Volný radikál se nazývá částice (atom nebo molekula), která ve své valenční sféře obsahuje nepárový elektron. Radikály se snaží nepárový elektron doplnit a bývají proto velmi reaktivní. Navazují se extrémně rychle na jinou strukturu, které elektrony předávají nebo jí elektrony odnímají. Odnímáním nebo přijímáním elektronu dalšími molekulami dochází k tvorbě dalších reaktivních částic. Radikálová reakce pokračuje za vzniku dalších toxických produktů. Terminace (ukončení) radikálových reakcí nastane při setkání dvou molekul s nepárovými elektrony.
Energetický metabolizmus buňky je založen na postupné redukci dvouatomové molekuly kyslíku za vzniku dvou molekul vody. Redukce probíhá v dýchacím řetězci mitochiondrií. Za fyziologických podmínek jsou pouze 4% kyslíku redukována jednoelektronově za vzniku reaktivních forem. Jednoelektronová redukce kyslíku se vyskytuje i u dalších enzymatických systémů, např. u cytochromů, oxidáz i oxygenáz atd. Jde zpravidla o enzymy přenášející elektrony na kyslík přímo, mimo dýchací řetězec.
Přijetím jednoho elekronu se molekula kyslíku redukuje na superoxidový radikál.
Superoxid není příliš reaktivní. V závislosti na prostředí má oxidační, ale i redukční účinky. Jedná se o nestabilní molekulu, která v organizmu rychle podléhá dismutaci (jeho dvě molekuly si mohou předávat elektrony vzájemně), kdy produktem dismutace je peroxid vodíku.
O2.- + O2.- ® O2 + H2O2
2H+
Peroxid vodíku je relativně stabilní, proniká v tělních tekutinách i na značnou vzdálenost. S biologickými molekulami reaguje relativně pomalu. V přítomnosti dvoumocného železa vytváří vysoce toxický hydroxylový radikál (Fentonova reakce):
H2O2 + Fe 2+ ® HO. + OH _ + Fe 3+
Hydroxylový radikál je velmi silné oxidační činidlo schopné oxidovat báze v nukleových kyselinách, aminokyseliny, cukry i nenasycené mastné kyseliny v lipidech. Trojmocné železo vznikající při reakci může být redukováno superoxidem, čímž se kruh pro další průběh uzavírá. Hydroxylový radikál reaguje s celou řadou biologických struktur – důsledkem je oxidační poškození.
Cílové biochemické struktury pro volné radikály
Antioxidační systémy
Vznik a existence reaktivních forem kyslíku v buňce musí být přesně regulována. Antioxidační ochrana je podmínkou existence energetického metabolizmu založeného na kyslíku a je vývojově velmi stará (shodné úseky primárnmí struktury SOD i dalších enzymů u nižších živočichů a u primátů). Systémy antioxidační ochrany umožnily vznik života v kyslíkové atmosféře.
Fylogeneze kyslíkového metabolizmu, vznik antioxidačních systémů
3,5 bilionu let - tvorba jednoduchých organických látek na základě ionizujícího záření
a následných radikálových reakcí . Redukční atmosféra země.
R – H ( H2S ) + CO2 CH
2,6 bilionu let - zelené řasy, schopnost fotosyntézy. Počátek uvolňování kyslíku do
atmosféry.
1,3 bilionu let - atmosférický kyslík cca 1% , první eukaryotické buňky . Schopnost
redukce O2, dýchací řetězec. Enzymy antioxidační ochrany .
Meiosa.
500 milionů let - atmosférický kyslík 10% atmosféry,
Vznik ozonu, možnost života na souši. Dýchací řetězec, symbioza
eukaryotické buňky a mitochondrií. Antioxidační ochrana
v mitochondriích i cytosolu.
65 milionů let - primáti
5 miliónů let - člověk
Vzestup koncentrace kyslíku v zemské atmosféře způsobený fotosyntetickou aktivitou sinic řas
způsobil stres, který přežily pouze živočišné druhy s mechanismy chránícími před působením reaktivních forem kyslíku
Organismus reguluje tvorbu radikálů třemi způsoby:
- snížením tvorby radikálů - regulací aktivity enzymů, které radikály tvoří. Lze velmi omezeně pro souvislost vzniku radikálů s energetickým metabolismem a obratem purinů.
- snížením intenzity následných radikálových reakcí vyvázáním (chelatací) přechodných kovů, zejména dvoumocného železa (ferritin, transferrin)
- záchytem a odstraněním již vzniklých radikálů za vzniku stálejších a méně reaktivních produktů enzymatickou i neenzymatickou cestou (antioxidační řetězce)
Přehled antioxidačních systémů
a) Enzymové antioxidační systémy
Enzymové antioxidační systémy jsou vývojově velmi staré struktury (přechodný kov v aktivním centru). Vytvářejí méně toxický produkt, který předávají dále nebo přímo rozkládají a jejich aktivitu lze biochemicky stanovit.
1)Superoxidismutáza (SOD) je fylogeneticky nejstarší. Katalyzuje přemenu superoxidu na peroxid vodíku. V aktivním centru obsahuje měď a zinek, odpovídá za antioxidační vlastnosti tělesných tekutin (vazba na povrch endotelu, výskyt v erytrocytech). V mitochondriích inaktivuje superoxid vznikající v dýchacím řetězci. U člověka se vyskytuje několik druhů SOD lišících se lokalizací a primární strukturou.
2) Kataláza rozkládá peroxid vodíku. V mitochondriích působí jako prevence vzniku hydroxylového radikálu. Chrání dvoumocné železo v hemoglobinu před oxidací – čímž má hlavní podíl na udržení redox potenciálu ECT. Strukturou se podobá hemoglobinu.
3) Glutathionperoxidázy (GPX) rozkládají peroxid vodíku v erytrocytech, inaktivují lipidové peroxidy za vzniku stabilnějších hydroxyderivátů v buněčných membránách. Exituje více druhů GPX, které se liší místem působení. V aktivním centru mají selen. Kofaktorem je redukovaný glutathion.
4) Glutathiontransferáza (GTR) – využívá redukovaný glutahion při detoxikacích xenobiotik.
5) Glutathionredukáza - regeneruje glutathion za účasti redukčních ekvivalentů z pentózového cyklu ( G-6PDH).
b) Neenzymatické antioxidační systémy
Neenzymatické antioxidanty inaktivují radikál přeměnou na méně toxický produkt schopný exkrece nebo metabolizmu (zhášeče, lapače).
Nejvýznamnější bílkoviny s neenzymatickou antioxidační aktivitou:
- transferin, laktoferin a ferritin jsou proteiny schopné vázat tranzitní kovy a inhibující Fentonovu reakci
- haptoglobin (vazba Hb) a hemopexin (vazba hemu).
- ceruloplazmin – obsahuje měď, která je schopna oxidovat Fe2+ na Fe3+ (starší název ferroxidáza)
- chaperony – bílkoviny umožňující postranslační uspořádání bílkovin a jejich funkční začlenění.
Nízkomolekulární antioxidanty
- Askorbát. Redukuje organické i anorganických radikály při vlastní oxidaci na dehydroaksorbát. Při vysoké hladině schopen redukovat měď i železo na aktivní formy vstupujicí do Fentonovy reakce.
- Vitamín E - skupina derivátů tokolu, nejúčinnější je alfa-tokoferol. Má stěžejní antioxidační působení v membránách – při peroxidaci lipidů inaktivuje radikály mastných kyselin dříve, než dojde k propagaci radikálové reakce. Tokoferylový radikál je relativně stabilní.
- Ubichinon (CoQ) a askorbát regenerují tokoferylový radikál.
- Karotenoidy, beta-karoten a vitamín A – zhášejí singletový kyslík.
- Thioly a disulfidy, zejména redukovaný glutathion, taurin, kyselina lipoová jsou součástí redoxního pufru buňky a regenerují tokoferol a askorbát.
- Bilirubin – přenáší radikálové reakce z membránových lipidů do vodného prostředí.
- Kyselina močová – nejhojnější antioxidant plazmy. Byla nalezena korelace mezi výší hladiny kyseliny močové a střední délkou života u různých živočišných druhů.
Oxidační stres
Intenzita oxidační zátěže, kapacita antioxidačních systémů a dostupnost redukčních ekvivalentů definují oxidoredukční stav buňky.
Oxidoredukční rovnováha je považována za další parametr homeostázy, neboť redox stav ovlivňuje celou řadu signálních molekul (-SH skupiny, NO).
Oxidační stres představuje porušení rovnováhy mezi vznikem a odstraňováním reaktivních forem kyslíku. Je vyvolán zvýšenou tvorbou kyslíkových radikálů nebo snížením kapacity antioxidační ochrany.
Zvýšená tvorba kyslíkových radikálů nastává při celé řadě patologických stavů. Doposud není u všech stavů jasné, kde vystupuje jako primární příčina (např. intoxikace, reperfuzní změny, uvolnění redukovaných přechodných kovů do oběhu), případně kde se redox změny podílí na amplifikaci již existujících změn (zánětlivé a degenerativní procesy).
Snížení antioxidační ochrany se může týkat enzymů (snížená aktivita z vrozených či získaných příčin), či snížení hladin jednotlivých nízkomolekulárních antioxidantů a redukčních ekvivalentů. Pro složité vztahy mezi antioxidanty vyžaduje klinicko – biochemická interpretace defektu znalost i dílčích složek antioxidačního systému.
Se zvyšujícím se věkem tvorba reaktivních forem kyslíku stoupá, zatímco kapacita antioxidačních systémů klesá. Tato skutečnost je podstatou radikálové teorie stárnutí (Daniel Harnam, 1965). Přestože je popsána celá řada dílčích mechanismů ovlivňujících degenerativní změny a stárnutí (nejrůznější mutace, telomerazová aktivita, nižší kalorický příjem atd.), lze koncept radikálové teorie stárnutí považovat za správný, neboť je schopen vysvětlit i neproliferativní projevy stárnutí.
V rámci asociačních studií byly studovány geny pro základní antioxidační enzymy jako jsou SOD2 a SOD3, GPX1, myeloperoxidáza a GTR. Například u enzymu SOD2 byla zjištěna u alely 16A nižší aktivita spojená s vyšším rizikem nádoru prostaty u jedinců s nízkým antioxidačním statusem, stejně tak alela 213 R/G u SOD3 je spojena s vyšším rizikem ischemické poruchy srdeční. U enzymu GPX byla nalezena asociace mezi alelou 198L a zvýšeným rizikem folikulárního lymfomu, non-Hogkin lymfomem, lymfomem B řady buněk a rakovinou plic. Oproti tomu alela -463A MPO je spojena s nižší aktivitou enzymu a sníženým rizikem výskytu celé řady nádorů. Z uvedených souvislosí je zřejmé, že prediktivní vyšetření zaměřené na enzymy antioxidační ochrany je schopné sdělit důležitou genetickou dispozici pro vznik degenerativních změn, stárnutí a zvýšeného rizika vzniku nádorů v souvislosti s oxidativním poškozením DNA. Na druhou stranu však můžeme rozhodnout svou životosprávaou o tom, zda existující rizikové faktory způsobem života podpoříme, nebo zda se budeme orientovat dle našich genetických dispozic a získáme léta života navíc.
