Voľné radikály Anatómia a fyziológia

Voľné radikály sú atómy alebo molekuly, ktoré obsahujú nepárne elektróny. Elektróny zvyčajne existujú v pároch so špecifickými dráhami v atómoch alebo molekulách. Voľné radikály, ktoré obsahujú na jednej obežnej dráhe iba jeden elektrón, sú nestabilné voči strate alebo zisku ďalšieho elektrónu, takže všetky elektróny v atóme alebo molekule budú v pároch.

Oxidačný stres odkazuje na nerovnováhu, ktorá uprednostňuje prooxidanty pred antioxidantmi. Zvýšený oxidačný stres môže viesť k rozsiahlemu poškodeniu lipidov, bielkovín a DNA. Tento proces sa zúčastňuje na starnutí a patogenéze chorôb, ako sú ateroskleróza, rakovina, cukrovka, cerebrovaskulárne choroby, katarakta, Parkinsonova choroba, Alzheimerova choroba, reumatoidná artritída a svalová dystrofia. Nekontrolovaná tvorba voľných radikálov počas cvičenia vyvoláva poškodenie a únavu svalov.

Teória voľných radikálov kyslíka bol známy pred 50 rokmi, avšak až v posledných dvoch desaťročiach bola objavená ich úloha pri vývoji chorôb, a tým aj blahodarné účinky antioxidantov na zdravie. (4)

Voľné radikály hrajú dôležitú úlohu v mnohých biologických procesoch. Mnohé z nich sú nevyhnutné pre život, napríklad intracelulárna deštrukcia baktérií fagocytmi, ako sú granulocyty a makrofágy. Vedci sa domnievajú, že voľné radikály sú tiež zapojené do niektorých bunkových signalizačných procesov, známych ako redoxná signalizácia.

Hlavné voľné radikály kyslíka sú superoxid a hydroxylový radikál. Vychádzajú z molekulárny kyslík za podmienok chemickej redukcie. Vďaka svojej reaktivite sa tieto voľné radikály môžu podieľať na nežiaducich vedľajších účinkoch s poškodením buniek. Nadmerné množstvo týchto voľných radikálov môže viesť k poškodeniu buniek a apoptóze, čo prispieva k mnohým chorobám, ako sú: rakovina, mŕtvica, infarkt myokardu, cukrovka a ďalšie významné podmienky. Mnoho druhov rakoviny sa považuje za výsledok reakcií medzi voľnými radikálmi a DNA, ktoré vedú k mutáciám, ktoré môžu ovplyvniť bunkový cyklus a viesť k neoplázii.

Pretože voľné radikály sú nevyhnutné pre život, telo má množstvo enzymatických mechanizmov na minimalizáciu radikálne vyvolaného poškodenia a opravy. Antioxidanty hrajú v týchto obranných mechanizmoch kľúčovú úlohu. U zdravých organizmov sa ochrana pred negatívnymi účinkami reaktívnych foriem kyslíka zaisťuje udržiavaním krehkej rovnováhy medzi oxidantmi a antioxidantmi. Kontinuálna produkcia voľných radikálov v aeróbnych organizmoch sa teda musí rovnať podobnej miere spotreby antioxidantov. Enzymatické alebo neenzymatické antioxidanty sú látky, ktoré zabraňujú tvorbe voľných radikálov, vyhľadávajú ich a neutralizujú alebo naprávajú nimi spôsobené škody. Ochrana pred oxidačným poškodením a niektorými chronickými chorobami sa dosahuje pomocou rôznych endogénnych a exogénnych antioxidantov.

Klasifikácia voľných radikálov

Existujú dve bežné formy voľných radikálov: reaktívne formy kyslíka (ROS) a reaktívne formy dusíka (RNS). Príklady ROS zahŕňajú: superoxidový anión, peroxid vodíka, vysoko reaktívny hydroxylový radikál a peroxylový radikál. RNS sa často považujú za podtriedu ROS a zahŕňajú: oxid dusnatý, oxid dusný, peroxynitrit, nitroxylový anión a kyselinu peroxynitrickú.

Oxid dusnatý sa vyrába v biologickom systéme syntetázou oxidu dusnatého. Enzým pôsobí ako katalyzátor na premenu L-arginínu a L-citrulínu na oxid dusnatý. Oxid dusnatý je neelektricky nabitá lipofilná molekula, ktorá obsahuje jediný párový elektrón, ktorý reaguje s superoxidovými radikálmi a produkuje peroxynitrit, ktorý znižuje biologickú aktivitu oxidu dusnatého. Oxid dusnatý pôsobí ako mediátor vaskulárnych funkcií, spôsobuje rozšírenie krvných ciev a relaxáciu hladkého svalstva. (2)
Reaktívne formy dusíka pôsobia spolu s ROS v bunkových léziách a spôsobujú ich nitrózny stres, ku ktorej dochádza, keď biologický systém nedokáže neutralizovať a eliminovať reaktívne formy dusíka. Nastávajú nitrosilačné reakcie, ktoré ovplyvňujú štruktúru bielkovín a inhibujú ich funkciu.

Peroxynitritový anión je oxidačné činidlo, ktoré spôsobuje fragmentáciu DNA a oxidáciu lipidov.

Superoxidový anión vyrába sa hlavne v mitochondriách. Molekulárny kyslík vytvára superoxidový aniónový radikál pridaním elektrónu k dioxygénu. Mitochondriálny transportný reťazec elektrónov je hlavným zdrojom tvorby ATP v biologickom systéme. Počas energetickej transdukcie uniká malé množstvo elektrónov a vytvára radikál superoxidového aniónu, ktorý sa podieľa na patofyziológii mnohých chorôb.

Hydroxylový radikál je neutrálna forma hydroxidového iónu, je vysoko reaktívny, nebezpečný radikál s veľmi krátkou životnosťou. V strese nadbytočný oxid uhličitý uľahčuje tvorbu hydroxylu. Peroxylový radikál je najjednoduchšia forma peroxylnitritu, protonizovaná forma superoxidového aniónového radikálu. Iniciuje peroxidáciu mastných kyselín. Peroxizómy sú zodpovedné hlavne za spotrebu kyslíka v bunke a udržiavaním nízkej produkcie ROS vyvážením koncentrácie alebo aktivity enzýmov, ako je kataláza. Deštrukcia peroxizómov teda umožňuje uvoľnenie peroxidu vodíka do bunky a oxidačný stres. (11)

Asi 2 - 5% spotrebovaného kyslíka uniká normálnym metabolickým cestám, ktoré vedú k tvorbe vody a ďalších konečných produktov a končí tvorbou rôznych foriem kyslíka vrátane reaktívnych metabolitov. Voľné radikály sa vyznačujú krátkou životnosťou, nestabilitou a schopnosťou reagovať s inými molekulami na dosiahnutie stability.
Molekulárny kyslík nie je voľný radikál, ale pôsobí ako katalyzátor pri tvorbe voľných radikálov.

Prooxidanty sú enzýmy/látky, ktoré spôsobujú oxidačný stres tvorbou reaktívnych foriem kyslíka alebo inhibíciou antioxidačného systému. V ľudskom biologickom systéme sú za tvorbu voľného radikálu superoxidu zodpovedné 3 základné enzýmy:

oxidáza NADPH,
cytochróm P450 a
xantínoxidáza. (11)

Zdroje voľných radikálov

Voľné radikály sú produkované buď normálnym bunkovým metabolizmom alebo z vonkajších zdrojov (znečistenie, fajčenie cigariet, ožarovanie, drogy). Kyslík je nepostrádateľnou súčasťou života. Keď bunky používajú na výrobu energie kyslík, vytvárajú sa voľné radikály v dôsledku produkcie ATP (adenozíntrifosfátu) mitochondrií. (4)

Príklady zdrojov voľných radikálov:

vedľajší produkt bunkového dýchania (prítomnosť zlúčenín redoxného cyklu)
syntetizované v enzymatických granulách: fagocytárne bunky, neutrofily a makrofágy (oxidáza, myeloperoxidáza)
mitochondrie (elektronický transportný reťazec), peroxizómy (rôzne oxidázy)
endoplazmatické retikulum (cytochrómy P450 a b5)
cytosol xantín oxidoreduktázy, prechodné kovy - Fe, Cu - samooxidácia malých molekúl (riboflavín)
bunková membrána (NADPH oxidáza, cyklooxygenáza, lipoxygenáza)
vystavením ionizujúcemu žiareniu
lieky (gentamicín, bleomycín, cyklosporín, takrolimus)
požitie ťažkých alebo prechodných kovov (kadmium, ortuť, olovo, železo)
priemyselné rozpúšťadlá
fajčenie, herbicídy, pesticídy, vyprážané a údené jedlá. (4)

Úloha voľných radikálov

Prospešné činnosti voľných radikálov

Tieto vysoko reaktívne molekuly napádajú susedné stabilné molekuly a získavajú elektrón. Po druhé, cieľová molekula sa sama stane voľným radikálom a iniciuje kaskádu udalostí, ktoré môžu nakoniec viesť k poškodeniu buniek. Na fyziologickej úrovni však voľné radikály pomáhajú udržiavať homeostázu tela tým, že pôsobia ako signálne prevodníky. Voľné radikály sa tiež priaznivo podieľajú na produkcii hormónov (tyroxín), Sú generované na zničenie niektorých druhov baktérií a zapuzdrené patogény. (3)

V malom alebo miernom množstve sú ROS a RNS potrebné pre procesy dozrievania bunkových štruktúr a pôsobia ako zbrane pre obranný systém hostiteľa. Fagocyty (neutrofily, makrofágy, monocyty) uvoľňujú voľné radikály do ničí patogénne mikróby útočníkov ako súčasť obranného mechanizmu tela. Napríklad význam produkcie ROS imunitným systémom je jasný u pacientov s membránovo deficitnou NADPH oxidázou, čo znemožňuje produkciu superoxidového aniónového radikálu, čo vedie k mnohonásobným a pretrvávajúcim infekciám.

Ďalšie priaznivé účinky ROS a RNS znamenajú ich fyziologickú úlohu vo fungovaní radu bunková signalizácia. Ich produkcia z nefagocytových foriem NADPH oxidázy hrá kľúčovú úlohu pri regulácii intracelulárnej signálnej kaskády v rôznych druhoch nefagocytových buniek (fibroblasty, endotelové bunky, bunky hladkého svalstva ciev, srdcové myocyty a tkanivo štítnej žľazy). Tiež, oxid dusnatý je intracelulárny posol pre modulácia prietoku krvi, trombóza a nervová aktivita. Stále je to dôležité v nešpecifická obrana hostiteľa a na ničenie intracelulárnych patogénov a nádorov. Ďalšou prospešnou aktivitou voľných radikálov je indukcia mitogénnej reakcie. Stručne povedané, ROS a RNS sú pre ľudské zdravie životne dôležité v miernom množstve. (4)

Deštruktívne činnosti voľných radikálov

Poškodenie buniek nastane, keď sa voľné radikály stretnú s inou molekulou a snažia sa z nej extrahovať ďalší elektrónový pár pre nepárny elektrón. Voľný radikál vytrhne elektrón zo susednej molekuly, čo vedie k transformácii tejto molekuly na voľný radikál. Nový voľný radikál vytrhne elektrón z nasledujúcej molekuly a spôsobí chemickú reakciu v reťazci za vzniku radikálov. Voľné radikály produkované pri takýchto reakciách nakoniec vytrhnú elektrón z molekuly, ktorá sa mení a už nemôže fungovať. Takáto udalosť vedie k zničeniu molekuly a bunky, ktorá ich obsahuje.

Spustená reťazová reakcia môže viesť k zosieťovaniu atómových štruktúr, čo sa stane, keď reakcia zahrnuje spárované molekuly báz v reťazci DNA. Zosieťovanie DNA môže spôsobiť rôzne aspekty starnutia, najmä rakovinu. Medzi tukmi a proteínovými molekulami môže dôjsť k ďalšiemu sieťovaniu, ktoré vedie k tvorbe vrások. Voľné radikály môžu oxidovať LDL, čo je kľúčová udalosť pri tvorbe aterómových plakov v tepnách, čo vedie k srdcovým chorobám a infarktu. (3) (6)

Úloha antioxidantov

Antioxidanty pomáhajú udržiavať fyziologickú hladinu voľných radikálov, udržiavať ich fyziologické funkcie a predchádzať patologickým účinkom vyvolaným pôsobením oxidačného stresu. Oxidačný stres je stav nerovnováhy medzi ROS a vlastnosťami antioxidantov. Za týchto okolností ROS prekračuje antioxidanty v dôsledku vysokých hladín, nízkych antioxidačných vlastností alebo ich kombinácie. (2)

Rakovina a oxidačný stres

Vývoj rakoviny u ľudí je zložitý proces, ktorý zahŕňa bunkové a molekulárne zmeny sprostredkované rôznymi endogénnymi a exogénnymi stimulmi. Ukázalo sa, že oxidačné poškodenie DNA je zodpovedné za vznik rakoviny. Iniciácia a podpora rakoviny sú spojené s chromozomálnymi defektmi a aktiváciou onkogénov voľnými radikálmi. Bežnou formou poškodenia je tvorba hydroxylovaných báz DNA, ktorá sa považuje za dôležitú udalosť v chemickej karcinogenéze. Zasahujú do normálneho bunkového rastu tým, že spôsobujú genetické mutácie a menia normálnu génovú transkripciu. Oxidačné poškodenie tiež spôsobuje veľké množstvo zmien v štruktúre DNA.

Napr, fajčenie a chronický zápal z neinfekčných chorôb, ako je azbestóza, sú zdrojmi oxidačného poškodenia DNA, ktoré prispieva k rozvoju rakoviny pľúc a iných nádorov. Úzka korelácia medzi konzumáciou tuku a úmrtím na leukémiu, rakovinu prsníka, vaječníkov a konečníka u starších ľudí môže byť odrazom peroxidácia lipidov v prebytku. (7)

Karcinogenéza kože a vystavenie UVA

Ultrafialová zložka A slnečného žiarenia (UV-A s vlnovou dĺžkou 320 - 400 nm) má potenciál generovať oxidačný stres v bunkách a tkanivách, takže endogénne a exogénne antioxidanty silne ovplyvňujú biologické účinky UVA. Fyziologické dávky UV-A spôsobujú expresiu génov (kolagenáza, hemoxygenáza-1 a nukleárne onkogény), ktorých účinky je možné výrazne zvýšiť odstránením intracelulárny glutatión (GSH) alebo zvýšenie životnosti molekulárneho kyslíka. Opakované vystavenie ľudskej pokožky UV žiareniu vedie nielen ku karcinogenéze kože, ale aj k jej vzniku Foto-starnutie poškodením DNA.

Kardiovaskulárne choroby a oxidačný stres

Kardiovaskulárne ochorenie má multifaktoriálnu etiológiu spojenú s rôznymi rizikovými faktormi jeho vývoja (hypercholesterolémia, hypertenzia, fajčenie, cukrovka, nesprávna strava, stres a fyzická nečinnosť). Údaje z nedávneho výskumu vyvolali diskusiu o primárnej alebo sekundárnej úlohe oxidačného stresu pri tomto ochorení. Štúdie podporili úlohu oxidačného stresu pri mnohých kardiovaskulárnych stavoch, ako sú: ateroskleróza, ischémia, hypertenzia, kardiomyopatia, hypertrofia srdca a kongestívne zlyhanie srdca.

Neurologické ochorenie a oxidačný stres

Oxidačný stres bol skúmaný pri neurologických ochoreniach, ako sú: Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba, roztrúsená skleróza, amyotrofická laterálna skleróza, strata pamäti, depresia. Početné štúdie Alzheimerovej choroby preukázali, že oxidačné poškodenie zohráva úlohu pri strate neurónov a progresii demencie. Produkcia B-amyloidu, toxického peptidu, ktorý sa často nachádza v mozgu týchto pacientov, je spôsobený oxidačným stresom a hrá dôležitú úlohu v neurodegeneratívnom procese. (9)

Ochorenie pľúc a oxidačný stres

V súčasnosti existuje dostatok údajov na preukázanie toho, že zápalové ochorenia pľúc, ako je astma a chronická obštrukčná choroba pľúc, sú charakterizované chronickým systémovým a lokálnym zápalom a oxidačným stresom. Oxidanty tiež zohrávajú úlohu pri vyvolávaní zápalu aktiváciou rôznych transkripčných faktorov, kináz a redoxov.

Reumatoidná artritída a oxidačný stres

Reumatoidná artritída je autoimunitné ochorenie charakterizované chronickým zápalom kĺbov a periartikulárnych tkanív s makrofágovými infiltrátmi a aktivovanými T bunkami. Patogenéza ochorenia je vyvolaná tvorbou ROS a RNS v mieste zápalu. Oxidačnú deštrukciu a zápal preukazujú vysoké hladiny izoprostány a prostaglandíny v sére a synoviálnej tekutine.

Nefropatia a oxidačný stres

Oxidačný stres hrá úlohu pri rôznych ochoreniach obličiek, ako sú: glomerulonefritída a tubulointersticiálna nefritída, chronické zlyhanie obličiek, proteinúria, urémia. Nefrotoxicita niektorých liekov, ako sú: cyklosporín, takrolimus, gentamicín, bleomycín, vinblastín, je spôsobená hlavne oxidačným stresom peroxidáciou lipidov. Ťažké kovy a prechodné kovy, ktoré indukujú rôzne formy nefropatie a karcinogenity, sú silnými zdrojmi voľných radikálov v tele.

Ochorenie očí a oxidačný stres

Podieľa sa na oxidačnom strese makulárna degenerácia súvisiace s vekom a katarakta zmenou rôznych typov buniek v oku, fotochemicky alebo nefotochemicky. Pôsobením voľných radikálov sa môžu kryštalické proteíny v šošovkách zosieťovať a agregovať, čo vedie k katarakta. V sietnici môže dlhodobé vystavenie žiareniu inhibovať mitózu v pigmentovom a choroidálnom epiteli, lézie segmentu vonkajšieho fotoreceptora spojené s peroxidáciou lipidov. (5)