Антиоксиданты

Введение 

Что представляла собой эволюция аэробного дыхания? 

Эволюция аэробного дыхания стала важной вехой в истории жизни на Земле. Это метаболический процесс, позволяющий организмам эффективно извлекать энергию из сложных органических соединений с помощью цепи переноса электронов в присутствии кислорода в качестве конечного акцептора электронов. 

Терминология

Что означает термин "свободные радикалы"?

Свободные радикалы — это реактивные химические вещества с неспаренным электроном на внешней орбите (Riley, P. A., 1994). Как бы мы ни были осторожны, мы не можем избежать образования эндогенных и экзогенных свободных радикалов из-за нормального метаболизма и воздействия окислителей окружающей среды. Свободные радикалы образуются, когда наши клетки получают энергию из пищи и кислорода, а также когда мы подвергаемся воздействию микробных инфекций, интенсивным физическим нагрузкам или загрязняющим веществам/токсинам, таким как сигаретный дым, алкоголь, ионизирующее и УФ-излучение, пестициды и озон.

Что такое "активные формы кислорода"? 

По мере того, как организмы эволюционировали, чтобы использовать преимущества аэробного дыхания, возникла серьезная проблема, связанная с накоплением "активных форм кислорода" (ROS) - неизбежных побочных продуктов клеточного аэробного дыхания, включая (D'Autréaux, B., & Toledano, M. B., 2007). Реактивные виды кислорода (ROS) включают как свободные радикалы, так и несвободные радикалы, содержащие кислородсодержащие молекулы :

•  супероксид-анион (O₂ • − )
• синглетный кислород (1/2O₂ )
• перекись водорода (H₂O₂ )
• гидроксильный радикал (HO•)"

Существуют также реактивные соединения азота, железа, меди и серы (Halliwell, B. et.al., 1992), которые могут способствовать увеличению образования ROS и окислительному стрессу, а также нарушать окислительно-восстановительный баланс 

Что означает термин "окислительный стресс"? 

"Окислительный стресс" возникает при избыточной выработке активных форм кислорода (ROS) или недостаточной антиоксидантной защите, что приводит к накоплению ROS, которые могут вызывать повреждение клеток. "Окислительный стресс" впервые был определен как «нарушение баланса прооксидантов и антиоксидантов в пользу первых, приводящее к потенциальному повреждению» (Sies, H., 1991). "Окислительный стресс" можно определить как избыточное количество ROS, являющееся результатом дисбаланса между образованием и разрушением ROS (последнее регулируется антиоксидантной защитой). Было показано, что окислительный стресс участвует в развитии более 100 заболеваний, являясь их причиной или следствием. Повреждение свободными радикалами связано с развитием многих дегенеративных заболеваний, включая:

• рак,
• сердечно-сосудистые заболевания (дисфункция эндотелия, нарушающая способность кровеносных сосудов к нормальному расширению, регуляции пролиферации и миграции клеток гладкой мускулатуры сосудов, способствуя ре-моделированию),
• катаракту
• старение

Какие эндогенные источники окислителей способствуют старению?

Наиболее важными эндогенными источниками окислителей, способствующих старению, являются митохондрии: электронно-транспортная цепь и реакция синтазы оксида азота. Источниками свободных радикалов, не имеющих отношения к митохондриям являются (Gilca, M., et.al., 2007):

•  реакция Фентона,
• микросомальные ферменты цитохрома P 450 ,
• пероксисомальное бета-окисление
• респираторный взрыв фагоцитарных клеток. 

Антиоксиданты 

Что понимается под термином "антиоксиданты"?

Наиболее полное определение описывает антиоксиданты как вещества, которые непосредственно нейтрализуют свободные радикалы, ингибируют их образование или косвенно способствуют усилению защиты от окислительного стресса. Кроме того, антиоксиданты должны обладать способностью образовывать новый стабильный радикал, неактивный для дальнейшего окисления, после нейтрализации свободного радикала. Клетки организма обладают антиоксидантными сетями для нейтрализации избыточно образующихся ROS. Биологический антиоксидант определяется как любое вещество, присутствующее в низких концентрациях по сравнению с окисляемым субстратом и значительно замедляющее или предотвращающее окисление этого субстрата. Идеальный антиоксидант должен легко усваиваться организмом и предотвращать или нейтрализовать образование свободных радикалов или хелатировать редокс-металлы на физиологически значимых уровнях.  Он должен работать в водной и/или мембранной средах и положительно влиять на экспрессию генов. 

Почему важно соблюдать баланс между ROS и антиоксидантами? 

Баланс между образованием и нейтрализацией ROS в целом обеспечивает гомеостаз; однако этот баланс в некоторой степени смещается в сторону образования свободных радикалов, что со временем приводит к накоплению повреждений клеток. Баланс между активными формами кислорода и антиоксидантами является оптимальным, поскольку обе крайности, окислительный и антиоксидантный стресс, являются вредными. Поэтому перед назначением антиоксидантов необходимо точно определить уровень окислительного стресса у каждого человека. 

Чем опасно хаотичное использование антиоксидантов? 

Некоторые исследования показали отсутствие эффекта терапии антиоксидантами; иногда прием антиоксидантов даже увеличивал смертность.

Что понимается под термином "эндогенная антиоксидантная защита"? 

Клеточный редокс-гомеостаз тщательно поддерживается сложной эндогенной антиоксидантной защитной системой, которая включает эндогенные антиоксидантные ферменты, такие как супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза, глутатион, белки и низкомолекулярные поглотители, такие как мочевая кислота, кофермент Q и липоевая кислота. Окислительно поврежденные нуклеиновые кислоты восстанавливаются специфическими ферментами, окисленные белки удаляются протеолитическими системами, а окисленные липиды восстанавливаются фосфолипазами, пероксидазами и ацилтрансферазами

Классификация 

Как классифицируют антиоксиданты? 

Механизмы защиты от окислительного стресса включают три линии защиты: профилактические антиоксиданты, антиоксиданты, нейтрализующие радикалы, и антиоксиданты, восстанавливающие и создающие новые структуры. Существует также адаптационный механизм антиоксидантной защиты, который называют «четвертой линией защиты»

Первая линия защиты 

Какие антиоксиданты обладают профилактическим эффектом? 

Первая линия защиты включает в себя предотвращение механизмов повреждения биологических молекул путем подавления или предотвращения образования свободных радикалов и их производных. Эта линия защиты включает ферментативные антиоксиданты , которые катализируют реакцию диспропорционирования реактивных видов, таких как:

•  супероксид-анион (супероксиддисмутаза)

• перекись водорода (каталаза; глутатион-пероксидаза; глутатион-редуктаза ). 

  Кроме того, первая линия антиоксидантнов состоит из белков, присутствующих в плазме крови: 

• альбумин
• трансферрин, ферритин
• миоглобин
• церулоплазмин
• металлотионеины (неферментативные антиоксиданты, связывающие многовалентные ионы металлов, которые могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях и образовывать свободные радикалы). 

Вторая линия защиты

Какие антиоксиданты относят ко второй линии защиты? 

Вторая линия защиты состоит из не ферментативных молекул:

• витамины (A, C, E и K),
• глутатион (GSH),
• коэнзим Q10 (CoQ10)
• мочевая кислота
• мелатонин
• билирубин
• альфа-липоевой кислотой, нейтрализующая активные формы кислорода (ROS)  или реактивные азотистые соединения (RNS). 

Третья линия защиты

Что означает термин "антиоксиданты de novo"?

Группа антиоксидантов, восстанавливающих или устраняющих структурные повреждения биомолекул, вызванные свободными радикалами, классифицируется как третья линия антиоксидантной защиты (антиоксиданты de novo). Эта группа в основном включает:

• системы ферментов репарации ДНК,
• липазы
• протеолитические ферменты, восстанавливающие поврежденные молекулы. 

Четвертая линия защиты 

Какой адаптационный механизм можно отнести к антиоксидантам чествертой линии защиты?

Важный адаптационный механизм, который можно рассматривать как четвертую линию защиты, активируемый реакцией и образованием свободных радикалов, индуцирующих образование  соответствующих ферментов - антиоксидантов и их транспортв в нужное место. Этот механизм включает, например, образование каталазы и супероксиддисмутазы, индуцированное избыточной продукцией активных форм кислорода (Stankovic, J. et.al., 2020). 

Антиоксидантная диета

Какие продукты питания обладают высокой и низкой способностью к устранению оксилительного стресса?  

Диета с высокой общей антиоксидантной способностью, состоящая из таких продуктов, как красные ягоды, сливы и шпинат, может повысить уровень циркулирующих антиоксидантов и снизить уровень С-реактивного белка по сравнению с диетой с низким уровнем этой способностью, включающей такие продукты, как груши, бананы, картофель и кабачки, даже при одинаковом потреблении овощей, фруктов и макронутриентов в обеих диетах (Chen J, et.al., 2024). 

Литература

Chen J, Dan L, Yuan S, Fu T, Sun J, Wolk A, et al. Dietary antioxidant capacity, genetic susceptibility and polymorphism, and inflammatory bowel disease risk in a prospective cohort. Clin Gastroenterol Hepatol. 2024. 10.1016

D'Autréaux, B., & Toledano, M. B. (2007). ROS as signalling molecules: mechanisms that generate specificity in ROS homeostasis. Nature reviews Molecular cell biology, 8(10), 813-824.

Gilca, M., Stoian, I., Atanasiu, V., & Virgolici, B. (2007). The oxidative hypothesis of senescence. Journal of postgraduate medicine, 53(3), 207-213.

Halliwell, B. A. R. R. Y., Gutteridge, J. M., & Cross, C. E. (1992). Free radicals, antioxidants, and human disease: where are we now?.

Riley, P. A. (1994). Free radicals in biology: oxidative stress and the effects of ionizing radiation. International journal of radiation biology, 65(1), 27-33.

Sies, H. (1991). Oxidative stress: from basic research to clinical application. The American journal of medicine, 91(3), S31-S38.

Stankovic, J. S. K., Selakovic, D., Mihailovic, V., & Rosic, G. (2020). Antioxidant supplementation in the treatment of neurotoxicity induced by platinum-based chemotherapeutics—a review. International Journal of Molecular Sciences, 21(20), 7753.