^

Свободные радикалы и антиоксиданты

Открытие свободных радикалов и антиоксидантов стало для медицинской науки таким же значительным рубежом, как в свое время открытие микроорганизмов и антибиотиков, так как врачи получили не только объяснение многим патологическим процессам, включая старение, но и эффективные методы борьбы с ними.

Последнее десятилетие ознаменовалось успехами в изучении свободных радикалов в биологических объектах. Эти процессы оказались необходимым метаболическим звеном в нормальной жизнедеятельности организма. Они участвуют в реакциях окислительного фосфорилирования, в биосинтезе простагландинов и нуклеиновых кислот, в регулировании липотической активности, в процессах клеточного деления. В организме свободные радикалы чаще всего образуются при окислении ненасыщенных жирных кислот, и этот процесс тесно связан с перекисным свободно-радикальным окислением липидов (ПОЛ).

Что такое свободные радикалы?

Свободный радикал - это молекула или атом, имеющий неспаренный электрон на внешней орбите, что обусловливает его агрессивность и способность не только вступать в реакцию с молекулами клеточной мембраны, но также и превращать их в свободные радикалы (самоподдерживающаяся лавинообразная реакция).

Углерод, содержащий радикал вступает в реакцию с молекулярным кислородом, образуя пероксидный свободный радикал СОО.

Пероксидный радикал извлекает водород из боковой цепи ненасыщенных жирных кислот, образуя липидный гидропероксид и еще один углерод содержащий радикал.

Липидные гидропероксиды увеличивают концентрацию цитотоксичных альдегидов, а углерод содержащий радикал поддерживает реакцию формирования пероксидных радикалов и т. д. (по цепочке).

Известны различные механизмы образования свободных радикалов. Один из них - воздействие ионизирующей радиации. В некоторых ситуациях в процессе восстановления молекулярного кислорода присоединяется один электрон вместо двух и образуется высокореактивный супероксидный анион (О). Образование супероксида - это один из защитных механизмов от бактериальной инфекции: без кислородных свободных радикалов нейтрофилы и макрофаги не могут уничтожать бактерии.

Наличие антиоксидантов как в клетке, так и во внеклеточном пространстве указывает на то, что образование свободных радикалов это не эпизодическое явление, обусловленное воздействием ионизирующего излучения или токсинов, а постоянное, сопровождающее реакции окисления в обычных условиях. К основным антиоксидантам относятся ферменты группы супероксидных дисмутаз (SODs), функция которых заключается в каталитическом превращении перекисного аниона в перекись водорода и молекулярный кислород. Поскольку супероксидные дисмутазы встречаются повсеместно, правомерно предположить, что супероксидный анион является одним из основных побочных продуктов всех процессов окисления. Каталазы и пероксидазы превращают образующуюся в процессе дисмутации перекись водорода в воду.

Главной особенностью свободных радикалов является их необычайная химическая активность. Словно чувствуя свою ущербность, они пытаются вернуть себе утраченный электрон, агрессивно отнимая его у других молекул. В свою очередь "обиженные" молекулы тоже становятся радикалами и уже сами начинают разбойничать, отнимая электроны у своих соседей. Любые изменения в молекуле - будь то утрата или присоединение электрона, появление новых атомов или групп атомов - сказываются на ее свойствах. Поэтому свободнорадикальные реакции, протекающие в каком-либо веществе, меняют физико-химические свойства этого вещества.

Наиболее известным примером свободнорадикального процесса является порча масла (прогоркание). Прогорклое масло имеет своеобразный вкус и запах, что объясняется появлением в нем новых веществ, образовавшихся в ходе свободнорадикальных реакций. Самое главное, что участниками свободнорадикальных реакций могут становиться белки, жиры и ДНК живых тканей. Это приводит к развитию разнообразных патологических процессов, повреждающих ткани, старению и развитию злокачественных опухолей.

Наиболее агрессивными из всех свободных радикалов являются свободные радикалы кислорода. Они могут спровоцировать в живой ткани лавину свободнорадикальных реакций последствия которой могут быть катастрофическими. Свободные радикалы кислорода и его активные формы (например, перекиси липидов) могут образовываться в коже и любой другой ткани под действием УФ-излучения, некоторых токсичных веществ, содержащихся воде и воздухе. Но самое главное, что активные формы кислорода образуются при любое воспалении, любом инфекционном процессе, протекающем в коже или любом другом органе, так как именно они являются главным оружием иммунной системы, которым она уничтожает патогенные микроорганизмы.

Скрыться от свободных радикалов нельзя (также как нельзя скрыться от бактерий но от них можно защититься). Существуют вещества, которые отличаются тем, что их свободные радикалы менее агрессивны, чем радикалы других веществ. Отдав свой электрон агрессору, антиоксидант не стремится компенсировать потерю за счет других молекул, вернее, делает это лишь в редких случаях. Поэтому, когда свободный радикал реагирует с антиоксидантом, то он превращается в полноценную молекулу, а антиоксидант становится слабым и малоактивным радикалом. Такие радикалы уже неопасны не создают химического хаоса.

Что такое антиоксиданты?

«Антиоксиданты» - понятие собирательное и, подобно таким понятиям, как «антибластомные средства» и «иммуномодуляторы», не подразумевает принадлежности к какой-либо определенной химической группе веществ. Спецификой их является теснейшая связь со свободнорадикальным окислением липидов вообще и свободнорадикальной патологией в частности. Это свойство объединяет разные антиоксиданты, каждому из которых присущи свои особенности действия.

Процессы свободнорадикального окисления липидов носят общебиологический характер и являются при их резкой активации, по мнению многих авторов, универсальным механизмом повреждения клеток на уровне мембран. При этом в липидной фазе биологических мембран процессы липопероксидации вызывают повышение вязкости и упорядоченности мембранного бислоя, изменяют фазовые свойства мембран и снижают их электрическое сопротивление, а также облегчают обмен фосфолипидов между двумя монослоями (так называемый фосфолипидный флип-флоп). Под действием перекисных процессов происходит также угнетение подвижности мембранных белков. На клеточном уровне перекисное окисление липидов сопровождается набуханием митохондрий, разобщением окислительного фосфорилирования (а при далеко зашедшем процессе - солюбилизацией мембранных структур), что на уровне целого организма проявляется в развитии так называемых свободнорадикальных патологий.

Свободные радикалы и повреждение клетки

Сегодня стало очевидным, что образование свободных радикалов является одним из универсальных патогенетических механизмов при различных типах повреждения клетки, включая следующие:

  • реперфузия клеток после периода ишемии;
  • некоторые медикаментозно-индуцированные формы гемолитической анемии;
  • отравление некоторыми гербицидами;
  • правление четыреххлористым углеродом;
  • ионизирующее излучение;
  • некоторые механизмы старения клетки (например, накопление липидных продуктов в клетке - цероидов и липофусцинов);
  • кислородотоксичность;
  • атерогенез вследствие окисления липопротеидов низкой плотности в клетках артериальной стенки.

Свободные радикалы участвуют в процессах:

  • старения;
  • канцерогенеза;
  • химического и лекарственного поражения клеток;
  • воспаления;
  • радиоактивного повреждения;
  • атерогенеза;
  • кислородной и озоновой токсичности.

Эффекты свободных радикалов

Окисление ненасыщенных жирных кислот в составе клеточных мембран является одним из основных эффектов свободных радикалов. Свободные радикалы также повреждают белки (особенно тиолсодержащие) и ДНК. Морфологическим исходом окисления липидов клеточной стенки является формирование полярных каналов проницаемости, что увеличивает пассивную проницаемость мембраны для ионов Са2+, избыток которого депонируется в митохондриях. Реакции окисления обычно подавляются гидрофобными антиоксидантами, такими как витамин Е и глутатион-пероксидаза. Подобные витамину Е антиоксиданты, разрывающие цепи окисления, содержатся в свежих овощах и фруктах.

Свободные радикалы также реагируют с молекулами в ионной и водной среде клеточных компартментов. В ионной среде антиоксидантный потенциал сохраняют молекулы таких веществ, как восстановленный глутатион, аскорбиновая кислота и цистеин. Защитные свойства антиоксидантов становятся очевидны, когда при истощении их запасов в изолированной клетке наблюдают характерные морфологические и функциональные изменения, обусловленные окислением липидов клеточной мембраны.

Типы вызываемых свободными радикалами повреждений определяются не только агрессивностью продуцируемых радикалов, но и структурными и биохимическими характеристиками объекта воздействия. Например, во внеклеточном пространстве свободные радикалы разрушают гликозаминогликаны основного вещества соединительной ткани, что может быть одним из механизмов деструкции суставов (например, при ревматоидном артрите). Свободные радикалы изменяют проницаемость (следовательно, и барьерную функцию) цитоплазматических мембран в связи с формированием каналов повышенной проницаемости, что приводит к нарушению водно-ионного гомеостаза клетки. Полагают, что необходима обеспеченность витаминами и микроэлементами больных ревматоидным артритом, в частности, коррекция витаминной недостаточности и дефицита микроэлементов олигогалом Е. Это обусловлено тем, что доказана заметная активация процессов перекисного окисления и угнетение антиоксидантной активности, поэтому очень важно включение в комплексную терапию биоантиоксидантов с высокой антирадикальной активностью, к которым и относятся витамины антиоксиданты (Е, С и А) и микроэлементы селен (Sе). Показано также, что использование синтетической дозы витамина Е, который хуже всасывается, чем природный. Например, дозы витамина Е до 800 и 400 МЕ/сут приводят к снижению сердечно-сосудистых заболеваний (на 53%). Однако ответ об эффективности антиоксидантов будет получен в крупных контролируемых исследованиях (от 8000 до 40 000 пациентов), которые проводились в 1997 г.

В качестве защитных сил, поддерживающих скорость ПОЛ на определенном уровне, выделяют ферментные системы ингибирования перекиснош окисления и природные антиоксиданты. Выделяют 3 уровня регуляции скорости свободно-радикального окисления. Первая ступень антикислородная, поддерживает в клетке довольно низкое парциальное давление кислорода. Сюда в первую очередь относятся дыхательные ферменты, конкурирующие за кислород. Несмотря на широкую изменчивость поглощения О3 в организме и выделения из него СО2, рО2 и рСО2 в артериальной крови в норме сохраняются достаточно постоянными. Вторая ступень защиты антирадикальная. Она состоит из различных веществ, имеющихся в организме (витамин Е, кислота аскорбиновая, некоторые стероидные гормоны и т. д.), которые прерывают процессы ПОЛ, взаимодействуя со свободными радикалами. Третья ступень антиперекисная, уничтожающая уже образовавшиеся перекиси с помощью соответствующих ферментов или неферментативно. Однако еще нет единой классификации и единых взглядов на механизмы регуляции скорости свободно-радикальных реакций и действия защитных сил, обеспечивающих утилизацию конечных продуктов ПОЛ.

Полагают, что в зависимости от интенсивности и длительности, изменения в регуляции реакций ПОЛ могут: во-первых, носить обратимый характер с последующим возвращением к норме, во-вторых, приводить к переходу на другой уровень авторегуляции и, в-третьих, некоторые из воздействий разобщают этот механизм саморегуляции, а, следовательно, приводят к невозможности осуществления регуляторных функций. Именно поэтому понимание регуляторной роли реакций ПОЛ в условиях действия на организм экстремальных факторов, в частности, холода, необходимый этап исследований, направленных на разработку научно обоснованных методов управления процессами адаптации и комплексной терапии, профилактики и реабилитации наиболее распространенных заболеваний.

Одним из наиболее часто употребляемых и эффективных является комплекс антиоксидантов, который включает токоферол, аскорбат и метионин. Анализируя механизм действия каждого из примененных антиоксидантов, отмечено следующее. Микросомы - одно из основных мест накопления в клетках печени экзогенно введенного токоферола. В качестве возможного донора протонов может выступать аскорбиновая кислота, которая окисляется до дегидроаскорбиновой. Кроме того, показана способность аскорбиновой кислоты непосредственно взаимодействовать с синглетным кислородом, гидроксильным радикалом и супероксидным анион-радикалом, а также разрушать перекись водорода. Имеются также доказательства, что токоферол в микросомах может регенерироваться тиолами и, в частности, восстановленным глутатионом.

Таким образом, в организме существует целый ряд взаимосвязанных антиоксидантных систем, основная роль которых заключается в поддержании ферментативных и неферментативных окислительных реакций на стационарном уровне. На каждом из этапов развития перекисных реакций существует своя специализированная система, осуществляющая эти функции. Часть из этих систем строго специфична, другие, такие как глутатионпероксидаза, токоферол, обладают большей широтой действия и меньшей субстратной специфичностью. Аддитивность взаимодействия ферментативных и неферментативных антиоксидантных систем между собой обеспечивает устойчивость организма к экстремальным факторам, обладающим прооксидантными свойствами, т. е. способностью к созданию в организме условий, предрасполагающих к выработке активированных форм кислорода и активации реакций ПОЛ. Не вызывает сомнения тот факт, что активация реакций ПОЛ наблюдается под воздействием на организм ряда факторов внешней среды и при патологических процессах различной природы. По мнению В. Ю. Куликова и соавт. (1988), в зависимости от механизмов активации реакций ПОЛ все факторы, действующие на организм, можно с определенной долей вероятности разделить на следующие группы.

Факторы физико-химической природы, способствующие увеличению в тканях предшественников и непосредственных активаторов реакций ПОЛ:

  • кислород под давлением;
  • озон;
  • оксид азота;
  • ионизирующая радиация и др.

Факторы биологической природы:

  • процессы фагоцитоза;
  • разрушение клеток и клеточных мембран;
  • системы генерации активированных форм кислорода.

Факторы, определяющие активность антиоксидантных систем организма ферментативной и неферментативной природы:

  • активность процессов, связанных с индукцией антиоксидантных систем ферментативной природы;
  • генетические факторы, связанные с депрессией того или иного фермента, осуществляющего регуляцию реакций ПОЛ (дефицит глутатионпероксидазы, каталазы и др.);
  • пищевые факторы (недостаток в пище токоферола, селена, других микроэлементов и пр.);
  • структура клеточных мембран;
  • характер взаимоотношений между антиоксидантами ферментативной и неферментативной природы.

Факторы риска, потенцирующие активацию реакций ПОЛ:

  • активация кислородного режима организма;
  • состояние стресса (холод, высокая температура, гипоксия, эмоционально-болевое воздействие);
  • гиперлипидемия.

Таким образом, активация реакций ПОЛ в организме тесно связана с функционированием систем транспорта и утилизации кислорода. Особого внимания заслуживают адаптогены, среди них широко используемый элеутерококк. Препарат из корня этого растения обладает общеукрепляющим, адаптогенным, антистрессорным, антиатеросклеротическим, антидиабетическим и другими свойствами, снижает общую заболеваемость, в том числе гриппом. При изучении биохимических механизмов действия антиоксидантов у человека, животных и растительных организмов существенно расширился спектр патологических состояний, для лечения которых используются антиоксиданты. Антиоксиданты успешно применяются как адаптогены для защиты от лучевого поражения, лечения ран и ожогов, туберкулеза, сердечно-сосудистых заболеваний, нервно-психических расстройств, новообразований, диабета и др. Естественно, что возрос интерес к механизмам, лежащим в основе такой универсальности действия антиоксидантов.

В настоящее время экспериментально установлено, что эффективность антиоксидантов определяется их активностью в ингибировании перекисного окисления липидов за счет взаимодействия с перекисными и другими радикалами, инициирующими ПОЛ, а также за счет влияний антиоксидантов на структуру мембраны, облегчающих доступ кислорода к липидам. ПОЛ может изменяться и при опосредованной системе действия антиоксидантов через нейрогормональные механизмы. Показано, что антиоксиданты влияют на высвобождение нейромедиатора и выброс гормонов, чувствительность рецепторов и их связывание. В свою очередь, изменение концентрации гормонов и нейромедиаторов изменяет интенсивность ПОЛ в клетках-мишенях, что приводит к изменению скорости катаболизма липидов и, как следствие, к изменению их состава. Связь между скоростью ПОЛ и изменением спектра фосфолипидов мембран выполняет регуляторную роль. Аналогичная система регуляции обнаружена в клеточных мембранах животных, растительных и микробных организмов. Как известно, состав и текучесть липидов мембран влияют на активность мембранных белков, ферментов, рецепторов. Через эту систему регуляции антиоксиданты действуют на репарацию мембраны, измененную при патологическом состоянии организма, нормализуют ее состав, структуру и функциональную активность. Изменение активности ферментов синтеза макромолекул и состава ядерного матрикса при изменении состава липидов мембран, вызванном действием антиоксидантов, могут быть объяснены их влиянием на синтез ДНК, РНК, белка. В то же время в литературе появились данные о непосредственном взаимодействии антиоксидантов с макромолекулами.

Эти, а также обнаруженные в последнее время данные эффективности антиоксидантов в пикомолярных концентрациях выдвигают на первый план роль рецепторных путей в их действии на клеточный метаболизм. В работе В. Е. Кагана (1981) о механизмах структурно-функциональной модификации биомембран показано, что Зависимость скорости реакций ПОЛ в биомембранах зависит не только от их жирнокислотного состава (степени ненасыщенности), но и от структурной организации липидной фазы мембран (молекулярной подвижности липидов, прочности белок-липидных и липид-липидных взаимодействий). Обнаружено, что в результате накопления продуктов ПОЛ происходит перераспределение липидов в мембране: уменьшается количество жидких липцдов в биослое, снижается количество иммобилизованных мембранными белками липидов и возрастает количество упорядоченных липидов в биослое (кластеров). В.

При изучении природы, состава и механизма гомеостаза антиоксидантной системы показано, что проявлению повреждающего действия свободных радикалов и перекисных соединений препятствует сложная многокомпонентная антиоксидантная система (АОС), которая обеспечивает связывание и модификацию радикалов, предупреждение образования или разрушения перекисей. В ее состав входят: гидрофильные и гидрофобные органические вещества с редуцирующими свойствами; ферменты, поддерживающие гомеостаз этих веществ; антиперекисные ферменты. Среди естественных антиоксидантов имеются липидные (стероидные гормоны, витамины Е, А, К, флавоноиды и полифенолы витамин Р, убихинон) и водорастворимые (низкомолекулярные тиолы, аскорбиновая кислота) вещества. Эти вещества либо являются ловушками свободных радикалов, либо разрушают перекисные соединения.

Одна часть тканевых антиоксидантов имеет гидрофильный, другая - гидрофобный характер, что делает возможной одновременную защиту от окисляющих агентов функционально важных молекул как в водной, так и в липидной фазах.

Общая сумма биоантиокислителей создает в тканях «буферную антиоксидантную систему», обладающую определенной емкостью, а соотношение прооксидантных и антиоксидантных систем определяет так называемый «антиоксидантный статус» организма. Есть все основания полагать, что среди тканевых антиоксидантов особое место занимают тиолы. Подтверждением служат следующие факты: высокая реакционная способность сульфгидрильных групп, благодаря которой некоторые тиолы окисляются с очень высокой скоростью, зависимость скорости окислительной модификации SН-групп от их радикального окружения в молекуле. Это обстоятельство позволяет выделить из множества тиоловых соединений особую группу легко окисляющихся веществ, выполняющих специфические функции антиоксидантов: обратимость реакции окисления сульфгидрильных групп в дисульфидные, что делает в принципе возможным энергетически выгодное поддержание гомеостаза тиоловых антиоксидантов в клетке без активации их биосинтеза; способность тиолов проявлять как антирадикальное, так и антиперекисное действие. Гидрофильными свойствами тиолов обусловлено их высокое содержание в водной фазе клетки и возможность защиты от окислительного повреждения биологически важных молекул ферментов, нуклеиновых кислот, гемоглобина и др. Вместе с тем, присутствие в тиоловых соединениях неполярных группировок обеспечивает возможность проявления их антиоксидантной активности в липидной фазе клетки. Таким образом, наряду с веществами липидной природы, тиоловые соединения принимают широкое участие в защите клеточных структур от действия окисляющих факторов.

Окислению в тканях организма подвергается и аскорбиновая кислота. Она, как и тиолы, входит в состав АОС, участвуя в связывании свободных радикалов и разрушении перекисей. Аскорбиновая кислота, молекула которой содержит и полярные, и неполярные группировки, проявляет тесное функциональное взаимодействие с SН-глутатионом и липидными антиоксидантами, усиливая действие последних и препятствуя ПОЛ. По всей видимости, тиоловые антиоксиданты играют главенствующую роль в защите основных структурных компонентов биологических мембран, таких, как фосфолипиды или погруженные в липидный слой белки.

В свою очередь, водорастворимые антиоксиданты - тиоловые соединения и аскорбиновая кислота - проявляют свое протекторное действие преимущественно в водной среде - цитоплазме клетки или плазме крови. При этом следует иметь в виду данные о том, что система крови представляет собой внутреннюю среду, которая играет решающую роль в неспецифических и специфических реакциях защиты организма, влияя на его резистентность и реактивность.

Свободные радикалы при патологии

До сих пор в литературе дискутируется вопрос о причинно-следственных связях в изменениях интенсивности липопероксидации в динамике развития заболеваний. По мнению одних авторов, именно нарушение стационарности этого процесса является основной причиной указанных заболеваний, в то время как другие полагают, что изменение интенсивности перекисного окисления липидов представляет собой следствие данных патологических процессов, инициируемых совсем иными механизмами.

Исследования, проведенные в последние годы, показали, что изменения интенсивности свободнорадикального окисления сопровождают заболевания самого разного генеза, что подтверждает тезис об общебиологическом характере свободнорадикального повреждения клеток. Накопилось достаточно свидетельств патогенетического участия свободнорадикального поражения молекул, клеток, органов и организма в целом и успешного лечения их фармакологическими препаратами, обладающими антиоксидантными свойствами.

!
Обнаружили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter.

Медицинский эксперт-редактор

Портнов Алексей Александрович

Образование: Киевский Национальный Медицинский Университет им. А.А. Богомольца, специальность - "Лечебное дело"

Другие врачи

Использованная литература

Лекции по анатомии и физиологии человека с основами патологии – Барышников С.Д. 2002

Атлас анатомии человека – Билич Г.Л. – Том 1. 2014

Анатомия по Пирогову – В. Шилкин, В. Филимонов – Атлас анатомии человека. 2013

Атлас по анатомии человека – P.Tank, Th. Gest – Lippincott Williams & Wilkins 2008

Атлас анатомии человека – Коллектив авторов – Схемы – Рисунки – Фотографии 2008

Основы медицинской физиологии (второе издание) – Алипов H.H. 2013



Новейшие исследования по теме Свободные радикалы и антиоксиданты

Оказывается витамин группы Е, А, а также бета-каротин в больших дозировках повышают ваши шансы преждевременной смертности вне зависимости от состояния вашего здоровья и наличия хронических заболеваний.

Другие статьи по теме

Дряблая кожа на лице в наши дни встречается довольно часто, и выглядит это совсем не привлекательно – обычно она отвисшая, имеет бледный оттенок, а морщинки на ней возникают быстрее.
Гормоны играют важную роль в физиологии кожи, поэтому нарушение гормонального баланса незамедлительно сказывается на ее состоянии. Например, дисбаланс гормонов щитовидной железы может привести к чрезмерной сухости кожи...
В ответ на сигнал опасности (боль, появление хищника и т.д.) наш организм начинает перестраивать свою деятельность так, чтобы максимально повысить шансы на спасение - либо очень быстро убежать, либо дать очень сильный отпор врагу.

Поделись в социальных сетях

Сообщите нам об ошибке в этом тексте:
Просто нажмите кнопку "Отправить отчет" для отправки нам уведомления. Так же Вы можете добавить комментарий.