Журнал «Здоровье ребенка» Том 12, №3, 2017

Окислительно-восстановительное равновесие тканей респираторного тракта поддерживается функционированием антиоксидантной системы, уровень активности которой соответствует генерации оксидантов. Развитие острых и хронических заболеваний органов дыхания сопровождается изменением продукции активированных кислородсодержащих метаболитов (АКМ) и активированных азотсодержащих метаболитов (ААМ) и нарушением функционирования антиоксидантной системы, что может привести к развитию оксидантного стресса с повреждением нуклеиновых кислот и структурных компонентов клетки (рис. 1) [5].

Различные механизмы антиоксидантной системы отличаются по мощности инактивации АКМ. Если супероксид анион-радикал ферментативно инактивируется только супероксиддисмутазами, то в нейтрализации H₂O₂ как основной сигнальной молекулы АКМ участвует не менее четырех субсистем. 

Молекулы H₂O₂ свободно перемещаются через цитоплазматическую мембрану и между различными компартментами клетки. Трансмембранная диффузия H₂O₂ является важным фактором, определяющим градиент H₂O₂ в экстрацеллюлярном и внутриклеточном пространстве. Во внутриклеточном пространстве H₂O₂ нейтрализуется рядом реакций, которые отличаются по уровню скорости утилизации H2O2. Различают четыре основных варианта нейтрализации H₂O₂. Первый вариант инактивации, который характерен для внутреннего пространства пероксисом, осуществляется каталазой. Второй вариант обеспечивается деятельностью глутатионпероксидазами, функционирование которых сопряжено с глутатионом, глутатионредуктазой и –никотинамидадениндинуклеотидфосфатом (НАДФ). Глутатионпероксидазы катализируют реакцию H₂O₂ с глутатионом, что ведет к образованию окисленной формы глутатиона дисульфида (GSSG). Впоследствии глутатион дисульфид восстанавливается в результате действия глутатионредуктазы и НАДФ. Третий вариант обеспечивается пероксиредоксинами, работающими в сочетании с тио-редоксинами, тиоредоксинредуктазой и НАДФ. Четвертый вариант представляет неферментативную инактивацию H₂O₂ в результате окисления цистеиновых остатков внутриклеточных протеинов (протеин-SH/протеин-(SH)2). Цистеиновые остатки внутриклеточных белков содержат тиольные группы, которые высокочувствительны к окислению. Активность процесса окисления цистеиновых остатков белков контролируется антиоксидантной системой (рис. 2) [3]. 

Nnenna J. Adimora и соавт. [3], используя данный сценарий развития окислительно-восстановительных событий, создали кинетическую модель инактивации H₂O₂ тиол-дисульфидными редокс-компонентами клетки. Результаты модельных расчетов показали, что при низком и высоком уровне генерации H₂O₂ основной вклад в инактивацию H₂O₂ вносят системы глутатионпероксидазы и пероксиредоксины со скоростью инактивации 7,7–6,0 • 10^–6 и 5,6–4,4 • 10^–6 моль/с соответственно. Каталаза инактивирует менее 1 % H₂O₂. Авторы подчеркивают, что каталаза вносит особенно низкий вклад в инактивацию H₂O₂, которая попадает в клетку из внеклеточного пространства. Основная ее ферментативная активность проявляется в пероксисомах. Усиление уровня генерации H₂O₂ сопровождается привлечением в окислительно-восстановительные реакции протеинов, содержащих две тиольные группы (протеин-(SH)2). В условиях быстрой генерации H₂O₂ скорость ее потока, в инактивации которого принимают участие дитиольные протеины, достигает 3,1 • 10–6 моль/с, что составляет примерно 23 % от общего объема нейтрализуемой перекиси водорода в клетке, в то время как вклад монотиольных протеинов составляет менее 1 % (табл. 1).

Интерпретируя полученные результаты, авторы считают, что большинство внутриклеточных протеинов реагируют с H₂O₂ сравнительно медленными темпами, и только некоторые протеины, способные образовывать дисульфидные связи, быстро вступают в реакцию с H₂O₂. Альтернативным объяснением данного результата кинетический модели является то, что во время оксидантного стресса тиоредоксины претерпевают более выраженное и устойчивое окисление по сравнению с глутатионом. 

Между различными механизмами антиоксидантной системы существуют достаточно сложные взаимоотношения. Так, антиоксидантная роль глутатионпероксидазы и пероксиредоксинов напрямую зависит от редукционной мощности своих партнеров по субстрату — глутатиона и тиоредоксинов [14].

Реакции окисления и восстановления — это реакции, которые характеризуются переходом электронов от одного атома/иона (восстановителя) к другому атому/иону (окислителю). Таким образом, окисление сопровождается потерей электронов, а восстановление — присоединением электронов. Наличие атомов, у которых в ходе реакции изменяется степень окисления, — характерный признак реакций окисления и восстановления. Окисление — процесс, в ходе которого восстановитель отдает электроны и переходит в сопряженную окисленную форму. Восстановление — процесс, при котором окислитель приобретает электроны и переходит в сопряженную восстановленную форму. При окислении степень окисления повышается, при восстановлении — понижается. Окислительно-восстановительную реакцию можно разделить на полуреакцию окисления и полуреакцию восстановления. Вещества, входящие в полуреакцию, образуют окислительно-восстановительную пару, или редокс-пару. То есть в любой окислительно-восстановительной реакции всегда принимают участие две пары, конкурирующие за электроны сопряженных окислителей и восстановителей. Один из компонентов этой пары (с высшей степенью окисления) называют окисленной формой, другой (с низшей степенью окисления) — восстановленной формой. Окисленная форма каждой окислительно-восстановительной пары является окислителем, восстановленная — восстановителем. Поэтому если реакция окисления и восстановления обратима, то в растворе всегда будут находиться в балансном положении две равновесные системы — окислительная и восстановительная. Состояние равновесия окислительно-восстановительной реакции характеризуется величиной окислительно-восстановительного потенциала — редокс-потенциала. Редокс-потенциал характеризует способность вещества присоединять или отдавать электроны и состоит из двух составляющих — окислительного потенциала и восстановительного потенциала сокращения: Еº = Eº_окис + Eº_{восстан}. Разница в потенциалах ЕЬ (ΔEh) между двумя парами является электродвижущей силой для переноса электрона (AG = n • F • ΔEh, где n — число электронов, F — константа Фарадея). Значение редокс-потенциала измеряют относительно какой-либо стандартной пары, в качестве которой принята пара при концентрации Н⁺-ионов, равной 1 моль/л, и давлении газообразного водорода, равном 1 атм. Это так называемый стандартный (нормальный) водородный электрод. Его потенциал условно принят за ноль. При 25 °С и концентрации окисленной и восстановленной форм 1 моль/л результатом измерения электродвижущей силы гальванического элемента является стандартный окислительно-восстановительный потенциал (Eº), который выражается в милливольтах. При нестандартных состояниях окислительно-восстановительный потенциал (Eh) рассчитывается по формуле Нернста: Eh = Eo + (RT/nF) • ln ([окисленная форма]/[редуцированная форма]), где R — газовая постоянная, Т — абсолютная температура по Кельвину, n — число электронов, участвующих в реакции, F — константа Фарадея. Положительный знак потенциала указывает на то, что окисленная форма измеряемой редокс-пары является более сильным окислителем, чем ион водорода. Отрицательный знак потенциала означает, что восстановленная форма данной редокс-пары является более сильным восстановителем, чем молекулы Н2. Чем выше его способность приобретать электроны, тем больше его положительное значение и тем эффективнее химическое вещество в качестве окислителя, а чем выше его способность отдавать электроны, тем больше его отрицательное значение и тем эффективнее химическое вещество в качестве восстановителя [1, 2]. 

Разные значения стандартного редокс-потенциала (Eº) различных молекулярных пар предопределяет существование иерархии окислителей, в связи с чем качество одного реагента — окислитель или восстановитель — зависит от взаимодействующего с ним другого реагента (табл. 2). Например, гидроксильный радикал (HO•) будет практически всегда являться окислителем, в то время как NO• или H₂O₂ могут функционировать как в качестве окислителей, так и восстановителей в зависимости от того, вступают они в реакцию с молекулами, обладающими более низкой или более высокой степенью окисления. Однако измерение всех связанных редокс-пар в клетках является нецелесообразным и, вероятно, невозможным [9].

В естественных условиях реальные значения редокс-потенциала пар раствора (Eh) отличаются от стандартного и зависят от температуры, активности окисленной и восстановленной форм, числа электронов, участвующих в полуреакции. Так, в условиях клетки значение Eh для НАДФН/НАДФ⁺ колеблется от –380 до –405 мВ, а для GSSG/GSH — от –200 до –260 мВ. Также в клетках уровень активности окислительно-восстановительных реакций характеризуется высокой степенью регионализации — состояние редокс-системы соответствует функциям определенных органелл. Показано, что компоненты редокс-системы с различной внутриклеточной локализацией отличаются редокс-потенциалом. Так, в митохондриях, которые являются наиболее активными в переносе электронов, такие компоненты редокс-системы, как TRX2 и GSH, поддерживают относительно высокое отрицательное значение Eh и более подвержены процессу окисления. Внутри-ядерно расположенные TRX1 и GSH характеризуются более низким отрицательным значением Eh и относительной устойчивостью к окислению, а у расположенных в эндоплазматическом ретикулуме, эндосомах и лизосомах значение Eh почти в два раза ниже, чем в ядре клетки (рис. 3) [12, 13].

Результаты исследований показывают, что тиол-дисульфидные редокс-компоненты в субклеточных и внеклеточных регионах находятся в неуравновешенном состоянии и организуют сети передачи электронов, которые имеют региональные отличия [10, 12]. Так, Young-Mi Go и соавт. [21] при исследовании электронного потока в пределах тиол-дисульфидной системы показали, что согласно окислительно-восстановительному градиенту фракционная редукция в цитоплазме клетки имеет следующую последовательность: НАДФ → TRXR1 → TRX1 → APEX1/Ref-1 → NF-κB (p50), в то время как в ядре клетки перенос электронов в звене TRX1 → APEX1/Ref-1 был заблокирован.

Окислительно-восстановительные сети тиолдисульфидных редокс-компонентов функционально специализированы, в частности глутатионовая и тиоредоксиновая системы отличаются схемами передачи электронов. Таким образом, H₂O₂ через окислительно-восстановительные сети тиол-ди-сульфидных редокс-компонентов регулирует жизнедеятельность клетки [12]. 

Тиольные группы цистеиновых остатков не только протеинов антиоксидантной системы являются высокочувствительными элементами к действию АКМ [17]. Цистеиновые остатки присутствуют в большом количестве протеинов млекопитающих и являются критически важными компонентами, определяющими функционирование данных белков. Тиольные группы цистеиновых остатков участвуют в клеточной сигнализации, активации транскрипции, выживаемости и апоптозе клеток. Окисление и другие химические модификации тиольных групп цистеиновых остатков предопределяют развитие и течение многих заболеваний [19]. Считают, что в клетке от 21 000 до 42 000 протеинов, содержащих тиольные группы, претерпевают обратимое окисление/восстановление каждую минуту, тем самым регулируя и координируя разнообразные функции клеток [12].

Dean P. Jones [12] постулировал, что 1) все биологические системы состоят из редокс-элементов, которые участвуют во внутриклеточной сигнализации и физиологической регуляции жизнедеятельности клетки; 2) сетевая организация и координация функционирования редокс-элементов происходят за счет окислительно-восстановительных реакций и зависят от общих контролирующих компонентов, таких как глутатион, тиоредоксины; 3) редокс-сенситивные элементы пространственно и кинетически изолированы, и для активации «закрытых» редокс-систем необходимы транслокация, агрегация элементов и/или участие каталитических механизмов; 4) оксидантный стресс является нарушением функции этих редокс-систем и индуцируется специфическими реакциями с редокс-сенситивными тиольными элементами, изменениями путей переноса электрона или нарушением работы управляющих механизмов. 

В развитии оксидантного стресса участвует множество генов, которые кодируют протеины, принимающие участие в продукции и нейтрализации АКМ, непосредственной регуляции экспрессии генераторов АКМ и антиоксидантов, функционировании внутриклеточных сигнальных каскадов, ассоциированных с окислительно-восстановительными реакциями, или ключевых генов в каскадах, вызванных окислительным стрессом. В настоящее время выделено 14 молекулярных путей, связанных с оксидантным стрессом (табл. 3) [6].

В связи с этим современные представления об оксидантном стрессе, развивающемся во время заболевания, претерпели радикальные изменения. Если раньше считали, что в основе оксидантного стресса лежит простой дисбаланс прооксидантов и антиоксидантов, то в настоящее время стало понятно, что оксидантный стресс обусловлен нарушениями функционирования некоторых нерадикальных окислительно-восстановительных механизмов и девиациями окислительно-восстановительных сигнальных путей [7, 11].

У экспериментальных мышей с нокаутным геном PRX₆ LPS-индуцированное воспаление сопровождается выраженным поражением легких [20]. Полагают, что PRX₆ играет центральную роль в восстановлении пероксидов в альвеолоцитах II типа и других эпителиальных клеток респираторного тракта. Кроме того, PRX₆ в органах дыхания эмулирует функционирование глутатионпероксидазы и ингибирует экспрессию ICAM-1/CD54 и VCAM-1, которые рекрутируют макрофаги в очаг поражения [8]. С другой стороны, PRX₆ участвует в активации НАДФH оксидазы 2 (NOX2) человеческих нейтрофилов, облегчая сборку NOX2-комплекса, который генерирует супероксид анион-радикал. По всей вероятности, данное действие PRX₆ представляет собой один из механизмов защиты респираторного тракта от инфекционных агентов [18]. Человеческие бронхиальные эпителиальные клетки (BEAS2B) с нокаутом гена PRX₆ также продуцируют провоспалительные цитокины (IL-1β) в достоверно сниженных объемах. Данные клетки высокорезистентны к апоптозу, индуцированному TNF-α, и чувствительны к апоптозу, индуцированному АКМ [15]. PRX₆ играет важную роль в деградации легочного сурфактанта и синтезе дипальмитоилфосфатидилхолина [4]. 

Повышенная экспрессия PRX₆ во время воспалительного процесса респираторного тракта, вызванного бактериальными инфекционными агентами, индуцирует активный хемотаксис лейкоцитов [16].

 

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии какого-либо конфликта интересов при подготовке данной статьи.