Кислородные радикалы и повреждение генов

Даже жизненно необходимые молекулы кислорода - потенциальный источник повреждения ДНК. Остановимся подробнее на характеристике кислородзависящего процесса повреждения генома.

Прежде всего уточним термин "кислородзависящее повреждение". Для этого вспомним, что окисление органических молекул кислородом в клетках происходит путем катализируемого ферментами переноса электронов (отрываемых от окисляемых молекул) на молекулу О₂. Для полного восстановления молекулы О₂ до 2Н₂О необходимо присоединение к О₂ 4 электронов, так как каждый атом кислорода может присоединить 2 электрона. Однако ферменты переносят электроны на молекулы кислорода по одному. Поэтому в процессе биологического окисления образуются и полувосстановленные формы кислорода, обладающие большой реакционной способностью. Некоторые из таких молекул могут "ускользать" от ферментов, осуществляющих полное восстановление О₂.

Простейшая из таких форм - молекула кислорода, присоединившая 1 электрон и поэтому находящаяся в свободно-радикальном состоянии. Такой анион-радикал называют супероксидным радикалом и обозначают O₂. Например, процесс окисления гипоксантина в ксантин, катализируемый ксантиноксидазой, протекает через восстановление последней и ее реакцией с О₂, в результате чего и образуется O₂.

Известны и другие окислительные реакции (например, аутоокисление катехоламинов), в процессе которых образуется O₂. Такие радикалы участвуют даже в синтезе важных внутриклеточных метаболитов - простагландинов и в осуществлении макрофагами их фагоцитарной функции.

Вырабатывая большие количества O₂, макрофаги убивают поглощаемые ими микроорганизмы, защищая от них организм. Это свидетельствует о том, что минимальная концентрация O₂ является не только неизбежным следствием нормальной жизнедеятельности, но и условием ее поддержания. Но отсюда же видно, и сколь опасны для самой клетки супероксидные радикалы, если в процессе эволюции они были использованы как механизм разрушения других клеток (микробов). Поэтому был выработан и механизм самозащиты, клетки от "своих" радикалов. Его осуществляет фермент супероксиддисмутаза, обезвреживающая O₂.

Но в процессе реакции, катализируемой ею,

O₂ + O₂ + 2H⁺ → H₂O₂ + ¹O₂ (1)

образуются молекулы перекиси водорода и кислород в синглетном состоянии - также очень активная форма кислорода. Кроме того, в реакции между O₂ и Н₂О₂, катализируемой ионами железа, образуется химически еще более активная молекула - радикал ОН·.

Все активные формы кислорода: O₂, ^IО₂, ОН· и Н₂О₂ при взаимодействии со структурами клетки повреждают их. Это происходит вследствие переокисления липидов, инактивации белков или повреждения нуклеиновых кислот. Из всех таких реакций важнейшей является повреждение ДНК.

Такое предположение автором этой книги было сделано в 1970 году в другой книге "Молекулярные механизмы старения". Я вспоминаю об этом, потому что гипотезы относительно образования активных форм кислорода и их биологической роли были сформулированы на основании анализа молекулярных механизмов старения. И с начала же 70-х годов количество исследований биологической роли активных форм кислорода стало резко возрастать прежде всего в связи с открытием суперокисиддисмутазы. Существование такого фермента было ясным указанием на то, что супероксидные радикалы образуются в клетке, а их устранение с помощью этого фермента - один из внутриклеточных защитных механизмов.

К заключению о том, что радикал ОН· имеет биологическое значение, мы пришли также на основании анализа молекулярных механизмов летального действия на клетки ионизирующих излучений. Такой анализ показал, что около 50% "летальных радиационных ударов" обусловлено реакциями, инициируемыми ОН·. Но из данных радиобиологии также следовало, что летальный удар - это повреждение ДНК клетки. Таким образом, исходя из обоих заключений можно было вывести, что по крайней мере радикалы ОН·, индуцируемые излучением, поражают ДНК клетки. Наверное, и образуемые в процессе нормального метаболизма ОН· также представляют для генома реальную опасность. Правда, уж раз мы вспомнили о механизмах радиационного поражения и роли в этих механизмах ОН·, то отметим и то, что эта роль проявляется также и через реакции переокисления липидов с участием ОН·. Но перекиси липидов также повреждают генетический аппарат, и поскольку это один из основных потенциальных эндогенных генотоксических факторов, то по изменению с возрастом содержания их в тканях и сыворотке крови можно судить об изменении степени, так сказать, внутренней угрозы ДНК - при старении. Концентрацию перекисей липидов можно определить довольно простым методом - по реакции с тиобарбитуровой кислотой.

Масоко Хагихара и его сотрудники из института биохимии Нагойского университета обследовали с помощью такого метода две группы (по 60 человек) людей, одну из которых составляли мужчины и женщины моложе 40 лет, а другую - старше 40 лет. В сыворотке крови второй группы содержание перекисей липидов было на 12% больше, чем в сыворотке крови людей первой группы. Еще более значительным (на 20-25%) было повышение после 40 лет содержания перекисей липидов во фракциях липопротеидов низкой плотности.

А о роли активных форм кислорода в старении животных организмов свидетельствует недавно обнаруженный факт продления жизни дрозофил путем ограничения их летательной активности, а следовательно, и потребления кислорода. Группа исследователей из США (Р. С. Зохаль с соавторами, 1984) изучили также влияние физической активности дрозофил на активность в их тканях супероксиддисмутазы, катал азы, а также неорганических перекисей и глутатиона. Концентрации последних двух веществ у мух с высоким показателем летательной активности были выше, чем у дрозофил с низкой активностью.

Что касается количественной оценки повреждений ДНК, вызываемых различными эндогенными генотоксическими факторами, то сделать ее трудно из-за того, что их роль и в радиационном, и в спонтанном повреждении ДНК должна резко зависеть от типа клеток и их функционального состояния. Более того, генетический контроль процессов, с протеканием которых связано образование активных форм кислорода и других эндогенных генотоксических факторов, может нарушаться. Как следует из материала, изложенного выше, это должно приводить к увеличению нестабильности ДНК, частоты хромосомных абберраций и увеличению радиочувствительности.

Такая гипотеза была сформулирована и кратко обоснована в статье автора этой книги, опубликованной в 1979 году в журнале "Успехи современной биологии". Практически в ней было предсказано, что существуют генетические заболевания, для которых характерны названные симптомы и в основе которых лежит увеличение количества активных форм кислорода, приводящее к увеличению спонтанной нестабильности ДНК. В последнее время получено доказательство, что такие заболевания действительно встречаются, хотя, к счастью, и редко.

В клетках, вероятно, существует равновесие между активностью супероксиддисмутазы и образованием активных форм кислорода. При старении это соотношение может измениться вследствие не только увеличения продукции супероксида, но и уменьшения активности супероксиддисмутазы, что действительно наблюдается, по крайней мере в некоторых органах.