Кислород в живой клетке : добро и зло.
В. П. СКУЛАЧЕВ
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

ВВЕДЕНИЕ
Кислород играет ключевую роль в энергетике большинства живых существ. Он служит окислителем питательных веществ при дыхании животных, растений, грибов и бактерий. Без кислорода обходятся лишь сравнительно немногочисленные виды, обитающие в бескислородных (анаэробных) условиях и покрывающие свои энергетические потребности за счет брожения.
Очевидно преимущество кислородного (аэробного) типа энергетики перед анаэробиозом. Количество энергии, выделяющейся при окислении данного питательного вещества кислородом, в несколько раз превышает энергию, выделяющуюся при его окислении, например, пировиноградной кислотой, используемой в качестве окислителя при таком распространенном типе брожения, как гликолиз. Такие соотношения обусловлены различиями в окислительно-восстановительных потенциалах пары "кислород/вода" (+ 0,82 В) и "пировиноградная кислота/молочная кислота" (- 0,19 В). Если учесть, что потенциалы основных субстратов дыхания и брожения больше или равны - 0,7 В, то максимальные разности потенциалов окислителя и восстановителя для дыхания будут составлять 0,7 В + 0,82 В = = 1,52 В и для гликолиза 0,7 В - 0,19 В = 0,51 В.
Однако высокая окислительная способность кислорода, необходимая для его функционирования в дыхательной системе, из добра превращается в зло, если принять во внимание возможность "паразитных" химических реакций окисления кислородом различных веществ живой клетки. Эти самопроизвольные, неферментативные реакции всегда начинаются с одноэлектронного восстановления молекулярного кислорода, давая его анион-радикал, или супероксид (O2-). Окислительно-восстановительный потенциал пары О2 / O2- расположен в отрицательной области (около - 0,2 В), а кинетические барьеры реакций одноэлектронного восстановления О2 веществами клетки достаточно высоки. Поэтому само по себе образование в клетке - процесс медленный, хотя и довольно опасный, так как окисляются не специально выбранные для этой цели субстраты дыхания, а любые вещества с подходящим потенциалом. Однако гораздо страшнее, что может служить (в реакции дисмутации) источником перекиси водорода, которая, в свою очередь, восстанавливаясь, дает гидроксид-радикал ОН:
(1) O2 +e -> O2- -> H2O2 -> ОН.
Потенциал системы (ОН + Н +)/ Н2О около + 1,35 В, а реакционная способность ОН чрезвычайно высока. Вот почему ОН способен окислить с высокой скоростью практически любое вещество клетки, включая ДНК, со всеми вытекающими отсюда последствиями, которые зачастую оказываются необратимыми.

КАК СВЕСТИ К МИНИМУМУ ВРЕД ОТ ОБРАЗОВАНИЯ СУПЕРОКСИДА
О2 - небольшая нейтральная молекула, предпочитающая гидрофобную фазу клетки гидрофильной (в системе жир/вода кислорода примерно в 10 раз больше в жире). Поэтому биологические мембраны, сделанные из жироподобных веществ - фосфолипидов и гидрофобных белков, не представляют преграды для проникновения О2 , то есть мембраной от кислорода защититься нельзя. Более того, клетка, окруженная мембраной, становится ловушкой для , который, в отличие от О2 , заряжен, а стало быть, окружен молекулами связанной воды (гидратирован) и не может пройти сквозь гидрофобный мембранный барьер. Вероятно, по этой причине все аэробные клетки располагают специальным ферментом - супероксиддисмутазой, ускоряющей превращение в нейтральную Н2О2 , способную выйти из клетки. Если речь идет об одноклеточных существах, то вышедшая из клетки Н2О2 разбавляется в океане внешней среды и тем самым становится безопасной.
Однако превращение в Н2О2 - обоюдоострое оружие. Напомним, что именно Н2О2 служит непосредственным предшественником радикала ОН, наиболее опасного из продуктов реакции, развязанной одноэлектронным восстановлением кислорода. Чтобы уменьшить такую опасность, клетки используют каталазу и пероксидазы. Каталаза расщепляет Н2О2 на Н2О и О2 , а пероксидазы окисляют перекисью водорода специально выбранные для этой цели субстраты, такие, как, например, глютатион. Кроме того, существует целая группа веществ - антиоксидантов, реагирующих без участия ферментов с продуктами одноэлектронного восстановления кислорода и другими радикалами. Некоторые из них (витамин Е, витамин А и другие каротиноиды) локализованы в мембранах и встречают эти продукты прямо там, где они образуются (см. ниже). Другие (витамин С, карнозин, ансерин) находятся в цитозоле. Механизм действия всех этих низкомолекулярных веществ состоит в том, что они подставляют себя под удар реактивных производных кислорода (O2-, Н2О2 , ОН и т.п.) и, окисляясь, прерывают опасную для клетки цепь реакций. Однако всем этим механизмам присущ один недостаток: они не предотвращают зло (образование ), а лишь борются с его последствиями.

ЛУЧШЕ, ЧТОБЫ КИСЛОРОДА В КЛЕТКЕ БЫЛО НЕ СЛИШКОМ МНОГО
Снижение внутриклеточной концентрации кислорода является более кардинальным решением проблемы "кислородной опасности". Хорошо известно, что фермент цитохромоксидаза и другие конечные оксидазы запасающих энергию дыхательных цепей имеют чрезвычайно высокое сродство к кислороду (полумаксимальная скорость наблюдается при концентрации О2 менее 1 Ч 10- 6 М). В то же время "паразитные" процессы образования представляют собой по существу неферментативные химические реакции, протекающие без специфического связывания О2 . Вот почему скорость "паразитных" реакций линейно снижается с уменьшением концентрации кислорода в широком ее диапазоне (рис. 1). На рис. 1 выделены три области концентраций кислорода. Область А: кислорода слишком мало, чтобы насытить оксидазу (ниже 5 Ч 10- 7 М). Область В : оксидаза уже насыщена кислородом, но его еще недостаточно для обеспечения заметной скорости образования . Область С : концентрация О2 достаточно высока, чтобы начали накапливаться продукты одноэлектронного восстановления кислорода. Совершенно очевидно, что область В оптимальна для аэробной жизни. Природа использует несколько способов, позволяющих находиться в области В, а не А или С.
У подвижных бактерий эта цель достигается взаимодействием двух антагонистических систем направленного движения клеток (таксиса). Одна из них обусловливает отпугивающее (репеллентное) действие высоких концентраций О2 , что опосредовано специфическим рецептором кислорода с низким сродством к О2 . У бактерии Salmonella thyphimurium полумаксимальный репеллентный эффект наблюдается при уровне О2 , равном 1 Ч 10- 3 М. Что касается эффекта О2 как привлекающего вещества (аттрактанта), здесь участвует совсем другой, гораздо более чувствительный сенсор О2 (полумаксимальный эффект при 7 Ч 10- 7 М кислорода). В результате бактерии собираются в области В, поскольку их проникновение из В в С и А вызывает репеллентный эффект.

Рис. 1. Ферментативное (четырехэлектронное) и неферментативное (одноэлектронное) восстановление О2 как функция от концентрации кислорода [О2 ]. Концентрация О2 , обеспечивающая полумаксимальную скорость ферментативного восстановления (О2 Н2О), принята равной 3 Ч 10- 7 М. Принято также, что скорость неферментативного восстановления (О2 ) линейно повышается с ростом концентрации О2 . Скорость поглощения О2 при уровне О2 , соответствующем атмосферному давлению кислорода (0,22 М), принята за 100%. При этом следует помнить, что абсолютная скорость поглощения О2 , взятая за 100% для реакции О2 Н2О, примерно на два порядка больше, чем для реакции О2 .

У животных снижение вентиляции легких и сужение кровеносных сосудов при переходе от состояния активности к покою можно рассматривать как физиологический ответ, предотвращающий нежелательное повышение уровня О2 в состоянии покоя. Дело в том, что дыхание в клетках животного обычно протекает таким образом, что освобождающаяся энергия накапливается в виде "конвертируемой энергетической валюты клетки" - АТФ. Иными словами, дыхание сопряжено с синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата:
(2) O2 + AH2 + АДФ + H3PO4 ->H2O + A + АТФ,
где АН2 и А - субстрат и продукт окисления.
Образующийся АТФ расщепляется затем каким-либо ферментом, производящим тот или иной вид полезной работы (например, сократительным белком мышц актомиозином):
(3) АТФ -> АДФ + H3PO4 + работа.
В состоянии покоя реакция (3) замедляется, концентрации АДФ и фосфата падают и, как следствие, тормозится потребление О2 в реакции (2). Чтобы предотвратить повышение уровня О2 в клетках, сужаются капилляры и замедляется доставка О2 . Однако такого рода макроскопические механизмы имеют весьма существенное ограничение. Так, сужение капилляра должно привести к появлению в ткани кислородного градиента: концентрация О2 будет понижаться по мере удаления от капилляра. В результате клетки, расположенные вблизи капилляра, будут по-прежнему насыщены кислородом, а удаленные от него попадут в анаэробные условия. Чтобы избежать такой неблагоприятной ситуации, было бы желательно дополнить упомянутые выше надклеточные физиологические механизмы какими-то внутриклеточными, биохимическими. Одним из них может быть ослабление сопряженности между дыханием и синтезом АТФ в условиях покоя.

КАК ДЫХАНИЕ ОБРАЗУЕТ АТФ
Механизм сопряжения дыхания и фосфорилирования АДФ неорганическим фосфатом в клетках животных, растений, грибов и большинства бактерий показан на рис. 2. Энергия дыхания сначала используется для перекачки сквозь мембрану ионов Н +. При этом ионы Н + переносятся как бы "в гору" - в сторону большей их концентрации (при этом создается разность химических потенциалов ионов Н +) и против электрических сил, то есть от минуса к плюсу (создается разность электрических потенциалов). Этот процесс катализируется дыхательными ферментами. Другой фермент, встроенный в ту же мембрану, а именно протонная АТФ-синтаза, разрешает ионам Н + вернуться назад, "под гору", но при обязательном условии, что это возвращение приведет к синтезу АТФ. Таким образом, последовательность событий может быть описана уравнением
(4) Дыхание -> дельта-мю-H+   -> АТФ
где дельта-мю-H+ - разность электрохимических потенциалов ионов Н + на мембране митохондрий или бактерий.

Рис. 2. Механизм сопряжения дыхания и фосфорилирования АДФ. Штриховой стрелкой показана утечка ионов Н +.

В состоянии покоя, когда протекание АТФ-синтазной реакции тормозится из-за нехватки АДФ, дыхание должно прекратиться, поскольку образуемая дельта-мю-H+, которая уже не потребляется Н + - АТФ-синтазным механизмом, возрастает до таких величин, когда дальнейший перенос Н + "в гору" оказывается термодинамически невозможным. Это происходит потому, что выигрыш в энергии от окисления субстратов кислородом становится меньшим, чем проигрыш в энергии от переноса Н + в более кислый и заряженный положительно отсек (на рис. 2 - вверх).

В ЧЕМ ОПАСНОСТЬ ТОРМОЖЕНИЯ ДЫХАНИЯ ПРИ ИСЧЕРПАНИИ АДФ
Торможение дыхания митохондрий при исчерпании АДФ имеет очевидный положительный смысл, поскольку происходит экономия питательных веществ в условиях покоя. Однако здесь не обходится без "ложки дегтя". Дело в том, что торможение дыхания при росте сопровождается тремя событиями, резко повышающими вероятность "паразитного" одноэлектронного восстановления О2 .
1. Из-за снижения скорости потребления кислорода растет его концентрация, сдвигаясь из области В в область С (см. рис. 1).
2. По той же причине возрастает степень восстановления флавинов, кофермента Q (CoQ) и негемовых железопротеинов, то есть основных мишеней для "паразитных" реакций с О2 .
3. Пожалуй, еще большее значение может иметь тот факт, что не только возрастает количество восстановителей кислорода, но и меняется их качество. Здесь я имею в виду прежде всего CoQ. Показано, что в состоянии активного дыхания восстановленной формой этого компонента служит CoQH2 . Что касается убисемихинона (Co), он играет роль мобильного короткоживущего промежуточного соединения (интермедиата), пока не слишком велика. При увеличении количество Co возрастает экспоненциально. CoQ - весьма реакционноспособное подвижное соединение. Окислительно-восстановительный потенциал пары CoQ / Co, как и потенциал О2 / , сдвинут в отрицательную область. Этим CoQ отличается от CoQH2 . Co чрезвычайно активен как одноэлектронный восстановитель О2 .

Далее...