Окислительный стресс: роль, механизм, показатели

Стрессом считается неспецифическая реакция организма на действие внутренних или внешних факторов. Это определение было введено в практику Г. Селье (канадским физиологом). Любое действие либо условие может спровоцировать стресс. Однако нельзя выделить один фактор и назвать его основной причиной возникновения реакции организма.

Отличительные признаки

При анализе реакции не имеет значения характер ситуации (приятна она или неприятна), в которой находится организм. Интерес представляет интенсивность потребности в адаптации или перестройке в соответствии с условиями. Организм в первую очередь противопоставляет влиянию раздражающего агента свою возможность отвечать и гибко приспосабливаться к ситуации. Соответственно, можно сделать следующий вывод. Стресс представляет собой комплекс приспособительных ответов, выдаваемых организмом в случае влияния фактора. Такое явление называется в науке общим адаптационным синдромом.

Стадии

Адаптационный синдром протекает поэтапно. Сначала наступает стадия тревоги. Организм на этом этапе выражает непосредственную реакцию на воздействие. Вторая стадия – резистенции. На этом этапе организм максимально эффективно адаптируется к условиям. На последней стадии наступает истощение. Для прохождения предыдущих этапов организм задействует свои резервы. Соответственно, к последней стадии они значительно истощены. В результате внутри организма начинаются структурные перестройки. Однако во многих случаях этого недостаточно для выживания. Соответственно, невосполнимые запасы энергии истощаются, и организм перестает адаптироваться.

Окислительный стресс

Антиоксидантные системы и прооксиданты при тех или иных условиях приходят в неустойчивое состояние. В состав последних элементов входят все факторы, играющие активную роль в усиленном формировании свободных радикалов или иных видов кислорода реактивного типа. Первичные механизмы повреждающего действия окислительного стресса могут быть представлены разными агентами. Это могут быть клеточные факторы: дефекты митохондриального дыхания, специфические ферменты. Механизмы окислительного стресса могут быть и внешними. К таким, в частности, относят курение, прием лекарств, загрязнение воздуха и так далее.

Свободные радикалы

Они постоянно образуются в человеческом организме. В некоторых случаях это обусловлено случайными химическими процессами. Так, например, возникают гидроксильные радикалы (ОН). Их появление связано с постоянной подверженностью ионизирующим излучениям низкого уровня и выделением супероксида вследствие утечки электронов и цепи их транспорта. В других случаях возникновение радикалов обусловлено активированием фагоцитов и продуцированием эндотелиальными клетками оксида азота.

Механизмы окислительного стресса

Процессы возникновения свободных радикалов и выражения организмом ответа примерно сбалансированы. При этом достаточно легко сдвинуть это относительное равновесие в пользу радикалов. В результате нарушается биохимия клетки и возникает окислительный стресс. Большая часть элементов в состоянии переносить умеренную степень дисбаланса. Это обуславливается наличием в клетках репаративных структур. Они выявляют и удаляют поврежденные молекулы. На место последних приходят новые элементы. Кроме этого, клетки обладают способностью усилить защиту, отвечая на окислительный стресс. К примеру, крысы, помещенные в условия с чистым кислородом, гибнут спустя несколько дней. Стоит сказать, что в обычном воздухе присутствует около 21 % О₂. Если воздействовать на животных постепенно увеличивающимися дозами кислорода, их защита будет усиливаться. В результате можно добиться того, что крысы вполне смогут переносить и 100 % концентрацию О₂. Тем не менее сильный окислительный стресс способен вызвать серьезные разрушения или гибель клеток.

Провоцирующие факторы

Как выше было сказано, в организме поддерживается баланс свободных радикалов и защитой. Из этого можно сделать вывод, что окислительный стресс вызывается как минимум двумя причинами. Первая заключается в снижении активности защиты. Вторая состоит в повышении образования радикалов до такой степени, что антиоксиданты окажутся не в состоянии их нейтрализовать.

Снижение защитной реакции

Известно, что антиоксидантная система в большей степени зависит от нормального питания. Соответственно, можно сделать вывод, что снижение защиты в организме является следствием плохого рациона. По всей вероятности, множество заболеваний человека обуславливается дефицитом антиоксидантных нутриентов. К примеру, нейродегенерация выявляется вследствие недостаточного поступления витамина Е у больных, организм которых не может усваивать жиры надлежащим образом. Есть также сведения о том, что у лиц, инфицированных ВИЧ, выявляется восстановленный в лимфоцитах глутатион в крайне низких концентрациях.

Курение

Оно является одним из основных факторов, провоцирующих окислительный стресс в легких и многих других тканях организма. Дым и смолы богаты радикалами. Некоторые из них способны атаковать молекулы и снижать концентрацию витаминов Е и С. Дым раздражающе действует на микрофаги легких, вследствие чего образуется супероксид. В легких курильщиков присутствует больше нейтрофилов, чем у некурящих. Злоупотребляющие табаком люди часто плохо питаются и потребляют алкоголь. Соответственно, их защита ослаблена. Хронический окислительный стресс провоцирует тяжелые нарушения клеточного метаболизма.

Изменения в организме

В диагностических целях используются различные маркеры окислительного стресса. Те или иные изменения в организме свидетельствуют о конкретном участке нарушения и факторе, его спровоцировавшем. При исследовании процессов образования свободных радикалов при развитии рассеянного склероза используются такие показатели окислительного стресса:

1. Малоновый диальдегид. Он выступает вторичным продуктом свободнорадикального окисления (СРО) липидов и оказывает повреждающее воздействие на структурно-функциональное состояние мембран. Это, в свою очередь, приводит к увеличению их проницаемости для кальциевых ионов. Повышение концентрации малонового диальдегида в ходе первично- и вторично-прогрессирующего рассеянного склероза подтверждает первый этап оксислительного стресса – активизацию свободнорадикального окисления.
2. Основания Шиффа является конечным продуктом СРО-белков и липидов. Повышение концентрации оснований Шиффа подтверждает тенденцию хронизации активации свободнорадикального окисления. При повышенной концентрации малонового диальдегида в дополнение к этому продукту при первично- и вторично-прогрессирующем склерозе может отмечаться начало деструктивного процесса. Он заключается во фрагментации и последующем разрушении мембран. Повышенное содержание оснований Шиффа также указывает на первый этап окислительного стресса.
3. Витамин Е. Он представляет собой биологический антиоксидант, взаимодействующий со свободными радикалами перекисей и липидов. В результате реакций образуются балластные продукты. Витамин Е при этом окисляется. Он считается эффективным нейтрализатором синглетного кислорода. Уменьшение показателя активности витамина Е в крови указывает на дисбаланс в неферментативном звене системы АО3 – во втором блоке развития окислительного стресса.

Последствия

Какова роль окислительного стресса? Стоит отметить, что воздействию подвергаются не только липиды мембран и белки, но и углеводы. Кроме этого, изменения начинаются в гормональной и эндокринной системах. Активность энзимной структуры лимфоцитов тимуса снижается, повышается уровень нейромедиаторов, начинают высвобождаться гормоны. При стрессе начинается окисление нуклеиновых кислот, протеинов, углеродов, повышается общее содержание в крови липидов. Усиливается высвобождение адренокортикотропного гормона вследствие интенсивного распада АТФ и возникновения цАМФ. Последний при этом активирует протеинкиназу. Она, в свою очередь, с участием АТФ способствует фосфолированию холинэстеразы, трансформирующей холестериновые эфиры в свободный холестерин. Усиление биосинтеза белка, РНК, ДНК, гликогена при одновременной мобилизации из депо жиров, распаде в тканях жирных (высших) кислот и глюкозы также вызывает окислительный стресс. Старение считается одним из наиболее серьезных последствий процесса. Также отмечается усиление действия гормонов щитовидки. Она обеспечивает регуляцию скорости основного обмена – роста и дифференцировку тканей, белкового, липидного, углеводного обмена. Важная роль отводится глюкагону и инсулину. По мнению ряда специалистов, глюкоза выступает в качестве сигнала для активации аденилатциклазы, а цМАФ – для продукции инсулина. Все это приводит к интенсификации распада гликогена в мышцах и печени, замедлению биосинтеза углеводов и белков, замедлению окисления глюкозы. Развивается отрицательный азотистый баланс, увеличивается концентрация холестерина и прочих липидов в крови. Гликагон способствует формированию глюкозы, тормозит ее распад до молочной кислоты. При этом ее перерасход приводит к усилению глюконеогенеза. Этот процесс представляет собой синтез неуглеводных продуктов и глюкозы. В качестве первых выступают пировиноградная и молочная кислоты, глицерол, а также любые соединения, которые при катаболизме могут трансформироваться в пируват либо один из промежуточных элементов трикарбоновокислотного цикла.

Основными субстратами также являются аминокислоты и лактат. Ключевая роль в трансформациях углеводов принадлежит глюкозо-6-фосфату. Это соединение резко замедляет процесс фосфолиритического расщепления гликогена. Глюкозо-6-фосфат активирует ферментативный транспорт глюкозы с уридиндифосфоглюкозы на синтезирующийся гликоген. Соединение также выступает как субстрат для последующих гликолитических превращений. Вместе с этим отмечается усиление синтеза ферментов глюконеогенеза. В особенности это характерно для фосфоэнолпируват-карбоксикиназы. Она определяет скорость процесса в почках и печени. Соотношение глюконеогенеза и гликолиза смещается вправо. В качестве индукторов ферментного синтеза выступают глюкокортикоиды.

Кетоновые тела

Они выступают в качестве своего рода поставщиков топлива для почек, мускулатуры. При окислительном стрессе количество кетоновых тел увеличивается. Они функционируют как регулятор, предотвращающий избыточную мобилизацию жирных кислот из депо. Это обуславливается тем, что во многих тканях начинается энергетический голод вследствие того, что глюкоза из-за недостатка инсулина не способна проникнуть в клетку. При высокой концентрации в плазме жирных кислот возрастает их поглощение печенью и окисление, повышается интенсивность синтеза триглицеридов. Все это и приводит к увеличению числа кетоновых тел.

Дополнительно

Науке известно и такое явление, как "окислительный стресс растений". Стоит сказать, что вопрос о специфичности адаптации культур к различным факторам остается сегодня дискуссионным. Одни авторы полагают, что при неблагоприятных условиях комплекс реакций имеет универсальный характер. Его активность не зависит от природы фактора. Другие специалисты утверждают, что устойчивость культур определяется специфическими ответами. То есть реакция адекватна фактору. Между тем большая часть ученых сходится во мнении, что вместе с неспецифическими ответами проявляются и специфические. При этом последние далеко не всегда можно выявить на фоне многочисленных универсальных реакций.