Окислительный стресс (оксидативный стресс, от англ. oxidative stress ) — процесс повреждения клетки в результате окисления . Окислительный стресс отражает дисбаланс между проявлениями активных форм кислорода (АФК) в организме и способностью биологической системы своевременно очищать себя от интермедиатов реакции и восстанавливать причиненный ущерб. Нарушение окислительно-восстановительного статуса клеток приводит к токсическим последствиям через производство пероксидов и свободных радикалов , которые повреждают все компоненты клеток, в том числе белки, липиды и ДНК . Окислительный стресс в ходе окислительного метаболизма наносит химические повреждения и приводит к разрыву нитей ДНК. Химические повреждения чаще бывают опосредованными и возникают по вине АФК, таких как O ₂ ⁻ ( супероксидный радикал), OH (гидроксильный радикал) и H ₂ O ₂ ( перекись водорода ) . Более того, некоторые активные формы кислорода выполняют в клетках функцию посредников редокс-сигналинга. Отсюда следует, что окислительный стресс может вывести из строя нормальные механизмы передачи сигнала в клетке .

Введение

Все формы жизни сохраняют восстанавливающую среду внутри своих клеток. Клеточный «редокс-статус» поддерживается специализированными ферментами в результате постоянного притока энергии. Нарушение этого статуса вызывает повышенный уровень токсичных реактивных форм кислорода , таких как пероксиды и свободные радикалы . В результате действия реактивных форм кислорода такие важные компоненты клетки, как липиды и ДНК , окисляются.

У человека окислительный стресс является причиной или важной составляющей многих серьёзных заболеваний, таких как атеросклероз , гипертензия , болезнь Альцгеймера , диабет , бесплодие , а также является одной из составляющих синдрома хронической усталости и процесса старения . В некоторых случаях, однако, окислительный стресс используется организмом как защитный механизм. Иммунная система человека использует для борьбы с патогенами , а некоторые реактивные формы кислорода могут служить посредниками в передаче сигнала .

Химия и биология окислительного стресса

С химической точки зрения окислительный стресс представляет собой значительное увеличение клеточного редокс-потенциала или существенное снижение восстановительной способности клеточных редокс-пар, таких как окисленный/восстановленный глутатион . Эффект окислительного стресса зависит от силы его выраженности. Клетки могут вернуться в исходное состояние при небольших нарушениях. Однако более выраженный окислительный стресс вызывает клеточную смерть.

В человеческом организме наиболее распространены реакции Фентона и Габера-Вейса , генерирующие гидроксил-радикалы .

Наиболее опасная часть окислительного стресса — это образование реактивных форм кислорода (РФК), в которые входят свободные радикалы и пероксиды . Один из наименее реактивных РФК, супероксид , спонтанно или в присутствии переходных металлов превращается в более агрессивные ( гидроксильный радикал и др.), что может вызвать повреждение многих клеточных компонентов — липидов , ДНК и белков (как результат их окисления). Большинство РФК постоянно образуются в клетке, но их уровень в норме настолько небольшой, что клетка либо инактивирует их с помощью антиоксидантной системы , либо заменяет повреждённые молекулы. Таким образом РФК, образующиеся в качестве побочных продуктов нормального клеточного метаболизма (в основном из-за небольшой утечки электронов в дыхательной цепи митохондрий , а также других реакций в цитоплазме ), не вызывают повреждения клетки. Однако уровень РФК, превышающий защитные возможности клетки, вызывает серьёзные клеточные нарушения (например, истощение АТФ ) и как результат разрушение клетки. В зависимости от силы стресса клетки могут погибнуть в результате апоптоза , когда внутреннее содержимое клетки успевает деградировать до нетоксичных продуктов распада, или в результате некроза , когда сила окислительного стресса слишком велика. При некрозе клеточная мембрана нарушается и содержимое клетки высвобождается в окружающую среду, что может в результате повредить окружающие клетки и ткани.

Влияние электромагнитных полей и излучений ^{[ нейтральность? ]}

Различается два типа электромагнитного излучения: ионизирующее и неионизирующее . Неионизирующее излучение включает три частотных диапазона; статический (0 Гц), чрезвычайно низкий частотный диапазон (<300 Гц), промежуточный частотный диапазон (300 Гц — 10 МГц) и диапазон радиочастот, включая радиочастотные и микроволновые (от 10 МГц до 300 ГГц). Достаточно мощные низкочастотные электромагнитные поля могут привести к большему повреждению систем организма, так как эти частоты близки к физиологическому диапазону ^{[ неизвестный термин ]} , и, следовательно, их перекрытие может искажать происходящие биологические процессы.

Электромагнитное поле усиливает генерацию активных форм кислорода и, таким образом, при достаточной ^{[ какой? ]} мощности оказывает разрушительное воздействие на различные клеточные органеллы, такие как митохондриальная ДНК сперматозоидов.

Воздейстие сильного ЭМИ на гемато-тестикулярный барьер может влиять на его проницаемость, что приводит к генерации антиспермальных антител (АСА), являющихся ключевым элементом мужской фертильности, АСА связаны с окислительным стрессом в сперматозоидах, который нарушает капацитацию, акросомную реакцию и вызывают .

В опытах на животных изучались ЭМП 50 и 60 Гц. Воздействие мощного ^{[ насколько? ]} ЭМП, подобно свету, непосредственно влияет на шишковидную железу , ухудшая биологический эффект мелатонина ^{[ прояснить ]} . Мелатонин регулирует ритмы гонадотропин-высвобождающих гормонов в гипоталамусе, влияя на фолликулостимулирующий гормон (ФСГ) и лютеинизирующий гормон (ЛГ), а также эффективно снижает окислительный стресс. Это может изменить производство половых гормонов, что приведет к изменениям в сперматогенезе и маскулинизации .

Радиационная травма живых клеток в значительной степени обусловлена ​​образованием свободных радикалов. Наиболее часто поврежденной биомолекулой из-за ионизирующего излучения является ДНК. Воздействие ионизирующего излучения считается канцерогенным.

Заболевания

Исследователи предполагают, что окислительный стресс играет ключевую роль в развитии нейродегенеративных заболеваний , в том числе болезни Лу Герига (БАС или болезнь моторных нейронов), болезни Паркинсона, Альцгеймера, Хантингтона, депрессии и рассеянного склероза . Также его последствия прослеживаются в нарушениях нервно-психического развития, таких как расстройства аутического спектра . Косвенные доказательства, полученные в результате мониторинга таких биомаркеров, как активные формы кислорода, и производства активных форм азота (АФА) указывают на то, что окислительные повреждения участвуют в патогенезе этих заболеваний , тогда как кумулятивный окислительный стресс при нарушении митохондриального дыхания и поражении митохондрий связывают с развитием болезни Альцгеймера, Паркинсона и другими нейродегенеративными заболеваниями .

Считается, что окислительный стресс связан с некоторыми сердечно-сосудистыми заболеваниями, так как окисление ЛПНП в эндотелии сосудов выступает в качестве прекурсора формирования бляшек. Окислительный стресс участвует в ишемическом каскаде в связи с реперфузионным повреждением миокарда с последующей гипоксией . В этот каскад нарушений входят как инсульты, так и инфаркты. Кроме того, окислительный стресс содействует развитию синдрома хронической усталости (СХУ) . Также окислительный стресс способствует повреждению тканей в результате облучения, отравления кислородом и при диабете. При гематологических раковых заболеваниях, таких как лейкемия, влияние окислительного стресса может быть двунаправленным. Активные формы кислорода нарушают функцию иммунных клеток и позволяют лейкемическим клеткам уклоняться от распознавания иммунной системой. С другой стороны, высокий уровень окислительного стресса избирательно оказывает токсическое действие на раковые клетки .

Окислительный стресс, вероятно, участвует в возрастном развитии онкологических заболеваний. Активные формы кислорода , которые появляются в результате окислительного стресса, напрямую повреждают ДНК, а значит являются мутагенами. Помимо этого, они подавляют апоптоз и способствуют пролиферации, инвазии и метастазированию . Инфекционная бактерия Helicobacter pylori , которая усиливает производство активных форм кислорода и азота в желудке, также принимает деятельное участие в развитии рака желудка .

Антиоксидантные биологически активные добавки

О применении антиоксидантов для профилактики некоторых заболеваний нет устоявшегося мнения . В группе высокого риска, например у курильщиков, высокие дозы бета-каротина провоцировали развитие рака легких, так как большие дозы бета-каротина вкупе с высоким парциальным давлением кислорода, вызванным курением, оказывают прооксидантный эффект, а антиоксидантный эффект только при низком давлении кислорода . В группах с меньшим риском заболеваемости витамин Е снижал риск развития болезни сердечно-сосудистой системы . Хотя богатые витамином Е продукты питания защищают от ишемической болезни сердца мужчин и женщин от среднего до пожилого возраста, биологически активные добавки приводят к повышению смертности, сердечной недостаточности и геморрагическому инсульту. Американская кардиологическая ассоциация рекомендует употреблять продукты с витаминами-антиоксидантами и другими полезными нутриентами, но предостерегает от биологически активных добавок с витамином Е из-за риска развития болезней сердца и сосудов . Применение витамина Е при других заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера, тоже приводит к неоднозначным результатам . Так как пищевые источники содержат большое разнообразие одновременно каротиноидов, токоферолов и токотриенолов группы Е, то результаты эпидемиологических исследований употребления цельных продуктов, проведенные постфактум, отличаются от искусственных экспериментов с отдельными веществами. Разработанный компанией AstraZeneca препарат NXY-059 для устранения свободных радикалов демонстрирует эффективность при лечении инсульта .

Окислительный стресс (согласно свободнорадикальной теории старения Денхама Хармана) способствует процессу старения организма. Хотя в поддержку этой идеи существуют убедительные доказательства, полученные у модельных организмов Drosophila melanogaster (дрозофила фруктовая) и Caenorhabditis elegans (почвенная нематода) , последние открытия из лаборатории Михаэля Ристова показывают, что окислительный стресс увеличивает продолжительность жизни Caenorhabditis elegans за счет индукции вторичной реакции на изначально повышенную концентрацию активных форм кислорода . С млекопитающими ситуация оказалась еще запутаннее . Результаты последних эпидемиологических исследований поддерживают процесс митогормезиса, однако метаанализ исследований с малым риском необъективности (рандомизированные, слепые, с последующим наблюдением) 2007 года показал, что некоторые популярные биологически активные добавки-антиоксиданты (витамин А, бета-каротин и витамин Е) повышают риск смертности (хотя исследования с низким уровнем объективности говорят обратное) .

В Министерстве сельского хозяйства США (USDA) удалили таблицу емкости поглощения свободных радикалов (индекс ORAC) в Списке избранных продуктов питания 2 (2010), так как не смогли найти убедительных доказательств в пользу того, что концентрация антиоксидантов в продуктах равноценна последующему антиоксидантному воздействию на организм .

Металлы-катализаторы

Металлы, такие как железо, медь, хром, ванадий и кобальт, участвуют в окислительно-восстановительном цикле, при котором один электрон может быть принят или отдан металлом. Это действие катализирует образование свободных радикалов и АФК . Присутствие таких металлов в биологических системах в неосложненной форме (не в белковом или другом защитном комплексе металлов) может значительно повысить уровень окислительного стресса. Считается, что эти металлы индуцируют реакцию Фентона и Хабера-Вайса, в которой гидроксильный радикал образуется из перекиси водорода. Затем гидроксильный радикал модифицирует аминокислоты. Например, мета- тирозин и орто-тирозин образуются при гидроксилировании фенилаланина . К другим реакциям относятся перекисное окисление липидов и окисление нуклеиновых оснований. Катализируемые металлами окисления также вызывают необратимые модификации R (Arg), K (Lys), P (Pro) и T (The). Чрезмерное окислительное повреждение приводит к деградации или агрегации белка .

Реакция переходных металлов с белками, окисленными АФК или АФА, может дать реакционноспособные производные, которые накапливаются и способствуют старению и развитию заболеваний. Например, у пациентов с болезнью Альцгеймера пероксидированные липиды и белки аккумулируются в лизосомах клеток мозга .

Редокс-катализаторы неметаллы

Наряду с катализаторами-металлами редокс-превращений, некоторые органические вещества тоже способны производить активные формы кислорода. К наиболее важным компонентам этого класса относятся хиноны. Хиноны могут вступать в окислительно-восстановительные процессы с родственными семихинонами и гидрохинонами, в некоторых случаях катализируя производство супероксида из молекулярного кислорода или перекиси водорода из супероксида.

Иммунная защита

Иммунная система пользуется поражающим действием окислителей, превращая выработку окисляющих веществ в ключевой элемент механизма уничтожения патогенов. Так активированные фагоциты продуцируют АФК и активные формы азота. К ним относятся супероксид (•O−2), оксид азота (•NO) и особенно реакционноспособное производное пероксинитрит (ONOO-) . Хотя использование этих высокоактивных веществ в цитотоксической активности фагоцитов вызывает повреждение тканей хозяина, неспецифичность воздействия этих окислителей выступает в качестве преимущества, поскольку они повреждают почти все части клетки-мишени , что не дает патогену уклониться от этой части иммунного ответа путем мутации одномолекулярной мишени.

Мужское бесплодие

Фрагментация ДНК сперматозоидов – важный этиологический фактор мужского бесплодия, так как у мужчин с высоким уровнем фрагментации ДНК существенно снижаются шансы на зачатие . Окислительный стресс – это основная причина фрагментации ДНК сперматозоидов . Высокий уровень маркера 8-OHdG , указывающего на окислительные повреждения ДНК, связывают с аномалиями сперматозоидов и мужским бесплодием .

Старение

Крысы-модели для исследования механизмов преждевременного старения в условиях окислительного стресса получили большие повреждения ДНК в новой коре и гиппокампе, чем контрольные крысы при нормальном процессе старения . Многочисленные исследования подтверждают, что концентрация продукта окислительного стресса – маркера 8-OHdG – повышается с возрастом в ДНК мозга и мышц у мышей, крыс, песчанок и людей . Дополнительная информация о связи окислительного повреждения ДНК со старением представлена в статье, посвященной мутационной теории старения. Однако недавно ученые выяснили, что фторхиноловый антибиотик Эноксацин ослабляет признаки старения и увеличивает продолжительность жизни у нематод C. elegans за счет индукции окислительного стресса .

Происхождение эукариот

Кислородная катастрофа , начавшаяся с биологически обусловенного появления кислорода в атмосфере Земли, произошла приблизительно 2,45 миллиарда лет назад. Судя по всему, повышенная концентрация кислорода из-за фотосинтеза цианобактерий в древних микросредах оказала сильное токсическое воздействие на окружающую биоту. В этих условиях селективное давление окислительного стресса запустило эволюционную трансформацию линии архей в первых эукариот . Вероятно окислительный стресс возник в совокупности с другими экологическими стрессами (такими как ультрафиолетовое излучение и/или усыхание), что стимулировало естественный отбор. Избирательное давление для эффективной репарации окислительных повреждений ДНК предположительно способствовало эволюции типов спаривания эукариот, что привело к возникновению таких особенностей, как слияние клеток, опосредованные цитоскелетом движения хромосом и появление ядерной мембраны . Таким образом, эволюция мейотического спаривания и эукариогенез были неотделимы от процессов, которые развивались с целью облегчения репарации окислительных повреждений ДНК .

Коронавирусная инфекция (COVID-19) и травмы сосудов и сердца

Возникло предположение, что окислительный стресс может играть решающую роль в определении кардиальных осложнений при COVID-19 .

См. также

• Реактивные формы кислорода
• Свободные радикалы
• Каталаза
• Супероксиддисмутаза
• Малондиальдегид
• Металлотионеин

Примечания

Ссылки

• Current Medicinal Chemistry, Volume 12, Number 10, May 2005, pp. 1161—1208(48) Metals, Toxicity and Oxidative Stress