Volné radikály a antioxidanty

Objev volných radikálů a antioxidantů byl pro lékařskou vědu stejně významným milníkem jako objev mikroorganismů a antibiotik, protože lékaři získali nejen vysvětlení mnoha patologických procesů, včetně stárnutí, ale také účinné metody boje proti nim.

Poslední desetiletí se vyznačuje pokrokem ve studiu volných radikálů v biologických objektech. Tyto procesy se ukázaly jako nezbytný metabolický článek pro normální fungování organismu. Účastní se oxidačních fosforylačních reakcí, biosyntézy prostaglandinů a nukleových kyselin, regulace lipotické aktivity a procesů buněčného dělení. V těle volné radikály nejčastěji vznikají při oxidaci nenasycených mastných kyselin a tento proces úzce souvisí s lipidovou peroxidací (LPO).

Co jsou volné radikály?

Volný radikál je molekula nebo atom, který má na své vnější oběžné dráze nepárový elektron, což ho činí agresivním a schopným nejen reagovat s molekulami buněčné membrány, ale také je přeměňovat na volné radikály (samostatně udržitelná lavinová reakce).

Uhlíkový radikál reaguje s molekulárním kyslíkem za vzniku peroxidového volného radikálu COO.

Peroxidový radikál extrahuje vodík z postranního řetězce nenasycených mastných kyselin za vzniku lipidového hydroperoxidu a dalšího uhlíkatého radikálu.

Lipidové hydroperoxidy zvyšují koncentraci cytotoxických aldehydů a uhlíkatý radikál podporuje reakci tvorby peroxidových radikálů atd. (v řetězci).

Existují různé mechanismy, kterými vznikají volné radikály. Jedním z nich je účinek ionizujícího záření. V některých situacích se během procesu molekulární redukce kyslíku přidá jeden elektron místo dvou a vzniká vysoce reaktivní superoxidový anion (O). Tvorba superoxidu je jedním z obranných mechanismů proti bakteriální infekci: bez volných kyslíkových radikálů nemohou neutrofily a makrofágy ničit bakterie.

Přítomnost antioxidantů jak v buňce, tak v extracelulárním prostoru naznačuje, že tvorba volných radikálů není epizodickým jevem způsobeným účinky ionizujícího záření nebo toxinů, ale stálým jevem, který doprovází oxidační reakce za normálních podmínek. Mezi hlavní antioxidanty patří enzymy skupiny superoxiddismutázy (SOD), jejichž funkcí je katalyticky přeměňovat peroxidový anion na peroxid vodíku a molekulární kyslík. Vzhledem k tomu, že superoxiddismutázy jsou všudypřítomné, je rozumné předpokládat, že superoxidový anion je jedním z hlavních vedlejších produktů všech oxidačních procesů. Katalázy a peroxidázy přeměňují peroxid vodíku vzniklý během dismutace na vodu.

Hlavním rysem volných radikálů je jejich mimořádná chemická aktivita. Jako by cítily svou méněcennost, snaží se znovu získat ztracený elektron a agresivně ho berou jiným molekulám. „Uražené“ molekuly se zase stávají radikály a začnou se okrádat, brát elektrony svým sousedům. Jakékoli změny v molekule – ať už je to ztráta nebo přidání elektronu, vznik nových atomů nebo skupin atomů – ovlivňují její vlastnosti. Reakce volných radikálů, ke kterým dochází v jakékoli látce, proto mění fyzikální a chemické vlastnosti této látky.

Nejznámějším příkladem radikálového procesu je znehodnocení (žluknutí) oleje. Žluklý olej má zvláštní chuť a vůni, což se vysvětluje výskytem nových látek v něm, které vznikají během radikálových reakcí. Nejdůležitější je, že se proteiny, tuky a DNA živých tkání mohou stát účastníky radikálových reakcí. To vede k rozvoji různých patologických procesů, které poškozují tkáně, stárnutí a vzniku maligních nádorů.

Nejagresivnější ze všech volných radikálů jsou volné kyslíkové radikály. Ty mohou v živé tkáni vyvolat lavinu reakcí volných radikálů, jejichž následky mohou být katastrofální. Volné kyslíkové radikály a jejich aktivní formy (například lipidové peroxidy) se mohou tvořit v kůži a jakékoli jiné tkáni pod vlivem UV záření, některých toxických látek obsažených ve vodě a vzduchu. Nejdůležitější však je, že aktivní formy kyslíku se tvoří při jakémkoli zánětu, jakémkoli infekčním procesu probíhajícím v kůži nebo jakémkoli jiném orgánu, protože jsou hlavní zbraní imunitního systému, s jejíž pomocí ničí patogenní mikroorganismy.

Před volnými radikály se nelze skrýt (stejně jako se nelze skrýt před bakteriemi, ale je možné se před nimi chránit). Existují látky, které se vyznačují tím, že jejich volné radikály jsou méně agresivní než radikály jiných látek. Poté, co antioxidant odevzdá svůj elektron agresorovi, se nesnaží kompenzovat ztrátu na úkor jiných molekul, respektive činí tak jen ve vzácných případech. Proto když volný radikál reaguje s antioxidantem, změní se v plnohodnotnou molekulu a antioxidant se stává slabým a neaktivním radikálem. Takové radikály již nejsou nebezpečné a nevytvářejí chemický chaos.

Co jsou antioxidanty?

„Antioxidanty“ jsou souhrnný termín a stejně jako termíny jako „antineoplastická činidla“ a „imunomodulátory“ neznamenají příslušnost k žádné specifické chemické skupině látek. Jejich specifičnost spočívá v nejužším spojení s oxidací lipidů volnými radikály obecně a s patologií volných radikálů zejména. Tato vlastnost spojuje různé antioxidanty, z nichž každý má své specifické rysy účinku.

Procesy oxidace lipidů volnými radikály mají obecně biologickou povahu a podle názoru mnoha autorů představují univerzální mechanismus poškození buněk na membránové úrovni při prudké aktivaci. V tomto případě v lipidové fázi biologických membrán způsobují procesy peroxidace lipidů zvýšení viskozity a uspořádanosti membránové dvojvrstvy, mění fázové vlastnosti membrán a snižují jejich elektrický odpor a také usnadňují výměnu fosfolipidů mezi dvěma monovrstvami (tzv. fosfolipidový flip-flop). Pod vlivem peroxidačních procesů je také inhibována mobilita membránových proteinů. Na buněčné úrovni je peroxidace lipidů doprovázena zvětšením mitochondrií, narušením oxidativní fosforylace (a v pokročilých procesech - solubilizací membránových struktur), což se na úrovni celého organismu projevuje rozvojem tzv. patologií volných radikálů.

Volné radikály a poškození buněk

Dnes je zřejmé, že tvorba volných radikálů je jedním z univerzálních patogenetických mechanismů u různých typů poškození buněk, včetně následujících:

• reperfúze buněk po období ischemie;
• některé léky vyvolané formy hemolytické anémie;
• otrava některými herbicidy;
• hospodaření s tetrachlormethanem;
• ionizující záření;
• některé mechanismy stárnutí buněk (například akumulace lipidových produktů v buňce - ceroidy a lipofuscinů);
• kyslíková toxicita;
• aterogeneze v důsledku oxidace lipoproteinů s nízkou hustotou v buňkách arteriální stěny.

Volné radikály se účastní procesů:

• stárnutí;
• karcinogeneze;
• chemické a léčivé poškození buněk;
• zánět;
• radioaktivní poškození;
• aterogeneze;
• toxicita kyslíku a ozonu.

Účinky volných radikálů

Oxidace nenasycených mastných kyselin v buněčných membránách je jedním z hlavních účinků volných radikálů. Volné radikály také poškozují proteiny (zejména proteiny obsahující thioly) a DNA. Morfologickým výsledkem oxidace lipidů buněčné stěny je tvorba polárních permeabilních kanálů, což zvyšuje pasivní permeabilitu membrány pro ionty Ca2+, jejichž přebytek se ukládá v mitochondriích. Oxidační reakce jsou obvykle potlačeny hydrofobními antioxidanty, jako je vitamin E a glutathionperoxidáza. Antioxidanty podobné vitaminu E, které přerušují oxidační řetězce, se nacházejí v čerstvé zelenině a ovoci.

Volné radikály také reagují s molekulami v iontovém a vodném prostředí buněčných kompartmentů. V iontovém prostředí si molekuly látek, jako je redukovaný glutathion, kyselina askorbová a cystein, zachovávají antioxidační potenciál. Ochranné vlastnosti antioxidantů se projeví, když se po vyčerpání jejich zásob v izolované buňce pozorují charakteristické morfologické a funkční změny v důsledku oxidace lipidů v buněčné membráně.

Typy poškození způsobené volnými radikály jsou určeny nejen agresivitou produkovaných radikálů, ale také strukturálními a biochemickými vlastnostmi cíle. Například v extracelulárním prostoru volné radikály ničí glykosaminoglykany hlavní látky pojivové tkáně, což může být jedním z mechanismů destrukce kloubů (například u revmatoidní artritidy). Volné radikály mění propustnost (a tedy i bariérovou funkci) cytoplazmatických membrán v důsledku tvorby kanálů se zvýšenou propustností, což vede k narušení homeostázy vody a iontů buňky. Předpokládá se, že je nutné pacientům s revmatoidní artritidou poskytovat vitamíny a mikroelementy, zejména korekci nedostatku vitamínů a mikroelementů pomocí oligogalu E. To je dáno tím, že byla prokázána znatelná aktivace peroxidačních procesů a potlačení antioxidační aktivity, proto je velmi důležité zařadit do komplexní terapie bioantioxidanty s vysokou antiradikálovou aktivitou, které zahrnují antioxidační vitamíny (E, C a A) a mikroelement selen (Se). Bylo také prokázáno, že použití syntetické dávky vitamínu E, který se vstřebává hůře než přírodní, je účinné. Například dávky vitamínu E až 800 a 400 IU/den vedou ke snížení kardiovaskulárních onemocnění (o 53 %). Odpověď na účinnost antioxidantů však bude získána ve velkých kontrolovaných studiích (od 8 000 do 40 000 pacientů), které byly provedeny v roce 1997.

Mezi ochranné síly, které udržují rychlost LPO na určité úrovni, patří enzymatické systémy inhibující peroxidaci a přírodní antioxidanty. Existují 3 úrovně regulace rychlosti oxidace volných radikálů. Prvním stupněm je antioxidační, udržuje poměrně nízký parciální tlak kyslíku v buňce. Patří sem především respirační enzymy, které soutěží o kyslík. Navzdory široké variabilitě absorpce O3 v těle a uvolňování CO2 z něj zůstávají pO2 a pCO2 v arteriální krvi normálně poměrně konstantní. Druhým stupněm ochrany je antiradikálový. Tvoří ho různé látky přítomné v těle (vitamin E, kyselina askorbová, některé steroidní hormony atd.), které přerušují procesy LPO interakcí s volnými radikály. Třetím stupněm je antiperoxid, který ničí již vzniklé peroxidy za pomoci vhodných enzymů nebo neenzymaticky. Stále však neexistuje jednotná klasifikace a jednotné názory na mechanismy regulující rychlost reakcí volných radikálů a působení ochranných sil, které zajišťují využití konečných produktů lipidové peroxidace.

Předpokládá se, že v závislosti na intenzitě a trvání mohou změny v regulaci reakcí LPO: za prvé být reverzibilní s následným návratem k normálu, za druhé vést k přechodu na jinou úroveň autoregulace a za třetí některé z efektů narušují tento mechanismus autoregulace, a v důsledku toho vedou k nemožnosti realizace regulačních funkcí. Proto je pochopení regulační role reakcí LPO za podmínek vystavení extrémním faktorům, zejména chladu, nezbytnou fází výzkumu zaměřeného na vývoj vědecky podložených metod pro řízení adaptačních procesů a komplexní terapii, prevenci a rehabilitaci nejčastějších onemocnění.

Jedním z nejčastěji používaných a nejúčinnějších je komplex antioxidantů, který zahrnuje tokoferol, askorbát a methionin. Analýzou mechanismu účinku každého z použitých antioxidantů bylo zjištěno následující. Mikrosomy jsou jedním z hlavních míst akumulace exogenně zavedeného tokoferolu v jaterních buňkách. Kyselina askorbová, která se oxiduje na kyselinu dehydroaskorbovou, může působit jako možný donor protonů. Kromě toho byla prokázána schopnost kyseliny askorbové přímo interagovat se singletovým kyslíkem, hydroxylovým radikálem a superoxidovým aniontovým radikálem a také ničit peroxid vodíku. Existují také důkazy o tom, že tokoferol v mikrosomech může být regenerován thioly a zejména redukovaným glutathionem.

V těle tedy existuje řada vzájemně propojených antioxidačních systémů, jejichž hlavní úlohou je udržovat enzymatické a neenzymatické oxidační reakce na ustálené úrovni. V každé fázi vývoje peroxidových reakcí existuje specializovaný systém, který tyto funkce vykonává. Některé z těchto systémů jsou striktně specifické, jiné, jako je glutathionperoxidáza, tokoferol, mají větší šíři účinku a menší substrátovou specificitu. Aditivita interakce enzymatických a neenzymatických antioxidačních systémů navzájem zajišťuje odolnost organismu vůči extrémním faktorům, které mají prooxidační vlastnosti, tj. schopnost vytvářet v těle podmínky predisponující k produkci aktivovaných forem kyslíku a aktivaci lipidových peroxidačních reakcí. Není pochyb o tom, že aktivace lipidových peroxidačních reakcí je pozorována pod vlivem řady faktorů prostředí na organismus a při patologických procesech různé povahy. Podle V. Yu. Kulikova a kol. (1988) lze v závislosti na mechanismech aktivace LPO reakcí všechny faktory ovlivňující organismus s určitou mírou pravděpodobnosti rozdělit do následujících skupin.

Faktory fyzikálně-chemické povahy, které přispívají ke zvýšení tkáňových prekurzorů a přímých aktivátorů LPO reakcí:

• kyslík pod tlakem;
• ozón;
• oxid dusnatý;
• ionizující záření atd.

Faktory biologické povahy:

• procesy fagocytózy;
• ničení buněk a buněčných membrán;
• systémy pro generování aktivovaných forem kyslíku.

Faktory, které určují aktivitu antioxidačních systémů těla enzymatické a neenzymatické povahy:

• aktivita procesů spojených s indukcí antioxidačních systémů enzymatické povahy;
• genetické faktory spojené s depresí jednoho nebo druhého enzymu, který reguluje reakce lipidové peroxidace (nedostatek glutathionperoxidázy, katalázy atd.);
• nutriční faktory (nedostatek tokoferolu, selenu, dalších mikroelementů atd. v potravinách);
• struktura buněčných membrán;
• povaha vztahu mezi antioxidanty enzymatické a neenzymatické povahy.

Rizikové faktory, které zesilují aktivaci LPO reakcí:

• aktivace kyslíkového režimu těla;
• stresový stav (zima, vysoká teplota, hypoxie, emocionální a bolestivý dopad);
• hyperlipidemie.

Aktivace reakcí LPO v těle tedy úzce souvisí s fungováním systémů transportu a využití kyslíku. Zvláštní pozornost si zaslouží adaptogeny, včetně široce používaného eleuterokoku. Přípravek z kořene této rostliny má obecně tonizující, adaptogenní, antistresové, antiaterosklerotické, antidiabetické a další vlastnosti, snižuje celkovou morbiditu, včetně chřipky. Při studiu biochemických mechanismů účinku antioxidantů u lidí, zvířat a rostlin se výrazně rozšířila škála patologických stavů, k jejichž léčbě se antioxidanty používají. Antioxidanty se úspěšně používají jako adaptogeny k ochraně před radiačním poškozením, léčbě ran a popálenin, tuberkulózy, kardiovaskulárních onemocnění, neuropsychiatrických poruch, novotvarů, cukrovky atd. Přirozeně se zvýšil zájem o mechanismy, které jsou základem takového univerzálního působení antioxidantů.

V současné době bylo experimentálně prokázáno, že účinnost antioxidantů je určena jejich aktivitou v inhibici peroxidace lipidů v důsledku interakce s peroxidem a dalšími radikály iniciujícími LPO, a také vlivem antioxidantů na membránovou strukturu, což usnadňuje přístup kyslíku k lipidům. LPO se může také měnit zprostředkovaným systémem antioxidačního působení prostřednictvím neurohormonálních mechanismů. Bylo prokázáno, že antioxidanty ovlivňují uvolňování neurotransmiterů a hormonů, citlivost receptorů a jejich vazbu. Změna koncentrace hormonů a neurotransmiterů zase mění intenzitu LPO v cílových buňkách, což vede ke změně rychlosti katabolismu lipidů a v důsledku toho ke změně jejich složení. Vztah mezi rychlostí LPO a změnou spektra membránových fosfolipidů hraje regulační roli. Podobný regulační systém byl nalezen v buněčných membránách zvířat, rostlin a mikrobiálních organismů. Jak je známo, složení a tekutost membránových lipidů ovlivňují aktivitu membránových proteinů, enzymů a receptorů. Prostřednictvím tohoto regulačního systému působí antioxidanty na reparaci membrány, změněné v patologickém stavu organismu, normalizují její složení, strukturu a funkční aktivitu. Změny v aktivitě enzymů syntetizujících makromolekuly a ve složení jaderné matrix se změnou složení membránových lipidů způsobené působením antioxidantů lze vysvětlit jejich vlivem na syntézu DNA, RNA a proteinů. Zároveň se v literatuře objevily údaje o přímé interakci antioxidantů s makromolekulami.

Tato data, stejně jako nedávno objevená data o účinnosti antioxidantů v pikomolárních koncentracích, zdůrazňují roli receptorových drah v jejich vlivu na buněčný metabolismus. V práci V. E. Kagana (1981) o mechanismech strukturní a funkční modifikace biomembrán bylo prokázáno, že závislost rychlosti LPO reakcí v biomembránech závisí nejen na složení mastných kyselin (stupeň nenasycenosti), ale také na strukturní organizaci lipidové fáze membrán (molekulární mobilita lipidů, síla interakcí protein-lipid a lipid-lipid). Bylo zjištěno, že v důsledku akumulace produktů LPO dochází v membráně k redistribuci lipidů: množství kapalných lipidů v biovrstvě se snižuje, množství lipidů imobilizovaných membránovými proteiny se snižuje a množství uspořádaných lipidů v biovrstvě (klastrů) se zvyšuje. V.

Při studiu povahy, složení a mechanismu homeostázy antioxidačního systému bylo prokázáno, že projevům škodlivého účinku volných radikálů a peroxidových sloučenin brání komplexní vícesložkový antioxidační systém (AOS), který zajišťuje vazbu a modifikaci radikálů, čímž zabraňuje tvorbě nebo destrukci peroxidů. Zahrnuje: hydrofilní a hydrofobní organické látky s redukčními vlastnostmi; enzymy, které udržují homeostázu těchto látek; antiperoxidové enzymy. Mezi přírodní antioxidanty patří lipidové (steroidní hormony, vitamíny E, A, K, flavonoidy a polyfenoly (vitamin P, ubichinon) a ve vodě rozpustné (nízkomolekulární thioly, kyselina askorbová) látky. Tyto látky buď zachycují volné radikály, nebo ničí peroxidové sloučeniny.

Jedna část tkáňových antioxidantů má hydrofilní charakter, druhá hydrofobní, což umožňuje současnou ochranu funkčně důležitých molekul před oxidačními činidly ve vodné i lipidové fázi.

Celkové množství bioantioxidantů vytváří v tkáních „pufrovací antioxidační systém“, který má určitou kapacitu, a poměr prooxidačního a antioxidačního systému určuje tzv. „antioxidační stav“ organismu. Existuje mnoho důvodů se domnívat, že thioly zaujímají mezi tkáňovými antioxidanty zvláštní místo. To potvrzují následující fakta: vysoká reaktivita sulfhydrylových skupin, díky které jsou některé thioly oxidovány velmi vysokou rychlostí, závislost rychlosti oxidační modifikace SH skupin na jejich radikálovém okolí v molekule. Tato okolnost nám umožňuje vyčlenit z řady thiolových sloučenin speciální skupinu snadno oxidovaných látek, které plní specifické funkce antioxidantů: reverzibilita oxidační reakce sulfhydrylových skupin na disulfidové skupiny, což v principu umožňuje energeticky udržovat homeostázu thiolových antioxidantů v buňce bez aktivace jejich biosyntézy; schopnost thiolů projevovat jak antiradikálové, tak antiperoxidové účinky. Hydrofilní vlastnosti thiolů určují jejich vysoký obsah ve vodné fázi buňky a možnost ochrany před oxidačním poškozením biologicky důležitých molekul enzymů, nukleových kyselin, hemoglobinu atd. Zároveň přítomnost nepolárních skupin v thiolových sloučeninách zajišťuje možnost jejich antioxidační aktivity v lipidové fázi buňky. Thiolové sloučeniny se tedy spolu s látkami lipidové povahy významně podílejí na ochraně buněčných struktur před působením oxidačních faktorů.

Kyselina askorbová podléhá také oxidaci v tělesných tkáních. Stejně jako thioly je součástí AOS, kde se podílí na vazbě volných radikálů a destrukci peroxidů. Kyselina askorbová, jejíž molekula obsahuje polární i nepolární skupiny, vykazuje úzkou funkční interakci s SH-glutathionem a lipidovými antioxidanty, čímž zesiluje jejich účinek a zabraňuje peroxidaci lipidů. Thiolové antioxidanty zřejmě hrají hlavní roli v ochraně hlavních strukturálních složek biologických membrán, jako jsou fosfolipidy nebo proteiny ponořené v lipidové vrstvě.

Ve vodě rozpustné antioxidanty - thiolové sloučeniny a kyselina askorbová - zase projevují svůj ochranný účinek převážně ve vodném prostředí - buněčné cytoplazmě nebo krevní plazmě. Je třeba mít na paměti, že krevní systém je vnitřní prostředí, které hraje rozhodující roli v nespecifických a specifických obranných reakcích těla a ovlivňuje jeho odolnost a reaktivitu.

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

Volné radikály v patologii

Problematika příčinných vztahů ve změnách intenzity lipidové peroxidace v dynamice vývoje onemocnění je v literatuře stále diskutována. Podle některých autorů je právě porušení stacionarity tohoto procesu hlavní příčinou indikovaných onemocnění, zatímco jiní se domnívají, že změna intenzity lipidové peroxidace je důsledkem těchto patologických procesů iniciovaných zcela odlišnými mechanismy.

Výzkum provedený v posledních letech ukázal, že změny v intenzitě oxidace volných radikálů doprovázejí onemocnění různého původu, což potvrzuje tezi o obecné biologické povaze poškození buněk volnými radikály. Nahromadil se dostatek důkazů o patogenetické účasti poškození molekul, buněk, orgánů a těla jako celku volnými radikály a úspěšné léčbě farmakologickými léky, které mají antioxidační vlastnosti.