Kiedy nasz organizm zużywa tlen, powstają produkty pośrednie- wolne rodniki tlenowe- zawierające niesparowany elektron, który sprawia, że są one bardzo reaktywne chemicznie. Kradną one elektrony od zdrowych komórek, powodując tym samym ich uszkodzenie. Ich szkodliwe działanie objawia się destrukcją składników komórek takich jak białka kwasy nukleinowe, czy lipidy.

Ich wpływ na komórki zależy w dużej mierze od ich stężenia i czasu działania. W małych ilościach spełniają one funkcje fizjologiczne np. wpływają na syntezę, uwalnianie lub inaktywację tlenku azotu czy też pobudzają transport glukozy do komórek. Jednakże w większych ilościach powodują więcej szkody niż pożytku.

Białka.

RFT mają zdolność do utleniania białek. W wyniku ich reakcji z białkami powstają nadtlenki białek. Takie białka, które zostały nieodwracalnie zmienione są usuwane przez proteazy, ale wraz ze starzeniem się komórek i spadkiem aktywności proteolitycznej mogą się one w niej gromadzić. Proces utleniania białka może spowodować rozerwanie łańcucha polipeptydowego, pojawienie się zmienionych reszt aminokwasowych oraz tworzenie się dimerów lub agregatów białkowych. Konsekwencją tych zmian jest np. utrata aktywności funkcjonalnej enzymów, białek regulatorowych czy też transporterów błonowych. Oddziaływanie białek z RFT powoduje nie tylko ich utlenianie ale także tworzenie się w białkach grup redukujących, które są zdolne do redukcji m.in. cytochromu c czy jonów metali. Oksydacyjne uszkadzanie aminokwasów w białkach może powodować również powstawanie nadtlenoazotynu. Powstaje on w reakcji tlenku azotu z jonem ponadtlenkowym i wykazano, że w wyniku jego działania zahamowaniu ulega aktywność takich białek jak fibrynogen czy czynnik tkankowy.

Kwasy nukleinowe.

Są one dość stabilne, dlatego nadtlenek wodoru i anionorodnik ponadtlenkowy nie powodują ich uszkodzeń. Natomiast reakcje rodnika hydroksylowego oraz tlenu singletowego z kwasami nukleinowymi mogą powodować uszkodzenia zasad purynowych i pirymidynowych i reszt cukrowych lub do rozerwania wiązań fosfodiestrowych, które łączą nukleotydy. Działania te prowadzą do pęknięć nici kwasów nukleinowych. 8-hydroksy-2-deoksyguanina i 8-hydroksyguanina są produktami oksydacyjnej modyfikacji kwasów nukleinowych i traktuje się je jako znaczniki stopnia ich utlenienie. Mitochondrialny DNA może być bardziej podatny na uszkodzenia oksydacyjne, co wynika z jego bliskiego sąsiedztwa z mitochondrialnym łańcuchem oddechowym.

Lipidy.

RFT biorą udział w procesie peroksydacji lipidów, czyli wolnrodnikowym procesie utleniania lipidów. W procesie tym można wyróżnić 3 fazy:

1. inicjacji - która polega na oderwaniu cząsteczki wodoru od cząsteczki nienasyconego kwasy tłuszczowego wchodzącego w skład fosfolipidów, czyli głównych składników budujących błonę komórkową

2. prolongacji - w czasie której wolne rodniki alkilowe reagują z tlenem dając wolne rodniki nadtlenkowe, a finalnie nadtlenek kwasu tłuszczowego ( reakcja ta może się powtarzać wielokrotnie i przekształcić nawet kilkaset cząsteczek kwasów tłuszczowych)

3. terminacji - może zachodzić pomiędzy dwoma rodnikami alkilowymi, nadtlenkowymi lub dwoma różnymi rodnikami występującymi w układzie; jej produktami są zmodyfikowane, uszkodzone cząsteczki lipidów

Wolne rodniki powstałe w procesie peroksydacji lipidów mogą też ulegać reakcji z białkami dając wolne rodniki białek. Produkty peroksydacji lipidów zmieniają fizyczne właściwości błon komórkowych powodując tym samym m.in. spadek ich integralności, zahamowanie aktywności enzymów błonowych czy białek transportowych. Ponadto mają one zdolność do indukcji ekspresji cyklooksygenzay typu 2 w makrofagach i aktywowania potencjału zapalanego tych komórek.

Stres oksydacyjny.

Jest to stan zaburzonej równowagi pomiędzy natężeniem procesów oksydacyjnych, które indukują powstawanie RFT i przeciwdziałającym systemem obronnym - antyoksydacyjnym. Krótko mówiąc wytwarza się tak wiele wolnych rodników, że antyoksydanty nie nadążają z ich neutralizowaniem. Wynik działania stresu oksydacyjnego zależy od jego zasięgu: komórki większe mogą poradzić sobie z małymi zmianami i odzyskać stan pierwotny. Ale większy stres oksydacyjny może prowadzić do apoptozy i śmierci komórki.

Stres oksydacyjny powstaje gdy dochodzi do gwałtownego namnażania się wolnych rodników w wyniku zaburzenia metabolizmu tlenu. A sprzyjają temu:

- procesy zapalne

- niedobory witamin; niewłaściwa dieta

- stresujący tryb życia, palenie papierosów

- promieniowanie UV, zanieczyszczenie

Antyoksydanty.

Te nazywane inaczej przeciwutleniaczami związki chemiczne mają za zadanie neutralizację wolnych rodników. Dzięki temu normalizują one procesy zachodzące w komórkach i spowalniają procesy starzenia organizmu. Możemy podzielić je na enzymatyczne oraz drobnocząsteczkowe.

Pierwsza linia obrony - antyoksydanty enzymatyczne.

Wśród tych przeciwutleniaczy największe znacznie mają dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza i peroksydaza glutationowa.

Dysmutaza ponadtlenkowa (SOD).

Zadaniem tego enzymu jest katalizowanie reakcji dysproporcjonowania anionorodnika ponadtlenkowego do nadtlenku wodoru i tlenu cząsteczkowego. Może on występować w postaci 3 izoform:

1. cytoplazmatyczna SOD-1, która zawiera miedź i cynk; masa cząst. 32 kDa; występuje w postaci dimerycznej głównie w cytozolu komórek wątroby, jąder, nerek, w erytrocytach i komórkach ośrodkowego układu nerwowego; ma dużą odporność fizyczną i chemiczną na denaturację ( wynika to z obecności jonów cynku); charakterystyczną cechą jej budowy jest obecność w wewnętrznych podjednostkach mostków disiarczkowych niezbędnych do aktywacji enzymu

2. mitochondrialna SOD-2, która zawiera mangan, o masie cząst. 96kDa; jej niewielkie ilości są obserwowane w przestrzeniach zewnątrzkomórkowych i peroksysomach; występuję w postaci tetrameru

3. wydzielana na zewnątrz komórki SOD-3, zawiera miedź oraz cynk o masie cząst. 135kDa; w zależności od powinowactwa do heparyny wyróżnia się 3 frakcje tego enzymu: A- brak powinowactwa do heparyny, B- słabe powinowactwo, C- duże powinowactwo; występuje w macierzy pozakomórkowej oraz na powierzchni takich tkanek jak krew czy limfa, a ponadto w płynie śródmiąższowym oraz mózgowo-rdzeniowym: ta hydrofobowa glikoproteina występuje zarówno jako dimer jak i tetramer (dwa dimery połączone mostkami disiarczkowymi)

Reakcja dysmutacji anionorodnika ponadtlenkowego przy udziale dysmutazy ponadtlenkowej przebiega w dwóch etapach:

I etap to redukcja jonu metalu z jednoczesnym uwolnieniem cząsteczki tlenu:

SOD-Meⁿ⁺ + O₂^-• SOD-Me^(n-1) + O₂ (reakcja 1)

II etap to utlenienie jonu metalu przy udziale anionorodnika ponadtlenkowego i wodoru z jednoczesnym wytworzeniem nadtlenku wodoru:

SOD-Me^{(n-1) +} O₂^-• +2H⁺
SOD-Meⁿ⁺ +H₂O₂ (reakcja 2)

Katalaza. (CAT)

To kolejny enzym uczestniczący w enzymatycznej obronie organizmu przed wolnymi rodnikami. Jego grupę prostetyczną stanowi hemina, inaczej nazywana hematyną, czyli pochodna hemu zawierająca żelazo na trzecim stopniu utlenienia i powstająca z hemu bądź hemoglobiny pod wpływem działania silnych związków utleniających. Innym ważnym elementem tego enzymu są silnie połączone z nim cząsteczki NADPH.

Katalizuje on reakcję dysproporcjonowania nadtlenku wodoru do tlenu cząsteczkowego i wody, która to reakcja przebiega w dwóch etapach.

I etap: redukcja nadtlenku wodoru do wody, w której uczestniczy jon żelaza na 3 stopniu utlenienia układu hemowego.

H₂O₂ + Fe(III)-CAT
2H₂O + O + Fe(V)-CAT

II etap: to reakcja utleniania z udziałem Fe(V)-CAT kolejnej cząsteczki nadtlenku wodoru w wyniku której powstaje tlen cząsteczkowy i woda.

H₂O₂+ O=Fe(V)-CAT
Fe(III)-CAT + H₂O + O₂

Rozkład nadtlenku wodoru przy udziale katalazy jest szybki - w ciągu minuty enzym ten rozkłada 6 mln cząsteczek H2O2.

Katalaza u organizmów eukariotycznych jest homotetramerem. Miejsce jej występowania to peroksysomy, mitochondria, ER oraz cytozol takich komórek jak erytrocyty, komórki wątroby, nerek czy szpiku.

Peroksydaza glutationowa.

Jest to enzym który posiada zdolność redukcji nadtlenków nieorganicznych (H2O2) i organicznych (ROOH) z wytworzeniem kwasu selenowego jako produktu pośredniego.

wytworzeniem kwasu selenowego jako produktu pośredniego. Peroksydaza glutationowa zawiera selen pod postacią selenocysteiny. Po wpływem nadtlenku reszta selenolowa jest utleniana do selanolu, który następnie reaguje z glutationem z wytworzeniem mostka siarczkowo-selenkowego. W reakcji z kolejną cząsteczką glutationu odtwarzany jest enzym w formie zredukowanej, a glutation tworzy dimer z mostkiem dwusiarczkowym. Następnie zachodzi redukcja dimeru za pomocą reduktazy gluationinowej. W podobnym cyklu organiczne ugrupowania nadtlenkowe redukowane są do grup hydroksylowych. Występuje 5 izoform tego enzymu:

1. cytozolowa peroksydaza glutationowa

2. żołądkowo-jelitowa

3. plazmatyczna

4. wodoronadtlenków lipidów

5. jądrowa

Druga linia obrony czyli antyoksydanty drobnocząteczkowe.

Zaliczamy do nich witaminę C i E, karotenoidy oraz polifenole. Przeciwutleniacze te konkurują z innymi związkami chemicznymi, które mogłyby zostać utlenione przez RFT. W wyniku ich reakcji z RFT powstają wolne rodniki, które są znacznie mniej reaktywne niż rodniki, które powstałyby np. w wyniku peroksydacji lipidów.

Witamina C.

Witamina C, czyli kwas askorbinowy jest pochodną glukozy. Pełni ważne funkcje w stymulacji syntezy kolagenu czy też funkcję immunologiczną, ale co najważniejsze pełni funkcję antyoksydacyjną- chroni zły cholesterol LDL przed utlenieniem oraz zapobiega innym niepożądanym procesom powodowanym przez wolne rodniki. Funkcjonuje jako pojedynczy przeciwutleniacz ale także jako partner witamin A czy E. Kwas askorbinowy w płynach ustrojowych w warunkach fizjologicznych występuję w 99,9% jako anion askorbinianowy, jedynie niewielka jego ilość występuję w postaci niezjonizowanego kwasy. Witamina C redukuje RFT takie jak: anionorodnik ponadtlenkowy, rodnik hydroksylowy czy tlen singletowy. Antyoksydacyjna jej funkcja polega na zdolności jonu askorbinianowego do reakcji z rodnikami, której produktem jest mało reaktywny, stabilny rodnik ascorbylowy.

Witamina E.

Witamina E to cztery tokoferole i cztery tokotrienole. Formą, która występuję w przyrodzie najczęściej jest tokoferol alfa, który ma największą aktywność biologiczną. Postać ta jest najpowszechniejsza w błonach komórkowych i lipoproteinach osocza. Witaminy E są przeciwutleniaczami o charakterze hydrofobowym, które dzięki szesnastowęglowemu łańcuchowi mogą wbudowywać się w strukturę błon komórkowych, chroniąc jej tym samym przed uszkodzeniami oksydacyjnymi. Antyoksydacyjne właściwości tej witaminy polegają na usuwaniu wtórnych rodników - produktów rodnikowych peroksydacji lipidów. Produktami reakcji rodników nadtlenków lipidów z witaminą E są mniej reaktywne rodniki tokoferylowe, które mogą być także usuwane przez inne przeciwutleniacze takie jak np. witamina C.

Karotenoidy.

Jest to grupa związków chemicznych mających w dużej mierze charakter prowitaminy A ( będących prekursorami witaminy A). Substancje te są zdolne do usuwania wolnych rodników dzięki połączonej strukturze dwóch podwójnych wiązań mogącej delokalizować niesparowany elektron. Przedstawicielem karotenoidów jest beta karoten będący wygaszaczem tlenu singletowego. Karotenem nieposiadającym właściwości prowitaminy A, ale będącym skutecznym wygaszaczem tlenu singletowego jest likopen występujący głównie w pomidorach, który dla człowieka najlepiej przyswajalny jest w postaci przetworzonej poprzez podgrzanie z oliwą czyli np. w postaci keczupu.

Polifenole.

To liczna grupa naturalnych substancji występujących w roślinach, owocach, warzywach, oliwie z oliwek, czerwonym winie czy herbacie. Ich zdolności antyoksydacyjne determinuje obecność licznych grup hydroksylowych. Wynikają one ze zdolności do hamowania reakcji peroksydacji lipidów dzięki chelatowaniu aktywnych metali uczestniczących w tym procesie aż do zakończenia reakcji wolnorodnikowych na skutek reagowania z innymi rodnikami. Polega to na reakcji polifenoli jako dawców protonów z produktami pośrednimi peroksydacji lipidów oraz na wytwarzaniu wodoronadtlenków lipidów oraz mało reaktywnego, niewywołującego dalszych reakcji rodnika fenoksylowego. Do związków polifenolowych należy kilka podgrup substancji o różnej budowie - zarówno flawinoidowej (np. antocyjany w owocach truskawki, śliwki czy w czerwonym winie, katechiny z licznych gatunków herbat) oraz nieflawinoidowych ( kurkumina z kłącza ostryżu, resveratol z owoców morwy czy orzeszków ziemnych.

.

---