Свободни радикали Анатомия и физиология

Свободни радикали са атоми или молекули, които съдържат нечетни електрони. Обикновено електроните съществуват по двойки със специфични орбити в атоми или молекули. Свободните радикали, които съдържат само един електрон във всяка орбита, са нестабилни към загубата или печалбата на допълнителен електрон, така че всички електрони в атома или молекулата ще бъдат по двойки.

Оксидативен стрес се отнася до дисбаланса, който благоприятства прооксидантите пред антиоксидантите. Повишеният оксидативен стрес може да доведе до значително увреждане на липидите, протеините и ДНК. Процесът е замесен в стареенето и в патогенезата на заболявания като атеросклероза, рак, диабет, мозъчно-съдови заболявания, катаракта, Паркинсон, Алцхаймер, ревматоиден артрит и мускулна дистрофия. Неконтролираното производство на свободни радикали по време на тренировка предизвиква мускулни увреждания и умора.

Теория за свободните радикали на кислорода е известна преди 50 години, но само през последните две десетилетия е открита тяхната роля в развитието на болести и по този начин благоприятните ефекти върху здравето на антиоксидантите. (4)

Свободните радикали играят важна роля в редица биологични процеси. Много от тях са необходими за живота, като вътреклетъчното унищожаване на бактерии от фагоцити като гранулоцити и макрофаги. Изследователите вярват, че свободните радикали също участват в някои клетъчни сигнални процеси, известни като редокс сигнализация.

Основните свободни радикали на кислорода са супероксид и хидроксилният радикал. Те произлизат от молекулен кислород при условия на химическа редукция. Поради своята реактивност тези свободни радикали могат да участват в нежелани странични ефекти с увреждане на клетките. Прекомерните количества от тези свободни радикали могат да доведат до увреждане на клетките и апоптоза, допринасяйки за много заболявания като: рак, инсулт, миокарден инфаркт, диабет и други основни условия. Смята се, че много видове рак са резултат от реакции между свободните радикали и ДНК, водещи до мутации, които могат да повлияят на клетъчния цикъл и да доведат до неоплазия.

Тъй като свободните радикали са необходими за живота, тялото има редица ензимни механизми, за да сведе до минимум радикално нанесените щети и да възстанови щетите. Антиоксидантите играят ключова роля в тези защитни механизми. При здравите организми защитата срещу негативните ефекти на реактивните кислородни видове се осъществява чрез поддържане на деликатен баланс между оксиданти и антиоксиданти. По този начин непрекъснатото производство на свободни радикали в аеробните организми трябва да се изравнява със сходна скорост на консумация на антиоксиданти. Ензимни или не-ензимни, антиоксидантите са вещества, които предотвратяват образуването на свободни радикали, търсят ги и неутрализират или възстановяват причинените от тях щети. Защитата срещу окислително увреждане и някои хронични заболявания се постига чрез разнообразие от ендогенни и екзогенни антиоксиданти.

Класификация на свободните радикали

Има две често срещани форми на свободните радикали: реактивни кислородни видове (ROS) и реактивни азотни видове (RNS). Примерите за ROS включват: супероксиден анион, водороден пероксид, силно реактивен хидроксилен радикал и пероксилен радикал. RNS често се считат за подклас на ROS и включват: азотен оксид, азотен оксид, пероксинитрит, нитроксил анион и пероксинитритна киселина.

Азотен оксид се произвежда в биологичната система от азотен оксид синтетаза. Ензимът действа като катализатор за превръщане на L-аргинин и L-цитрулин в азотен оксид. Азотният оксид е неелектрично заредена липофилна молекула, която съдържа един сдвоен електрон, който реагира със супероксидни радикали и произвежда пероксинитрит, което намалява биоактивността на азотния оксид. Азотният оксид действа като посредник в съдовата функция, причинявайки разширяване на кръвоносните съдове и отпускане на гладката мускулатура. (2)
Реактивните азотни видове действат заедно с ROS в клетъчните лезии, причинявайки азотен стрес, което се случва, когато биологичната система не успее да неутрализира и елиминира реактивните азотни видове. Възникват реакции на нитросилация, които засягат структурата на протеините и инхибират тяхната функция.

Пероксинитритният анион е окислител, който причинява фрагментация на ДНК и окисляване на липидите.

Супероксидният анион произвежда се главно в митохондриите. Молекулярният кислород образува анионния радикал супероксид чрез добавяне на електрон към диоксида. Митохондриалната електронно-транспортна верига е основният източник на генериране на АТФ в биологичната система. По време на енергийната трансдукция малък брой електрони избягват и образуват радикал супероксиден анион, участващ в патофизиологията на много заболявания.

Хидроксилният радикал е неутрална форма на хидроксиден йон, е силно реактивен, опасен радикал с много кратък живот. При стрес излишъкът на супероксид улеснява генерирането на хидроксил. Пероксилният радикал е най-простата форма на пероксил нитрит, протонираната форма на супероксидния анион радикал. Той инициира пероксидацията на мастни киселини. Пероксизомите са отговорни главно за консумацията на кислород в клетката и поддържат ниско производство на ROS чрез балансиране на концентрацията или активността на ензимите, като каталаза. По този начин унищожаването на пероксизомите позволява освобождаването на водороден прекис в клетката и оксидативен стрес. (11)

Около 2-5% от консумирания кислород избягва нормалните метаболитни пътища, които водят до образуването на вода и други крайни продукти и в крайна сметка генерират различни форми на кислород, включително реактивни метаболити. Свободните радикали се характеризират с кратка продължителност на живота, нестабилност и способността да реагират с други молекули за постигане на стабилност.
Молекулярният кислород не е свободен радикал, но действа като катализатор при образуването на свободни радикали.

Прооксиданти са ензими/вещества, които причиняват оксидативен стрес, чрез образуване на реактивни кислородни форми или инхибиране на антиоксидантната система. В човешката биологична система 3 основни ензима са отговорни за образуването на супероксидния свободен радикал:

оксидаза НАДФН,
цитохром P450 и
ксантиноксидаза. (11)

Източници на свободни радикали

Свободните радикали се произвеждат или чрез нормален клетъчен метаболизъм, или от външни източници (замърсяване, пушене на цигари, облъчване, наркотици). Кислородът е незаменим елемент от живота. Когато клетките използват кислород за генериране на енергия, свободните радикали се образуват в резултат на производството на АТФ (аденозин трифосфат) от митохондриите. (4)

Примери за източници на свободни радикали:

страничен продукт от клетъчното дишане (наличие на съединения с редокс цикъл)
синтезирани в ензимни гранули: фагоцитни клетки, неутрофили и макрофаги (оксидаза, миелопероксидаза)
митохондрии (електронна транспортна верига), пероксизоми (различни оксидази)
ендоплазмен ретикулум (цитохроми P450 и b5)
цитозол ксантин оксидоредуктази, преходни метали - Fe, Cu - самоокисление на малки молекули (рибофлавин)
клетъчна мембрана (NADPH оксидаза, циклооксигеназа, липоксигеназа)
кожата чрез излагане на йонизиращо лъчение
лекарства (гентамицин, блеомицин, циклоспорин, такролимус)
поглъщане на тежки или преходни метали (кадмий, живак, олово, желязо)
промишлени разтворители
тютюнопушене, хербициди, пестициди, пържени и пушени храни. (4)

Ролята на свободните радикали

Полезните дейности на свободните радикали

Тези силно реактивни молекули атакуват съседните стабилни молекули, за да получат електрон. На второ място, самата насочена молекула се превръща в свободен радикал и инициира каскада от събития, които в крайна сметка могат да доведат до увреждане на клетките. На физиологични нива обаче свободните радикали спомагат за поддържането на хомеостазата на организма, като действат като преобразуватели на сигнали. Свободните радикали също участват благоприятно в производството на хормони (тироксин), се генерират за унищожаване на някои видове бактерии и капсулирани патогени. (3)

В малки или умерени количества ROS и RNS са необходими за процесите на съзряване на клетъчните структури и действат като оръжие за защитната система на гостоприемника. Фагоцитите (неутрофили, макрофаги, моноцити) отделят свободни радикали до унищожава патогенните микроби нашественици като част от защитния механизъм на тялото. Например, значението на производството на ROS от имунната система е ясно при пациенти с мембранно-дефицитна NADPH оксидаза, което прави невъзможно производството на радикал супероксиден анион, което води до множество и персистиращи инфекции.

Други полезни ефекти на ROS и RNS предполагат тяхната физиологична роля във функционирането на редица клетъчна сигнализация. Производството им от нефагоцитни форми на NADPH оксидаза играе ключова роля за регулирането на вътреклетъчната сигнална каскада в различни видове нефагоцитни клетки (фибробласти, ендотелни клетки, съдови гладкомускулни клетки, сърдечни миоцити и щитовидна тъкан). Също, азотен оксид е вътреклетъчен пратеник за модулация на кръвния поток, тромбоза и невронна активност. Все още е важно в неспецифична защита на гостоприемника и за унищожаване на вътреклетъчни патогени и тумори. Друга полезна активност на свободните радикали е индуцирането на митогенния отговор. Накратко, ROS и RNS са жизненоважни за човешкото здраве в умерени количества. (4)

Разрушителни дейности на свободните радикали

Клетъчното увреждане възниква, когато свободните радикали се натъкнат на друга молекула и се стремят да извлекат от нея друга електронна двойка за нечетен електрон. Свободният радикал извлича електрон от съседна молекула, което води до превръщането на тази молекула в свободен радикал от своя страна. Новият свободен радикал извлича електрон от следващата молекула, причинявайки химическа реакция във веригата, за да произведе радикалите. Свободните радикали, произведени в такива реакции, в крайна сметка ще изтръгнат електрон от молекула, която се променя и вече не може да функционира. Подобно събитие води до унищожаване на молекулата и клетката, която я съдържа.

Задействаната верижна реакция може да доведе до омрежване на атомни структури, както се случва, когато реакцията включва сдвоени базови молекули в ДНК верига. Омрежване на ДНК може да причини различни аспекти на стареенето, особено рак. Други кръстосани връзки могат да възникнат между мазнините и протеиновите молекули, което води до образуването на бръчки. Свободните радикали могат да окисляват LDL, ключово събитие при образуването на атеромни плаки в артериите, което води до сърдечни заболявания и инфаркт. (3) (6)

Ролята на антиоксидантите

Антиоксидантите помагат да се поддържат физиологичните нива на свободните радикали, за да се поддържа физиологичната им функция и да се предотвратят патологичните ефекти, причинени от действието на оксидативен стрес. Оксидативният стрес е състоянието на дисбаланс между ROS и свойствата на антиоксидантите. При тези обстоятелства ROS надвишава антиоксидантите поради високи нива, ниски антиоксидантни свойства или комбинация от двете. (2)

Рак и оксидативен стрес

Развитието на рак при хората е сложен процес, който включва клетъчни и молекулярни промени, медиирани от различни ендогенни и екзогенни стимули. Установено е, че окислителното увреждане на ДНК е отговорно за развитието на рак. Инициирането и насърчаването на рака са свързани с хромозомни дефекти и активирането на онкогените от свободните радикали. Честа форма на нараняване е образуването на хидроксилирани основи на ДНК, считано за важно събитие в химическата канцерогенеза. Те пречат на нормалния клетъчен растеж, като причиняват генетични мутации и променят нормалната генна транскрипция. Оксидативното увреждане също причинява множество промени в структурата на ДНК.

Напр, тютюнопушене и хронично възпаление от неинфекциозни заболявания като азбестозата са източници на окислително увреждане на ДНК, което допринася за развитието на рак на белия дроб и други тумори. Тясната връзка между приема на мазнини и смъртните случаи от левкемия, рак на гърдата, яйчниците и ректума при възрастни хора може да е отражение на липидна пероксидация в изобилие. (7)

Канцерогенеза на кожата и излагане на UVA

Ултравиолетовият компонент А на слънчевата светлина (UV-A с дължина на вълната 320-400 nm) има потенциал да генерира оксидативен стрес в клетките и тъканите, така че ендогенните и екзогенните антиоксиданти да влияят силно върху биологичните ефекти на UVA. Физиологичните дози UV-A предизвикват експресията на гени (колагеназа, хем оксигеназа-1 и ядрени онкогени), ефектите от които могат да бъдат значително засилени чрез отстраняване на вътреклетъчен глутатион (GSH) или увеличаване живота на молекулярния кислород. Многократното излагане на човешка кожа на UV лъчение води не само до канцерогенеза на кожата, но и до Фотостареене чрез увреждане на ДНК.

Сърдечно-съдови заболявания и оксидативен стрес

Сърдечно-съдовите заболявания имат многофакторна етиология, свързана с различни рискови фактори за неговото развитие (хиперхолестеролемия, хипертония, тютюнопушене, диабет, лоша диета, стрес и физическо бездействие). Последните данни от изследванията повдигнаха дебат за основната или вторичната роля на оксидативния стрес при това заболяване. Проучванията подкрепят ролята на оксидативния стрес при редица сърдечно-съдови заболявания като: атеросклероза, исхемия, хипертония, кардиомиопатия, сърдечна хипертрофия и застойна сърдечна недостатъчност.

Неврологично заболяване и оксидативен стрес

Оксидативният стрес е изследван при неврологични заболявания като: болестта на Алцхаймер, Паркинсон, множествена склероза, амиотрофна странична склероза, загуба на паметта, депресия. В Алцхаймер многобройни проучвания показват, че окислителното увреждане играе роля в загубата на неврони и прогресията на деменцията. Производството на В-амилоид, токсичен пептид, често срещан в мозъка на тези пациенти, се причинява от оксидативен стрес и играе важна роля в невродегенеративния процес. (9)

Белодробна болест и оксидативен стрес

Днес има достатъчно данни, които да покажат, че възпалителните белодробни заболявания като астма и хронична обструктивна белодробна болест се характеризират с хронично системно и локално възпаление и оксидативен стрес. Оксидантите също играят роля за предизвикване на възпаление чрез активиране на различни транскрипционни фактори киназа и редокс.

Ревматоиден артрит и оксидативен стрес

Ревматоидният артрит е автоимунно заболяване, характеризиращо се с хронично възпаление на ставите и периартикуларните тъкани с макрофагални инфилтрати и активирани Т клетки. Патогенезата на заболяването се произвежда от генерирането на ROS и RNS на мястото на възпалението. Окислителното разрушаване и възпаление се доказват от високи нива на изопростани и простагландини в серум и синовиална течност.

Нефропатия и оксидативен стрес

Оксидативният стрес играе роля при различни бъбречни заболявания като: гломерулонефрит и тубулоинтерстициален нефрит, хронична бъбречна недостатъчност, протеинурия, уремия. Нефротоксичността на някои лекарства като: циклоспорин, такролимус, гентамицин, блеомицин, винбластин се причинява главно от оксидативен стрес от липидна пероксидация. Тежките метали и преходните метали, които предизвикват различни форми на нефропатия и канцерогенност, са силни източници на свободни радикали в организма.

Очни заболявания и оксидативен стрес

Включен е оксидативен стрес дегенерация на макулата свързани с възрастта и катаракта чрез промяна на различни клетъчни типове в окото, фотохимично или нефотохимично. Под действието на свободните радикали кристалните протеини в лещите могат да се кръстосват и агрегират, което води до катаракта. В ретината продължителното облъчване може да инхибира митозата в пигментния и хориоидалния епител, като лезиите на външния фоторецепторен сегмент са свързани с липидна пероксидация. (5)