Frie radikaler og antioxidanter

Opdagelsen af frie radikaler og antioxidanter var en lige så betydningsfuld milepæl for lægevidenskaben som opdagelsen af mikroorganismer og antibiotika, da lægerne ikke blot fik en forklaring på mange patologiske processer, herunder aldring, men også effektive metoder til at bekæmpe dem.

Det sidste årti har været præget af fremskridt inden for studiet af frie radikaler i biologiske objekter. Disse processer har vist sig at være et nødvendigt metabolisk led i kroppens normale funktion. De deltager i oxidative fosforyleringsreaktioner, i biosyntesen af prostaglandiner og nukleinsyrer, i reguleringen af lipotisk aktivitet og i celledelingsprocesser. I kroppen dannes frie radikaler oftest under oxidationen af umættede fedtsyrer, og denne proces er tæt forbundet med lipidperoxidation (LPO).

Hvad er frie radikaler?

Et frit radikal er et molekyle eller atom, der har en uparret elektron i sin ydre bane, hvilket gør det aggressivt og i stand til ikke kun at reagere med cellemembranmolekyler, men også at omdanne dem til frie radikaler (en selvopretholdende lavinereaktion).

Det kulstofholdige radikal reagerer med molekylært ilt og danne det frie peroxidradikal COO.

Peroxidradikalet ekstraherer hydrogen fra sidekæden af umættede fedtsyrer og danner et lipidhydroperoxid og et andet kulstofholdigt radikal.

Lipidhydroperoxider øger koncentrationen af cytotoksiske aldehyder, og det kulstofholdige radikal understøtter reaktionen med dannelsen af peroxidradikaler osv. (i en kæde).

Der er forskellige mekanismer, hvorved frie radikaler dannes. En af dem er effekten af ioniserende stråling. I nogle situationer, under processen med molekylær iltreduktion, tilføjes én elektron i stedet for to, og der dannes en meget reaktiv superoxidanion (O2). Dannelsen af superoxid er en af forsvarsmekanismerne mod bakteriel infektion: uden iltfrie radikaler kan neutrofiler og makrofager ikke ødelægge bakterier.

Tilstedeværelsen af antioxidanter både i cellen og i det ekstracellulære rum indikerer, at dannelsen af frie radikaler ikke er et episodisk fænomen forårsaget af virkningerne af ioniserende stråling eller toksiner, men et konstant fænomen, der ledsager oxidationsreaktioner under normale forhold. De vigtigste antioxidanter omfatter enzymer i superoxiddismutase (SOD)-gruppen, hvis funktion er katalytisk at omdanne peroxidanionen til hydrogenperoxid og molekylært ilt. Da superoxiddismutaser er allestedsnærværende, er det rimeligt at antage, at superoxidanionen er et af de vigtigste biprodukter fra alle oxidationsprocesser. Katalaser og peroxidaser omdanner hydrogenperoxid dannet under dismutation til vand.

Det primære træk ved frie radikaler er deres ekstraordinære kemiske aktivitet. Som om de føler deres underlegenhed, forsøger de at genvinde den tabte elektron ved aggressivt at tage den fra andre molekyler. Til gengæld bliver de "fornærmede" molekyler også til radikaler og begynder at stjæle sig selv ved at tage elektroner fra deres naboer. Enhver ændring i et molekyle - hvad enten det er tab eller tilføjelse af en elektron, fremkomsten af nye atomer eller grupper af atomer - påvirker dets egenskaber. Derfor ændrer frie radikalreaktioner, der forekommer i ethvert stof, stoffets fysiske og kemiske egenskaber.

Det mest kendte eksempel på en fri radikalproces er oliefordærv (harskning). Harsk olie har en ejendommelig smag og lugt, som forklares ved fremkomsten af nye stoffer i den, der dannes under fri radikalreaktioner. Det vigtigste er, at proteiner, fedtstoffer og DNA fra levende væv kan blive deltagere i fri radikalreaktioner. Dette fører til udvikling af forskellige patologiske processer, der beskadiger væv, aldring og udvikling af ondartede tumorer.

De mest aggressive af alle frie radikaler er frie iltradikaler. De kan fremkalde en lavine af frie radikalreaktioner i levende væv, hvis konsekvenser kan være katastrofale. Frie iltradikaler og deres aktive former (for eksempel lipidperoxider) kan dannes i huden og ethvert andet væv under påvirkning af UV-stråling, nogle giftige stoffer indeholdt i vand og luft. Men det vigtigste er, at aktive former for ilt dannes under enhver inflammation, enhver infektiøs proces, der forekommer i huden eller ethvert andet organ, da de er immunsystemets vigtigste våben, hvormed det ødelægger patogene mikroorganismer.

Det er umuligt at gemme sig for frie radikaler (ligesom det er umuligt at gemme sig for bakterier, men det er muligt at beskytte sig mod dem). Der findes stoffer, der adskiller sig ved, at deres frie radikaler er mindre aggressive end radikalerne fra andre stoffer. Efter at have afgivet sin elektron til aggressoren søger antioxidanten ikke at kompensere for tabet på bekostning af andre molekyler, eller rettere sagt, gør den det kun i sjældne tilfælde. Derfor, når en fri radikal reagerer med en antioxidant, omdannes den til et fuldgyldigt molekyle, og antioxidanten bliver en svag og inaktiv radikal. Sådanne radikaler er ikke længere farlige og skaber ikke kemisk kaos.

Hvad er antioxidanter?

"Antioxidanter" er en samlebetegnelse, og ligesom betegnelser som "antineoplastiske midler" og "immunmodulatorer" betyder det ikke, at man tilhører en specifik kemisk gruppe af stoffer. Deres specificitet er den tætteste forbindelse til lipidoxidation forårsaget af frie radikaler generelt og patologi forårsaget af frie radikaler i særdeleshed. Denne egenskab forener forskellige antioxidanter, som hver især har sine egne specifikke virkningsegenskaber.

Processerne med fri radikaloxidation af lipider er af generel biologisk natur og er ifølge mange forfattere en universel mekanisme for celleskade på membranniveau, når de aktiveres kraftigt. I dette tilfælde forårsager lipidperoxidationsprocesser i lipidfasen af biologiske membraner en stigning i viskositeten og ordenen af membranens dobbeltlag, ændrer membranernes faseegenskaber og reducerer deres elektriske modstand, og letter også udvekslingen af fosfolipider mellem to monolag (den såkaldte fosfolipidflip-flop). Under påvirkning af peroxidationsprocesser hæmmes også mobiliteten af membranproteiner. På celleniveau ledsages lipidperoxidation af hævelse af mitokondrier, afkobling af oxidativ fosforylering (og i avancerede processer - solubilisering af membranstrukturer), hvilket på hele organismens niveau manifesterer sig i udviklingen af såkaldte frie radikalpatologier.

Frie radikaler og celleskader

I dag er det blevet tydeligt, at dannelsen af frie radikaler er en af de universelle patogenetiske mekanismer i forskellige typer celleskader, herunder følgende:

• reperfusion af celler efter en periode med iskæmi;
• nogle lægemiddelinducerede former for hæmolytisk anæmi;
• forgiftning med nogle herbicider;
• håndtering af tetrachlormetaller;
• ioniserende stråling;
• nogle mekanismer for celleældning (for eksempel akkumulering af lipidprodukter i cellen - ceroider og lipofusciner);
• ilttoksicitet;
• aterogenese på grund af oxidation af lavdensitetslipoproteiner i cellerne i arterievæggen.

Frie radikaler deltager i processerne:

• aldring;
• kræftudvikling;
• kemisk og medicinsk skade på celler;
• betændelse;
• radioaktiv skade;
• åreforkalkning;
• ilt- og ozontoksicitet.

Effekter af frie radikaler

Oxidation af umættede fedtsyrer i cellemembraner er en af de primære virkninger af frie radikaler. Frie radikaler beskadiger også proteiner (især thiolholdige proteiner) og DNA. Det morfologiske resultat af cellevæggens lipidoxidation er dannelsen af polære permeabilitetskanaler, hvilket øger membranens passive permeabilitet for Ca2+-ioner, hvis overskud aflejres i mitokondrierne. Oxidationsreaktioner undertrykkes normalt af hydrofobe antioxidanter såsom E-vitamin og glutathionperoxidase. E-vitaminlignende antioxidanter, der bryder oxidationskæder, findes i friske grøntsager og frugter.

Frie radikaler reagerer også med molekyler i det ioniske og vandige miljø i cellulære rum. I det ioniske miljø bevarer molekyler af stoffer som reduceret glutathion, ascorbinsyre og cystein antioxidantpotentiale. Antioxidanternes beskyttende egenskaber bliver tydelige, når der observeres karakteristiske morfologiske og funktionelle ændringer på grund af oxidation af lipider i cellemembranen ved udtømning af deres reserver i en isoleret celle.

De typer af skader forårsaget af frie radikaler bestemmes ikke kun af aggressiviteten af de producerede radikaler, men også af målets strukturelle og biokemiske egenskaber. For eksempel ødelægger frie radikaler i det ekstracellulære rum glycosaminoglycaner i bindevævets hovedsubstans, hvilket kan være en af mekanismerne for ledødelæggelse (for eksempel ved leddegigt). Frie radikaler ændrer permeabiliteten (og dermed barrierefunktionen) af cytoplasmatiske membraner på grund af dannelsen af kanaler med øget permeabilitet, hvilket fører til en krænkelse af cellens vand-ion-homeostase. Det menes, at det er nødvendigt at give patienter med leddegigt vitaminer og mikroelementer, især korrektion af vitaminmangel og mikroelementmangel med oligogal E. Dette skyldes, at der er påvist en mærkbar aktivering af peroxidationsprocesser og undertrykkelse af antioxidantaktivitet, så det er meget vigtigt at inkludere bioantioxidanter med høj antiradikalaktivitet i kompleks terapi, som inkluderer antioxidantvitaminer (E, C og A) og mikroelementer selen (Se). Det har også vist sig, at brugen af en syntetisk dosis E-vitamin, som absorberes dårligere end naturligt. For eksempel fører doser af E-vitamin på op til 800 og 400 IE/dag til et fald i hjerte-kar-sygdomme (med 53%). Svaret på antioxidanternes effektivitet vil dog blive opnået i store kontrollerede studier (fra 8.000 til 40.000 patienter), som blev udført i 1997.

De beskyttende kræfter, der opretholder LPO-hastigheden på et vist niveau, omfatter enzymsystemer, der hæmmer peroxidation, og naturlige antioxidanter. Der er 3 niveauer af regulering af hastigheden af fri radikaloxidation. Det første trin er antioxygen, det opretholder et forholdsvis lavt partialtryk af ilt i cellen. Dette omfatter primært respirationsenzymer, der konkurrerer om ilt. Trods den store variation i O3-absorption i kroppen og frigivelsen af CO2 fra den, forbliver pO2 og pCO2 i arterielt blod normalt forholdsvis konstante. Det andet beskyttelsestrin er antiradikal. Det består af forskellige stoffer, der er til stede i kroppen (E-vitamin, ascorbinsyre, nogle steroidhormoner osv.), som afbryder LPO-processer ved at interagere med frie radikaler. Det tredje trin er antiperoxid, som ødelægger allerede dannede peroxider ved hjælp af passende enzymer eller ikke-enzymatisk. Der er dog stadig ingen samlet klassificering og fælles synspunkter på de mekanismer, der regulerer hastigheden af frie radikalreaktioner og virkningen af de beskyttende kræfter, der sikrer udnyttelsen af slutprodukterne af lipidperoxidation.

Det menes, at ændringer i reguleringen af LPO-reaktioner, afhængigt af intensitet og varighed, kan: for det første være reversible med en efterfølgende tilbagevenden til det normale, for det andet føre til en overgang til et andet niveau af autoregulering, og for det tredje kan nogle af virkningerne forstyrre denne selvreguleringsmekanisme og følgelig føre til umuligheden af at implementere regulatoriske funktioner. Derfor er forståelsen af den regulatoriske rolle af LPO-reaktioner under udsættelse for ekstreme faktorer, især kulde, et nødvendigt forskningsstadium, der sigter mod at udvikle videnskabeligt baserede metoder til håndtering af tilpasningsprocesser og kompleks terapi, forebyggelse og rehabilitering af de mest almindelige sygdomme.

En af de mest anvendte og effektive er et kompleks af antioxidanter, som omfatter tocopherol, ascorbat og methionin. Ved analyse af virkningsmekanismen for hver af de anvendte antioxidanter blev følgende bemærket. Mikrosomer er et af de primære steder for akkumulering af eksogent introduceret tocopherol i leverceller. Ascorbinsyre, som oxideres til dehydroascorbinsyre, kan fungere som en mulig protondonor. Derudover er ascorbinsyres evne til at interagere direkte med singlet-oxygen, hydroxylradikal og superoxid-anionradikal, samt til at nedbryde hydrogenperoxid, blevet vist. Der er også tegn på, at tocopherol i mikrosomer kan regenereres af thioler og især af reduceret glutathion.

Der findes således en række sammenkoblede antioxidantsystemer i kroppen, hvis hovedrolle er at opretholde enzymatiske og ikke-enzymatiske oxidative reaktioner på et steady-state-niveau. I hvert trin i udviklingen af peroxidreaktioner er der et specialiseret system, der udfører disse funktioner. Nogle af disse systemer er strengt specifikke, andre, såsom glutathionperoxidase og tocopherol, har en større virkningsbredde og mindre substratspecificitet. Additiviteten af interaktionen mellem enzymatiske og ikke-enzymatiske antioxidantsystemer med hinanden sikrer kroppens modstandsdygtighed over for ekstreme faktorer, der har prooxidante egenskaber, dvs. evnen til at skabe forhold i kroppen, der prædisponerer for produktion af aktiverede iltformer og aktivering af lipidperoxidationsreaktioner. Der er ingen tvivl om, at aktiveringen af lipidperoxidationsreaktioner observeres under påvirkning af en række miljøfaktorer på kroppen og i patologiske processer af forskellig art. Ifølge V. Yu. Kulikov et al. (1988) kan alle faktorer, der påvirker kroppen, med en vis sandsynlighed opdeles i følgende grupper, afhængigt af mekanismerne for aktivering af LPO-reaktioner.

Faktorer af fysisk-kemisk natur, der bidrager til en stigning i vævsprekursorer og direkte aktivatorer af LPO-reaktioner:

• ilt under tryk;
• ozon;
• nitrogenoxid;
• ioniserende stråling osv.

Faktorer af biologisk natur:

• fagocytoseprocesser;
• ødelæggelse af celler og cellemembraner;
• systemer til generering af aktiverede iltformer.

Faktorer, der bestemmer aktiviteten af kroppens antioxidantsystemer af enzymatisk og ikke-enzymatisk natur:

• aktiviteten af processer forbundet med induktionen af antioxidantsystemer af enzymatisk natur;
• genetiske faktorer forbundet med depression af et eller andet enzym, der regulerer lipidperoxidationsreaktioner (mangel på glutathionperoxidase, katalase osv.);
• ernæringsmæssige faktorer (mangel på tocopherol, selen, andre mikroelementer osv. i fødevarer);
• cellemembraners struktur;
• forholdet mellem antioxidanter af enzymatisk og ikke-enzymatisk natur.

Risikofaktorer, der forstærker aktiveringen af LPO-reaktioner:

• aktivering af kroppens iltregime;
• stresstilstand (kulde, høj temperatur, hypoxi, følelsesmæssig og smertefuld påvirkning);
• hyperlipidæmi.

Aktivering af LPO-reaktioner i kroppen er således tæt forbundet med funktionen af ilttransport- og udnyttelsessystemer. Adaptogener fortjener særlig opmærksomhed, herunder den udbredte eleutherococcus. Præparatet fra roden af denne plante har generelt styrkende, adaptogene, antistress-, antiaterosklerotiske, antidiabetiske og andre egenskaber og reducerer generel sygelighed, herunder influenza. Når man studerer antioxidanters biokemiske virkningsmekanismer hos mennesker, dyr og planter, er udvalget af patologiske tilstande, til behandling af hvilke antioxidanter anvendes, blevet betydeligt udvidet. Antioxidanter anvendes med succes som adaptogener til beskyttelse mod strålingsskader, behandling af sår og forbrændinger, tuberkulose, hjerte-kar-sygdomme, neuropsykiatriske lidelser, neoplasmer, diabetes osv. Naturligvis er interessen for de mekanismer, der ligger til grund for en sådan universel virkning af antioxidanter, steget.

I øjeblikket er det eksperimentelt fastslået, at antioxidanters effektivitet bestemmes af deres aktivitet i at hæmme lipidperoxidation på grund af interaktion med peroxid og andre radikaler, der initierer LPO, samt på grund af antioxidanters virkninger på membranstrukturen, hvilket letter iltadgangen til lipider. LPO kan også ændres med et medieret system af antioxidantvirkning gennem neurohormonale mekanismer. Det er blevet vist, at antioxidanter påvirker frigivelsen af neurotransmittere og hormoner, receptorfølsomhed og deres binding. Til gengæld ændrer en ændring i koncentrationen af hormoner og neurotransmittere intensiteten af LPO i målceller, hvilket fører til en ændring i hastigheden af lipidkatabolisme og som følge heraf til en ændring i deres sammensætning. Forholdet mellem LPO-hastigheden og en ændring i spektret af membranfosfolipider spiller en regulerende rolle. Et lignende reguleringssystem er blevet fundet i cellemembraner hos dyr, planter og mikrobielle organismer. Som bekendt påvirker sammensætningen og fluiditeten af membranlipider aktiviteten af membranproteiner, enzymer og receptorer. Gennem dette reguleringssystem virker antioxidanter på membranreparationen, ændrer organismens patologiske tilstand og normaliserer dens sammensætning, struktur og funktionelle aktivitet. Ændringer i aktiviteten af enzymer, der syntetiserer makromolekyler, og sammensætningen af kernematrixen med en ændring i sammensætningen af membranlipider forårsaget af antioxidanternes virkning kan forklares ved deres indflydelse på syntesen af DNA, RNA og protein. Samtidig er der i litteraturen fremkommet data om antioxidanternes direkte interaktion med makromolekyler.

Disse data, såvel som de nyligt opdagede data om antioxidanters effektivitet i picomolære koncentrationer, fremhæver receptorvejenes rolle i deres effekt på cellulær metabolisme. I V.E. Kagans (1981) arbejde om mekanismerne for strukturel og funktionel modifikation af biomembraner blev det vist, at afhængigheden af hastigheden af LPO-reaktioner i biomembraner ikke kun afhænger af deres fedtsyresammensætning (grad af umættethed), men også af den strukturelle organisering af membranernes lipidfase (molekylær mobilitet af lipider, styrke af protein-lipid- og lipid-lipid-interaktioner). Det blev konstateret, at som følge af akkumuleringen af LPO-produkter forekommer lipidomfordeling i membranen: mængden af flydende lipider i biolaget falder, mængden af lipider immobiliseret af membranproteiner falder, og mængden af ordnede lipider i biolaget (klynger) stiger. V.

Ved undersøgelse af antioxidantsystemets natur, sammensætning og mekanisme for homeostase blev det vist, at manifestationen af de skadelige virkninger af frie radikaler og peroxidforbindelser forhindres af et komplekst multikomponent antioxidantsystem (AOS), som sørger for binding og modifikation af radikaler og forhindrer dannelse eller ødelæggelse af peroxider. Det omfatter: hydrofile og hydrofobe organiske stoffer med reducerende egenskaber; enzymer, der opretholder disse stoffers homeostase; antiperoxidenzymer. Blandt de naturlige antioxidanter er lipidstoffer (steroidhormoner, vitamin E, A, K, flavonoider og polyfenoler (vitamin P, ubiquinon) og vandopløselige stoffer (lavmolekylære thioler, ascorbinsyre). Disse stoffer enten fanger frie radikaler eller ødelægger peroxidforbindelser.

Den ene del af vævsantioxidanter har en hydrofil karakter, den anden - en hydrofob, hvilket muliggør samtidig beskyttelse af funktionelt vigtige molekyler mod oxidationsmidler i både vandig og lipidfase.

Den samlede mængde bioantioxidanter skaber et "bufferantioxidantsystem" i væv, som har en vis kapacitet, og forholdet mellem prooxidant- og antioxidantsystemer bestemmer organismens såkaldte "antioxidantstatus". Der er al mulig grund til at tro, at thioler indtager en særlig plads blandt vævsantioxidanter. Dette bekræftes af følgende fakta: høj reaktivitet af sulfhydrylgrupper, som følge af hvilken nogle thioler oxideres med en meget høj hastighed, afhængighed af hastigheden af oxidativ modifikation af SH-grupper på deres radikalmiljø i molekylet. Denne omstændighed giver os mulighed for at udpege en særlig gruppe af let oxiderede stoffer fra en række thiolforbindelser, der udfører specifikke funktioner for antioxidanter: reversibilitet af oxidationsreaktionen af sulfhydrylgrupper til disulfidgrupper, hvilket i princippet gør det muligt energisk at opretholde homeostasen af thiolantioxidanter i cellen uden at aktivere deres biosyntese; thiolers evne til at udvise både antiradikal- og antiperoxideffekter. De hydrofile egenskaber ved thioler bestemmer deres høje indhold i cellens vandige fase og muligheden for beskyttelse mod oxidativ skade af biologisk vigtige molekyler af enzymer, nukleinsyrer, hæmoglobin osv. Samtidig sikrer tilstedeværelsen af ikke-polære grupper i thiolforbindelser muligheden for deres antioxidante aktivitet i cellens lipidfase. Sammen med stoffer af lipid natur spiller thiolforbindelser således en stor rolle i beskyttelsen af cellulære strukturer mod virkningen af oxiderende faktorer.

Ascorbinsyre oxideres også i kroppens væv. Ligesom thioler er det en del af AOS, hvor det deltager i bindingen af frie radikaler og nedbrydningen af peroxider. Ascorbinsyre, hvis molekyle indeholder både polære og ikke-polære grupper, udviser tæt funktionel interaktion med SH-glutathion og lipidantioxidanter, hvilket forstærker sidstnævntes effekt og forhindrer lipidperoxidation. Tilsyneladende spiller thiolantioxidanter en ledende rolle i beskyttelsen af de vigtigste strukturelle komponenter i biologiske membraner, såsom fosfolipider eller proteiner, der er nedsænket i lipidlaget.

Til gengæld udviser vandopløselige antioxidanter - thiolforbindelser og ascorbinsyre - deres beskyttende virkning hovedsageligt i et vandigt miljø - cellecytoplasma eller blodplasma. Det skal huskes, at blodsystemet er et indre miljø, der spiller en afgørende rolle i ikke-specifikke og specifikke reaktioner i kroppens forsvar, hvilket påvirker dets modstandskraft og reaktivitet.

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

Frie radikaler i patologi

Spørgsmålet om årsag-virkningssammenhænge i ændringer i intensiteten af lipidperoxidation i dynamikken i sygdomsudviklingen diskuteres stadig i litteraturen. Ifølge nogle forfattere er det krænkelsen af stationariteten i denne proces, der er hovedårsagen til de angivne sygdomme, mens andre mener, at ændringen i intensiteten af lipidperoxidation er en konsekvens af disse patologiske processer, der er initieret af helt andre mekanismer.

Forskning udført i de senere år har vist, at ændringer i intensiteten af frie radikaler ledsager sygdomme af forskellig oprindelse, hvilket bekræfter tesen om den generelle biologiske natur af frie radikaler på celler. Der er akkumuleret tilstrækkelig dokumentation for den patogenetiske deltagelse af frie radikaler på molekyler, celler, organer og kroppen som helhed samt vellykket behandling med farmakologiske lægemidler, der har antioxidante egenskaber.