Slobodni radikali i antioksidansi

Otkriće slobodnih radikala i antioksidansa bilo je jednako značajna prekretnica za medicinsku znanost kao i otkriće mikroorganizama i antibiotika, jer su liječnici dobili ne samo objašnjenje za mnoge patološke procese, uključujući starenje, već i učinkovite metode za borbu protiv njih.

Posljednje desetljeće obilježio je napredak u proučavanju slobodnih radikala u biološkim objektima. Ovi procesi pokazali su se kao nužna metabolička karika u normalnom funkcioniranju tijela. Sudjeluju u reakcijama oksidativne fosforilacije, u biosintezi prostaglandina i nukleinskih kiselina, u regulaciji lipotičke aktivnosti, u procesima stanične diobe. U tijelu slobodni radikali najčešće nastaju tijekom oksidacije nezasićenih masnih kiselina, a taj je proces usko povezan s lipidnom peroksidacijom (LPO).

Što su slobodni radikali?

Slobodni radikal je molekula ili atom koji u svojoj vanjskoj orbiti ima nespareni elektron, što ga čini agresivnim i sposobnim ne samo reagirati s molekulama stanične membrane već ih i pretvarati u slobodne radikale (samoodrživa lavinska reakcija).

Radikal koji sadrži ugljik reagira s molekularnim kisikom i tvori peroksidni slobodni radikal COO.

Peroksidni radikal ekstrahira vodik iz bočnog lanca nezasićenih masnih kiselina, tvoreći lipidni hidroperoksid i još jedan radikal koji sadrži ugljik.

Lipidni hidroperoksidi povećavaju koncentraciju citotoksičnih aldehida, a radikal koji sadrži ugljik podržava reakciju stvaranja peroksidnih radikala itd. (u lancu).

Postoje različiti mehanizmi kojima nastaju slobodni radikali. Jedan od njih je učinak ionizirajućeg zračenja. U nekim situacijama, tijekom procesa molekularne redukcije kisika, dodaje se jedan elektron umjesto dva, te se stvara visoko reaktivni superoksidni anion (O). Stvaranje superoksida jedan je od obrambenih mehanizama protiv bakterijske infekcije: bez slobodnih radikala kisika, neutrofili i makrofagi ne mogu uništiti bakterije.

Prisutnost antioksidansa i u stanici i u izvanstaničnom prostoru ukazuje na to da stvaranje slobodnih radikala nije epizodna pojava uzrokovana učincima ionizirajućeg zračenja ili toksina, već stalna pojava koja prati oksidacijske reakcije u normalnim uvjetima. Glavni antioksidansi uključuju enzime skupine superoksid dismutaze (SOD), čija je funkcija katalitički pretvoriti peroksidni anion u vodikov peroksid i molekularni kisik. Budući da su superoksid dismutaze sveprisutne, razumno je pretpostaviti da je superoksidni anion jedan od glavnih nusprodukata svih oksidacijskih procesa. Katalaze i peroksidaze pretvaraju vodikov peroksid nastao tijekom dismutacije u vodu.

Glavna značajka slobodnih radikala je njihova izvanredna kemijska aktivnost. Kao da osjećaju svoju inferiornost, pokušavaju povratiti izgubljeni elektron, agresivno ga uzimajući od drugih molekula. Zauzvrat, "uvrijeđene" molekule također postaju radikali i počinju same sebe otimati, uzimajući elektrone od svojih susjeda. Bilo kakve promjene u molekuli - bilo da se radi o gubitku ili dodavanju elektrona, pojavi novih atoma ili skupina atoma - utječu na njezina svojstva. Stoga reakcije slobodnih radikala koje se događaju u bilo kojoj tvari mijenjaju fizikalna i kemijska svojstva te tvari.

Najpoznatiji primjer procesa slobodnih radikala je kvarenje ulja (užeglost). Užeglo ulje ima osebujan okus i miris, što se objašnjava pojavom novih tvari u njemu, nastalih tijekom reakcija slobodnih radikala. Najvažnije je da proteini, masti i DNK živih tkiva mogu postati sudionici reakcija slobodnih radikala. To dovodi do razvoja raznih patoloških procesa koji oštećuju tkiva, starenja i razvoja malignih tumora.

Najagresivniji od svih slobodnih radikala su slobodni kisikovi radikali. Oni mogu izazvati lavinu reakcija slobodnih radikala u živom tkivu, čije posljedice mogu biti katastrofalne. Slobodni kisikovi radikali i njihovi aktivni oblici (na primjer, lipidni peroksidi) mogu se formirati u koži i bilo kojem drugom tkivu pod utjecajem UV zračenja, nekih otrovnih tvari sadržanih u vodi i zraku. Ali najvažnije je da se aktivni oblici kisika formiraju tijekom bilo kakve upale, bilo kojeg infektivnog procesa koji se odvija u koži ili bilo kojem drugom organu, budući da su glavno oružje imunološkog sustava kojim uništava patogene mikroorganizme.

Nemoguće se sakriti od slobodnih radikala (baš kao što se nemoguće sakriti od bakterija, ali moguće se zaštititi od njih). Postoje tvari koje se odlikuju činjenicom da su njihovi slobodni radikali manje agresivni od radikala drugih tvari. Nakon što je predao svoj elektron agresoru, antioksidans ne nastoji nadoknaditi gubitak na štetu drugih molekula, odnosno to čini samo u rijetkim slučajevima. Stoga, kada slobodni radikal reagira s antioksidansom, on se pretvara u punopravnu molekulu, a antioksidans postaje slab i neaktivan radikal. Takvi radikali više nisu opasni i ne stvaraju kemijski kaos.

Što su antioksidansi?

"Antioksidansi" su zbirni pojam i, poput pojmova "antineoplastična sredstva" i "imunomodulatori", ne podrazumijevaju pripadnost nekoj specifičnoj kemijskoj skupini tvari. Njihova specifičnost je najbliža veza s oksidacijom lipida slobodnim radikalima općenito i patologijom slobodnih radikala posebno. Ovo svojstvo ujedinjuje različite antioksidanse, od kojih svaki ima svoje specifične značajke djelovanja.

Procesi oksidacije lipida slobodnim radikalima opće su biološke prirode i, prema mišljenju mnogih autora, univerzalni su mehanizam oštećenja stanica na razini membrane pri njihovoj oštroj aktivaciji. U tom slučaju, u lipidnoj fazi bioloških membrana, procesi lipidne peroksidacije uzrokuju povećanje viskoznosti i uređenosti membranskog dvosloja, mijenjaju fazna svojstva membrana i smanjuju njihov električni otpor, a također olakšavaju izmjenu fosfolipida između dva monosloja (tzv. fosfolipidni flip-flop). Pod utjecajem procesa peroksidacije inhibira se i pokretljivost membranskih proteina. Na staničnoj razini, lipidnu peroksidaciju prati oticanje mitohondrija, razdvajanje oksidativne fosforilacije (a u uznapredovalim procesima - solubilizacija membranskih struktura), što se na razini cijelog organizma očituje u razvoju tzv. patologija slobodnih radikala.

Slobodni radikali i oštećenje stanica

Danas je postalo očito da je stvaranje slobodnih radikala jedan od univerzalnih patogenetskih mehanizama u različitim vrstama oštećenja stanica, uključujući sljedeće:

• reperfuzija stanica nakon razdoblja ishemije;
• neki oblici hemolitičke anemije uzrokovane lijekovima;
• trovanje nekim herbicidima;
• upravljanje ugljikovim tetrakloridom;
• ionizirajuće zračenje;
• neki mehanizmi starenja stanica (na primjer, nakupljanje lipidnih produkata u stanici - ceroidi i lipofuscini);
• toksičnost kisika;
• aterogeneza zbog oksidacije lipoproteina niske gustoće u stanicama arterijske stijenke.

Slobodni radikali sudjeluju u procesima:

• starenje;
• karcinogeneza;
• kemijsko i medicinsko oštećenje stanica;
• upala;
• radioaktivna oštećenja;
• aterogeneza;
• toksičnost kisika i ozona.

Učinci slobodnih radikala

Oksidacija nezasićenih masnih kiselina u staničnim membranama jedan je od glavnih učinaka slobodnih radikala. Slobodni radikali također oštećuju proteine (posebno proteine koji sadrže tiol) i DNK. Morfološki ishod oksidacije lipida stanične stijenke je stvaranje polarnih kanala permeabilnosti, što povećava pasivnu permeabilnost membrane za Ca2+ ione, čiji se višak taloži u mitohondrijima. Oksidacijske reakcije obično potiskuju hidrofobni antioksidansi poput vitamina E i glutation peroksidaze. Antioksidansi slični vitaminu E koji prekidaju oksidacijske lance nalaze se u svježem povrću i voću.

Slobodni radikali također reagiraju s molekulama u ionskom i vodenom okruženju staničnih odjeljaka. U ionskom okruženju, molekule tvari poput reduciranog glutationa, askorbinske kiseline i cisteina zadržavaju antioksidativni potencijal. Zaštitna svojstva antioksidansa postaju očita kada se, nakon iscrpljivanja njihovih rezervi u izoliranoj stanici, uoče karakteristične morfološke i funkcionalne promjene zbog oksidacije lipida u staničnoj membrani.

Vrste oštećenja uzrokovanih slobodnim radikalima određene su ne samo agresivnošću proizvedenih radikala, već i strukturnim i biokemijskim karakteristikama cilja. Na primjer, u izvanstaničnom prostoru slobodni radikali uništavaju glikozaminoglikane glavne tvari vezivnog tkiva, što može biti jedan od mehanizama uništavanja zglobova (na primjer, kod reumatoidnog artritisa). Slobodni radikali mijenjaju propusnost (a time i barijernu funkciju) citoplazmatskih membrana zbog stvaranja kanala povećane propusnosti, što dovodi do kršenja homeostaze vode i iona stanice. Smatra se da je potrebno pacijentima s reumatoidnim artritisom osigurati vitamine i mikroelemente, posebno korekciju nedostatka vitamina i mikroelemenata oligogalom E. To je zbog činjenice da je dokazana primjetna aktivacija procesa peroksidacije i supresija antioksidativne aktivnosti, stoga je vrlo važno u kompleksnu terapiju uključiti bioantioksidanse s visokom antiradikalnom aktivnošću, koji uključuju antioksidativne vitamine (E, C i A) i mikroelemente selen (Se). Također je pokazano da je primjena sintetske doze vitamina E, koji se apsorbira lošije od prirodnog, učinkovita. Na primjer, doze vitamina E do 800 i 400 IU/dan dovode do smanjenja kardiovaskularnih bolesti (za 53%). Međutim, odgovor na učinkovitost antioksidansa dobit će se u velikim kontroliranim studijama (od 8 000 do 40 000 pacijenata), koje su provedene 1997. godine.

Zaštitne sile koje održavaju brzinu LPO na određenoj razini uključuju enzimske sustave koji inhibiraju peroksidaciju i prirodne antioksidanse. Postoje 3 razine regulacije brzine oksidacije slobodnih radikala. Prva faza je antioksigenska, ona održava prilično nizak parcijalni tlak kisika u stanici. To prvenstveno uključuje respiratorne enzime koji se natječu za kisik. Unatoč širokoj varijabilnosti apsorpcije O3 u tijelu i oslobađanja CO2 iz njega, pO2 i pCO2 u arterijskoj krvi normalno ostaju prilično konstantni. Druga faza zaštite je antiradikalska. Sastoji se od različitih tvari prisutnih u tijelu (vitamin E, askorbinska kiselina, neki steroidni hormoni itd.), koje prekidaju procese LPO interakcijom sa slobodnim radikalima. Treća faza je antiperoksid, koji uništava već nastale perokside uz pomoć odgovarajućih enzima ili neenzimski. Međutim, još uvijek ne postoji jedinstvena klasifikacija i jedinstveni stavovi o mehanizmima koji reguliraju brzinu reakcija slobodnih radikala i djelovanje zaštitnih sila koje osiguravaju iskorištavanje konačnih produkata lipidne peroksidacije.

Smatra se da, ovisno o intenzitetu i trajanju, promjene u regulaciji LPO reakcija mogu: prvo, biti reverzibilne s naknadnim povratkom u normalu, drugo, dovesti do prijelaza na drugu razinu autoregulacije i, treće, neki od učinaka razdvajaju ovaj mehanizam samoregulacije i, posljedično, dovode do nemogućnosti provođenja regulatornih funkcija. Zato je razumijevanje regulatorne uloge LPO reakcija u uvjetima izloženosti ekstremnim čimbenicima, posebno hladnoći, nužna faza istraživanja usmjerenog na razvoj znanstveno utemeljenih metoda za upravljanje procesima prilagodbe i kompleksnu terapiju, prevenciju i rehabilitaciju najčešćih bolesti.

Jedan od najčešće korištenih i najučinkovitijih je kompleks antioksidansa, koji uključuje tokoferol, askorbat i metionin. Analizirajući mehanizam djelovanja svakog od korištenih antioksidansa, uočeno je sljedeće. Mikrosomi su jedno od glavnih mjesta nakupljanja egzogeno unesenog tokoferola u stanicama jetre. Askorbinska kiselina, koja se oksidira u dehidroaskorbinsku kiselinu, može djelovati kao mogući donor protona. Osim toga, pokazana je sposobnost askorbinske kiseline da izravno interagira sa singletnim kisikom, hidroksilnim radikalom i superoksidnim anionskim radikalom, kao i da uništi vodikov peroksid. Također postoje dokazi da se tokoferol u mikrosomima može regenerirati tiolima, a posebno reduciranim glutationom.

Dakle, u tijelu postoji niz međusobno povezanih antioksidativnih sustava čija je glavna uloga održavanje enzimskih i neenzimskih oksidativnih reakcija na razini stabilnog stanja. U svakoj fazi razvoja peroksidnih reakcija postoji specijalizirani sustav koji obavlja te funkcije. Neki od tih sustava su strogo specifični, drugi, poput glutation peroksidaze, tokoferola, imaju veću širinu djelovanja i manju specifičnost za supstrat. Aditivnost interakcije enzimskih i neenzimskih antioksidativnih sustava jednih s drugima osigurava otpornost tijela na ekstremne čimbenike koji imaju prooksidativna svojstva, tj. sposobnost stvaranja uvjeta u tijelu koji predisponiraju proizvodnju aktiviranih oblika kisika i aktivaciju reakcija lipidne peroksidacije. Nema sumnje da se aktivacija reakcija lipidne peroksidacije opaža pod utjecajem niza okolišnih čimbenika na tijelo i u patološkim procesima različite prirode. Prema V. Yu. Kulikovu i suradnicima (1988.), ovisno o mehanizmima aktivacije LPO reakcija, svi čimbenici koji utječu na tijelo mogu se s određenim stupnjem vjerojatnosti podijeliti u sljedeće skupine.

Čimbenici fizikalno-kemijske prirode koji doprinose povećanju tkivnih prekursora i izravnih aktivatora LPO reakcija:

• kisik pod tlakom;
• ozon;
• dušikov oksid;
• ionizirajuće zračenje itd.

Čimbenici biološke prirode:

• procesi fagocitoze;
• uništavanje stanica i staničnih membrana;
• sustavi za stvaranje aktiviranih oblika kisika.

Čimbenici koji određuju aktivnost tjelesnih antioksidativnih sustava enzimske i neenzimske prirode:

• aktivnost procesa povezanih s indukcijom antioksidativnih sustava enzimske prirode;
• genetski čimbenici povezani s depresijom jednog ili drugog enzima koji regulira reakcije lipidne peroksidacije (nedostatak glutation peroksidaze, katalaze itd.);
• nutritivni čimbenici (nedostatak tokoferola, selena, drugih mikroelemenata itd. u hrani);
• struktura staničnih membrana;
• priroda odnosa između antioksidansa enzimske i neenzimske prirode.

Čimbenici rizika koji potenciraju aktivaciju LPO reakcija:

• aktivacija kisikovog režima tijela;
• stanje stresa (hladnoća, visoka temperatura, hipoksija, emocionalni i bolni utjecaj);
• hiperlipidemija.

Dakle, aktivacija LPO reakcija u tijelu usko je povezana s funkcioniranjem sustava za transport i iskorištavanje kisika. Adaptogeni zaslužuju posebnu pozornost, uključujući široko korišteni eleuterokok. Pripravak iz korijena ove biljke ima opće toničko, adaptogeno, antistresno, antiaterosklerotsko, antidijabetičko i druga svojstva, smanjuje opći morbiditet, uključujući gripu. Prilikom proučavanja biokemijskih mehanizama djelovanja antioksidansa kod ljudi, životinja i biljaka, raspon patoloških stanja za čije se liječenje koriste antioksidansi značajno se proširio. Antioksidansi se uspješno koriste kao adaptogeni za zaštitu od oštećenja zračenjem, liječenje rana i opeklina, tuberkuloze, kardiovaskularnih bolesti, neuropsihijatrijskih poremećaja, neoplazmi, dijabetesa itd. Naravno, interes za mehanizme koji leže u osnovi takvog univerzalnog djelovanja antioksidansa se povećao.

Trenutno je eksperimentalno utvrđeno da je učinkovitost antioksidansa određena njihovom aktivnošću u inhibiranju lipidne peroksidacije zbog interakcije s peroksidom i drugim radikalima koji iniciraju LPO, kao i zbog učinaka antioksidansa na strukturu membrane, olakšavajući pristup kisika lipidima. LPO se također može mijenjati posredovanim sustavom antioksidativnog djelovanja putem neurohormonalnih mehanizama. Pokazalo se da antioksidansi utječu na oslobađanje neurotransmitera i hormona, osjetljivost receptora i njihovo vezanje. Zauzvrat, promjena koncentracije hormona i neurotransmitera mijenja intenzitet LPO u ciljnim stanicama, što dovodi do promjene brzine katabolizma lipida i, posljedično, do promjene njihovog sastava. Odnos između brzine LPO i promjene spektra membranskih fosfolipida igra regulatornu ulogu. Sličan regulatorni sustav pronađen je u staničnim membranama životinja, biljaka i mikrobnih organizama. Kao što je poznato, sastav i fluidnost membranskih lipida utječu na aktivnost membranskih proteina, enzima i receptora. Kroz ovaj regulacijski sustav, antioksidansi djeluju na reparaciju membrane, promijenjene u patološkom stanju organizma, normaliziraju njezin sastav, strukturu i funkcionalnu aktivnost. Promjene u aktivnosti enzima koji sintetiziraju makromolekule i sastavu nuklearne matrice s promjenom sastava membranskih lipida uzrokovane djelovanjem antioksidansa mogu se objasniti njihovim utjecajem na sintezu DNA, RNA, proteina. Istovremeno, u literaturi su se pojavili podaci o izravnoj interakciji antioksidansa s makromolekulama.

Ovi podaci, kao i nedavno otkriveni podaci o učinkovitosti antioksidansa u pikomolarnim koncentracijama, ističu ulogu receptorskih putova u njihovom učinku na stanični metabolizam. U radu V. E. Kagana (1981.) o mehanizmima strukturne i funkcionalne modifikacije biomembrana, pokazano je da ovisnost brzine LPO reakcija u biomembranama ovisi ne samo o njihovom sastavu masnih kiselina (stupanj nezasićenosti), već i o strukturnoj organizaciji lipidne faze membrana (molekularna pokretljivost lipida, snaga interakcija protein-lipid i lipid-lipid). Utvrđeno je da kao rezultat nakupljanja LPO produkata dolazi do preraspodjele lipida u membrani: smanjuje se količina tekućih lipida u biosloju, smanjuje se količina lipida imobiliziranih membranskim proteinima, a povećava se količina uređenih lipida u biosloju (klasteri). V.

Prilikom proučavanja prirode, sastava i mehanizma homeostaze antioksidativnog sustava, pokazano je da se manifestacija štetnog učinka slobodnih radikala i peroksidnih spojeva sprječava složenim višekomponentnim antioksidativnim sustavom (AOS), koji omogućuje vezanje i modifikaciju radikala, sprječavajući stvaranje ili uništavanje peroksida. Uključuje: hidrofilne i hidrofobne organske tvari s redukcijskim svojstvima; enzime koji održavaju homeostazu tih tvari; antiperoksidne enzime. Među prirodnim antioksidansima nalaze se lipidne (steroidni hormoni, vitamini E, A, K, flavonoidi i polifenoli vitamin P, ubikinon) i tvari topljive u vodi (niskomolekularni tioli, askorbinska kiselina). Ove tvari ili hvataju slobodne radikale ili uništavaju peroksidne spojeve.

Jedan dio tkivnih antioksidansa ima hidrofilni karakter, a drugi - hidrofoban, što omogućuje istovremenu zaštitu funkcionalno važnih molekula od oksidacijskih sredstava i u vodenoj i u lipidnoj fazi.

Ukupna količina bioantioksidansa stvara "puferski antioksidativni sustav" u tkivima, koji ima određeni kapacitet, a omjer prooksidativnog i antioksidativnog sustava određuje takozvani "antioksidativni status" organizma. Postoje svi razlozi za vjerovanje da tioli zauzimaju posebno mjesto među tkivnim antioksidansima. To potvrđuju sljedeće činjenice: visoka reaktivnost sulfhidrilnih skupina, zbog koje se neki tioli oksidiraju vrlo velikom brzinom, ovisnost brzine oksidativne modifikacije SH skupina o njihovom radikalnom okruženju u molekuli. Ova okolnost omogućuje nam da iz mnoštva tiolnih spojeva izdvojimo posebnu skupinu lako oksidiranih tvari koje obavljaju specifične funkcije antioksidansa: reverzibilnost oksidacijske reakcije sulfhidrilnih skupina u disulfidne skupine, što u principu omogućuje energetsko održavanje homeostaze tiolnih antioksidansa u stanici bez aktiviranja njihove biosinteze; sposobnost tiola da pokazuju i antiradikalske i antiperoksidne učinke. Hidrofilna svojstva tiola određuju njihov visok udio u vodenoj fazi stanice i mogućnost zaštite od oksidativnog oštećenja biološki važnih molekula enzima, nukleinskih kiselina, hemoglobina itd. Istovremeno, prisutnost nepolarnih skupina u tiolnim spojevima osigurava mogućnost njihovog antioksidativnog djelovanja u lipidnoj fazi stanice. Dakle, uz tvari lipidne prirode, tiolni spojevi imaju opsežnu ulogu u zaštiti staničnih struktura od djelovanja oksidativnih faktora.

Askorbinska kiselina također je podložna oksidaciji u tjelesnim tkivima. Poput tiola, dio je AOS-a, sudjelujući u vezanju slobodnih radikala i uništavanju peroksida. Askorbinska kiselina, čija molekula sadrži i polarne i nepolarne skupine, pokazuje blisku funkcionalnu interakciju s SH-glutationom i lipidnim antioksidansima, pojačavajući učinak potonjih i sprječavajući lipidnu peroksidaciju. Očito je da tiolni antioksidansi igraju vodeću ulogu u zaštiti glavnih strukturnih komponenti bioloških membrana, poput fosfolipida ili proteina uronjenih u lipidni sloj.

Zauzvrat, antioksidansi topljivi u vodi - tiolni spojevi i askorbinska kiselina - pokazuju svoje zaštitno djelovanje uglavnom u vodenom okruženju - citoplazmi stanica ili krvnoj plazmi. Treba imati na umu da je krvni sustav unutarnje okruženje koje igra odlučujuću ulogu u nespecifičnim i specifičnim reakcijama obrane tijela, utječući na njegovu otpornost i reaktivnost.

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

Slobodni radikali u patologiji

Pitanje uzročno-posljedičnih odnosa u promjenama intenziteta lipidne peroksidacije u dinamici razvoja bolesti još se uvijek raspravlja u literaturi. Prema nekim autorima, upravo je narušavanje stacionarnosti ovog procesa glavni uzrok naznačenih bolesti, dok drugi smatraju da je promjena intenziteta lipidne peroksidacije posljedica tih patoloških procesa pokrenutih potpuno različitim mehanizmima.

Istraživanja provedena posljednjih godina pokazala su da promjene u intenzitetu oksidacije slobodnih radikala prate bolesti različite geneze, što potvrđuje tezu o općoj biološkoj prirodi oštećenja stanica slobodnim radikalima. Nakupilo se dovoljno dokaza o patogenetskom sudjelovanju oštećenja molekula, stanica, organa i tijela u cjelini slobodnim radikalima te uspješnom liječenju farmakološkim lijekovima koji imaju antioksidativna svojstva.