Prosti radikali in antioksidanti

Odkritje prostih radikalov in antioksidantov je bilo za medicinsko znanost prav tako pomemben mejnik kot odkritje mikroorganizmov in antibiotikov, saj so zdravniki dobili ne le razlago za številne patološke procese, vključno s staranjem, temveč tudi učinkovite metode za boj proti njim.

Zadnje desetletje je zaznamoval napredek v preučevanju prostih radikalov v bioloških objektih. Ti procesi so se izkazali za nujno presnovno povezavo v normalnem delovanju telesa. Sodelujejo v reakcijah oksidativne fosforilacije, pri biosintezi prostaglandinov in nukleinskih kislin, pri uravnavanju lipotične aktivnosti, v procesih delitve celic. V telesu prosti radikali najpogosteje nastajajo med oksidacijo nenasičenih maščobnih kislin, ta proces pa je tesno povezan z lipidno peroksidacijo (LPO).

Kaj so prosti radikali?

Prosti radikal je molekula ali atom, ki ima v svoji zunanji orbiti neparni elektron, zaradi česar je agresiven in sposoben ne le reagirati z molekulami celične membrane, temveč jih tudi pretvoriti v proste radikale (samovzdrževalna lavinska reakcija).

Ogljikov radikal reagira z molekularnim kisikom in tvori peroksidni prosti radikal COO.

Peroksidni radikal odvzame vodik stranski verigi nenasičenih maščobnih kislin, pri čemer nastane lipidni hidroperoksid in še en radikal, ki vsebuje ogljik.

Lipidni hidroperoksidi povečajo koncentracijo citotoksičnih aldehidov, ogljikov radikal pa podpira reakcijo nastajanja peroksidnih radikalov itd. (v verigi).

Obstajajo različni mehanizmi, s katerimi nastajajo prosti radikali. Eden od njih je učinek ionizirajočega sevanja. V nekaterih primerih se med procesom molekularne redukcije kisika namesto dveh doda en elektron in nastane visoko reaktivni superoksidni anion (O). Nastanek superoksida je eden od obrambnih mehanizmov pred bakterijsko okužbo: brez kisikovih prostih radikalov nevtrofilci in makrofagi ne morejo uničiti bakterij.

Prisotnost antioksidantov tako v celici kot v zunajceličnem prostoru kaže, da nastanek prostih radikalov ni epizodni pojav, ki ga povzročajo učinki ionizirajočega sevanja ali toksinov, temveč stalen pojav, ki spremlja oksidacijske reakcije v normalnih pogojih. Med glavne antioksidante spadajo encimi skupine superoksid dismutaze (SOD), katerih funkcija je katalitična pretvorba peroksidnega aniona v vodikov peroksid in molekularni kisik. Ker so superoksid dismutaze vseprisotne, je smiselno domnevati, da je superoksidni anion eden glavnih stranskih produktov vseh oksidacijskih procesov. Katalaze in peroksidaze pretvarjajo vodikov peroksid, ki nastane med dismutacijo, v vodo.

Glavna značilnost prostih radikalov je njihova izjemna kemijska aktivnost. Kot da bi čutili svojo manjvrednost, poskušajo ponovno pridobiti izgubljeni elektron in ga agresivno jemljejo drugim molekulam. Posledično tudi "užaljene" molekule postanejo radikali in se začnejo kradli, jemljejo elektrone svojim sosedom. Vsaka sprememba v molekuli - pa naj bo to izguba ali dodajanje elektrona, pojav novih atomov ali skupin atomov - vpliva na njene lastnosti. Zato reakcije prostih radikalov, ki se pojavljajo v kateri koli snovi, spreminjajo fizikalne in kemijske lastnosti te snovi.

Najbolj znan primer procesa prostih radikalov je kvarjenje olja (žgavost). Žgavost olja ima svojevrsten okus in vonj, kar je razloženo s pojavom novih snovi v njem, ki nastanejo med reakcijami prostih radikalov. Najpomembneje je, da lahko beljakovine, maščobe in DNK živih tkiv postanejo udeleženci reakcij prostih radikalov. To vodi do razvoja različnih patoloških procesov, ki poškodujejo tkiva, staranja in razvoja malignih tumorjev.

Najbolj agresivni od vseh prostih radikalov so prosti kisikovi radikali. V živem tkivu lahko izzovejo plaz reakcij prostih radikalov, katerih posledice so lahko katastrofalne. Prosti kisikovi radikali in njihove aktivne oblike (na primer lipidni peroksidi) se lahko tvorijo v koži in katerem koli drugem tkivu pod vplivom UV-sevanja, nekaterih strupenih snovi, ki jih vsebujeta voda in zrak. Najpomembneje pa je, da aktivne oblike kisika nastajajo med vsakim vnetjem, vsakim infekcijskim procesom, ki se pojavi v koži ali katerem koli drugem organu, saj so glavno orožje imunskega sistema, s katerim uničuje patogene mikroorganizme.

Pred prostimi radikali se je nemogoče skriti (tako kot se je nemogoče skriti pred bakterijami, se pa je mogoče pred njimi zaščititi). Obstajajo snovi, ki se odlikujejo po tem, da so njihovi prosti radikali manj agresivni kot radikali drugih snovi. Ko antioksidant odda svoj elektron agresorju, ne poskuša nadomestiti izgube na račun drugih molekul oziroma to stori le v redkih primerih. Ko torej prosti radikal reagira z antioksidantom, se spremeni v polnovredno molekulo, antioksidant pa postane šibek in neaktiven radikal. Takšni radikali niso več nevarni in ne ustvarjajo kemičnega kaosa.

Kaj so antioksidanti?

„Antioksidanti“ so skupni izraz in tako kot izraza, kot sta „antineoplastična sredstva“ in „imunomodulatorji“, ne pomenijo pripadnosti nobeni specifični kemični skupini snovi. Njihova specifičnost je najtesnejša povezava z oksidacijo lipidov s prostimi radikali na splošno in zlasti s patologijo prostih radikalov. Ta lastnost združuje različne antioksidante, od katerih ima vsak svoje specifične značilnosti delovanja.

Procesi prostoradikalne oksidacije lipidov so splošno biološke narave in so po mnenju mnogih avtorjev univerzalni mehanizem poškodbe celic na membranski ravni, ko so močno aktivirani. V tem primeru v lipidni fazi bioloških membran procesi lipidne peroksidacije povzročijo povečanje viskoznosti in urejenosti membranskega dvosloja, spremenijo fazne lastnosti membran in zmanjšajo njihovo električno upornost, poleg tega pa olajšajo izmenjavo fosfolipidov med dvema monoslojema (tako imenovani fosfolipidni flip-flop). Pod vplivom procesov peroksidacije je zavirana tudi mobilnost membranskih beljakovin. Na celični ravni lipidno peroksidacijo spremlja otekanje mitohondrijev, odklop oksidativne fosforilacije (in v naprednih procesih - solubilizacija membranskih struktur), kar se na ravni celotnega organizma kaže v razvoju tako imenovanih patologij prostih radikalov.

Prosti radikali in poškodbe celic

Danes je postalo očitno, da je nastajanje prostih radikalov eden od univerzalnih patogenetskih mehanizmov pri različnih vrstah celičnih poškodb, vključno z naslednjimi:

• reperfuzija celic po obdobju ishemije;
• nekatere oblike hemolitične anemije, ki jih povzročajo zdravila;
• zastrupitev z nekaterimi herbicidi;
• ravnanje z ogljikovim tetrakloridom;
• ionizirajoče sevanje;
• nekateri mehanizmi staranja celic (na primer kopičenje lipidnih produktov v celici - ceroidi in lipofuscini);
• toksičnost kisika;
• aterogeneza zaradi oksidacije lipoproteinov nizke gostote v celicah arterijske stene.

Prosti radikali sodelujejo v procesih:

• staranje;
• kancerogeneza;
• kemične in medicinske poškodbe celic;
• vnetje;
• radioaktivna poškodba;
• aterogeneza;
• strupenost kisika in ozona.

Učinki prostih radikalov

Oksidacija nenasičenih maščobnih kislin v celičnih membranah je eden glavnih učinkov prostih radikalov. Prosti radikali poškodujejo tudi beljakovine (zlasti beljakovine, ki vsebujejo tiole) in DNK. Morfološki rezultat oksidacije lipidov v celični steni je nastanek polarnih prepustnih kanalov, kar poveča pasivno prepustnost membrane za ione Ca2+, katerih presežek se odlaga v mitohondrijih. Oksidacijske reakcije običajno zavirajo hidrofobni antioksidanti, kot sta vitamin E in glutation peroksidaza. Antioksidanti, podobni vitaminu E, ki prekinjajo oksidacijske verige, se nahajajo v sveži zelenjavi in sadju.

Prosti radikali reagirajo tudi z molekulami v ionskem in vodnem okolju celičnih predelkov. V ionskem okolju molekule snovi, kot so reducirani glutation, askorbinska kislina in cistein, ohranjajo antioksidativni potencial. Zaščitne lastnosti antioksidantov postanejo očitne, ko se ob izčrpanju njihovih zalog v izolirani celici opazijo značilne morfološke in funkcionalne spremembe zaradi oksidacije lipidov v celični membrani.

Vrste poškodb, ki jih povzročajo prosti radikali, niso določene le z agresivnostjo proizvedenih radikalov, temveč tudi s strukturnimi in biokemičnimi značilnostmi tarče. Na primer, v zunajceličnem prostoru prosti radikali uničujejo glikozaminoglikane glavne snovi vezivnega tkiva, kar je lahko eden od mehanizmov uničenja sklepov (na primer pri revmatoidnem artritisu). Prosti radikali spremenijo prepustnost (in s tem pregradno funkcijo) citoplazemskih membran zaradi nastanka kanalov s povečano prepustnostjo, kar vodi v kršitev vodno-ionske homeostaze celice. Menijo, da je treba bolnikom z revmatoidnim artritisom zagotoviti vitamine in mikroelemente, zlasti korekcijo pomanjkanja vitaminov in mikroelementov z oligogalom E. To je posledica dejstva, da je bila dokazana opazna aktivacija procesov peroksidacije in zaviranje antioksidativne aktivnosti, zato je zelo pomembno, da se v kompleksno terapijo vključijo bioantioksidanti z visoko antiradikalno aktivnostjo, ki vključujejo antioksidativne vitamine (E, C in A) ter mikroelement selen (Se). Dokazano je tudi, da je uporaba sintetičnega odmerka vitamina E, ki se absorbira slabše kot naravni, učinkovitejša. Na primer, odmerki vitamina E do 800 in 400 ie/dan vodijo do zmanjšanja srčno-žilnih bolezni (za 53 %). Vendar pa bo odgovor na učinkovitost antioksidantov pridobljen v velikih kontroliranih študijah (od 8.000 do 40.000 bolnikov), ki so bile izvedene leta 1997.

Zaščitne sile, ki vzdržujejo hitrost LPO na določeni ravni, vključujejo encimske sisteme, ki zavirajo peroksidacijo, in naravne antioksidante. Obstajajo 3 ravni regulacije hitrosti oksidacije prostih radikalov. Prva stopnja je antioksigenska, ki vzdržuje dokaj nizek parcialni tlak kisika v celici. To vključuje predvsem dihalne encime, ki tekmujejo za kisik. Kljub široki variabilnosti absorpcije O3 v telesu in sproščanja CO2 iz njega, pO2 in pCO2 v arterijski krvi običajno ostaneta dokaj konstantna. Druga stopnja zaščite je antiradikalska. Sestavljajo jo različne snovi, prisotne v telesu (vitamin E, askorbinska kislina, nekateri steroidni hormoni itd.), ki prekinejo procese LPO z interakcijo s prostimi radikali. Tretja stopnja je antiperoksid, ki s pomočjo ustreznih encimov ali neencimsko uničuje že nastale perokside. Vendar pa še vedno ni enotne klasifikacije in enotnih pogledov na mehanizme, ki uravnavajo hitrost reakcij prostih radikalov in delovanje zaščitnih sil, ki zagotavljajo izkoriščanje končnih produktov lipidne peroksidacije.

Domneva se, da so lahko spremembe v regulaciji reakcij LPO, odvisno od intenzivnosti in trajanja: prvič, reverzibilne s poznejšo vrnitvijo v normalno stanje, drugič, vodijo do prehoda na drugo raven avtoregulacije in tretjič, nekateri učinki ovirajo ta mehanizem samoregulacije in posledično vodijo do nezmožnosti izvajanja regulatornih funkcij. Zato je razumevanje regulatorne vloge reakcij LPO v pogojih izpostavljenosti ekstremnim dejavnikom, zlasti mrazu, nujna faza raziskav, namenjenih razvoju znanstveno utemeljenih metod za obvladovanje prilagoditvenih procesov ter kompleksne terapije, preprečevanja in rehabilitacije najpogostejših bolezni.

Eden najpogosteje uporabljenih in učinkovitih je kompleks antioksidantov, ki vključuje tokoferol, askorbat in metionin. Pri analizi mehanizma delovanja vsakega od uporabljenih antioksidantov je bilo ugotovljeno naslednje. Mikrosomi so eno glavnih mest kopičenja eksogeno vnesenega tokoferola v jetrnih celicah. Askorbinska kislina, ki se oksidira v dehidroaskorbinsko kislino, lahko deluje kot možni donor protona. Poleg tega je bila dokazana sposobnost askorbinske kisline, da neposredno interagira s singletnim kisikom, hidroksilnim radikalom in superoksidnim anionskim radikalom ter da uniči vodikov peroksid. Obstajajo tudi dokazi, da se tokoferol v mikrosomih lahko regenerira s tioli in zlasti z reduciranim glutationom.

V telesu torej obstaja več medsebojno povezanih antioksidativnih sistemov, katerih glavna vloga je vzdrževanje encimskih in neencimskih oksidativnih reakcij na ravni dinamičnega ravnovesja. Na vsaki stopnji razvoja peroksidnih reakcij obstaja specializiran sistem, ki opravlja te funkcije. Nekateri od teh sistemov so strogo specifični, drugi, kot sta glutation peroksidaza, tokoferol, pa imajo večjo širino delovanja in manjšo substratno specifičnost. Aditivna interakcija encimskih in neencimskih antioksidativnih sistemov med seboj zagotavlja odpornost telesa na ekstremne dejavnike, ki imajo prooksidativne lastnosti, tj. sposobnost ustvarjanja pogojev v telesu, ki predisponirajo za proizvodnjo aktiviranih oblik kisika in aktivacijo reakcij lipidne peroksidacije. Ni dvoma, da aktivacijo reakcij lipidne peroksidacije opazimo pod vplivom številnih okoljskih dejavnikov na telo in pri patoloških procesih različne narave. Po V. Yu. Kulikovu in sodelavcih (1988) lahko vse dejavnike, ki vplivajo na telo, odvisno od mehanizmov aktivacije reakcij lipidne peroksidacije z določeno stopnjo verjetnosti razdelimo v naslednje skupine.

Dejavniki fizikalno-kemijske narave, ki prispevajo k povečanju tkivnih prekurzorjev in neposrednih aktivatorjev reakcij LPO:

• kisik pod tlakom;
• ozon;
• dušikov oksid;
• ionizirajoče sevanje itd.

Dejavniki biološke narave:

• procesi fagocitoze;
• uničenje celic in celičnih membran;
• sistemi za ustvarjanje aktiviranih oblik kisika.

Dejavniki, ki določajo aktivnost telesnih antioksidativnih sistemov encimske in neencimske narave:

• aktivnost procesov, povezanih z indukcijo antioksidativnih sistemov encimske narave;
• genetski dejavniki, povezani z depresijo enega ali drugega encima, ki uravnava reakcije lipidne peroksidacije (pomanjkanje glutation peroksidaze, katalaze itd.);
• prehranski dejavniki (pomanjkanje tokoferola, selena, drugih mikroelementov itd. v hrani);
• struktura celičnih membran;
• narava razmerja med antioksidanti encimske in neencimske narave.

Dejavniki tveganja, ki okrepijo aktivacijo reakcij LPO:

• aktivacija kisikovega režima telesa;
• stresno stanje (mraz, visoka temperatura, hipoksija, čustveni in boleči vplivi);
• hiperlipidemija.

Tako je aktivacija reakcij LPO v telesu tesno povezana z delovanjem sistemov za transport in izkoriščanje kisika. Posebno pozornost si zaslužijo adaptogeni, vključno s široko uporabljenim elevterokokom. Pripravek iz korenine te rastline ima splošne tonične, adaptogene, antistresne, antiaterosklerotične, antidiabetične in druge lastnosti, zmanjšuje splošno obolevnost, vključno z gripo. Pri preučevanju biokemijskih mehanizmov delovanja antioksidantov pri ljudeh, živalih in rastlinah se je znatno razširil nabor patoloških stanj, za zdravljenje katerih se uporabljajo antioksidanti. Antioksidanti se uspešno uporabljajo kot adaptogeni za zaščito pred poškodbami zaradi sevanja, zdravljenje ran in opeklin, tuberkuloze, srčno-žilnih bolezni, nevropsihiatričnih motenj, novotvorb, sladkorne bolezni itd. Seveda se je povečalo zanimanje za mehanizme, ki so podlaga za takšno univerzalno delovanje antioksidantov.

Trenutno je eksperimentalno ugotovljeno, da je učinkovitost antioksidantov odvisna od njihove aktivnosti pri zaviranju lipidne peroksidacije zaradi interakcije s peroksidom in drugimi radikali, ki sprožijo LPO, ter zaradi učinkov antioksidantov na membransko strukturo, kar olajša dostop kisika do lipidov. LPO se lahko spreminja tudi s posredovanim sistemom antioksidativnega delovanja preko nevrohormonskih mehanizmov. Dokazano je, da antioksidanti vplivajo na sproščanje nevrotransmiterjev in hormonov, občutljivost receptorjev in njihovo vezavo. Sprememba koncentracije hormonov in nevrotransmiterjev pa spremeni intenzivnost LPO v ciljnih celicah, kar vodi do spremembe hitrosti katabolizma lipidov in posledično do spremembe njihove sestave. Razmerje med hitrostjo LPO in spremembo spektra membranskih fosfolipidov ima regulatorno vlogo. Podoben regulatorni sistem so našli v celičnih membranah živali, rastlin in mikrobnih organizmov. Kot je znano, sestava in fluidnost membranskih lipidov vplivata na aktivnost membranskih proteinov, encimov in receptorjev. Preko tega regulacijskega sistema antioksidanti delujejo na obnovo membrane, spremenjene v patološkem stanju organizma, normalizirajo njeno sestavo, strukturo in funkcionalno aktivnost. Spremembe v aktivnosti encimov, ki sintetizirajo makromolekule, in sestavi jedrnega matriksa s spremembo sestave membranskih lipidov, ki jih povzroča delovanje antioksidantov, je mogoče pojasniti z njihovim vplivom na sintezo DNK, RNK in beljakovin. Hkrati so se v literaturi pojavili podatki o neposredni interakciji antioksidantov z makromolekulami.

Ti podatki, pa tudi nedavno odkriti podatki o učinkovitosti antioksidantov v pikomolarnih koncentracijah, poudarjajo vlogo receptorskih poti pri njihovem učinku na celični metabolizem. V delu V. E. Kagana (1981) o mehanizmih strukturne in funkcionalne modifikacije biomembran je bilo dokazano, da odvisnost hitrosti reakcij LPO v biomembranah ni odvisna le od njihove sestave maščobnih kislin (stopnja nenasičenosti), temveč tudi od strukturne organizacije lipidne faze membran (molekularna mobilnost lipidov, moč interakcij protein-lipid in lipid-lipid). Ugotovljeno je bilo, da zaradi kopičenja produktov LPO pride do prerazporeditve lipidov v membrani: količina tekočih lipidov v bioplasti se zmanjša, količina lipidov, imobiliziranih z membranskimi beljakovinami, se zmanjša in količina urejenih lipidov v bioplasti (gruče) se poveča. V.

Pri preučevanju narave, sestave in mehanizma homeostaze antioksidativnega sistema je bilo dokazano, da manifestacijo škodljivega učinka prostih radikalov in peroksidnih spojin preprečuje kompleksen večkomponentni antioksidativni sistem (AOS), ki zagotavlja vezavo in modifikacijo radikalov, s čimer preprečuje nastanek ali uničenje peroksidov. Vključuje: hidrofilne in hidrofobne organske snovi z redukcijskimi lastnostmi; encime, ki vzdržujejo homeostazo teh snovi; antiperoksidne encime. Med naravnimi antioksidanti so lipidne (steroidni hormoni, vitamini E, A, K, flavonoidi in polifenoli (vitamin P, ubikinon) in vodotopne (nizkomolekularni tioli, askorbinska kislina) snovi. Te snovi bodisi lovijo proste radikale bodisi uničujejo peroksidne spojine.

En del tkivnih antioksidantov ima hidrofilni značaj, drugi pa hidrofoben, kar omogoča hkratno zaščito funkcionalno pomembnih molekul pred oksidanti tako v vodni kot v lipidni fazi.

Skupna količina bioantioksidantov v tkivih ustvarja "puferski antioksidativni sistem" z določeno kapaciteto, razmerje med prooksidativnim in antioksidativnim sistemom pa določa tako imenovani "antioksidativni status" organizma. Obstajajo vsi razlogi za domnevo, da tioli zasedajo posebno mesto med tkivnimi antioksidanti. To potrjujejo naslednja dejstva: visoka reaktivnost sulfhidrilnih skupin, zaradi katere se nekateri tioli oksidirajo z zelo visoko hitrostjo, odvisnost hitrosti oksidativne modifikacije SH skupin od njihovega radikalnega okolja v molekuli. Ta okoliščina nam omogoča, da iz različnih tiolnih spojin ločimo posebno skupino lahko oksidiranih snovi, ki opravljajo specifične funkcije antioksidantov: reverzibilnost oksidacijske reakcije sulfhidrilnih skupin v disulfidne skupine, kar načeloma omogoča energijsko vzdrževanje homeostaze tiolnih antioksidantov v celici brez aktiviranja njihove biosinteze; sposobnost tiolov, da kažejo tako antiradikalne kot antiperoksidne učinke. Hidrofilne lastnosti tiolov določajo njihovo visoko vsebnost v vodni fazi celice in možnost zaščite pred oksidativnimi poškodbami biološko pomembnih molekul encimov, nukleinskih kislin, hemoglobina itd. Hkrati prisotnost nepolarnih skupin v tiolnih spojinah zagotavlja možnost njihovega antioksidativnega delovanja v lipidni fazi celice. Tako tiolne spojine skupaj s snovmi lipidne narave igrajo veliko vlogo pri zaščiti celičnih struktur pred delovanjem oksidativnih dejavnikov.

Tudi askorbinska kislina je v telesnih tkivih podvržena oksidaciji. Tako kot tioli je del AOS, ki sodeluje pri vezavi prostih radikalov in uničevanju peroksidov. Askorbinska kislina, katere molekula vsebuje tako polarne kot nepolarne skupine, kaže tesno funkcionalno interakcijo z SH-glutationom in lipidnimi antioksidanti, kar krepi učinek slednjih in preprečuje lipidno peroksidacijo. Očitno imajo tiolni antioksidanti vodilno vlogo pri zaščiti glavnih strukturnih komponent bioloških membran, kot so fosfolipidi ali beljakovine, potopljene v lipidno plast.

Vodotopni antioksidanti - tiolne spojine in askorbinska kislina - pa svoje zaščitno delovanje kažejo predvsem v vodnem okolju - celični citoplazmi ali krvni plazmi. Upoštevati je treba, da je krvni sistem notranje okolje, ki igra odločilno vlogo pri nespecifičnih in specifičnih obrambnih reakcijah telesa, kar vpliva na njegovo odpornost in reaktivnost.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ]

Prosti radikali v patologiji

V literaturi se še vedno obravnava vprašanje vzročno-posledičnih povezav pri spremembah intenzivnosti lipidne peroksidacije v dinamiki razvoja bolezni. Po mnenju nekaterih avtorjev je prav kršitev stacionarnosti tega procesa glavni vzrok za navedene bolezni, drugi pa menijo, da je sprememba intenzivnosti lipidne peroksidacije posledica teh patoloških procesov, ki jih sprožijo povsem različni mehanizmi.

Raziskave, izvedene v zadnjih letih, so pokazale, da spremembe v intenzivnosti oksidacije prostih radikalov spremljajo bolezni različnega izvora, kar potrjuje tezo o splošni biološki naravi poškodb celic s prostimi radikali. Nabralo se je dovolj dokazov o patogenetski udeležbi poškodb molekul, celic, organov in telesa kot celote s prostimi radikali ter uspešnem zdravljenju s farmakološkimi zdravili, ki imajo antioksidativne lastnosti.