#ОксидативныйСтресс

1. Что такое оксидативный стресс?

2. Механизмы оксидативного стресса

Перекисное окисление липидов:

Повреждение белков:

Повреждение ДНК:

Образование комплексов:

3. Биомаркеры оксидативного стресса

3.1 Окислительно-антиоксидантный статус организма.

TAC (Total Antioxidant Capacity)

TAC — это показатель суммарной антиоксидантной активности плазмы, сыворотки или других биологических жидкостей. Он отражает способность организма нейтрализовать свободные радикалы за счёт всех присутствующих антиоксидантов, как ферментативных, так и низкомолекулярных. Метод оценки TAC обычно основан на способности антиоксидантов восстанавливать определённые радикальные соединения или ингибировать их образование. Измерение TAC используется для общей оценки баланса между антиоксидантной защитой и окислительным стрессом в организме. Низкие значения TAC связаны с повышенным риском воспалительных заболеваний, старения и метаболических нарушений.

TAS (Total Antioxidant Status)

TAS — это показатель общей антиоксидантной активности сыворотки или плазмы крови, аналогичный TAC, но с акцентом на количественное измерение. Он отражает суммарное действие всех антиоксидантов, включая витамины, ферменты и другие молекулы, против свободных радикалов. TAS измеряется биохимическими методами, основанными на восстановлении радикальных субстанций или ингибировании окислительных реакций. Высокий уровень TAS свидетельствует о хорошем состоянии антиоксидантной защиты организма. Снижение TAS часто наблюдается при хронических воспалительных заболеваниях, онкологии, сердечно-сосудистых и нейродегенеративных процессах.

TOS (Total Oxidant Status)

TOS — это показатель общей концентрации окислительных агентов в биологических жидкостях, таких как плазма крови. Методика TOS измеряет уровень перекисей, свободных радикалов и других окислительных молекул суммарно. Высокие значения TOS свидетельствуют о выраженном окислительном стрессе и могут сопровождать различные патологические состояния, включая инфекции, рак, метаболические нарушения и ишемические повреждения. Обычно TOS определяется колориметрическими методами с использованием субстратов, чувствительных к окислению. Баланс между TOS и TAS является важным показателем состояния окислительно-антиоксидантного равновесия организма.

ROS (Reactive Oxygen Species)

Reactive Oxygen Species (активные формы кислорода) — это группа высокореактивных молекул, содержащих кислород, таких как супероксидный анион (O₂•⁻), перекись водорода (H₂O₂) и гидроксильный радикал (•OH). Они образуются как естественные побочные продукты нормального метаболизма кислорода, особенно в митохондриях, но их уровень резко возрастает при окислительном стрессе. В небольших количествах ROS участвуют в регуляции клеточных сигналов и иммунных реакций, но в избытке они вызывают повреждение липидов, белков и ДНК. Измерение ROS проводится биохимическими методами (например, с помощью флуоресцентных красителей, таких как DCFH-DA) или электронно-парамагнитным резонансом (EPR). Высокий уровень ROS связан с развитием воспаления, старением, нейродегенеративными и сердечно-сосудистыми заболеваниями.

3.2 Реактивные формы кислорода и азота

Перекись водорода (H₂O₂)

Относительно стабильная молекула, способная диффундировать через мембраны. В низких концентрациях выступает как важный вторичный мессенджер. В высоких концентрациях приводит к окислительному стрессу и апоптозу. Разлагается каталазой и глутатионпероксидазой. Используется иммунными клетками для уничтожения патогенов.

Оксид азота (NO)

Газообразный мессенджер, синтезируемый NO-синтазами. Играет ключевую роль в вазодилатации и нейротрансмиссии. В высоких концентрациях становится цитотоксичным. Участвует в формировании нитросотивного стресса. Его биодоступность регулируется реакцией с гемоглобином.

3.3 Антиоксидантные ферменты

Супероксиддисмутаза (SOD)

Существует в трех изоформах: Cu/Zn-SOD (цитозоль), Mn-SOD (митохондрии) и внеклеточная EC-SOD. Катализирует дисмутацию O₂⁻ в H₂O₂ и O₂. Активность зависит от металлов-кофакторов в активном центре. Экспрессия Mn-SOD индуцируется при воспалении. Дефицит SOD связан с боковым амиотрофическим склерозом.

Каталаза (CAT)

Гем-содержащий фермент, разлагающий H₂O₂ на воду и кислород. Особенно активен в печени и эритроцитах. Локализован преимущественно в пероксисомах. Имеет очень высокую скорость катализа (до 10⁶ молекул в минуту). Активность снижается при дефиците железа.

Глутатионпероксидаза (GPx)

Селенсодержащий фермент, использующий GSH для восстановления H₂O₂ и гидропероксидов липидов. Существует несколько изоформ с разной тканевой специфичностью. Особенно важна для защиты мембран от перекисного окисления. Активность резко снижается при дефиците селена. GPx4 играет ключевую роль в предотвращении ферроптоза.

Глутатионредуктаза (GR)

Флавопротеин, восстанавливающий GSSG в GSH за счет NADPH. Поддерживает высокое внутриклеточное соотношение GSH/GSSG. Особенно активен в эритроцитах и печени. Ингибируется тяжелыми металлами. Активность GR служит показателем антиоксидантного резерва клетки.

Тиоредоксинредуктаза (TrxR)

Селенсодержащий фермент, поддерживающий восстановленное состояние тиоредоксина. Участвует в восстановлении дисульфидных связей в белках. Играет ключевую роль в регуляции апоптоза. Активность зависит от уровня селена в организме. Ингибируется некоторыми противоопухолевыми препаратами.

Пероксиредоксины (Prx)

Семейство тиол-зависимых пероксидаз, нейтрализующих H₂O₂ и органические гидропероксиды. Играют важную роль в передаче окислительно-восстановительных сигналов. Обеспечивают защиту ДНК от окислительного повреждения. Чувствительны к гиперокислению и инактивации при стрессе. Восстанавливаются тиоредоксином.

Гемоксигеназа-1 (HO-1)

Индуцибельный фермент, расщепляющий гем до билирубина, CO и Fe²⁺. Экспрессия активируется через Nrf2 при окислительном стрессе. Образующийся билирубин обладает антиоксидантными свойствами. Играет важную роль в защите сердечно-сосудистой системы. Избыток Fe²⁺ требует сопутствующей активации ферритина.

Параоксоназа-1 (PON1)

Кальций-зависимая эстераза, ассоциированная с ЛПВП. Защищает ЛПНП от перекисного окисления. Активность снижается при воспалительных заболеваниях. Генетические полиморфизмы влияют на ее активность. Считается важным фактором антиатерогенной защиты.

3.4 Неферментативные антиоксиданты

Глутатион (GSH)

Глутатион представляет собой трипептид (γ-глутамил-цистеинил-глицин), присутствующий в клетках в миллимолярных концентрациях. Он служит основным клеточным антиоксидантом, непосредственно нейтрализуя реактивные формы кислорода. GSH участвует в детоксикации ксенобиотиков через реакции, катализируемые глутатион-S-трансферазами. Его восстановленная форма поддерживается ферментом глутатионредуктазой за счет NADPH. Снижение уровня GSH является одним из наиболее чувствительных показателей окислительного стресса.

Витамин C (аскорбиновая кислота)

Этот водорастворимый витамин служит важным антиоксидантом в плазме крови и цитозоле клеток. Аскорбиновая кислота способна непосредственно нейтрализовать супероксид, гидроксильный радикал и синглетный кислород. Она участвует в регенерации окисленного витамина E в мембранах. Дефицит витамина C приводит к нарушению синтеза коллагена и повышенной хрупкости сосудов. Его уровень в крови часто снижается при хронических воспалительных заболеваниях.

Витамин E (α-токоферол)

Основной жирорастворимый антиоксидант, локализованный в клеточных мембранах и липопротеинах. Он эффективно прерывает цепные реакции перекисного окисления липидов, превращаясь в токофероксильный радикал. Восстанавливается аскорбатом или убихиноном. Особенно важен для защиты ЛПНП от окисления. Дефицит приводит к неврологическим нарушениям и мышечной слабости.

Коэнзим Q10 (убихинон)

Липофильный компонент дыхательной цепи митохондрий, обладающий антиоксидантными свойствами. Защищает мембранные липиды от перекисного окисления. В восстановленной форме (убихинол) является мощным антиоксидантом. Его уровень снижается с возрастом и при приеме статинов. Добавки коэнзима Q10 используются в кардиологической практике.

3.5 Продукты окислительного повреждения

Малоновый диальдегид (MDA)

Конечный продукт распада полиненасыщенных жирных кислот при перекисном окислении липидов. Образует аддукты с аминогруппами белков и нуклеиновых кислот. Определяется с помощью ТБК-теста (тиобарбитуровой кислоты). Его уровень повышается при ишемии-реперфузии и воспалительных процессах. Служит общепринятым маркером окислительного стресса, хотя и не является специфичным.

4-гидроксиноненал (4-HNE)

α,β-ненасыщенный альдегид, образующийся при окислении ω-6 жирных кислот. Обладает высокой реакционной способностью по отношению к тиольным и аминогруппам. Модулирует сигнальные пути, влияя на активность транскрипционных факторов. В низких концентрациях участвует в клеточной сигнализации, в высоких - индуцирует апоптоз. Его аддукты с белками обнаруживаются при нейродегенеративных заболеваниях.

8-гидрокси-2'-дезоксигуанозин (8-OHdG)

Один из наиболее изученных маркеров окислительного повреждения ДНК. Образуется при атаке гидроксильного радикала на гуаниновые остатки. Вызывает транверсионные мутации (G→T). Определяется в моче как интегральный показатель окислительного стресса в организме. Его уровень коррелирует с риском развития рака и процессов старения.

Карбонильные группы белков

Формируются при окислении аминокислотных остатков (лизина, аргинина, пролина). Определяются с помощью реакции с 2,4-динитрофенилгидразином. Накопление карбонилов приводит к потере белковой функции и образованию агрегатов. Служат стабильным маркером белкового окисления. Их уровень повышается при нейродегенеративных заболеваниях и старении.

F2-изопростаны

Продукты неферментативного окисления арахидоновой кислоты под действием свободных радикалов. Считаются "золотым стандартом" оценки перекисного окисления липидов in vivo. Образуются независимо от циклооксигеназного пути. Определяются в плазме и моче методом масс-спектрометрии. Их уровень отражает интенсивность окислительного стресса в организме.

Нитротирозины

Образуются при нитровании тирозиновых остатков в белках пероксинитритом. Служат специфическим маркером нитрозативного стресса. Обнаруживаются при атеросклерозе, нейродегенеративных и воспалительных заболеваниях. Могут нарушать функцию белков и клеточную сигнализацию. Их определение проводится иммунохимическими методами.

Окисленные ЛПНП (oxLDL)

Модифицированные формы липопротеинов низкой плотности, образующиеся при действии ROS. Распознаются макрофагами через скэвенджер-рецепторы. Способствуют формированию пенистых клеток в сосудистой стенке. Их уровень коррелирует с риском атеросклероза. Определяются по содержанию малонового диальдегида или специфических антител.

Продвинутые продукты гликирования (AGEs)

Гетерогенная группа соединений, образующихся при неферментативной реакции сахаров с аминогруппами белков. Их образование ускоряется при окислительном стрессе. Накапливаются при диабете и старении. Взаимодействуют с RAGE-рецепторами, активируя воспалительные пути. Служат мишенями для антидиабетической терапии.

3.5 Окислительно-восстановительные маркеры

Соотношение GSH/GSSG

Важнейший показатель редокс-статуса клетки, в норме превышающий 10:1. Снижается при окислительном стрессе за счет накопления окисленного глутатиона. Отражает резерв антиоксидантной защиты. Чувствительный индикатор оксидативного повреждения. Определяется методами ВЭЖХ или спектрофотометрии.

Окисленный глутатион (GSSG)

Дисульфидная форма глутатиона, образующаяся при антиоксидантной активности. В норме быстро восстанавливается глутатионредуктазой. Накопление свидетельствует о превышении антиоксидантной емкости. Может образовывать смешанные дисульфиды с белками. Его уровень строго контролируется клеткой.

NADPH

Основной донор электронов для антиоксидантных систем (глутатионовой и тиоредоксиновой). Синтезируется в пентозофосфатном пути и цитратном цикле. Обеспечивает работу глутатионредуктазы и тиоредоксинредуктазы. Его дефицит приводит к нарушению антиоксидантной защиты. Уровень зависит от метаболического статуса клетки.

Лактоферрин

Железосвязывающий белок, присутствующий в секретах и нейтрофилах. Конкурирует с патогенами за железо, проявляя антимикробную активность. Препятствует участию железа в образовании ROS. Его уровень повышается при воспалении. Обладает собственной антиоксидантной активностью.

Сывороточное железо

Лабильный пул железа в плазме, связанный с трансферрином. Избыток свободного железа катализирует образование гидроксильных радикалов. Его уровень строго регулируется системой всасывания, хранения и рециклинга. Дисбаланс наблюдается при гемохроматозе и анемиях. Окислительный стресс может приводить к высвобождению железа из транспортных белков.

Мочевая кислота в сыворотке

Конечный продукт пуринового обмена у человека. В физиологических концентрациях - важный антиоксидант плазмы. Нейтрализует пероксинитрит и гидроксильный радикал. Гиперурикемия может быть как компенсаторной реакцией, так и патологическим состоянием. Ее роль двойственна - антиоксидантная в плазме, провоспалительная в тканях.

Миелопероксидаза (МРО)

Фермент нейтрофилов, продуцирующий гипохлорит из H₂O₂ и хлоридов. Маркер активации фагоцитов и воспаления. Участвует в уничтожении патогенов, но может повреждать собственные ткани. Его уровень повышается при атеросклерозе и сердечно-сосудистых заболеваниях. Продукты МРО служат маркерами воспалительного оксидативного стресса.

TBARS (Thiobarbituric Acid Reactive Substances)

TBARS — это группа веществ, которые реагируют с тиобарбитуровой кислотой. Измерение уровня TBARS является одним из самых популярных методов оценки степени окислительного повреждения клеточных мембран. Метод основан на реакции веществ с ТБК с последующим измерением оптической плотности образовавшегося окрашенного комплекса. Повышенные уровни TBARS свидетельствуют о развитии окислительного стресса и связаны с такими состояниями, как атеросклероз, нейродегенерация и диабет. Несмотря на популярность, метод TBARS считается неспецифичным, так как в реакцию могут вступать разные вещества, а не только малоновый диальдегид.

Total Sulfhydryl Group / Total Thiol (-SH)

Общее содержание тиолов (SH-групп) в клетке или тканях является важным показателем состояния антиоксидантной системы и клеточной устойчивости к окислительному стрессу. Тиоловые группы (-SH) содержатся в аминокислотах, таких как цистеин, и являются ключевыми компонентами антиоксидантной активности, поскольку они способны нейтрализовать активные формы кислорода (ROS) и другие окислительные агенты. Измерение общего содержания тиолов может дать информацию о повреждениях клеточных белков, вызванных окислительным стрессом, так как окисление SH-групп в белках может привести к их функциональной инактивации.

NADH Oxidase (NOX)

NADH-оксидаза (NOX) — это фермент, который участвует в процессе образования активных форм кислорода (ROS), таких как супероксидный анион (O₂•⁻), путем окисления NADH (никотинамидадениндинуклеотида). NOX играет ключевую роль в клеточной сигнализации, иммунном ответе и некоторых аспектах клеточной гипоксии. Он также участвует в окислительно-восстановительных процессах, таких как реакции клеточного дыхания, в том числе в митохондриях и мембранах клеток. Хотя NOX является важным для нормальных физиологических процессов, его чрезмерная активация может приводить к чрезмерному производству ROS, что, в свою очередь, вызывает окислительный стресс и повреждение клеток.

Cytochrome P450 Reductase (CPR)

Цитохром P450 редуктаза (CPR) — это фермент, который играет ключевую роль в метаболизме лекарств и токсинов, а также в синтезе стеройдов, витаминов и жирных кислот. CPR функционирует как электронный донор для цитохромов P450, ферментов, которые отвечают за окисление различных субстратов. Цитохром P450 редуктаза переносит электроны от NADPH к цитохромам P450, что позволяет этим ферментам катализировать реакцию окисления. Система цитохрома P450 важна для детоксикации организма и метаболизма многих экзогенных веществ, таких как препараты и химические соединения, а также эндогенных соединений, включая гормоны. Окислительный стресс и токсичные вещества могут повлиять на активность CPR, что может приводить к нарушениям в метаболизме и токсичности.

Xanthine Oxidase (XOD)

Ксантиноксидаза (XOD) — это фермент, который играет ключевую роль в метаболизме пуринов, катализируя окисление ксантина в мочевую кислоту через промежуточный продукт гипоксантин. XOD является важным источником активных форм кислорода (ROS), таких как супероксидный анион (O₂•⁻) и перекись водорода (H₂O₂), в ходе своей ферментативной активности. Эти ROS могут оказывать как физиологическое, так и патологическое влияние на клетки, в зависимости от их уровня. Повышенная активность XOD приводит к избыточному производству мочевой кислоты, что связано с развитием заболеваний, таких как подагра, сердечно-сосудистые заболевания и хронические воспалительные процессы. Окислительное повреждение, вызванное XOD, также связано с повреждением клеток и тканей в таких состояниях, как ишемия и реперфузия.

Aldo-Keto Reductase (AKR)

Альдо-кето редуктазы (AKR) — это семейство ферментов, которые участвуют в редукции альдегидных и кетоновых групп в различные активные метаболиты, используя NADPH в качестве кофермента. Эти ферменты играют важную роль в метаболизме жирных кислот, стероидов, токсичных веществ и препаратов. AKR также участвуют в детоксикации продуктов окислительного стресса, таких как альдефиды, и в регуляции клеточной функции, влияя на окислительно-восстановительные процессы в организме. Альдо-кето редуктазы имеют большое значение в метаболизме углеводов, так как они участвуют в преобразовании сахарозы, глюкозы и других моносахаридов в менее токсичные формы. Мутации или дисфункция AKR могут быть связаны с нарушением метаболических процессов, такими как диабет, рак, нейродегенеративные заболевания и болезни сердца.

Nitrite (NO₂⁻)

Нитрит (NO₂⁻) — это анион, образующийся в организме в процессе метаболизма нитратов, которые поступают в организм с пищей или синтезируются в результате биологических процессов. Нитриты играют важную роль в регуляции сосудистого тонуса и кровообращения, поскольку могут быть преобразованы в оксид азота (NO), который действует как сосудорасширяющее вещество. Однако, при нарушении метаболизма нитратов и нитритов, их концентрация может увеличиваться, что приводит к токсическим эффектам, таким как метгемоглобинемия — состояние, при котором кислородная способность крови снижается. В то же время, нитриты также участвуют в окислительных процессах в организме, взаимодействуя с активными формами кислорода и влияя на клеточные сигнальные пути.

Mitochondrial Superoxide

Митохондриальный супероксид (O₂•⁻) — это активная форма кислорода, которая образуется в митохондриях в ходе нормального клеточного дыхания, особенно при функционировании дыхательной цепи. Супероксид является промежуточным продуктом, образующимся в митохондриях, и может быть результатом частичного восстановления молекулы кислорода (O₂) в процессе окислительного фосфорилирования. Несмотря на то, что небольшие количества супероксида участвуют в клеточной сигнализации, его избыток может привести к окислительному стрессу, повреждая липиды, белки и ДНК митохондрий, а также других клеточных структур. Митохондриальный супероксид играет важную роль в старении, нейродегенеративных заболеваниях (например, болезни Паркинсона, Альцгеймера), а также в сердечно-сосудистых заболеваниях, таких как инфаркт миокарда.