Слободни радикали и антиоксиданти

Откриће слободних радикала и антиоксиданата било је подједнако значајна прекретница за медицинску науку као и откриће микроорганизама и антибиотика, јер су лекари добили не само објашњење за многе патолошке процесе, укључујући старење, већ и ефикасне методе за борбу против њих.

Последњу деценију обележио је напредак у проучавању слободних радикала у биолошким објектима. Ови процеси су се показали као неопходна метаболичка карика у нормалном функционисању организма. Они учествују у реакцијама оксидативне фосфорилације, у биосинтези простагландина и нуклеинских киселина, у регулацији липотичке активности, у процесима ћелијске деобе. У организму, слободни радикали најчешће настају током оксидације незасићених масних киселина, а овај процес је уско повезан са липидном пероксидацијом (ЛПО).

Шта су слободни радикали?

Слободни радикал је молекул или атом који има неспарени електрон у својој спољашњој орбити, што га чини агресивним и способним не само да реагује са молекулима ћелијске мембране већ и да их претвара у слободне радикале (самодржива лавинска реакција).

Радикал који садржи угљеник реагује са молекуларним кисеоником и формира слободни пероксидни радикал COO.

Пероксидни радикал екстрахује водоник из бочног ланца незасићених масних киселина, формирајући липидни хидропероксид и још један радикал који садржи угљеник.

Липидни хидропероксиди повећавају концентрацију цитотоксичних алдехида, а радикал који садржи угљеник подржава реакцију формирања пероксидних радикала итд. (у ланцу).

Постоје различити механизми којима се формирају слободни радикали. Један од њих је ефекат јонизујућег зрачења. У неким ситуацијама, током процеса молекуларне редукције кисеоника, додаје се један електрон уместо два, и формира се високо реактивни супероксидни анјон (O). Формирање супероксида је један од одбрамбених механизама против бактеријске инфекције: без слободних радикала кисеоника, неутрофили и макрофаги не могу уништити бактерије.

Присуство антиоксиданата како у ћелији тако и у ванћелијском простору указује на то да формирање слободних радикала није епизодна појава узрокована ефектима јонизујућег зрачења или токсина, већ константна појава која прати реакције оксидације под нормалним условима. Главни антиоксиданси укључују ензиме групе супероксид дисмутазе (СОД), чија је функција каталитички претварање пероксидног ањона у водоник-пероксид и молекуларни кисеоник. Пошто су супероксид дисмутазе свеприсутне, разумно је претпоставити да је супероксидни ањон један од главних нуспроизвода свих процеса оксидације. Каталазе и пероксидазе претварају водоник-пероксид настао током дисмутације у воду.

Главна карактеристика слободних радикала је њихова изузетна хемијска активност. Као да осећају своју инфериорност, они покушавају да поврате изгубљени електрон, агресивно га узимајући од других молекула. Заузврат, „увређени“ молекули такође постају радикали и почињу да пљачкају саме себе, узимајући електроне од својих суседа. Било какве промене у молекулу – било да је то губитак или додавање електрона, појава нових атома или група атома – утичу на његова својства. Стога, реакције слободних радикала које се дешавају у било којој супстанци мењају физичка и хемијска својства те супстанце.

Најпознатији пример процеса слободних радикала је кварење (ужеглост) уља. Ужегло уље има специфичан укус и мирис, што се објашњава појавом нових супстанци у њему, насталих током реакција слободних радикала. Најважније је да протеини, масти и ДНК живих ткива могу постати учесници у реакцијама слободних радикала. То доводи до развоја различитих патолошких процеса који оштећују ткива, старења и развоја малигних тумора.

Најагресивнији од свих слободних радикала су слободни кисеонични радикали. Они могу изазвати лавину реакција слободних радикала у живом ткиву, чије последице могу бити катастрофалне. Слободни кисеонични радикали и њихови активни облици (на пример, липидни пероксиди) могу се формирати у кожи и било ком другом ткиву под утицајем УВ зрачења, неких токсичних супстанци садржаних у води и ваздуху. Али најважније је да се активни облици кисеоника формирају током било какве упале, било ког инфективног процеса који се одвија у кожи или било ком другом органу, јер су они главно оружје имуног система, којим он уништава патогене микроорганизме.

Немогуће је сакрити се од слободних радикала (као што је немогуће сакрити се од бактерија, али је могуће заштитити се од њих). Постоје супстанце које се одликују тиме што су њихови слободни радикали мање агресивни од радикала других супстанци. Након што је предао свој електрон агресору, антиоксидант не тежи да надокнади губитак на рачун других молекула, или боље речено, то чини само у ретким случајевима. Стога, када слободни радикал реагује са антиоксидантом, он се претвара у пуноправни молекул, а антиоксидант постаје слаб и неактиван радикал. Такви радикали више нису опасни и не стварају хемијски хаос.

Шта су антиоксиданси?

„Антиоксиданти“ су колективни термин и, као и термини као што су „антинеопластични агенси“ и „имуномодулатори“, не подразумевају припадност било којој специфичној хемијској групи супстанци. Њихова специфичност је најближа веза са оксидацијом липида изазваном слободним радикалима уопште и патологијом слободних радикала посебно. Ово својство обједињује различите антиоксиданте, од којих сваки има своје специфичне карактеристике деловања.

Процеси оксидације слободних радикала липида су опште биолошке природе и, по мишљењу многих аутора, представљају универзални механизам оштећења ћелија на нивоу мембране при њиховој оштрој активацији. У овом случају, у липидној фази биолошких мембрана, процеси липидне пероксидације изазивају повећање вискозности и уређености мембранског двослоја, мењају фазне особине мембрана и смањују њихов електрични отпор, а такође олакшавају размену фосфолипида између два монослоја (тзв. фосфолипидни флип-флоп). Под утицајем процеса пероксидације, инхибира се и мобилност мембранских протеина. На ћелијском нивоу, липидна пероксидација је праћена отицањем митохондрија, раздвајањем оксидативне фосфорилације (а у узнапредовалим процесима - солубилизацијом мембранских структура), што се на нивоу целог организма манифестује у развоју такозваних патологија слободних радикала.

Слободни радикали и оштећење ћелија

Данас је постало очигледно да је формирање слободних радикала један од универзалних патогенетских механизама код различитих врста оштећења ћелија, укључујући следеће:

• реперфузија ћелија након периода исхемије;
• неки облици хемолитичке анемије изазване лековима;
• тровање неким хербицидима;
• управљање угљен-тетрахлоридом;
• јонизујуће зрачење;
• неки механизми старења ћелија (на пример, акумулација липидних производа у ћелији - цероиди и липофусцини);
• токсичност кисеоника;
• атерогенеза услед оксидације липопротеина ниске густине у ћелијама артеријског зида.

Слободни радикали учествују у процесима:

• старење;
• канцерогенеза;
• хемијско и медицинско оштећење ћелија;
• запаљење;
• радиоактивна оштећења;
• атерогенеза;
• токсичност кисеоника и озона.

Ефекти слободних радикала

Оксидација незасићених масних киселина у ћелијским мембранама један је од главних ефеката слободних радикала. Слободни радикали такође оштећују протеине (посебно протеине који садрже тиол) и ДНК. Морфолошки исход оксидације липида ћелијског зида је формирање поларних канала пермеабилности, што повећава пасивну пермеабилност мембране за Ca2+ јоне, чији се вишак таложи у митохондријама. Реакције оксидације обично су сузбијене хидрофобним антиоксидансима као што су витамин Е и глутатион пероксидаза. Антиоксиданси слични витамину Е који прекидају ланце оксидације налазе се у свежем поврћу и воћу.

Слободни радикали такође реагују са молекулима у јонском и воденом окружењу ћелијских одељака. У јонском окружењу, молекули супстанци као што су редуковани глутатион, аскорбинска киселина и цистеин задржавају антиоксидативни потенцијал. Заштитна својства антиоксиданата постају очигледна када се, након исцрпљивања њихових резерви у изолованој ћелији, примете карактеристичне морфолошке и функционалне промене услед оксидације липида у ћелијској мембрани.

Врсте оштећења изазваних слободним радикалима одређене су не само агресивношћу произведених радикала, већ и структурним и биохемијским карактеристикама мете. На пример, у екстрацелуларном простору, слободни радикали уништавају гликозаминогликане главне супстанце везивног ткива, што може бити један од механизама уништавања зглобова (на пример, код реуматоидног артритиса). Слободни радикали мењају пропустљивост (а самим тим и баријерну функцију) цитоплазматских мембрана због формирања канала повећане пропустљивости, што доводи до кршења водено-јонске хомеостазе ћелије. Сматра се да је неопходно пацијентима са реуматоидним артритисом обезбедити витамине и микроелементе, посебно корекцију недостатка витамина и микроелемената олигогалом Е. То је због чињенице да је доказана приметна активација процеса пероксидације и сузбијање антиоксидативне активности, па је веома важно укључити биоантиоксиданте са високом антирадикалном активношћу у комплексну терапију, који укључују антиоксидативне витамине (Е, Ц и А) и микроелементе селен (Se). Такође је показано да употреба синтетичке дозе витамина Е, који се лошије апсорбује од природног, побољшава... На пример, дозе витамина Е до 800 и 400 ИЈ/дан доводе до смањења кардиоваскуларних болести (за 53%). Међутим, одговор на ефикасност антиоксиданата добиће се у великим контролисаним студијама (од 8.000 до 40.000 пацијената), које су спроведене 1997. године.

Заштитне силе које одржавају брзину ЛПО на одређеном нивоу укључују ензимске системе који инхибирају пероксидацију и природне антиоксиданте. Постоје 3 нивоа регулације брзине оксидације слободних радикала. Прва фаза је антиоксигенска, она одржава прилично низак парцијални притисак кисеоника у ћелији. Ово првенствено укључује респираторне ензиме који се такмиче за кисеоник. Упркос широкој варијабилности апсорпције О3 у телу и ослобађања ЦО2 из њега, pO2 и pCO2 у артеријској крви нормално остају прилично константни. Друга фаза заштите је антирадикалска. Састоји се од различитих супстанци присутних у телу (витамин Е, аскорбинска киселина, неки стероидни хормони, итд.), које прекидају процесе ЛПО интеракцијом са слободним радикалима. Трећа фаза је антипероксидна, која уништава већ формиране пероксиде уз помоћ одговарајућих ензима или неензимски. Међутим, још увек не постоји јединствена класификација и јединствени ставови о механизмима који регулишу брзину реакција слободних радикала и деловање заштитних сила које обезбеђују искоришћавање коначних производа липидне пероксидације.

Сматра се да, у зависности од интензитета и трајања, промене у регулацији ЛПО реакција могу: прво, бити реверзибилне са накнадним повратком у нормалу, друго, довести до преласка на други ниво ауторегулације и, треће, неки од ефеката разједињују овај механизам саморегулације, и, последично, доводе до немогућности спровођења регулаторних функција. Зато је разумевање регулаторне улоге ЛПО реакција у условима излагања екстремним факторима, посебно хладноћи, неопходна фаза истраживања усмереног на развој научно утемељених метода за управљање процесима адаптације и комплексну терапију, превенцију и рехабилитацију најчешћих болести.

Један од најчешће коришћених и најефикаснијих је комплекс антиоксиданата, који укључује токоферол, аскорбат и метионин. Анализирајући механизам деловања сваког од коришћених антиоксиданата, примећено је следеће. Микрозоми су једно од главних места акумулације егзогено унетог токоферола у ћелијама јетре. Аскорбинска киселина, која се оксидује у дехидроаскорбинску киселину, може деловати као могући донор протона. Поред тога, показана је способност аскорбинске киселине да директно интерагује са синглетним кисеоником, хидроксил радикалом и супероксидним анјон радикалом, као и да уништи водоник-пероксид. Такође постоје докази да се токоферол у микрозомима може регенерисати тиолима и, посебно, редукованим глутатионом.

Дакле, у телу постоји низ међусобно повезаних антиоксидативних система, чија је главна улога одржавање ензимских и неензимских оксидативних реакција на стабилном нивоу. У свакој фази развоја пероксидних реакција постоји специјализовани систем који обавља ове функције. Неки од ових система су строго специфични, други, попут глутатион пероксидазе, токоферола, имају већу ширину деловања и мању специфичност супстрата. Адитивност интеракције ензимских и неензимских антиоксидативних система једни са другима обезбеђује отпорност организма на екстремне факторе који имају прооксидативна својства, односно способност стварања услова у организму који предиспонира производњу активираних облика кисеоника и активацију реакција липидне пероксидације. Нема сумње да се активација реакција липидне пероксидације примећује под утицајем низа фактора околине на организам и у патолошким процесима различите природе. Према В. Ју. Куликову и др. (1988), у зависности од механизама активације ЛПО реакција, сви фактори који утичу на организам могу се са одређеним степеном вероватноће поделити у следеће групе.

Фактори физичко-хемијске природе који доприносе повећању ткивних прекурсора и директних активатора ЛПО реакција:

• кисеоник под притиском;
• озон;
• азотни оксид;
• јонизујуће зрачење итд.

Фактори биолошке природе:

• процеси фагоцитозе;
• уништавање ћелија и ћелијских мембрана;
• системи за генерисање облика активног кисеоника.

Фактори који одређују активност антиоксидативних система организма ензимске и неензимске природе:

• активност процеса повезаних са индукцијом антиоксидативних система ензимске природе;
• генетски фактори повезани са депресијом једног или другог ензима који регулише реакције липидне пероксидације (недостатак глутатион пероксидазе, каталазе итд.);
• нутритивни фактори (недостатак токоферола, селена, других микроелемената итд. у храни);
• структура ћелијских мембрана;
• природа односа између антиоксиданата ензимске и неензимске природе.

Фактори ризика који појачавају активацију ЛПО реакција:

• активација кисеоничког режима тела;
• стање стреса (хладноћа, висока температура, хипоксија, емоционални и болни утицај);
• хиперлипидемија.

Дакле, активација ЛПО реакција у организму је уско повезана са функционисањем система за транспорт и коришћење кисеоника. Посебну пажњу заслужују адаптогени, укључујући и широко коришћени елеутерокок. Препарат из корена ове биљке има опште тоничка, адаптогена, антистресна, антиатеросклеротска, антидијабетичка и друга својства, смањује општи морбидитет, укључујући и грип. Приликом проучавања биохемијских механизама деловања антиоксиданата код људи, животиња и биљака, значајно се проширио спектар патолошких стања за чије лечење се користе антиоксиданти. Антиоксиданти се успешно користе као адаптогени за заштиту од оштећења од зрачења, лечење рана и опекотина, туберкулозе, кардиоваскуларних болести, неуропсихијатријских поремећаја, неоплазми, дијабетеса итд. Наравно, интересовање за механизме који леже у основи таквог универзалног деловања антиоксиданата је порасло.

Тренутно је експериментално утврђено да је ефикасност антиоксиданата одређена њиховом активношћу у инхибирању липидне пероксидације услед интеракције са пероксидом и другим радикалима који покрећу ЛПО, као и због дејства антиоксиданата на структуру мембране, олакшавајући приступ кисеоника липидима. ЛПО се такође може мењати посредованим системом антиоксидативног деловања путем неурохормоналних механизама. Показано је да антиоксиданти утичу на ослобађање неуротрансмитера и хормона, осетљивост рецептора и њихово везивање. Заузврат, промена концентрације хормона и неуротрансмитера мења интензитет ЛПО у циљним ћелијама, што доводи до промене брзине катаболизма липида и, као последица тога, до промене њиховог састава. Однос између брзине ЛПО и промене спектра мембранских фосфолипида игра регулаторну улогу. Сличан регулаторни систем је пронађен у ћелијским мембранама животиња, биљака и микробних организама. Као што је познато, састав и флуидност мембранских липида утичу на активност мембранских протеина, ензима и рецептора. Кроз овај систем регулације, антиоксиданти делују на репарацију мембране, измењене у патолошком стању организма, нормализују њен састав, структуру и функционалну активност. Промене у активности ензима који синтетишу макромолекуле и саставу нуклеарног матрикса са променом састава мембранских липида изазване дејством антиоксиданата могу се објаснити њиховим утицајем на синтезу ДНК, РНК, протеина. Истовремено, у литератури су се појавили подаци о директној интеракцији антиоксиданата са макромолекулима.

Ови подаци, као и недавно откривени подаци о ефикасности антиоксиданата у пикомоларним концентрацијама, истичу улогу рецепторских путева у њиховом дејству на ћелијски метаболизам. У раду В. Е. Кагана (1981) о механизмима структурне и функционалне модификације биомембрана, показано је да зависност брзине ЛПО реакција у биомембранама зависи не само од њиховог састава масних киселина (степен незасићености), већ и од структурне организације липидне фазе мембрана (молекуларне покретљивости липида, јачине протеин-липидних и липид-липидних интеракција). Утврђено је да као резултат акумулације ЛПО продуката долази до прерасподеле липида у мембрани: количина течних липида у биослоју се смањује, количина липида имобилисаних мембранским протеинима се смањује, а количина уређених липида у биослоју (кластери) се повећава. В.

Приликом проучавања природе, састава и механизма хомеостазе антиоксидативног система, показано је да манифестацију штетног дејства слободних радикала и пероксидних једињења спречава сложени вишекомпонентни антиоксидативни систем (АОС), који обезбеђује везивање и модификацију радикала, спречавајући стварање или уништавање пероксида. Он обухвата: хидрофилне и хидрофобне органске супстанце са редукујућим својствима; ензиме који одржавају хомеостазу ових супстанци; антипероксидне ензиме. Међу природним антиоксидансима постоје липидне (стероидни хормони, витамини Е, А, К, флавоноиди и полифеноли витамин П, убихинон) и супстанце растворљиве у води (нискомолекуларни тиоли, аскорбинска киселина) супстанце. Ове супстанце или хватају слободне радикале или уништавају пероксидна једињења.

Један део ткивних антиоксиданата има хидрофилни карактер, други - хидрофобни, што омогућава истовремену заштиту функционално важних молекула од оксидационих средстава и у воденој и у липидној фази.

Укупна количина биоантиоксиданата ствара „пуферски антиоксидативни систем“ у ткивима, који има одређени капацитет, а однос прооксидантног и антиоксидативног система одређује такозвани „антиоксидативни статус“ организма. Постоје сви разлози да се верује да тиоли заузимају посебно место међу ткивним антиоксидансима. То потврђују следеће чињенице: висока реактивност сулфхидрилних група, због које се неки тиоли оксидују веома великом брзином, зависност брзине оксидативне модификације SH група од њиховог радикалног окружења у молекулу. Ова околност нам омогућава да издвојимо посебну групу лако оксидованих супстанци из различитих тиолних једињења, која обављају специфичне функције антиоксиданата: реверзибилност реакције оксидације сулфхидрилних група у дисулфидне групе, што омогућава, у принципу, енергетски одржавање хомеостазе тиолних антиоксиданата у ћелији без активирања њихове биосинтезе; способност тиола да показују и антирадикалне и антипероксидне ефекте. Хидрофилна својства тиола одређују њихов висок садржај у воденој фази ћелије и могућност заштите од оксидативног оштећења биолошки важних молекула ензима, нуклеинских киселина, хемоглобина итд. Истовремено, присуство неполарних група у тиолним једињењима осигурава могућност њихове антиоксидативне активности у липидној фази ћелије. Дакле, заједно са супстанцама липидне природе, тиолна једињења имају опсежно учешће у заштити ћелијских структура од дејства оксидационих фактора.

Аскорбинска киселина је такође подложна оксидацији у телесним ткивима. Као и тиоли, она је део АОС-а, учествујући у везивању слободних радикала и уништавању пероксида. Аскорбинска киселина, чији молекул садржи и поларне и неполарне групе, показује блиску функционалну интеракцију са SH-глутатионом и липидним антиоксидансима, појачавајући ефекат потоњих и спречавајући липидну пероксидацију. Очигледно је да тиолни антиоксиданси играју водећу улогу у заштити главних структурних компоненти биолошких мембрана, као што су фосфолипиди или протеини уроњени у липидни слој.

Заузврат, водорастворљиви антиоксиданти - тиолна једињења и аскорбинска киселина - показују своје заштитно дејство углавном у воденој средини - ћелијској цитоплазми или крвној плазми. Треба имати на уму да је крвни систем унутрашња средина која игра одлучујућу улогу у неспецифичним и специфичним реакцијама одбране организма, утичући на његову отпорност и реактивност.

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

Слободни радикали у патологији

Питање узрочно-последичних веза у променама интензитета липидне пероксидације у динамици развоја болести се и даље разматра у литератури. Према неким ауторима, управо је нарушавање стационарности овог процеса главни узрок назначених болести, док други сматрају да је промена интензитета липидне пероксидације последица ових патолошких процеса покренутих потпуно различитим механизмима.

Истраживања спроведена последњих година показала су да промене у интензитету оксидације слободних радикала прате болести различите генезе, што потврђује тезу о општој биолошкој природи оштећења ћелија слободним радикалима. Накупило се довољно доказа о патогенетском учешћу оштећења молекула, ћелија, органа и тела у целини слободним радикалима и успешном лечењу фармаколошким лековима који имају антиоксидативна својства.