Пути образования синглетного кислорода в биосистемах

¹О₂ – чрезвычайно активный интермедиат ³О₂, он в 1500 раз активнее взаимодействует с мембранными липидами, чем ³О₂. В биосистемах синглетный кислород образуется, главным образом, как побочный продукт и только у грибов рода Cercospora найден специальный механизм генерации ¹О₂ как защитная реакция от микроорганизмов, простейших, вирусов и других агрессивных агентов. Основными путями генерации ¹О₂ в биосистемах являются следующие:

1. Гомолитический распад богатых энергией кислородсодержащих соединений, например, гидроперекисей липидов

LOOH → LO^. + OH^. + ¹О₂

2. Реакции фотосенсибилизации, где в качестве сенсибилизаторов выступают пигменты и красители (гематопорфирин, флавины, хлорофиллы, эозин, метиленовый синий и др.)

Т_к ^* + ³О₂ → Т_к + ¹О₂, где

Т_к ^* - возбужденное триплетное состояние красителя.

Важный путь образования ¹О₂ – фотодинамические реакции с участием пигментов сенсибилизаторов. Токсичность пигментов и красителей, которая появляется на свету и в присутствии кислорода, называется фотодинамическим действием. Данный эффект был открыт Оскаром Раабом, студентом профессора Херманна фон Таппайнера в Мюнхенском Фармакологическом институте в 1888 г. Суть открытия Рааба состояла в том, что, когда интенсивность света в поле микроскопа была достаточно большой, окрашенные акридином или другими флуоресцирующими красителями клетки парамеции прекращают движение и погибают, причем спектр действия этого эффекта соответствует спектрам поглощения красителей.

Поглощая квант света, пигмент-фотосенсибилизатор (Р) переходит в синглетное (¹Р) и затем в триплетное (³Р) возбужденные состояния, которые, сталкиваясь с кислородом, передают на него свою энергию, образуя ¹О₂.

р + hv → ¹р^* → ³р^*,

¯ О₂ ¯ О₂

¹О₂ ³О₂

3. Спонтанная дисмутация О₂ ^. (в отсутствие СОД)

О₂ ^. + О₂ ^._ → ¹О₂ + Н₂О₂

4. Взаимодействие гипохлорит-ионов с Н₂О₂

Н₂О₂ + OCl^- → ¹О₂ + Cl^- + Н₂О

5. Расщепление перекиси водорода каталазой, при этом 0, 5 % образующегося кислорода может быть в синглетной форме

2 Н₂О₂ → 2 Н₂О + О₂ (0, 5 % → ¹О₂)

6. Реакция Габера-Вейса

Н₂О₂ + О₂ ^. → ¹О₂ + OH^. + OH^-

7. Взаимодействие гидроксильных радикалов с супероксидными анион-радикалами

_Н+

О₂ ^. + ОН^. → ¹О₂ + Н₂О

8. Реакции фотосенсибилизации с участием церкоспорина, токсина патогенных грибов рода Cercospora, которые вызывают повреждение и гибель клеток растения в результате образования ¹О₂.

После этого патоген способен колонизировать растение. Интересно, что обработка церкоспорином, который является хромопротеидом, растений имитирует симптомы заболевания, вызываемого этими грибами.

Химические реакции ¹О₂.

¹О₂ обладает высокой химической активностью и участвует в реакциях двух типов:

1. Синглетный кислород взаимодействует с соединениями, имеющими двойную связь, с образованием диоксиэтанов, которые в дальнейшем могут переходить в гидроперекиси.

O¾ O

| |

R₁¾ CH=CH¾ R₂ + ¹O=O → R₁¾ CH¾ CH¾ R₂ → R₁¾ CH¾ CH¾ R₂

диоксиэтан гидроперекись

Это свойство ¹О₂ особенно важно для инициирования перекисного окисления ненасыщенных липидов в биомембранах. Д.И.Рощупкин и соавт. показали, что при УФ-облучении полиненасыщенных жирных кислот в присутствии сенсибилизаторов и кислорода происходит образование гидроперекисей липидов, что в последующем приводит к развитию реакций цепного окисления вследствие свободнорадикального разложения гидроперекисей.

¹О₂ способен эффективно окислять холестерин с образованием гидроперекиси холестерина, а также аминокислоты гистидин и триптофан.

2. Альтернативной химической реакцией ¹О₂ является его «тушение», т.е. переход в основное, триплетное, состояние.

Тушение ¹О₂ может происходить путем безызлучательного переноса энергии на молекулу акцептора. Одним из самых эффективных тушителей в клетке является b-каротин, одна молекула которого способна тушить 1000 молекул ¹О₂ (константа скорости тушения равна 3^. 10¹⁰ М^-1с^-1). Но основным тушителем ¹О₂ в клетке является вода.

Так время жизни ¹ g в Н₂О составляет 2 мкс, в Д₂О – 20 мкс, а в органических растворителях значительно больше и для CCl₄ составляет 700 мкс. Предполагается два механизма тушения:

- физическое тушение, является преобладающим способом размена энергии ¹О₂

¹О₂ + b-каротин → ¹О₂ + ³ b-каротин + Q

Наиболее полно защитное действие каротиноидных пигментов показано при действии света на мутанты, лишенные каротиноидов, которые гораздо чувствительнее к действию света. В этом случае эндогенными сенсибилизаторами являются молекулы хлорофилла или бактериохлорофилла. Эффективность защиты каротиноидами in vivo связана с числом конъюгированных двойных связей в их молекуле. При этом число двойных связей должно быть ³ 9.

Другим важным тушителем ¹О₂ является α -токоферол, который эффективно взаимодействует с ¹О₂, но в 50 раз слабее, чем каротин;

- химическое ацетилирование ¹О₂, первичными продуктами окисления являются эндоперекиси токоферола, затем превращающиеся в эпоксикетоны. Полагают, что биологическая роль α -токоферола заключается в дезактивации синглетного кислорода и защите легкоокисляемых липидных компонентов биомембран. Интересно, что активность α -, b-, g- и d-токоферолов в отношении тушения синглетного кислорода коррелирует с их Е-витаминной активностью.

В отсутствие тушителя самопроизвольный переход ¹О₂ в основное состояние сопровождается люминесценцией. Синглетный кислород переходит в основное состояние с испусканием кванта света в инфракрасной области спектра (l_люм. – 1270 нм). Кроме того, молекулы синглетного кислорода могут образовывать возбужденные димеры (эксимеры) кислорода, которые переходят в основное состояние с испусканием видимого света (l_люм-635, 580, 535 нм).

¹О₂ + ¹О₂ → [(¹О₂)]^* (эксимер кислорода)

[(¹О₂)]^* → 2О₂ + hn₃

Биологическое значение ¹О₂

В естественных условиях фотодинамическое действие является причиной многообразных биологических эффектов. Известны фотодинамические болезни человека и животных. Так, например, вызванные солнцем поражения кожи домашних животных, связанное с потреблением в пищу зверобоя (Hipericum). Это заболевание, названное гиперицизмом, возникает благодаря накоплению в крови пигмента зверобоя – гиперицина. Травоядные животные избегают это растение, т.к. после поедания листьев этот пигмент попадает в кровь, что приводит к образованию ¹О₂ на свету и образованию эритем. Аналогичное заболевание – фагопиризм – возникает при избыточном потреблении гречихи (Fagopirum), благодаря накоплению фагопирина – пигмента, близкого по химической структуре к гиперицину.

Генетические нарушения или нарушения пищеварения могут вызвать фотодинамические поражения, вследствие повышенной генерации ¹О₂ за счет развития порфирий. Порфирии – клинические расстройства, характеризующиеся нарушениями в синтезе гема и сопровождающиеся появлением необычно большого количества порфиринов в моче.

Известно два класса наследственных порфирий:

- эритропоэтические порфирии (редко встречаются), наблюдается необычно большое количество порфиринов (в 10-100 раз выше, чем в норме) в нормобластах и эритроцитах. При освещении клеток УФ-светом наблюдается красная флуоресценция. На ранней стадии заболевания обнаруживается повышенная фоточувствительность кожи.

- эритропоэтическая протопорфирия (аутосомно-доминантное наследование) – наиболее распространенная форма. Чрезмерно высокое количество протопорфирина IX накапливается в нормобластах и эритроцитах, коже, тканях, выделяется с мочой. У больных повышена чувствительность кожи к УФ-лучам, проявляется в детстве. Фоточувствительность кожи приводит к появлению эритемы, пузырей, некрозов. Эритроциты больных подвергаются фотогемолизу вследствие усиления ПОЛ, индуцированного ¹О₂. Антиоксиданты b-каротин и α -токоферол защищают от фотоэритемы.

Фотодинамическое действие играет важную роль также в естественных пигментных системах. Эффективным генератором синглетного кислорода является важнейший пигмент фотосинтеза – хлорофилл, фотодинамическое окисление которого приводит к фотоингибированию фотосинтеза, а при более высоких интенсивностях света – к повреждению фотосинтетических мембран.

С генерацией ¹О₂ связано действие, так называемых лазерных гербицидов, являющихся предшественниками синтеза хлорофилла. Так, обработка d-аминолевулиновой кислотой усиливает синтез тетрапирролов (в частности, протопорфирина), которые являются мощным фотосенсибилизаторами и на свету вызывают гибель растений.

В зрительных фоторецепторах наблюдается фотоповреждение сетчатки и хрусталика. В сетчатке роль фотосенсибилизатора выполняют молекулы ретиналя, которые отделились от молекулы родопсина в результате зрительного каскада. В хрусталике фотосенсибилизаторами могут служить N-формил кинуренин и ксантуреновая кислота, образующиеся при повреждении белков-кристаллинов, которое усиливается при старении.

В последние годы появилась новая медицинская технология – фотодинамическая терапия опухолей, основанная на селективном воздействии лазерного излучения на опухолевые ткани, сенсибилизированные красителем. В этом методе лечения используются три компонента:

- фотосенсибилизатор, который накапливается в опухоли и задерживается в ней дольше, чем в нормальных тканях;

- свет с длиной волны в полосе поглощения фотосенсибилизатора;

- молекулярный кислород, присутствующий во всех тканях и органах.

При локальном облучении опухоли светом определенной длины волны, соответствующей пику поглощения фотосенсибилизатора, в ней начинается фотохимическая реакция с образованием синглетного кислорода и свободнорадикальных продуктов, оказывающих токсическое воздействие на опухолевые клетки. Опухоль резорбируется и постепенно замещается нормальной тканью.