Influence of reactive oxygen species on human health and mechanisms of defense against free radicals

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The development of many pathologies is accompanied by the occurrence of oxidative stress. Active forms of oxygen damage cell components and can lead to cell death, which negatively affects the function of organs and systems of the human body. Oxidative stress occurs in pathology of cardiovascular and immune system, cancer, stroke, hypoxic conditions, arthritis. There are endogenous mechanisms of body defense against oxidative stress - these are enzymatic and non-enzymatic antioxidants. The former include superoxide dismutase, glutathione peroxidase, glutathione reductase, glutathione transferase. Non-enzymatic antioxidants protecting the cell from the damaging effect of reactive oxygen species include, for example, glutathione and cysteine. Also to this group of antioxidants include vitamins A, E, C, coenzyme Q, carotenoids, bioflavonoids, selenium and others. Vitamin C is as an antioxidant reduces the risk of cardiovascular disease, carotenoids protect cells from aging. Vitamin E reduces the risk of atherosclerosis. Glutathione is the most important component of the antioxidant system of vital organs, protecting them from free-radical damage. Human health depends on the efficiency of the antioxidant system. If its functioning is insufficient, serious damage occurs.

Full Text

Список сокращений:

СРО - свободно-радикальное окисление

АФК - активные формы кислорода

ПОЛ - перекисное окисление липидов

АОС –антиоксидантная система

ГПО- глутатионпероксидаза

ГР – глутатионредуктаза

Введение. Возникающие в организме человека метаболические изменения, вызванные активацией свободно-радикального окисления (СРО), могут приводить к развитию ряда патологических состояний. Образующиеся в реакциях СРО активные формы кислорода (АФК) оказывают деструктивное действие на клетки жизненно-важных органов, что негативно отражается на здоровье человека. Антиоксиданты являются источниками обезвреживания АФК и предотвращения развития окислительного стресса.

Цель обзора - изучить влияние свободных радикалов и связанных с ними изменений метаболизма на здоровье человека, а также установление роли антиоксидантов в защите от окислительного стресса.

В ходе данного исследования проведен поиск и анализ отечественной и зарубежной научной литературы с использование платформы eLibrary, баз данных Scopus, Web of Science.

Основная часть. Исследования свидетельствуют о том, что свободные радикалы и активные кислородные метаболиты неблагоприятно воздействуют на клетку [6, 7, 20, 28, 30]. Активные формы кислорода образуются в условиях ацидоза. При этом следует отметить разный характер воздействия на клетку АФК, которые, с одной могут участвовать в приспособительных реакциях, а с другой – запускать процессы гибели клетки [4, 5, 8, 17]. Повышенный уровень малонового диальдегида наблюдается при ряде патологических состояний, в том числе - инсульте, ишемии, поражении почек, инфекциях; онкологии и многих других [1, 3, 11, 26, 29].

Образование АФК в клетках происходит постоянно, поэтому для их нейтрализации имеются защитные механизмы. В частности, избытку свободных радикалов и активных кислородных метаболитов противостоит антиоксидантная система [16, 21, 24].

Действие антиоксидантной системы организма направлено на поддержание в тканях физиологического уровня АФК. Система антиоксидантной защиты включает в себя ряд механизмов, важнейшими из которых являются подавление образования АФК и ограничение скорости процесса ПОЛ за счёт обрыва цепи реакций ингибиторами. В зависимости от механизма действия выделяют ферментативные и неферментативные компоненты антиоксидантной системы. Подавление образования АФК осуществляется согласованным действием антиоксидантных ферментов. Прежде всего фермент супероксиддисмутаза (СОД) уменьшает концентрацию супероксидных радикалов.

Другие ферменты – каталаза и глутатионпероксидаза (ГПО) разрушают перекись водорода Н2О2. В обезвреживании гидроперекисей липидов, образующихся в результате реакций ПОЛ, участвуют глутатионпероксидаза и глутатионтрансфераза. Активность этих ферментов зависит от концентрации в среде тиоловых соединений (содержащих группы -SH), в первую очередь, восстановленного глутатиона. Под действием фермента глутатионредуктазы (ГР) происходит восстановление окисленного глутатиона [12, 13, 27].

К неферментативным антиоксидантам относят аскорбиновую кислоту, витамин Е, тиолы, коэнзим Q, и другие соединения. В условиях нормы в организме существует баланс между антиоксидантной и прооксидантной системами. Однако действие внешних прооксидантов (радиация, ультрафиолетовое облучение, гипероксия и др.) вызывает развитие окислительного стресса [19, 21]. Недостаток глутатиона может явиться причиной развития онкологии, нарушений функции печени и других патологий [14].

Ферментативные и неферментативные антиоксидантные системы необходимы для снижения повреждающего действия на клетки АФК [2, 9, 18, 23].

Коэнзим Q10 является достаточно сильным антиоксидантом. Большое количество убихинона концентрируется в мышечной ткани, головной мозге, печени. Он играет большую роль в обеспечении сократительной функции сердца. Дефицит коэнзима Q10 приводит к развитию патологии сердечно-сосудистой системы, нарушениям работы иммунной системы (частые простудные заболевания), расстройствам эндокринной системы и др.

Витамин C является важным клеточным антиоксидантом. Он снижает риск развития сердечно-сосудистых заболеваний, инсульта. Витамин Е - один из наиболее эффективных антиоксидантов. Повышает иммунный статус, снижает риск развития атеросклероза. Каротиноиды – эффективно противостоят свободным радикалам, защищают клетки от старения [10, 22].

Система глутатиона, наряду с этим трипептидом включает ГР, глутатионтрансферазу и ГПО. Глутатионовая система обезвреживает пероксиды липидов. Глутатион синтезируется из цистеина, глутаминовой кислоты и глицина. Для восполнения глутатиона эффективнее употреблять пищевые добавки, содержащие вышеперечисленные структурные элементы [9, 25].

Восстановленный глутатиoн может взаимодействовать с синглетным кислородом, супероксидом и гидроксильным радикалом, обезвреживая их или непосредственно разрушать свободные радикалы. Активность ГПО связана с уровнем глутатиона [13]. Основной пул восстановленного глутатиона поддерживается ГР. Динамика состояния системы глутатиона отражает характер адаптационных изменений всей АОС. При снижении содержания глутатиона необходимо его восполнение путем коррекции с применением серосодержащих соединений и антиоксидантов [15].

Заключение. Таким образом, многие патологические состояния сопровождаются активацией свободно-радикального окисления и развитием окислительного стресса. Генерируемые активные формы кислорода повреждают клетки, что оказывает неблагоприятное влияние на здоровье человека. Антиоксиданты являются эффективными компонентами, защищающими клетки от окислительного стресс и предупреждающими развитие многих патологических состояний.

×

About the authors

V. S. Gureeva

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Omsk State Medical University", Ministry of Health of the Russian Federation

Email: bbk_2007@inbox.ru

студентка 207 группы лечебного факультета ФГБОУ ВО ОмГМУ Минздрава России

Russian Federation

V. V. Kornyakova

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Omsk State Medical University", Ministry of Health of the Russian Federation

Author for correspondence.
Email: bbk_2007@inbox.ru

д.б.н., доцент, профессор кафедры безопасности жизнедеятельности, медицины катастроф ФГБОУ ВО ОмГМУ Минздрава России

Russian Federation

References

  1. Velichko T.I. Svobodnoradikal'nye processy i baktericidnaya sistema nejtrofilov perifericheskoj krovi pri fizicheskih nagruzkah. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2015; 3.URL: http://science-education.ru/123-19462. Russian (Величко Т.И. Свободнорадикальные процессы и бактерицидная система нейтрофилов периферической крови при физических нагрузках) [Электронный ресурс]. Современные проблемы науки и образования. 2015; 3.URL: http://science-education.ru/123-19462.
  2. Gadzhiev A.M., Aliev S.A., Agaeva S.E. Rol' endogennyh i ekzogennyh antioksidantov v adaptivnoj myshechnoj deyatel'nosti. Teoriya i praktika fiz. kul'tury. 2014; 8:53–56. Russian (Гаджиев А.М., Алиев С.А., Агаева С.Э. Роль эндогенных и экзогенных антиоксидантов в адаптивной мышечной деятельности). Теория и практика физ. культуры. 2014; 8:53–56.
  3. Grekhova A.K., Gorbacheva L.B. Generaciya aktivnyh form kisloroda v limfocitah perifericheskoj krovi bol'nyh rakom predstatel'noj zhelezy. Byulleten' eksperimental'noj biologii i mediciny. 2015; 160(11): 666-668. Russian (Грехова А.К., Горбачева Л.Б. Генерация активных форм кислорода в лимфоцитах периферической крови больных раком предстательной железы). Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2015; 160(11): 666-668.
  4. Grivennikova V. G., Vinogradov A.D. Generaciya aktivnyh form kisloroda mitohondriyami. Uspekhi biologicheskoj himii. 2013;53: 245-296. Russian (Гривенникова В.Г., Виноградов А.Д. Генерация активных форм кислорода митохондриями). Успехи биологической химии. 2013;53: 245-296.
  5. Didenko N.V., Solov'eva A.G., Peretyagin S.P., Belyaeva K.L. Ocenka okislitel'nogo statusa krovi pri vozdejstvii aktivnyh form kisloroda v eksperimente in vitro. Bioradikaly i antioksidanty. 2016; 3(3):36-38. Russian (Диденко Н.В., Соловьева А.Г., Перетягин С.П., Беляева К.Л. Оценка окислительного статуса крови при воздействии активных форм кислорода в эксперименте in vitro. Биорадикалы и антиоксиданты). 2016; 3(3):36-38.
  6. Elkina N.M., Konoshenko S.V., Kazakova V.V. Processy peroksidacii lipidov i generirovaniya aktivnyh form kisloroda v erirocitah bol'nyh ishemicheskoj bolezn'yu serdca. Krymskij zhurnal eksperimental'noj i klinicheskoj mediciny. 2015; T.5.1(17): 18-20. Russian (Елкина Н.М., Коношенко С.В., Казакова В.В. Процессы пероксидации липидов и генерирования активных форм кислорода в эрироцитах больных ишемической болезнью сердца. Крымский журнал экспериментальной и клинической медицины). 2015; Т.5.1(17): 18-20.
  7. Elkina N.M., Konoshenko S.V. Processy peroksidacii lipidov i generirovaniya aktivnyh form kisloroda v eritrocitah bol'nyh kardiomiopatiej. Uchenye zapiski Krymskogo federal'nogo universiteta imeni V.I. Vernadskogo. Biologiya. Himiya. 2015; T.1(67).№1:30-35. Russian (Елкина Н.М., Коношенко С.В. Процессы пероксидации липидов и генерирования активных форм кислорода в эритроцитах больных кардиомиопатией). Ученые записки Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского. Биология. Химия. 2015; Т.1(67).№1:30-35.
  8. Karbyshev M.S, Abdullaev SH.P. Biohimiya oksidativnogo stressa. M.: HKH; 2018. рр. 6-15. Russian (Карбышев М.С, Абдуллаев Ш.П. Биохимия оксидативного стресса. М.: ХХ; 2018. С. 6-15).
  9. Kulinskij V.I., Kolesnichenko L.S. Glutation yadra kletki i ego funkcii. Vopr. biol. med. i farm. himii. 2010; 5:3–5. Russian (Кулинский В.И., Колесниченко Л.С. Глутатион ядра клетки и его функции). Вопр. биол. мед. и фарм. химии. 2010; 5:3–5.
  10. Markova E.O., Novikov V.E., Parfenov E.A. Kompleksnoe soedinenie askorbinovoj kisloty s antigipoksantnymi i antioksidantnymi svojstvami. Vestnik Smolenskoj gosudarstvennoj medicinskoj akademii. 2013; 12(1):27-32. Russian (Маркова Е.О., Новиков В.Е., Парфенов Э.А. Комплексное соединение аскорбиновой кислоты с антигипоксантными и антиоксидантными свойствами). Вестник Смоленской государственной медицинской академии. 2013; 12(1):27-32.
  11. Sazontova T.G., Arhipenko YU.V. Rol' svobodnoradikal'nyh processov i redoks-signalizacii v adaptacii organizma k izmeneniyu urovnya kisloroda. Rossijskij fiziologicheskij zhurnal imeni A.M. Sechenova. 2005;91(6): 636-655. Russian (Сазонтова Т.Г., Архипенко Ю.В. Роль свободнорадикальных процессов и редокс-сигнализации в адаптации организма к изменению уровня кислорода). Российский физиологический журнал имени А.М. Сеченова. 2005;91(6): 636-655.
  12. Stacenko E.A., Sternin YU.I., Ponamareva A.G. et al. Zashchita voennosluzhashchih, lic tyazhelogo fizicheskogo truda i ekstremal'nyh professij ot okislitel'nogo stressa. Voennaya medicina. 2012;1:34 – 39. Russian (Стаценко Е.А., Стернин Ю.И., Понамарева А.Г. и др. Защита военнослужащих, лиц тяжелого физического труда и экстремальных профессий от окислительного стресса). Военная медицина. 2012;1:34 – 39.
  13. Stacenko E.A., Sternin YU.I., Ponamareva A.G. i dr. Izuchenie effektivnosti antioksidantov i antigipoksantov na eksperimental'noj modeli gipoksicheskoj gipoksii. Voennaya medicina. 2014; 1:141 – 143. Russian (Стаценко Е.А., Стернин Ю.И., Понамарева А.Г. и др. Изучение эффективности антиоксидантов и антигипоксантов на экспериментальной модели гипоксической гипоксии). Военная медицина. 2014; 1:141 – 143.
  14. Tolpygina O.A. Rol' glutationa v sisteme antioksidantnoj zashchity. Byulleten' Vostochno-Sibirskogo nauchnogo centra SO RAMN. 2012;2-2(84): 178-180. Russian (Толпыгина О.А. Роль глутатиона в системе антиоксидантной защиты. Бюллетень Восточно-Сибирского научного центра СО РАМН. 2012;2-2(84): 178-180.
  15. Hisamova A.A., Gizinger O.A. Rol' metionina v korrekcii oksidativnogo stressa pri povyshennyh fizicheskih nagruzkah. Terapevt. 2020; (5):74-80. Russian (Хисамова А.А., Гизингер О.А. Роль метионина в коррекции оксидативного стресса при повышенных физических нагрузках). Терапевт. 2020; (5):74-80.
  16. SHapoval G.S., Kruglyak O.S. Redoks-reakcii aktivnyh form kisloroda na poverhnosti modelej biomembran. ZHurnal obshchej himii. 2013;8:1270-1277. Russian (Шаповал Г.С., Кругляк О.С. Редокс-реакции активных форм кислорода на поверхности моделей биомембран). Журнал общей химии. 2013;8:1270-1277.
  17. Al-Dalaen S.M., Al-Qtaitat A.I. Review article: oxidative stress versus antioxidants. Am. J. Bioscience and Bioengineering. 2014; 2(5):60–71.
  18. Baltaci S.B., Mogulkoc R., Baltaci A.K. Resveratrol and exercise (Review). Biomedical reports. 2016; 5(5).525–530.
  19. Birden E., Sahiner U.M., Sackesen С. et al. Oxidative stress and antioxidant defense. World Allergy Organ J. 2012; 5(1):9–19.
  20. Johnson B.D., Padilla J., Wallace J.P. The exercise dose affects oxidative stress and brachial artery flow-mediated dilation in trained men. Eur. J. Appl. Physiol.2012; 112(1):33–42.
  21. Kawamura T., Muraoka I. Exercise- induced oxidative stress and the effects of antioxidant intake from a physiological viewpoint. Antioxidants (Basel). 2018; 7(9):1–19.
  22. Lambrecht М. Antioxidants in sport nutrition. 2014. 299 p.
  23. McCord J. M. Superoxide dismutase, lipid peroxidation, and bell-shaped dose response curves. Dose Response. 2008; 6(3):223–238.
  24. Pingitore A., Lima G.P., Mastorci F. et al. Exercise and oxidative stress: potential effects of antioxidant dietary strategies in sports. Nutrition. 2015; 31(7–8):916–922.
  25. Sharma R, Yang Y., Sharma А. et al. Antioxidant role of glutathione S-transferases: protection against oxidant toxicity and regulation of stress-mediated apoptosis. Antioxid. Redox Signal. 2004; 6(2):289–300.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2022 Scientific Bulletin of the Omsk State Medical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies