода свободным радикалом. $\mathrm{H_2O_2}$ - АФК, но неспаренного электрона у него нет.
• Считать СОД конечным антиоксидантным ферментом. Она превращает супероксид в пероксид; дальше нужны каталаза, пероксидазы и восстановительные системы.
• Путать обычный кислород и синглетный кислород. Это разные электронные состояния $\mathrm{O_2}$.
• Представлять АФК только как повреждающие молекулы. Контролируемый $\mathrm{H_2O_2}$ участвует в редокс-сигналинге, а NADPH-оксидаза - в защите фагоцитов.

FAQ

Какая АФК наиболее реакционноспособна?

Гидроксильный радикал $\mathrm{HO^{\bullet}}$ очень реакционноспособен и обычно атакует мишень рядом с местом образования. Поэтому клетка не имеет универсального фермента, который мог бы надёжно «собрать» его после появления; важнее не допустить его образования.

Почему пероксид водорода одновременно опасен и полезен?

Его избыток способен вести к повреждению, в том числе через образование более реакционноспособных частиц. Но при локальном контролируемом образовании $\mathrm{H_2O_2}$ служит сигнальной молекулой: обратимо меняет состояние ряда белков.

Все ли антиоксиданты работают одинаково?

Нет. СОД работает с супероксидом, каталаза и глутатионпероксидаза - с пероксидом и гидропероксидами, а низкомолекулярные буферы и системы восстановления поддерживают нужное состояние белков. Их нельзя заменять одним общим «поглотителем радикалов».

Коротко

АФК включают супероксид, пероксид водорода, гидроксильный радикал и синглетный кислород. Они возникают при переносе электронов и работе специализированных оксидаз; СОД, каталаза и глутатионпероксидаза ограничивают их уровни. При контроле АФК передают редокс-сигналы, а при перегрузке защитных систем возникает окислительный стресс и повреждение клеточных молекул.

Источники

• NCBI Bookshelf: Reactive Oxygen Species
• Tsuji, Reactive oxygen species homeostasis and redox regulation
• Meyer et al., Signal transduction by reactive oxygen species