Окислительный или оксидативный стресс — это дисбаланс между производством окислителей (свободных радикалов) в клетках и тканях и способностью нашего организма обезвреживать их. Чаще всего окислительный стресс описывают как вредоносное состояние для организма, но верно и то, что он необходим нашему организму. В этой статье мы разберемся с плохим и хорошим влиянием оксидативного стресса на здоровье человека.
Что такое окислительный стресс?
Термин «окислительный стресс» ввел в 1985 году немецкий доктор-биохимик Гельмут Сис. Он дал определение окислительного стресса как «нарушения баланса между окислителями и антиоксидантами в пользу первых». Окислителями являются свободные радикалы — это молекулы имеющие неспаренный электрон на внешней орбитали, что делает их нестабильными и чрезвычайно реакционноспособными.
Рис.1 Свободный радикал.
Свободные радикалы могут образовываться в нашем организме в результате нормальных или патологических процессов, а также под воздействием негативных факторов окружающей среды, таких как загрязнение воздуха, курение, радиационного или ультрафиолетового излучения.
Рис.2 Факторы приводящие к образованию свободных радикалов в организме.
- окислительно-восстановительные реакции в ходе нормальной жизнедеятельности
- воздействие ионизирующего излучения (ренген, ультрафиолетовые лучи, радиоактивные источники излучения и т.п.)
- реакции воспаления
- ферментативный метаболизм (обезвреживании) экзогенных химических веществ или лекарственных средств
- реакции с переходными металлами (железо и медь)
Свободные радикалы и активные формы кислорода
Существует много типов свободных радикалов, но наибольшее негативное воздействие в нашем организме оказывают свободные радикалы известные как активные формы кислорода (АФК).
Рис.3 Свободные радикалы.
У кислорода есть два неспаренных электрона, по одному на каждой из двух внешних оболочек. Эта структура делает кислород особенно восприимчивым к образованию радикалов. Активные формы кислорода (АФК) представляют собой реактивные формы стандартной молекулы кислорода. Высокий уровень АФК вызывает повреждение клеточных структур, что приводит к развитию окислительного стресса.
Рис.4 Активные формы кислорода.
- супероксид анион-радикал — ион молекулы кислорода с неспаренным электроном
- гидроксильный радикал — наиболее опасная молекула из активных форм кислорода ввиду своей высокой реакционной способности
- перекись (пероксид) водорода — не является в прямом смысле свободным радикалом, но обладает способностью инициировать свободнорадикальное окисление, поэтому является цитотоксическим соединением
- синглетный кислород — возбужденная форма молекулярного кислорода, обладает сильным окислительным потенциалом, провоцирует образование других АФК в высоких концентрациях
Главной особенностью радикальных форм кислорода является их способность практически мгновенно реагировать с молекулами, контактирующими с ними. Они запускают процессы окисления непосредственно в местах своего образования – в митохондриях, клеточной мембране, мембранах эндоплазматического ретикулума. Под воздействием АФК происходит окисление различных молекул — ядерной и митохондриальной ДНК, РНК, белков, фосфолипидов и гликозаминогликанов. Это приводит к разрушению клеточных мембран, внутриклеточных структур и органелл клеток.
Длительный окислительный стресс лежит в основе развития таких заболеваний, как рассеянный склероз, миодистрофия, болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера, атеросклероз, ишемическая болезнь сердца и инфаркт миокарда, хроническая обструктивная болезнь легких, метаболический синдром.
Рис.5 Воздействие свободных радикалов на клетки организма.
Свободные радикалы могут образовываться под влиянием как из эндогенных (внутренних), так и экзогенных (внешних) факторов. Активация иммунных клеток, воспаление, ишемия, инфекция, чрезмерные физические нагрузки, умственный стресс и старение — все это ответственно за эндогенное (внутреннее) производство свободных радикалов. Экзогенное (внешнее) влияние стимулирующее образование свободных радикалов — загрязненная окружающая среда, воздействие тяжелых металлов и некоторых лекарственных препаратов (циклоспорин, такролимус, гентамицин и блеомицин), химических растворителей, некоторые способы приготовления пищи (копчение, жарка во фритюре, продукты глубокой переработки), сигаретный дым, алкоголь и радиация. Когда эти экзогенные соединения проникают в организм, они разлагаются или метаболизируются и в качестве побочных продуктов образуются свободные радикалы.
Положительные эффекты оксидативного стресса
При поддержании в низких или умеренных концентрациях свободные радикалы играют несколько полезных ролей для организма. Они необходимы клеткам иммунной системы для борьбы с патогенами. Фагоциты (клетки иммунной системы) синтезируют и хранят свободные радикалы, чтобы иметь возможность высвобождать их при вторжении патогенных микробов. АФК играют важную роль для иммунной системы и при нарушении их синтеза могут возникать различные проблемы.
К примеру люди с гранулематозной болезнью не могут производить супероксид анион-радикал из-за дефектной системы НАДФН-оксидазы. Это приводит к возникновению у них множественных и в большинстве случаев персистирующих (непрерывно протекающих) инфекционных заболеваний. Свободные радикалы также играют ключевую роль во внутриклеточных сигнальных каскадах (внутриклеточная передача информации) в нескольких типах клеток, таких как фибробласты, эндотелиальные клетки, гладкомышечные клетки сосудов, сердечные миоциты и ткань щитовидной железы.
Рис.6 Оксид азота.
Наиболее известным свободным радикалом, выступающим в роли сигнальной молекулы, является оксид азота. Это важный межклеточный мессенджер способствует расширению сосудов, увеличению содержания кислорода в крови, препятствует образованию тромбов и имееет решающее значение для нормальной нервной активности. Оксид азота также участвует в неспецифической защите организма необходимой для уничтожения внутриклеточных патогенов и опухолевых клеток.
Поэтому свободные радикалы, если их поддерживать на низком или умеренном уровне, имеют важное значение для здоровья человека.
Отрицательные эффекты оксидативного стресса
При избытке свободные радикалы вызывают окислительный стресс — это вредоносный процесс, который может негативно повлиять на несколько клеточных структур — мембраны, липиды, белки, липопротеины и ДНК. Окислительный стресс возникает, когда существует дисбаланс между образованием свободных радикалов и способностью клеток очищаться от них. Например, избыток гидроксильного радикала и пероксинитрита может вызывать перекисное окисление липидов, что приводит к повреждению клеточных мембран и липопротеинов. Это, в свою очередь, приведет к образованию малонового диальдегида и сопряженных диеновых соединений, которые, обладают как цитотоксическими (повреждающим клетки) так и мутагенными свойствами (повреждение генов и хромосом).
Белки также могут повреждаться окислительным стрессом и претерпевать конформационные модификации (изменение структуры), которые приводят к потере или нарушению их ферментативной активности. Даже ДНК может повреждаться в под влиянием окислительного стресса.
При отсутствии строгого контроля окислительный стресс может быть причиной возникновения ряда заболеваний, как хронических, так и дегенеративных, а также ускорять процесс старения организма и вызывать острые патологии.
Рис.7 Окислительный стресс.
Рак и окислительный стресс
Возникновение рака у человека представляет собой сложный процесс, который требует как клеточных, так и молекулярных изменений под влиянием эндогенных и/или экзогенных триггеров. Окислительное повреждение ДНК является одним из тех стимулов, которые ответственны за развитие рака. Окислительный стресс может вызывать разнообразное количество модификаций структуры ДНК, например, повреждения оснований и сахаров, перекрестные связи ДНК-белок, разрывы цепей и участки свободные от оснований.
Курение табака, загрязнение окружающей среды и хроническое воспаление являются источниками окислительного повреждения ДНК, которое может способствовать возникновению опухоли. Окислительный стресс, вызванный образом жизни, также может играть значительную роль в развитии рака.
Сердечно-сосудистые заболевания
Данные исследований последних лет указывают на то, что окислительный стресс следует рассматривать либо как первичную, либо как вторичную причину многих сердечно-сосудистых заболеваний. Окислительный стресс действует главным образом как триггер атеросклероза. Хорошо известно, что образование атероматозных бляшек является результатом раннего эндотелиального воспаления, которое, в свою очередь, приводит к образованию АФК макрофагами.
Затем циркулирующие ЛПНП окисляются активными формами кислорода, что приводит к образованию пенистых клеток и накоплению липидов. Результатом этих мероприятий является образование атеросклеротической бляшки. Исследования подтвердили роль окислительного стресса в развитии атеросклероза, ишемии, гипертонии, кардиомиопатии, сердечной гипертрофии и застойной сердечной недостаточности.
Неврологические заболевания
Окислительный стресс связан с несколькими неврологическими заболеваниями — болезнью Паркинсона, болезнью Альцгеймера, боковым амиотрофическим склерозом, рассеянным склерозом, депрессией и потерей памяти. При болезни Альцгеймера окислительное повреждение играет ключевую роль в гибели нейронов и развитии деменции. β-амилоид, токсичный пептид, присутствующий в мозге, вырабатывается под действием свободных радикалов. Известно, что он, по крайней мере частично, ответственен за нейродегенерацию, наблюдаемую во время начала и прогрессирования болезни Альцгеймера.
Респираторные заболевания
Несколько исследований показали, что заболевания легких, такие как астма и хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ), обусловленные системным и локальным хроническим воспалением, связаны с окислительным стрессом.
Ревматоидный артрит
Ревматоидный артрит представляет собой хроническое воспалительное заболевание, поражающее суставы и окружающие ткани, характеризующееся инфильтрацией макрофагами и активированными Т-клетками. Свободные радикалы в месте воспаления играют важную роль как в возникновении, так и в прогрессировании этого синдрома.
Заболевания почек
Окислительный стресс участвует во множестве заболеваний, поражающих почечный аппарат, таких как гломеруло- и канальцево-интерстициальный нефрит, почечная недостаточность, протеинурия и уремия. Окислительный стресс отрицательно влияет на почки, главным образом из-за того, что продукция АФК вызывает активацию воспалительных клеток и продукцию провоспалительных цитокинов, что приводит к начальной стадии воспаления.
Стимулы окислительного стресса хронически воздействуют на ткани почек, что приводит к воспалению, а затем образованию обильной фиброзной ткани, которая нарушает функцию органа и может привести к почечной недостаточности.
Известно, что некоторые препараты, такие как циклоспорин, такролимус, гентамицин и блеомицин являются нефротоксическими в основном из-за того, что они повышают уровень свободных радикалов и окислительный стресс посредством перекисного окисления липидов. Тяжелые и переходные металлы (железо, медь, хром), действующие как мощные индукторы окислительного стресса, ответственны за различные формы нефропатии, а также за некоторые виды рака.
Окислительный стресс и свободные радикалы несут ответственность за множество патологических состояний, поражающих различные ткани и системы, являясь одним из наиболее важных и широко распространенных вредоносных фактора для здоровья человека.
Антиоксидантная система
Несмотря на то, что клеточные органеллы обладают способностью поглощать и обезвреживать свободные радикалы этого недостаточно для того чтобы очистить клетку от АФК вырабатываемых митохондриями.
- ферментные и неферментные антиоксиданты, блокируют образование свободных радикалов либо инактивируют их
- связывание переходных металлов белками (трансферрин, ферритин, церулоплазмин) для снижения образования АФК
- специальные ферменты расщепляющие и удаляющие свободные радикалы
Ферменты играют важную роль в защите клеток от окислительного стресса.
- супероксиддисмутазы — внутриклеточная, митохондриальная и внеклеточная
- каталаза
- глутатионпероксидаза
Рис.8 Ферментные антиоксиданты.
В дополнение к этим ферментам в ферментативном контроле образования АФК могут участвовать глутатионтрансфераза, церулоплазмин, гемоксигеназа и несколько других ферментов.
- витамин Е — защищает мембраны от окислительного повреждения
- витамин С — уменьшает количество радикалов из различных источников и способствует переработке радикалов витамином Е, но может быть прооксидантом при определенных условиях
- каротиноиды — играют важную роль в защите от окисления липидов
- глутатион — важная внутриклеточная защита от повреждения АФК
Выводы
Очевидно что окислительный стресс и свободные радикалы вредны для здоровья человека. Большое количество исследований демонстрирует, что свободные радикалы способствуют возникновению и прогрессированию ряда патологий, от сердечно-сосудистых заболеваний до рака.
Антиоксиданты способны противодействовать окислительному стрессу и смягчать его воздействие на здоровье людей. Они могут быть очень полезны для профилактики, контроля или лечения патологий вызванных окислительным стрессом, но прием их в виде биологически активных добавок может иметь побочные эффекты.
Рис.9 Как работают антиоксиданты.
Некоторые свободнорадикальные соединения могут быть полезны для здоровья человека и играют важную роль нормальной работе организма. Поэтому бесконтрольное применение антиоксидантов и чрезмерная борьба со свободными радикалами может навредить организму нарушая хрупкий баланс.
Чтобы защитить организм от вредоносного воздействия окислительного стресса основная часть антиоксидантов должна поступать с пищей. А применение добавок с антиоксидантами должно быть под строгим контролем лечащего врача.
