что такое окислительный процесс в организме
Окислительный стресс – глобальная проблема медицины критических состояний. Часть 1
Часть первая: Патофизиология окислительного стресса. Антиоксиданты-антигипоксаты
Профессор, академик РАЕН и МАНЭБ Назаров. И.П.
Окислительный стресс определяется как неустойчивое состояние в организме между прооксидантами и антиоксидантами. Прооксидантные факторы включают все элементы, которые играют активную роль в повышенном образовании свободных радикалов или других реактивных видов кислорода. В этих процессах участвуют как клеточные механизмы (специфические ферменты, дефекты в митохондриальном дыхании), так и экзогенные факторы (радиация, курение, загрязнение воздуха, заболевания, травмы, операции, лекарства и другое). Поскольку образование производных кислорода и уровень антиоксидантной защитной системы организма приблизительно сбалансированы, то легко сдвинуть баланс в пользу производных кислорода и нарушить биохимию клетки. Эта диспропорция называется окислительным стрессом.
Окислительный стресс является патогенетической основой критических состояний, изменения проницаемости клеточных мембран, функционирования мембраносвязанных ферментов и, в конечном итоге, приводит к тяжелым нарушениям клеточного метаболизма (С.С.Белоусов с соавт., 1998).
Фотоизображение клеток при помощи конфокального микроскопа
Здоровая клетка Белковые агрегаты, образующиеся в клетках
при окислительном процессе
Рис. 1. Патологическая роль окислительного стресса
Стабильность центрированного радикала зависит от положения окружающих его химических групп в молекуле. Так, например, некоторые нитроксильные радикалы, хотя и имеют не делокализованный электрон у атома кислорода, но стабильны благодаря наличию СН3-групп, которые «экранируют» радикальный центр от контакта с другими молекулами.
Сталкиваясь с молекулой, свободный радикал отрывает от нее атом водорода (рис.2). Образуется валентно насыщенная молекула, которая превращается в свободный радикал. Он может оторвать атом водорода от другой молекулы или прореагировать с другим радикалом или молекулой кислорода. Пероксидный радикал ROO отрывает атом водорода от другой молекулы и образуется органический пероксид ROOH. Эта вырожденная цепная реакция называется ПРОЦЕССОМ АВТООКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЛИ СВОБОДНО-РАДИКАЛЬНЫМ ОКИСЛЕНИЕМ (СРО).
Рис. 2. Свободно-радикальное окисление
Базисными механизмами патологии при любых критических состояниях являются свободно-радикальные процессы и изменения свойств биомембран клеток. При ишемии тканей, особенно мозга и миокарда, главная патологическая роль свободных радикалов заключается в том, что они активно взаимодействуют с молекулами, формирующими нейрональные и внутриклеточные мембраны. Повышается вязкость мембран, утрачивается их пластичность и функциональное состояние.
Восстановление кровотока в ранее ишемизированных тканях также представляет определенную опасность. Реперфузия обуславливает многократное повышение парциального давления кислорода с дальнейшим повышением свободно-радикальных процессов. При этом повреждается эндотелий капилляров, антикоагулянтная активность которых трансформируется в прокоагулянтную.
Лейкоциты и тромбоциты вследствие увеличивающейся адгезии закупоривают церебральные капилляры. Усугубляется этот процесс и увеличением ригидности эритроцитов, что резко усиливает нарушение оксигенации тканей, особенно мозга. Угнетаются процессы фибринолиза крови, расширяется зона повреждения тканей, инфаркта мозга, усиливается отек мозга. Имеется прямая зависимость между накоплением продуктов ПОЛ и тяжестью поражения мозга и других тканей. Наряду с этим активируются гены, ответственные за программированную гибель клетки – апоптоз.
Универсальные патогенетические механизмы патологических состояний:
1. Чрезмерное, неконтролируемое эндогенной антиоксидантной системой (АОС) усиление процессов ПОЛ.
2. ГИПОКСИЯ – недостаточное снабжение или потребление кислорода клетками и тканями организма. При этом гипоксия и ПОЛ усиливают взаимно друг друга, что ведет к нарушениям энергетических и метаболических процессов в клетках и тканях (рис.3).
Причины инициации (усиления) ПОЛ:
Основные патологические процессы, инициируемые чрезмерной активацией ПОЛ:
I. КЛЕТОЧНО-ТКАНЕВОЙ УРОВЕНЬ:
4. Апаптоз и некроз клеток;
5. Нарушение клеточной рецепции;
6. Энергетические и метаболические нарушения.
II. ОРГАНЫ И СИСТЕМЫ:
1. Функциональные нарушения;
2. Органическая патология.
Рис. 3. Окислительный стресс при гипоксии
Конечно, в организме существует эндогенная антиоксидантная система, но при критических уровнях гипоксии и ПОЛ она несостоятельна. Антиоксидантнаясистема (АОС) организма состоит из ферментов и водорастворимых, и жирорастворимых субстратов. Главным механизмом антиоксидантной защиты в естественных условиях является фермент супероксиддисмутаза (СОД), оксидность которой позволяет инактивировать свободные радикалы в месте образования, не допуская их диффузии.
Большинство клеток может переносить умеренную степень окислительного стресса благодаря тому, что они обладают репаративной системой, выявляющей и удаляющей поврежденные окислением молекулы, которые затем заменяются. Кроме того, клетки могут повысить свою антиоксидантную защиту в ответ наокислительный стресс. Однако при выраженном окислительном стрессе все молекулы живых организмов (липиды, белки, нуклеиновые кислоты и углеводы) могут быть потенциальными мишенями окислительного повреждения.
Поскольку формирование тканевой гипоксии, ПОЛ, митохондриальная дисфункция признаны пусковым звеном развития типового патологического процесса, использование антигипоксантов и антиоксидантов патогенетически обосновано при любой острой патологии.
Термин «антиоксиданты» появился ещё в 60-х годах XX века благодаря исследованиям Б. Н. Тарусова (1954), Н. М. Эмануэля (1963). Б. Н.Тарусов установил роль липидов, особенно ненасыщенных жирных кислот, как одного из основных субстратов биохимических процессов, провел скрининг радиозащитного влияния цистеина, глутатиона, тиомочевины. Н. М. Эмануэль и его ученики не только определили механизм действия антиоксидантов, но также дали определение антиоксидантов как соединений, угнетающих развитие свободнорадикального окисления.
Препараты антиоксиданты – это лекарственные средства различного химического строения, тормозящие или блокирующие процессы свободнорадикального окисления и/или способствующие увеличению в организме уровня веществ с антиокислительным действием (рис. 4).
По своим химическим свойствам антиоксиданты (АО) подразделяются на 2 группы: “ловушки радикалов”, непосредственно взаимодействующие сосвободными радикалами и “скавенжеры” (уборщики), разлагающие продуктысвободно – радикального окисления (СРО) с их последующей инактивацией и утилизацией.
Рис. 4. Механизм действия антиоксидантов
Разработано и изучается в настоящее время большое количество препаратов с антигипоксантными-антиоксидантными свойствами (мексидол, цитофлавин, танакан, актовегин, кортексин, цитофлавин, ПК-мерц, аминалон, цераксон, эспалипон, церебро и др.). Многие из них уже показали свою высокую эффективность у реанимационных больных, особенно в нейрореаниматологии (это отдельная тема). Однако в научном плане ОС, его значимость в критических состояниях и коррекция антиоксидантами (ОИМ, ЧМТ, кровопотеря, операции, анестезии и т.д.) изучены крайне, мало. А в практическом приложении мониторинг степени ОС и эффективность его коррекции антиоксидантами в больницах вообще не проводится.
Причинами такого положения, прежде всего, являются низкие знания врачей по ОС. Читая лекции на курсах повышения квалификации, мы убедились в том, что анестезиологи-реаниматологи слабо ориентируются в это проблеме. Уместно вспомнить слова В.И.Вернадского: «Нет неизлечимых заболеваний, есть недостаток знаний». Сдерживается применение антиоксидантов в практическом здравоохранении полным отсутствием в лабораториях и отделениях больниц аппаратуры, измеряющей и мониторирующей изменения АОС и ОС больных, не включение в «стандарты» лечения (за исключением терапии инсультов) данных препаратов. Между тем эмпирическая медицина уже опережает научные разработки и «стандарты» в лечении критических состояний. Так в Красноярской краевой больнице уже накоплен многолетний положительный опыт использования антиоксидантов-антигипоксантов в лечении тяжелой ожоговой и черепно-мозговой травмы, гнойно-септических состояний, операциях на головном мозге и сердце, комах различной этиологии.
На примере только одного препарата мексидола, из обширной группы антиоксидантов, можно понять насколько полезны и необходимы в интенсивной терапии критических состояний эти средства.
Мексидол – международное название оксиметилэтилперидина сукцинат. Обладает высокой биодоступностью и липофильностью. Быстро переходит из кровеносного русла в органы и ткани и быстро элиминируется из организма. Благодаря наличию в его составе производного 3-оксипиридина, являющегося активным носителем, проникает внутрь клетки и митохондрий (Дюмаев К.Н., 1995). Препарат практически не токсичен.
Рис. 5. Особенности реакции цикла Кребса, связанной с сукцинатом
1. Окисление сукцината – обязательное условие каталитического действия интермедиата на усвоение клеткой кислорода.
2. Для пополнения пула органических кислот достаточно введения одного сукцината.
3. Активность сукцинатдегидрогеназы не зависит от концентрации НАД и НАДхН.
4. Мощность системы энергопродукции, использующей ЯК, в сотни раз превосходит все другие системы.
5. Феномен быстрого окисления сукцината в цитоплазме клеток с восстановлением динуклеотидов.
Производные 3-оксипиридинов (как составная часть мексидола):
Проведенные экспериментальные и клинические исследования показали эффективность применения антиоксидантов в лечении ОИМ И ОНМК. При ишемии миокарда возникает ограничение зоны некроза в миокарде (рис.6); усиление биоэлектрической активности сердца; улучшение гемодинамики и толерантности сердца к нагрузкам.
Рис. 6. Ограничение зоны некроза миокарда мексидолом
Рис. 7. Влияние антиоксидантов на продолжительность жизни
Симптомы закисления организма — это важно знать!
Организм человека является четко сбалансированной системой. Один из основных показателей того, что химические процессы в нем проходят без сбоев – это кислотно-щелочной баланс или pH-баланс. Именно он отвечает за правильное функционирование клеток и их насыщение кислородом.
Однако что такое рН-баланс? Как понять, что равновесие в организме нарушено, если вы не слишком сведущи в медицине?
Что такое рН-баланс и что он значит
Если не прибегать к специальной терминологии, то можно сказать, что рН-баланс – это соотношение между кислотой и щелочью в организме человека. Для того, чтобы организм нормально функционировал, каждая из его систем нуждается в собственной среде: щелочной или кислотной. Так, например, желудку высокая кислотность необходима для того, чтобы гарантировать переваривание пищи, а система иммунитета напротив, нуждается в щелочной среде.
Чтобы понять, какие показатели должны быть в норме, проанализируем кислотность крови.
Кислотно-щелочное равновесие в крови человека является одним из самых стабильных параметров, поддерживающее кислые и щелочные компоненты в определенном равновесии в очень узких границах.
Кислотность жидкостей внутри человеческого организма в норме совпадает с кислотностью крови и находится в пределах от 7,35 до 7,45 pH.
Даже небольшой сдвиг от указанных пределов может привести к тяжелой патологии. При сдвиге в кислотную сторону возникает состояние, называемое ацидозом, в щелочную – алкалозом. Изменение кислотности крови выше 7,8 рН или ниже 6,8 рН несовместимо с жизнью. Кислотность эритроцитов составляет 7,28–7,29 рН.
Признаки закисления организма
Кислотный дисбаланс проявляется по-разному. Зачастую мы можем даже не догадываться о том, что ухудшение общего состояния связано именно с нарушением баланса между кислотой и щелочью в организме.
Лишний вес
Часто переизбыток кислоты в организме приводит к тому, что значительно повышается выработка инсулина. Как следствие, человек начинает набирать лишние килограммы. Для нормального метаболизма организму необходим определенный рН. Если рН ниже нормы, сжигания калорий при нагрузках не происходит. Поэтому, если вы ограничиваете себя в питании и не пренебрегаете физическими нагрузками, а похудеть при этом не удается, самое время заподозрить нарушение кислотно-щелочного баланса.
Ломкость костей
В том случае, если в организме избыток кислоты, он пытается «уравновесить» этот показатель, «вытягивая» питательные вещества из костей. На первых порах вы этого практически не ощущаете, однако уже в скором времени вследствие недостатка кальция начнут слоиться ногти, волосы станут тусклыми, сухими и ломкими, а самое главное – повысится риск переломов костей даже при незначительных травмах.
Повышенная чувствительность зубов
Недавно исследователи пришли к выводу, что высокая кислотность организма провоцирует ухудшение состояния зубной эмали.
Иначе говоря, повышенная чувствительность зубов (боль при употреблении холодной или горячей пищи) может быть связана именно с нарушением кислотно-щелочного баланса. Кислота разрушает зубную эмаль, и это приводит к дискомфорту и развитию кариеса.
Ухудшение сна
Ухудшение качества сна, которое мы обычно списываем на переутомление и стрессы, также может быть следствием закисления организма. Ученые отмечают, что бессонница, невозможность расслабиться и ночные кошмары могут быть спровоцированы недостатком кальция – а его, как мы помним, организм «вытягивает» из костей, чтобы компенсировать повышенную кислотность.
Отеки
Отеки большинство из нас связывают с нарушениями в работе почек или щитовидной железы, однако, как недавно выяснили ученые, они также могут свидетельствовать о чрезмерном закислении организма. В этом случае наше тело начинает накапливать воду, чтобы нейтрализовать действие кислоты.
Как нормализовать рН
Переизбыток кислоты в организме – состояние, которое требует немедленной коррекции. Однако это вовсе не означает, что надо начинать пригоршнями глотать таблетки.
Прежде всего, пересмотрите режим питания. Щелочная диета – надежный способ нормализовать рН-баланс и улучшить общее состояние. Добавьте в меню листовую капусту, огурцы, шпинат, кабачки, разные виды орехов, семечки и изюм, а также сою. При этом максимально сократите в рационе содержание молочных продуктов, мяса и яиц, фастфуда, шоколада и сладостей.
Больше свежей и актуальной информации о здоровье на нашем канале в Telegram. Подписывайтесь: https://t.me/foodandhealthru
Что такое окислительный процесс в организме
Процессы обмена веществ, дыхания, гниения, брожения, фотосинтеза являются окислительно-восстановительными процессами (ОВП). В живых организмах, вследствие наличия многочисленных мембран, направленного транспорта веществ и прохождения различных ОВП между его частями, возникает разность зарядов, называемая биопотенциалами. По своей природе биопотенциалы могут быть диффузными, мембранными и редокс-потенциалами. Мембранный потенциал имеет ионную природу, а редокс-потенциал – электронную природу. Биопотенциалы играют важнейшую роль в направленном транспорте веществ, работе мембранных систем, процессах биосинтеза, выделения и запасания энергии. Выделение и запасание организмом энергии тесно связано с процессами окисления и восстановления. Биопотенциалы являются качественной и количественной характеристикой направления, глубины и интенсивности протекания биохимических процессов. Поэтому регистрация биопотенциалов органов и тканей широко применяется в клинической практике при изучении их деятельности, в частности, при диагностике сердечно-сосудистых заболеваний снимают электрокардиограмму, при измерении биопотенциалов мышц снимают электромиограмму. Регистрация потенциалов мозга – энцефалография – позволяет судить о патологических нарушениях нервной системы. Источником энергии жизнедеятельности клеток служит мембранный потенциал, равный 80 мВ, обусловленный возникновением ионной асимметрии, т.е. неодинаковым распределением по обе стороны мембраны катионов и анионов.
Важными процессами в организмах являются реакции ферментативного окисления веществ-субстратов: углеводов, жиров, аминокислот. В результате этих процессов организмы получают большое количество энергии. Приблизительно 90 % всей потребности взрослого мужчины в энергии покрывается за счет энергии, вырабатываемой в тканях при окислении углеводов и жиров. Остальную часть энергии
10 % дает окислительное расщепление аминокислот.
Все биохимические ОВП, скорость и глубина которых контролируется организмом, протекают под действием ферментов – оксидоредуктаз, которые делятся на кофакторы и коферменты и могут быть и окислителями и восстановителями [1]. Системы с более низким окислительно-восстановительным потенциалом отдают электроны, с высоким – их принимают. Электроны переносятся по дыхательной цепи ферментов постепенно с нарастанием редокс-потенциала. В качестве переносчиков электронов в дыхательную цепь митохондрий входят различные белки, содержащие разнообразные функциональные группы, которые предназначены для переноса электронов. По мере продвижения по цепи от одного интермедиата к другому электроны теряют свободную энергию. На каждую пару электронов, переданных по дыхательной цепи кислороду, синтезируется три молекулы АТФ. Свободная энергия, высвобождающаяся при переносе двух электронов на кислород, составляет 220 кДж/моль.
В течение жизни человек подвергается воздействию различных вредных внешних факторов – плохая экология, неправильное и зачастую некачественное питание, употребление некачественной питьевой воды, стрессовые ситуации, курение, злоупотребление алкоголем, употребление лекарственных препаратов, болезни и многое другое. Все эти факторы способствуют разрушению окислительно-восстановительной системы регуляции организма, в результате чего процессы окисления начинают преобладать над процессами восстановления, защитные силы организма и функции жизненно важных органов человека начинают ослабевать и уже не в состоянии самостоятельно противостоять различного рода заболеваниям. Замедлить преобладание окислительных процессов над восстановительными процессами возможно с помощью антиокислителей (антиоксидантов). Нормализовать баланс окислительно-восстановительной системы регуляции (с тем, чтобы укрепить защитные силы организма и функции жизненно важных органов человека и позволить организму самостоятельно противостоять различного рода заболеваниям) возможно с помощью антиоксидантов. Чем сильнее антиоксидант, тем более ощутим его противоокислительный эффект. Многочисленные исследования показали, что аскорбиновая кислота является эффективным антиоксидантом, выступая в качестве донора электронов в таких процессах, как гидроксилирование коллагена, биосинтез карнитина и норадреналина, метаболизм тирозина и аминирование гормонов.
Окислительный стресс
Биохимическая целостность мозга жизненно важна для нормального функционирования центральной нервной системы (ЦНС). Одним из факторов, способствующих церебральной биохимической недостаточности, является химический процесс, называемый окислительным стрессом.
Окислительный стресс возникает при чрезмерной продукции свободных радикалов в результате недостаточности противодействующей системы антиоксидантного ответа. Мозг с его высоким потреблением кислорода и высоким содержанием липидов очень чувствителен к окислительному стрессу. Следовательно, вызванное окислительным стрессом повреждение головного мозга обладает выраженным потенциалом для негативного воздействия на нормальные функции ЦНС.
Этиологические факторы окислительного стресса
Возможно, психологический стресс нарушает окислительно-антиоксидантный баланс в мозге, вызывая нарушение функции антиоксидантных ферментов. Это приводит к истощению глутатиона и увеличивает окислительный стресс. Одновременно возникающая токсичность глутамата, дисбаланс кальция и митохондриальное нарушение совместно усиливают окислительный стресс, вызывая биохимические расстройства в мозге. Это нарушает нейроциркуляцию и ослабляет гиппокампальные, миндалевидные и корковые связи, в конечном итоге вызывая поведенческие и когнитивные нарушения
Патогенез окислительного стресса
Окислительное фосфорилирование, происходящее в митохондриях, является основным источником АТФ. В качестве побочного продукта этот процесс приводит к образованию свободных радикалов или активных форм кислорода (ROS), активных форм азота (RNS) и радикалов, содержащих углерод и серу. В умеренных или низких количествах ROS считаются необходимыми для развития и функционирования нейронов, тогда как слишком высокие уровни опасны. Генерируемая ROS закись азота и оксид углерода способствуют важным физиологическим функциям, таким как длительное потенцирование (LTP) посредством глутамат-зависимых механизмов. В нормальных условиях антиоксидантная система нейтрализует вредные эффекты продукции ROS во время аэробного метаболизма, и таким образом мозг эффективно регулирует потребление кислорода и способность к выработке окислительно-восстановительного потенциала. Когда продукция ROS превышает поглощающую способность системы антиоксидантного ответа, происходит интенсивное окисление белка и перекисное окисление липидов, вызывающее окислительное повреждение, клеточную дегенерацию и даже функциональное снижение активности мозга. Например, высокие концентрации ROS, как сообщается в литературе, уменьшают LTP и синаптическую передачу сигналов и механизмы пластичности мозга.
Влияние оксидативного стресса на структуры мозга
Хорошо известно, что система DG-CA3 гиппокампа регулирует структурную пластичность, регенеративную / ремоделирующую способность, а также факторы нейрогенеза, такие как нейротрофический фактор мозга. Также было высказано предположение, что пирамидальные клетки CA1 и CA3 и гранулярные клетки DG очень чувствительны к окислительному повреждению. Таким образом, окислительное повреждение функции DG-CA может уменьшить пролиферацию клеток, нарушить способность ремоделирования, изменить структурную пластичность и нарушить нейрогенез, коллективно нарушая нормальную синаптическую нейротрансмиссию.
Миндалина и префронтальная кора
Антиоксиданты
В мозге действуют два вида защитных механизмов для борьбы с угрозой, создаваемой ROS: антиоксидантная ферментная система и низкомолекулярные антиоксиданты.
Таким образом, имеются свидетельства увеличения окислительного повреждения головного мозга при развитии патологий центральной нервной системы для нейродегенеративных заболеваний, включая болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и боковой амиотрофический склероз, цереброваскулярные расстройства, демиелинизирующие заболевания и психические расстройства. Несмотря на то, что окислительный стресс в основном связан с нейродегенеративными расстройствами, такими как болезнь Альцгеймера, болезнь Хантингтона и болезнь Паркинсона, его участие в нервно-психических расстройствах,включая тревожные расстройства и депрессию также не вызывает сомнений.
Нейродегенеративные расстройства
Психические расстройства
Участие механизмов окислительного стресса было также предполагается при некоторых психических заболеваниях, включая депрессию, тревожные расстройства, шизофрению и расстройства аутистического спектра. Предполагается, что низкий GSH-Px является фактором, способствующим структурным аномалиям мозга.
Депрессия
Шизофрения
Механизмы окислительного стресса также связаны с шизофренией и биполярным расстройством. Повышенные уровни активности SOD в плазме были зарегистрированы у пациентов с «хронической шизофренией», которым вводили антипсихотические препараты, и активность SOD отрицательно коррелировала с позитивными симптомами шизофрении. Уровни других антиоксидантов, включая глутатионпероксидазу (GSH-Px), также были вовлечены в патологический процесс при этом заболевании.
Биполярное аффективное расстройство
Терапия окислительного стресса
Возможно, жесткая регуляция окислительного стресса, либо путем усиления активности ферментов антиоксидантной защиты, либо путем непосредственного подавления прооксидантов, потенциально способна купировать острое или даже хроническое нейропсихиатрическое расстройство.
Окислительные стресс и антидепрессанты
Одна из гипотез предполагает, что антидепрессанты оказывают свое терапевтическое действие, подавляя провоспалительные цитокины и продукцию ROS / RNS или усиливая антиоксидантную защиту. Имеются убедительные данные, подтверждающие, что депрессия сопровождается окислительным стрессом и что, возможно, усиление антиоксидантной защиты является одним из механизмов, лежащих в основе нейропротекторного действия антидепрессантов.