Многие заболевания, начиная от нейродегенеративных и заканчивая некоторыми типами рака, связаны с окислительным стрессом, когда процесс синтеза активных форм кислорода выходит из-под контроля. Введение антиоксидантов может способствовать уменьшению токсичного воздействия радикалов.
Ранее мы уже отмечали, что в отличие от других пробиотических микроорганизмов у пропионовокислых бактерий установлен значительный (!) синтез гемсодержащих (см. гем) антиоксидантных ферментов каталазы, пероксидазы и супероксиддисмутазы (СОД). (Прим.: Бифидобактерии, например, не продуцируют каталазы). Стоит сказать, что в отличие от низкомолекулярных антиоксидантов, которые могут связать ограниченное число (как правило, одну) молекул радикалов, антиоксидантные ферменты могут нейтрализовать активные формы кислорода одну за другой, а потому являются своеобразными суперантиоксидантами.
Некоторые микроорганизмы симбионтной микрофлоры, участвущие в биосинтезе антиоксидантных ферментов, нейтрализуют свободные радикалы и тем самым помогают нам устранить причины разрушения ДНК, провоцирующие мутагенез и замедлить процессы старения.
Бактерии как источники антимутагенов представляют несомненный интерес как профилактические пищевые добавки для активации естественных систем репарации и для создания медицинских препаратов нового типа с антимутагенными свойствами. Устранение свободных радикалов в клетке, способных вызывать повреждения ДНК, также тесно связано с системой репарации.
Репарация клеток ДНКРепарация (от лат. reparatio — восстановление) — особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических агентов. Осуществляется специальными ферментными системами клетки
Поскольку свободные радикалы реагируют фактически с любыми биомолекулами, действие их направлено и на молекулу ДНК. Например, перекись водорода Н2О2 — потенциальный бактерицидный агент, может реагировать с Fe2+ и образовать гидроксильный радикал ОН*, который окисляет и повреждает молекулу ДНК. В любой живой клетке существуют механизмы, способные полностью или частично восстанавливать исходную структуру поврежденной ДНК. Совокупность ферментов, катализирующих реакции коррекции повреждений ДНК, объединяются в так называемые системы репарации. С их помощью дефектные участки цепи ДНК вырезаются и заменяются новыми нуклеотидами.
Таким образом, система ДНК-репарации направлена не на нейтрализацию свободных радикалов, а на устранение их эффектов на молекуле ДНК. Разумеется, действие антиоксидантных ферментов, связывающих свободные радикалы, препятствует повреждению молекулы ДНК.
ФЕРМЕНТЫ: КАТАЛАЗА, ПЕРОКСИДАЗЫ И СУПЕРОКСИДДИСМУТАЗА (СОД)
Каждая клетка человеческого организма обладает собственной антиоксидантной защитой. Основным фактором, ограничивающим разрушающее влияние свободных радикалов в организме, являются 2 антиоксидантные системы: ферментативная (антиоксиданты: супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза) и неферментативная (антиоксиданты: аскорбат, токоферол, глутатион и др.).
Синтезируемые пропионовокислыми бактериями антиоксидантные (прокариотические) ферменты, супероксиддисмутаза (СОД) и каталаза, также как и одноименные (эукариотиические) антиокислительные ферменты человеческого организма, образуют антиоксидантную пару, которая борется со свободными радикалами кислорода, не давая им возможности запустить процессы цепного окисления.
Пропионовокислые бактерии синтезируют значительные (!) количества каталазы (Sherman, 1921; Воробьева и др., 1968; Simon, 1968), что выделяет их из числа других анаэробных микроорганизмов. При дефиците ионов железа в среде каталаза не синтезируется (Кузнецова и др.. 1983) и в культуральной жидкости накапливается H2O2. У обеспеченных железом культур H2O2 не обнаруживалась. Основная активность каталазы, как и супероксиддисмутазы обнаруживалась в цитоплазме клеток ПКБ (P. shermanii и др. штаммов). Большей активности СОД (и каталазы) соответствует большая супероксидпродуцирующая способность штаммов, что свидетельствует о важной роли этих ферментов в избавлении клеток от супероксидных радикалов. Одновременное присутствие СОД и каталазы внутри бактериального матрикса позволяет клетке удалять супероксидные и пероксидные радикалы, образованные в окислительных реакциях.
РОЛЬ СУПЕРОКСИДДИСМУТАЗЫ (СОД) В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
Супероксиддисмутаза (enzyme-sod)
Супероксиддисмутаза или СОД является одним из четырех природных ферментных антиоксидантов, которые вырабатываются естественно в организме человека, и действие которых направлено на то, чтобы уменьшить ущерб, наносимый свободными радикалами. В дополнение к супероксиддисмутазe (СОД) к группе ферментных антиоксидантов относятся каталазa (KAT), пероксидазы (в частности, глутатионпероксидаза (ГП)) и глутатионредуктаза (ГР). Эта группа антиоксидантов отличается от других антиоксидантов, которые классифицируются как неферментные.
Супероксиддисмутаза (superoxide dismutase, SOD) [лат. super — сверху, над, oxi(genium) — кислород, dis- — приставка, обозначающая разделение, отделение, отрицание, и mutatio — изменение] — фермент класса оксидоредуктаз, катализирующий дисмутацию радикалов O2- и препятствующий превращению супероксидного анион-радикала в гидроксильный радикал ОН*, обладающий высокой токсичностью; служит акцептором свободных кислородных радикалов, тормозящим перекисное окисление липидов и белков.
ИСТОЧНИКИ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ
факторы образования в организме свободных радикалов
Пагубное действие на организм многих радиационных излучений и многих химических мутагенов связано с возникновением свободных радикалов. (Дубинин, 1976; Petkau, 1987; Порошенко, Абилев, 1988). Потенциальными биологическими мишенями для радикальной атаки служат липиды, белки, нуклеиновые кислоты. Свободные радикалы часто вовлекаются в активацию многих типов прокарциногенов и промутагенов, превращая их в карциногены и мутагены и связывая эти активированные формы с ДНК (Pryor, 1986). Пероксидный радикал может вызывать повреждения ДНК, а система, продуцирующая супероксидные радикалы, провоцирует возникновение гидроксильных радикалов (и опасный синглетный кислород), образующих радикальные сайты на ДНК.
Лучевая болезнь, многие формы рака и ряд других тяжелых заболеваний связаны прямо или косвенно с образованием радикалов. Свободные радикалы содержатся в сигаретном дыме (Pryor, 1985), являющимся опухолеродным агентом.
И в слюне
и в человеческой сыворотке содержится супероксиддисмутаза (СОД), пероксидаза и каталаза – антиокислители (ферменты), снижающие уровень H2O2 (перекиси водорода) и O2 и представляющие собой одну из форм естественной защиты организма от действия мутагенных факторов (Nishioka, Nunoshiba, 1986). Клинические исследования показали, что СОД оказывает высокий положительный эффект при лечении сердечных приступов, связанных с повреждением сердечной мышцы (Fass, 1988). СОД имеет перспективы применения не только в медицине, но и в пищевой промышленности, где в сочетании с каталазой и пероксидазой может использоваться для предотвращения окисления липидов и других ценных компонентов пищи (Taylor, Richardson, 1974).
Все СОД, независимо от источника их выделения — мультимерные металлопротеины, чрезвычайно эффективные в устранении супероксидных анионов (O2-). В механизме их действия предусмотрено попеременное чередование процессов окисления — восстановления соответствующих металлов, находящихся в активном центре ферментов. Выделяют 3 типа супероксиддисмутаз:
Zn/Cu-COD — димер, в основном обнаруживается в цитозоле и хлоропластах эукариот, во внеклеточной жидкости у млекопитающих — тетрамер;
Mn-COD — димер, в митохондриях и у некоторых термофильных бактерий — тетрамер;
Fe-COD — димер, в основном обнаруживается у прокариот, в частности, у пропионовокислых бактерий (ПКБ), но встречается и у водорослей.
superoxide dismutase heavy metal
Примечание: Т.е. в человеческом организме СОД синтезируется в эукариотических клетках из гистидина и металлов -
цинка, меди и марганца.
Из пищевых источников получить СОД практически невозможно (при замораживании, переработке, нагревании или высушивании изоферменты могут полностью или частично дезактивироваться, т.е. происходит самоокисление продуктов. В связи с этим примечательно то, что ПКБ, благодаря своей кислотоустойчивости и ферментативной активности, могут стать хорошими «внешними» источниками СОД. Исследуются ПКБ преимущественно в РФ. К сожалению, важная роль СОД в диетическом питании еще недостаточно осознается, она пока не используется в коммерческих масштабах в качестве антиоксидантной добавки к пище. Сейчас за рубежом ведется активный поиск источников СОД, которые можно было бы использовать в качестве пищевых добавок. Что касается косметических средств, то использование в них СОД зарубежом не так давно уже началось и признается самым перспективным направлением.
Признаки дефицита СОД в организме:
ускоренное старение;
морщины;
пигментные пятна;
ослабление иммунитета;
респираторные инфекции;
аутоиммунные заболевания.
См. подробнее: Влияние СОД на организм
Существенная роль отводится супероксидным радикалам в развитии воспалительных и других хронических заболеваний. Результатом исследования этих процессов явилось использование СОД в качестве противовоспалительного средства (орготеин, пероксинорм), а также применение в составе др. антиоксидантных препаратов
препараты на основе СОД (SOD - Superoxide dismutase): orgotein and other
Свободные радикалы образуются вследствиe дыхательной деятельности и использования полученного клетками кислорода для выработки энергии. Во время этого процесса образуется больше свободных радикалов, чем необходимо энергии тканям организма. Основные радикалы, которые участвуют в окислении, это супероксидный радикал O2- и гидроксильный радикал OH*.
Эти дополнительные свободные радикалы наносят ущерб окружающей ткани и на протяжении многих лет вызывают её постепенные физиологические изменения, в результате которых появляются видимые признаки старения. Для оказания помощи в нейтрализации активных форм кислорода в клетках, человеческий организм разработал ферментативную антиоксидантную систему, состоящую из четырех ферментов, перечисленных выше.
Прим.: Исследования, проведенные на дрозофилах (плодовые мушки), показали, что повышение уровня супероксиддисмутазы СОД может замедлить процесс старения. Когда генетические характеристики плодовых мух были изменены и уровни СОД повышены, средняя продолжительность жизни мух увеличилась до 40%.
Итак, СОД является эндогенным акцептором свободных кислородных радикалов, избыточное накопление которых в клетке имеет значение в развитии целого ряда кислород зависимых патологических процессов (гипоксия, воспаление, интоксикация и др.) СОД удаляет супероксидные радикалы и предотвращает образование других, более опасных для организма свободных радикалов: гидроксильного радикала и синглетного кислорода. Кроме того, СОД предотвращает накопление в очаге воспаления нейтрофилов, которые секретируют значительные количества лизосомальных ферментов, разрушающих близлежащие ткани. Очевидно, что лекарственные препараты на основе СОД являются наиболее перспективными среди противовоспалительных препаратов.
Кроме общебиологического значения данного фермента, связанного с основополагающей ролью эндогенного антиоксиданта, пристальное внимание к данному белку привлечено в связи с его высокой лекарственной эффективностью. СОД воздействует на ключевые этапы заболеваний различной природы (вирусные и бактериальные инфекции, аутоиммунные заболевания, болезни ЦНС, радиационные поражения и др.), что определяет перспективность применения препаратов на основе СОД в ревматологии, кардиологии, офтальмологии, гастроэнтерологии и т.д.
РАБОТА ФЕРМЕНТНОЙ ЗАЩИТЫ
antioxidant enzymes
Итак, передовой линией защиты от токсического действия производных O2 являются ферменты: супероксиддисмутаза, захватывающая молекулы O2–, каталаза и пероксидаза, улавливающие H2O2. Они сводят до минимума концентрацию в клетке O2– и H2O2 и не дают им возможности взаимодействовать с образованием гидроксильного радикала ОН*, превосходящего супероксидный радикал O2– по окислительной активности и токсичности.
молекула СОД 1. Супероксиддисмутаза (СОД) является одним из главных ферментов антиоксидантной системы. Супероксиддисмутаза катализирует превращение супероксидного радикала O2-, который образуется первым из активных форм кислорода при утечке электронов из дыхательной цепи, в менее токсичную перекись водорода (H2O2) и кислород (O2):
2О2- + 2Н+ ; Н2О2 + О2
Скорость этой реакции в 10 000 раз выше, чем химического дисмутирования. Дисмутирование супероксида О2- в перекись водорода Н2О2 с помощью СОД часто называют первичной защитой, т.к. этот фермент предотвращает дальнейшее образование свободных радикалов.
Перекись водорода (H2O2) - наиболее стабильный из промежуточных продуктов восстановления О2 и наименее реакционноспособный. Однако, из перекиси водорода может образовываться весьма сильный окислитель. Супероксид-анион O2- может взаимодействовать с Н2О2 с образованием гидроксидного радикала ОН*, превосходящего O2- по окислительной активности и токсичности:
O2- + Н2О2 + Н+ переходит в О2 + Н2О + ОН*
Источником возникновения ОН* могут служить также реакции одноэлектронного окисления перекиси водорода, катализируемые железосодержащими соединениями, всегда имеющимися в клетках:
Н2О2 + Fe2+ переходит в Fe3+ + OH- + ОН*
Иными словами, избыточное накопление перекиси водорода Н2О2 очень токсично, особенно для нефагоцитирующих клеток. Накопление пероксидов и генерация свободных радикалов может приводить к повреждению мембран (рак, атеросклероз).
Поэтому, каталаза и пероксидаза сводят до минимума концентрацию в клетке супероксидного радикала O2- и перекиси водорода H2O2 и не дают им возможности взаимодействовать с образованием гидроксильного радикала ОН*.
Перекись водорода разрушается двумя классами родственных ферментов, катализирующих ее двухэлектронное восстановление до H2O и использующих в качестве донора электронов H2O2 в случае каталазы или различные органические соединения в случае пероксидазы.
Т.е. для предотвращения повреждающего действия пероксидов служат две ферментативные системы:
2. Пероксидазы (peroxidases, лат. per — сверх и греч. oxys — кислый) - группа окислительно-восстановительных ферментов класса оксидоредуктаз, использующих в качестве акцептора электронов перекись водорода (Н2О2).
Простетической группой пероксидаз (т.е. небелковым и не производным от аминокислот компонентом, ковалентно связанным с белком) является протогем, т.е. пероксидазы — сложные белки-гемопротеиды, активным центром которых является железо гема. Ферменты этого типа широко представлены у растений, а также встречаются в молоке, лейкоцитах, тромбоцитах и тканях, продуцирующих эйкозаноиды.
Пероксидазы найдены в тканях человека и животных, в бактериях и растениях. Субстратами пероксидаз служат полифенолы, ароматические амины, аскорбиновая кислота и т. д., а донаторами кислорода, наряду с Н2O2, могут быть органические перекиси.
H2O2 + RH2 ; 2H2O + R, где RH2 – аскорбиновая кислота, хиноны, цитохром С, глутатион. В эритроцитах и некоторых других тканях присутствует глутатионпероксидаза, содержащая Se в качестве простетической группы. Этот фермент защищает мембраны и гемоглобин от окисления пероксидами.
структура фермента каталазы - Catalase enzyme3. Фермент – каталаза (от греч. ;;;;;;; — разрушать, ломать) - это фермент, являющийся гемопротеином (4 гема) и катализатором в реакции разложения перекиси водорода, при которой образуются вода и молекулярный кислород:
Н2О2 + Н2О2 = О2 + 2Н2О.
Эта реакция напоминает пероксидазную, только вместо RH2 используется Н2О2. Каталазу находят в крови, костном мозге, слизистых оболочках, печени, почках, т.е. в клетках, где происходит интенсивное окисление с образованием Н2О2.
Поскольку перекись водорода H2O2, также является радикалом и оказывает повреждающее действие, в клетке происходит ее постоянная инактивация ферментом каталазой. Каталаза катализирует расщепление перекиси водорода H2O2 до молекул воды и кислорода и может разложить 44 000 молекул H2O2 в секунду.
Биологическое значение Каталазы заключается именно в разложении перекиси водорода, которая образуется в клетках при воздействии ряда флавопротеиновых оксидаз, чем обеспечивается действенная защита клеточных структур от разрушения, которое осуществляет перекись водорода. Если вследствие генетических причин возникает дефицит Каталазы развивается акаталазия. Это наследственная болезнь, клиническими проявлениями которой являются изъязвления слизистой носа и полости рта, а в некоторых случаях явно выраженные выпадение зубов и атрофические изменения альвеолярных перегородок.
Таким образом, ферменты каталаза и пероксидаза в сочетании с СОД создают клеткам антиокислительную защиту
Кратко: Каталаза и СОД защищают микроорганизмы от экзогенных и эндогенных окислительных стрессов, нейтрализуя свободные кислородные радикалы. Токсичный субстрат — супероксидный ион (О2*), образующийся в клетках в результате метаболических процессов, с помощью фермента СОД превращается в перекись водорода (Н2О2). Перекись водорода, в свою очередь, расщепляется каталазой на молекулярный кислород и воду. Защитное действие в этом процессе оказывают и пероксидазы, которые окисляют органические вещества перекисью водорода, в результате чего образуется молекула воды. Таким образом, ферменты СОД и каталазы превращают супероксидные радикалы в безвредный кислород.
ИТАК:
Каталаза, пероксидазы, супероксиддисмутаза (СОД), система ДНК-репарации, а также различные субстраты, участвующие в нейтрализации свободных радикалов, составляют антиоксидантную ферментную систему микроорганизмов
На основании изложенного можно сделать вывод, что антиоксидантная ферментная система дружественных нам бактерий также играет огромную роль в защите клеток нашего организма от постоянных и многочисленных атак свободными радикалами кислорода. Антиоксидантные ферменты (АОФ) микроорганизмов, препятствуя запуску процессов цепного окисления, предотвращают в т.ч. и процессы разрушения ДНК свободными радикалами, которые в свою очередь провоцируют процессы мутации (мутагенез).
Дополнительная информация
ОТСУТСТВИЕ КАТАЛАЗЫ У МОЛОЧНОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ
антиоксидантные ферменты микроорганизмов
Каталазная и пероксидазная активности обнаружены у всех облигатно и факультативно аэробных прокариот. Среди облигатных анаэробов эти ферменты распространены значительно в меньшей степени, чем супероксиддисмутаза. Обнаружены многие строгие и аэротолерантные анаэробы, содержащие супероксиддисмутазу, но не содержащие каталазы. К их числу можно отнести и те молочнокислые бактерии, у которых дисмутация образующихся ионов O2-. обеспечивается Mn2+, находящимся в клетках в высоких концентрациях.
Отсутствие каталазы у молочнокислых бактерий связано с тем, что они не могут синтезировать гем — простетическую группу фермента, но способны к синтезу апофермента. При добавлении гемовых групп извне молочнокислые бактерии образуют гемсодержащую каталазу. У ряда молочнокислых бактерий обнаружена каталаза, не содержащая гемовой группы, названная поэтому псевдокаталазой. Выделенный фермент состоит из шести идентичных полипептидных цепей, соединенных между собой нековалентными силами. Каждая субъединица содержит 1 атом марганца.
Прим.: Перекись водорода, возникающая в результате взаимодействия клеток с O2, устраняется и неферментативными путями. Известно, что ионы Fe2+ в водном растворе ускоряют восстановление H2O2 до H2O. В клетке всегда содержится некоторое количество ионов железа. Разрушение H2O2 может происходить и за счет выделяющихся в культуральную среду восстановленных веществ.
Для анаэробных прокариот, способных переносить контакт с O2 и его производными в относительно небольших масштабах, необходимо присутствие в клетках супероксиддисмутазы, "убирающей" O2-. Наличие каталазы при этом не обязательно, поскольку возникающая в реакции дисмутации и других реакциях перекись водорода разлагается спонтанно или с участием неферментативных катализаторов, и организмы в целом справляются с ней в этих условиях. Таким образом, при осуществлении энергетического метаболизма анаэробного типа для устранения токсических эффектов O2- достаточно одной ферментной преграды в виде супероксиддисмутазы (СОД).
Резкое возрастание масштабов взаимодействия прокариот с O2 при функционировании метаболизма аэробного типа делает неэффективными неферментативные пути устранения H2O2. Для разложения перекиси водорода, образующейся в больших количествах, необходимы ферменты, повышающие скорость разложения H2O2 на несколько порядков. Это обеспечивается каталазой и пероксидазой. Таким образом, в условиях активного взаимодействия клеток с O2, делающего возможным аэробную жизнь, система ферментной защиты от его токсических эффектов сформирована с участием супероксиддисмутазы, каталазы и пероксидазы в качестве необходимых компонентов.
Что касается пропионовокислых бактерий, то эти микроорганизмы просто поразили лабильностью своего метаболизма. В результате его изучения у пропионовокислых бактерий установлены функционирующая цепь переноса электронов (ЦПЭ), кислородное, фумаратное, нитратное дыхание, система антиокислительной защиты. Эти исследования продемонстрировали, что пропионовокислые бактерии экипированы как для анаэробной, так и для аэробной жизни. Оказалось, что анаэробные представители семейства образуют значительные количества супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы, ферментов, характерных для аэробного метаболизма, и могут сегодня рассматриваться как самые перспективные источники антиоксидантов ферментативной природы.
На заметку
ОСНОВНЫЕ ПОЗИТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СОД (СУПЕРОКСИДДИСМУТАЗЫ) НА СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ОРГАНИЗМА
Антиоксидантное; регенерирующее; ранозаживляющее; противоаллергическое; противовоспалительное; антиатерогенное; противоожоговое; геропротекторное; радиопротекторное; кардиопротекторное; онкопротекторное; антитоксическое; антивирусное; поддержка функции половых желез.
В настоящее время в косметической практике СОД считается перспективным антиоксидантом. Перечень фирм, выпускающих элитную косметику с СОД пока невелик: Lancome, Neways, Mery Kay, Jason, SOD Cosmetic Artpia, Artisum, Viva la skin, AFE, Dabao, Skin Care Collection, Рэсбио, Шарм Клео Косметик. Для этих фирм СОД заняла свое достойное место в группе биологически активных веществ, являющихся основой anti-age концепции ухода за кожей. Следует отметить, что пропионовокислые бактерии, являющиеся продуцентами СОД, также привлекают внимание для целей косметологии и эстетической медицины. В частности уже сегодня разработаны рецептуры приготовления косметических масок с использованием заквасок чистых культур P.Shermanii. При ферментации творожной сыворотки в присутствии термически обработанной бентонитовой глины происходит наибольший выход биомассы и метаболитов их жизнедеятельности, в т.ч. СОД. См. подробнее: Применениие ПКБ в косметологии
Защита от преждевременного старения: длительность жизни человека тесно связана с концентрацией СОД в теле и органах.
Защита кожного покрова:
смягчение кожи, устранение воспалительных реакций;
нейтрализация АФК, образующихся под воздействием УФ-лучей;
нормализация ПОЛ и восстановление барьерной функции рогового слоя кожи;
защита гиалуроновой кислоты;
защита от действия химических раздражителей;
уменьшение и предотвращение омертвления (некроза) кожи;
предотвращении образовании морщин за счет предотвращения образования поперечных сшивок коллагена;
устранение пигментных пятен на коже.
Сохранение волос:
улучшение состояния кожи волосистой части головы;
ингибирование процессов окисления кератина.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОД ПОЛЕЗНО ПРИ:
секреты здоровья и антиоксиданты профилактике старения организма; профилактике рака; воспалительных процессах (альтернатива кортикостероидам); снижении АД; снижении уровня липидов и сахара в крови; миокардиальной ишемии; сахарном диабете; эмфиземе легких; респираторных инфекциях; пневмонии; гепатопатии; нефропатии; цистите; воспалении толстого кишечника; проктите; ожогах; дерматомиозитах; механических травмах глаз; ожогах роговиц; дистрофии роговицы различного генеза; инфекционных кератитах (в составе комплексной терапии); первичной глаукоме (в составе комплексной терапии); предотвращении повреждений при радиационной терапии; остеоартрите; ревматическом артрите; бурсите; красной волчанке; обработке сигарет для уменьшения содержания нефтяных смол и никотина.
http://propionix.ru/antioksidantnye-fermenty-bakteriy