Radicalii liberi și antioxidanții

Descoperirea radicalilor liberi și a antioxidanților a fost o piatră de hotar la fel de semnificativă pentru știința medicală precum descoperirea microorganismelor și a antibioticelor, deoarece medicii au primit nu doar o explicație pentru multe procese patologice, inclusiv îmbătrânirea, ci și metode eficiente de combatere a acestora.

Ultimul deceniu a fost marcat de progrese în studiul radicalilor liberi din obiectele biologice. Aceste procese s-au dovedit a fi o verigă metabolică necesară în funcționarea normală a organismului. Aceștia participă la reacțiile de fosforilare oxidativă, la biosinteza prostaglandinelor și acizilor nucleici, la reglarea activității lipotice, la procesele de diviziune celulară. În organism, radicalii liberi se formează cel mai adesea în timpul oxidării acizilor grași nesaturați, iar acest proces este strâns legat de peroxidarea lipidică (LPO).

Ce sunt radicalii liberi?

Un radical liber este o moleculă sau un atom care are un electron nepereche pe orbita sa exterioară, ceea ce îl face agresiv și capabil nu numai să reacționeze cu moleculele membranei celulare, ci și să le transforme în radicali liberi (o reacție de avalanșă auto-susținută).

Radicalul care conține carbon reacționează cu oxigenul molecular pentru a forma radicalul liber peroxid COO.

Radicalul peroxid extrage hidrogen din catena laterală a acizilor grași nesaturați, formând un hidroperoxid lipidic și un alt radical care conține carbon.

Hidroperoxizii lipidici cresc concentrația aldehidelor citotoxice, iar radicalul care conține carbon susține reacția de formare a radicalilor peroxidici etc. (în lanț).

Există diverse mecanisme prin care se formează radicalii liberi. Unul dintre acestea este efectul radiațiilor ionizante. În unele situații, în timpul procesului de reducere a oxigenului molecular, se adaugă un electron în loc de doi și se formează un anion superoxid (O) extrem de reactiv. Formarea superoxidului este unul dintre mecanismele de apărare împotriva infecției bacteriene: fără radicali liberi de oxigen, neutrofilele și macrofagele nu pot distruge bacteriile.

Prezența antioxidanților atât în celulă, cât și în spațiul extracelular indică faptul că formarea radicalilor liberi nu este un fenomen episodic cauzat de efectele radiațiilor ionizante sau ale toxinelor, ci un fenomen constant care însoțește reacțiile de oxidare în condiții normale. Principalii antioxidanți includ enzime din grupul superoxid dismutazei (SOD), a căror funcție este de a converti catalitic anionul peroxid în peroxid de hidrogen și oxigen molecular. Întrucât superoxid dismutazele sunt omniprezente, este rezonabil să presupunem că anionul superoxid este unul dintre principalele produse secundare ale tuturor proceselor de oxidare. Catalazele și peroxidazele transformă peroxidul de hidrogen format în timpul dismutării în apă.

Principala caracteristică a radicalilor liberi este activitatea lor chimică extraordinară. Simțindu-și inferioritatea, aceștia încearcă să recupereze electronul pierdut, luându-l agresiv de la alte molecule. La rândul lor, moleculele „ofensate” devin și ele radicali și încep să se jefuiască singure, luând electroni de la vecinii lor. Orice modificare a unei molecule - fie că este vorba de pierderea sau adăugarea unui electron, apariția de noi atomi sau grupuri de atomi - îi afectează proprietățile. Prin urmare, reacțiile radicalilor liberi care au loc în orice substanță modifică proprietățile fizice și chimice ale acestei substanțe.

Cel mai cunoscut exemplu de proces cu radicali liberi este alterarea uleiului (râncezirea). Uleiul rânced are un gust și un miros deosebit, care se explică prin apariția în el a unor substanțe noi, formate în timpul reacțiilor cu radicali liberi. Cel mai important lucru este că proteinele, grăsimile și ADN-ul țesuturilor vii pot deveni participanți la reacțiile cu radicali liberi. Acest lucru duce la dezvoltarea diferitelor procese patologice care deteriorează țesuturile, la îmbătrânire și la dezvoltarea tumorilor maligne.

Cei mai agresivi dintre toți radicalii liberi sunt radicalii liberi de oxigen. Aceștia pot provoca o avalanșă de reacții radicalice în țesuturile vii, ale căror consecințe pot fi catastrofale. Radicalii liberi de oxigen și formele lor active (de exemplu, peroxizii lipidici) se pot forma în piele și în orice alt țesut sub influența radiațiilor UV, a unor substanțe toxice conținute în apă și aer. Dar cel mai important lucru este că formele active de oxigen se formează în timpul oricărei inflamații, a oricărui proces infecțios care are loc în piele sau în orice alt organ, deoarece aceștia sunt principala armă a sistemului imunitar, cu care distruge microorganismele patogene.

Este imposibil să te ascunzi de radicalii liberi (așa cum este imposibil să te ascunzi de bacterii, dar este posibil să te protejezi de ele). Există substanțe care se disting prin faptul că radicalii lor liberi sunt mai puțin agresivi decât radicalii altor substanțe. După ce și-a cedat electronul agresorului, antioxidantul nu încearcă să compenseze pierderea în detrimentul altor molecule, sau mai degrabă o face doar în cazuri rare. Prin urmare, atunci când un radical liber reacționează cu un antioxidant, se transformă într-o moleculă completă, iar antioxidantul devine un radical slab și inactiv. Astfel de radicali nu mai sunt periculoși și nu creează haos chimic.

Ce sunt antioxidanții?

„Antioxidanți” este un termen colectiv și, la fel ca termeni precum „agenți antineoplazici” și „imunomodulatori”, nu implică apartenența la vreun grup chimic specific de substanțe. Specificitatea lor este cea mai strânsă legătură cu oxidarea lipidelor prin radicali liberi în general și cu patologia prin radicali liberi în special. Această proprietate unește diferiți antioxidanți, fiecare având propriile caracteristici specifice de acțiune.

Procesele de oxidare a lipidelor de către radicali liberi sunt de natură biologică generală și, în opinia multor autori, reprezintă un mecanism universal de deteriorare celulară la nivel membranar atunci când sunt activate brusc. În acest caz, în faza lipidică a membranelor biologice, procesele de peroxidare lipidică determină o creștere a vâscozității și a ordinii bistratului membranar, modifică proprietățile de fază ale membranelor și reduc rezistența lor electrică, facilitând, de asemenea, schimbul de fosfolipide între două monostraturi (așa-numitul flip-flop fosfolipidic). Sub influența proceselor de peroxidare, este inhibată și mobilitatea proteinelor membranare. La nivel celular, peroxidarea lipidică este însoțită de umflarea mitocondriilor, de decuplarea fosforilării oxidative (și în procesele avansate - de solubilizarea structurilor membranare), ceea ce, la nivelul întregului organism, se manifestă prin dezvoltarea așa-numitelor patologii ale radicalilor liberi.

Radicalii liberi și deteriorarea celulară

Astăzi a devenit evident că formarea radicalilor liberi este unul dintre mecanismele patogenetice universale în diferite tipuri de leziuni celulare, inclusiv următoarele:

• reperfuzia celulelor după o perioadă de ischemie;
• unele forme de anemie hemolitică induse de medicamente;
• otrăvire cu unele erbicide;
• gestionarea tetraclorurii de carbon;
• radiații ionizante;
• unele mecanisme ale îmbătrânirii celulare (de exemplu, acumularea de produse lipidice în celulă - ceroide și lipofuscine);
• toxicitatea oxigenului;
• aterogeneză datorată oxidării lipoproteinelor cu densitate mică din celulele peretelui arterial.

Radicalii liberi participă la următoarele procese:

• îmbătrânire;
• carcinogeneză;
• deteriorarea chimică și medicamentoasă a celulelor;
• inflamaţie;
• daune radioactive;
• aterogeneză;
• toxicitatea oxigenului și ozonului.

Efectele radicalilor liberi

Oxidarea acizilor grași nesaturați din membranele celulare este unul dintre principalele efecte ale radicalilor liberi. Radicalii liberi deteriorează, de asemenea, proteinele (în special proteinele care conțin tiol) și ADN-ul. Rezultatul morfologic al oxidării lipidelor din peretele celular este formarea de canale de permeabilitate polară, ceea ce crește permeabilitatea pasivă a membranei pentru ionii de Ca2+, excesul acesteia fiind depus în mitocondrii. Reacțiile de oxidare sunt de obicei suprimate de antioxidanți hidrofobi, cum ar fi vitamina E și glutation peroxidaza. Antioxidanții asemănători vitaminei E, care rup lanțurile de oxidare, se găsesc în legumele și fructele proaspete.

Radicalii liberi reacționează, de asemenea, cu moleculele din mediul ionic și apos al compartimentelor celulare. În mediul ionic, moleculele unor substanțe precum glutationul redus, acidul ascorbic și cisteina își păstrează potențialul antioxidant. Proprietățile protectoare ale antioxidanților devin evidente atunci când, la epuizarea rezervelor lor într-o celulă izolată, se observă modificări morfologice și funcționale caracteristice datorate oxidării lipidelor din membrana celulară.

Tipurile de daune cauzate de radicalii liberi sunt determinate nu numai de agresivitatea radicalilor produși, ci și de caracteristicile structurale și biochimice ale țintei. De exemplu, în spațiul extracelular, radicalii liberi distrug glicozaminoglicanii din substanța principală a țesutului conjunctiv, ceea ce poate fi unul dintre mecanismele de distrugere a articulațiilor (de exemplu, în artrita reumatoidă). Radicalii liberi modifică permeabilitatea (și, prin urmare, funcția de barieră) a membranelor citoplasmatice datorită formării de canale cu permeabilitate crescută, ceea ce duce la o încălcare a homeostaziei ionilor de apă a celulei. Se consideră că este necesar să se ofere pacienților cu artrită reumatoidă vitamine și microelemente, în special corectarea deficitului de vitamine și microelemente cu oligogal E. Acest lucru se datorează faptului că s-a dovedit o activare vizibilă a proceselor de peroxidare și suprimarea activității antioxidante, așa că este foarte important să se includă în terapia complexă bioantioxidanți cu activitate antiradicală ridicată, care includ vitamine antioxidante (E, C și A) și microelemente seleniu (Se). De asemenea, s-a demonstrat că utilizarea unei doze sintetice de vitamina E este absorbită mai prost decât cea naturală. De exemplu, dozele de vitamina E de până la 800 și 400 UI/zi duc la o scădere a bolilor cardiovasculare (cu 53%). Cu toate acestea, răspunsul privind eficacitatea antioxidanților va fi obținut în studii controlate ample (de la 8.000 la 40.000 de pacienți), care au fost efectuate în 1997.

Forțele protectoare care mențin rata LPO la un anumit nivel includ sistemele enzimatice care inhibă peroxidarea și antioxidanții naturali. Există 3 niveluri de reglare a ratei de oxidare a radicalilor liberi. Prima etapă este antioxigenul, care menține o presiune parțială destul de scăzută a oxigenului în celulă. Aceasta include în principal enzimele respiratorii care concurează pentru oxigen. În ciuda variabilității mari a absorbției de O3 în organism și a eliberării de CO2 din acesta, pO2 și pCO2 în sângele arterial rămân în mod normal destul de constante. A doua etapă de protecție este antiradicală. Aceasta constă din diverse substanțe prezente în organism (vitamina E, acid ascorbic, unii hormoni steroizi etc.), care întrerup procesele LPO prin interacțiunea cu radicalii liberi. A treia etapă este antiperoxidul, care distruge peroxizii deja formați cu ajutorul enzimelor adecvate sau neenzimatic. Cu toate acestea, încă nu există o clasificare unificată și opinii unificate asupra mecanismelor care reglează rata reacțiilor radicalilor liberi și acțiunea forțelor protectoare care asigură utilizarea produselor finale ale peroxidării lipidice.

Se consideră că, în funcție de intensitate și durată, modificările în reglarea reacțiilor LPO pot: în primul rând, să fie reversibile cu o revenire ulterioară la normal, în al doilea rând, să conducă la o trecere la un alt nivel de autoreglare și, în al treilea rând, unele dintre efecte dezinunțează acest mecanism de autoreglare și, în consecință, duc la imposibilitatea implementării funcțiilor de reglare. De aceea, înțelegerea rolului de reglare al reacțiilor LPO în condiții de expunere la factori extremi, în special la frig, este o etapă necesară a cercetării care vizează dezvoltarea de metode științifice pentru gestionarea proceselor de adaptare și terapia complexă, prevenirea și reabilitarea celor mai frecvente boli.

Unul dintre cei mai frecvent utilizați și eficienți este un complex de antioxidanți, care include tocoferol, ascorbat și metionină. Analizând mecanismul de acțiune al fiecăruia dintre antioxidanții utilizați, s-au observat următoarele. Microzomii sunt unul dintre principalele locuri de acumulare a tocoferolului introdus exogen în celulele hepatice. Acidul ascorbic, care este oxidat în acid dehidroascorbic, poate acționa ca un posibil donor de protoni. În plus, s-a demonstrat capacitatea acidului ascorbic de a interacționa direct cu oxigenul singlet, radicalul hidroxil și radicalul anion superoxid, precum și de a distruge peroxidul de hidrogen. Există, de asemenea, dovezi că tocoferolul din microzomi poate fi regenerat de tioli și, în special, de glutation redus.

Astfel, în organism există o serie de sisteme antioxidante interconectate, al căror rol principal este de a menține reacțiile oxidative enzimatice și non-enzimatice la un nivel staționar. În fiecare etapă a dezvoltării reacțiilor peroxidice, există un sistem specializat care îndeplinește aceste funcții. Unele dintre aceste sisteme sunt strict specifice, altele, cum ar fi glutation peroxidaza, tocoferolul, au o arie de acțiune mai mare și o specificitate de substrat mai mică. Aditivitatea interacțiunii sistemelor antioxidante enzimatice și non-enzimatice între ele asigură rezistența organismului la factorii extremi care au proprietăți prooxidante, adică capacitatea de a crea condiții în organism care predispun la producerea de forme de oxigen activat și activarea reacțiilor de peroxidare lipidică. Nu există nicio îndoială că activarea reacțiilor de peroxidare lipidică se observă sub influența unui număr de factori de mediu asupra organismului și în procese patologice de diferite naturi. Conform lui V. Yu. Kulikov și colab. (1988), în funcție de mecanismele de activare a reacțiilor LPO, toți factorii care afectează organismul pot fi împărțiți cu un anumit grad de probabilitate în următoarele grupuri.

Factori de natură fizico-chimică care contribuie la creșterea precursorilor tisulari și a activatorilor direcți ai reacțiilor LPO:

• oxigen sub presiune;
• ozon;
• oxid de azot;
• radiații ionizante etc.

Factori de natură biologică:

• procese de fagocitoză;
• distrugerea celulelor și a membranelor celulare;
• sisteme pentru generarea formelor de oxigen activat.

Factorii care determină activitatea sistemelor antioxidante ale organismului de natură enzimatică și non-enzimatică:

• activitatea proceselor asociate cu inducerea sistemelor antioxidante de natură enzimatică;
• factori genetici asociați cu depresia uneia sau altei enzime care reglează reacțiile de peroxidare lipidică (deficit de glutation peroxidază, catalază etc.);
• factori nutriționali (lipsa de tocoferol, seleniu, alte microelemente etc. în alimente);
• structura membranelor celulare;
• natura relației dintre antioxidanții de natură enzimatică și cei non-enzimatici.

Factori de risc care potențează activarea reacțiilor LPO:

• activarea regimului de oxigen al organismului;
• stare de stres (frig, temperatură ridicată, hipoxie, impact emoțional și dureros);
• hiperlipidemie.

Astfel, activarea reacțiilor LPO în organism este strâns legată de funcționarea sistemelor de transport și utilizare a oxigenului. Adaptogenii merită o atenție specială, inclusiv eleuterococul utilizat pe scară largă. Preparatul din rădăcina acestei plante are proprietăți tonice generale, adaptogene, antistres, antiaterosclerotice, antidiabetice și de altă natură, reduce morbiditatea generală, inclusiv gripa. În studierea mecanismelor biochimice de acțiune ale antioxidanților la oameni, animale și plante, gama de afecțiuni patologice pentru tratamentul cărora se utilizează antioxidanții s-a extins semnificativ. Antioxidanții sunt utilizați cu succes ca adaptogeni pentru protecția împotriva daunelor provocate de radiații, tratamentul rănilor și arsurilor, tuberculozei, bolilor cardiovasculare, tulburărilor neuropsihiatrice, neoplasmelor, diabetului etc. În mod firesc, interesul pentru mecanismele care stau la baza unei astfel de acțiuni universale a antioxidanților a crescut.

În prezent, s-a stabilit experimental că eficiența antioxidanților este determinată de activitatea lor în inhibarea peroxidării lipidice datorită interacțiunii cu peroxidul și alți radicali care inițiază LPO, precum și datorită efectelor antioxidanților asupra structurii membranei, facilitând accesul oxigenului la lipide. LPO se poate modifica, de asemenea, printr-un sistem mediat de acțiune antioxidantă prin mecanisme neurohormonale. S-a demonstrat că antioxidanții afectează eliberarea neurotransmițătorilor și hormonilor, sensibilitatea receptorilor și legarea acestora. La rândul său, o modificare a concentrației de hormoni și neurotransmițători modifică intensitatea LPO în celulele țintă, ceea ce duce la o modificare a ratei catabolismului lipidic și, ca o consecință, la o modificare a compoziției acestora. Relația dintre rata LPO și o modificare a spectrului fosfolipidelor membranare joacă un rol de reglare. Un sistem de reglare similar a fost găsit în membranele celulare ale animalelor, plantelor și organismelor microbiene. După cum se știe, compoziția și fluiditatea lipidelor membranare afectează activitatea proteinelor membranare, a enzimelor și a receptorilor. Prin intermediul acestui sistem de reglare, antioxidanții acționează asupra reparării membranei, modificându-i starea patologică, normalizând compoziția, structura și activitatea funcțională. Modificările activității enzimelor care sintetizează macromolecule și ale compoziției matricei nucleare, odată cu modificarea compoziției lipidelor membranare cauzate de acțiunea antioxidanților, pot fi explicate prin influența acestora asupra sintezei ADN-ului, ARN-ului, proteinelor. Totodată, în literatura de specialitate au apărut date despre interacțiunea directă a antioxidanților cu macromoleculele.

Aceste date, precum și datele descoperite recent privind eficacitatea antioxidanților în concentrații picomolare, evidențiază rolul căilor receptorilor în efectul lor asupra metabolismului celular. În lucrarea lui V. E. Kagan (1981) privind mecanismele de modificare structurală și funcțională a biomembranelor, s-a demonstrat că dependența ratei reacțiilor LPO în biomembrane depinde nu numai de compoziția lor în acizi grași (gradul de nesaturare), ci și de organizarea structurală a fazei lipidice a membranelor (mobilitatea moleculară a lipidelor, intensitatea interacțiunilor proteină-lipidă și lipid-lipidă). S-a constatat că, în urma acumulării produselor LPO, are loc redistribuirea lipidelor în membrană: cantitatea de lipide lichide din biostrat scade, cantitatea de lipide imobilizate de proteinele membranare scade și cantitatea de lipide ordonate din biostrat (clustere) crește. V.

Studiind natura, compoziția și mecanismul homeostaziei sistemului antioxidant, s-a demonstrat că manifestarea efectului dăunător al radicalilor liberi și al compușilor peroxizi este prevenită de un sistem antioxidant multicomponent complex (SOA), care asigură legarea și modificarea radicalilor, prevenind formarea sau distrugerea peroxizilor. Acesta include: substanțe organice hidrofile și hidrofobe cu proprietăți reducătoare; enzime care mențin homeostazia acestor substanțe; enzime antiperoxidice. Printre antioxidanții naturali se numără substanțe lipidice (hormoni steroizi, vitaminele E, A, K, flavonoide și polifenoli, vitamina P, ubichinonă) și substanțe solubile în apă (tioli cu greutate moleculară mică, acid ascorbic). Aceste substanțe fie captează radicalii liberi, fie distrug compușii peroxizi.

O parte a antioxidanților tisulari are un caracter hidrofil, cealaltă - unul hidrofob, ceea ce face posibilă protejarea simultană a moleculelor importante din punct de vedere funcțional de agenții oxidanți atât în faza apoasă, cât și în cea lipidică.

Cantitatea totală de bioantioxidanți creează un „sistem antioxidant tampon” în țesuturi, care are o anumită capacitate, iar raportul dintre sistemele prooxidante și antioxidante determină așa-numitul „status antioxidant” al organismului. Există toate motivele să credem că tiolii ocupă un loc special printre antioxidanții tisulari. Acest lucru este confirmat de următoarele fapte: reactivitatea ridicată a grupărilor sulfhidril, datorită căreia unii tioli sunt oxidați cu o rată foarte mare, dependența ratei de modificare oxidativă a grupărilor SH de mediul lor radicalic din moleculă. Această circumstanță ne permite să distingem un grup special de substanțe ușor oxidabile dintr-o varietate de compuși tiolici, care îndeplinesc funcții specifice antioxidanților: reversibilitatea reacției de oxidare a grupărilor sulfhidril în grupări disulfidice, ceea ce face posibilă, în principiu, menținerea energetică a homeostaziei antioxidanților tiolici în celulă fără a activa biosinteza acestora; capacitatea tiolilor de a prezenta atât efecte antiradicalice, cât și antiperoxidice. Proprietățile hidrofile ale tiolilor determină conținutul lor ridicat în faza apoasă a celulei și posibilitatea de protecție împotriva deteriorării oxidative a moleculelor biologic importante ale enzimelor, acizilor nucleici, hemoglobinei etc. În același timp, prezența grupărilor nepolare în compușii tiolici asigură posibilitatea activității lor antioxidante în faza lipidică a celulei. Astfel, alături de substanțele de natură lipidică, compușii tiolici joacă un rol important în protejarea structurilor celulare de acțiunea factorilor oxidanți.

Acidul ascorbic este, de asemenea, supus oxidării în țesuturile organismului. La fel ca tiolii, face parte din AOS, participând la legarea radicalilor liberi și la distrugerea peroxizilor. Acidul ascorbic, a cărui moleculă conține atât grupări polare, cât și nepolare, prezintă o interacțiune funcțională strânsă cu SH-glutationa și antioxidanții lipidici, sporind efectul acestora din urmă și prevenind peroxidarea lipidică. Se pare că antioxidanții tiolici joacă un rol principal în protejarea principalelor componente structurale ale membranelor biologice, cum ar fi fosfolipidele sau proteinele imersate în stratul lipidic.

La rândul lor, antioxidanții solubili în apă - compușii tiolici și acidul ascorbic - își manifestă acțiunea protectoare în principal într-un mediu apos - citoplasma celulară sau plasma sanguină. Trebuie avut în vedere faptul că sistemul sanguin este un mediu intern care joacă un rol decisiv în reacțiile nespecifice și specifice de apărare a organismului, afectând rezistența și reactivitatea acestuia.

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

Radicalii liberi în patologie

Problema relațiilor cauză-efect în modificările intensității peroxidării lipidice în dinamica dezvoltării bolilor este încă discutată în literatura de specialitate. Potrivit unor autori, încălcarea staționarității acestui proces este principala cauză a bolilor indicate, în timp ce alții consideră că modificarea intensității peroxidării lipidice este o consecință a acestor procese patologice inițiate de mecanisme complet diferite.

Cercetările efectuate în ultimii ani au arătat că modificările intensității oxidării radicalilor liberi însoțesc bolile de diverse origini, ceea ce confirmă teza despre natura biologică generală a deteriorării celulelor de către radicalii liberi. S-au acumulat suficiente dovezi despre participarea patogenetică la deteriorarea radicalilor liberi a moleculelor, celulelor, organelor și organismului în ansamblu și despre tratamentul cu succes al medicamentelor farmacologice care au proprietăți antioxidante.