Кислород. Молекула, изменившая мир: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Триумвират в составе железа (или меди), витамина С и кислорода является важнейшим элементом практически любого физиологического механизма с участием витамина C. Как минимум восемь ферментов используют витамин C в качестве кофактора, и все эти ферменты содержат железо или медь. Все они присоединяют кислород к аминокислотам с помощью железа или меди, и все используют витамин С для регенерации железа или меди в активной форме. По сути та же самая реакция обеспечивает всасывание железа в кишечнике. В этом случае витамин C передает электрон окисленному железу, переводя его в растворимую форму, которая может всасываться.

Почему витамин С так активно используется в качестве донора электронов? По двум причинам. Во-первых, витамин C очень хорошо растворяется в воде, поэтому он может концентрироваться в замкнутом пространстве, ограниченном мембранами (состоящими из непроницаемых для витамина липидов). Например, синтез норадреналина из дофамина происходит в окруженных мембранами везикулах в клетках коры надпочечников. Концентрация витамина С в везикулах может в 100 раз превышать его концентрацию в плазме крови. По мере расходования витамина С ферментом дофамин-монооксигеназой электроны проходят через мембрану (с помощью железосодержащего белка цитохрома b6s), чтобы регенерировать витамин С в везикулах. Таким образом, на протяжении дней или недель клетки используют запасенный витамин С и не зависят от колебаний его концентрации в плазме, вызванных изменениями рациона питания.

Вторая причина широкого использования витамина в качестве донора электронов заключается в том, что продукт реакции сравнительно стабилен и неактивен. Когда витамин С отдает электрон, он превращается в радикал аскорбиновой кислоты. По сравнению с другими радикалами он не очень активен. Его структура стабилизируется за счет делокализации электрона — того самого эффекта резонанса, изучением которого в конце 1920-х гг. занимался Лайнус Полинг. Это означает, что путем передачи электрона витамин С может блокировать цепные свободнорадикальные реакции, поскольку радикал аскорбиновой кислоты не участвует в цепных реакциях.

Несмотря на низкую реакционную способность, радикал аскорбиновой кислоты обычно отдает и второй электрон, превращаясь в дегидроаскорбат. Эта молекула неустойчива, и ее необходимо быстро «связать», иначе она подвергается спонтанному и необратимому распаду и выводится из организма. Именно по этой причине человеку требуется постоянно пополнять запасы витамина С, хотя, в принципе, организм умеет ограничивать потери витамина путем рецикла дегидроаскорбата. Есть несколько ферментов, которые связывают дегидроаскорбат и регенерируют витамин С. Обычно эти ферменты отбирают два электрона у маленького пептида глутатиона и переносят их на дегидроаскорбат. Поскольку в этом процессе происходит перенос пары электронов, регенерация витамина С не сопровождается образованием свободных радикалов.

Таким образом, «подбрасывание монетки» в случае витамина С сводится к передаче одного электрона (или двух с превращением в дегидроаскорбат). Регенерация из дегидроаскорбата происходит за счет приема пары электронов от глутатиона. Этот цикл объясняет функцию витамина не только в качестве кофактора, но и в качестве антиоксиданта. Но хотя витамин С предпочитает отдавать электроны железу или меди, другие молекулы, желающие пpиобрести один электрон, тоже могут забрать его у витамина С. К числу таких молекул относятся многочисленные свoбодные радикалы (кoторые по определению содержат один распаренный электрон; см. главу 6).

Когда в реакцию вступает свободный радикал, он обычно отнимает электрон у другого реагирующего вещества и превращает его в радикал. Тот, в свою очередь, отнимает электрон у соседней молекулы. Цепная реакция продолжается до тех пор, пока два свободных радикала не прореагируют между собой, нейтрализуя друг друга, или пока не образуется малоактивный свободный радикал. Витамин С «гасит» цепную реакцию, поскольку его свободный радикал — радикал аскорбиновой кислоты — обладает низкой активностью. Поэтому в присутствии витамина С цепная реакция затухает. Аналогичным образом ведет себя жирорастворимый витамин Е (альфа-токоферол). Он содержится не в растворе, а в мембранах и действует совместно с витамином С на границе мембран и цитозоля (водного содержимого цитоплазмы, окружающего внутриклеточные органеллы). В реакции витамина Е со свободными радикалами тоже образуются стабилизированные за счет резонанса неактивные радикалы. Радикалы токоферола вновь превращаются в витамин Е, забирая электроны у витамина С.

Как я упомянул в начале главы, эти простые повторяющиеся реакции таят в себе большую опасность — это темная сторона действия витамина С. Мы уже обратили внимание на связь между витамином С, железом и кислородом. Когда витамин С реагирует с железом и кислородом, он выступает в роли донора электронов, но не в роли антиоксиданта. Напротив. Регенерируя активную форму железа внутри фермента, витамин C стимулирует присоединение кислорода, другими словами, помогает окислять субстрат. Таким образом, важнейшая физиологическая функция витамина С заключается в его проoксидантном, а не в антиоксидантном действии.

Когда железо находится в активном центре фермента, это сравнительно безопасно — железо там удерживается, как лошадь в шорах, которая делает только то, что ей велят. Совсем другое дело, когда железо находится в растворе. Растворенное железо может реагировать неконтролируемым образом. Мы говорили об этом в главе 6, помните реакцию Фентона? Железо реагирует с пероксидом водорода с образованием чрезвычайно активных гидроксильных радикалов и неактивного окисленного железа. Гидроксильные радикалы немедленно взаимодействуют с соседними молекулами, инициируя цепные реакции. Эти опасные реакции начинаются только в присутствии свободного железа и заканчиваются при его исчерпании. Мы видели, что опасность супероксидных радикалов заключается в их способности регенерировать активное железо, возобновляя тем самым реакцию Фентона. Делают они это путем передачи электронов. И витамин С может отдавать электроны и регенерировать активное железо. Таким образом, витамин С может не только выступать в роли антиоксиданта, но и усиливать свободнорадикальные процессы. Теоретически он может быть как антиоксидантом, так и прооксидантом.

К сожалению, эта возможность не только теоретическая. Стандартный тест на антиоксидантную активность основан на потенциально опасной активности витамина С. Тест начинают со стимуляции свободнорадикальной реакции в препарате клеточных мембран, а затем измеряют способность антиоксидантов останавливать этот процесс. Для запуска цепной реакции используют смесь железа и витамина С: железо — для катализа, витамин — для регенерации активного железа. Если бы такая реакция происходила в организме, это была бы катастрофа.

Возникают два вопроса. Выступает ли витамин С в роли прооксиданта в организме, нанося ему ущерб? И если нет, то почему: что ему мешает? Эти вопросы вызывают в научной среде массу споров, и точных ответов мы не знаем до сих пор. Тем не менее потенциальная опасность витамина С позволяет оценить работу антиоксидантной «сети» в клетке и задуматься о том, что идеи Полинга и Камерона относительно противораковой активности витамина С, возможно, имели под собой какое-то основание.

Должен заметить, что у нас нет почти никаких подтверждений прооксидантной активности витамина С в человеческом организме. Однако некоторые наблюдения свидетельствуют, что организм знает об этой опасности. В частности, концентрация витамина в плазме крови очень строго контролируется. Даже при приеме «мегадоз» витамина его концентрация в плазме практически не изменяется. Контроль осуществляется на уровне всасывания и на уровне выведения. При приеме высоких доз витамина его всасывание в кишечнике ослабевает. Дело в том, что высокие дозы витамина оказывают слабительное действие и вызывают диарею[60]. Некоторые сторонники лечения витамином С даже призывают повышать дозу до предела «толерантности кишечника», то есть употреблять столько, сколько необходимо, чтобы спровоцировать диарею — признак достижения максимального всасывания. Такой подход не работает. При приеме 1 г витамина в сутки из кишечника всасывается менее 50%, причем бóльшая часть затем выводится с мочой. Легкорастворимый витамин С фильтруется почками и лишь отчасти подвергается обратному всасыванию, за исключением случаев острой недостаточности. Витамин начинает выделяться с мочой при приеме дозы от 60 до 100 мг в сутки. При приеме 500 мг практически все выводится этим путем. Кровь и другие жидкости организма насыщаются витамином при суточном потреблении 400 мг. Вне зависимости от того, сколько дополнительного витамина С вы примете, eгo содержание в организме не увеличится.

Эта информация важна сама по себе, но, кроме того, подчеркивает необходимость строгой регуляции уровня витамина С в организме. Пока никто не доказал, что витамин C может быть токсичен, но также никто не доказал, что он работает в организме в качестве антиоксиданта. Мы знаем, что он может быть антиоксидантом и, возможно, выступает в этой роли, но твердой уверенности у наc нет. Вот что писал в 1999 г. директор Института Лайнуса Полинга профессор Балц Фрей:

А что можно сказать о темной стороне «монетки» — о потенциальной опасности для организма? Если потенциальная токсичность витамина С связана с его взаимодействием с железом, значит, наибольший риск возникает при заболеваниях, сопровождающихся какими-либо нарушениями метаболизма железа.

Одно из таких состояний — перегруженность организма железом. Удивительно, но организм не имеет специфических механизмов для выведения избытка железа (за исключением менструальных кровотечений или отшелушивания клеток выстилки кишечника). Поэтому всасывание железа строго контролируется. Наследственное генетическое заболевание гемохроматоз связано с нарушением регуляции всасывания железа в кишечнике. В организм попадает слишком много железа, и со временем (к 40 годам или позднее, в зависимости от рациона питания) накопленное железо начинает представлять опасность. Свободное железо появляется в крови, что может привести к ужасным последствиям. Без лечения у таких людей нарушается функция печени (цирроз или рак), снижается масса тела, наблюдается избыточная пигментация кожи, воспаление суставов, диабет и сердечная недостаточность. Это одно из самых распространенных генетических заболеваний: ему подвержено около 0,5% европейцев и североамериканцев[61].

Теоретически в подобных ситуациях витамин С способен проявлять себя двояко. Во-первых, он может усиливать всасывание железа в кишечнике. У нас нет данных, свидетельствующих о накоплении железа в организме здоровых людей, принимающих «мегадозы» витамина C, но мы ничего не знаем о том, как прием больших доз витамина скажется на состоянии больных гемохроматозом. Во-вторых, витамин С может превращать избыток железа в активную форму, катализирующую свободнорадикальные реакции. Опять-таки, мы не знаем, может ли это сдвинуть баланс антиоксидантного/прооксидантного действия витамина у таких больных. Бóльшая часть наблюдений указывает на то, что не может, однако в некоторых случаях был замечен негативный эффект. Например, один несчастный молодой австралиец целый год принимал высокие дозы витамина С, пока не попал в больницу с острой сердечной недостаточностью. Через восемь дней он умер, как выяснилось, от гемохроматоза. Врачи пришли к выводу, что течение заболевания могло быть ускорено избытком витамина С.

Но давайте рассмотрим ситуацию в другом ракурсе. «Темная сторона» действия витамина С может оказаться полезной для противораковой терапии. Из лабораторных экспериментов известно, что витамин С убивает опухолевые клетки в пробирке, и его противоопухолевая активность зависит от наличия кислорода и железа. Кроме того, витамин уничтожает возбудителя малярии на определенной стадии развития, сопровождающейся активным накоплением железа из гемоглобина. Может ли это объяснять данные Полинга и Камерона? Вполне вероятно. Ядро крупной опухоли часто состоит из мертвых или умирающих клеток, постепенно высвобождающих железо. Кроме того, в опухолевых клетках может нарушаться регуляция метаболизма железа. Радиотерапия и химиотерапия тоже способствуют временному повышению содержания железа в крови, возможно, отчасти за счет железа из опухолевых клеток. Поэтому вполне вероятно, что в опухолевых тканях сосредоточено больше свободного железа, чем в нормальных тканях. Следовательно, в присутствии кислорода и витамина С клетки опухоли испытывают сильный окислительный стресс, способный их погубить.

Но если это так, почему результаты Камерона не удается воспроизвести? В статье, опубликованной в 2001 г. в Canadian Меdical Association Jоиrnаl и посвященной пересмотру противоракового действия витамина С, Марк Левайн и Себастьян Падайатти из Национального института здоровья утверждали, что действие витамина зависит от способа его введения. Полинг и Камерон вводили витамин С внутривенно, тогда как в клинике Майо при попытках воспроизвести их результаты пациентам давали витамин в таблетках. При пероральном приеме из-за низкой скорости всасывания и высокой скорости выведения концентрация витамина в крови практически не изменяется. При внутривенном введении фактор всасывания вообще не играет роли, и почки не сразу выводят витамин из крови. Таким образом, на короткое время концентрация витамина С в крови может в 50 раз превышать нормальный уровень, и именно в этом может состоять принципиальная разница. Поэтому Падайатти и Левайн настаивали на проведении новых контролируемых испытаний.

В одном исследовании было показано, что витамин С помогает убить опухолевые клетки за счет усиления действия свободных радикалов. Данный метод был назван фотодинамической терапией (я упоминал о нем в главе 6). Лекарственный препарат активируется под действием света, а затем отдает химическую энергию кислороду, в результате чего образуется синглетный кислород и различные свободные радикалы, атакующие опухоль. Исследователи из Университета Айовы и из Китая показали, что сочетание высоких доз витамина С и фотодинамической терапии повышает эффективность лечения. Если клинический эффект окажется значимым (пока рано об этом говорить[62]), репутация Полинга будет восстановлена.

На примере витамина С я попытался раскрыть суть действия антиоксидантов. Что же мы узнали? Первый вывод заключается в том, что витамин С выполняет одну и ту же молекулярную функцию, определенную его химической структурой. Это не химический супергерой, способный принять любое обличье и спасти нас от дьявола. Функция всех антиоксидантов ограничена их химической структурой, но это не мешает им оказывать разнообразное влияние. Второй вывод состоит в том, что простое повторяющееся действие может иметь множество физиологических проявлений. Мы видели, что витамин С служит кофактором как минимум для восьми ферментов, влияющих на самые разные функции организма — от синтеза коллагена и метаболизма жиров до реакций на стресс (синтез норадреналина) или восприятия боли (активация вещества P). Возможно, среди всех этих проявлений активности витамина С его антиоксидантные свойства изучены хуже всего. То же самое можно сказать и о многих других «антиоксидантах».

Самым ярким подтверждением антиоксидантной функции витамина С является его быстрое поглощение нейтрофилами, которые он защищает от ими же созданной волны антибактериальной атаки. Важно отметить, что нейтрофилы накапливают витамин С только при бактериальной инфекции. Такая быстрая реакция может быть связана с бессмысленностью энергетических затрат на поглощение витамина С, когда в нем нет нужды, или с его потенциальной опасностью. Это подводит нас к третьему важному выводу относительно функции витамина С: конкретное действие антиоксиданта зависит от его окружения. Играет ли витамин C роль антиоксиданта, прооксиданта или какую-то промежуточную роль, зависит от его взаимодействия с другими молекулами. Мы видели, что витамин С напрямую взаимодействует с некоторыми свободными радикалами, но также с железом, медью, витамином Е и глутатионом. Чтобы витамин C выполнял функцию антиоксиданта, каждое из этих веществ должно оказаться в правильное время в правильном месте, для чего нужнa целая сеть вспомогательных молекул. В общем и целом все эти факторы можно считать антиоксидантными. Где провести границу? Чтобы осознать, как сложно дать определение антиоксиданта, давайте завершим эту главу рассказом о поведении активированных нейтрофилов.

Концентрация витамина С в нейтрофилах может в 100 раз превышать его концентрацию в плазме крови, однако нейтрофилы поглощают не сам витамин, а только его окисленную форму — дегидроаскорбат. В мембранах нейтрофилов есть белковый насос, узнающий дегидроаскорбат и проталкивающий его в клетки. Внутри клетки дегидроаскорбат превращается в витамин С и только тогда может использоваться. Это преобразование осуществляет фермент глутаредоксин, который забирает электроны у глутатиона и регенерирует витамин С. Для непрерывной работы системы требуется постоянная регенерация глутатиона. Эту функцию выполняет фермент глутатионредуктаза с помощью электронов, которые в противном случае были бы использованы для превращения кислорода в воду в процессе клеточного дыхания. Ставка в этой игре — выживание. Физиологический баланс в нейтрофилах смещается от нормального дыхания к критическому сценарию, необходимому для регенерации глутатиона и витамина C. Другими словами, активированные нейтрофилы перестают дышать и начинают защищаться в надежде на то, что проживут достаточно долго, чтобы уничтожить бактерии[63].

Стaвки очень высоки, и непонятно, почему все завязано на витамин С? Водорастворимый витамин С накапливается в цитозоле клеток. Граница, которую не могут пересечь бактерии, проходит не внутри клеток, а по клеточной мембране, состоящей из непроницаемых для витамина С липидов. Поглощенные нейтрофилами бактерии изолированы внутри фагоцитарных вакуолей, образованных складками внешней клеточной мембраны. Нейтрофилы выделяют токсины в вакуоли (а также в окружающее пространство) и, чтобы не погибнуть от собственных токсинов, должны поддерживать целостность внешних и внутренних мембран. Если мембраны повреждаются в битве с бактериями и прорываются, нейтрофилы погибают, как люди, с которых сдирают кожу. Витамин С нужен для того, чтобы укрепить и в буквальном смысле оживить линию защиты.

Главный защитник клеточной мембраны — жирорастворимый витамин Е. Он передает электроны непосредственно свободным радикалам, которые могут нарушить целостность мембраны, и тем самым их нейтрализует, а сам угасает, превращаясь в радикал альфа-токоферола. Витамин С вдыхает жизнь в этот почти инертный радикал, воскрешая его в виде витамина Е. В этой реакции ферменты не участвуют, и ее скорость зависит от соотношения количества витаминов С и Е. Чем больше витамина С, тем быстрее происходит регенерация витамина Е и, следовательно, накопление витамина С в нейтрофилах. В то же время высокая концентрация витамина С опасна, особенно в присутствии супероксидного радикала, способного высвобождать железо из белков (см. главу 6). Витамин С может перейти на сторону врага и начать действовать в качестве прооксиданта. Чтобы такого не произошло, необходимо изолировать провокаторов — железо и медь. А для этого нужны молекулярные датчики, которые реагируют на присутствие минимального количества свободного железа или меди в клетке и позволяют изолировать их, связав с белками (соответственно с ферритином и церулоплазмином). Если емкости имеющихся комплексов недостаточно, нужно создавать новые, для чего требуется транскрипция и трансляция многих генов. В целом за 2 часа в активированных нейтрофилах человека экспрессируются около 350 генов, включая гены ферритина и церулоплазмина.

Каждое звено в этой цепи необходимо для нормальной работы всей системы. Тот факт, что нейтрофилы защищают себя, накапливая витамин С, а бактерии этого не делают, объясняется тем, что бактерии либо не могут детектировать дегидроаскорбат, либо не умеют его поглощать. Вся цепь событий в нейтрофилах запускается в присутствии дегидроаскорбата. Чем больше этого вещества, тем быстрее работает насос. Вообще говоря, активация нейтрофилов может происходить даже без участия бактерий, лишь при наличии в среде небольшого количества дегидроаскорбата. Напротив, бактерии не оживляются даже в море дегидроаскорбата. У них есть все, что нужно для синтеза витамина С, витамина Е и глутатиона, а также для связывания железа и меди, но они не чувствуют присутствия дегидроаскорбата. И это может стоить им жизни. В таком случае все затраты нейтрофилов оправданы.

Самым удивительным в этом сценарии является перестройка метаболизма нейтрофилов при появлении дегидроаскорбата, которая вносит вклад в общую антиоксидантную реакцию. Мы не можем определить антиоксидант как молекулу с конкретным типом действия. Обнаружение дегидроаскорбата — антиоксидантная реакция. Связывание железа — антиоксидантная реакция. Регенерация глутатиона — тоже. Даже снижение скорости метаболизма (сдерживание дыхания) — тоже антиоксидантная реакция. Невозможно провести черту между факторами, которые принято называть антиоксидантами (такими, как витамин С), и физиологическими адаптациями, обычно не воспринимаемыми в качестве проявлений антиоксидантных свойств (как замедление клеточного дыхания). Чтобы проанализировать работу этой сложной сети взаимодействий, нам придется отвлечься от витамина С и посмотреть, как организм в целом реагирует на окислительный стресс.

Глава десятая. Машина по производству антиоксидантов. Сто и один способ жить в окружении кислорода

Правительства занимаются определениями таких понятий, как «безработный», «грамотность» или «отмена налога». Оппозиционно настроенные ораторы и редакторы газет обсуждают точность этих определений. Слова летают взад и вперед — громкие, но пустые. Считается, что ученые стоят выше этого. Научные термины не допускают оппозиции: они четко определены и поддаются анализу, правда, часто их невозможно произнести. Ученые пытаются сформулировать определения с помощью математических символов и счастливы только тогда, когда термин хорошо вписывается в уравнение. Но даже в такой безупречной науке, как математика, желаемая точность не всегда достижима. Проклятый «фактор неопределенности» символизирует нежелание природы поддаваться классификации.

В биологии проблема определений стоит гораздо острее, чем в математике. Биологи крайне редко используют слово «доказательство» — оно требует слишком высокой точности. Вpачи не любят слово «исцеление». Кто знает? Гораздо удобнее сказать «ремиссия», поскольку это мало что означает: «сейчас болезнь отступила, насколько я понимаю, но, вернется ли она, сказать не могу». Природа ловко обходит придуманные нами определения. Как дать определение жизни? Наверное, важно подчеркнуть способность к воспроизведению и наличие метаболизма. А вирус — живой или нет? У него нет собственного метаболизма, так что он не попадает под стандартное определение. А если вы сумеете найти определение жизни, под которое вирус попадает, куда отнести прионы, которые представляют собой просто белки? Как дать определение старению? Неуклонное ослабление жизненных функций, ведущее к смерти? Описание это или определение? Если мы не можем дать определение жизни, как описать смерть? Если прион неживой, значит, он мертвый? Следовательно, его нельзя убить?

Я не собираюсь окунаться в море семантики. Конечно, всегда находятся решения, хотя простыми они бывают редко. Сейчас я хочу дать широкое определение «антиоксиданта». В главе 9 мы обсуждали, насколько это сложно. Все дело в точности определения: насколько точно мы можем определить столь скользкое понятие?

Первое определение понятия «антиоксидант» пришло из химии. Как и подобает науке, оперирующей символами, понятие антиоксиданта в химии имело строгий и однозначный смысл. Антиоксидант — это донор электронов, который предотвращает окисление вещества (или потерю им электронов). Слово это появилось в 1940-х гг. в пищевой промышленности. Жиросодержащие продукты, такие как сливочное масло, на воздухе становятся прогорклыми. Говоря техническим языком, они «переокисляются». Переокисление — это цепная реакция под действием свободных радикалов кислорода, таких как гидроксильный радикал, которые атакуют липиды в погоне за электронами. Они могут утащить электрон и сбежать или увязнуть в липиде, как игрок в регби, который завладел мячом, но не может выйти из схватки. Но в любом случае липид теряет электрон. Он становится свободным радикалом и сам атакует соседей, пытаясь отобрать у них электрон. Такая цепная реакция в липидах масла распространяется, как пожар. Антиоксидант останавливает процесс, «удаляя» свободные радикалы. Он отдает электрон и останавливает развитие цепной реакции. Поэтому в пищевые продукты традиционно добавляют такие антиоксиданты, как бутилгидроксианизол.

[60] Обычно слабительное действие витамина C считают неопасным побочным эффектом, несопоставимым по значимости с побочным эффектом многих лекарственных препаратов. Однако это действие можно рассматривать в качестве неслучайного физиологического ответа организма на прием потенциально опасных доз витамина С.

[61] Избыток железа может возникать в результате лечения других заболеваний, например талассемии, вызванной нарушением образования гемоглобина. Без регулярных переливаний крови пациенты с так называемой большой талассемией погибают еще в детском возрасте. Но регулярные переливания крови часто приводят к перегруженности организма железом.

[62] В настоящее время появляется все больше данных, подтверждающих эффективность внутривенного введения витамина С в рамках противоопухолевой терапии. — Примеч. пер.

[63] Сторонники приема «мегадоз» витамина C утверждают, что регенерация витамина глутатионом неэффективна: она происходит медленно, расходует энергию клетки и в конечном итоге только усиливает кризис. Одно из оснований для приема высоких доз витамина при болезни как раз и заключается в том, что витамин позволяет обойтись без такой опасной стадии регенерации. Однако это верно в растворе, но не внутри клетки, особенно если защита нужна немедленно. Дело в том, что большинство клеток узнают только окисленную форму витамина C — дегидроаскорбат. Сначала витамин С должен окислиться, проникнуть в клетки в виде дегидроаскорбата и, наконец, превратиться в витамин С при помощи глутатиона. Это далеко не короткий путь.