Экология/1.Состояние биосферы и его влияние на здоровье человека

К.б.н. Масалимов Ж.К., Дарибай А.О.

«Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева»; Казахстан

Активные формы кислорода - генотоксические факторы биосферы

Одним из наиболее значимых генотоксических факторов окружающей среды, действующих на биологические молекулы, являются активные формы кислорода (АФК). Активные формы кислорода (перекись водорода, синглетный кислород, супероксид анион радикал, гидроксильный радикал и др.) возникают при воздействиях ионизирующей радиации, под действием множества различных химических мутагенов и канцерогенов (ксенобиотики, токсины, красители, лекарственные препараты и др.), а также в результате естественного (многочисленные ферментативные реакции, дыхательная цепь митохондрий, аутоокисление внутриклеточных метаболитов и др.) и, в особенности, нарушенного аэробного клеточного метаболизма.

Активные формы кислорода - это соединения, которые являются сильными окислителями или крайне реакционноспособными свободными радикалами. Они содержат неспаренные электроны и потому отличаются чрезвычайно высокой реакционной способностью, несмотря на короткий период жизни в растворе. За очень короткий период они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с растворенным субстратом. Однако не все АФК являются свободными радикалами (перекись водорода, синглетный кислород) и не все кислородсодержащие радикалы относятся к АФК (NO^·). В настоящее время для объединения широкого класса кислородсодержащих соединений радикальной и нерадикальной природы был предложен термин «активированные кислородные метаболиты» (АКМ) [1] к которым относят: супероксидный анион - радикал (), гидроперекисный радикал (НО₂^·), перекись водорода (Н₂О₂), гидроксильный радикал (ОН^·), синглетный кислород (¹О₂), окись азота (NO^·), алкоксильные (RO^·) и перекисные (RO₂^·) радикалы, гипогалоиды (HOCl, HOBr, HOI). В монографии Зенкова Н.К. и соавт. “Окислительный стресс” приводится краткое описание истории возникновения и развития свободнорадикальной биологии [2]. Считается, что свободнорадикальная биология имеет две линии зарождения: первая линия идет от Лавуазье, а вторая от Гомберга, хотя точных исторических корней свободнорадикальная биология не имеет [2]. Впервые реакционная способность кислородных радикалов была выявлена Фентоном в 1894 году. Он показал, что окислительная способность перекиси водорода значительно возрастает в присутствии сульфата железа. Габер и Вейс показали, что высокая реакционность раствора перекиси водорода и сульфата железа обусловлена образованием гидроксильных радикалов. Михаэлис утверждал, что абсолютное большинство химических реакции протекает через участие свободных радикалов. Гершман и др. впервые предположили, что токсическое действие кислорода и радиоактивное облучение имеют общий биологический механизм, который обусловлен образованием свободнорадикальных молекул [2]. После создания атомного оружия исследования, проведенные в 50-60-х годах показали, что биологическое действие ионизирующего излучения в значительной степени реализуется через образование различных радикалов обусловленных радиолизом молекул воды [3-4]. Тарусов выдвинул концепцию свободнорадикальной патологии [5]. Однако, только с 1969г., когда была открыта энзиматическая функция супероксиддисмутазы (СОД) начинается современная эра исследования биологической роли АФК. Так, с помощью СОД, а впоследствии и других агентов, стало возможным выяснение роли АФК в биологических объектах и их использование в качестве инструментов для идентификации молекул АФК и доказательства их участия в реакции. Как известно, АФК образуются под воздействием экзогенных и эндогенных факторов. К экзогенным факторам относят действие как физических факторов, таких как ионизирующая радиация, так и действие химических веществ. В норме, активные формы кислорода вырабатываются в организме при аутоокислении катехоламинов, флавинов, хинонов и тиолов, при окислении гемоглобина и миоглобина, в процессе синтеза простангландинов, лейкотриенов и тромбоксанов, в результате респираторного взрыва фагоцитирующих клеток, при восстановлении кислорода в дыхательной цепи митохондрии, а также при окислении ксенобиотиков и эндогенных субстратов в митохондриальной цепи транспорта электронов [1]. Располагая большим количеством энергии, АФК легко могут привести к разрыву химических связей в жизненно важных макромолекулах. В нормальной клетке избыток активных форм кислорода устраняется многоступенчатой системой антиоксидантной защиты.

Повышенная генерация АФК приводит к окислительным повреждениям белков, липидов, нуклеиновых кислот и других биологических молекул. Одной из наиболее чувствительных и биологически важных мишеней при повреждении ДНК активными формами кислорода является гуанин, а продуктом повреждения 8-ОГ. 8-ОГ в настоящее время считается одним из основных биомаркеров окислительного повреждения ДНК. Доказана связь между образованием 8-ОГ и такими процессами как мутагенез [6,7]. Известно, что 8-оксогуанин обладает способностью образовывать ошибочные пары (miscoding) как с цитозином (как немодифицированный гуанин) так и с аденином. Что в свою очередь ведет к мутационным трансверсиям типа Г:Ц ® A:T.

Повышенное содержание 8-оксогуанина в ДНК или биологических жидкостях, таких как сыворотка крови и моча, является биологическим маркером физиологического неблагополучия организма. Поэтому исследование механизмов образования 8-ОГ в ДНК при различных воздействиях необходимо для более глубокого понимания процессов мутагенеза, канцерогенеза, старения и ряда заболеваний, сопровождающих старение.

Литература:

1. Меньщикова Е.Б., Зенков Н.К., Шергин С.М. Биохимия окислительного стресса. Оксиданты и антиоксиданты. // 1994. Новосибирск. 203 с.

2. Зенков Н.К., Ланкин В.З., Меньщикова Е.Б. Окислительный стресс: Биохимический и патофизиологический аспекты. // М.: МАИК “Наука/Интерпериодика” 2001. 343 с.

3. Ярмоненко С.П. Радиобиология человека и животных. // Москва.: “Высшая школа’’ 1988. 424 с.

4. Пикаев А.К. Современная радиационная химия. Радиолиз газов и жидкостей. // М., Наука. 1986. 439 С.

5. Тарусов Б.Н. Физико-химические механизмы биологического действия ионизирующих излучений // Успехи современ. биологии 1957. Т. 44(2). С. 171-185.

6. Брусков В.И., Юров С.С., Чернов Б.К. и Безлепкин В.Г. Мутагенное действие на бактерии Escherichia coli 8-окси-2’-дезоксигуанозина – продукта повреждения оснований ДНК под влиянием кислородных радикалов и ионизирующего излучения. // Генетика. 1992. Т. 28.(7). С. 46-53.

7. Moriya M. and Grollman A.P. Mutations in the mutY gene of Escherichia coli enhance the frequency of targeted G:C®T:A transversions induced by a single 8-oxoguanine residue in single-stranded DNA. // Mol Gen Genet. 1993. Vol. 239(1-2). P. 72-76.