Články

Články

Nauka O Výživě
Mikroprvky
Věda a Nauka
Zdraví
Antioxidační bariéra

 

Volné radikály jsou atomy nebo molekuly schopné samostatné existence, které mají jeden nebo více nepárových elektronů [G. Bartosz: Druga twarz tlenu, PWN, Varšava 1995]. Díky tomu jsou radikály nestabilní, ale velmi aktivní chemicky. V živých organismech mohou být vytvořeny v enzymatických reakcích nebo spontánně.

Až do 70. let v lékařské literatuře zřídka se objevovaly zprávy o roli a významu volných radikálů. Situace se změnila po publikaci výsledků vyšetření:

  • McCoda i Fridovitcha [Mc Cord, J. M. Fridowitch, J. Biol. Chem. 244, 6049, 1969], které ukazují, že téměř ve všech buňkách savců existuje superoxiddismutáza (SOD; EC 1.15.1.1), enzym katalyzující reakci dysmutace superoxidového radikálu;
  • Babiora [B. M. Babior, J. Clin, Inwest. 52, 741, 1973], který ukázal souvislost funkcí neutrofilů se vznikem volných radikálů;
  • Grangera [D. N. Granger, Gastroenterology 81, 22, 1981], který prokázal, že mnoha onemocnění jsou spojená s nerovnováhou mezi mechanismy způsobujícími vytváření volných radikálů a systémy, které je zneškodňují.

K reaktivním formám kyslíku (ROS) patří: singletová kyslík, ozon, hydroperoxidový radikál, superoxid, peroxid vodíku, hydroxylový radikál, oxid dusnatý, oxid dusičitý, peroxodusitá kyselina a její aniont.

Zdroje reaktivních forem kyslíku:

  1. Neutrofily odpovědné za lokalizaci zánětu v těle, identifikaci, zabití a strávení vetřelce. Neutrofily jsou vybaveny dvěma systémy zabíjení: nezávislý na kyslíku a kyslíkový, který generuje O2-, OH, ONOO-. Reaktivní formy kyslíku uvolněné z fagocytárních buněk mohou způsobit poškození dalších buněk.
  2. Dýchací řetězec – několik procent kyslíku spotřebovaného mitochondriemi podléhá jen částečně redukci a tvoří O2-. Odhaluje se, že každý den za běžných metabolických podmínek každá buňka lidského těla je vystavena působení 1010 molekul O2-. Pro člověka o hmotnosti asi 70 kg to znamená vytvoření 0,15 molů O2- za den.
  3. Oxidázy – enzymy katalyzující reakce vytváření ROS, mj. monoaminooxidáza (MAO) z membrány endoplasmatického retikula, která vyvolává oxidaci xenobiotiků.
  4. Autooxidace endo- a exogenních sloučenin – např. autooxidace adrenalinu vytváří ROS.
  5. pH snížení kyselosti urychluje uvolňování vázaných na bílkoviny přechodných kovů (Cu+2, Fe+2+), což rusí reakce dýchacího řetězce ve prospěch vytváření O2-. Snížení pH v hypoxických buňkách zvyšuje šanci na přežití – paradox pH).
  6. Přechodné kovy – kationty železa, mědi a manganu mohou přenášet elektrony na biologicky významné makromolekuly.
  7. Syntéza eikosanoidů – fosfolipáza A2 uvolnuje z fosfolipidů arachidonowy kyselinu, která je proměněná cyklo- a lipooxigenázou v prostaglandiny, leukotrieny, tromboxany a prostacykliny. Ve všech těchto procesech jsou vytvářeny ROS. ROS aktivují fosfolipázu A2.

Peroxid vodíku, i když není volným radikálem, hraje důležitou roli v procesech oxidačního vytváření volných radikálů (schéma 1). (Vzhledem k vysoké reaktivitě radikálů jejich poločasy rozpadu jsou velmi krátké, např. O2- w 37oC – 1*10-6 s, OH w 37oC – 1*10-9 s).

Haber- Weissova reakce - schéma 1

Peroxid vodíku je výsledkem redukce molekulárního kyslíku nebo dismutace peroxidového radikálu SOD. Je redukován katalázou do vody a O2. Poločas rozpadu závisí na aktivitě katalázy a glutathion peroxidázy, a proto je jeho délka dostatečně dlouhá, aby mohl pronikat buněčné membrány a pohybovat se po celém těle.

Největším nebezpečím pro organismus je hydroxylový radikál, protože reaguje s každou organickou molekulou. Tyto reakce mohou mít různé mechanismy:

ztráta atomu: OH + HR → H2O + R

přidání radikálu: OH + R – CH = CH – R → R – CHOH – C H – R

adice radikálů: R + R → R – R

Společnou vlastností výše uvedených reakcí je udržování řetězové reakce volných radikálů.

Hlavním zdrojem hydroxylových radikálů je Fentonova reakce (schéma 1).

H2O2 + Fe+2 → OH• + OH- + Fe+3

Dalším zdrojem hydroxylových radikálů je Haber-Weissova reakce, kde katalyzátory jsou kationty železa a mědi.

O2- + H2O2 → O2 + OH + OH-

Superoxid O2- je výsledkem jednoelektronové redukce molekulárního kyslíku. Jedná se o konečný produkt nebo meziprodukt mnoha enzymatických reakcí. Je vytvořen především v dýchacím řetězci (schéma 2), v enzymatických transformacích katalyzovaných oxireduktázy (xantinooxidázou, aldehyd-oxidázou, dihydroorotát-oxidázou, diaminovou oxidázou, oxireduktázou NADPH nebo cytochromem P-450, myeloperoxidázou z leukocytů, autooxidací redukovaných forem biochemických sloučenin (flaviny, chinony nukleotidů, aromatické aminokyseliny, pteridiny, ferredoxiny, thiolové sloučeniny, jako glutation, adrenalin, dopamin).

Výroba energie a volných radikálů - schéma 2

Radikál oxidu dusnatého je výsledkem syntézy endoteliálního relaxačního faktoru tj. oxidu dusnatého z argininu. V reakci se superoxidem vzniká nestálá peroxodusitá kyselina, která podléhá homolytickému rozpadu a tvoří hydroxylový radikál.

Teorie stárnutí v důsledku působení volných radikálů je založena na účinnosti reakcí dýchacího řetězce, jehož efektivnost je asi 40%. Špatná výživa a věk snižují jeho účinnost, což vede ke zvýšené produkci superoxidů O2-, které zahájí řetězec reakcí volných radikálů nebo z kterých se vytvoří hydroxylové radikály. Dieta s nízkým obsahem vitamínu B a vitamínu K způsobuje poruchy, které vedou k inhibici fosforylace dýchacího řetězce jednotlivých buněk. Podobné příznaky se vyskytují v případě nedostatku železa, které je součástí enzymů dýchacího řetězce. Vitamín K se podílí na syntéze dýchacího řetězce jaterních buněk. V játrech při použití energetických zásob je tvořena většina bílkovin, včetně protrombinu – bílkoviny, které velký význam pro srážení krve.

Podobná situace je v případě nedostatku vitamínu B. Pellagra a beri-beri jsou výsledkem poruch biologické oxidace v citlivých tkáních, k nimž patří nervové buňky, epiteliální buňky a buňky endokrinních žláz.

V důsledku reakcí volných radikálů ROS s organickými sloučeninami vznikají sloučeniny s neznámou strukturou a biochemickými vlastnostmi, které mohou být příčinou řady onemocnění. Jejich účinky jsou uvedený níže:

Harisa-Weissova reakce - schéma 3

V eukaryotických organismech existují ochranné mechanismy, neutralizující škodlivé účinky všudypřítomných ROS. Jejich úkolem je nepřetržité sledování účinnosti jednotlivých prvků antioxidační bariéry, tj. udržení správné homeostázy pro- a antioxidačních procesů.

Jednotlivé prvky antioxidační bariéry lze rozdělit do dvou skupin:

  1. hlavní:
    • enzymatické: superoxid dismutáza (CuZnSOD – cytosol, jádro, plazma, MnSOD – mitochondrium), kataláza (FeCAT – peroxizomy), glutation peroxidáza (SeGPx – cytosol, mitochondrie), glutation transferáza (cytosol);
    • extracelulární metaloproteiny (albumin-Fe, Cu, transferin-Fe, ceruloplasmin-Cu) a intracelulární (ferriti-Fe, metalotionein-Cu);
    • molekulární: α-tokoferol, β-karoten, askorbová kyselina, glutation, ubichinon, močany, karnosin, anserin;
  2. pomocné:
    • enzymatické: glukózo-6-fosfát dehydrogenázy, disulfoglutation reduktáza;
    • molekulární: bilirubin, biliverdin, cystein, adenosin, histidin, lipoová kyselina, linolenová kyselina.

Všechny prvky antioxidační bariéry zajišt’ují její schopnost chránit proti škodlivým účinkům ROS (schéma 4). V každém místě, kde mohou se vytvořit ROS, jsou přítomny antioxidanty. V enzymatických reakcích, v kterých se tvoří ROS, hlavní produkty mohou být antioxidanty, např. v reakci oxidace xantinu na močovou kyselinu. Tělo vytvořilo prostorové bariery a omezilo šíření reakcí volných radikálů specifickým umístěním všech prvků antioxidační bariéry tak, aby se vzájemně doplňovaly. Pokud aktivnost enzymatických prvků antioxidační bariéry není dostatečná, a dalších jejích součástí je příliš málo, tehdy zůstává ochranný účinek endogenních látek, a to zejména vitamínů: A, E a C, a také flavonoidů.

Antioxidační bariéra - schéma 4

Vitamín C nebo kyselina L-askorbová je nejúčinnější ve vodě rozpustný antioxidant. Neutralizuje působení ROS v tělních tekutinách, ve krvi a extracelulární tekutině. Askorbová kyselina je považována za nejdůležitější hydrofilní antioxidant. Fyziologicky nejdůležitějším hydrofobním antioxidantem je α-tokoferol nebo vitamín E. Působení vitamínů E a C má synergický účinek. Askorbát redukuje α-tokoferolový radikál, regeneruje vitamín E a tvoří askorbylový radikál, který podléhá další redukci na dehydroaskorbovou kyselinu. Za účasti glutationu dehydroaskorbová reduktáza rekonstruuje původní formu vitamínu C.

Vitamíny E a A působí synergicky během mikrosomální inhibice peroxidace v hepatocytech. Vitamín A je účinný antioxidant za podmínek dobrého okysličení těla, a v případě hypoxie vysokou antioxidační účinnosti má vitamín E. Vitamín A brání oxidaci lipidové frakce plazmy a lipidů v buněčných membránách. Peroxidace lipidů způsobuje poškození buněčných membrán.

Rychlost oxidace lipidů závisí na typu tkáně, přítomnosti antioxidantů a iontů přechodných kovů, a také na koncentraci kyslíku. Skládá se ze trí fází: iniciace, propagace a terminace. Proces iniciace je útok radikálu na terciální atom uhlíku (protože vazba C-H má malou disociační energii). Tento proces může být zahájen např. hydroxylovým radikálem, zejména za účasti přechodných kovů. Superoxid není schopen zahájit oxidaci lipidů, protože není rozpustný v lipidech. Radikály s nepárovaným elektronem na atomu uhlíku reagují s kyslíkem a tvoří peroxidové radikály, které podílejí na dalších reakcích (propagace) a reagují s přilehlými molekulami nenasycených lipidů (schéma 5).

Peroxidace lipidů - schéma 5

Ionty přechodných kovů katalyzují také rozpad lipidových peroxidů:

LOOH + Fe2+ → LO + OH-Fe3+

LOOH + Fe3+ → LOO + H+Fe2+

Fáze propagace je inhibována konkurující fází terminace, ke které dochází mezi reaktivními formami radikálů:

LOO + L1 OO → LOOL1 + O2

LOO + L1OO → LOOL1

L + L1 → L – L1

Výsledkem tohoto procesu je vznik lipidů s rozvětvenými alifatickými řetězci nebo proteino-lipidových komplexů. Rozklad lipidových peroxidů způsobuje vznik četných sloučenin, jako jsou: nasycené (ethan, pentan, hexan) a nenasycené uhlovodíky, aldehydy (nasycené a nenasycené, hydroxyaldehydy), dialdehydy (např. malonyldialdechyd – MDA). Některé z těchto sloučenin mohou být příčinou poruch nebo mohou být metabolizovány na další potenciální endogenní toxiny.

Zvláštní pozornost byste měli věnovat γ-diketonům, které mohou způsobit „sít’ování” lipidů a bílkovin. Zesítěné MDA lipidy byly nalezeny v membránách krvinek v průběhu srpkovité anémie. Obecně platí, že oxidace lipidů vede k degradaci membránových lipidů, což může tělo používat jako ochranný mechanismus. U lidí s rakovinou bylo pozorováno, zejména při metastázách, zvýšenou koncentraci MDA v séru a v moči, což může znamenat zvýšenou obrannou funkci neutrofilů.

Volné radikály způsobí vznik cizích biochemických struktur v organismu. Studie mnoha světových výzkumných center jsou zaměřeny na určení stupně poškození nukleových kyselin (např. označením 8-hydroxydeoxiguanozinu), proteinů (označením bityrozinu) a mastných kyselin (označením MDA, uhlovodíků, diketonů a jejich metabolitů). Zvláště zajímavý směr výzkumů je hledání endogenních toxin, které vznikají v důsledku biochemických změn, kterým podléhají produkty řetězce reakcí volných radikálů.