Роль окисительного стресса в патогенезе старения кожи

Существует множество теорий, объясняющих причины старения: эволюция, митохондриальная теория, гликозилирование белков, повреждение ДНК, накопление ошибок, предел Хейфлика и теория теломер, онтогенетическая теория Дильмана, иммунологическая теория. Одна из основных – теория оксидативного стресса (свободных радикалов – СР) – впервые была сформулирована в 1950-х годах D. Harman, выдвинувшего гипотезу, согласно которой есть некоторые общие механизмы, модифицируемые генетическими и негенетическими факторами и приводящие к аккумуляции молекул в организме. Биологи считали предположение американца слишком простым для объяснения такого сложного процесса, как старение. На некоторое время теория была забыта, но к ней вернулись в 1972 году, когда появились новые данные. За следующие 50 лет накоплен огромный экспериментальный материал, подтверждающий участие свободных радикалов в старении. По разным аспектам проблемы опубликовано множество работ, в том числе и обзорного характера. Вместе с тем следует отметить, что из-за сложности и многогранности химии/биохимии активных форм и радикалов кислорода система общих и частных представлений о биохимических механизмах функционирования про- и антиоксидантных систем организма человека в условиях нормы и патологии до сих пор находится в стадии формирования. 

Окисление и формирование окислительного стресса

Оксидативным стрессом называют процесс повреждения клетки вследствие окисления. В процессе жизнедеятельности любого организма в клетках и межклеточном пространстве происходит один из самых универсальных процессов – образование СР. Свободные радикалы представляют собой молекулы (фрагменты молекул), обладающие одним (или более) неспаренным электроном. Они составляют особый класс химических веществ, отличающихся по атомарному составу, но все характеризуются наличием в молекуле непарного электрона. СР – непременные спутники кислорода, обладающие высокой химической активностью.

Считается, что одной из первых глобальных экологических катастроф, произошедших на нашей планете, было загрязнение биосферы молекулярным кислородом – продуктом жизни сине-зеленых водорослей. Произошло вымирание большей части древних анаэробных прокариот, а дальше – появление огромного разнообразия животных и растительных организмов. В них появились эффективный энергопроизводящий механизм (окислительное фосфорилирование) и универсальный механизм биотрансформации ксенобиотиков. Многоклеточные организмы научились использовать реакционные продукты неполного восстановления О2 для защиты от бактериальных агрессий, а также как эффективный механизм внутри и межклеточной коммуникации.

Кислород – один из самых распространенных химических элементов планеты и наиболее распространенный элемент биосферы. Соединения кислорода входят в состав биомакромолекул всех живых организмов. Но наряду с окислительным фосфорилированием в аэробных организмах постоянно происходят реакции частичного восстановления кислорода – образование активных форм и радикалов данного окислителя. Кислородные радикалы химически очень активны, и некоторые способны ковалентно модифицировать структуру макромолекулы. 

Рис. 1. Природа свободных радикалов в клетке

При содействии свободного кислородного радикала с органическим соединением может наблюдаться несколько типов реакций, направленных на повреждение белков, нуклеиновых кислот и липидов биологических мембран клеток. 

Рис. 2. Типы реакций

Окисление ненасыщенных жирных кислот в составе клеточных мембран – один из основных эффектов СР. Пероксидное окисление липидов (ПОЛ) – свободнорадикальное окисление ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав фосфолипидов клеточных мембран.

Особенности протекания реакций:

• цепной характер – не происходит уничтожение СР, и в процесс вовлекаются все новые и новые молекулы ненасыщенных жирных кислот;
• разветвленность – в неудержимом количестве появляются СР, источником которых являются промежуточные продукты ПОЛ.

В конце концов неконтролируемая пероксидация липидов проявляется снижением текучести мембран, облегчением перехода молекул фосфолипидов из одного монослоя мембран в другой, увеличением проницаемости мембран для различных субстанций (K+, Ca2+ и т.п.), ковалентной модификацией и изменением функциональной активности мембранных протеинов, рецепторов, энзимов и ионных каналов.

Источники свободных радикалов

Окислительный стресс может быть связан с эндогенным стрессом или экзогенными источниками свободных радикалов.

Рис. 3. Источники свободных радикалов

Экзогенными источниками, индуцирующими увеличение образования радикалов, являются:

• ионизационное излучение;
• курение;
• УФ-излучение;
• полютанты;
• побочные эффекты лекарственных препаратов и токсичных химических веществ;
• избыток кислорода и увеличение концентрации кислорода.

Эндогенные факторы, приводящие к окислительному стрессу и сопровождающие патологические состояния, следующие:

• постоянное обновление пула иммунокомпетентных клеток (фагоцитов) и активация на место травмы;
• блокирование биохимических процессов в результате нарушений митохондриальной электронной цепи;
• снижение защитных функций, в частности, снижение активности антиоксидантных ферментов;
• снижение уровня антиоксидантов;
• блокирование биохимических процессов в результате мутации или «повреждения» антиоксидантов.

В большинстве соматических клеток выделяют три основных источника СР: митохондрии, пероксисомы и мембранные NAD(P)H-оксидазы.

В продолжение материала поговорим о физиологической роли свободнорадикального окисления и антиоксидантных системах нашего организма.