3
30476

Свободнорадикальная теория

Компас посвящен одной из главенствующих в современной науке теорий старения-свободнорадикальной теории Хармана.

на сайте с 27 августа 2008

О теории вобщем

Денхам Харман Доктор Денхам Харман, профессор университета Небраски, высказал в 1954 году идею о связи причины развития некоторых заболеваний с повреждающим действием свободных радикалов на организм человека, объясняя причины возникновения и развития более шестидесяти видов различных заболеваний. Процесс старения организма в настоящее время объясняют с позиций свободнорадикальной теории. Т.к. свободные радикалы повреждают клетку. Такие клетки уже не способны к делению и выполнению своих биологических функций. Таким образом, скорость старения организма находится в прямой зависимости оттого, что преобладает - способные к делению клетки или клетки, поврежденные свободнорадикальными процессами.

Рассмотрим эту увлекательную теорию и ее творца по-подробнее.

Денхам Харман (Denham Harman)

Доктор Харман наверно самый знаменитый геронтолог во всем мире. В 1954 году он высказал идею свободнорадикальной теории, в 1956 году опубликовал первую свою статью на эту тему "Старение: теория, основанная на свободных радикалах и радиационной химии". Сейчас эта тория является основной для ученых во всем мире, хотя у нее много противников. Так кто же автор этой теории, незаурядный ученый и основатель Международной Ассоциации Биомедицинской Геронтологии (International Association of Biomedical Gerontology (IABG))?

Харман родился в 1916 году. В 1943 году он закончил Химический факультет Калифорнийского Университета Беркли ( University of California, Berkeley). В 1954 году защитил диссерацию в Стэнфордском Университете(Stanford University).

Как же он пришел к свобонорадикальной теории. После окончания Университета Беркли работал химиком в компании Shell Oil и наблюдал свободнорадикальные реакции в нефтяных продуктах.

Харман заинтересовался проблемой старения и решил получить медицинское образование, для чего поступил в Стэнфордский университет, где, как говорилось выше, защитил диссертацию. В 1958 году он занял место главы исследовательского отдела сердечно-сосудистых заболеваний Медицинского Колледжа Университета Небраски.

В Беркли Харман сотрудничал в лаборатории медицинской физики, исследования в которой натолкнули его на мысль о роли свободных радикалов.

В 1956 году выходит его легендарная статья о старении и свободных радикалах.

В 1961 году он высказывает идею о роли ненасыщенных жирных кислот в канцерогенезе. Статья "Роль свободных радикалов в мутациях, раке, старении и поддержании жизни".

В 1968 году Харман опубликовывает исследования по антиоксидантному питанию, которое увеличило продолжительность жизни мышей на 45%. Высказал идею о том, что антиоксиданты могут увеличивать максимальную продолжительность жизни. Статья "Свободнорадикальная теория старения: эффект ингибиторов свободнорадикальных реакций на смертность мышей".

Харман пришел к выводу, что основную роль в свободнорадикальных процессах играют митохондрии, и в 1972 году опубликовал статью "Свободнорадикальная теория старения", где изложил митохондриальную теорию.

В 1970 году Харман основывает Американскую Ассоциацию Старения (American Aging Association (AGE)), а в 1985 году Международную Ассоциацию Биомедицинской Геронтологии (International Association of Biomedical Gerontology (IABG)).

Другие статьи Денхама Хармана:
Патогенез болезни Альцгеймера: роль старения.

Обновление свободнорадикальной теории: увеличение продолжительности жизни.

Использование гормона роста для предотвращения и лечения эффектов старения.

Старение: обзор.

Старение: феномен и теории.

Старение и оксидативный стресс.

Что такое свободные радикалы?

Эти молекулы приносят огромный вред, приводят к повреждению различных биологических структур, а в конце концов и к старению. Как они образуются?!
Ядро атома окружено электронными орбиталями, каждая из которых содержит максимум по 2 электрона с разными спиновыми квантовыми числами. Атом водорода имеет одну внешнюю орбиталь, атомы азота, углерода и кислорода имеют по 4 внешние орбитали, захватывающие 8 электронов. Атомы более стабильны, когда орбитали заполнены электронами. Свободные радикалы -это высокоактивные молекулы или атомы, имеющие неспаренные
электроны на внешней орбитали, которые не задействованы в образовании химической связи. Атомы или небольшие молекулы, являющиеся свободными радикалами, более нестабильны, чем большие, т.к. последние могут захватывать электрон для образования резонансной структуры (т.е. стабильную структуру).
Свободные радикалы могут повреждать нуклеиновые кислоты, белки и липиды. Для биологических систем наиболее важны кислородные свободные радикалы, в частности, супероксид- анион (superoxide (.O2−)), оксид азота (nitric oxide (.NO)) и гидроксильный радикал
(hydroxyl radical (.OH)). Оксид азота относительно неактивный радикал,
который живет всего несколько секунд, быстро реагируя с кислородом.  Но если он взаимодействует с супероксид- анионом, то образуестя пероксинитрит (peroxynitrite (ONOO−)), который разлагается с образованием гидроксильного радикала. Пероксинитрит, как и гидроксильный радикал, реагируют непосредственно с белками и другими макромолекулами с образованием альдегидов и кетонов, поперечных сшивок и продуктов перекисного окисления липидов. Только 1-4% однонитевых разрывов ДНК провоцируется пероксинитритом и гидроксильным радикалом. Кроме того, перекись водорода (hydrogen peroxide (H2O2)) и гипохлорит (hypochlorite (OCl-)) сами по себе не являются свободными радикалами,но эти кислород- содержащие молекулы могут облегчать образование свободных радикалов. Все эти кислород- содержащие молекулы объединены термином активные формы кислорода (АФК, ROS). АФК действуют на основания в составе нуклеиновых кислот, аминокислот боковых цепей белков и двойные связи в ненасыщенных жирных кислотах. 
Повреждение макромолекул (и клетки вцелом) в результате действия АФК называется оксидативным стрессом.


Другими словами, из-за того, что атому кислорода (или азота) в молекуле-радикале не хватает электрона на оболочке, он становится очень активным и стремится прореагировать со всем подряд, повреждая соединения (липиды, ДНК, белки), с которыми реагирует. В результате это биологическое соединение не может правильно функционировать.

Как действуют свободные радикалы?

Образование АФК в митохондриях

Свободные радикалы и антиоксиданты

Частный случай свободнорадикальной теории- митохондриальная теория

митохондрия Митохондриальная теория представляет собой частный случай
свободнорадикальной теории. Как говорилось выше, еще Денхам Харман в 1972 году трансформировал свободнорадикальную теорию в митохондриальную. Почему?!
Митохондрия имеет свой аппарат репарации повреждений ДНК экзогенными и эндогенными агентами, в роли которых чаще всего выступают свободные радикалы, токсины, лекарства. Большое значение при повреждении мтДНК имеют близость к электрон- транспортной цеми и недостаток гистонов, защищающих ДНК. Оксидативное повреждение ДНК вызывает изменение оснований, появление AP-сайтов и другие виды повреждения. Наибольший вред наносит 8-оксогуанин, который накапливается в ДНК с возрастом. Повреждение мтДНК гораздо обширнее и сохраняется дольше, чем повреждение ядерной ДНК.
Многие исследования показали возраст- зависимый характер накопления повреждений мтДНК в скелетных мышцах (Lee et al., 1993), сердечной мышце (Marin-Garcia et al., 2002), мозге (Corral-Debrinski et al., 1992) и печени (Hamilton et al., 2001). Основную роль в повреждении играет 8-оксогуанин (de Souza-Pinto et al.,2001, Hudson et al., 1998). Уровень 8-оксогуанина в мтДНК (но не в ядерной ДНК) и максимальная
продолжительность жизни млекопитающих обратно пропорциональны.

Мутации в мтДНК игают огромную роль в повреждении таких постмитотичных клеток, как нейроны, и возникновении нейродегенеративных заболеваний. Митохондрии обеспечивают энергию, необходимую для функционирования синапсов, по которым передаются сигналы. Повреждение мтДНК в конечном итоге приводит к нарушению биоэнергетической составляющей нейрона. Нейродегенеративные заболевания характеризуются прогрессирующей гибелью нейронов (апоптозом и некрозом). При нейродегенеративных заболеваниях были обнаружены мутации мтДНК и связанные с ними нарушения биоэнергетики (Kang and Hamasaki, 2005). Под действием свободных радикалом митохондрия гибнет:


Более 50 лет назад было высказано предположение, что нарушения функционирования митохондрий имеют значение в канцерогенезе (Warburg, 1956). Было показано, что мутации в некоторых сайтах на мтДНК способствуют росту опухоли и снижению апоптоза (Shidara et al., 2005).
Из последних исследований на эту тему можно отметить работу Druzhyna NM, Wilson GL и LeDoux SP из Department of Cell Biology and Neuroscience, University of South Alabama, которые обобщили материал по связи митохондрий и старения за последние годы. Накопление повреждений ДНК в процессе оксидативного стресса- это основа свободнорадикальной теории старения Хармана (Harman, 2001) . Один из главных источников активных форм кислорода (АФК) в клетке- окислительное фосфорилирование в митохондриях. Повреждение мтДНК приводит к усилению синтеза АФК, что в свою очередь приводит к еще большему повреждению мтДНК- замыкается порочный круг, что в конце концов приводит к смерти клетки.

Статьи по теме:
Цистеин, кодируемый в митохондриях, определяет продолжительность жизни.

Мутации в митохондриях- причина или следствие старения?

Критическая возраст-зависимая потеря кофакторов цитохром-с-оксидазы в нейронах подавляется эстрогенами.

Мелатонин предотвращает возраст- зависимую дисфункцию митохондрий в мозге крыс посредством защиты кардиолипинами.

Как жить долго и процветать: аутофагия, митохондрии и старение.

Накопление железа в митохондриях с возрастом.

Сейчас проводится огромное количество исследований, связанных с митохондриями, окислительным стрессом и старением. Митохондриальную теорию выделяют отдельно из-за того, что митохондрия в клетке представляет собой "государство в государстве", т.е. работает автономно, имеет собственный геном и играет ключевую роль в явлении оксидативного стресса.

Антиоксидантная защита

мембрана Около 95% от всего потребляемого кислорода клетки восстанавливается в митохондриях до воды в процессе окислительного фосфорилирования.
Остальные 5% кислорода в результате различных реакций (как правило ферментативных) превращаются в АФК. Такое количество радикалов может нанести огромный вред клетке. Для нейтрализации АФК в клетке работает несколько ферментов: супероксиддисмутаза (SuperOxide Dismutase (SOD)), каталаза (catalase (CAT)) и глутатионпероксидаза (glutathione peroxidase), а также некторые низкомолекулярные антиоксиданты - витамин С, глутатион, мочевая кислота.
Супероксиддисмутаза катализирует реакцию между двумя супероксид- анионами, в результате которой образуются перекись водорода и триплетный кислород (кислород в основном состоянии).


Она является самым распростарненным антиоксидантным фактором в
организме животных. Ее содержание в клетке зависит от метаболической
активности.
Каталаза разлагает перекись водорода до воды и свободного кислорода. Каталазы локализуются в пероксисомах, в которых происходит деградация аминокислот и жирных кислот с образованием перекиси.
Глутатион- пептид, состоящий из 3 аминокислот (цистеина, глицина и глутаминовой кислоты), который является главным антиоксидантом в нелипидных частях клетки (цитоплазме). Глутатион существует в двух формах- восстановленной (GSH) и окисленной (GSSG). Восстановленный глутатион отдает атом водорода, тем самым нейтрализуя перекись водорода: GSH + .OH --> .GS + H2O. Молекулы окисленного глутатиона нейтрализуют друг друга: .GH + .GH --> GSSG Первую реакцию катализирует глутатионпероксидаза, вторую- глутатионредуктаза, которая использует NADPH в качестве источника водорода.

Сейчас идет интенсивная разработка различных методов воздействия на
антиоксидантную систему и поиск новых антиоксидантов. Например, ученые из Университета Пенсильвании изобрели способ защиты трансплантированных легких от оксидативного стресса. Они связали антиоксидантный фермент (каталазу) с антителом. Этот комплекс взаимодействовал с эндотелиальными клетками, нейтрализуя АФК.

Рассмотрим, как повреждаются различные биологические структуры и как исправляются эти повреждения.

Оксидативное повреждение ДНК

В чем заключается повреждающее действие свободных радикалов на ДНК?
В одно- и двунитевых разрывах,

образовании АП- сайтов ( т.е. потеря основания- пиримидина или пурина),

повреждении оснований и сахаров, входящих в состав ДНК.

Гидроксильный радикал вызывает ионизацию
оснований ДНК. Кроме того, важную роль играют ненасыщенные жирные
кислоты. После перекисного окисления они образуют стабильные
производные, которые присоединяются к нуклеиновой кислоте, образуя ДНК- аддукты (соединения), считывание которых затруднено. Также образуются сшивки ДНК- ДНК и ДНК- белок. Как уже упоминалось, в процессе повреждения ДНК образуются модифицированные основания:
Агенты, повреждающие ДНК, также повреждают и РНК и свободные нуклеотиды. Пурины и пиримидины в 100-1000 раз более чувствительны к модификации в виде мононуклеозидов и нуклеотидов, чем в составе ДНК и РНК, где они защищены спиральной структурой. Модификация пула нуклеотидов- это один из важных факторов повреждения нуклеиновых кислот. Хотя ДНК- и РНК- полимеразы распознают поврежденные и модифицированные основания, это распознавание недостаточно и они могут встроить порежденные нуклеотиды в строящуюся нуклеиновую кислоту.

Повреждение ДНК свободными радикалами

Репарация повреждений ДНК при оксидативном стрессе

Свободные радикалы В клетках существует мощная система репарации, которая активируется в том числе и при оксидативном повреждении.
Согласно Olinski et al. репарация при оксидативной стрессе включает в себя прямую репарацию и эксцизионную.
Прямая репарация
Во всех клетках всех организмов есть фосфогидролазы- ферменты, которые гидролизуют трифосфаты поврежденных нуклеотидов до монофосфатов. Монофосфаткиназа распознает поврежденные и неповрежденные нуклеотиды и не позволяет поврежденным нуклеотидам рециркулировать в клеточном пуле нуклеозид-трифосфатов, вместо этого они дефосфорилируются нуклеазами и выводятся из клетки, что позволяет предотвратить их встраивание в ДНК ДНК- полимеразами.
Эксцизионная репарация (BER)
Главный механизм для удаления поврежденных оснований- эксцизионная репарация (Base Excision Repair, BER).

BER проходит в 5 этапов: 1) вырезание поврежденного основания
специфическими ДНК- гликозилазами и формирование
апуринового/апиримидинового (АП) сайта
2) разрыв фосфодиэфирной связи АП-сайта АП- эндонуклеазой или АП- лиазой
3) удаление химических групп, мешающих заполнению бреши и лигированию
4) заполнение бреши
5) лигирование (сшивка)

Общий принцип репарации ДНК

Роль оксидативного повреждения ДНК в патогенезе различных заболеваний

Рак Процесс оксидативного повреждения ДНК играет важную роль в возникновении различных возраст- ассоциированных заболеваний.

Онкологические заболевания
Рак- это генная болезнь. С этой точки зрения каждый фактор,
взаимодействующий с ДНК и модифицирующий ее, является канцерогеном. Следовательно АФК обладают мутагенным, канцерогенным действием. Одним из самых изучаемых в настоящее время маркеров повреждения является 8-оксогуанин (8-oxoGua). Его присутствие в составе ДНК приводит к GC-TA замене, если не репарируется до репликации. Например, при исследовании уровня 8-оксогуанина в клетках миомы матки было выяснено, что этот уровень коррелирует с размером опухоли. Возрастающий уровень модифицированных оснований вызывает нестабильность генома и увеличивает потенциал метастазирования в сформировавшейся опухоли. Это было показано в исследованиях на некоторых видах аденокарциномы.
Оксидативным повреждением объясняется существование множества различных мутаций в одной клетке карциномы, с развитием опухоли число этих мутаций увеличивается. Разумно предположить, что они возникают в процессе развития опухоли. Здесь играют роль внутриклеточные процессы (окислительное фосфорилирование, метаболизм жирных кислот в пероксисомах, реакции с участием цитохрома P450, "респираторный взрыв" в фагоцитах), которые являются основным источником свободных радикалов, вызывающих изменение оснований, а следовательно и мутации, приводящие к возникновению рака.

Атеросклероз

Повреждения ДНК имеют важное значение в патогенезе атеросклероза. В некоторой степени атеросклеротическое повреждение тканей инициируется мутациями, так же как и при раке. Существуют данные, что в тканях аорты, пораженной атеросклеротическим процессом, обнаружен высокий уровень 8-оксогуанина, что может быть одной из причин заболевания. Окисленный липопротеин низкой плотности (ЛПНП) также принимает участие в развитии атеросклеротического повреждения тканей. Было обнаружено, что, помимо своего основной функции- переноса холестерина, он (но не основная форма ЛПНП) снижает активность ферментов, принимающих участие в эксцизионной репарации 8-оксогуанина. Это же исследование показало, что витамин С совместно с α-токоферолом препятствуют этому процессу.

Нейродегенеративные заболевания
Возможно оксидативный стресс участвует в патогенезе болезни Альцгеймера. Эта теория основывается на том, что АФК вовлечены в нейротоксичность амилоидного бэта- протеина. Было показано, что пептиды спонтанно генерируют свободные радикалы. Высокий уровень 8-оксогуанина был обнаружен не только в лейкоцитах больных, но и в ткани мозга. Это значит, что снижение репарации ДНК играет роль в возникновении болезни Альцгеймера (у больных уровень OGG1
значительно ниже, чем у здоровых). Это в какой-то мере объясняет
массовую гибель нейронов при этом тяжелом заболевании: накопление
поломок ДНК в поврежденных нейронах служит сигналом для запуска апоптоза.

Повреждение белков. Образование сшивок

Белок Белки могут повреждаться сободными радикалами и через гликозилирование (Glycation, Maillard reaction, non-enzymatic glycosylation). Это реакция, в которой восстановленные сахара присоединяются к белку без участия ферментов ( к амино-группам лизина и аргинина, которые вовлечены в построение пептидной связи).

Amadori product-это кетоамин. Гликозилирование и образование Amadori product- обратимые реакции, окисление Amadori product с образованием AGEs- необратимая. Тут теория гликозилирования белков переплетается со свободнорадикальной теорией: при образовании AGEs в клетке в 50 раз возрастает содержание свободных радикалов. Образование AGEs с поперечными сшивками в коллагене сосудов вовлечено в возникновение атеросклероза и нефропатии при диабете (Allen TJ et al., 1997), катаракты и болезни Альцгеймера. Образование AGEs- универсальный признак старения в кожи, мышцах, легких, сосудах и др. органах.  Белки имет разную продолжительность жизни, кристаллины в хрусталике глаза существуют длительное время. Кристаллины хрусталика, коллаген и белки базальной мембраны чаще всего подвергаются поперечным сшивкам и формированию AGEs.
В экстрацеллюлярном матриксе стареющей кожи образуется продукт гликозилирования коллагена -глюкосепан (Sell et al, 2005).

Глюкосепан в 2 раза чаще встречается у диабетиков. При условии, что при диабете TGF−ß индуцирует образование внеклеточного матрикса, и этот матрикс постоянно гликозилируется, легко понять почему склеротические процессы усиливаются с возрастом.
Коллаген- самый часто встречающийся белок в организме млекопитающих. Поперечные сшивки в его стуктуре приводят к потере тканью эластичности, атеросклерозу, снижению функции почек, плохому заживлению ран, снижению жизненной емкости легких и катаракте.
Чаще всего в гликозилировании участвуют глюкоза, галактоза (в 5 раз более активна, чем глюкоза), фруктоза (в 8 раз), дезоксиглюкоза (в 25 раз), рибоза (в 100 раз) и дезоксирибоза (в 200 раз). Некоторые альдегиды, образующиеся при перекисном окислении липидов, гораздо активнее, чем сахара.
Сущетсвует специальное общество по изучении этой проблемы- International Maillard Reaction Society.
Нынешний президент общества Дженифер Эймс (Jennifer M. Ames). Общество было основано в 2005 году и занимается исследованиями процессов гликозилирования в медицине, сельском хозяйстве и пищевой
промышленности. В него входят ученые со всего мира, которые занимаются огранизацией конференций по проблеме активных углеводных соединений и просветительской работой.
В Clinical Sciences Research Institute, University of Warwick проводятся исследования гликозилирования белков, его роли в повреждении клеток и старении. Недавно ученые из этого института- Найла Раббани (Naila Rabbani) и Пол Торнелли (Paul Thornalley) опубликовали статью- " Дикарбоновые сшивки повреждают электростанции: гликозилирование митохондриальных белков и оксидативный стресс". Защита митохондриальных белков от гликозилирования эндогенными дикарбоновыми соединениями, метилглиоксалом и глиоксалом предотвращает увеличение продукции свободных радикалов и действие оксидативного стресса на протеом в течении жизни и в ходе старения у нематод. Это свидетельствует о том, что повреждение гликозилированием митохондриального протеома приводит к нарушению функционирования митохондрий, что в свою очередь приводит к оксидативному стрессу. В дальнейшем ученые надеются изучить белки, которые становятся мишенями для повреждения.

Теория гликозилирования белков является частным и самым распространенным случаем теории повреждения белков.
Поперечные сшивки нарушают строение белков и мешают им выполнять свои функции, отсюда нарушение функций клеток и органов. Эта теории
согласуется со свободнорадикальной теорией. Однако имеет место парадокс "курицы и яйца"- что первично? Гликозилирование или оксидативный стресс? Гликозилирование приводит к оксидативному стрессу, при оксидативном стрессе увеличивается гликозилирование. На этот вопрос еще предстоит ответить, хотя большинство ученых склоняется к мысли, что первично гликозилирование.
Многое в этой теории остается непонятным:
1) Почему гликозилируются те или иные белки (помимо нахождения в составе аргинина и лизина)?
2) Есть ли порог повреждения, после которого клетка не может выполнять свои функции?
3) Как предотвратить патологическое гликозилирование?
4) Как регулируется гликозилирование?
Сейчас ведутся исследования по этим вопросам.

Прочитать по теме:
AGEs аккумулируются в гладких мышцах и модифицируют сосуды у старых собак с гипертензией.

Продукция метилглиоксала из разных предшественников в гладких мышцах.

Связаны ли оксидативный стресс и AGEs с возникновением катаракты?

Идентификация предшественников AGEs и возникновение AGEs при гликозилировании BSA (бычьего сывороточного альбумина).

Оральные
гликотоксины определяют эффекты ограничения калорийности на
оксидативный стресс, возраст-ассоциированные заболевания и
продолжительность жизни.


Повреждение белков и нуклеиновых кислот глиоксалом- роль в старении и патологии.

Старение и гликооксидативный стресс.

Популярно о реакции Мейларда

Перекисное окисление липидов

Перекисное окисление липидов мембраны Процесс перекисного окисления липидов (ПОЛ) является важной причиной накопления клеточных дефектов. Основным субстратом ПОЛ являются полиненасыщенные цепи жирных кислот ( ПНЖК ), входящих в состав клеточных мембран, а также липопротеинов. Их атака кислородными радикалами ( АФК ) приводит к образованию гидрофобных радикалов, взаимодействующих друг с другом (Vladimirov, 1996).

Вначале происходит атака сопряженных двойных связей ненасыщенных жирных кислот со стороны НО* и НО2*, что приводит к появлению липидных радикалов :
LH + НО* H2O + L*
Липидный радикал может реагировать с О2 с образованием пероксильного радикала, который, в свою очередь, взаимодействует с новыми молекулами ненасыщенных жирных кислот и приводит к появлению липидных пероксидов, которые достаточно стабильны при температуре тела:
L* + O2 LO2*
LO2* + LH LOOH + L*
Скорость этих реакций зависит от активности антиоксидантной системы клетки. При взаимодействии с комплексами железа гидроперекиси липидов превращаются в активные радикалы, продолжающие цепь окисления липидов:
LOOH + Fe2+ Fe(III) + OH- + LO*
LO* + LH LOH + L*
Образующиеся липидные радикалы , а также 4-гидроксиноненаль и МДА, могут атаковать молекулы белков и нуклеиновых кислот. Альдегидные группы этих соединений образуют межмолекулярные сшивки, что сопровождается нарушением структуры макромолекул и дезорганизует их функционирование (Aruoma, 2006).

Окисление липидов приводит к нарушению нормальной упаковки мембранного бислоя , что может вызвать повреждение и мембраносвязанных белков (Richter, 1987). Так, например, ПОЛ может приводить к инактивации мембранных рецепторов, а также таких ферментов, как глюкозо- 6-фосфатаза и Na/K-АТФаза, принимающая непосредственное участие в поддержании ионного гомеостаза клетки (Болдырев, 2001). В митохондриях могут повреждаться как ферменты матрикса, так и компоненты дыхательной цепи. Поврежденные мембраны утрачивают энергетический потенциал, электровозбудимую функцию, контроль за ионными потоками и медиаторными системами, возникают патологические (воспалительные, нейродегенеративные, злокачественные) изменения в тканях, что, в конце концов, приводит организм к гибели. Пероксинитрит , индуцирует процессы ПОЛ в мембранах (Radi, et al 1991) и липопротеинах сыворотки крови , что усиливает их захват макрофагами и лежит в основе атерогенеза (Bult, et al 1990). (Материал с сайта http://humbio.ru)
Один из вариантов каскада, приводящего к запуску ПОЛ:

В нашей стране и в мире одним из главных специалистов в области оксидативного стресса и перекисного окисления липидов является Юрий Андреевич Владимиров. Академик РАМН, заведующий кафедрой медицинской биофизики факультета фундаментальной медицины.
Лауреат Государственной премии СССР. Член редколлегий журналов "Journal of Free Radical Biology and Medicine", "Journal of General Physiology and Biophysics", "Биофизика", "Биологические мембраны", "Toxicology".
Область научных интересов: исследования люминесценции (флуоресцении и низкотемпературной фосфоресценции) белков. Изучил индуктивно-резонансный перенос энергии в молекуле гемоглобина (1957). Метод измерения белковой люминесценции и измерение переноса энергии в настоящее время широко используются в мировой науке для изучения структуры белков. Открыл явление собственного (сверхслабого) свечения при биохимических реакциях (1958–1965), положившее начало исследованиям в этой области в СССР и в мире. Общепризнанны исследования Ю.А. Владимирова и его сотрудников в области изучения механизма свободнорадикального окисления липидов и действия этого процесса на мембранные структуры клеток. Совместно с Г. Е. Добрецовым предложен метод флуоресцентных зондов для исследования структуры мембран и липопротеинов (1980–1990), расшифрованы молекулярные основы терапевтического действия лазерного излучения (1994–2004).
Педагогическая работа: курс лекций по медицинской биофизике для студентов факультета фундаментальной медицины, основные разделы медицинской биофизики в Российском государственном медицинском университете: квантовую, молекулярную биофизику, биофизику клетки и биофизические основы патологии клетки.

Исследования в рамках сободнорадикальной теории

исследования На сегодняшний день свободнорадикальная теория- основная теория старения. Исследования свободных радикалов, повреждений, ими вызываемых, заболеваний, которым приводит их воздействие, их роли в процессе старения, ведутся по всему миру в сотнях лабораторий, институтов и центров. Эта теория захватила мир, везде ведутся разработки антиоксидантов- веществ, которые помогут в борьбе с разрушительными свободными радикалами.
Объем исследований огромен, об этом свидетельствует, например, число статей в знаменитой биомедицинской базе данных PubMed, хранилище знаний о биологи и медицине со всего мира. В ней 165533 (!) статей, посвященных свободным радикалам и их действию. Рассмотрим лишь некоторые из недавних исследований.

Оксидативный стресс и канцерогенез

Активные формы кислорода (АФК)- самые распространенные в природе свободные радикалы, они участвуют в повреждении тканей и органов ксенобиотиками (чужеродными веществами, попадающими в организм), ишемией, активацией лейкоцитов, действием ультрафиолета и т.д. Оксидативный стресс является результатом дисбаланса действия АФК и защитных и репарационных систем. Действие АФК-ключевое звено патогенеза многих распространенных заболеваний, в том числе рака. Как говорилось выше, АФК повреждают ДНК, белки и липиды, в злокачественных опухолях обнаруживают высокий уровень окисленных оснований ДНК и мутаций.
Испанские ученые из Университета Валенсии провели исследование влияния факторов окружающей среды на канцерогенез и опубликовали статью "Оксидативный стресс, окружающая среда и канцерогенез". Различные факторы окружающей среды и образ жизни (в том числе курение, питание, алкоголь, ионизирующее излучение, пестициды, вирусная инфекция), а также состояние здоровья (ожирение, процесс старения) могут приводить к раку. В этом случае оксидативный стресс является критическим патофизиологическим механизмом. Ученые считают, что оксидативный и метаболический стресс, воспаление, старение и рак тесно взаимосвязаны. И именно на преодоление этих проблем должны быть направлены усилия исследователей.

Чашечку чая?

Зеленый чай Различные эпидемиологические исследования свидетельствуют о том, что употребление зеленого чая снижает частоту случаев рака простаты. Этому посвящены исследования ученых под руководством доктора Дж. О'Салливана (O'Sullivan J) из дублинского St Vincents University Hospital. В статье "Эффект зеленого чая на оксидативный стресс и формирование опухоли". Катехины, содержащиеся в зеленом чае, являются антиоксидантами. Ученые полагают, что эти катехины могут снижать генетические и клеточные повреждения свободными радикалами, приводящие к формированию опухолей и старению. Проводилось длительное (в течение 26 месяцев) изучение действия зеленого чая без кофеина на крысах в сравнении с крысами, получавшими воду. Применение зеленого чая снизило наполовину число случаев опухолей. У животных, получавших зеленый чай, не наблюдалось ингибирование образования ДНК-аддуктов и ПОЛ. Снижение канцерогенеза было связано с повышением уровня 8-оксо-2-деоксигуанозина, о котором мы говорили выше, в эпителии простаты крыс. У стареющих крыс было обнаружено повышение уровня супероксиддисмутазы и каталазы. На основании этого ученые пришли к выводу, что зеленый чай снижает вероятность формирования опухоли, но не влияет на перекисное окисление липидов и повреждение ДНК. Ученые планируют продолжить исследования в этой области, т.к. пока не понятно как именно зеленый чай влияет на оксидативный стресс, но его влияние несомненно.

Оксидативный стресс и нейродегенеративные заболевания

Professor Lucia Migliore Профессор Университета города Пиза Lucia Migliore занимается изучением роли оксидативного стресса, индуцируемого действием окружающей среды, в развитии нейродегенеративных заболеваний. Этой проблеме посвящена ее недавно вышедшая статья "Оксидативный стресс в нейродегенеративных заболеваниях и процессе старения".
Этиология нейродегенеративных заболеваний малоизучена, сложна и включает в себя множество факторов, генетических и факторов окружающей среды. Важную роль в развитии этих патологий играют свободные радикалы, повреждающие биомолекулы. Роль и степень важности различных факторов до сих пор обсуждаются учеными во всем мире, но ясно одно-оксидативный стресс- это ключевое звено в патогенезе нейродегенеративных заболеваний, т.к. АФК вызывают смерть нейронов, а это основная черта всех нейродегенеративных заболеваний. Профессор Migliore считает, что основная роль в патогенезе принадлежит генетическим факторам в виде недостаточности репаративных систем, исправляющих повреждения ДНК, полученные в результате оксидативного стресса. Исследователь считает, что на это должна быть направлена терапия нейродегенеративных заболеваний- частых и тяжелых спутников старения. Сейчас обсуждается взаимодействие факторов окружающей среды, приводящих к оксидативному стрессу и эпигенетических изменений активности критичных генов.

Мелатонин и свободнорадикальная теория

Russel J. Reiter, Ph.D Как уже говорилось, широко обсуждается роль свободных радикалов в процессе старения и возраст-ассоциированных заболеваний. Некоторые исследователи считают, что свободнорадикальная теория не обоснована. Если бы она была верна, то антиоксиданты помогали бы в борьбе с повреждением клеток, старением и смертью. Но поиск эффективных антиоксидантов все равно ведется.
Рассел Рейтер (Russel J. Reiter) из Department of Cellular and Structural Biology, The University of Texas Health Science Center занимается изучением роли мелатонина в процессе оксидативного стресса.
Существуют экспериментальные данные о том, что мелатонин может защищать клетки от повреждения, вызываемого активными формами кислорода и азота. Эти данные свидетельствуют о том, что мелатонин предотвращает старение и увеличивает продолжительность жизни, а также обладает способностью снижать вероятность возникновения заболеваний, в основе которых лежит оксидативный стресс. Ученые сейчас проводят исследования на животных моделях и, к сожалению, исследования на людях пока не осуществимы.

Критика теории

Однако, как отмечалось выше, есть и противники этой теории. Среди них Рендольф Хаус (Randolph Howes) и Энтони Линнен (Anthony Linnane), который в свое время был ярым ее сторонником, но потом пересмотрел свои взгляды. Howes в 2006 году выпустил монографию "Свободнорадикальная фантазия: богатство парадоксов".
Исследователи отдают должное роли этой теории в ситории, но отмечают в ней некоторые ошибки. Так, они считают, что оценка уровня свободных радикалов завышена, известны и эффективно работают системы репарации, свободные радикалы участвуют в выработке энергии и регуляции клеточного метаболизма, гомеостаза. Широкое использование антиоксидантов не помогает в борьбе с пандемиями онкологических заболеваний, диабета, сердечно-сосудистых заболеваний и старением.

В любом случае, в свободнорадикальной теории есть рациональное зерно, но остается много неразрешенных вопросов:
1) почему ,если теория верна, антиоксиданты неэффективны?

2) как можно защитить клетку и организм вцелом от оксидативного стресса?

3) как активизировать внутренние резервы?

4) как определить тот лимит, после которого возникает рак, диабет, атеросклероз и прочие спутники старения?
Ждем ответов от исследователей.

И еще в копилку критиков недавно вышедшая статья.

В заключение

Свободнорадикальная теория старения имеет ряд противоречий и недостатков, однако на данный момент она является доминирующей, имеет большое количество доказательств и сторонников.
Главным противоречием теории является неэффективность антиоксидантов, этой проблемой занимаются тысячи ученых по всему миру. Возможно, когда будет найден и синтезирован действенный антиоксидант, человечество сделает первый шаг к победе над старением.

20 ноября 2008 года

Комментарии

7 июня 2012 в 21:51
 
"Харман пришел к выводу, что основную роль в свободнорадикальных процессах играют митохондрии, и в 1972 году опубликовал статью "Свободнорадикальная теория старения", где изложил митохондриальную теорию."


Любой может прочитать эту статью и увидеть, что никакой митохондриальной теории в этой статье Харман не изложил. Харман не является автором митохондриальной теории старения.

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter