Окислительный стресс

Эта статья прошла проверку экспертом
Материал из «Знание.Вики»
Lipid peroxidation-es.svg

Окисли́тельный стре́сс — состояние организма, при котором возникает дисбаланс между активными формами кислорода (АФК) и антиоксидантами[1]. Нарушение окислительно-восстановительного статуса клеток приводит к токсическим последствиям, таким как производство пероксидов и свободных радикалов, которые повреждают различные компоненты клеток, включая белки, липиды и ДНК. Окислительный стресс, возникающий в процессе окислительного метаболизма, причиняет химические повреждения и разрывы в структуре ДНК.

История понятия

Некоторые представители активных форм кислорода.

Термин окислительного стресса и связанных с ним реакции, впервые был сформулирован в 1985 году в книге под названием «Окислительный стресс»[1]. Там, где есть кислород, присутствуют и свободные радикалы, образованные под воздействием кислорода, а также связанные с ними нерадикалы, собирательно называемые АФК[2]. К основным АФК относят супероксидный радикал, синглетный кислород, гидроксильный и пероксидный радикалы, перекись водорода, гипохлорид[3].

То, что процессы воздействия активных форм кислорода имеют свободнорадикальный механизм было предложено в 1954 году[4] и долгое время образование и накопление АФК считалось полностью неблагоприятным процессом, в частности, из-за окисления ДНК[5].

С другой стороны, свободные радикалы играют важную роль во многих биологических процессах, участвуя в катаболизме старых молекул и синтезе новых, регуляции метаболизма соединительной ткани, программируемой клеточной гибели (апоптоза), предотвращении цитоксического действия лекарственных препаратов. Также АФК помогают организму защититься от инфекции. Приведенные примеры подчеркивают важность АФК для биологических систем в малых концентрациях, но появление избытка радикалов, приводит к окислительному стрессу, что, в свою очередь, наносит серьёзный вред клеткам. К числу патологии, к которым приводит избыток радикалов и других АФК входят сердечно-сосудистые, воспалительные, онкологические, эндокринные и нейродегенеративные заболевания[6]. В частности, окислительный стресс может спровоцировать такие заболевания, как хронический бронхит, бронхиальная астма, ишемическая болезнь сердца, инфаркт миокарда, развития сосудистых осложнении сахарного диабета и другие.

Одним из важнейших последствий образования и накопления чрезмерного количества АФК является избыточная активация процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) клеточных мембран. Перекисное окисление липидов играет важную роль во многих жизненно важных процессах, таких как: регуляция активности внутриклеточных ферментов, регуляция сердечно-сосудистой системы, процессы дыхания, нервная регуляция сократительной функции желудка и множество других, которые необходимы для обеспечения физиологических процессов. С другой стороны, чрезмерное перекисного окисление липидов также приводит к патологическим процессам. К настоящему времени известно уже более 200 заболеваний и патологических состояний, в патогенезе которых принимают участие свободные радикалы. При этом для разных заболеваний характерна однонаправленность изменений внутренней среды и функциональных нарушений кровеносных сосудов, что позволяет говорить о едином механизме их развития — дисбалансе в системе «ПОЛ — антиоксиданты»[7].

Свободнорадикальная биомедицина и химия в СССР

Вторая половина 20 века ознаменовалась огромными достижениями в области исследования свободнорадикального окисления. Успехи в изучении этого процесса тесно связаны с именами отечественных ученых: лауреата Нобелевской премии Н. Н. Семенова, академиков Н.М Эммануэля, Е. Т. Денисова, Ю. А. Владимирова, В.И Арчакова, Б. Т. Величковского, профессоров Б.Н Тарусова, А. И. Журавлева, Е.Б Бурлаковой, В. З. Ланкина, А.Х Когана, А. Я. Герчикова и других[8].

Важная роль перекисного окисления липидов и недостаточности факторов антиоксидантной защиты в общепатологических процессах, в частности при холодовом и токсическом стрессах, опухолевом росте, воспалении, а также при физиологической и патологической беременности (в том числе на экспериментальных животных), исследовалась в лабораториях Института клинической и экспериментальной медицины Сибирского отделения РАМН (г. Новосибирск), начиная с 1972 г.[7]

Проведенные Б. Н. Тарусовым и Н. М. Эммануэлем исследования показали, что действие ионизирующих излучений на живые организмы реализуется через образование радикалов, возникающих при расщеплении воды, что доказывало патогенетическую значимость радикалов в генезе лучевой болезни[9]. Параллельно группой химиков под руководством лауреата Нобелевской премии Н. Н. Семенова была разработана теория цепного-радикального окисления органических молекул, которая оказалась применима к липидам клеточных мембран живого организма. Его ученик академик АН СССР Н. М. Эммануэль впервые высказал предположение, что вызванные свободными радикалами повреждения играют решающую роль в возникновении и развитии злокачественных новообразований[10]. Данные исследования вызвали значительный интерес к проблеме свободно-радикального окисления в живых системах во всем мире и заложили основу новой научной дисциплины — свободнорадикальной биологии и медицины в СССР и России.

Обобщением данных о механизмах ПОЛ в биологических мембранах и его роли в развитии болезней человека стали результаты исследовании под руководством Ю. А. Владимирова и А. И. Арчакова. Этими учеными было доказано, что одним из четырёх основных фундаментальных механизмов нарушения барьерной функции мембран при патологии является ПОЛ, которое приводит к понижению электрической прочности мембран и их пробою под действием трансмембранного электрического потенциала[7]. Дальнейшие исследования показали, что процесс ПОЛ затрагивает важнейшие характеристики липидной фазы мембран (заряд, вязкость, мембранную проницаемость), приводит к нарушению белок-липидных взаимодействий, изменению активности мембраносвязанных ферментов. Это позволило сделать вывод, что ПОЛ — универсальный механизм повреждения мембранных структур клетки при различных патологических состояниях и воздействии неблагоприятных факторов внешней среды[11].

Антиоксиданты

Антиоксиданты — вещества, которые взаимодействуя со свободными радикалами или другими АФК, останавливают нежелательные радикально-цепные реакции или значительно уменьшают их скорость протекания, соответственно, борются с окислительным стрессом.

В природе антиоксиданты содержатся во многих фруктах, овощах и других продуктах, а также в составе биологически-активных добавок (БАД). Наиболее известными антиоксидантами являются витамины С, Е, А и бета-каротин. Широко используются такие антиоксиданты, как глутатион, коэнзим Q10, липоевая кислота, флавоноиды, различные фенолы и полифенолы и другие. В последнее время активно развиваются исследования новых биологически активных лекарственных препаратов, терапевтическое действие которых коррелирует с антиоксидантной активностью.

Классические антиоксиданты — витамины А, С, Е и каратиноиды, активны почти ко всем АФК. Восстановленный глутатион, аскорбиновая кислота (гидрофильные антиоксиданты) защищают вещества гиалоплазмы и матрикса митохондрий. Витамины А, Е и другие каротиноиды (идрофобные антиоксиданты) восстанавливают АФК в мембране. Убихинол, являющийся одной из форм коэнзима Q10, обладает ярко выраженными свойствами антиоксиданта, предотвращая перекисное окисление мембранных липидов. Он обрывает цепной процесс ПОЛ, превращаясь в убисемихинон, который может реагировать с новыми липидными радикалами[3].

Эффективность антиоксидантного действия зависит как от природы ингибитора, субстрата окисления и условий их совместного использования, так и от целого ряда факторов, которые возникают в каждом конкретном процессе.

Прооксиданты

Проокисиданты — вещества, действие которых приводит к возникновению окислительного стресса. Механизм действия прооксидантов связан с генерацией АФК, либо блокированием действия антиоксидантов. Некоторые вещества в зависимости от условий (концентрации вещества, наличии катализаторов, переходных металлов, кислорода) могут проявлять себя и как прооксиданты, и как антиоксиданты. Прооксиданты провоцируются такими факторами как: лекарства, окислительно-восстановительные металлы, пестициды, психическое беспокойство, стресс, патофизиологические состояния, факторы окружающей среды (загрязнители воздуха, ионизирующее и неионизирующее излучение), средства для дезинфекции воды и действие антиокисдантов, которые взаимодействуя с кислородом, могут сами превратиться в проокисданты (проявляют инверсию свойств)[12].

Классификация

Учитывая огромное разнообразие и спектр прооксидантных и антиоксидантных ферментов и соединений, были предприняты попытки классифицировать подформы окислительного стресса и концептуально ввести шкалу интенсивности — от физиологического окислительного стресса до чрезмерного и токсического окислительного воздействия[13]:

Классификация:

  • физиологический окислительный стресс;
  • окислительный стресс низкой интенсивности;
  • окислительный стресс промежуточной интенсивности;
  • окислительный стресс высокой интенсивности.

Специфические формы зависят от причин возникновения, среди которых основные:

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 Sies H. On the history of oxidative stress: Concept and some aspects of current development (англ.) // Current Opinion in Toxicology. — 2018. — Vol. 7. — P. 122—126. — doi:10.1016/j.cotox.2018.01.002.
  2. ↑ Dickinson B. C., Chang C. J. Chemistry and biology of reactive oxygen species in signaling or stress responses (англ.) // Nature Chemical Biology. — 2011. — Vol. 7, no. 8. — P. 504—511. — doi:10.1038/nchembio.607.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 Донцов В. И., Крутько В. Н., Мрикаев Б. М., Уханов С. В. Активные формы кислорода как система: значение в физиологии, патологии и естественном старении // Труды института системного анализа Российской академии наук. — 2006. — Т. 19. — С. 50 – 69.
  4. ↑ Gerschman R., Gilbert D. L., Nye S. W., Dwyer P., Fenn W. O. Oxygen poisoning and X-irradiation: a mechanism in common (англ.) // Science. — 1954. — Vol. 119, no. 3097. — P. 623—626. — doi:10.1126/science.119.3097.623.
  5. ↑ Halliwell B., Gutteridge J. M. C. Oxygen toxicity, oxygen radicals, transition metals and disease (англ.) // Biochemical Journal. — 1984. — Vol. 219, no. 1. — P. 1—14. — doi:10.1042/bj2190001.
  6. ↑ Halliwell B., Gutteridge J. M. C. Free Radicals in Biology and Medicine (англ.). — 5th ed. — Oxford: Oxford University Press, 2015. — 960 p. — ISBN 978-0-19-871748-5.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 Колесникова Л.И., Даренская М.А., Колесников С.И. [10.20538/1682-0363-2017-4-16–29 Свободнорадикальное окисление: взгляд патофи- зиолога] // Бюллетень сибирской медицины. — 2017. — Т. 4, № 16. — С. 16—29.
  8. ↑ P.P. Фархутдинов. [https://cyberleninka.ru/article/n/svobodnoradikalnoe-okislenie-mify-i-realnost-izbrannye-lektsii СВОБОДНОРАДИКАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ: МИФЫ И РЕАЛЬНОСТЬ (Избранные лекции)] // сайт.
  9. ↑ Weiss J.F., Landauer M.R. [// I. 2009; 85 (7): 539–573. http://dx.doi. org/10.1080/09553000902985144. History and development of radiation-protective agents] // International journal of radiation biology. — 2009.
  10. ↑ Emanuel N.M. [DOI: https://doi.org/10.1017/S0033583500002420. Free radicals and the action of inhibitors of radical processes under pathological states and ageing in living organisms and in man] // Quarterly Reviews of Biophysics. — 1976.
  11. ↑ Vladimirov Yu.A., Proskurnina E.V., Izmailov D.Yu. [DOI: 10.1007/s10517-007-0340-3. Chemiluminescence as a method for detection and study of free radicals in biological systems] // Bulletin of Experimental Biology and Medicine. — 2007.
  12. ↑ Меньщикова Е. Б., Ланкин В. З., Зенков Н. К., Бондарь И. А., Круговых Н. Ф., Труфакин В. А. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты. — М.: Фирма «Слово», 2006. — 556 с. — ISBN 5-900228-55-X.
  13. ↑ Lushchak V.I. Free radicals, reactive oxygen species, oxidative stress and its classification (англ.) // Chemico-Biological Interactions. — 2014. — Vol. 224. — P. 164—175. — doi:10.1016/j.cbi.2014.10.016.
WLW Checked Off icon.svg Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Окислительный_стресс&oldid=938299