Оксидантный стресс при экспрессии гутамат-кальциевого каскада
Метаболизм арахидоновой кислоты сопряжен с образованием простагландинов , тромбоксанов , гидроксижирных кислот и гидропероксижирных кислот , лейкотриенов , липоперекисей и реактивных свободных радикалов , т.е. значительно интенсифицирует процессы свободнорадикального окисления (СРО) и перекисного окисления липидов (ПОЛ) . Резкое усиление окислительных процессов при недостаточности системы антиоксидантной защиты приводит к развитию оксидантного стресса, являющегося одним из универсальных механизмов повреждения тканей организма. Особая опасность развития оксидантного стресса в ЦНС определяется значительной интенсивностью окислительного метаболизма мозга, составляющего 2% от общей массы человека, но утилизирующего до 50% всего потребляемого кислорода. Интенсивность потребления кислорода нейронами в десятки раз превышает потребности других клеток и тканей (350-450 мкл О2/г в 1 мин по сравнению с 70-90 мкл для сердца , 1,6-2,4 мкл для скелетных мышц , 9-24 мкл для фагоцитирующих лейкоцитов ) ( Chan P.H. 1988 , Wolfe L.S. 1982 , Жданов Г.Г., Нечаев В.Н. 1989 , Завалишин И.А., Захарова М.Н. 1996 , Суашна З.А. 1991 , Packer L.L., Packer L. 1992 , Scheinberg P. 1991 ).
Дополнительными факторами развития оксидантного стресса в ткани мозга являются высокое содержание в ней липидов (около 50% сухого вещества), ненасыщенные связи которых являются субстратом для ПОЛ ; аскорбата (в 100 раз больше, чем в периферической крови), участвующего в качестве прооксиданта в неферментативных процессах ПОЛ . Активность ферментативных антиоксидантных систем ( каталазы , глутатион-пероксидазы ) в мозге значительно ниже, чем в других тканях, что еще больше повышает риск развития оксидантного стресса.
Свободный радикал представляет частицу молекулы с неспаренным электроном на одной из орбит. Кислородными радикалами (обладающими кислородом с неспаренным электроном) являются супероксид-анион и гидроксильный радикал .
В физиологических условиях кислородные радикалы вырабатываются во всех клетках как звено аэробного метаболизма. Полное восстановление молекулы кислорода до воды требует 4 электрона: во время переноса первого формируется супероксид-радикал, при переносе второго - перекись водорода , наиболее токсичный и реактивный гидроксил-радикал является результатом третьего переноса, а вследствие четвертого переноса образуется молекула воды. Акцепторами свободных радикалов в основном являются вещества с низкой молекулярной массой, расположенные в цитоплазме или на клеточных мембранах. В естественных условиях в качестве антиоксидантов действуют супероксиддисмутаза , глутатион , глутатион-пероксидаза , каталаза , церулоплазмин , витамин A , витамин Е , витамин С , витамин К , флавоноиды , кумарины .
При снижении мозгового кровотока и развитии церебральной ишемии основным источником интермедиатов О2 являются нарушенные процессы митохондриального окислительного фосфорилирования. Снижение поступления в нейроны молекулярного кислорода и повышение уровня восстановленности компонентов дыхательной цепи стимулируют восстановление кислорода по одноэлектронному пути с образованием свободных радикалов , а также оксидантов нерадикальной природы ( пероксида водорода и аниона гипохлорита ), поскольку О2 легко реагирует с промежуточными компонентами дыхательной цепи в восстановленном состоянии ( Boveris A., Chance B. 1973 , Chan P.K. 1999 ).
Основные интермедиаты кислорода (О2- - супероксид-радикал; НО- - пергидроксил-радикал; Н2О2 - перекись водорода; -ОН - гидроксил-радикал) образуются в последовательных реакциях Haber-Weiss ( Chan P.K. 1999 ).
Супероксиддисмутаза (СОД) катализирует 3-ю реакцию при физиологическом рН с очень быстрой и постоянной скоростью, образуя Н2О2 , которая потом распадается на Н2О и О2 с помощью каталазы , а в ткани мозга - с помощью глутатионпероксидазы за счет сниженного глутатиона (4-я реакция). Окисленный глутатион может вновь перейти в глутатион с помощью глутатион-редуктазы при наличии NADP .
Гидроксил-радикалы ( -ОН ) - особенно активные оксиданты, инициирующие ПОЛ , вызывающие окисление белков и повреждение ДНК клеток. Супероксид-радикалы ( О2- ) значительно менее реактивны, но имеют более длительную жизнь и могут образовывать -ОН в 5-й реакции Haber-Weiss, которая протекает только в присутствии ионов Fe2+ (Fenton реакция).
Другой путь образования гидроксил-радикалов представлен реакцией (6-й) между супероксид-анионом и радикалом оксида азота (NO-) , продуктом которой является пероксинитрит (ONOO-) . Эта реакция протекает с чрезвычайно высокой скоростью (6,7x109л/моль в 1 с) ( Beckman J.S., Beckman T.W. 1990 , Damon T.M., Dawson V.L. 1992 , Murphy S., Simmons M.L. 1993 ).
Помимо дыхательной митохондриальной цепи, свободнорадикальные интермедиаты О2 образуются в ферментативных реакциях, при аутоокислении моноаминов , синтезе простагландинов и лейкотриенов . В связи с тем что большинство этих реакций являются кальций-зависимыми, характерна их значительная активация на фоне ишемии, сопровождающейся увеличением концентрации внутриклеточных ионов Са2+ .
Высокореакционноспособные радикалы кислорода вызывают окисление биомакромолекул, а также инициируют цепные процессы перекисного окисления в мембранных липидах, прямое окислительное повреждение нуклеиновых кислот и белков ( Carney J.M. Starke-Reed P.E. 1991 , Evans P.V. 1993 , Higami Y., Shimokawa L. 1994 , Huang T.T., Carlson E.J. 1992 , Carney J.M., Carney A.M. 1994 , Halliwell B.L. Packer L. 1992 , Packer L.L., Packer L. 1992 , Yu K.-L, Yeo T.T. 1994 ).
Образующиеся в процессе ПОЛ гидроперекиси неустойчивы, их распад приводит к появлению разнообразных вторичных и конечных продуктов ПОЛ, представляющих собой высокотоксичные соединения (диеновые конъюгаты, шиффовы основания и др.), которые оказывают повреждающее действие на мембраны и клеточные структуры. Как следствие образуются сшивки биополимеров, определяются набухание митохондрий и разобщение окислительного фосфорилирования, инактивация тиоловых ферментов, участвующих в дыхании и гликолизе, дальнейшее разрушение липидной основы мембран ( Завалишин И.А., Захарова М.Н. 1996 ).
