20 подписчиков

Активные формы кислорода — причина окислительного стресса

11 ноября 202311 ноя 2023

14 мин

Оглавление

Функции АФК
Высокий уровень АФК — причина окислительного стресса
Окислительный стресс — разрушение ДНК, белков и липидов клеток

Окислительный стресс опасен для здоровья, поскольку может стать причиной нескольких десятков заболеваний. В этой статье рассказывается об основной причине возникновения окислительного стресса: активных формах кислорода.

Активные формы кислорода (АФК) — химически активные молекулы кислорода с неспаренным электроном [1], [2], [3]. Они нестабильны, поэтому легко реагируют с другими молекулами в клетке, а именно захватывают чужой электрон, делая свой электрон парным (восстанавливая его).

[toc]

Основные причины повышенной выработки АФК:

Во время дыхания (митохондриального окислительного метаболизма — процесса образования энергии с участием кислорода внутри клеток).
Как стрессовая реакция клетки на негативные факторы — радиацию, ионизирующее излучение и другие.
В клеточном ответе на ксенобиотики (чужеродные вещества, попадающие в организм — лекарства, химические и загрязняющие вещества), бактерии и другие факторы [22].

При накоплении (повышенном уровне) могут стать причиной хронического окислительного стресса — привести к гибели клеток через повреждение ДНК, белков, липидов, деградации систем и органов. Это, в свою очередь, может вызвать различные заболевания. Среди них — онкологические, сосудистые патологии, инфаркт, инсульт, старческое слабоумие, деменция, болезнь Альцгеймера и Паркинсона [2], [4].

Функции АФК

АФК выполняют ключевые функции в организме, такие как бактерицидную, регуляторную и иммунную [5]. Антиоксидантная система нейтрализует избыток АФК. Однако, при подавлении антиоксидантной системы или повышенной выработке АФК, концентрация может выйти из-под контроля. В результате, антиоксидантная система не справляется с переизбытком АФК (нарушается баланс — гомеостаз), что приводит к окислительному стрессу [1].

Польза

Защита организма — поддержка иммунной системы, уничтожение вредных микроорганизмов и токсинов.
Обмен веществ — нормализация метаболических процессов.
Передача сигналов — регулируют функции и рост клеток.

Риски

Окислительный стресс — повреждение и гибель клеток, ДНК, ускоренное старение и развитие болезней.
Хронические воспалительные процессы — развитие сердечно-сосудистых, онкологических и других заболеваний.
Мутации ДНК — развитие рака и других генетических нарушений.

Высокий уровень АФК — причина окислительного стресса

Высокая реакционная окислительная способность АФК связана с наличием непарного электрона, что обусловливает их способность захватывать электроны у близлежащих молекул. При этом последние окисляются, превращаясь в свободные радикалы (с одним непарным электроном). В свою очередь, свободные радикалы стремятся компенсировать ущерб, захватывая электроны у других молекул — этот процесс является основой цепной реакции окислительного стресса [5], [6].

Цепная реакция окислительного стресса похожа на “принцип домино”, когда первый элемент инициирует реакцию, в результате которой повреждаются последующие элементы.

Окислительный стресс — разрушение ДНК, белков и липидов клеток

Процесс захвата электронов (окисление) сопровождается разрушением белков, липидов, ДНК клеток. Один из самых сильных АФК — гидроксильный радикал способен разрушать клетки, митохондрии и ДНК.

Окислительный стресс — причина повреждения ДНК, митохондрий, клеток

Этот процесс может привести к развитию более 80 типов заболеваний, таких как:

сердечно-сосудистые;
онкологические;
нейродегенеративные и другие [3].

Олег Стефанович Медведев, д. м. н, профессор, зав. кафедрой фармакологии факультета фундаментальной медицины МГУ им. М. В. Ломоносова, Россия: «Степень окисления в какой-то степени является критерием биологического возраста. Чем больше процент активных компонентов в наших клетках (АФК), тем мы в более пожилом возрасте».

Окислительный стресс является не только источником многих хронических заболеваний, но и способствует преждевременному старению — деградации систем и органов.

Пример окисления в природе — срез яблока темнеет, а металл ржавеет и разрушается в процессе реакции с кислородом. Аналогично и человеческий организм окисляется под действием повышенного уровня АФК, что может приводить к деградации систем, органов и преждевременному старению.

Механизм контроля — антиоксидантная защита

Уровень АФК контролирует антиоксидантная защита (ферменты, белки и другие вещества), присутствующая в каждой клетке. В состоянии баланса организма этот уровень настолько низок, что она своевременно устраняет АФК и восстанавливает причиненный ущерб [7].

При подавлении антиоксидантной защиты или увеличении выработки активных форм кислорода (АФК) происходит нарушение баланса — организм не может справиться с нейтрализацией окислителей. Это является началом цепной реакции окислительного стресса, которая в хронической форме приводит к деградации и разрушению органов.

С возрастом антиоксидантная защита клеток снижается. Это может привести к увеличению риска окислительного стресса, который, в свою очередь, способствует преждевременному старению и возникновению различных возрастных заболеваний.

Факторы образования

АФК образуются вследствие обмена веществ в организме, а также под воздействием негативных факторов.

Обмен веществ

АФК образуются в результате обмена веществ. Одна из основных причин — дыхательная цепь митохондрий в клетках [9]. Митохондрии способствуют выработке энергии из пищи для поддержания жизнедеятельности организма. В процессе генерации энергии электроны перемещаются между разными молекулами, при этом образуются АФК.

По некоторым данным около 1-2% всего кислорода, которым дышит человек, превращается в АФК [10]. В среднем, в состоянии покоя организм потребляет от 550 л чистого кислорода в день, вырабатывая от 5,5 до 11 литров АФК.

Выработка АФК может расти с увеличением физических нагрузок — повышается потребление кислорода и ускоряется обмен веществ. Например, организм профессиональных спортсменов во время тренировки может производить до 14 литров АФК в час.

С другой стороны, умеренная физическая нагрузка может способствовать укреплению антиоксидантной защиты и уменьшению риска развития заболеваний, связанных с окислительным стрессом [11].

Негативные факторы

Подавление антиоксидантной системы и повышенная выработка АФК также могут происходить под воздействием различных факторов [3], включая:

Ультрафиолетовое, радиационное излучение [12].
Дефицит питательных веществ, таких как цинк и селен.
Загрязненный воздух, курение [13].
Высокое потребление алкоголя.
Длительное применение лекарств и некоторых антибиотиков.
Высокие стрессовые и физические нагрузки.
Хронические заболевания, воспаления.
При резком повышении концентрации кислорода в условиях его недостаточности. Например, при ишемически-реперфузионных повреждениях органов – когда кровоснабжение тканей временно прерывается (ишемия), а затем восстанавливается (реперфузия) [23].

А также при влиянии ксенобиотиков на организм — соединений, искусственно синтезируемых человеком. К ним относят продукты хозяйственной деятельности (промышленность, сельское хозяйство, транспорт), вещества бытовой химии (моющие средства, вещества для борьбы с паразитами, парфюмерия) и большинство лекарств.

Выработка АФК повышается под действием негативных факторов среды

За несколько минут пока вы заправляете машину топливом, от испарений бензина в организме появляется столько свободных радикалов, сколько наши предки еще несколько поколений назад не получали за всю свою жизнь.

Виды АФК

Существует несколько видов активных форм кислорода, отличающихся степенью реакционной способности. Гидроксильный радикал (ОН) оказывает сильное токсическое действие на организм и обладает в 100 раз большей окисляющей способностью, чем супероксид-радикал (O2) [25].

Цитотоксические активные формы кислорода

АФК с низкой окисляющей способностью (O2, H2O2 – перекись водорода) участвуют в передаче сигналов между молекулами (обработка внешних раздражителей, координация реакций организма и другое).

Как снизить уровень АФК и укрепить антиоксидантную защиту

Антиоксиданты, здоровый образ жизни и уменьшение воздействия вредных факторов окружающей среды помогут поддержать баланс или снизить повышенный уровень АФК в организме.

Антиоксиданты

Нейтрализуют окислительный стресс, защищая клетки от повреждения активными формами кислорода (АФК) и другими свободными радикалами. Антиоксиданты передают электрон свободным радикалам, восстанавливая и нейтрализуя их окислительную способность [14].

Молекулярный водород

В 2007 году, японский ученый Шигео Охта обнаружил, что водород — терапевтический антиоксидант, избирательно нейтрализующий цитотоксические АФК. Открытие антиоксидантных свойств Н2 вызвало взрыв интереса.

Начиная с 2007 года, было проведено:

более 100 исследований на людях и животных [15].
более 10 национальных, международных форумов и конференций, посвященных водородной медицине, антиоксидантным свойствам Н2, его влиянии на здоровье и окислительный стресс. В апреле 2023 года в Китае уже прошел “Второй высокотехнологичный форум по водородной молекулярной медицине и промышленности”.

Водородная медицина получила развитие во многих странах. Свойствам Н2 посвящено более 2000 научных публикаций. В клиниках Европы, Японии, Кореи, Китая и США открыты программы водородной терапии для профилактики и реабилитации после заболеваний, устранения косметологических дефектов кожи, улучшения общего психологического и физического здоровья.

Авторы многих исследований утверждают, что Н2 нейтрализует окислительный стресс, связанное с ним воспаление и обладает терапевтическим потенциалом в более чем 170 моделях заболеваний человека, включая заболевания мозга, легких, сердца, сосудов, почек, суставов, кожи и других [15].

Лидером в изучении и применении водорода является Китай. В 2019 г. Национальная ассоциация здравоохранения Китая одобрила генераторы водорода, в 2020 — водород был включен в “Протокол диагностики и лечения нового коронавируса”, в 2021 — в новые медицинские услуги.

Антиоксидантные свойства водорода. Молекула водорода (H2) имеет самый маленький размер среди всех антиоксидантов и может проникать в каждую клетку организма. Н2 обладает высокой антиоксидантной способностью и может регулировать окислительный стресс путем выборочной нейтрализации свободных радикалов и АФК:

Выступает в качестве донора электронов для свободных радикалов — молекул с непарным электроном, участвующих в цепной реакции окислительного стресса [24]. При этом, Н2 остается нейтральным после передачи электрона.
Связывается с самыми реактивными АФК, нейтрализуя причину окислительного стресса. Например, взаимодействуя с гидроксильным радикалом водород образует воду.

В отличие от других антиоксидантов, Н2 не только передает электрон свободным радикалам, но и способен избирательно связываться с АФК — причиной окислительного стресса. Высокие антиоксидантные свойства делают его перспективной терапевтической молекулой для лечения различных заболеваний. Это одни из свойств молекулярного водорода. О других можно почитать в статье “Водород — самый мощный антиоксидант”.

Н2 вырабатывается при помощи специальных аппаратов — генераторов водорода, которые могут использоваться не только в медицине, но и в домашних условиях. Самые популярные методы доставки H2 в организм: ингаляции газообразным водородом, растворенным в воде для питья или принятия ванн [16].

Еда и БАДы

Антиоксиданты могут быть искусственными и содержащимися в продуктах: витамины (A, C, E), минералы (селен), полифенолы, каротиноиды и другие.

Их воздействие на повышенный уровень АФК и окислительный стресс ограничено следующими факторами:

При избыточном потреблении антиоксиданты могут вызвать передозировку, аллергические реакции [17].
Отдавая электрон антиоксидант становится свободным радикалом (имеющим один непарный электрон). Из-за этого они могут причинить серьезный вред здоровью, в том числе, повлиять на развитие онкопатологий [18], [19], [20].
Плохо усваиваются организмом — поступающего объема недостаточно для терапевтического эффекта. Кроме того, часть свойств утрачивается во время хранения биодобавок [21].

Поэтому они могут не оказать существенного влияния на окислительный стресс.

Здоровый образ жизни

Включает правильное питание, достаточный отдых, сон, а также управление стрессом и психическим состоянием. Питание должно включать в себя продукты, богатые антиоксидантами, такими как фрукты, овощи, орехи, зеленый чай и другие.

Регулярная умеренная физическая активность может увеличить уровень антиоксидантов в организме и улучшить обмен веществ.

Уменьшение воздействия вредных факторов

Прогулки на чистом воздухе, отдых на природе могут улучшить состояние здоровья. Лучше избегать загрязненных мест, сокращать время пребывания в пробках, на заправках. Солнцезащитный крем может помочь защитить кожу от УФ-излучения. Использование перчаток при контакте с бытовой химией защитит от воздействия ксенобиотиков — химических веществ, не свойственных организму, которые попадают в него извне и влияют на его функции.

Вывод

Активные формы кислорода играют двойственную роль в организме, выполняя сигнальные функции (иммунные, бактерицидные и регуляторные) и являясь потенциальными причинами окислительного стресса и клеточного повреждения.

В здоровом организме уровень АФК настолько низок, что естественная антиоксидантная защита клетки способна своевременно очистить себя от АФК и восстановить причиненный ущерб. При повышенной выработке АФК баланс нарушается, антиоксидантная защита не справляется с их устранением.

Это приводит к цепной реакции окислительного стресса, который вызывает деградацию и разрушение органов. Этот процесс очень похож на «принцип домино»: первый элемент порождает реакцию, которая влечет разрушение последующих элементов.

Исследования показали, что Н2 является мощным антиоксидантом и оказывает защитное, восстанавливающее действие при окислительном стрессе (ссылка). Водород может вводится в организм разными методами — одни из которых ингаляции, водородные ванны и употребление воды с растворенным в ней водородом.

Еще больше статей о болезнях и здоровье читайте на нашем официальном сайте.

Подписывайтесь на наш Телеграм-канал, каждый день мы публикуем реальные истории и исследования всего мира о самых распространенных болезнях и способов их лечения.