Окислительный стресс и его роль в патогенезе

УДК 616-008.9:577.121.7

DOI: 10.22138/2500-0918-2017-14-4-381-398

М.Я. Ходос, Я.Е. Казаков, М.Б. Видревич, Х.З. Брайнина

Уральский государственный экономический университет, г. Екатеринбург, Российская Федерация;
АО «Медицинские технологии», г. Екатеринбург, Российская Федерация

Резюме. В основе феномена окислительного стресса (ОС) лежат окислительно-восстановительные реакции (ОВР), происходящие в клетках организма как в нормальных условиях, так и при реализации типовых общепатологических процессов. В настоящее время ОС рассматривается в качестве важного патогенетического звена при развитии более чем 200 заболеваний, что объясняется универсальностью и ключевой ролью ОВР в организме человека. Для понимания вклада ОС в возникновение и развитие многочисленных заболеваний актуально знание его природы, составляющих и факторов, влияющих на развитие.В предлагаемом обзоре сформулировано унифицированное понятие «Окислительный стресс», рассмотрены механизмы действия активных форм кислорода и азота, системы антиоксидантной защиты и их двойственная роль в организме, показано что ОС определяется не просто суммой активностей его индивидуальных компонентов, а динамически изменяющимся взаимодействием между составляющими биологической матрицы.Представлена информация:– об активных формах кислорода и азота, механизмов их действия, а также о важной биологической роли, которую играют эти соединения в нормальных условиях;– о деструктивном их действии при избыточном образовании и накоплении на клеточные структуры, свободнорадикальное окисление липидов, белков, нуклеиновых кислот;– об основных составляющих системы антиоксидантной защиты организма;– о роли ОС в патогенезе ряда заболеваний.Сделан вывод, что мониторинг оксидант/антиоксидантного состояния биологических объектов, разработка клинически доступных методов его реализации является необходимым аспектом исследований в области биохимии, физиологии и изучения патогенетических механизмов заболеваний человека.

Ключевые слова: активные формы кислорода и азота, оксиданты, антиоксиданты, антиоксидантная система защиты организма, окислительный стресс

Дата поступления 15.08. 2017

Образец цитирования:
Ходос М.Я., Казаков Я.Е., Видревич М.Б., Брайнина Х.З. Окислительный стресс и его роль в патогенезе. Вестник уральской медицинской академической науки. 2017, Том 14, №4, с. 381–398, DOI: 10.22138/2500-0918-2017-14-4-381-398

ЛИТЕРАТУРА
1. Меньщикова Е.Б., Зенков Н.К., Ланкин В.З., Бондарь И.А., Труфакин В.А. Окислительный стресс: Патологические состояния и заболевания. Новосибирск: АРТА; 2008.
2. Донцов В.И., Крутько В.Н., Мрикаев Б.М., Уханов С.В. Активные формы кислорода как система: значение в физиологии, патологии и естественном старении. Тр. ИСА РАН. 2006; 19: 50-69.
3. Гривенникова В.Г., Виноградов А.Д. Генерация активных форм кислорода митохондриями. Успехи биологической химии. 2013;.53: 245-96.
4. Зиятдинова Г.К., Будников Г.К. Природные фенольные антиоксиданты в биоаналитической химии: состояние проблемы и перспективы развития. Успехи химии. 2015; 84 (2): 194-224.
5. Pisoschi A.M., Pop A. The role of antioxidants in the chemistry of oxidative stress: A review. European Journal of Medicinal Chemistry. 2015; 97 (5): 55–74.
6. Birben E., Sahiner U. M., Sackesen C., Erzurum S., Kalayci O. Oxidative Stress and Antioxidant Defense. World Allergy Organ J. 2012; 5 (1): 9-19.
7. Quaye K. Chapter 6 Oxidative Stress in Human Health and Disease. In: Roy P.K. eds.Insight and Control of Infectious Disease in Global Scenario. InTech; 2012: 97-120. Available at: https://www.intechopen.com/books/insight-and-control-of-infectious-disease-in-global-scenario/oxidative-stress-in-health-and-disease..
8. Radi R. Peroxynitrite, a stealthy biological oxidant. The journal of biological chemistry. 2013; 288 (37): 26464–72.
9. Salman K.A., Ashraf S. Reactive oxygen species: A link between chronic inflammation and cancer. Asia-Pacific Journal of Molecular Biology and Biotechnology. 2013; 21 (2): 42-9.
10. Barbusıńskı K. Fenton reaction controversy concerning the chemistry, Ecological Chemistry and Engineering Science. 2009; 16 (3): 309–314.
11. Меньщикова Е.Б., Ланкин В.З., Зенков Н.К., Бондарь И.А., Круговых Н.Ф., Труфакин В.А. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты. М.: Слово; 2006.
12. Rahman T., Hosen I., Towhidul Islam M.M., Shekhar H.U. Oxidative stress and human health. Advances in Bioscience and Biotechnology. 2012; 3: 997-1019.
13. Quijano C., Trujillo M., Castro L., Trostchansky A. Interplay between oxidant species and energy metabolism. Redox Biology. 2016; 8: 28–42.
14. Brieger K., Schiavone S., Miller Jr F.J., Krause K.H. Reactive oxygen species: from health to disease. Swiss Medical Weekly. 2012; 142: w13659. Available at: https://smw.ch/article/doi/smw.2012.13659.
15. Bhat A.H., Dar K.B., Anees S., Zargar M.A., Masood A., Sofi M.A et al. Oxidative stress, mitochondrial dysfunction and neurodegenerative diseases; a mechanistic insight. Biomedicine & Pharmacotherapy. 2015; 74: 101–10.
16. Briehl M.M. Oxygen in human health from life to death – An approach to teaching redox biology and signaling to graduate and medical students. Redox Biology. 2015; 5: 124–39.
17. Mehta S.K., Gowder S.J.T. Chapter 4 Members of Antioxidant Machinery and Their Functions. In: Gowder S.J.T., eds. Basic Principles and Clinical Significance of Oxidative Stress. TechOpen; 2015; 59-85. Available at: https://www.intechopen.com/books/basic-principles-and-clinical-significance-of-oxidative-stress/members-of-antioxidant-machinery-and-their-functions.
18. Калинина Е.В., Чернов Н.Н., Новичкова М.Д. Роль глутатитона, глутатионтрансферазы и глутатионредоксина в регуляции редокс-зависимых процессов. Успехи биологической химии. 2014; 54: 299-348.
19. Erel O., Neselioglu S. A novel and automated assay for thiol/disulphide homeostasis. Clinical Biochemistry. 2014; 47: 326-32.
20. Korkmaz V., Kurdoglu Z., Alisik M., Cetin O., Korkmaz H., Surer H. et al. Impairment of thiol-disulfide homeostasis in preeclampsia. J Matern Fetal Neonatal Med. 2016; 29 (23): 3848–53.
21. Bektas H., Vural G., Gumusyayla S., Deniz O., Alisik M., Erel O. Dynamic thiol-disulfide homeostasis in acute ischemic stroke patients. Acta Neurol. Belg. 2016; 116 (4): 489–94.
22. Korkmaz V., Kurdoglu Z., Alisik M., Turgut E., Sezgın O.O., Korkmaz H. et al. Thiol/disulfide homeostasis in postmenopausal osteoporosis. J Endocrinol Invest. 2017; 40 (4): 431-5.
23. Ates I., Kaplan M., Yuksel M., Mese D., Alisik M., Erel Ö. et al. Determination of thiol/disulphide homeostasis in type 1 diabetes mellitus and the factors associated with thiol oxidation. Endocrine. 2016; 51 (1): 47–51.
24. Wu B., Dong D. Human cytosolic glutathione transferases: structure, function, and drug discovery. Trends in Pharmacological Sciences. 2012; 33: 656–68.
25. Tew K.D., Townsend D.M. Glutathione-s-transferases as determinants of cell survival and death, Antioxidants & Redox Signaling. 2012; 17: 1728–37.
26. Зыблев С.Л., Дундаров З.А., Грицук А.И., Зыблева С.В. Роль мочевой кислоты в системе антиоксидантной защиты организма. Проблемы здоровья и экологии. 2016; 1 (47): 50-5.
27. Sautin Y.Y., Nakagawa T., Zharikov S. Johnson R.J. Adverse effects of the classical antioxidant uric acid in adipocytes: NADPH oxidase-mediated oxidative/nitrosative stress. Am.J. Physiol Cell Physiol. 2007; 293: 584-96.
28. Hayden M.R., Tyagi S.C. Uric acid: A new look at an old risk marker for cardiovascular disease, metabolic syndrome, and type 2 diabetes mellitus: The urate redox shuttle. Nutrition and metabolism. 2004; 1 (1): 10. Available at: https://www.researchgate.net/publication/8210364_Uric_acid_A_new_look_at_an_old_risk_marker_for_cardiovascular_disease_metabolic_syndrome_and_type_2_diabetes_mellitus_The_urate_redox_shuttle
29. Verma V.K., Ramesh V., Tewari S., Gupta R.K., Sinha N., Pandey C.M. Role bilirubin, vitamin C and ceruloplasmin as antioxidant in coronary artery disease. Indian J. of Clin. Biochem. 2005; 20 (2): 68-74.
30. Reiter R.J., Tan D., Mayo J.C., Sainz R.M., Leon J., Czarnocki Z. Melatonin as an antioxidant: biochemical mechanisms and pathophysiological implications in humans. Biol. Pharm. Bull. 2003; 50 (4):1129 –46.
31. Sharma N. Free Radicals, Antioxidants and Disease. Biol Med. 2014; 6:3 Available at: http://dx.doi.org/10.4172/0974-8369.1000214.
32. Брайнина Х.З., Герасимова Е.Л., Казаков Я.Е., Ходос М.Я. Окислительный стресс: природа, вклад в патогенез, защита и диагностика. В кн.: Будников Г.К., ред. Проблемы аналитической химии, Том 11, Химический анализ в медицинской диагностике. М: Наука; 2010. 132-63.
33. Hepel M., Andreescu S. Oxidative Stress and Human Health. In: Andreescu S., Hepel M. eds Oxidative Stress: Diagnostics, Prevention, and Therapy Volume 2. In: ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC; 2015: 1–33. Available at: http://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/bk-2015-1200.ch001
34. Agarwal A., Roychoudhury S., Bjugstad K. B., Chak-Lam Cho. Oxidation-reduction potential of semen: what is its role in the treatment of male infertility? Ther Adv Urol. 2016; 8(5): 302–18.
35. Gupta S., Ahmad G., Tran M., Al Hayaza G., Kayali Z. Pathological Roles of Oxidative Stress (OS) in Diseases Related to Female Reproductive System. In: Agarwal A., Sharma R., Gupta S., Harlev A., Ahmad G., du Plessis S.S. et al, eds. Oxidative Stress In Human Reproduction: Shedding Light On A Complicated Phenomenon. Springer International Publishing AG; 2017: 107-26.
36. Pejić S., Todorović A., Stojiljković V., Pavlović1 I., Gavrilović L., Popović N., Pajović S.B. Antioxidant Status and Sex Hormones in Women with Simple Endometrial Hyperplasia. In: Gowder S.J.T., eds. Basic Principles and Clinical Significance of Oxidative Stress. TechOpen; 2015; 243-79. Available at: https://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/48812.pdf
37. Menon A.V., Chang J.O., Kim J. Mechanisms of divalent metal toxicity in affective disorders. Toxicology. 2016; 339: 8–72.
38. Thanan R., Oikawa S., Hiraku Y., Ohnishi S., Ma N., Pinlaor S., Yongvanit P., S. Kawanishi, Murata M. Oxidative stress and its significant roles in neurodegenerative diseases and cancer (Review). Int. J. Mol. Sci. 2015; 16 (1): 193-217.
39. Васенина Е.Е., Левин О.С. Окислительный стресс в патогенезе нейродегенеративных заболеваний: возможности терапии. Современная терапия в психиатрии и неврологии. 2013; 3-4: 39-46.
40. Reed T.T. Lipid peroxidation and neurodegenerative disease. Free Radic. Biol. Med. 2011Brasnjevic I., Hof P.R., Steinbusch H.W., Schmitz C. Accumulation of nuclear DNA damage or neuron loss: Molecular basis for a new approach to understanding selective neuronal vulnerability in neurodegenerative diseases. DNA Repair. 2008; 7: 1087–97.

41. Brasnjevic I., Hof P.R., Steinbusch H.W., Schmitz C. Accumulation of nuclear DNA damage or neuron loss: Molecular basis for a new approach to understanding selective neuronal vulnerability in neurodegenerative diseases. DNA Repair. 2008; 7: 1087–97.
42. Madabhushi R., Pan L, Tsai L.H. DNA damage and its links to neurodegeneration. Neuron. 2014; 83: 266–82.
43. Chan F., Lax N.Z., Davies C.H., Turnbull D.M., Cunningham M.O. Neuronal oscillations: A physiological correlate for targeting mitochondrial dysfunction in neurodegenerative diseases? Neuropharmacology. 2016; 102: 48-58.
44. Bansal Y., Kuhad A. Mitochondrial dysfunction in depression. Current Neuropharmacology. 2016; 14 (6): 610-8.
45. Maes M., Galecki P., Chang Y.S., Berk M. A review on the oxidative and nitrosative stress (O&NS) pathways in major depression and their possible contribution to the (neuro)degenerative processes in that illness. Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry. 2011; 35 (3): 676-92.
46. Lee G.J., Lee S.-K., Kim J.M., Rhee C.K., Brainina Kh. Z., Kazakov Yа.E. Application Feasibility of Antioxidant Activity Evaluation using Potentiometry in Major Depressive Disorder. Electrochemistry. 2014; 82 (4): 264–6.
47. Lang U.E., Borgwardt S. Molecular Mechanisms of Depression: Perspectives on New Treatment Strategies. Cell Physiol Biochem. 2013; 31: 761-77.
48. Chauvet-Gélinier J.-C., Trojak B., Vergès-Patois B., Cottin Y., Bonin B. Review on depression and coronary heart disease. Archives of Cardiovascular Disease. 2013; 106: 10310.
49. Bhat A.H., Dar K.B., Anees S., Zargar M.A., Masood A., Sofi M.A. et al. Oxidative stress, mitochondrial dysfunction and neurodegenerative diseases; a mechanistic insight. Biomedicine & Pharmacotherapy. 2015; 74: 101–10.
50. Ji G., Li Z. Neugebauer V. Reactive oxygen species mediate visceral pain–related amygdala plasticity and behaviors. Pain. 2015; 156 (5): 825–36.
51. Da Costa S.C., Passos. I.C., Réus G.Z., Carvalho A.F., Soares J.C., Quevedo J. The Comorbidity of Bipolar Disorder and Migraine: The Role of Inflammation and Oxidative and Nitrosative Stress. Current Molecular Medicine. 2016; 16: 179-86.
52. Csányi G., Miller F.J. Jr. Oxidative stress in cardiovascular disease. Int J Mol Sci. 2014; 15: 6002-8.
53. Wray D.W., Amann M.A., Richardson R.S., Peripheral vascular function, oxygen delivery and utilization: the impact of oxidative stress in aging and heart failure with reduced ejection fraction. Heart Fail Rev. 2017; 22: 149–66.
54. Агеев Ф.Т., Плисюк А.Г., Овчинников А.Г., Кузьмина А.Е., Кулев Б.Д., Виценя М.В. и др. Модели взаимосвязи сердечно-сосудистого риска, окислительного стресса и состояния сосудистой стенки: результаты одномоментного исследования пациентов с АГ и с ИБС. Сердце: журнал для практикующих врачей. 2014; 13 (1): 59-64.
55. Bielli A., Scioli M.G., Mazzaglia D., Doldo E., Orlandi A. Antioxidants and vascular health. Life Sciences. 2015; 143: 209–16.
56. Shimokawa H. Reactive Oxygen Species Promote Vascular Smooth Muscle Cell Proliferation. Circulation Research. 2013; 113: 1040-2.
57. Lassègue B., San Martín A., Griendling K.K. Biochemistry, Physiology, and Pathophysiology of NADPH Oxidases in the Cardiovascular System. Circulation Research. 2012; 110: 1364-90.
58. Shimokawa H., Satoh K. Light and dark of reactive oxygen species for vascular function: 2014 ASVB (Asian Society of Vascular Biology). J. Cardiovascular Pharmacology. 2015; 65 (5): 412-8.
59. Hajjar D.P., Gotto A.M. Biological relevance of inflammation and oxidative stress in the pathogenesis of arterial diseases. The American journal of pathology.2013; 182 (5) 1474-81.
60. Ritchie R.H., Drummond G.R., Sobey C.G., De Silva T.M., Kemp-Harper B.K. The opposing roles of NO and oxidative stress in cardiovasculardisease. Pharmacological Research. 2017; 116: 57–69.
61. Thiyagarajan R., Pal P., Pal G.K., Subramanian S.K., Bobby Z., Das A.K. et al. Cardiovagal Modulation, Oxidative Stress, and Cardiovascular Risk Factors in Prehypertensive Subjects: Cross-Sectional Study. Am J Hypertens. 2013; 26 (7): 850-7.
62. Dikalov S.I., Ungvari Z. Role of mitochondrial oxidative stress in hypertension. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2013; 305: H1417–27.
63. Sosa V., Moliné T., Somoza R., Paciucci R., Kondoh H., LLeonart M.E. Oxidative stress and cancer: An overview. Ageing Research Reviews. 2013; 12 (1): 376-90. DOI: 10.1016/j.arr.2012.10.004
64. Khanna H.D., Karki K., Pande D., Negi R., Khanna R.S. Inflammation, Free Radical Damage, Oxidative Stress and Cancer. Interdiscip J Microinflammation. 2014; Article ID 8589318, 14 pages. Available at: http://dx.doi.org/10.4172/ijm.1000109.
65. Gorrini C., Harris I.S., Mak T.W. Modulation of oxidative stress as an anticancer strategy. Nat Rev Drug Discov. 2013; 12: 931-47.

Авторы
Ходос Марк Яковлевич
Уральский государственный экономический университет
Доктор химических наук, старший научный сотрудник, директор научно-инновационного центра сенсорных технологий
Российская Федерация, 620144, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45.
hdm@usue.ru

Казаков Ян Евгеньевич
АО «Медицинские технологии»
Кандидат медицинских наук, врач-терапевт
Российская Федерация, 620075, г. Екатеринбург, ул. Кузнечная, 83.
yankaz@yandex.ru

Видревич Марина Борисовна
Уральский государственный экономический университет
Кандидат химических наук, доцент
Российская Федерация, 620144, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45.
mbv@usue.ru

Брайнина Хьена Залмановна
Уральский государственный экономический университет
Доктор химических наук, профессор, научный руководитель научно-инновационного центра сенсорных технологий.
Российская Федерация, 620144, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45.
baz@usue.ru