Действие на свободните радикали и защитните механизми на антиоксидантите

С изключение на анаеробните организми всички останали животински и растителни видове се нуждаят от кислород за своето съществуване. В атмосферата около земята кислородът се е образувал преди около 2 млрд. години в резултат на развитието и активността на фотосинтезиращи организми. Наличието на кислород е било съпътствувано и от присъствие на озон (О3) във високите части на атмосферата. Кислородът е понастоящем най-разпространеният елемент в земната обвивка (атомно свързан 53.8%), а в атмосферата неговото съдържание стига до 21% за сух въздух. Ако барометричното налягане на сухия въздух на морското ниво е 760mmHg, то парциалното налягане на кислорода е около 159 mmHg.
Снабдяването с кислород обаче в по–високи концентрации от необходимите за нормалното физиологично състояние на организмите води до токсични ефекти при растенията, животните и при аеробните микроорганизми (Escherichia coli). Увреждащтото действие на кислорода при аеробните организми варира значително в зависимост от вида на организма, неговата възраст, физиологично състояние и начин на хранене. Различните тъкани например от един и същ вид се атакуват в различна степен и по различни механизми. Анаеробните организми в кислородна среда не могат да съществуват поради окислителното увреждане на есенциални клетъчни компоненти (NAD(P)H, тиоли, желязо, сяра, протеини, птеридини) водещи до дезактивиране на редица ензими. Така например нитрогеназата от Clostridium pasterianum загубва активността си поради окисление на някои съединения, изграждащи активния и център. При редуцирането на кислорода се образуват частично редуцирани междинни продукти, наричани активни форми на кислорода, много често срещани под съкратеното наименование ROS (reactive oxygen species) което придоби популярност в научната литература.
В химията много често се използува понятието радикал, като група от атоми, например карбонатни радикали (СО32-), нитратни радикали (NO3-) и метил- радикали (CH3-). Това понятие обаче се различава от понятието “Свободни радикали” (СР). Съвременната дефинициа за СР е: молекула или част от молекула притежаваща един или повече несдвоени електрони.
Познанието за свободните радикали е преминало дълъг път на развитие. Химиците през 30те години на миналия век установяват съществуването на супероксида, а биохимиците през 60те години откриват супероксид дисмутазата.
След това откритие започва натрупване на данни и факти за връзката между действието на свободните радикали и инициирането, както и развитието на редица болестни процеси.
Особеностите и спецификата на свободните радикали се изразяват в следните характеристики:

  • Висока реактивоспособност
  • Парамагнетизъм (съществува некомпенсиран магнитен момент при несдвоения електрон)
  • Способност да инициират верижни реакции

Класификацията на свободните радикали е различна в зависимост от тяхната химична природа и активност
В зависимост от стабилноста на свободните радикали, те се класифицират в две групи:


Например: OH•,  О2.- , Cl•, CCl3, ROO•, R•

  • Нестабилни – високореактивоспособни; индуктори на верижни реакции
  • Стабилни – нискореактивоспособни; прилагат се при изследване на мембранни параметри.


Например:

иминоксилен радикал и токоферокси радикал

Класификацията на свободните радикали по отношение на химичната им структура ги разделя също в две групи

СР с неорганична природа

  • На кислорода и водата: О2.-, ОH•, HOO•, H•
  • На хлора Cl•
  • На азота NO•, N•

СР с органична природа

  • На аминокиселините (ароматни и S-съдържащи)

neoxid-radikal-tirozin_563_563

  • На хроманоли
  • На пиримидинови бази на нуклеиновите киселини
  • На мастни киселини и липиди R•, RO•, ROO•

На ксенобиотици, съдържащи ароматни структури, SH или H2N групи

neoxid-reaktivni_formi_na_kisloroda_563

 

Най - важните за биологичните системи ROS са супероксидният радикал (О2), синглетният кислород (1О2) и хидроксилният радикал. Без да са радикали водородният пероксид и други хидроксипероксиди също са ROS с потенциално висока цитотоксичност. Повечто ROS реагират като силни окислители. Най – мощна окислителна активност притежават хидроксилният радикал и синглетният кислород. Във воден разтвор О2•- е умерeн редуциращ агент, редуцирайки Fe – съдържащите протеини и тези като (аконитазата) съдържащи желязо – сяра кластери и азотния окис до пероксинитрати. Протонираният супероксид НО2•-
е по – силно реактивен в сравнение с О2•-, предизвикващ пероксидация на полиненаситените мастни киселини. За съжаление много малко протониран супероксид може да бъде открит при физиологично рН. Тъй като супероксида О2•- има много кратък полуживот, той може да реагира само на местото където се генерира или на много кратки разстояния. В контраст, Н2О2 умерен окислителен агент, е относително стабилен, лесно преминаващ клетъчните мембрани и може да прояви своята активност далеч от мястото на генерирането си. Определени ключови ензими, които съдържат тиоли в активните си центрове могат да бъдат инактивирани от Н2О2. Предполага се че Н2О2. и О2•- проявяват най – силния си ефект чрез образуване на ОН• По пътя на Haber – Weiss реакцията:

neoxid-habber_weiss_563_563_01

Предполага се също, че пероксинитритът образуван от NO•, реагирайки с О2•-, може да бъде разграден с образуване на ОН•
Мощната реактивоспособност на ОH• позволява реакции с липидите, захарите, протеините и нуклеиновите киселини. Например при ДНК се атакува дезоксирибозата и се продуцират разнообразни продукти, някои от които мутагенни. Можем да добавим също, че образуваните пуринови и пиримидинови радикали при реагиране с кислорода водят до формиране на пероксил – радикали, които могат да предизвикат необратимо увреждане на ДНК.
Когато се извършва реакция между два свободни радикала, техните несдвоени електрони формират двойка и така радикалите се самоунищожават. Във физиологичните условия на организма повечето молекули нямат несдвоени електрони. Свободните радикали реагират с тях, образувайки нови радикали. Това обяснява склонността на свободно – радикалните процеси да протичат като верижни реакции с нарастване на производните радикали. Стартират се процеси, чиито ефект многократно надвишава степента на еднократното, директно увреждане. Такъв процес е липидната пероксидация. Неин основен субстрат са полиненаситените мастни киселини в мембранните фосфолипиди.
Верижният и автокаталитичен характер на този процес определя богат и разнообрзен характер на продуктите, оказващи токсично въздействие в биологичната среда.
Основните източници на свободни радикали могат да бъдат както ендогенни, така и екзогенни.

Физиологични стимули водещи до образуване на свободни радикали:
В резултат на следните физиологични процеси протичащи в организма, непрекъснато се образуват свободни радикали.

Дишане

  • O2 – Супероксид,
  • H2O2 – Хидроген пероксид(кислородна вода)
  • HOCL – Хлориста киселина
  • NO – Азотен оксид

Металите в свободна форма действат като свободни радикали. Fe2+, Cu+ Клетки

  • Ендотел (NO3 – Азотен пероксид, NO2 – азотен окис),
  • Макрофаги (NO2)
  • Неврони (ONOOH – Перокси нитрит).

Стареене Фагоцитоза и биогенетика Окисление на храни и ендогенни вещества Транспорт на вещества за производство на енергия.<

Патологични стимули водещи до образуване на свободни радикали.

  • Радиация > човешкото тяло водата се йонизира: H2O =H+ + OH-
  • Метаболизъм на лекарства > CCl3
  • Преходни (несвързани) метали > Cu+, Fe2+
  • Ултравиолетово лъчение
  • Емоционален стрес

 

към началото