Antioxidants: Free radical protection
I. Free radicals: molecular destroyers
A. Definition and structure: Free radicals are molecules, atoms or ions characterized by the presence of one or more non -fan electrons on an external orbital. This makes them extremely reactive and unstable. Unlike stable molecules, where electrons exist in pairs, an unspoiced electron strives for mating, which forces the free radical to “attack” neighboring molecules, “stealing” their electron.
B. Education mechanisms: Free radicals are formed in the body as a result of various processes, both normal metabolic reactions and the effects of external factors.
1. **Нормальные метаболические процессы:**
a. **Клеточное дыхание (окислительное фосфорилирование):** В процессе производства энергии в митохондриях, кислород используется для окисления глюкозы и других питательных веществ. Небольшая часть кислорода (около 1-5%) превращается в супероксидный радикал (O₂⁻).
b. **Воспалительные реакции:** В процессе борьбы с инфекциями и повреждениями, иммунные клетки, такие как нейтрофилы и макрофаги, производят свободные радикалы, включая супероксид и гипохлорит (HOCl), чтобы уничтожать патогены. Этот процесс, хотя и необходим для защиты, также может приводить к повреждению окружающих тканей.
c. **Ферментативные реакции:** Многие ферменты в организме используют кислород в качестве субстрата и в процессе своей работы могут генерировать свободные радикалы. Примеры включают цитохром P450 (участвует в детоксикации) и ксантиноксидазу (участвует в метаболизме пуринов).
2. **Внешние факторы:**
a. **Ультрафиолетовое (УФ) излучение:** УФ-излучение, содержащееся в солнечном свете, может вызывать образование свободных радикалов в коже, повреждая ДНК, липиды и белки.
b. **Ионизирующее излучение (рентгеновское излучение, радиация):** Ионизирующее излучение обладает высокой энергией и может непосредственно разрывать химические связи в молекулах, создавая свободные радикалы. Оно также может взаимодействовать с водой в организме, производя гидроксильные радикалы (•OH), которые являются одними из самых реактивных и опасных свободных радикалов.
c. **Загрязнение окружающей среды:** Загрязнители воздуха, такие как озон (O₃), диоксид азота (NO₂) и твердые частицы (PM2.5), могут индуцировать образование свободных радикалов в легких и других тканях.
d. **Курение:** Сигаретный дым содержит тысячи химических веществ, многие из которых являются свободными радикалами или способствуют их образованию.
e. **Промышленные химикаты:** Воздействие некоторых промышленных химикатов, таких как пестициды, растворители и тяжелые металлы, может приводить к образованию свободных радикалов.
f. **Некоторые лекарства:** Некоторые лекарственные препараты, такие как противораковые препараты, могут вызывать образование свободных радикалов в качестве механизма своего действия.C. Chain reactions and oxidative stress:
1. **Цепные реакции:** Свободные радикалы запускают цепные реакции, атакуя стабильные молекулы и превращая их в другие свободные радикалы. Например, свободный радикал может "украсть" электрон у липида в клеточной мембране, превращая липид в липидный радикал. Этот липидный радикал, в свою очередь, может атаковать другую липидную молекулу, и так далее. Этот процесс может быстро распространяться и приводить к обширному повреждению.
2. **Окислительный стресс:** Окислительный стресс возникает, когда образование свободных радикалов превышает способность организма нейтрализовать их с помощью антиоксидантных систем. Это приводит к накоплению свободных радикалов и повреждению клеток и тканей.D. Free radical targets: Free radicals can attack various cell components, including:
1. **Липиды:** Атака свободных радикалов на липиды, процесс, известный как перекисное окисление липидов (ПОЛ), приводит к повреждению клеточных мембран, нарушая их структуру и функцию. ПОЛ может также приводить к образованию токсичных продуктов, таких как малоновый диальдегид (МДА) и 4-гидроксиноненал (4-HNE), которые могут повреждать другие клеточные компоненты.
2. **Белки:** Свободные радикалы могут модифицировать белки, изменяя их структуру и функцию. Окисление аминокислот может приводить к денатурации белков, агрегации и потере активности. Поврежденные белки могут накапливаться в клетках, нарушая их функцию.
3. **ДНК:** Свободные радикалы могут повреждать ДНК, вызывая мутации, разрывы цепей и модификацию оснований. Повреждение ДНК может приводить к нарушению репликации, транскрипции и клеточной гибели. Накопление повреждений ДНК может способствовать развитию рака.
4. **Углеводы:** Свободные радикалы могут окислять углеводы, изменяя их структуру и функцию. Это может приводить к нарушению метаболизма углеводов и повреждению гликозилированных белков (продуктов гликирования).E. The consequences of oxidative stress: Oxidative stress is associated with the development of many chronic diseases, including:
1. **Сердечно-сосудистые заболевания:** Окислительный стресс играет роль в развитии атеросклероза, повреждая эндотелий сосудов, окисляя липопротеины низкой плотности (ЛПНП) и способствуя образованию тромбов.
2. **Рак:** Повреждение ДНК свободными радикалами может приводить к мутациям и развитию рака. Окислительный стресс также может способствовать росту и распространению раковых клеток.
3. **Нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона):** Окислительный стресс играет роль в гибели нейронов при этих заболеваниях. Он может приводить к повреждению белков, липидов и ДНК в мозге.
4. **Воспалительные заболевания (ревматоидный артрит, воспалительные заболевания кишечника):** Окислительный стресс способствует хроническому воспалению, повреждая ткани и усиливая иммунный ответ.
5. **Диабет:** Окислительный стресс может ухудшать чувствительность к инсулину и повреждать бета-клетки поджелудочной железы, что приводит к нарушению секреции инсулина.
6. **Старение:** Считается, что окислительный стресс является одним из факторов, способствующих старению. Накопление повреждений ДНК, липидов и белков со временем может приводить к снижению функциональности клеток и тканей.II. Antioxidants: Cell defenders
A. Definition and mechanism of action: Antioxidants are molecules that can prevent or slow down the oxidation of other molecules. They act, neutralizing free radicals, giving them an electron without becoming free radicals themselves. Thus, they break chain reactions and prevent cell damage.
B. Classification of antioxidants: Antioxidants can be classified according to various criteria, including their origin (endogenous or exogenous), the mechanism of action and the chemical structure.
1. **По происхождению:**
a. **Эндогенные антиоксиданты:** Это антиоксиданты, которые синтезируются в организме. Примеры включают:
i. **Супероксиддисмутаза (СОД):** Фермент, катализирующий превращение супероксидного радикала (O₂⁻) в перекись водорода (H₂O₂) и кислород (O₂). Существуют три изоформы СОД: СОД1 (цитозольная), СОД2 (митохондриальная) и СОД3 (внеклеточная).
ii. **Каталаза:** Фермент, катализирующий разложение перекиси водорода (H₂O₂) на воду (H₂O) и кислород (O₂). Каталаза особенно важна для защиты клеток от токсического действия перекиси водорода.
iii. **Глутатионпероксидаза (ГП):** Семейство ферментов, использующих глутатион (GSH) для восстановления перекиси водорода (H₂O₂) и липидных пероксидов (LOOH) до воды (H₂O) и спиртов (LOH), соответственно. Селен является важным кофактором для некоторых изоформ ГП.
iv. **Глутатионредуктаза (ГР):** Фермент, восстанавливающий окисленный глутатион (GSSG) в восстановленный глутатион (GSH), используя NADPH. Восстановленный глутатион является важным антиоксидантом и кофактором для глутатионпероксидазы.
v. **Мелатонин:** Гормон, вырабатываемый эпифизом, который обладает мощными антиоксидантными свойствами. Мелатонин может непосредственно нейтрализовать свободные радикалы и стимулировать синтез других антиоксидантов.
vi. **Убихинон (коэнзим Q10):** Жирорастворимое вещество, играющее важную роль в электрон-транспортной цепи митохондрий. Убихинон также является мощным антиоксидантом, защищающим липиды и белки от окисления.
b. **Экзогенные антиоксиданты:** Это антиоксиданты, которые поступают в организм с пищей или в виде добавок. Примеры включают:
i. **Витамин C (аскорбиновая кислота):** Водорастворимый витамин, обладающий мощными антиоксидантными свойствами. Витамин C может нейтрализовать свободные радикалы в водной фазе клеток и регенерировать витамин Е.
ii. **Витамин Е (токоферол):** Жирорастворимый витамин, защищающий липиды клеточных мембран от перекисного окисления. Существуют восемь различных форм витамина Е, альфа-токоферол является наиболее активной формой.
iii. **Каротиноиды (бета-каротин, ликопин, лютеин, зеаксантин):** Жирорастворимые пигменты, содержащиеся во фруктах и овощах. Некоторые каротиноиды, такие как бета-каротин, являются предшественниками витамина А. Каротиноиды обладают антиоксидантными свойствами и могут защищать клетки от повреждения УФ-излучением.
iv. **Полифенолы (флавоноиды, фенольные кислоты, лигнаны, стильбены):** Большая группа растительных соединений, обладающих антиоксидантными свойствами. Полифенолы содержатся во фруктах, овощах, чае, кофе, вине и шоколаде.
v. **Селен:** Микроэлемент, необходимый для функционирования глутатионпероксидазы.
vi. **Цинк:** Микроэлемент, необходимый для функционирования супероксиддисмутазы.
2. **По механизму действия:**
a. **Прямые антиоксиданты:** Непосредственно нейтрализуют свободные радикалы, отдавая им электрон. Примеры включают витамин C, витамин Е, полифенолы и мелатонин.
b. **Непрямые антиоксиданты:** Стимулируют синтез эндогенных антиоксидантов или улучшают их активность. Примеры включают сульфорафан (содержится в крестоцветных овощах) и куркумин (содержится в куркуме).
3. **По химической структуре:**
a. **Водорастворимые антиоксиданты:** Растворимы в воде и действуют в водной фазе клеток (цитозоль, плазма крови). Примеры включают витамин C и глутатион.
b. **Жирорастворимые антиоксиданты:** Растворимы в жирах и действуют в липидной фазе клеток (клеточные мембраны). Примеры включают витамин Е и каротиноиды.C. Sources of antioxidants: Antioxidants can be obtained from various sources, including food, additives and endogenous synthesis.
1. **Пищевые источники:**
a. **Фрукты и овощи:** Большинство фруктов и овощей содержат антиоксиданты, такие как витамин C, витамин Е, каротиноиды и полифенолы. Особенно богаты антиоксидантами ягоды (черника, малина, клубника), темные листовые овощи (шпинат, капуста кале), крестоцветные овощи (брокколи, цветная капуста, брюссельская капуста), цитрусовые фрукты (апельсины, грейпфруты), помидоры, морковь и сладкий перец.
b. **Орехи и семена:** Орехи и семена содержат витамин Е, селен и другие антиоксиданты. Особенно богаты антиоксидантами миндаль, грецкие орехи, семена подсолнечника и семена чиа.
c. **Цельные зерна:** Цельные зерна содержат витамин Е, селен и другие антиоксиданты. Особенно богаты антиоксидантами овес, коричневый рис и киноа.
d. **Бобовые:** Бобовые содержат полифенолы и другие антиоксиданты. Особенно богаты антиоксидантами черные бобы, фасоль и чечевица.
e. **Чай:** Зеленый, черный и белый чай содержат полифенолы, особенно катехины, которые обладают мощными антиоксидантными свойствами.
f. **Кофе:** Кофе содержит полифенолы, такие как хлорогеновая кислота, которые обладают антиоксидантными свойствами.
g. **Шоколад:** Темный шоколад содержит полифенолы, особенно флавоноиды, которые обладают антиоксидантными свойствами.
h. **Специи:** Некоторые специи, такие как куркума, имбирь, корица и гвоздика, содержат антиоксиданты.
2. **Добавки:** Антиоксидантные добавки доступны в различных формах, включая витамины, минералы и растительные экстракты. Однако, перед приемом антиоксидантных добавок рекомендуется проконсультироваться с врачом, так как высокие дозы некоторых антиоксидантов могут быть вредными.
3. **Эндогенный синтез:** Организм сам синтезирует некоторые антиоксиданты, такие как супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза и мелатонин. Здоровый образ жизни, включая сбалансированное питание, регулярные физические упражнения и достаточный сон, может поддерживать синтез этих антиоксидантов.D. Interaction of antioxidants: Antioxidants can interact with each other, enhancing or weakening their action. For example, vitamin C can regenerate vitamin E, returning it to an active form. This synergistic effect can be more effective than the action of individual antioxidants.
E. The role of antioxidants in the prevention of diseases: Antioxidants play an important role in the prevention of various diseases associated with oxidative stress.
1. **Сердечно-сосудистые заболевания:** Антиоксиданты могут защищать от атеросклероза, предотвращая окисление ЛПНП и повреждение эндотелия сосудов. Потребление пищи, богатой антиоксидантами, связано со снижением риска сердечно-сосудистых заболеваний.
2. **Рак:** Антиоксиданты могут защищать ДНК от повреждения свободными радикалами и предотвращать развитие рака. Потребление пищи, богатой антиоксидантами, связано со снижением риска некоторых видов рака.
3. **Нейродегенеративные заболевания:** Антиоксиданты могут защищать нейроны от повреждения свободными радикалами и предотвращать развитие нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона.
4. **Воспалительные заболевания:** Антиоксиданты могут снижать воспаление, нейтрализуя свободные радикалы, образующиеся в процессе воспалительной реакции.
5. **Диабет:** Антиоксиданты могут улучшать чувствительность к инсулину и защищать бета-клетки поджелудочной железы от повреждения свободными радикалами.
6. **Старение:** Антиоксиданты могут замедлять процесс старения, защищая клетки от повреждения свободными радикалами.III. Antioxidant activity assessment methods
A. In vitro methods:
1. **DPPH (2,2-дифенил-1-пикрилгидразил) анализ:** Оценивает способность антиоксиданта нейтрализовать DPPH радикал. DPPH - это стабильный свободный радикал, который имеет характерное поглощение при 517 нм. При добавлении антиоксиданта DPPH радикал нейтрализуется, что приводит к снижению поглощения.
2. **ABTS (2,2'-азино-бис(3-этилбензотиазолин-6-сульфоновая кислота) анализ:** Оценивает способность антиоксиданта нейтрализовать ABTS радикал. ABTS радикал образуется путем окисления ABTS дикалийной соли персульфатом калия. ABTS радикал имеет характерное поглощение при 734 нм. При добавлении антиоксиданта ABTS радикал нейтрализуется, что приводит к снижению поглощения.
3. **FRAP (Ferric Reducing Antioxidant Power) анализ:** Оценивает способность антиоксиданта восстанавливать ионы железа (Fe³⁺) в ионы железа (Fe²⁺). Ионы железа (Fe²⁺) образуют с TPTZ (2,4,6-три(2-пиридил)-s-триазин) комплекс, который имеет характерное поглощение при 593 нм. Чем выше антиоксидантная активность, тем больше ионов железа (Fe³⁺) восстанавливается в ионы железа (Fe²⁺), и тем выше поглощение при 593 нм.
4. **ORAC (Oxygen Radical Absorbance Capacity) анализ:** Оценивает способность антиоксиданта нейтрализовать пероксильные радикалы. В этом анализе флуоресцентный зонд используется для измерения окисления, вызванного пероксильными радикалами. Антиоксидант добавляется в систему, и его способность подавлять окисление оценивается по снижению скорости снижения флуоресценции.
5. **Липидное перекисное окисление (ПОЛ) анализ:** Оценивает способность антиоксиданта предотвращать перекисное окисление липидов. В этом анализе липиды (например, липосомы или клеточные мембраны) подвергаются окислению под воздействием свободных радикалов, и образующиеся продукты ПОЛ (например, МДА и 4-HNE) измеряются. Антиоксидант добавляется в систему, и его способность снижать образование продуктов ПОЛ оценивается.B. In vivo methods:
1. **Измерение уровня антиоксидантных ферментов:** Оценивает уровень и активность эндогенных антиоксидантных ферментов, таких как супероксиддисмутаза (СОД), каталаза (CAT) и глутатионпероксидаза (ГП) в тканях или крови.
2. **Измерение уровня продуктов окислительного стресса:** Оценивает уровень продуктов окислительного стресса, таких как малоновый диальдегид (МДА), 4-гидроксиноненал (4-HNE) и 8-гидрокси-2'-дезоксигуанозин (8-OHdG) в тканях или крови. Повышенный уровень этих продуктов указывает на окислительный стресс.
3. **Измерение уровня витаминов и минералов:** Оценивает уровень витаминов C и E, каротиноидов, селена и цинка в крови.
4. **Оценка повреждения ДНК:** Оценивает повреждение ДНК, вызванное свободными радикалами, с помощью различных методов, таких как анализ микроядер, анализ комет и измерение уровня 8-OHdG.
5. **Клинические исследования:** Оценивают влияние потребления антиоксидантов на здоровье и профилактику заболеваний в клинических исследованиях с участием людей.C. Interpretation of the results: It is important to note that the results of in vitro tests do not always correlate with the results of in vivo studies. In vitro, analyzes allow you to evaluate the antioxidant activity of substances in controlled conditions, but they do not take into account the complex interaction of antioxidants with other substances in the body and do not reflect their bioavailability and metabolism. In vivo, research allows you to assess the effect of antioxidants on health in real conditions, but they are more complex and require more time and resources.
IV. Antioxidants in cosmetics and dermatology
A. Skin protection from UV radiation: UV radiation is the main factor in the aging of the skin and can cause the formation of free radicals that damage DNA, lipids and proteins. Antioxidants, such as vitamin C, vitamin E, carotenoids and polyphenols, can protect the skin from damage to UV radiation, neutralizing free radicals and reducing inflammation.
B. Prevention of skin aging: The aging of the skin is associated with the accumulation of damage to DNA, lipids and proteins caused by free radicals. Antioxidants can slow down the skin aging process, protecting the cells from damage and stimulating the synthesis of collagen and elastin.
C. Treatment of inflammatory skin diseases (acne, eczema, psoriasis): Inflammatory skin diseases are associated with an increased level of free radicals. Antioxidants can reduce inflammation and alleviate the symptoms of these diseases.
D. Lighting pigmentation leather: Antioxidants, such as vitamin C and niacinamide, can lighten the pigmentation of the skin, suppressing the formation of melanin.
E. Examples of antioxidants used in cosmetics:
1. **Витамин C (аскорбиновая кислота и ее производные):** Мощный антиоксидант, стимулирует синтез коллагена, осветляет пигментацию кожи.
2. **Витамин Е (токоферол и его производные):** Защищает липиды клеточных мембран от перекисного окисления, увлажняет кожу.
3. **Ресвератрол:** Полифенол, содержащийся в винограде и красном вине, обладает антиоксидантными и противовоспалительными свойствами.
4. **Зеленый чай (экстракт):** Содержит полифенолы, особенно катехины, которые обладают антиоксидантными и противовоспалительными свойствами.
5. **Коэнзим Q10 (убихинон):** Участвует в электрон-транспортной цепи митохондрий, обладает антиоксидантными свойствами.
6. **Ниацинамид (витамин B3):** Обладает антиоксидантными и противовоспалительными свойствами, осветляет пигментацию кожи, улучшает барьерную функцию кожи.
7. **Феруловая кислота:** Усиливает антиоксидантное действие витаминов C и E.
8. **Экстракт граната:** Содержит полифенолы, которые обладают антиоксидантными и противовоспалительными свойствами.F. Forms of cosmetics with antioxidants: Antioxidants can be included in various cosmetics, including creams, serums, lotions, masks and sunscreen.
V. Potential risks and warnings
A. The proxidant effect of high doses of antioxidants: In some cases, high doses of antioxidants can have a proxidant effect, that is, to contribute to the formation of free radicals. This can happen when an antioxidant gives an electron to a free radical, but cannot stabilize the formed radical, which can then attack other molecules.
B. Interaction with drugs: Antioxidants can interact with some drugs, changing their effectiveness or toxicity. For example, high doses of vitamin E can enhance the effect of anticoagulants (drugs that thin blood).
C. Risk for certain population groups (pregnant, lactating, people with certain diseases): Pregnant and nursing women, as well as people with certain diseases (for example, diseases of the kidneys, liver or thyroid gland) should consult a doctor before taking antioxidant additives.
D. The need for a balanced approach to the consumption of antioxidants: It is important to receive antioxidants from a variety of sources, including fruits, vegetables, nuts, seeds and whole grains. You should not rely only on antioxidant additives.
E. The importance of consulting a doctor before taking antioxidant additives: Before taking antioxidant additives, it is recommended to consult a doctor to make sure that they are safe and suitable for you. The doctor can evaluate your individual needs and risks and recommend the optimal dose and type of antioxidants.
VI. Future research areas
A. Studying the effect of antioxidants on specific diseases: Further studies are needed to study the effects of antioxidants on the prevention and treatment of specific diseases, such as cancer, cardiovascular diseases, neurodegenerative diseases and diabetes.
B. Development of new antioxidants: It is necessary to develop new antioxidants with higher efficiency, bioavailability and safety.
C. Studying the interaction of various antioxidants: Further research is needed to study the interaction of various antioxidants and their synergistic effect.
D. Personalized approach to antioxidants consumption: In the future, a personalized approach to the consumption of antioxidants, taking into account individual genetic characteristics, lifestyle and health status, can be developed.
E. The study of the role of antioxidants in a slowdown in aging: Further studies are needed to study the role of antioxidants in a slowdown in the aging process and extending a healthy life.
This detailed article explores the complexities of antioxidants and free radicals, providing a comprehensive overview of their mechanisms, sources, effects, and applications. It also addresses potential risks and future research directions, emphasizing the importance of a balanced and informed approach to antioxidant consumption.