Курсовая работа (т): Оксидативний стрес

Оксидативний стрес

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД "ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ" МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Оксидативний стрес

Запоріжжя 2015 р.

Содержание

Оксидативний стрес

Механізм дії природних, синтетичних антиоксидантів і ліків

Окиснення ліпідів, білків і вуглеводів

Шляхи подолання оксидативного стресу

Список літератури

Оксидативний стрес

Стрес - це природний фізіологічний стан, необхідний для нормальної життєдіяльності людини, що виникає в процесі реалізації її бажань і потреб, а також під впливом зовнішніх факторів природного і соціального середовища. Стрес супроводжує людину все життя. На фізіологічному рівні розрізняють евстрес, тобто нормальний, помірний, і дистрес - такий, що виходить за межі адаптації, порушує гомеостаз і може стати причиною захворювань. На відміну від тварин для людини головне джерело стресів - не фізичні фактори середовища, а психосоціальні конфлікти [1].

Канадський учений Ганс Сельє (Hans Selye) свого часу звернув увагу на стереотипність відповіді організму на стресові стимули незалежно від їхньої природи (фізичне напруження, негативні емоції, радіація, інтоксикація тощо). Головну роль при цьому відіграє нейрогормональна система організму.

Основних стрес-реалізуючих систем дві: симпато-адреномедулярна і гіпоталамо-гіпофізо-кортикоадреналова (ГГКАС). Перша є системою аварійної відповіді, як її назвав американський учений Уолтер Кенон (Walter Cannon). Основною ознакою її є викид у кров адреналіну з мозкової речовини надниркових залоз. Одразу після цього активується ГГКАС, що при зводить до посилення в корі надниркових залоз секреції кортизолу - глюкокортикоїдного гормону. Він здійснює головну захисну функцію і підвищує неспецифічну резистентність організму, тобто здатність виявляти опір різноманітним хвороботворним чинникам [1, 2].

Початковою ланкою реакції ГГКАС на стресогенні фактори є особлива ділянка головного мозку - гіпоталамус. Він синтезує і вивільнює кортиколіберин - пептид, який надходить із кровотоком венозної портальної системи гіпофіза до його передньої частки (аденогіпофіза) і посилює там утворення і вивільнення у кров адренокортикотропного гормону (АКТГ) - стимулятора секреції кортизолу. Секрецію АКТГ посилює також гіпоталамічний олігопептид вазопресин. Він надходить по довгих аксонах до задньої частки гіпофіза, де й депонується. Переносниками вазопресину по аксону є спеціальні білки - нейрофізини. Під час стресової активації ГГКАС вазопресин проникає короткими судинами до аденогіпофіза і стимулює вивільнення АКТГ.

Поряд із стрес-реалізуючими існують стрес - лімітуючі системи, які обмежують надмірні прояви стресу, що можуть посилити його негативні наслідки. Гормональні та інші реакції стресу здатні обмежувати аміномасляна кислота (головний гальмівний нейромедіатор мозку), гормон шишкоподібного тіла мелатонін, пептид сну тощо [1, 2].

Невід’ємним супутником дистресу є зсув редокс-рівноваги в організмі в бік вільнорадикального окиснення і утворення пероксидів ліпідів, що в сучасній науці дістало назву "оксидативний стрес" [3, 4]. У біологічних системах найактивнішими є вільні радикали та іон - радикали, що містять неспарені електрони в атомах O, N, S чи Сl і утворюють так звані активні форми кисню (АФК), азоту (АФА), сірки (АФС) і хлору (АФХ).

З одного боку, кисень абсолютно необхідний для дихання і процесів окиснення вуглеводів, білків і жирів, що супроводжується вивільненням великої кількості енергії, потрібної для нормального функціонування організму; з іншого - активні форми кисню викликають деструкцію клітинних структур, загибель мембран і органел. Утворенню радикалів сприяють куріння, пестициди, озон, токсичні відходи тощо.

Активні форми азоту утворюються при взаємодії NO з АФК, найбільш реакційноздатним і небезпечним з них є пероксинітрит ONOO-. Активні форми сірки утворюються при дії АФК на тіольні сполуки. Вони містять дисульфід-S - оксиди, сульфенові кислоти, тіольні радикали, які модулюють редокс-статус біологічних тіолів і дисульфідів. АФХ включають гіпохлоритну кислоту, нітрил гіпохлорит, атомарний хлор.

Найзагальніша і найдавніша реакція клітини на стресові події - це посилення продукуван - ня енергії електрон-транспортними системами мітохондрій і мікросом (ендоплазматичного ретикулуму) зі збільшенням споживання кисню. Внаслідок бурхливого посилення окисних реакцій утворюється велика кількість АФК. Вони виникають і в разі прямого пошкодження клітинних мембран і стінок. Активація вільнорадикального окиснення і ліпідної пероксидації є незмінним і обов’язковим компонентом клітинної відповіді на дію стресорів. Мабуть, це і є та загальна ланка механізму індукції стресу, в якій поєднуються ефекти різних стресогенних чинників. У відповідь зростає активність системи антиоксидативного захисту.

Надлишок активних форм кисню порушує транспорт електронів і знижує вироблення енергії, утворення макроергів. Це спричинює різке обмеження і пригнічення всіх процесів у клітині, які потребують енергії: синтезу ДНК, РНК і білків, поділу клітин, роботи іонних каналів і насосів, обміну речовин (рис.1). Ступінь пригнічення продукування енергії має вирішальне значення для виживання або загибелі клітин при тяжких і тривалих стресах. З іншого боку, АФК, АФА, АФС, АФХ є необхідними посередниками багатьох процесів нормального функціонування клітин [5, 6]. Так, перекисне окиснення ліпідів важливе для біосинтезу простагландинів, лейкотрієнів, інших біологічно активних речовин тощо.

Усі джерела активних форм кисню потребують антиоксидантного обмеження.

Рис. 1. Механізм дії оксидативного стресу (GSH - глутатіон відновлений; NOS - NO-синтаза; NADH - нікотинаденіндинуклеотид відновлений; АТР - аденозинтрифосфат)

Якщо активація вільнорадикального окиснення відіграє таку важливу роль у механізмі стресу, то системи антиоксидантного захисту, які є на всіх рівнях структури організму, виступають як найважливіша внутрішня сила протидії стресовим ушкодженням і порушенням. Разом з тим антиоксидантні механізми безпосередньо задіяні у стрес-реакції, є її невід’ємною частиною, завдяки чому стрес власне і є адаптивною реакцією. Введення антиоксидантів ззовні, з харчовими продуктами та фармпрепаратами, поповнює їх ендогенні резерви, збільшує захис - ну активність системи, забезпечує утримання стресу у фізіологічних рамках. Антиоксиданти містяться в організмі всюди, де є певна небезпека виникнення окисного вибуху [7, 8].

Компоненти системи цього захисту - антиоксидантні ферменти мітохондрій і цитозолю клітин (розчинні й мембрано-асоційовані), ферменти крові, жиро - і водорозчинні антиоксиданти, тіолові сполуки, металотіонеїни, а також репаративні системи - функціонують координовано.

Основні антиоксидантні ферменти - супероксиддисмутази (СОД) і каталаза. СОД нейтралізують супероксидний іон-радикал, перетворюючи його на воду і пероксид водню - активний окисник, який знешкоджується каталазою. Мідь/цинк-вмісна супероксиддисмутаза (CuZnСОД) є в цитозолі, а марганець-вмісна (MnСОД) - у мембранах і матриксі мітохондрій. Каталаза міститься в пероксисомах. Відома також CuZnСОД, яка знаходиться в крові і захищає від пероксидації ендотелій судин.

Відновлений глутатіон (GSH) є головним фактором підтримання внутрішньоклітинного редокс-гомеостазу, він безпосередньо інакти - вує АФК і також функціонує як кофактор і косубстрат GSH-залежних ферментів. Як і цистеїн, тіоредоксин, ерготіонеїн, він відновлює дисульфідні групи до тіолових, бере участь у тіол-дисульфідному обміні. Глутатіонпероксидаза розкладає Н2О2 до води у взаємозв’язку з окисненням глутатіону [1-3].

Пероксидази - група ферментів, які використовують пероксид водню для окиснення інших субстратів. Це цитохром-С-пероксидаза, мієлопероксидаза, NADH-пероксидаза, пероксидаза хрому тощо.

У крові людини і тварин міститься церулоплазмін - головний позаклітинний антиоксидантний фермент, якому притаманна СОД-активність. Поряд з антиоксидантними ферментами захищають клітини і тканини від окисного стресу також ферменти і білки, що зв’язують іони металів зі змінною валентністю і блокують їх здатність каталізувати окиснення і пероксидацію.

До жиророзчинних антиоксидантів належать: вітамін Е (токоферол, а також менш активні a-, β - токофероли і токотрієноли), який захищає ліпідний бішар плазматичних, мітохондріальних, ядерних мембран, ліпопротеїди крові та лімфи; вітамін А (ретинол, ретиналь, ретиноєва кислота і провітамін b-каротин) захищає клітинні й тканинні мембрани, ліпопротеїди, сітківку ока; пігмент білірубін - продукт метаболізму жовчних кислот; ліпоєва кислота, коензим Q (убіхінол-убіхінон) - компонент і важливий фактор редокс-стабілізації електрон-транспортних ланцюгів. Додають свій важливий внесок у редокс-гомеостаз мікроелементи, зокрема Zn, Fe, Cu, Se, а також гормони, олігопептиди, опіоїдні пептиди, нейропептид Y та деякі інші нейропептиди, пігмент меланін.

До водорозчинних вітамінів належать С, РР, група В, до вітаміноподібних речовин - холін, ліпоєва кислота та інші. Деякі вітаміни синтезуються в організмі людини ендогенно мікрофлорою кишок, більшість не синтезуються зовсім. Тому потрібно забезпечити їх постійне надходження з продуктами харчування.

Другу лінію антиоксидантного захисту утворюють ліполітичні ферменти (ліпази й фосфоліпази), які захоплюють і сприяють видаленню з ліпідного бішару окиснених жирних кислот,що обриває ланцюгові реакції ліпідної пероксидації; протеолітичні ферменти, які прискорюють деградацію окиснених білків. Стресові білки (білки теплового шоку) відновлюють нормальну конформацію частково окиснених, денатурованих білків і прискорюють деградацію глибоко змінених білків. Ферменти репаративних систем клітини ліквідують ушкодження структури ДНК.

Кожен з компонентів антиоксидантного захисту необхідний для виконання своєї, притаманної тільки йому, функції на різних стадіях процесу окиснення. Усі ці численні компоненти клітини створюють складну ієрархічну антиоксидантну систему, вони взаємодіють між собою і в сукупності забезпечують підтримку і збереження редокс-гомеостазу в умовах дії стресорів різної природи.

Доведено, що пероксидація ліпідів здійснюється переважно внаслідок вільнорадикальних реакцій і є ланцюговим процесом, у якому беруть участь алкільні R, алкоксидні RO, пероксидні RОOрадикали і АФК, зокрема синглетний кисень і супероксид аніон-радикал [9, 10].

В організмі людини молекулярний кисень є основним джерелом окиснення. Електронна конфігурація молекули кисню в основному стані має два неспарені електрони на зовнішній оболонці, даючи триплетний сигнал у магнітному полі*. Хоча реакції між киснем, який перебуває в основному стані (3О2), та біологічними молекулами є термодинамічно сприятливими, внаслідок високого значення енергії активації (146-273 кДж·моль) вони відбуваються повільно.

Активація триплетного кисню, як окисника в окисно-відновних реакціях, потребує великих витрат енергії. Одним зі способів активації є переведення кисню з основного (3О2) у збуджений синглетний стан (1О2). Синглетний кисень - не радикал, електрофіл, надзвичайно реакційноздатна і короткоіснуюча ( (50 - 700) 106 с залежно від природи розчинника) частинка. Він може утворюватися хімічним, ензиматичним і фотохімічним шляхом. До активних форм кисню, що утворилися внаслідок відновлення його триплетного стану, відносять супероксид аніон-радикал (О-), його кон’юговану кислоту (НО) (пергідроксил-радикал), пероксид водню (Н2О2), гідроксильний ради - кал ОН, гіпохлоритну кислоту НОСl та пероксинітрит ONOOˉ. Найсильнішими електрофілами і найбільш реакційноздатними фор - мами кисню є 1О2 та ОН[11].

Механізм дії природних, синтетичних антиоксидантів і ліків

Основним методом захисту біологічних систем людини від окиснення є використання специфічних харчових добавок або лікарських засобів, які гальмують цей процес.

Вільні радикали можуть реагувати з багатьма сполуками, що містяться в клітинах, за різними механізмами - перенос електрона до чи від радикала з отриманням відповідних іонів; відщеплення атома водню з утворенням нових радикалів та ймовірністю ланцюгового механізму; утворення хелатних комплексів з d-металами; протонізація вільних радикалів з накопиченням іон-радикалів; реакції приєднання, диспропорціонування, самоанігіляції тощо.

Антиоксидантна активність сполук залежить від багатьох факторів, зокрема від їх концентрації, природи біологічних компонентів (білки, жири, вуглеводи, амінокислоти, ліпіди та ін.), температури, тиску кисню, наявності інших антиоксидантів, води, природи каталізаторів тощо.

На рис.2 наведено основні класи антиоксидантів. Антиоксидантна система організму людини містить дві основні групи антиоксидантів - ензиматичні й неензиматичні. Первинну ланку ензиматичного захисту забезпечують супероксиддисмутаза, яка перетворює супероксид аніон-радикал на H2O2, який каталаза розщеплює до H2O і O2, і глутатіонпероксидаза, що слугує відновником для пероксидів.

Вторинну ланку становлять глутатіонредуктаза і глюкозо-6-фосфатдегідрогеназа, які безпосередньо не реагують з радикалами, протее важливі для діяльності інших ендогенних антиоксидантів.

До неeнзиматичних ендогенних антиоксидантів належать вітаміни, кофактори ензимів, пептиди, сполуки азоту непротеїнової природи, фенольні кислоти, органічні сірковмісні сполуки тощо. Коензим Q10, наприклад, взаємодіє з ліпідними пероксидними радикалами, а також бере участь у регенерації вітаміну Е. Уринова кислота захищає від надлишку оксогем-оксидантів, які утворюються в реакції гемоглобіну з пероксидами, а також реагує з синглетним киснем та гідроксильними радикалами.

Окремий клас становлять синтетичні антиоксиданти - переважно це просторово екрановані феноли, а також фармпрепарати, які здебільшого є витяжками з біологічно активних рослин, плодів, овочів [10, 12].

Антиоксиданти захоплюють вільні радикали, надаючи їм водень, а також продукуючи відносно стабільні антиоксидантні радикали з низьким відновним потенціалом (менш як 0,5 В) [9]. Підвищена стабільність антиоксидантних радикалів пов’язана з резонансною делокалізацією структур, які містять фенольне ядро, чи просторовим екрануванням реакційного центру об’ємними замісниками [10]. Прикладами похідних фенолу, які слугують вільнорадикальними пастками, є токофероли, трет-бутилгідрокситолуол, трет-бутилгідроксіанізол, трет-бутилгідрохінон, лігніни, флавоноїди, фенольні кислоти, наприклад розмаринова.

Енергія дисоціації зв’язку О-Н фенольних антиоксидантів загалом визначає стабільність відповідних антиоксидантних радикалів: чим вона менша, тим стабільніший антиоксидантний радикал.

Потужним інгібітором активних форм кисню є розмаринова кислота. Вона широко застосовується як терапевтичний препарат при лікуванні діуретичних, запальних процесів, має антисклеротичні властивості [13]. Зерна кави містять значну кількість одного з найпотужніших фенольних антиоксидантів - хлорогенової кислоти. Її споживання знижує ризики виникнення цукрового діабету ІІ типу.

Рис. 2. Основні класи антиоксидантів [10, 12] логічних і серцево-судинних захворювань [14, 15].

У великих кількостях кава шкідлива для осіб, що страждають на артеріальну гіпертензію, ішемічну хворобу серця, гастрити, а також для вагітних. Крім того, вона може викликати залежність, особливо серед любителів розчинної кави.

Флавоноїди - група антиоксидантних сполук, що складається з флавонолів, антоціанінів, ізофлавоноїдів, флаванолів і флавонів. Найефективнішими серед них є катехін, катехінгалат, кверцетин та кемпферол. Флавоноїди, особливо кверцетин і лутеолін, - потенційні інгібітори ксантиноксидази, яка долучена до процесів оксидативного ушкодження, переважно після ішемічної реперфузії, оскільки, реагуючи з молекулярним киснем, продукує супероксид-радикал [16, 17]. Біофлавоноїди, зокрема корвітин, як розчинну лікарську форму кверцетину, й таблетки квертину (випускаються київським Борщагівським хімфармзаводом) ефективно використовують у лікуванні гострого інфаркту міокарда, ішемічної хвороби серця, інсультів [18]. У комбінаціях з гіпоглікемічними засобами їх рекомендують для профілактики розвитку нефропатії у хворих на цукровий діабет І та ІІ типу [19].