ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА НА БИОМОЛЕКУЛЫ КЛЕТКИ

К настоящему времени в науке накоплен значительный объем данных относительно роли свободных радикалов в живых системах. Все клетки живого организма обладают способностью к регенерации свободных радикалов, и в зависимости от силы и длительности их воздействия возможна гибель клеток или включение адаптивных защитных механизмов организма [2, с. 40; 3,с. 104; 5, с. 319; 10, с. 551; 14, с. 234].

В нормальных условиях жизнедеятельности и функционирования всех живых систем в условиях физиологического оптимума существует про- и антиоксидантное равновесие, которое является важнейшим механизмом обеспечения окислительного гомеостаза. Любое повреждение структур живой системы сопровождается нарушением этого равновесия в сторону развития окислительного стресса. Однако, роль антиоксидантной системы заключается в ограничении развития радикальных окислительных процессов, удерживая про- и антиоксидантное равновесие в пределах нормальной реакции. И лишь исчерпание буферной мощности и защитных систем при тяжелых и продолжительных напряжениях, когда расход антиоксидантов превышает их синтез, происходит окислительная деструкция мембран клеток, что ведет к развитию каскада патологических реакций, характерных для той или иной патологии [4, с. 343; 7, с. 177].

С 20-30гг XX века, благодаря работам Г.Ф.Ланга, началось изучение проблемы повреждения клеток под действием патологических факторов [8, с. 17]. Однако, долгое время не выдвигалось никаких предположений о том, что свободные радикалы могут возникать и гибнуть в нормофизиологических процессах живых организмов. В 1969 году J. M. McCord и I. Fridovich показали, что супероксидный анион формируется в живом организме, а фермент супероксиддисмутаза его обезвреживает [19, с. 6049].

В 1971 году R. Passwater опубликовал исследование о возможности замедления процессов старения при помощи антиоксидантов. А в 1973 году R. Passwater связал существование свободных радикалов с онкологическими заболеваниями [20, с. 37]. А спустя четыре года ученый издал фундаментальный труд, посвященный свободным радикалам.

Тогда и начался подбор методов исследования, которые могли позволить зарегистрировать свободные радикалы в веществе. К средине XX века был разработан метод, давший возможность в дальнейшем использовать знания о свободных радикалах для изучения механизма преобразования углерода. У. Уотерс в своей книге «Химия свободных радикалов», изданной в Москве в 1948 году писал: «Открытие свободных радикалов 60 лет назад ознаменовало новую эру в развитии химии. Огромное значение этого открытия стало особенно очевидным в настоящее время, когда в результате многочисленных исследований, осуществленных за последние 30 лет, было установлено, что свободные радикалы являются активными участниками очень многих химических реакций. Не исключена возможность, что многие реакции в живом веществе также осуществляются при помощи свободных радикалов» [17, с. 320]. Таким образом, несмотря на все сомнения ученых-биохимиков, химики еще за 20 лет до открытия J. M. McCord и I. Fridovich предполагали активное участие свободных радикалов в биохимических процессах в живых организмах.

Но, не смотря на диагностическую значимость определения интенсивности образования свободных радикалов в тканях и клетках, подходы и методы изучения окислительного стресса и антиоксидантной защиты остаются несовершеными. Процесс перекисного окисления биомолекул начинается с реакции инициирования цепи [8, с. 20; 15, с. 91], и накопление продуктов перекисного окисления липидов и белков повышает проницаемость мембран для ионов. Механизм этот, безусловно, универсален, но содержит ряд особенностей для каждого органа, тканей и в условиях развития определенной патологии [9, с. 45]. В связи с этим и методы к изучению свободнорадикального окисления и оценки антиоксидантной защиты должны быть более узкими в каждом случае и учитывать все особенности. Так, например, в некоторых случаях при изучении перекисного окисления липидов первичные продукты могут быть неинформативны, что вероятно связано с их коротким временем нахождения в кровотоке. На их содержание влияют все составляющие плазмы, в связи с чем, они быстро переходят в более устойчивые вторичные формы [6, с. 48].

Полноценно оценить активность свободнорадикального окисления липидов in vitro можно лишь при дополнительном индуцированном окислении, которое позволяет выявить их способность накапливать продукты перекисного окисления. Это более адекватный метод оценки свободнорадикальных процессов, чем измерение стационарной концентрации продуктов липопероскидации, так как с наибольшей активностью процессы окисления проходят в сосудистой стенке. Приблизить оценку окислительного стресса к условиям in vivo помогает индуцирование окисления медью, которое имитирует процесс окисления в сосудистой стенке и учитывает изменения функциональных свойств всех составляющих плазмы, а так же всех факторов влияющих на процессы окисления[6, с.48]. На сегодняшний день при исследовании перекисного окисления липидов исследуются первичные и вторичные и конечные продукты: диеновые коньюгаты, кетодиены, спряженные триены, малоновый диальдегид, шиффовы основания.

Долгое время считалось что первичным пораженияем активных форм кислорода являются липиды, но имеются данные, которые свидетельствует о том что белки повреждаются в первую очередь [11, с. 46]. Процесс свободнорадикального окисления белков, так же как и процесс окисления липидов носит цепной характер. Воздействие активных форм кислорода на белки приводит к нарушению их структуры, сшивки или дефрагментации, что инактивирует рецепторы и ферменты. Окислительная модификация под действием свободных радикалов затрагивает около 240 различных ферментов [18, с. 20]. Таким образом, выраженные процессы перекисного окисления белков могут сопровождаться дестабилизацией как структурных, так и функциональных свойств организма в целом, но оценить уровень повреждения белков достаточно трудно. В доступной литературе встретился всего один способ определение интенсивности окислительной модификации белков − по уровню карбонильных производных [11, с. 46]. На наш взгляд, отсутствие альтернативных методов может быть объяснено тем, что исследование пероксидации белков не получило на сегодняшний момент распространения в научном обществе. Возможно, в будущем удастся найти подходы для более точного определения перекисного окисления белков.

В настоящее время так же имеются данные, свидетельствующие о том, что процессы окислительного стресса затрагивают и нуклеиновые кислоты. Выявлено, что при развитии свободнорадикальных процессов в клетках наблюдается дефрагментация ДНК [12, с. 24]. Причем, полученные фрагменты ДНК образовывают характерную «апоптозную» лестницу». Подобные фрагменты возникают при деятельности апоптоз-специфических нуклеаз, активация которых происходит при оксидативном стрессе [16, с. 23]. То есть, повреждение ДНК посредством активных форм кислорода процесс вторичный, так как ДНК разрушается не свободными радикалами, а ферментами, выделяющимися при гибели клетки. Таким образом, дефрагментация ДНК не может служить маркером начальных стадий развития окислительного стресса, хотя его диагностическая значимость заключается в том, что ДНК может показать масштабы разрушения клеток вследствие развития оксидативного стресса.

Свободные радикалы так же повреждают и углеводы. При взаимодействии гидроксильного радикала происходит разрыв гликозидной связи с последующим образованием пероксирадикалов и разложением [1, с. 365]. Но в доступных литературных источниках нет упоминания о исследовании окисления углеводов при различных заболеваниях. Возможно, это связано с тем, что углеводы носят функцию энергетическую и практически не участвуют в структурных, ферментативных или же сигнальных взаимодействиях как белки и липиды.

На наш взгляд, исследование процессов свободнорадикального окисления нельзя проводить в отрыве от исследования антиоксидантных систем, так как именно при исчерпании антиоксидантных резервов в организме начинает развиваться окислительный стресс. Соотношение анти- и прооксидантной систем в процессе старения является одним из патогенетических факторов, определяющим вероятность развития различных патологических состояний [6, с. 48]. Нарушение функционирования системы антиоксидантной защиты, контролирующей каскад свободнорадикальных реакций, неизбежно отражается на эффективности процессов детоксикации активных форм кислорода в клетке и может привести к возникновению окислительного стресса и связанных с ним необратимых изменений в тканях [13, с. 26]. Первоначально термин антиоксидант конкретно упоминался как химическое вещество, которое препятствовало потреблению кислорода.

В конце XIX и начале XX веков, исследование антиоксидантов было сосредоточено на использовании в промышленных процессах: предотвращение металла от коррозии, вулканизации резины, и полимеризации топлива от загрязнения двигателем внутреннего сгорания. Первые исследования о роли антиоксидантов в биологических системах были связаны с использованием способов предотвращения окисления ненасыщенных жиров. Возможные механизмы действия антиоксидантов впервые были изучены, когда было признано, что вещества с антиоксидантной активностью, скорее всего, те, которые сами легко окисляются. И антиоксидантная активность измерялась только путем размещения жира в закрытом контейнере с кислородом и измерением скорости потребления кислорода. Изучение влияния антиоксидантов в метаболизме клетки произвело революцию в понимании формирования окислительного стресса в живых организмах. Так например, исследования о том, как витамин Е предотвращает процесс перекисного окисления липидов приводит к идентификации антиоксидантов в качестве восстановителей, которые препятствуют окислительным реакциям. Для оценки активности всех антиоксидантных систем в целом применяется общая антиоксидантная активность. Это показатель защиты организма от токсического действия ряда соединений кислорода образующихся в организме. Снижение уровня общей антиокислительной активности в среднем на 20% влечет за собой ряд необратимых патологических преобразований метаболизма, имеющих клиническое выражение [6, с. 48].

Для оценки ферментативной системы защиты организма от свободных радикалов используются методы определения активности ферментов супероксиддисмутазы и каталазы, которые разрушают или связывают свободные радикалы, тем самым предотвращая развитие окислительного стресса. Супероксиддисмутаза катализирует диссмутацию супероксидного анион-радикала; каталаза расщепляет перекись водорода до кислорода и воды. Показатели активности ферментов являются важным маркером в исследованиях окислительного стресса. Но, так как антиоксидантов вырабатывается определенное количество, то в работах, где описывается антиоксидантное действие какого-либо нового вещества, встает проблема: понижение активности ферментов происходит в следствии исчерпание ресурсов организма или другое вещество демонстрирует антиоксидантную или антирадикальную активность, влияя на организм, тем самым позволяя клетке в меньшем количестве синтезировать собственные антиоксидантные ферменты.

Так же в систему антиоксидантной защиты входят и неферментативные соединения: витамины А и Е, β-каротин, α-токоферол, восстановленный глутатион и многие другие соединения, которые наиболее активны в разных органах и тканях.

Несмотря на большое клиническое и фундаментальное значение свободнорадикального окисления и антиоксидантной защиты остается множество вопросов. Таким образом, изучение процессов корреляции окислительного стресса и антиоксидантной защиты остается актуальным. Нуждаются в доработке методы определения интенсивности оксидативного стресса и поиск новых маркеров для более быстрой и точной оценки состояния организма. В последнее время активно исследуют особенности образования свободных радикалов и их нивелирование в каждом отдельном органе и ткани. Известно, что свободнорадикальные процессы и их антиоксидантная защита имеет ряд особенностей в разных отделах центральной нервной системы и значит, требуются разные методы и подходы в изучении каждого органа [9, с. 45].

Таким образом, для решения актуальных проблем, связанных с развитием окислительного стресса и ослаблением антиоксидантной защиты в клетке необходимо дальнейшее углубленное изучение данного вопроса. При исследовании определенной патологии отдельного органа предстоит найти диагностически значимые и информативные показатели, которые позволят достоверно отобразить биохимическую картину течения окислительного стресса в организме. Особое место занимает формирование адекватной методологической базы для изучения особенностей перекисного окисления биомолекул клетки.

Список литературы:

1. Активация липопероксидации как ведущий патогенетический фактор развития типовых патологических процессов и заболеваний различной этиологии : [науч. изд.]. − Саратов: Изд-во Сарат. мед. ун-та, 2012. – 365с.
2. Валеева И.Х. Фармакологическая коррекция нарушений перекисного окисления липидов, вызываемых ксенобиотиками: Автореф. док. биол. наук. – Казань, 2004. – 40 с.
3. Губарева Е.А. Прогностическая значимость определения активности ферментов антирадикальной защиты у больных с острым инфарктом миокарда /Е.А. Губарева, А.X. Каде, И.И. Павлюченко, И.М. Быков, К.Б. Зингилевский, А.А. Басов, М.О. Макарова, А.Г. Старицкий, В.Г. Борисенко // Кубанский научный медицинский вестник. 2008. – № 3-4. – С. 104-106.
4. Зенков Н.К., Ланкин В.З. Меньшикова Е.Б. Окислительный стресс. Биохимический и патофизиологический аспекты».– М.: МАИК, 2001.– 343 с.
5. Калинина Е.В., Чернов Н.Н., Саприн А.Н Участие тио-, перокси- и глутаредоксинов в клеточных редоксзависимых процессах // Успехи биол.химии. 2008.– Т. 48.– С. 319-358.
6. Карнеев А.Н. Церебральная резистентность к окислительному стрессу у больных хронической ишемией мозга: Автореф. док. мед. наук – Москва, 2007. – 48с.
7. Ковальский Ю.Г., Поступаев В.В., Рябцева Е.Г. Перекисное окисление липидов и антиоксидатная защита у детей из региона экологического неблагополучия // Тез. научн. Докл.III съезда биохимического общества. − СПб, 2002. − С. 177.
8. Лещинский Л.Д. Обоснование и опыт применения ряда ингибиторов перекисного окисления липидов у больных ишемической болезнью сердца // ТОП-Медицина. 1998. − № 4. − С. 17-21.
9. Мажитова М.В. Свободнорадикальные процессы и антиоксидантная защита разных отделов центральной нервной системы на этапах постатального онтогенеза белых крыс в норме и при действии промышленных серосодержащих поллютантов: Автореф. док. биол. наук – Астрахань, 2012. – 45с.
10. Павлюченко И.И. Интегральные методы оценки уровня эндогенной интоксикации и перекисного окисления биомолекул при острых и хронических заболеваниях /И.И. Павлюченко, А.А. Басов, И.М. Быков, С.В. Орлова // Аллергология и иммунология. 2004. – Т. 5, № 4. – С. 551-554.
11. Пасечник И.Н. Окислительный стресс как компонент формирования критический состояний у хирургических больных: Автореф док. мед. наук – Р-на-Д, 2004. – 46с.
12. Саиди Л. Воздействие цитрата на свободнорадикальный гомеостаз в тканях крыс при патологических состояниях, сопряженных с окислительным стрессом: Автореф. канд. биол. наук – Воронеж, 2011. – 24с.
13. Скворцова В.И Нейропротективная стратегия ишемического инсульта // Врач, 2004, − Т. 6. − С.26-32
14. Сторожук, П.Г. Состояние антиоксидантной системы крови у женщин в до- и послеродовом периодах и при кесаревом сечении /П.Г. Сторожук, Б.Г. Ермошенко, И.М. Быков, А.П. Сторожук, А.И. Лузум // International Journal on Immunorehabilitation. 2002. – Т. 4, № 2. – С. 234.
15. Суханова Г.А., Серебров В.Ю. Биохимия клетки. − Томск, 2000. − С. 91-142.
16. Суховеева О.В. Свободнорадикальный гомеостаз в условиях ишемии-реперфузии головного мозга крыс при воздействии гуанидиновых производных: Автореф. канд. биол. наук – Воронеж, 2011. – 23с.
17. У. Уотерс Химия свободных радикалов. − Москва: Издательство иностранной литературы, 1948. − 320 с.
18. Чечет О.Ю. Влияние новых производных 3-гидроксипиридина на процесс свободнорадикального окисления белков: Автореф. канд. биол. наук – Саранк, 2010. – 20с.
19. Joe M. McCord and Irwin Fridovich. Superoxide Dismutase an enzimic function for erythrocurrein (hemocuprein) // The Journal of Biological Chemistry, 1969. − № 244. – С. 6049-6055.
20. Passwater R. Selenium and other antioxidants in reducing cancer incidence // Cancer: New Direction. American Laboratory, − № 67. – С. 37-45.[schema type=»book» name=»ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА НА БИОМОЛЕКУЛЫ КЛЕТКИ» description=»Проблема возникновения и развития окислительного стресса в организме человека и животных изучается сравнительно недавно. Имеется много нерешенных вопросов относительно образования и нахождения в организме свободных радикалов. Методологический аспект в данной области так же представляет собой актуальную проблему, так как на данный момент не существует адекватной базы методов, способной решить все вопросы.» author=»Кондратова Любовь Александровна, Золотавина Марина Леонидовна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-09″ edition=»euroasia-science.ru_29-30.12.2015_12(21)» ebook=»yes» ]