Введение
Соединение, ингибирующее окисление других молекул.
Антиоксиданты – это соединения, которые подавляют окисление (обычно происходящее как автоокисление), химическую реакцию, способную генерировать свободные радикалы. Автоокисление приводит к деградации органических соединений, включая живые организмы. Антиоксиданты часто добавляют в промышленные продукты, такие как полимеры, топлива и смазочные материалы, для увеличения срока их службы. Пищевые продукты также обрабатывают антиоксидантами для предотвращения порчи, в частности, прогоркания масел и жиров. В клетках антиоксиданты, такие как глутатион, микотиол или бациллитиол, и ферментные системы, такие как супероксиддисмутаза, могут предотвращать повреждения, вызванные окислительным стрессом. Известными пищевыми антиоксидантами являются витамины А, С и Е, однако термин «антиоксидант» также применяется к многочисленным другим пищевым соединениям, которые проявляют антиоксидантные свойства только in vitro, при этом доказательств антиоксидантных свойств in vivo недостаточно. Диетические добавки, рекламируемые как антиоксиданты, не показали эффективности в поддержании здоровья или предотвращении заболеваний у людей.
История
В рамках адаптации к наземному образу жизни наземные растения начали вырабатывать неморские антиоксиданты, такие как аскорбиновая кислота (витамин С), полифенолы и токоферолы. Эволюция цветковых растений между 50 и 200 миллионами лет назад привела к развитию многих антиоксидантных пигментов – особенно в юрский период – в качестве химической защиты от реактивных видов кислорода, являющихся побочными продуктами фотосинтеза. Изначально термин «антиоксидант» конкретно относился к химическому веществу, предотвращающему потребление кислорода. В конце XIX и начале XX веков обширные исследования были сосредоточены на использовании антиоксидантов в важных промышленных процессах, таких как предотвращение коррозии металлов, вулканизация резины и полимеризация топлива при образовании отложений в двигателях внутреннего сгорания. Ранние исследования роли антиоксидантов в биологии были направлены на их применение для предотвращения окисления ненасыщенных жиров, что вызывает прогоркание. Антиоксидантную активность можно было измерить, поместив жир в закрытый сосуд с кислородом и измерив скорость потребления кислорода. Однако именно установление витаминов С и Е в качестве антиоксидантов произвело революцию в этой области и привело к осознанию важности антиоксидантов в биохимии живых организмов. Возможные механизмы действия антиоксидантов впервые стали изучаться, когда было признано, что вещество с антиоксидантной активностью, вероятно, само легко окисляется. Исследования того, как витамин Е предотвращает процесс перекисного окисления липидов, привели к определению антиоксидантов как восстановителей, предотвращающих окислительные реакции, часто путем нейтрализации реактивных видов кислорода до того, как они смогут повредить клетки.
Консерванты для пищевых продуктов
Антиоксиданты используются в качестве пищевых добавок для защиты от порчи продуктов. Основными факторами окисления пищи являются воздействие кислорода и солнечного света, поэтому продукты сохраняют, храня их в темноте, герметично упаковывая или даже покрывая воском, как, например, огурцы. Однако, поскольку кислород также необходим для дыхания растений, хранение растительного сырья в бескислородной среде приводит к появлению неприятного вкуса и нежелательному цвету. Поэтому упаковка свежих фруктов и овощей содержит атмосферу с содержанием кислорода около 8%. Антиоксиданты – особенно важный класс консервантов, поскольку, в отличие от бактериальной или грибковой порчи, реакции окисления все еще протекают относительно быстро даже в замороженных или охлажденных продуктах. К этим консервантам относятся природные антиоксиданты, такие как аскорбиновая кислота (AA, E300) и токоферолы (E306), а также синтетические антиоксиданты, такие как пропилгаллат (PG, E310), трет-бутилгидрохинон (TBHQ), бутилированный гидроксианизол (BHA, E320) и бутилированный гидрокситолуол (BHT, E321). Ненасыщенные жиры особенно восприимчивы к окислению, что приводит к прогорклости. Окисленные липиды часто изменяют цвет и могут придавать неприятный вкус и запах. Поэтому такие продукты редко сохраняют сушкой, предпочитая копчение, засолку или ферментацию. Даже менее жирные продукты, такие как фрукты, опрыскивают серосодержащими антиоксидантами перед сушкой на воздухе. Металлы катализируют окисление. Некоторые жирные продукты, например оливковое масло, частично защищены от окисления благодаря содержанию в них природных антиоксидантов. Жирные продукты чувствительны к фотоокислению, в результате которого образуются гидропероксиды при окислении ненасыщенных жирных кислот и эфиров. Воздействие ультрафиолетового (УФ) излучения может вызывать прямое фотоокисление и разложение пероксидов и карбонильных молекул. Эти молекулы участвуют в цепных реакциях свободных радикалов, но антиоксиданты подавляют их, предотвращая процессы окисления. Антиоксиданты в косметических продуктах предотвращают окисление активных ингредиентов и липидов. Например, фенольные антиоксиданты, такие как стилбены, флавоноиды и гидроксикоричная кислота, сильно поглощают УФ-излучение благодаря наличию хромофоров. Они снижают окислительный стресс от солнечного воздействия, поглощая УФ-свет.
Мочевая кислота
Уриновая кислота обладает самой высокой концентрацией среди антиоксидантов в крови. Антиоксидантная активность мочевой кислоты также сложна, поскольку она не взаимодействует с некоторыми окислителями, такими как супероксид, но эффективна против пероксинитрита, пероксидов и гипохлористой кислоты. Беспокойство по поводу вклада повышенного уровня мочевой кислоты в развитие подагры следует рассматривать как один из многих факторов риска. Риск развития подагры, связанный с мочевой кислотой, при высоких уровнях (415–530 мкмоль/л) составляет всего 0,5% в год, увеличиваясь до 4,5% в год при уровнях перенасыщения мочевой кислоты (535+ мкмоль/л). Многие из упомянутых исследований определяли антиоксидантные свойства мочевой кислоты в пределах нормальных физиологических значений.
Витамин С
Аскорбиновая кислота, или витамин С, — катализатор окислительно-восстановительных (редокс) реакций, обнаруженный как у животных, так и у растений, способен восстанавливать и тем самым нейтрализовать активные формы кислорода, такие как перекись водорода. Помимо прямого антиоксидантного действия, аскорбиновая кислота также является субстратом для фермента аскорбатпероксидазы, что используется растениями для повышения устойчивости к стрессу. Аскорбиновая кислота содержится в высоких концентрациях во всех частях растений и может достигать 20 миллимолярной концентрации в хлоропластах.
Глутатион
Глутатион обладает антиоксидантными свойствами, так как тиольная группа в его цистеиновом остатке является восстановителем и может обратимо окисляться и восстанавливаться. В клетках глутатион поддерживается в восстановленной форме ферментом глутатионредуктазой и, в свою очередь, восстанавливает другие метаболиты и ферментные системы, такие как аскорбат в цикле глутатиона-аскорбата, глутатионпероксидазы и глутаредоксины, а также непосредственно реагирует с окислителями. Благодаря высокой концентрации и центральной роли в поддержании окислительно-восстановительного баланса клетки, глутатион является одним из важнейших клеточных антиоксидантов. У некоторых организмов глутатион замещается другими тиолами, например, микотиолом у актиномицетов, бациллитиолом у некоторых грамположительных бактерий или трипанотионом у кинетопластид.
Витамин Е
Витамин Е – это общее название для набора из восьми родственных токоферолов и токотриенолов, являющихся жирорастворимыми витаминами с антиоксидантными свойствами. Среди них наиболее изучен α-токоферол, поскольку он обладает наивысшей биодоступностью, и организм предпочтительно абсорбирует и метаболизирует именно эту форму. Утверждается, что α-токоферол является наиболее важным липидорастворимым антиоксидантом, который защищает мембраны от окисления, реагируя с липидными радикалами, образующимися в цепной реакции перекисного окисления липидов. Это нейтрализует свободнорадикальные промежуточные продукты и предотвращает дальнейшее распространение реакции. В результате этой реакции образуются окисленные α-токофероксильные радикалы, которые могут быть восстановлены обратно в активную, восстановленную форму за счет восстановления другими антиоксидантами, такими как аскорбат, ретинол или убихинол. Это согласуется с данными, показывающими, что α-токоферол, но не водорастворимые антиоксиданты, эффективно защищает клетки с дефицитом глутатионпероксидазы 4 (GPX4) от гибели клеток. GPX4 – единственный известный фермент, эффективно восстанавливающий липидные гидропероксиды в биологических мембранах. Однако роли и значимость различных форм витамина Е в настоящее время остаются неясными, и даже было предположено, что наиболее важная функция α-токоферола заключается в его роли сигнальной молекулы, при этом он не играет существенной роли в антиоксидантном метаболизме. Функции других форм витамина Е изучены еще меньше, хотя γ-токоферол является нуклеофилом, способным реагировать с электрофильными мутагенами.
Прооксидантная активность
Антиоксиданты, являющиеся восстановителями, также могут выступать в роли прооксидантов. Например, витамин С проявляет антиоксидантную активность, восстанавливая окисляющие вещества, такие как перекись водорода; однако он также восстанавливает ионы металлов, например железа и меди, которые генерируют свободные радикалы посредством реакции Фентона. Хотя аскорбиновая кислота является эффективным антиоксидантом, она также может окислительно изменять вкус и цвет продуктов питания. В присутствии переходных металлов даже низкие концентрации аскорбиновой кислоты могут выступать в качестве поглотителя радикалов в реакции Фентона.
Супероксид дисмутаза, каталаза и пероксиредоксины
Супероксидные дисмутазы (SOD) – это класс тесно связанных ферментов, которые катализируют распад аниона супероксида на кислород и перекись водорода. SOD-ферменты присутствуют почти во всех аэробных клетках и во внеклеточных жидкостях. Ферменты супероксид-дисмутазы содержат кофакторы ионов металлов, которые, в зависимости от изофермента, могут быть медью, цинком, марганцем или железом. У человека SOD меди/цинка присутствует в цитозоле, а SOD марганца – в митохондриях. Митохондриальный изофермент, по-видимому, является наиболее биологически важным из этих трех, поскольку мыши, у которых отсутствует этот фермент, умирают вскоре после рождения. В отличие от них, мыши, у которых отсутствует SOD меди/цинка (Sod1), жизнеспособны, но имеют многочисленные патологии и сокращенную продолжительность жизни (см. статью о супероксиде), в то время как у мышей без внеклеточного SOD наблюдаются минимальные дефекты (они чувствительны к гипероксии). У растений изоферменты SOD присутствуют в цитозоле и митохондриях, а SOD железа, обнаруженный в хлоропластах, отсутствует у позвоночных и дрожжей. Каталазы – это ферменты, которые катализируют превращение перекиси водорода в воду и кислород, используя в качестве кофактора железо или марганец. Этот белок локализован в пероксисомах в большинстве эукариотических клеток. Каталаза – необычный фермент, поскольку, хотя перекись водорода является его единственным субстратом, он следует механизму «пинг-понг». В этом механизме его кофактор окисляется одной молекулой перекиси водорода, а затем регенерируется путем переноса связанного кислорода на вторую молекулу субстрата. Несмотря на его очевидную важность в удалении перекиси водорода, люди с генетическим дефицитом каталазы – «акаталаземией» – или мыши, генетически модифицированные для полного отсутствия каталазы, испытывают мало негативных последствий. Пероксиредоксины – это пероксидазы, которые катализируют восстановление перекиси водорода, органических гидропероксидов, а также пероксинитрита. Они делятся на три класса: типичные 2-цистеиновые пероксиредоксины, атипичные 2-цистеиновые пероксиредоксины и 1-цистеиновые пероксиредоксины. Эти ферменты разделяют один и тот же основной каталитический механизм, в котором окислительно-восстановительный активный цистеин (пероксидативный цистеин) в активном центре окисляется пероксидным субстратом до сульфеновой кислоты. Дальнейшее окисление этого цистеинового остатка в пероксиредоксинах инактивирует эти ферменты, но это может быть обращено действием сульфиредоксина. Пероксиредоксины, по-видимому, играют важную роль в антиоксидантном метаболизме, поскольку у мышей, у которых отсутствует пероксиредоксин 1 или 2, сокращается продолжительность жизни и развивается гемолитическая анемия, в то время как растения используют пероксиредоксины для удаления перекиси водорода, образующейся в хлоропластах.
Системы тиоредоксина и глутатиона
Система тиоредоксина содержит 12 кДа белок тиоредоксина и его компаньон тиоредоксинредуктазу. Белки, связанные с тиоредоксином, присутствуют во всех секвенированных организмах. Растения, такие как Arabidopsis thaliana, демонстрируют особенно большое разнообразие изоформ. Активный центр тиоредоксина состоит из двух соседних цистеинов, входящих в состав высококонсервативного мотива CXXC, которые могут циклически переключаться между активной дитиольной (восстановленной) формой и окисленной дисульфидной формой. В активном состоянии тиоредоксин действует как эффективный восстановитель, нейтрализуя активные формы кислорода и поддерживая другие белки в восстановленном состоянии. После окисления активный тиоредоксин регенерируется под действием тиоредоксинредуктазы, использующей NADPH в качестве донора электронов. Система глутатиона включает глутатион, глутатионредуктазу, глутатионпероксидазы и глутатион-S-трансферазы. Глутатионпероксидаза – это фермент, содержащий четыре селеновых кофактора, который катализирует распад перекиси водорода и органических гидропероксидов. У животных существует как минимум четыре различных изофермента глутатионпероксидазы. Глутатионпероксидаза 1 является наиболее распространенной и очень эффективно нейтрализует перекись водорода, в то время как глутатионпероксидаза 4 наиболее активна в отношении липидных гидропероксидов. Удивительно, но глутатионпероксидаза 1 не является жизненно необходимой, поскольку мыши, у которых отсутствует этот фермент, имеют нормальную продолжительность жизни, но проявляют гиперчувствительность к индуцированному окислительному стрессу. Кроме того, глутатион-S-трансферазы демонстрируют высокую активность в отношении липидных пероксидов. Эти ферменты особенно высоко представлены в печени и также участвуют в метаболизме детоксикации.
Связь с диетой
Пищевые антиоксидантные витамины А, С и Е необходимы и требуются в определенных суточных количествах для профилактики заболеваний. Полифенолы, обладающие антиоксидантными свойствами in vitro благодаря наличию свободных гидроксильных групп, интенсивно метаболизируются катехол-О-метилтрансферазой, которая метилирует эти свободные гидроксильные группы, тем самым снижая их антиоксидантную активность in vivo.
Взаимодействия
Обычные лекарственные средства (и добавки) с антиоксидантными свойствами могут снижать эффективность некоторых противораковых препаратов и лучевой терапии. Фармацевтические препараты и добавки, обладающие антиоксидантными свойствами, подавляют образование свободных радикалов, ингибируя процессы окисления. Лучевая терапия индуцирует окислительный стресс, который повреждает важные компоненты раковых клеток, такие как белки, нуклеиновые кислоты и липиды, входящие в состав клеточных мембран.
Измерение и признание недействительным ORAC
Измерение содержания полифенолов и каротиноидов в пищевых продуктах – непростая задача, поскольку антиоксиданты представляют собой разнообразную группу соединений с различной реакционной способностью по отношению к различным активным формам кислорода. В анализе пищевых продуктов in vitro, способность поглощения кислородных радикалов (ORAC) некогда являлась отраслевым стандартом для оценки антиоксидантной активности цельных продуктов питания, соков и пищевых добавок, главным образом обусловленной наличием полифенолов. Более ранние измерения и оценки, проведенные Министерством сельского хозяйства США, были отозваны в 2012 году как не имеющие биологической значимости для здоровья человека, в связи с отсутствием физиологических доказательств антиоксидантных свойств полифенолов in vivo. В результате, метод ORAC, основанный исключительно на экспериментах in vitro, с 2010 года больше не считается актуальным для питания человека или биологии.