Оксидативный стресс - что это такое и как влияет на клетки

Оксидативный, или окислительный, стресс - состояние, при котором активные формы кислорода образуются быстрее или дольше, чем клетка способна их контролировать, и из сигнала превращаются в источник повреждений. Долго его описывали как войну: радикалы атакуют, антиоксиданты защищают, и чем больше защитников, тем лучше. Эта картина рассыпается на одном редком диагнозе.

У людей с хронической гранулематозной болезнью иммунные клетки не умеют производить радикалы: сломан фермент NOX2. Здоровее их это не делает. Наоборот, они тяжело болеют бактериальными и грибковыми инфекциями, с которыми обычный иммунитет справляется без усилий. Радикалы оказались не врагом, а инструментом. Окислительный стресс начинается не тогда, когда радикалы есть, а когда клетка теряет контроль над их количеством.

Откуда берутся радикалы и зачем они клетке

Слово "радикал" звучит как что-то чужеродное, попавшее в организм извне. На деле большую часть активных форм кислорода (АФК) клетка производит сама, и часть из них - намеренно.

Свободный радикал - молекула с неспаренным электроном, нестабильная и жадная до реакций. Но не все АФК радикалы. Супероксид и гидроксильный радикал - да. Перекись водорода - нет: она устойчивее, проходит сквозь мембраны и поэтому годится в сигнальные молекулы. Окисляя определённые остатки цистеина в белках, перекись обратимо включает и выключает ферменты.

Источников несколько. В митохондриях электроны, бегущие по дыхательной цепи, иногда срываются раньше времени, чаще всего на комплексах I и III, и превращают кислород в супероксид. Это действительно побочный продукт. А ферменты семейства NOX существуют ради того, чтобы делать АФК: в стенках сосудов, в иммунных клетках, везде, где нужен быстрый сигнал. Свою долю добавляют пероксисомы и эндоплазматический ретикулум.

Самый наглядный пример - нейтрофил. Поглотив бактерию, он запускает "окислительный взрыв": NOX2 выбрасывает в пузырёк с микробом поток супероксида, который превращается в ещё более агрессивные молекулы. Именно этот механизм не работает при хронической гранулематозной болезни. Редокс-биологи разделяют "окислительный эустресс", когда АФК передают сигнал, и "дистресс", когда они начинают ломать структуры (Sies, Jones, Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2020).

Активные формы кислорода - не мусор метаболизма, а рабочий инструмент: всё решают доза, место и длительность.

Как клетка держит баланс

Если бы защита была просто запасом антиоксидантов, её хватило бы ненадолго. Клетка устроила её как систему с обратной связью.

Первое звено - супероксиддисмутаза: она превращает супероксид в перекись водорода. Дальше каталаза и глутатионпероксидазы разбирают перекись до воды. Глутатионпероксидазам нужен восстановленный глутатион - небольшой пептид, который после работы окисляется и возвращается в строй за счёт NADPH. Как клетка собирает глутатион и почему его предшественник NAC применяют в медицине, показано в разборе глутатиона и детоксикации.

Над этой цепочкой стоит регулятор - путь KEAP1-NRF2. В спокойной клетке белок KEAP1 держит фактор NRF2 на привязи и отправляет его на разрушение. Когда окислителей становится больше, они модифицируют KEAP1, NRF2 освобождается, уходит в ядро и включает десятки защитных генов: ферменты синтеза глутатиона, обезвреживания и восстановления. Получается термостат: рост окислителей сам усиливает защиту от них.

Когда термостат не справляется, начинаются повреждения. Жирные кислоты мембран окисляются цепной реакцией: радикал отнимает электрон у липида, тот сам становится радикалом и передаёт эстафету соседу. В ДНК появляется окисленный гуанин 8-oxo-dG, который при копировании может дать ошибку. Белки теряют форму и функцию.

Крайний вариант описали только в 2012 году. Если клетке не хватает фермента GPX4, который гасит перекиси липидов, а свободного железа много, мембраны окисляются лавинообразно, и клетка гибнет особым способом - ферроптозом. Его открыли на клеточных культурах (Dixon et al., Cell, 2012). Сейчас ферроптоз изучают при ишемии, нейродегенерации и раке, но клинических способов управлять им пока нет.

Клетка не держит антиоксиданты про запас - она наращивает защиту по сигналу самих окислителей.

Теория старения, которая не выдержала проверки

В 1956 году Денхэм Харман предложил простую идею: организм стареет, потому что радикалы день за днём повреждают его молекулы. Окислительные повреждения действительно накапливаются с возрастом во многих тканях. Теория десятилетиями направляла и науку, и рынок антиоксидантов. Проверка на моделях дала неожиданные результаты.

У червей C. elegans удаление гена митохондриальной супероксиддисмутазы, то есть ослабление защиты, не сократило жизнь, а в части экспериментов продлило её. У других мутантов умеренный рост митохондриальных АФК тоже удлинял жизнь: малая доза стресса включала защитные программы. Это явление назвали митогормезисом.

У мышей нашлось обратное - старение без окисления.

Мыши с дефектом корректирующей функции митохондриальной ДНК-полимеразы накапливали мутации мтДНК и старели преждевременно: выпадение шерсти, остеопороз, потеря веса, сокращение жизни. Роста окислительных повреждений при этом не обнаружили: мутации возникали из-за ошибок копирования, а не из-за радикалов. (Trifunovic et al., Nature, 2004; Kujoth et al., Science, 2005. Тип: исследования на животных)

Тот же сюжет касается популярного тезиса, что митохондриальная ДНК беззащитна, потому что у неё нет гистонов. Гистонов у неё действительно нет, но её упаковывает белок TFAM, а повреждённые митохондрии клетка утилизирует целиком через митофагию. Уязвимость мтДНК зависит от ремонта и обновления, а не только от упаковки.

С окислением связана и цена ремонта. При тяжёлом повреждении ДНК ферменты PARP, запускающие ремонт, могут израсходовать значительную часть NAD+. Это хорошо показано при ишемии и острых повреждениях. Что так же происходит в обычной жизни здорового человека, не доказано.

Сегодня окислительный стресс считают одним из участников старения - вместе с хроническим воспалением, которое геронтологи называют инфламэйджингом, потерей контроля над белками и накоплением стареющих клеток. АФК бывают и причиной, и следствием: повреждённая митохондрия производит их больше, а воспалённая ткань включает NOX. Где окислительные процессы стоят в общей картине, видно в руководстве по замедлению клеточного старения.

Окислительный стресс сопровождает старение, но не управляет им в одиночку.

Нужно ли снижать окислительный стресс

Короткий ответ: у здорового человека нет ни надёжного способа измерить "общий" окислительный стресс, ни доказательства, что антиоксидантные добавки продлевают жизнь. Крупные испытания показали обратное: часть добавок повышала риски. Лучше подтверждена другая стратегия - убирать сильные источники окислителей, а не гасить их таблетками.

Начнём с измерения. Маркеры существуют - F2-изопростаны, окисленный гуанин в моче, малоновый диальдегид, - но их используют в исследованиях. Клинических референсов у них нет, а уровень в крови не отражает происходящее в мозге или мышцах. Коммерческие тесты "на свободные радикалы" и "антиоксидантную ёмкость" клинически не валидированы. Специфических симптомов у окислительного стресса тоже нет: у усталости или тусклой кожи десятки возможных причин.

Теперь добавки. Логика казалась железной: раз радикалы старят, витамины-антиоксиданты должны защищать. В 1990-х её проверили на десятках тысяч людей. В испытании ATBC бета-каротин повысил частоту рака лёгких у курящих мужчин, в CARET эффект повторился в группе высокого риска, в SELECT витамин E увеличил риск рака простаты.

Объединённый анализ десятков РКИ с сотнями тысяч участников: бета-каротин, витамин A и витамин E в виде добавок ассоциировались с ростом общей смертности, витамин C не показал пользы. Испытания различались по дозам и популяциям, поэтому вывод касается массового профилактического приёма, а не лечения дефицитов. (Bjelakovic et al., JAMA, 2007. Тип: мета-анализ РКИ. PMID: 17327526)

Исключения есть, и они показательны. При промежуточной стадии возрастной макулодегенерации комбинация антиоксидантов с цинком в испытании AREDS замедляла прогрессирование. В AREDS2 бета-каротин заменили лютеином и зеаксантином, потому что курильщикам он вредил. Как эти каротиноиды работают в сетчатке, разобрано в материале о лютеине и зеаксантине. Это узкая клиническая ниша, а не довод в пользу антиоксидантов для всех. И речь именно о мегадозах в капсулах: витамин C из пищи организму по-прежнему необходим.

Самый неожиданный поворот связан со спортом. Во время тренировки мышцы производят больше АФК, и долго это считали неизбежной ценой нагрузки. Оказалось, это часть сигнала, который запускает адаптацию: рост чувствительности к инсулину, выработку собственных защитных ферментов, митохондриальный биогенез.

Молодые мужчины несколько недель тренировались, принимая высокие дозы витаминов C и E или плацебо: у принимавших антиоксиданты чувствительность к инсулину почти не выросла и не включились гены собственной антиоксидантной защиты, которые активировались в группе без добавок. Выборка была небольшой, и часть позднейших работ такого блокирования не нашла. (Ristow et al., PNAS, 2009. Тип: интервенционное исследование у людей)

Как этот сигнал превращается в новые митохондрии и выносливость, разобрано в материале о спорте и митохондриях.

Надёжнее всего у людей подтверждены источники окислителей, на которые можно повлиять. Ультрафиолет повреждает кожу через АФК. Регулярный алкоголь повышает их выработку в печени через фермент CYP2E1. Стойко высокий сахар при диабете усиливает образование митохондриального супероксида. Хроническое воспаление держит включёнными NOX. Для недосыпа и психологического стресса данные у людей противоречивы.

Сиртуины в этой картине - не антиоксиданты, а регуляторы: они меняют активность защитных ферментов вроде митохондриальной SOD2, но сами радикалы не нейтрализуют. Отдельная линия - "избирательные" антиоксиданты вроде молекулярного водорода. На мышах идея выглядит убедительно, у людей пока подтверждена слабо; её разбор есть в материале о водороде и мозге.

Цель не в том, чтобы обнулить радикалы, а в том, чтобы не перегружать систему, которая умеет их регулировать.

Материал носит ознакомительный характер и не является медицинской рекомендацией. При наличии заболеваний проконсультируйся с врачом.