Антиокси

Н.Л. Резник

Хочешь похвалить продукт — назови антиоксидантом. Идея о вреде окислительного стресса и необходимости борьбы с ним проникла в общественное сознание и прочно там укоренилась. Однако это не единственная точка зрения на активные формы кислорода и последствия приема антиоксидантов.

«Кто первый выпустил, что он ревизор?»

Существует легенда о том, как в декабре 1945 года американскому химику Дэнхему Харману попался на глаза купленный его женой дамский журнал. Харман прочел в нем статью под названием «Завтра ты можешь быть моложе», задумался и несколько лет спустя предложил свободнорадикальную теорию старения («Nature»). Суть ее в том, что причиной старения служат побочные продукты метаболизма — свободные радикалы, которые повреждают клетки. Со временем эти повреждения накапливаются, отчего организм болеет и стареет. Следовательно, старение можно задержать, принимая антиоксиданты. В таком виде свободнорадикальная теория и пошла в народ, чему немало способствовали компании, продающие витамины, пищевые добавки и корма для животных, содержащие антиоксиданты. Этот рынок стремительно развивается, и к 2020 году его оборот превысит 3 млрд долларов.

Вообще, идея о вреде окисления носится в воздухе с тех самых пор, как люди поняли, что кислород, которым они дышат, имеет свойство окислять, то есть портить органические вещества во влажной среде. Естественно, возникает вопрос: а как оно в организме? А там глюкоза окисляется с образованием воды и углекислого газа и выделением энергии. Сначала глюкоза в цитоплазме расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты. Затем эти молекулы отправляются в митохондрии, где претерпевают биохимические превращения. При этом высвобождаются электроны; по цепочке белковпереносчиков, как кирпичики по живому конвейеру, они добираются до конечного акцептора — кислорода. Акцептор, принявший электроны, представляет собой сильный анион О2, который связывает два протона и образует воду. В общем виде реакция выглядит так:

О+ 4е + 4Н+ → 2Н2О

Однако при разных нарушениях в дыхательной цепи или иных проблемах, таких как ионизирующая радиация, спонтанное окисление гемоглобина или воспаление, кислород восстанавливается не полностью, и образуются супероксидрадикалы:

О2 → О2

Радикал непременно должен прореагировать с другой молекулой, причем так, чтобы образовался еще один радикал, который, в силу своей высокой реакционной способности, тоже вступает во взаимодействие. Если этот каскад реакций не остановить, он может длиться долго и перепортить множество молекул, хотя супероксида выделяется очень мало. К счастью, в организме предусмотрен механизм защиты от повреждений. Прежде всего, это ферменты супероксиддисмутазы (СОД), катализирующие реакцию супероксидрадикала с ионами водорода:

2O2 + 2H+ → H2O2 + O2

Супероксидион не проникает через клеточную мембрану, поэтому его концентрации в цитозоле, межклеточной жидкости и в митохондриях различны. Соответственно, для его обезвреживания существуют разные изоформы фермента, действующие в цитоплазме, митохондриях и межклеточном пространстве.

Перекись водорода, которая образуется в результате активности СОД и некоторых окислительных процессов, — также сильный окислитель. Ее дезактивируют ферменты каталаза или глутатионпероксидаза, разлагая на воду и кислород.

Помимо ферментов, существуют антиоксиданты, которые реагируют со свободными радикалами и превращают их в радикалы с малой реакционной способностью. К антиоксидантам относятся в том числе некоторые витамины и растительные полифенолы. Часть этих молекул организм синтезирует, остальные получает с пищей. Все сильные кислородные окислители, как радикальные, так и нет (к последним относятся перекись водорода и озон), представляют собой активные формы кислорода (АФК).

Итак, образование сильных окислителей вполне естественно и безопасно, поскольку живые существа обладают системой антиоксидантной защиты. Однако нас пугают не оксидантами вообще, а окислительным стрессом — ситуацией, когда баланс между образованием окислителей и антиоксидантной защитой нарушен и АФК накапливаются в организме. Они повреждают любые ткани, и нет такого органа, который чувствовал бы себя в безопасности (рис. 1).

pic_2018_05_30.jpg
1. Согласно каноническим представлениям, окислительный стресс может поразить любую ткань, вызывая многочисленные болезни

К сожалению, в живом организме скорость образования и выведения АФК измерить нельзя. Медики анализируют количество поврежденной ДНК и продуктов липидного окисления, которые выходят с мочой или при выдохе. Само по себе наличие этих молекул не означает, что организм действительно пострадал, так как он мог восстановить повреждения. Поэтому окислительный стресс остается биохимическим понятием и для диагностики, лечения и прогностических целей не годится.

Представление об окислительном стрессе и свободнорадикальной теории старения вошло во все учебники, однако к началу 2000-х годов стали накапливаться экспериментальные данные, опровергающие эту теорию. Оказалось, например, что у лабораторного червя — нематоды Caenorhabditis elegans — уровень экспрессии СОД в условиях окислительного стресса существенно не влияет на продолжительность жизни. У трансгенных червей, которые не синтезировали некоторые СОД, концентрация свободных радикалов повысилась, и они должны были разрушить тело нематоды, однако этого не произошло («Genes & Development»). Авторы исследования, британские и бельгийские специалисты под руководством профессора Университетского колледжа Лондона Дэвида Джемса, пришли к выводу, что O2 — отнюдь не главный фактор, определяющий старение нематод. Этот вывод подтверждают и эксперименты с червями, у которых в результате генетической модификации увеличился уровень определенных свободных радикалов. Мутанты жили дольше, чем обычные черви, а когда им стали скармливать антиоксиданты, утратили долголетие.

Допустим, нематоды достаточно далеки от нас, но вот млекопитающие, трансгенные мыши, у которых экспрессия СОД, каталазы, обоих ферментов или двух разных форм СОД была в два — четыре раза выше, но жизнь им это не продлило («Aging Cell»).

У голых землекопов уровень естественных антиоксидантов ниже, чем у других грызунов, а окислительных повреждений в тканях больше. При этом они не только живут 25—30 лет срок, для грызуна фантастический, — но практически не болеют и помирают здоровенькими. Эти результаты впечатляют, однако еще интереснее данные, полученные на людях.

«Все принимайте витамин!»

Людей не вынуждают экспрессировать добавочную порцию СОД, зато их пользуют антиоксидантами. Чаще всего это витамины. Кардиолог Анджело Ацци, профессор Университета Тафтса (Бостон, США), собрал подборку фактов об их антиокислительной активности («BioFactors»).

Наиболее известен в этом качестве жирорастворимый α-токоферл, он же витамин Е, — компонент клеточных мембран (рис. 2). В учебниках написано, что он защищает мембранные липиды от окисления. Данные о его эффектах противоречивы. Оказалось, в частности, что регулярный прием α-токоферола не влияет на частоту сердечно-сосудистых заболеваний и состояние больных раком не облегчает. Что касается глазных заболеваний, витамин, принятый один или в сочетании с другими антиоксидантами, не снижает риск развития катаракты и атрофии сетчатки. Кроме того, α-токоферол, по данным большинства исследований, не поддерживает когнитивные способности и не замедляет их снижение при нормальном старении. А если кто считает, что витамина просто недостаточно и надо принять побольше, пусть воздержится — чрезмерно высокие дозы α-токоферола вызывают кровоизлияния, повышают смертность и увеличивают риск рака простаты.

pic_2018_05_31.jpg
2. Некоторые природные антиоксиданты

Другой знаменитый антиоксидант — β-каротин, предшественник витамина А. Его свойства изучали в рамках исследования, посвященного влиянию α-токоферола и β-каротина на риск развития рака легких у курильщиков (Alpha-Tocopherol, Beta-Carotene — АTBC). Это двойное слепое исследование проводили в Финляндии. В 1985—1988 годах ученые привлекли к сотрудничеству 29 133 мужчин от 50 до 69 лет, выкуривавших не менее пяти сигарет в день. Они ежедневно принимали витамин Е в форме α-токоферолацетата, β-каротин или плацебо. К 1993 году среди участников зарегистрировали 876 новых случаев рака легких. Альфа-токоферол, по-видимому, практически не повлиял на заболеваемость, среди участников, принимавших β-каротин, число заболевших оказалась на 18% выше, чем в группе плацебо, а общая смертность — на 8% выше, прежде всего из-за рака легких и ишемической болезни сердца («The New England Journal of Medicine»).

После таких результатов испытуемые прекратили прием витаминов, но за их здоровьем продолжали наблюдать. Известно, например, что антиоксидантная защита понижена у больных сахарным диабетом второго типа. Диабетом заболело 705 участников исследования, но риск заболевания не был связан с уровнем витаминов в сыворотке («Diabetologia»). Антиоксиданты и тут не помогли.

В других испытаниях β-каротин в сочетании с ретинолом ежедневно принимали 18 314 человек с высоким риском развития рака легких (Carotene and Retinol Efficacy Trial — CARET). Активную фазу исследований, начатых в 1985 году, прекратили в 1996-м, на 21 месяц раньше запланированного срока, поскольку витамины, как оказалось, повышают риск развития рака легких, особенно у людей, имевших дело с асбестом.

Есть и другие исследования, согласно которым усиленный прием β-каротина, витаминов А и Е в составе витаминных комплексов не снижает риск смерти, а в некоторых случаев его увеличивает по крайней мере на 5%.

Эпидемиологические исследования показывают, что люди, которые едят много овощей и фруктов, богатых витаминами и другими антиоксидантами, живут дольше и у них реже развивается рак по сравнению с теми, кто фруктов не ест. Кажется очевидным, что диета, богатая антиоксидантами, улучшит здоровье. Но результаты многих строго выполненных экспериментов опровергают эту гипотезу. Почему так получается?

Одна из причин, по мнению профессора Ацци, заключается в том, что молекулы, проявляющие антиоксидантные свойства в пробирке, утрачивают их, попав в организм. Тот же витамин Е теряет способность реагировать со свободными радикалами, если взаимодействует с токоферол-ассоциированными белками (tocopherol associated proteins — TAPs) или сывороточным альбумином. Молекула в результате становится совершенно инертной. А есть еще фермент α-токоферолкиназа, который переносит фосфатную группу с АТФ на спиртовой остаток токоферола, образуя очень стабильный эфир, не обладающий антиоксидантными свойствами. Другие белки взаимодействуют с ретинолом и лишают его способности обезвреживать АФК.

Фрукты богаты не только витаминами. Существует большая группа биологически активных соединений, полифенолов, которые в пробирке ведут себя как антиоксиданты (рис. 2). К ним относятся кофейная кислота, которая присутствует в кофе, тимьяне, шалфее, мяте и семенах подсолнечника; эпигаллокатехин из чая; кверцетин, обнаруженный в каперсах, укропе, кинзе, красном луке, радиккьо (итальянском цикории) и многие другие. Полифенолы активно используют в традиционной медицине, а специалисты исследуют их лечебные свойства. Однако биодоступность полифенолов в организме невелика. Ферменты сразу блокируют гидроксильные группы полифенолов, которые как раз и проявляют антиоксидантные свойства, а затем их эффективно удаляют из организма. В результате содержание полифенолов в плазме крови не превышает нескольких микромолей. Чтобы плазма приобрела антиоксидантные свойства, нужна гораздо большая концентрация.

Потрясение или встряска?

У окислительного стресса две стороны. Избыток АФК повреждает биологические молекулы, при этом некоторые окислители, такие как перекись водорода или синглетный молекулярный кислород, выполняют роль медиатора сигнальных путей, регулируют экспрессию генов и позволяют организму адаптироваться к ситуации. Эти молекулы стимулируют иммунитет, мобилизуют систему ионного транспорта, привлекают тромбоциты к месту повреждения, запускают программу апоптоза. Именно благодаря сигнальным молекулам АФК организм справляется с ультрафиолетовым и ионизирующим излучением, инфекцией, реагирует на питание, образ жизни и физическую нагрузку.

Физическая активность и антиоксиданты — традиционный рецепт здорового образа жизни. Физические упражнения действительно продлевают жизнь и улучшают состояние больных сахарным диабетом 2-го типа и инсулиновой резистентностью. Но что будет, если сочетать нагрузку с антиоксидантами? Ведь во время зарядки в митохондриях усиленно образуются активные формы кислорода. Исследователи проверили, как влияет коктейль из физических упражнений и витаминов А и Е на инсулиновую резистентность здоровых молодых людей («Proceedings of the National Academy of Sciences»). Оказалось, что после четырех недель занятий чувствительность к инсулину действительно возрастает, но только в отсутствие антиоксидантов. Это происходит потому, что АФК стимулируют экспрессию регуляторов транскрипции генов, которые обеспечивают чувствительность к инсулину. Эти же сигнальные молекулы активируют синтез ферментов антиоксидантной защиты, которые улавливают лишние окислители. Прием антиоксидантов блокирует оба процесса и, следовательно, нивелирует оздоровительный эффект физкультуры. Получается, что активные формы кислорода и легкий окислительный стресс могут быть полезны, а антиоксиданты — нет.

Все это не означает, разумеется, что витамины и полифенолы бесполезны или вредны для здоровья. Витамины в определенных дозах и при определенных ситуациях жизненно необходимы, однако не из-за антиоксидантных свойств. Витамин А нужен для работы зрительного пигмента, его дефицит приводит к задержке развития и роста. Альфа-токоферол незаменим при атаксии (нарушенной координации движений), вызванной недостатком витамина Е. Это редкое генетическое заболевание, связанное с нарушением секреции α-токоферола из печени в кровь. Витамин Е также назначают при неалкогольном поражении печени. Он снижает концентрацию С-реактивного белка воспаления и усиливает защитные функции иммунной системы. Кстати, наиболее активная форма витамина Е — не имеющий антиоксидантных свойств токоферолфосфат.

Все больший интерес вызывает способность полифенолов регулировать активность рецепторов, ферментов, факторов белковой транскрипции и сигнальных каскадов. Некоторые из этих эффектов показаны на клеточных культурах, другие — на животных. Исследований на человеке пока немного, их результаты противоречивы. Один из наиболее изученных полифенолов — ресвератрол, обнаруженный в чернике, винограде, малине и шелковице. На него надеются как на средство здорового старения, он увеличивает продолжительность жизни, возможно активируя фермент сиртуин. Этот фермент модифицирует гистоны и изменяет конформацию хроматина, играя важную роль в регуляции генной экспрессии. Ресвератрол испытали на дрожжах и мышах, о его действии на людей говорить рано. Фармацевтическая компания GlaxoSmithKline начала клиническое испытание ресвератрола, но быстро его свернула из-за отсутствия эффекта препарата и сомнений в его безопасности. Компания Elysium исследует метилированную форму ресвератрола, птеростилбен, которого особенно много в чернике. Птеростилбен более биологически активен, чем ресвератрол. Исследователи надеются, что он будет служить предшественником одной из важнейших функциональных молекул организма, NAD+, которого с возрастом становится меньше. Пока эти упования не подтверждаются и лекарственная активность полифенолов не доказана.

Тем временем рынок антиоксидантов продолжает агрессивную и не всегда корректную рекламу. Так, примерно в 35 тысячах косметических продуктов присутствует витамин Е как природный антиоксидант, улучшающий состояние кожи и волос. Однако в эти средства добавляют не α-токоферол, а α-токоферолацетат. Эта молекула не в состоянии обезвредить свободные радикалы, поскольку не имеет гидроксильных групп, а ферменты кожи не могут ее расщепить. Таким образом, α-токоферолацетат в косметической продукции как антиоксидант не функционирует. Хорошо это или плохо? Научных данных об этом нет, остается на чем-нибудь погадать.

Кандидат биологических наук
Н.Л. Резник

Разные разности
Пишут, что...
…помидоры и томатный сок могут избавлять от кишечных бактерий, таких как сальмонелла… …прогулка на природе улучшает процессы исполнительного контроля в мозге помимо преимуществ, связанных с физическими упражнениями… …женский половой гормон эстра...
Пингвины во сне
Все мы знаем, как важен сон. В этом смысле очень тяжело молодым мамам. Первый месяц-два, когда детеныша надо кормить каждые три часа, о ночном сне можно забыть. И это тяжело, женщины знают. А как животные с этим справляются? Например — птицы? Би...
Долгожители обязаны вирусам
Почему при прочих равных условиях одни доживают до ста лет, а другие — нет? Исследователи из Копенгагенского университета решили поискать ответ на этот вопрос в кишечнике долгожителей, а точнее — в том гигантском сообществе бактерий, которы...
Сердце требует движения
Огромное количество исследователей во всем мире изучает сердечно-сосудистые заболевания и пытается найти универсальное решение. И на самом деле все они сходятся в одном: универсальное решение есть, и это — движение.