II.7.3 SkQ1 в ряду других антиоксидантов
Мафусаил прожил 969 лет, но в 600 лет выглядел еще так молодо, что ему никто не давал больше 350.
Поразительна эффективность SkQ1 как геропротектора. Пожалуй, лучше всего ее иллюстрирует опыт на мутантных мышах, лишенных гена белка p53. С возрастом практически у всех таких животных появляются лимфомы, и мыши погибают от рака гораздо раньше, чем контрольные животные. По данным П.М. Чумакова и сотрудников [291], антиоксидант N-ацетилцистеин продлевает среднюю продолжительность жизни мутантов примерно на одну треть. Оптимальной в этом случае оказалась доза антиоксиданта, равная 6х10-3 моль на кг веса в день. Б.П. Копнин и сотрудники в рамках нашего "мегапроекта" сравнили эффект N-ацетилцистеина и SkQ1. Оказалось, что SkQ1 тоже продлевает жизнь мутантных мышей. При этом для SkQ1 оптимальной дозой оказались 5х10-9 моль на кг веса в день, то есть в миллион двести тысяч раз меньше, чем у обычного антиоксиданта, не адресованного в митохондрии [404,328] (рис. II.7.3.1).
Такой эффект мог быть предсказан, если принять, что мишенью антиоксиданта служит, например, продукт перекисного окисления кардиолипина, локализованный в той части фосфолипидного бислоя внутренней митохондриальной мембраны, которая смотрит в матрикс митохондрий. Дело в том, что SkQ1 как проникающий одновалентный катион должен накапливаться в цитозоле клетки в концентрации в десять раз больше, чем внеклеточная его концентрация. Эта величина получается из ура внения Нернста, если учесть, что на внешней клеточной
Рис. II.7.3.1
мембране (внутри клетки знак "минус") существует разность электрических потенциалов (??), равная примерно 60 мВ. Еще 1000-кратное накопление SkQ1 произойдет под действием ?? на внутренней мембране митохондрий (180 мВ, "минус" внутри митохондрии). Кроме того, SkQ1 распределяется между водой и мембраной в соотношении около 1:10000. В итоге концентрация SkQ1 во внутреннем полумембранном слое внутренней митохондриальной мембраны будет 10 х 103 х 104 = 108 раз большей, чем в водном растворе снаружи клетки [315] (рис. II.7.3.2).
Расчет, приведенный выше, применим к любому одновалентному катиону с коэффициентом распределения между мембраной и водой порядка 104. А дальше вступают в силу три других фактора, также важные для эффективности вещества как антиоксиданта, адресованного в митохондрии, а именно: 1) собственно антиоксидантная активность SkQ, 2) способность к регенерации восстановленной формы SkQ из окисленной и поддержание высокого отношения SkQH2/SkQ (поскольку именно восстановленная форма антиоксиданта действует как гаситель АФК) и 3) размер «окна» между анти- и прооксидантными эффектами исследуемого вещества (как уже отмечалось, антиоксидантное действие производных хинона переходит в прооксидантное при повышении их концентрации).
Рис. II.7.3.2
Антиоксидантная активность трех катионных произоводных хинона: убихинона (MitoQ), пластохинона (SkQ1) и метилпластохинона (SkQ3) сравнивались выше (см. рис. II.7.2.3). С этой целью к митохондриям in vitro добавляли ионы железа и аскорбат, что провоцировало превращение перекиси водорода, образуемой митохондриями, в радикал ОН.
Последний вызывал перекисное окисление фосфолипидов митохондрий, которые пытались затормозить MitoQ, SkQ1 или SkQ3. Как видно из нижней части графика, активность этих трех веществ падает в ряду SkQ1>>SkQ3>MitoQ. Интересно, что SkQ3, отличающийся от SkQ1 только наличием еще одной метильной группы, расположенной, как и в MitoQ, при 5-ом углероде хинонового кольца, уже сильно проигрывает SkQ 1 как антиоксидант. В то же время, переход антиоксидантной активности в прооксидантную наблюдается примерно в одной и той же области концентраций всех трех веществ (прооксидантную активность измеряли по скорости генерации H2O2 митохондриями, окисляющими глутамат и малат). Это означает, что «окно» между 20 % анти- и прооксидантными активностями уменьшается в ряду SkQ1>>SkQ3>MitoQ, причем у SkQ1 оно оказывается, судя по этому параметру, около 1 000 раз, а у MitoQ — около 2 раз [409,328]. В то же время, скорость окисления SkQ1H2 кислородом с образованием семихинона SkQ-. и супероксида оказалась втрое ниже, чем у MitoQH2 [409]. Это свидетельствует о более низкой прямой прооксидантной активности SkQ1 по сравнению с MitoQ. Кроме того, данное обстоятельство должно повышать степень восстановленности SkQ1, тем самым увеличивая его антиоксидантную активность [409,328]. Следует отметить, что в рамках проекта нами были синтезированы не только уби- и пластохиноновые коньюгаты децилтрифенилфосфония, но и два вещества, занимающих по структуре промежуточное положение между SkQ и MitoQ. Это дезметоксиMitoQ (DMMitoQ, одна из метоксильных групп убихинона заменена на водород) и уже упомянутый выше SkQ3 (обе метоксильные группы заменены на Н, но сохранена метильная группа убихинона). И DMMitoQ, и SkQ3 оказались более активными антиоксидантами, чем MitoQ, но сильно уступали по активности SkQ1 [328] [329][33].
По-видимому, одно из производных пластохинона, а именно толухинон, или дезметилпластохинон (одна из метильных групп заменена на атом водорода) может считаться древнейшим антиоксидантом, применённым человеком в медицинских целях. Изопропильное производное толухинона (тимохинон) содержится в семенах кумина, полученных из растения нигеллы (Nigella sativa), приправы к плову и другим мясным блюдам. Нигелла — цветок, относящийся к отряду лютиковых, высотой 20–30 см. О целебных свойствах его семян упоминается в библии и проповедях пророка Магомета. По множественности благоприятных эффектов кумин может соперничать с SkQ1, хотя эффекты эти зачастую менее выражены и требуют гораздо больших количеств вещества: терапевтическая доза тимохинона 50 мг/кг веса [38,387] (формулы тимохинона, SkQ1, MitoQ и некоторых их производных показаны на рис. II.7.3.3). Меньшая эффективность тимохинона неудивительна, т. к. он, в отличие от других соединений на этом рисунке, не имеет проникающего катиона в своем составе и поэтому не адресуется в митохондрии. Таким проникающим катионом мог бы быть растительный алкалоид берберин. Нельзя исключить, что берберин или какое-либо другое вещество такого же типа могло бы стать партнером пласто- или тимохинона в неком природном антиоксиданте, адресованном в митохондрии. В нашей лаборатории был получен путем химического синтеза SkQBerb, составленный из пластохинона и берберина, связанных декановым линкером. Вещество оказалось примерно такой же антиоксидантной активности, как SkQ1. В настоящее время Г.А. Коршунова в нашей группе синтезировала SkTQ, где толухинон соединен с децилтрифенилфосфонием. Оказалось, что его активность как ингибитора апоптоза, вызванного H2O2, заметно больше, чем у SkQ1, а окно между анти- и прооксидантным действием на митохондрии в 30 раз превышает таковое для SkQ1 [302,327].
тимохинона (окисленные формы). R+ — децилтрифенилфосфоний.
Интригующая возможность состоит в том, что в природе всё же существуют катионные производные пласто- или тимохинона и их действие как геропротекторов было использовано в глубокой древности для радикального продления жизни (вплоть до Мафусаиловых лет). Затем секрет источника этих веществ был утерян, и о древних долгожителях остались только легенды.
Итак, упрощение структуры убихинона в ряду MitoQ, DMMitoQ, SkQ3, SkQ1 и SkTQ ведет к неуклонному улучшению антиоксидантной активности исследуемого вещества в митохондриях. А что будет, если продолжить этот ряд и лишить остаток толухинона в SkTQ последней из оставшихся метильных групп? Недавно Г.А. Коршуновой было синтезировано такое вещество, содержащее бензохинон в качестве антиоксиданта (SkBQ, см. рис. II.7.3.3). Как оказалось, это соединение обладает резко сниженной антиоксидантной и повышенной прооксидантной способностью [302]. Этот результат свидетельствует, что SkTQ представляет собой оптимальный вариант антиоксиданта типа SkQ, дальнейшее упрощение которого ухудшает его свойства.
Рис. II.7.3.4
На рис. II.7.3.4 показано сравнение действия трех антиоксидантов: SkQ1, MitoQ и ?-токоферола — на развитие катаракты и ретинопатии у крыс OXYS, находящихся в состоянии постоянного окислительного стресса. Полуторамесячные крысы получали антиоксиданты с пищей в течение следующих полутора месяцев. Контрольные животные не получали лечения. Видно, что SkQ1 практически полностью предотвращал развитие обоих заболеваний, в то время как MitoQ и ?-токоферол были гораздо менее эффективны [402]. Это может объяснить отрицательный результат группы М. Мерфи, пытавшейся предотвратить развитие наследственных ретинопатий у грызунов посредством MitoQ [370]. На рис. II.7.3.5 показан эффект длительного применения SkQ1. Крысам давали 250 нмоль SkQ1/^ в день с возраста 1,5 месяца до 24 месяцев. За это время крысы без SkQ1 практически ослепли, так что свет уже не вызывал никакого ответа на электроретинограмме (рис. 11.7.3.5а). Фотоэлектрический ответ сохранялся, если крысы получали SkQ1. Важно, что SkQ1 обладал не только профилактическим (рис. 11.7.3.5а,б), но и терапевтическим (рис рис. 11.7.3.5в,г) эффектом, обращая развитие катаракты и ретинопатии у крыс OXYS. Полного обращения не удалось получить только у очень старых (24-месячных) крыс [429,328].
Рис. II.7.3.5
Результаты, суммированные в этом разделе, показывают, что SkQ1, соединение растительного антиоксиданта пластохинона и проникающего катиона децилтрифенилфосфония, избирательно адресуется во внутриклеточную мембрану митохондрии, где может концентрироваться до 100 млн. раз по сравнению с внеклеточной средой. Это вещество предотвращает перекисное окисление митохондриального фосфолипида — кардиолипина, что, по-видимому, и объясняет увеличение продолжительности жизни различных видов живых существ, включая млекопитающих, и замедляет либо предотвращает развитие большой группы старческих болезней и признаков старения.
