Frie radikaler og antioksidanter

Oppdagelsen av frie radikaler og antioksidanter var en like viktig milepæl for medisinsk vitenskap som oppdagelsen av mikroorganismer og antibiotika, ettersom legene ikke bare fikk en forklaring på mange patologiske prosesser, inkludert aldring, men også effektive metoder for å bekjempe dem.

Det siste tiåret har vært preget av fremskritt innen studiet av frie radikaler i biologiske objekter. Disse prosessene har vist seg å være en nødvendig metabolsk kobling i kroppens normale funksjon. De deltar i oksidative fosforyleringsreaksjoner, i biosyntesen av prostaglandiner og nukleinsyrer, i reguleringen av lipotisk aktivitet og i celledelingsprosesser. I kroppen dannes frie radikaler oftest under oksidasjon av umettede fettsyrer, og denne prosessen er nært knyttet til lipidperoksidasjon (LPO).

Hva er frie radikaler?

Et fritt radikal er et molekyl eller atom som har et uparret elektron i sin ytre bane, noe som gjør det aggressivt og i stand til ikke bare å reagere med cellemembranmolekyler, men også å omdanne dem til frie radikaler (en selvopprettholdende skredreaksjon).

Det karbonholdige radikalet reagerer med molekylært oksygen for å danne peroksidfrie radikaler COO.

Peroksidradikalet ekstraherer hydrogen fra sidekjeden til umettede fettsyrer, og danner et lipidhydroperoksid og et annet karbonholdig radikal.

Lipidhydroperoksider øker konsentrasjonen av cytotoksiske aldehyder, og det karbonholdige radikalet støtter reaksjonen med dannelse av peroksidradikaler, etc. (i en kjede).

Det finnes ulike mekanismer som frie radikaler dannes gjennom. En av dem er effekten av ioniserende stråling. I noen situasjoner, under prosessen med molekylær oksygenreduksjon, tilsettes ett elektron i stedet for to, og et svært reaktivt superoksidanion (O) dannes. Dannelsen av superoksid er en av forsvarsmekanismene mot bakteriell infeksjon: uten oksygenfrie radikaler kan ikke nøytrofiler og makrofager ødelegge bakterier.

Tilstedeværelsen av antioksidanter både i cellen og i det ekstracellulære rommet indikerer at dannelsen av frie radikaler ikke er et episodisk fenomen forårsaket av effektene av ioniserende stråling eller toksiner, men et konstant fenomen som følger med oksidasjonsreaksjoner under normale forhold. De viktigste antioksidantene inkluderer enzymer i superoksiddismutase (SOD)-gruppen, hvis funksjon er å katalytisk omdanne peroksidanionet til hydrogenperoksid og molekylært oksygen. Siden superoksiddismutaser er allestedsnærværende, er det rimelig å anta at superoksidanionet er et av hovedbiproduktene fra alle oksidasjonsprosesser. Katalaser og peroksidaser omdanner hydrogenperoksid dannet under dismutasjon til vann.

Hovedtrekket ved frie radikaler er deres ekstraordinære kjemiske aktivitet. Som om de føler sin underlegenhet, prøver de å gjenvinne det tapte elektronet, og tar det aggressivt fra andre molekyler. De "fornærmede" molekylene blir igjen radikaler og begynner å rane seg selv, og tar elektroner fra naboene sine. Enhver endring i et molekyl - det være seg tap eller tilføyelse av et elektron, tilstedeværelsen av nye atomer eller grupper av atomer - påvirker dets egenskaper. Derfor endrer frie radikalreaksjoner som oppstår i et hvilket som helst stoff de fysiske og kjemiske egenskapene til dette stoffet.

Det mest kjente eksemplet på en friradikalprosess er oljeforråtnelse (harskning). Harsk olje har en særegen smak og lukt, som forklares med tilstedeværelsen av nye stoffer i den, dannet under friradikalreaksjoner. Det viktigste er at proteiner, fett og DNA fra levende vev kan bli deltakere i friradikalreaksjoner. Dette fører til utvikling av ulike patologiske prosesser som skader vev, aldring og utvikling av ondartede svulster.

De mest aggressive av alle frie radikaler er frie oksygenradikaler. De kan provosere frem et skred av frie radikalreaksjoner i levende vev, med katastrofale konsekvenser. Frie oksygenradikaler og deres aktive former (for eksempel lipidperoksider) kan dannes i huden og ethvert annet vev under påvirkning av UV-stråling, noen giftige stoffer som finnes i vann og luft. Men det viktigste er at aktive former for oksygen dannes under enhver betennelse, enhver infeksjonsprosess som oppstår i huden eller andre organer, siden de er immunsystemets viktigste våpen, som det bruker til å ødelegge patogene mikroorganismer.

Det er umulig å gjemme seg for frie radikaler (akkurat som det er umulig å gjemme seg for bakterier, men det er mulig å beskytte seg mot dem). Det finnes stoffer som utmerker seg ved at deres frie radikaler er mindre aggressive enn radikalene til andre stoffer. Etter å ha gitt elektronet sitt til aggressoren, søker ikke antioksidanten å kompensere for tapet på bekostning av andre molekyler, eller rettere sagt, gjør det bare i sjeldne tilfeller. Derfor, når et fritt radikal reagerer med en antioksidant, blir det til et fullverdig molekyl, og antioksidanten blir et svakt og inaktivt radikal. Slike radikaler er ikke lenger farlige og skaper ikke kjemisk kaos.

Hva er antioksidanter?

«Antioksidanter» er en samlebetegnelse, og i likhet med betegnelser som «antineoplastiske midler» og «immunmodulatorer» innebærer det ikke tilhørighet til noen spesifikk kjemisk gruppe av stoffer. Deres spesifisitet er den nærmeste forbindelsen med lipidoksidasjon forårsaket av frie radikaler generelt og patologi forårsaket av frie radikaler spesielt. Denne egenskapen forener forskjellige antioksidanter, som hver har sine egne spesifikke virkningstrekk.

Prosessene med fri radikaloksidasjon av lipider er av generell biologisk natur, og etter mange forfatteres mening er de en universell mekanisme for celleskade på membrannivå når de aktiveres kraftig. I dette tilfellet, i lipidfasen av biologiske membraner, forårsaker lipidperoksidasjonsprosesser en økning i viskositeten og ordenen til membranens dobbeltlag, endrer faseegenskapene til membranene og reduserer deres elektriske motstand, og letter også utvekslingen av fosfolipider mellom to monolag (den såkalte fosfolipid-flip-flop). Under påvirkning av peroksidasjonsprosesser hemmes også mobiliteten til membranproteiner. På cellenivå ledsages lipidperoksidasjon av hevelse av mitokondrier, frakobling av oksidativ fosforylering (og i avanserte prosesser - oppløselighet av membranstrukturer), som på hele organismenivå manifesterer seg i utviklingen av såkalte frie radikalpatologier.

Frie radikaler og celleskade

I dag har det blitt åpenbart at dannelsen av frie radikaler er en av de universelle patogenetiske mekanismene i ulike typer celleskader, inkludert følgende:

• reperfusjon av celler etter en periode med iskemi;
• noen medikamentinduserte former for hemolytisk anemi;
• forgiftning av noen herbicider;
• håndtering av karbontetraklorid;
• ioniserende stråling;
• noen mekanismer for cellealdring (for eksempel akkumulering av lipidprodukter i cellen - ceroider og lipofusciner);
• oksygentoksisitet;
• aterogenese på grunn av oksidasjon av lavdensitetslipoproteiner i cellene i arterieveggen.

Frie radikaler deltar i prosessene:

• aldring;
• karsinogenese;
• kjemisk og medisinsk skade på celler;
• betennelse;
• radioaktiv skade;
• aterogenese;
• oksygen- og ozontoksisitet.

Effekter av frie radikaler

Oksidasjon av umettede fettsyrer i cellemembraner er en av hovedeffektene av frie radikaler. Frie radikaler skader også proteiner (spesielt tiolholdige proteiner) og DNA. Det morfologiske resultatet av lipidoksidasjon i celleveggen er dannelsen av polare permeabilitetskanaler, noe som øker membranens passive permeabilitet for Ca2+-ioner, hvorav overskuddet avsettes i mitokondriene. Oksidasjonsreaksjoner undertrykkes vanligvis av hydrofobe antioksidanter som vitamin E og glutationperoksidase. Vitamin E-lignende antioksidanter som bryter oksidasjonskjeder finnes i friske grønnsaker og frukt.

Frie radikaler reagerer også med molekyler i det ioniske og vandige miljøet i cellulære rom. I det ioniske miljøet beholder molekyler av stoffer som redusert glutation, askorbinsyre og cystein antioksidantpotensial. De beskyttende egenskapene til antioksidanter blir tydelige når karakteristiske morfologiske og funksjonelle endringer observeres på grunn av oksidasjon av lipider i cellemembranen ved uttømming av reservene deres i en isolert celle.

Typen skade forårsaket av frie radikaler bestemmes ikke bare av aggressiviteten til de produserte radikalene, men også av målets strukturelle og biokjemiske egenskaper. For eksempel ødelegger frie radikaler i det ekstracellulære rommet glykosaminoglykaner i hovedsubstansen i bindevevet, noe som kan være en av mekanismene for leddødeleggelse (for eksempel ved revmatoid artritt). Frie radikaler endrer permeabiliteten (og dermed barrierefunksjonen) til cytoplasmatiske membraner på grunn av dannelsen av kanaler med økt permeabilitet, noe som fører til et brudd på cellens vann-ion-homeostase. Det antas at det er nødvendig å gi pasienter med revmatoid artritt vitaminer og mikroelementer, spesielt korrigering av vitaminmangel og mikroelementmangel med oligogal E. Dette skyldes det faktum at en merkbar aktivering av peroksidasjonsprosesser og undertrykkelse av antioksidantaktivitet har blitt påvist, så det er svært viktig å inkludere bioantioksidanter med høy antiradikalaktivitet i kompleks terapi, som inkluderer antioksidantvitaminer (E, C og A) og mikroelementer selen (Se). Det har også blitt vist at bruk av en syntetisk dose vitamin E, som absorberes dårligere enn naturlig. For eksempel fører doser av vitamin E opptil 800 og 400 IE/dag til en reduksjon i hjerte- og karsykdommer (med 53 %). Svaret på antioksidantenes effektivitet vil imidlertid bli oppnådd i store kontrollerte studier (fra 8000 til 40 000 pasienter), som ble utført i 1997.

Beskyttelseskreftene som opprettholder LPO-hastigheten på et visst nivå inkluderer enzymsystemer som hemmer peroksidasjon og naturlige antioksidanter. Det finnes tre nivåer av regulering av hastigheten på oksidasjon av frie radikaler. Det første trinnet er antioksygen, det opprettholder et ganske lavt partialtrykk av oksygen i cellen. Dette inkluderer først og fremst respirasjonsenzymer som konkurrerer om oksygen. Til tross for den store variasjonen i O3-absorpsjon i kroppen og frigjøring av CO2 fra den, forblir pO2 og pCO2 i arterielt blod normalt ganske konstante. Det andre beskyttelsestrinnet er antiradikal. Det består av forskjellige stoffer som er tilstede i kroppen (vitamin E, askorbinsyre, noen steroidhormoner, etc.), som avbryter LPO-prosesser ved å interagere med frie radikaler. Det tredje trinnet er antiperoksid, som ødelegger allerede dannede peroksider ved hjelp av passende enzymer eller ikke-enzymatisk. Imidlertid finnes det fortsatt ingen enhetlig klassifisering og enhetlige synspunkter på mekanismene som regulerer hastigheten på frie radikalreaksjoner og virkningen av beskyttende krefter som sikrer utnyttelsen av sluttproduktene av lipidperoksidasjon.

Det antas at endringer i reguleringen av LPO-reaksjoner, avhengig av intensitet og varighet, kan: for det første være reversible med en påfølgende tilbakevending til det normale, for det andre føre til en overgang til et annet nivå av autoregulering, og for det tredje kan noen av effektene oppløse denne selvreguleringsmekanismen, og følgelig føre til umuligheten av å implementere regulatoriske funksjoner. Derfor er det å forstå den regulatoriske rollen til LPO-reaksjoner under eksponering for ekstreme faktorer, spesielt kulde, et nødvendig forskningsstadium som tar sikte på å utvikle vitenskapelig baserte metoder for å håndtere tilpasningsprosesser og kompleks terapi, forebygging og rehabilitering av de vanligste sykdommene.

En av de mest brukte og effektive er et kompleks av antioksidanter, som inkluderer tokoferol, askorbat og metionin. Ved å analysere virkningsmekanismen til hver av antioksidantene som ble brukt, ble følgende bemerket. Mikrosomer er et av hovedstedene for akkumulering av eksogent introdusert tokoferol i leverceller. Askorbinsyre, som oksideres til dehydroaskorbinsyre, kan fungere som en mulig protondonor. I tillegg er det vist at askorbinsyren har evnen til å samhandle direkte med singlett oksygen, hydroksylradikal og superoksidanionradikal, samt å ødelegge hydrogenperoksid. Det finnes også bevis for at tokoferol i mikrosomer kan regenereres av tioler og spesielt av redusert glutation.

Det finnes dermed en rekke sammenkoblede antioksidantsystemer i kroppen, hvis hovedrolle er å opprettholde enzymatiske og ikke-enzymatiske oksidative reaksjoner på et stabilt nivå. I hvert trinn i utviklingen av peroksidreaksjoner finnes det et spesialisert system som utfører disse funksjonene. Noen av disse systemene er strengt spesifikke, andre, som glutationperoksidase og tokoferol, har en større virkningsbredde og mindre substratspesifisitet. Additiviteten i samspillet mellom enzymatiske og ikke-enzymatiske antioksidantsystemer med hverandre sikrer kroppens motstand mot ekstreme faktorer som har prooksidative egenskaper, dvs. evnen til å skape forhold i kroppen som disponerer for produksjon av aktiverte oksygenformer og aktivering av lipidperoksidasjonsreaksjoner. Det er ingen tvil om at aktiveringen av lipidperoksidasjonsreaksjoner observeres under påvirkning av en rekke miljøfaktorer på kroppen og i patologiske prosesser av ulik art. I følge V. Yu. Kulikov et al. (1988), avhengig av mekanismene for aktivering av LPO-reaksjoner, kan alle faktorer som påvirker kroppen med en viss grad av sannsynlighet deles inn i følgende grupper.

Faktorer av fysisk-kjemisk natur som bidrar til en økning i vevsforløbere og direkte aktivatorer av LPO-reaksjoner:

• oksygen under trykk;
• ozon;
• nitrogenoksid;
• ioniserende stråling, etc.

Faktorer av biologisk natur:

• fagocytoseprosesser;
• ødeleggelse av celler og cellemembraner;
• systemer for å generere aktiverte oksygenformer.

Faktorer som bestemmer aktiviteten til kroppens antioksidantsystemer av enzymatisk og ikke-enzymatisk natur:

• aktiviteten til prosesser assosiert med induksjon av antioksidantsystemer av enzymatisk natur;
• genetiske faktorer assosiert med depresjon av ett eller annet enzym som regulerer lipidperoksidasjonsreaksjoner (mangel på glutationperoksidase, katalase, etc.);
• ernæringsfaktorer (mangel på tokoferol, selen, andre mikroelementer, etc. i mat);
• strukturen til cellemembraner;
• forholdet mellom antioksidanter av enzymatisk og ikke-enzymatisk natur.

Risikofaktorer som potenserer aktiveringen av LPO-reaksjoner:

• aktivering av kroppens oksygenregime;
• stresstilstand (kulde, høy temperatur, hypoksi, emosjonell og smertefull påvirkning);
• hyperlipidemi.

Aktivering av LPO-reaksjoner i kroppen er dermed nært knyttet til funksjonen til oksygentransport- og utnyttelsessystemer. Adaptogener fortjener spesiell oppmerksomhet, inkludert den mye brukte eleutherococcus. Preparatet fra roten av denne planten har generelt styrkende, adaptogene, antistress-, antiaterosklerotiske, antidiabetiske og andre egenskaper, og reduserer generell sykelighet, inkludert influensa. Når man studerer de biokjemiske virkningsmekanismene til antioksidanter hos mennesker, dyr og planter, har utvalget av patologiske tilstander som antioksidanter brukes til behandling, utvidet seg betydelig. Antioksidanter brukes med hell som adaptogener for beskyttelse mot strålingsskader, behandling av sår og brannskader, tuberkulose, hjerte- og karsykdommer, nevropsykiatriske lidelser, neoplasmer, diabetes, etc. Naturligvis har interessen for mekanismene som ligger til grunn for en slik universell virkning av antioksidanter økt.

For tiden er det eksperimentelt fastslått at effektiviteten til antioksidanter bestemmes av deres aktivitet i å hemme lipidperoksidasjon på grunn av interaksjon med peroksid og andre radikaler som initierer LPO, samt på grunn av effekten av antioksidanter på membranstrukturen, noe som letter oksygentilgangen til lipider. LPO kan også endres med et mediert system av antioksidantvirkning gjennom nevrohormonale mekanismer. Det har blitt vist at antioksidanter påvirker frigjøringen av nevrotransmittere og hormoner, reseptorfølsomhet og deres binding. En endring i konsentrasjonen av hormoner og nevrotransmittere endrer igjen intensiteten av LPO i målcellene, noe som fører til en endring i hastigheten på lipidkatabolisme og som en konsekvens til en endring i deres sammensetning. Forholdet mellom LPO-hastigheten og en endring i spekteret av membranfosfolipider spiller en regulerende rolle. Et lignende reguleringssystem er funnet i cellemembranene til dyr, planter og mikrobielle organismer. Som kjent påvirker sammensetningen og fluiditeten til membranlipider aktiviteten til membranproteiner, enzymer og reseptorer. Gjennom dette reguleringssystemet virker antioksidanter på reparasjon av membranen, endrer organismens patologiske tilstand og normaliserer dens sammensetning, struktur og funksjonelle aktivitet. Endringer i aktiviteten til enzymer som syntetiserer makromolekyler og sammensetningen av kjernematrisen med en endring i sammensetningen av membranlipider forårsaket av antioksidantenes virkning kan forklares med deres innflytelse på syntesen av DNA, RNA og protein. Samtidig har data om direkte interaksjon mellom antioksidanter og makromolekyler dukket opp i litteraturen.

Disse dataene, samt de nylig oppdagede dataene om effektiviteten av antioksidanter i pikomolare konsentrasjoner, fremhever rollen til reseptorveier i deres effekt på cellulær metabolisme. I arbeidet til V.E. Kagan (1981) om mekanismene for strukturell og funksjonell modifisering av biomembraner, ble det vist at avhengigheten av hastigheten på LPO-reaksjoner i biomembraner ikke bare avhenger av deres fettsyresammensetning (grad av umettethet), men også av den strukturelle organiseringen av lipidfasen i membranene (molekylær mobilitet av lipider, styrke av protein-lipid og lipid-lipid-interaksjoner). Det ble funnet at som et resultat av akkumulering av LPO-produkter, skjer lipidfordeling i membranen: mengden flytende lipider i biolaget reduseres, mengden lipider immobilisert av membranproteiner reduseres, og mengden ordnede lipider i biolaget (klynger) øker. V.

Når man studerte naturen, sammensetningen og mekanismen til homeostase i antioksidantsystemet, ble det vist at manifestasjonen av den skadelige effekten av frie radikaler og peroksidforbindelser forhindres av et komplekst flerkomponent antioksidantsystem (AOS), som sørger for binding og modifisering av radikaler, og forhindrer dannelse eller ødeleggelse av peroksider. Det inkluderer: hydrofile og hydrofobe organiske stoffer med reduserende egenskaper; enzymer som opprettholder homeostasen til disse stoffene; antiperoksidenzymer. Blant de naturlige antioksidantene er lipidstoffer (steroidhormoner, vitamin E, A, K, flavonoider og polyfenoler vitamin P, ubikinon) og vannløselige stoffer (lavmolekylære tioler, askorbinsyre). Disse stoffene enten fanger frie radikaler eller ødelegger peroksidforbindelser.

Den ene delen av vevsantioksidanter har en hydrofil karakter, den andre - en hydrofob, noe som muliggjør samtidig beskyttelse av funksjonelt viktige molekyler mot oksidasjonsmidler i både vandig og lipidfase.

Den totale mengden bioantioksidanter skaper et "bufferantioksidantsystem" i vev, som har en viss kapasitet, og forholdet mellom prooksidant- og antioksidantsystemer bestemmer organismens såkalte "antioksidantstatus". Det er all grunn til å tro at tioler inntar en spesiell plass blant vevsantioksidanter. Dette bekreftes av følgende fakta: høy reaktivitet av sulfhydrylgrupper, som gjør at noen tioler oksideres med en veldig høy hastighet, avhengighet av hastigheten på oksidativ modifisering av SH-grupper av deres radikalmiljø i molekylet. Denne omstendigheten lar oss skille ut en spesiell gruppe lett oksiderbare stoffer fra en rekke tiolforbindelser, som utfører spesifikke funksjoner som antioksidanter: reversibilitet av oksidasjonsreaksjonen av sulfhydrylgrupper til disulfidgrupper, som i prinsippet gjør det mulig å energisk opprettholde homeostasen til tiolantioksidanter i cellen uten å aktivere deres biosyntese; tiolenes evne til å utvise både antiradikal- og antiperoksideffekter. De hydrofile egenskapene til tioler bestemmer deres høye innhold i cellens vandige fase og muligheten for beskyttelse mot oksidativ skade av biologisk viktige molekyler av enzymer, nukleinsyrer, hemoglobin, etc. Samtidig sikrer tilstedeværelsen av ikke-polare grupper i tiolforbindelser muligheten for deres antioksidantaktivitet i cellens lipidfase. Sammen med stoffer av lipid natur spiller tiolforbindelser dermed en stor rolle i å beskytte cellulære strukturer mot virkningen av oksiderende faktorer.

Askorbinsyre er også utsatt for oksidasjon i kroppens vev. I likhet med tioler er den en del av AOS, og deltar i bindingen av frie radikaler og ødeleggelsen av peroksider. Askorbinsyre, hvis molekyl inneholder både polare og ikke-polare grupper, viser nær funksjonell interaksjon med SH-glutation og lipidantioksidanter, noe som forsterker effekten av sistnevnte og forhindrer lipidperoksidasjon. Tilsynelatende spiller tiolantioksidanter en ledende rolle i å beskytte de viktigste strukturelle komponentene i biologiske membraner, slik som fosfolipider eller proteiner som er nedsenket i lipidlaget.

Vannløselige antioksidanter – tiolforbindelser og askorbinsyre – viser sin beskyttende virkning hovedsakelig i et vandig miljø – cellecytoplasma eller blodplasma. Det bør huskes at blodsystemet er et indre miljø som spiller en avgjørende rolle i uspesifikke og spesifikke reaksjoner i kroppens forsvar, og påvirker dens motstand og reaktivitet.

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

Frie radikaler i patologi

Spørsmålet om årsak-virkningssammenhenger i endringer i intensiteten av lipidperoksidasjon i dynamikken i sykdomsutviklingen diskuteres fortsatt i litteraturen. Ifølge noen forfattere er det bruddet på stasjonariteten i denne prosessen som er hovedårsaken til de angitte sykdommene, mens andre mener at endringen i intensiteten av lipidperoksidasjon er en konsekvens av disse patologiske prosessene initiert av helt andre mekanismer.

Forskning utført de siste årene har vist at endringer i intensiteten av frie radikaler følger med sykdommer av ulik opprinnelse, noe som bekrefter tesen om den generelle biologiske naturen til frie radikaler på celler. Det er samlet tilstrekkelig bevis for den patogenetiske deltakelsen av frie radikaler på molekyler, celler, organer og kroppen som helhet, og vellykket behandling med farmakologiske legemidler som har antioksidantegenskaper.