Az oxigénatomból egy elektron elvesztésével rendkívül reakcióképes oxigén szabad gyök keletkezik
Polisztirol szabad gyökből képződött egyfalú, szén nanocső
A (kétértékű) trimetilénmetán szabad gyök sematikus képlete
A metán források áramlása a légkörbe, valamint az, hogy a környezetszennyezésből hogyan képződik metán. Metán reakciói Cl• és OH• szabad gyökökkel
Metabolikus peroxinitrit utak
Moses Gomberg (1866-1947), a gyökkémia alapítója
A trifenilmetilgyök olyan stabil gyök, amelyben delokalizált a párosítatlan elektron, valamint sztérikusan zsúfolt, ami megnehezíti más molekulákkal történő reagálását. Ily módon jó példa a stabil szabad gyökökre

A szabad gyökök olyan atomok, molekulák vagy ionok, amelyek egy vagy több párosítatlan vegyértékelektronnal rendelkeznek. A külső atompályán lévő, egyedülálló elektronok miatt igen nagy reakciókészséggel és rövid élettartammal bírnak.[1] A gyakorlatban a szabad gyökök gyakran olyan oxigén-, nitrogén-, kén- vagy szénközpontú molekulákat, illetve molekularészleteket jelentenek, amelyek elektronszerzés céljából nagyon gyorsan kémiai reakcióba lépnek más vegyületekkel.[2] Ez a folyamat végeredményben ahhoz vezet, hogy a célmolekula struktúrájában és funkciójában változást okoznak.[3] Hatásukat akár az élő sejtek anyagain is kifejthetik, melynek jelentős élettani következményei lehetnek.

A szabad gyökök az élő szervezetben olyan redoxi kaszkádrendszert indíthatnak meg, amely károsítja a fehérjéket, a nukleinsavakat és a lipideket.[4] Károsító hatásukat azzal fejtik ki, hogy az adott szervezet ép sejtjeiből is igyekeznek elvonni a szükséges elektront. Sejtrongáló (DNS-rongáló) tevékenységük miatt sejtméregnek is nevezik a szabad gyököket.[5] Nevezetes példa a hidroxilgyök (HO•) molekulája, amely egy hidrogénnel kevesebbet tartalmaz a vízmolekulához képest, és az oxigénjéhez egy szabad vegyérték kapcsolódik.

A:BA + B szabad gyök

A:BA+: + B- ion

A szabad gyökök szerepének megértése forradalmat jelentett az orvostudományban, és alapjaiban változtatta meg a betegségek kialakulásával és kezelésével kapcsolatos felfogásunkat.[6] A szabad gyökök okozta ártalmak kutatása az orvostudomány gyorsan fejlődő területe.[7] Az élő szervezetben élettani körülmények között is keletkeznek, de bejuthatnak külső környezetből is, élelmiszerekkel (avasodás a legismertebb oxidációs folyamat), belégzéssel vagy a bőrön keresztül. Kialakulásukban az UV-, radioaktív-, mikrohullámú sugárzás[forrás?], dohányfüst[forrás?], ipari oldószerek[forrás?], vegyszerek, „elektroszmog[forrás?] fontos szerepet játszanak. „A szabad gyököket féken tartva az antioxidánsok jelenthetik az élet és a halál közötti különbséget, emellett befolyásolják, milyen gyorsan és mennyire öregszünk… Az emberi szervezetben játszott szerepük egyszerűen csodálatos”.[8] A káros szabad gyökök jelentős részét a szervezetünk képes eliminálni. A védelmi mechanizmusok enzimes és nem enzimes elemek összefüggő rendszeréből állnak, ám ezek sok esetben elégtelenek. Számos tudományos felismerés igazolja a szabad gyökök közvetlen vagy közvetett hatását a szignáltranszdukcióra.[9] A szervezet redox-homeosztázisát bonyolult, érzékeny rendszer biztosítja, amelyben külső és belső tényezők egyaránt szerepet kapnak. Az élő szervezet működésének feltétele a szabad gyökantioxidáns egyensúly, amely nélkülözhetetlen a sejtproliferáció és az apoptotikus sejtpusztulás szigorú kontrolljához.

Számos krónikus betegség kialakulásában jelentős szerepe van a szabad gyök-antioxidáns egyensúly eltolódásának, így pl.: daganatos betegségekben, immunrendszerrel kapcsolatos elváltozásokban, zsírmájban, epekőbetegségben, gyulladásos bélbetegségekben, vastagbél-rákban.[10] Számos betegség patofiziológiájában feltételezik a szabad gyökök és az általuk okozott oxidatív stressz szerepét,[11] azonban e folyamatoknak pontosabb megismerése, annak eldöntése, hogy az oxidatív stressz oka vagy következménye az egyes betegségeknek, még ma is a kutatás tárgya.[12] Ezekben betegségekben a természetes antioxidáns védekezés csökkenését mutatták ki. A kutatók felvetették, hogy a természetes antioxidáns anyagok pótlásával esetleg az oxidatív károsodás csökkenthető, és ezzel a betegségek progressziója késleltethető.[13]

FelfedezésükSzerkesztés

Faraday 1847-es közleménye is tanúbizonyságot ad létezésükről. Fenton 1894-ben közölte le, hogy bizonyos fémek jelenlétében a H2O2 hidroxil szabad gyökök (OH•) képződését képesek katalizálni. Az első beazonosított szerves szabad gyök a trifenil-metil-gyök volt, amelyt Moses Gomberg 1900-ban fedezett fel (University of Michigan, USA). Történelmileg a gyök kifejezést használták a molekula kötött részeinek kifejezésére, leírására, különösen, ha azok változatlanok maradtak a kémiai reakciókban. Ma ezeket funkciós csoportoknak nevezik (például a metil-alkoholt, ami egy metil-gyök és egy hidroxil-gyök). A modern gyökkémia értelmezésében, mivel tartósan egymáshoz kötöttek, és nincs párosítatlan, reakcióképes szabad elektronjuk, nem tekinthető szabad gyöknek a metil-alkohol.

CsoportosításukSzerkesztés

 
Aktív reaktív oxigén fajták. 1: triplett oxigén 2: szinglet oxigén 3: szuperoxid anion-gyök 4: hidrogén-peroxid 5: hidroxil-gyök
 
Peroxinitrit fő reakciói az apoptotikus vagy nekrotikus sejthalál élettani folyamatában
 
Peroxid szabad gyök-addíció
 
Tetrafluoretilén szabad gyökös polimerizációja
HOCl + H2O2 → HCl + O2 + H2O

Oxigén centrumú gyökökSzerkesztés

Oxigén szabad gyökök azok a szabad gyökök, amelyekben a pár nélküli elektron egy oxigénatom külső atompályáján helyezkedik el.

Oxigén eredetű szabad gyökök, reaktív oxigén fajták (ROS – reactive oxygen species)Szerkesztés

A ROS funkciói: sejtműködés szabályozása, jelátviteli folyamatokhoz, sejtosztódáshoz, gyulladáshoz, sejthalálhoz.

  • szuperoxid gyök (O2-, :O:O•)
relatív kis reakcióképesség
↑•O:O•↑ +e → redukció- :O:O•
  • perhidroxi gyök (HO•2, H:O:O:•)
O:O• +H → oxidáció H:O:O:•
nagyon reakcióképes, citotoxikus, gyorsan reagál és rekombinálódik. Erősen oxidál, láncreakciót indukál, önmagával H2O2-t alkot.
Képzés: Fenton reakció
(radiolízis, fotolízis, kémiai reakciók)
H:O:O:H → -e → redukció → •O:H
  • hidroperoxil gyök (OH2)
  • peroxil gyök (RO2)
  • alkoxil gyök (RO•)
Kevésbé reaktív mint a OH gyök
↑•O:O•↑ → gerjesztés →:O:O:↑↓
  • triplet oxigén (O2••)
  • lipidperoxil-gyök (LOO•)
  • dioxigenil-gyök (O+2•)

Nitrogén eredetű szabad gyökökSzerkesztés

Biradikális (kettős szabad gyök)Szerkesztés

Egy olyan kémiai anyag, amely két párosítatlan elektront tartalmaz külső pályáin. Ilyen például az oxigén:

  • oxigén molekula (O2, ↑•O:O•↑)
2 db párosítatlan, paralell spinű elektron

Ábrázolásuk a kémiai reakciókbanSzerkesztés

A kémiai egyenletek a szabad gyököket gyakran ponttal jelölik, rögtön jobbra az atomi szimbólum mellett. Például a klórgáz bontása (ultraibolya) fénnyel klóratomos gyökökre a következőképpen ábrázolható:

Cl2 + (UV-)fény → 2 Cl•

Az elektronok mozgását és irányát kétfejű nyíl jelöliSzerkesztés

Gyökös kémiai reakciókban kétfejű nyilakkal ábrázolják az egyes elektronok mozgását.

Láncreakciók részeiSzerkesztés

  • Iniciátor (kezdő) reakció

nettó számának növekedése a szabad gyököknek

  • Propagációs (szaporodási) reakció
  • Terminális (megsemmisülési) reakció

Szabad gyökök képződéseSzerkesztés

A légkörbenSzerkesztés

A légkörben szerepet játszó oxigéntartalmú szabad gyökök: az OH, a HO2, az RO2 (alkilperoxil-gyök), az RCO (acil-gyök), RC(O)O2 (acilperoxil-gyök) és az RO (alkoxil-gyök).[15] A légkörben előforduló oxigéntartalmú szerves vegyületek a troposzféra ökoszisztémájának kiemelkedően fontos szereplői. Lebomlási folyamataikban reaktív szabad gyökök képződnek, amelyek döntő mértékben meghatározzák a troposzféra oxidációs kapacitását, az OH–gyök–és ózonkoncentrációt és a nitrogén–oxidok légköri átalakulását. Az oxigéntartalmú szerves molekulák meglepően nagy koncentrációban vannak jelen a légkörben. A természetes eredetű emisszió mellett az emberi tevékenységből (ipar, közlekedés stb.) származó szénhidrogének oxidációjával keletkeznek a légkörben.[16]
A legjelentősebb szabad gyökök és reaktív formák (Cornetti, 2009 nyomán):
Oxigén (O2), klór (Cl2), szinglet oxigén (O), atomos klór (Cl), ózon (O3), hipoklórossav (HOCl), szuperoxid gyök (O2•), szerves peroxidok (ROOH), hidrogénperoxid (H2O2), nitrogén-monoxid (NO•), hidroxilgyök (OH•), salétromossav (HONO), peroxil gyök (RO2), peroxinitrit (ONOO), alkoxil gyök (RO•), peroxisalétromossav (ONOOH).

Primér légköri OH-gyök forrásokSzerkesztés

A légkörkémiai folyamatokban messze a legfontosabb szereplő az OH-gyök, amit szokás a légkör „tisztítószerének” („detergensének”) is nevezni, ugyanis ez az a szabad gyök, ami kellően reaktív ahhoz, hogy elindítsa a légköri, szerves anyagok lebomlását. Mindez annak ellenére van, hogy a légkör átlagos hidroxilgyök-koncentrációja nagyon kicsi, ~106 molekula/cm³.

Az OH-gyök elsődleges forrása a troposzférában a szinglet oxigénatom, O(1D), reakciója vízgőzzel; a nagyon reaktív szinglet oxigénatom az ózon fotolízise során keletkezik a troposzférában. A troposzférikus ózon forrása pedig az alapállapotú oxigénatom, O(3P), és O2 molekula kombinálódási reakciója; az O(3P) az NO2 fotolízisével jön létre a troposzférában:
NO2 + hν → NO + O(3P) λ < 420 nm

O(3P) + O2 + M → O3 + M

O3 + hν → O(1D) + O2 λ < 336 nm

O(1D) + H2O → 2 OH

További primer légköri hidroxilgyökforrás a salétromossav és a H2O2 fotolízise:
HNO2 + hν → OH + NO λ < 400 nm

H2O2 + hν → 2 OH λ < 370 nm

Légköri szekunder folyamatokban az OH-gyök keletkezéseSzerkesztés

A primer OH-forrásoknál nagyobb jelentőségű a troposzférában az OH-gyök keletkezése szekunder folyamatokban, ami a szerves molekulák (illékony szerves anyagok, VOC) kémiai láncreakcióval történő lebomlását jelenti. Az OH-gyök reakció-láncokban való keletkezésének első lépéseként a légköri szerves molekula hidrogénelvonási reakciójával, illetve fotolízisével egy szabad gyök, R, keletkezik (pl. a szénhidrogénekből egy alkilgyök keletkezik). Az R szabad gyök, a reaktív és nagy koncentrációban jelenlévő oxigénmolekulával peroxilgyököt képez, RO2, ami nitrogén-monoxid jelenlétében alkoxil-gyökké(RO) alakul, miközben nitrogén-dioxid keletkezik. Az NO2 molekula az először említett reakcióciklusban hoz létre hidroxilgyököt. Az alkoxil-gyökök ugyancsak reagálnak oxigénmolekulával és a szerkezetüktől függően elbomlanak, vagy izomerizációs reakcióban vesznek részt a légköri körülmények között:

RO + O2 → HO2 + karbonil molekula

RO → R’ + karbonil molekula (elbomlás)

RO → R”OH (izomerizáció)

A HO2-gyök a nitrogén-monoxiddal végbemenő reakcióban hoz létre OH-gyököt:

HO2 + NO → OH + NO2

A szerves molekulák lebomlása során, a fentiekben vázolt reakciómechanizmusokban különböző szabad gyökök és oxigéntartalmú szerves molekulák (alkoholok, aldehidek, ketonok stb.) keletkeznek. Az utóbbiak, az ún. oxigéntartalmú illékony légköri összetevők. A tárgyalt reakcióciklusok nagyon fontos vonása, hogy bennük O3 keletkezik.[17]

Karbonil szabad gyökök képződése a légkörbenSzerkesztés

A légkörben található karbonilvegyületek közül fontosak az aldehidek és ketonok. Az aceton és a metil-etil-keton a légkörben meglepően nagy koncentrációban fordul elő. Az aceton átlagos koncentrációja a világtengerek fölött ~0,5 ppb, míg a kontinensek fölött a szennyezetlen levegőben 1,5–3 ppb,[18] a metil-etil-keton koncentrációját a Csendes-óceán fölött ~50 ppt–nek mérték.[19]

CH3C(O)CH3 + OH → CH3C(O)CH2 + H2O

CH3C(O)CH3 + hν → CH3CO + CH3[20]

  • Képződésük vegetáció által kibocsátott szerves anyagokból

izoprén, terpének, α–pinén légköri oxidációjából

  • Képződésük antropogén eredetű szénhidrogénekből: propán, i–bután, i–pentán légköri oxidációjából
  • Képződésük a felső troposzférában: a felső troposzférában, ahol a víznek kicsi a koncentrációja, az aceton fotolízise a legjelentősebb HOx–forrás (OH és HO2).[21] Az aceton kulcsszereplője a felső troposzféra O3– és NOx–ciklusainak is.

Karbonil szabad gyökök lebomlása a légkörbenSzerkesztés

Légköri lebomlásuk köztitermékei az acetilperoxil–gyök és a propionilperoxil–gyök, melyek nitrogén-dioxiddal reagálva peroxi–nitrátokat (PAN, PPN) képeznek.[22] Ezek a legfontosabb NOx tároló molekulák a troposzférában.[23]

  • Az aceton fotobomlásának primer folyamatai a következők:

CH3C(O)CH3 + hv → CH3CO•3 + •CH3 (299 nm < λ < 338 nm) → 2CH3C•O + (λ < 299 nm)

  • A primer folyamatokat szekunder reakciók követik a légkörben közülük az első lépés az O2 molekulával végbemenő reakció:

CH3 C•O2 + M → C(O)OO• + M

C•H3 + O2 + M → C•H3OO + M

Az ózon jótékony hatása és a freonSzerkesztés

Az ózon a sztratoszférában hasznos, mert véd az UV sugárzástól. A CFC anyagok (freonok), pl. CFC-11 (CFCl3) károsítják a Földet védő ózonréteget.[24]

CFCl3 + → CFCl2 + Cl

O3 + → O + O2

Cl + O3 → ClO + O2

ClO + O → Cl + O2

Nettó: 2 O3 → 3 O2

Korlátozás, majd a gyártás és felhasználás betiltása: Montreali Egyezmény (1987) + újabb módosítások.

Az ózon káros hatásaSzerkesztés

Az ózon a troposzférában káros, mert üvegházhatású gázt képez. A troposzférikus ózon a szerves molekulák (és CO) foto-oxidációs lebomlása útján keletkezik:

hv + VOC + NOx+ O2 +OH → n O3 + CO2 + H2O

Az ózon képződésének visszaszorítása a troposzférában hasznos törekvés, mert csökkenti a globális felmelegedést és a levegő minőségének javulását eredményezi.

A Montreali Egyezmény következményeiSzerkesztés

  • Az ózonréteg felépülése megkezdődött. A teljes helyreállítódás 2050 körül várható, de nagy a bizonytalanság.
  • Sok millió rákos megbetegedés elmaradását mutatják a modellszámítások.
  • Az ózonegyezmények 3 évvel késleltették a felmelegedést.

In vitroSzerkesztés

Hidrogén-peroxid bomlása vas jelenlétében, Fenton-reakcióSzerkesztés

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH +OH•

Haber-Weiss-láncreakcióSzerkesztés

  • szuperoxid szabad gyök képződik:

H2O2 + OH• → H2O + H+ + O2−:

  • hidroxil szabad gyök képződik:

H2O2 + H+ + O2• → OH• + H2O + O2

A zsírok avasodásaSzerkesztés

Szabad gyökös reakciók felelősek számos élelmiszer romlásáért is. Ezek közül a legismertebb a zsírok avasodása, amely kellemetlen íz-, szín- és szagelváltozással jár. A különböző kémiai reakciók következtében káros komponensek (ketonok, aldehidek) is keletkezhetnek, valamint a vitaminok és egyéb biomolekulák szerkezete is megváltozhat.

In vivoSzerkesztés

A szabad gyökök képződése a normális anyagcsere folyamatokhoz, így a terminális oxidációhoz köthető, másrészt a szervezetben lejátszódó biokémiai folyamatok következményei. A keletkező szabad gyökök a lipideket alkotó zsírsavmolekulákat, a szénhidrátokat, fehérjéket és nukleinsavakat is károsíthatják, gyökös mechanizmusú láncreakcióval. A lipidek károsodása a lipidperoxidáció, amely során elsősorban hidroperoxidok keletkeznek, amelyek agresszívan támadják meg az egyéb molekulákat, mint az enzimeket, fehérjéket és aminosavakat stb. Következményként a membránok kilukadhatnak, felszakadhatnak, ami a destruktív lizoszómás enzimek kiszabadulását eredményezheti, így a szövet károsodhat. A lipidperoxidáció következtében esszenciáliszsírsav-hiány alakul ki, amely károsítja a membránok (elsősorban a mitokondrium, lizoszóma, plazmamembrán) finom szerkezetét, funkcióját, zavart okozhatnak a sejtek közötti kommunikációban, végső esetben a sejtek nekrotikus pusztulásához vezethetnek.[25]

A szabad gyök-indukció forrásaiSzerkesztés

A szabad gyökök külső és belső faktorok, biotikus és abiotikus stresszhatások következményeiként is indukálódhatnak.[26]

Sejten belüli forrásokSzerkesztés
  • hemoglobin
  • riboflavin
  • flavoproteinek
  • mono-oxidázok
  • átmenetifém-ionok
Külső tényezőkSzerkesztés
  • ultraibolya és radioaktív sugárzás
  • dohányfüst, szmog
  • túlzott alkoholfogyasztás
  • stressz (munkahelyi, szociális stb.)
  • vegyi anyagok
  • környezetszennyezés
  • toxinok

Reaktiv oxigéngyökök képződése nem-enzimatikus útonSzerkesztés

A folyamatban a vas fontos szerepet játszik. Különböző Fe2+-komplexek oxigénnel reagálva hoznak létre részlegesen redukált oxigénszármazékokat. A hemoglobin oxigén felvételekor, a mikroszomális elektrontranszportban, illetve a légzési láncban melléktermékként is keletkezik O2−•. A belégzett levegő 1-3%-ban szuperoxid anionná alakul.

  • Haber-Weiss-reakció:

O2• + H2O2 → O2 + OH + HO•

  • Fenton-reakció:
  • Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH + HO•

Reaktiv oxigéngyökök enzimatikus keletkezéseSzerkesztés

Az enzim katalizálta folyamatban O2•, illetve H2O2 képződik

  • A folyamat a NADPH-oxidáz (flavoprotein) segítségével megy végbe, mely számos szövetben megtalálható. A flavoprotein prosztetikus csoportja elektrontranszfert képes katalizálni. A NADPH-oxidáz főként a plazmamembránban található. Antipathogén enzimnek mondhatjuk, hiszen mikroorganizmusok hatására aktiválódik és a termékeként képződő ROS károsítja illetve megöli a kórokozókat.

O2 + eO2

  • A FAD, a xantin-oxidáz és a flavin-oxidázok által mediált folyamatok is ismertek. Más enzimatikus reakciókban is képződik átmenetileg, helyileg O2. Ez azonban normális körülmények között nem szabadul fel, hanem lokálisan fejti ki hatását.
  • Prooxidáns enzim a NO-szintetáz

A gáz halmazállapotú NO, a keletkezés helyéről diffúzióval jut el a környező sejtekhez. Hatásának erőssége és ideje attól függ, milyen távolságra diffundál. A NO a sejtben gyorsan átalakul, fél-életideje 5-10 s. A keringésben az oxihemoglobinnal, a sejtekben oxigénnel és oxigén szabad gyökökkel reagál, más szabad gyököket hoz létre, majd nitritté (NO2) és nitráttá (NO3) alakul. Szuperoxid anionnak a nitrogén-oxiddal létrejövő reakciója, azaz a peroxinitrit képződése:

O2• + NO• → ONOO•

A peroxinitrit bomlása:

ONOO• → NO2+ nitrilkation
ONOO• → NO2 nitrogén-dioxid
ONOO• → OH hidroxilgyök[forrás?]
  • Monoamin - oxidáz
  • Citokrom P450 – oxidáz

Mitokondriális és mikroszomális (kloroplasztisz) elektrontranszport során az oxigén tetravalens redukciója:
³O2 + e- → O2 -• → H2O2 → 2OH → H2O+1/2O2

LipidperoxidációSzerkesztés

 
A linolsav kémiai szerkezete

Azt a folyamatot, amelynek során a lipidmolekula szabad gyök-állapotba kerül, lipidperoxidációnak hívjuk; ekkor peroxi-szabad gyök keletkezik.[27]. Nem enzimatikus zsírsav-oxidáció a lipidperoxidáció. A lipidperoxidáció során a szabad gyök H+-iont von el a többszörösen telítetlen membrán zsírsavaitól (linolsav, linolénsav, arachidonsav és származékai) és a lipoprotein oldallánctól. A keletkezett lipid gyök igen reaktív, más lipid gyökök forrása lehet, illetve telítetlen zsírsavakkal reagálva lipid-peroxidokat vagy ciklikus szerkezetű peroxidokat képez (izoprosztánok). A lipidperoxidáció végtermékei a malonaldehidek és gáz halmazállapotú termékek (pl. etán, pentán) többek között.

A folyamat lépéseiSzerkesztés
  • A lipid peroxidáció folyamatának fő szakaszai
  1. Iniciáció: szabad gyökös támadás, gyök képződés
  2. Propagáció: a szabad gyök képződés láncreakciószerű kiteljesedése
  3. Termináció: (kvázi)stabil gyökök és molekulák keletkezése
  • Lipid gyök kialakulása (iniciáció)

A kettős kötéssel szomszédos szénatomon gyökközpont jön létre, miután az iniciátor szabad gyök elvont egy hidrogént, ezzel szabad gyök állapota megszűnik, a lipidből pedig alkilgyök keletkezik. Konfigurációs változások jönnek létre azonnal. R = RH = R−COOH + OH• vagy O2 →(-H+)→ R=R•=R−COOH + HOH

  • Lipid-peroxil gyök (propagáció)

Az oxigén hozzáadódik az alkilgyökhöz, peroxigyök keletkezik. R=R•=R−COOH + O2 → R=ROO•=R−COOH

  • Lipid-peroxid (termináció)

A peroxigyökök hidrogént vonnak el a közeli molekulákról és így metastabil lipidhidroperoxidok keletkeznek. R=ROO•=R−COOH + H+ → R=ROOH=R−COOH

A lipidperoxidáció citotoxikus termékek forrásaSzerkesztés
 
Malonaldehid

A lipidhidroperoxidok bomlásából származnak. Az aldehidek aktívak lehetnek biológiailag, citotoxikus és mutagén hatásúak is egyben. Továbbá ezek az aldehidek képesek a fehérjékben keresztkötéseket kialakítani, ami számos sejtalkotót képes inaktiválni, beleértve az enzimeket és a membránokat.
CH2(CHO)2 → HOCH = CH−CHO

  • Izoprosztánok képződése
 
Arachidonsav
 
Prosztaglandin E1

A 8–epiprosztaglandin-F2α–8-izoprosztán rendelkezik biológiai aktivitással, mint lehetséges és jelentős pulmonális és renális érszűkítő. Arachidonsav és reaktív oxigén szabad gyök reakciójának hatására jön létre, majd foszfolipázok segítségével kerül szabad állapotban a keringésbe. Arachidonsav + O2• → izoprosztánok + foszfolipáz → 8-izoprosztán

  • Szénhidrogének

Az etán elsősorban az omega-3 zsírsavakból képződik (pl. 9,12,15-linolénsav), míg a pentán elsősorban az n-6 telítetlen zsírsavakból származik (pl. 9,12,15-linolénsav, arachidonsav). Etán (C2H6), pentán (C5H12) a kilélegzett levegő illékony gázfázisának a része. A kilélegzett gázkeverék szervetlen és szerves molekulákat is tartalmaz. Ez utóbbi molekulacsaládot illékony szerves molekuláknak nevezzük (Volatile Organic Compounds). A gázok más részének megjelenése változó, így bizonyos kórállapotok egy-egy gázprofillal jellemezhetők (pl. daganatos betegség).

Az egyes szövetek lipidperoxidáció iránti érzékenységeSzerkesztés
  • Agy

Az agy különösen érzékeny az oxidációs károsodásokra a nagy lipidtartalom miatt, mert kiemelkedően nagy a PUFA-tartalma, és gyenge antioxidáns védelemmel rendelkezik.

  • Retina

A retina pigment hámsejtjei különösen érzékenyek az oxidatív hatásokra, amelynek apoptózis a következménye.

  • Emésztőtraktus

Hatékony antioxidáns védelemmel bír a glutation-peroxidáz aktivitáson keresztül. A gyomor > nyelőcső > vastagbél > vékonybél (kripta >> bélbolyhok csúcsa) mértékkel.

  • Vérerek

Antioxidáns enzimek hiánya jellemzi, arachidonsav kaszkáddal megterhelve.

  • Vörösvérsejtek

Oxigén „terhelés” kifejezett antioxidáns védelemmel rendelkeznek (hypo- és acatalasaemia).

  • Fehérvérsejtek

Jelentős antioxidáns (elsősorban aszkorbinsav) tartalmuk van. Aszkorbinsav koncentráció: T-lymphocyták > B lymphocyták > monocyták. Neutrofil granulociták jelentős oxidatív terheléssel bírnak. H2O2 termelés, oxidatív burst.

  • Spermiumok

Rendkívül érzékenyek, gyenge antioxidáns ellátottságuk van, a mitokondriális rendszer fokozott aktivitása jellemzi őket.

Szabad gyökök kimutatására alkalmas technikákSzerkesztés

A fizikai-kémiai meghatározások egzaktak, reprodukálhatók in vitro, sejtmentes közegben. Sejtes, vagy szöveti homogenizátumot tartalmazó rendszerek in vitro vizsgálata körültekintést igényel. In vivo vizsgálatok csak kísérletes modellekben hajthatók végre.

Direkt módszerekSzerkesztés

  • Elektron spin rezonancia (ESR)
Spin-csapdák: DMPO 5,5’-dimetil-1-pirrolin-oxid; PBN alfa-fenil-tercier-butil-nitron (PBN.OH reagál a szövettel)
  • Impulzus radiolízis vizsgálatok
  • Nukleáris mágneses rezonancia (NMR)
  • Kémiai címkézés
  • Szabad gyök - markerek

Indirekt módszerekSzerkesztés

spektrofotometriás, fluorimetriás, luminometriás, Raman-spektroszkópia, izotóptechnikák, immunológiai vizsgálatok, molekuláris biológiai módszerek, HPLC, GC, VRK
  • Megkötő ágensek
  • Fingerprint molekulák meghatározása
autooxidáció, fotooxidáció, elektrontraszport, dekompartmentalizáció

ElőállításukSzerkesztés

  • Homolízis

 [28]

StabilitásukSzerkesztés

Bár a szabad gyökök reaktivitásúak miatt általában rövid életűek, vannak hosszú életű gyökök is.

Stabil gyökökSzerkesztés

A legjobb példa a stabil gyökre a molekuláris oxigén (O2) vagy a nitrogén-monoxid (NO). Szerves csoport lehet hosszú életű, ha azokban előfordulnak konjugált π-rendszerek, mint például az α-tokoferolból (E-vitamin) származó szabad gyökök. Van több száz példa a tiazil gyökre, amely azt mutatja, hogy kis reakcióképessége és termodinamikai stabilitása csak nagyon korlátozott mértékben a π rezonancia stabilizációnak köszönhető.[29]

Tartós gyökökSzerkesztés

A hosszú élettartamú szabad gyököket sztérikus zsúfoltság jellemzi a gyök központja körül, ami miatt fizikailag nehéz reakcióba lépniük más atommal vagy molekulával. Ilyen például a Gomberg-trifenil-metil-csoport, a Fremy-só (kálium-nitrozo-(KSO3)2 · NO), a nitroxidok, (az R általános képletű 2·NO), mint például TEMPO, TEMPOL, nitronil nitroxidok és az azefenil-enilek és a PTM-ből származó szabad gyökök (perklórfenilmetil gyök), TTM (trisz (2,4,6-triklór-fenil) metilcsoport).

Kémiai reakcióikSzerkesztés

 
Hidrogén-bromid alkénekkel lejátszódó szabad gyökös addíciója

Az oxigén paradoxonSzerkesztés

A Földön az élet fenntartásához oxigénre van szükség, bár az oxigén kivételesen aktív molekula, mely reaktív oxigén gyökök képződésén keresztül károsítja a makromolekulákat. Az élő rendszerek viszont komplex antioxidáns hálózatot tartanak fenn a fiziológiás metabolizmus során keletkező szabad gyökök fékentartására.


A szabad gyökök élettani hatásaiSzerkesztés

A szabad gyökök természetes affinitásuk miatt spontán reakcióba lépnek minden molekulával, szerkezeti és működésbeli változásokat idézve elő azokban.[30] A szervezet az immunspecifikus killer-mechanizmusokban használja fel a szabad gyökök reakcióképességét. Ilyen esetben a szabad gyökök nélkülözhetetlen védő- és túlélési mechanizmusok részeként vállalnak szerepet.[31] A fagociták és a makrofágok is olyan fagocitáló sejtek, melyek specifikus gyököket képeznek annak érdekében, hogy a szervezet számára idegen anyagot (antigén) megsemmisítsék, illetve az immunkompetens sejteket aktiválják.[32] Az immunrendszer által képzett gyökök tevékenysége széles körű: szerepük van az anabolizmusban és az információátvitelben, valamint az anyagátvitelben, vagy akár a fehérjehormonok egymás közötti kapcsolatának megteremtésében.[33] A respirációs lánc és az anyagcseréhez tartozó oxidatív enzimek kimeríthetetlen forrásai az újonnan képződő szabad gyököknek és reaktív oxigénrészecskéknek.[34] A szervezetben lejátszódó lipidperoxidáció elsősorban a sejtmembránok foszfolipidjeit érinti, de közvetett módon a keringésben lévő lipoproteinek is károsodhatnak.[35] Az artherosclerosis folyamatában az oxidált LDL valószínűleg nagy szerepet játszik.[36] A lipidek peroxidációjának egyes termékei az aminosavak, fehérjék és nukleinsavak károsodását is okozhatják.[37] A szervezet a pro-oxidáns/antioxidáns egyensúly fenntartása érdekében sajátos védelmi mechanizmust hozott létre. Ezt a védelmi mechanizmust a szervezetben termelődött enzimek és a táplálékból felvett antioxidáns tulajdonságú anyagok alkotják. Az antioxidáns enzimek közé tartozik a szuperoxid diszmutáz, a kataláz, a glutation peroxidáz és a glutation S-transzferáz. Az utóbbi csoporthoz tartozik a C-vitamin, az E-vitamin, a béta-karotin és olyan nyomelemek, mint a szelén.[38]

A szabad gyökök eredeteSzerkesztés

A szabad gyökök az egészséges szervezetben az alapvető anyagcsere folyamatok során keletkeznek folyamatosan az aerob metabolizmus során, speciális enzimek hatására vagy egyéb biokémiai reakciók során.[39] A légköri oxigén megjelenésével egy időben alakultak ki az eukarióta sejtek, az endogén oxigén stressz és az oxigénnel szembeni védekezés. Az élőlények szigorúan egymásra épülő védekező mechanizmusai lehetővé teszik, hogy a szabad-gyökös reakciók bizonyos határokig a membránstruktúrák és enzimfunkciók károsodása nélkül végbemehessenek. Így a szabad gyökök fiziológiás szerepe biztosított. Az egészséges szervezet képes a szabad gyök - túlprodukciót megakadályozni. Alapvető feltétel az alacsony szöveti oxigén tenzió, ami kb. 26 Hgmm, vagy ennél kisebb érték.

Endogén szabad gyökképződésSzerkesztés

Szuperoxid gyök (O2-)Szerkesztés

Akkor keletkezik, ha az oxigén molekula külső héjára egy elektron kerül, ami létrejöhet nem enzimatikus úton, pl. a mitokondriális elektrontranszport-láncban a szemiubikinonnal való reakció során vagy enzimek közreműködésével.[40] A nikotinamid adenin dinukleotid (foszfát) NAD(P)H-oxidáz és a mitokondrium eredetű szuperoxid gyök adja az érrendszerbe kerülő O²•- gyök legnagyobb hányadát.[41] Az érsimaizomsejtekben működő NAD(P)H oxidáz szerkezete eltér a fagocitákban található enzimtől.[42] Gyulladás során az addig inaktív formában jelen lévő enzim immunglobulinhoz kötött baktériumok, immunkomplexek complement, leukotriének hatására aktiválódik és ez indítja el a fagocita respirációs burst-t, a szuperoxid gyök kiáramlást.[43] Szuperoxid gyök keletkezik a xantin oxidáz működése során kóros körülmények között és az arachidonsav metabolizmusban a lipoxigenázok hatására.[40] A szuperoxid gyök vizes közegben gyorsan átalakul, hidrogén-peroxid (H2O2) és víz keletkezik (dizmutációs reakció során), amely reakciót a szuperoxid-dizmutáz (SOD) enzim jelentősen felgyorsítja.[44]

Hidrogén-peroxid (H2O2)Szerkesztés

A legfontosabb tulajdonsága, hogy hidroxilgyökké alakul fém ionok jelenlétében. Az aktív hidroxilgyök (OH•-) a Haber-Weiss reakció során keletkezik szuperoxid anion és hidrogén-peroxid reakciója során. A vas katalizálta Haber-Weiss reakció vagy Fenton reakció során szuperoxid anion helyett vasion (Fe2+) az elektron donor. Fiziológiás körülmények között a vas transzporterek meggátolják a vas felszabadulását és elérhetőségét a Haber-Weiss reakció katalizálására.[45]

Szinglet oxigén, 1O2Szerkesztés

Nincs párosítatlan elektronja, ezért nem szabad gyök, de a két elektron spinje azonos és így nagy reaktivitású. Fagocita respirációs burst során, vagy enzimatikusan peroxidázok, lipoxigenázok, hidrogén peroxid és hipoklorit vagy peroxinitrit reakciója során keletkezik.

Nitrogén-monoxid (NO)Szerkesztés

Az endothelialis nitrogén-monoxid szintáz (eNOS) termeli, kulcsfontosságú az érműködés élettanában. Ha az L-arginin és a tetrahidrobiopterin (THB4), az eNOS enzim kofaktorai nem állnak megfelelő mennyiségben rendelkezésre, akkor az enzim szuperoxid aniont termel. Ennek következtében csökken az endothelium függő ér relaxáció, mert az NO reagál a szuperoxid gyökkel és peroxinitrit gyök alakul ki.[42] A peroxinitrit hatására lipidek peroxidációja, DNS törése, enzimek és ioncsatornák működésének gátlása, fehérjék oxidálása, nitrálása, a mitokondriális légzés gátlása alakul ki. A peroxinitrit alacsonyabb koncentrációban apoptózis trigger, magasabb koncentrációban nekrózist okoz.

Hipoklórossav (HOCl)Szerkesztés

Elsődlegesen baktericid hatású, az aktivált polimorfonukleáris sejtekben termelődik, mieloperoxidáz hatására hidrogénperoxid és kloridion reakciója során. A membránokon átjutva fémionok jelenlétében nagy reaktivitású hidroxilgyök képződéshez vezet. Részt vesz a lipid peroxidációban és a DNS károsításban.[46]

Exogén szabad gyökforrásokSzerkesztés

Fokozottan képződnek szabad gyökök különböző gyógyszerek, antibiotikumok, antineopláziás szerek (bleomycin, adriamycin, doxorubicin,[47] metotrexát, penicillamin, fenilbutazon hatására. A szervezetet érő elektromágneses sugárzás (röntgen, gamma sugárzás,[48] az UV sugárzás; a dohányzás és anorganikus részecskék (azbeszt, kvarc, szilicium-dioxid), gázok (ózon) belélegzése; valamint toxinok; xenobiotikumok (peszticidek, herbicidek, fémek, kémiai szennyező anyagok) szervezetbe jutása is jelentős szabad gyök képződést indíthat el.[49]

Barátaink és ellenségeink a szabad gyökökSzerkesztés

Az ROS szükségesSzerkesztés

  • A sejtfunkciók szabályozásához
  • Jelátviteli folyamatokhoz, sejtszignálok (értónus, NO)
  • Sejtosztódáshoz
  • Gyulladáshoz, endogén adaptáció, kórokozókkal szembeni küzdelem
  • Sejthalálhoz

ÁrtalmakSzerkesztés

  • Öregedés
  • Krónikus betegségek oki tényezője

Hatásuk a létfontosságú molekulákraSzerkesztés

  • DNS- deoxi guanozin
  • Fehérjék- enzimbénítás
  • Lipoproteinek- LDL-oxidáció
  • Többszörösen telítetlen zsírsavak- Lipidperoxidáció

Szabad gyökök szerepe az öregedésbenSzerkesztés

ÖregedésSzerkesztés

Az öregedés a környezeti káros hatások és részben a szabad gyökök okozta ártalom következménye. A sejtszintű regeneráló mechanizmusok a fiatal szervezetekhez képest lelassulnak, kevésbé pontosak és elhasználódnak az évek során. Élettani változások felhalmozódása, amely folyamatos funkcióvesztéssel, csökkenő fertilitással, növekvő mortalitással jár együtt. Esély a betegségre (halálra, rákra, szív- és érrendszeri betegségekre). Az immunrendszer működése, agyi funkciók csökkennek.

Öregedési teóriákSzerkesztés

A várható élettartam 10 évvel kevesebb, mint a lehetséges maximum az egyéni öregedési folyamatokban környezeti és genetikai faktorok miatt.

  • The rate-of-living hypothesis

1913: A gyors anyagcseréjű állatok élettartama rövidebb

  • Free-radical theory of aging

1954: Az öregedés folyamatát a szabad gyökök okozzák[50]

Az oxidatív stresszSzerkesztés

Oxidatív stressznek nevezzük az olyan állapotot, amikor a prooxidánsok és az antioxidánsok egyensúlya eltolódik az előzőek javára. Az antioxidáns - prooxidáns egyensúly fenntartása az egészség megőrzésének fontos eszköze. Az oxidatív stressz a reaktív oxigén vagy nitrogén eredetű szabad gyökök keletkezése és az antioxidáns védő rendszerek közötti egyensúly megbomlása, a sejtek redoxi állapotának megváltozása során lép fel. A ROS kontrollálatlan keletkezése vagy az antioxidáns rendszer működésének csökkenése vezet az oxidatív stressz kialakulásához. Szinte nincs olyan betegség, ahol a szabad gyökök károsító hatását ne mutatták volna ki, vagy a szabad gyökök túltermelődése vagy az antioxidáns rendszer károsodása miatt.

Kialakulásának okaiSzerkesztés

A szabad gyökök képesek arra, hogy az antioxidáns rendszerek működését gátolják, pl. úgy, hogy elfogyasztják a rendelkezésre álló antioxidánsokat, így pozitív visszacsatolásos kör alakul ki. A sejtek egy másodlagos oxidatív károsodásra érzékenyebbek lesznek. Az önrontó kör folytatódik, és a sejt károsodása tovább nő egészen akár a sejthalálig. A sejtpusztulás stressz-indukált ion-deregulációját, vagy szabad gyökös folyamatait, melyet fizikai, kémiai és biológiai változások idéznek elő, el kell választani az apoptózistól, a programozott sejthaláltól, a genetikailag determinált öngyilkos folyamattól, melyek során azonban szabad gyökös mechanizmusok fontos szerepet játszanak.[51]

Külső tényezőkSzerkesztés

  • Élvezeti szerek, cigarettafüst és alkoholos befolyásoltság
  • Magas hőmérséklet – hőstressz
  • UV-sugárzás – fertőtlenítés, napfény hatása
  • Ionizáló sugárzás – fertőtlenítés
  • Peszticidek, herbicidek és egyéb környezeti toxinok
  • Ózon
  • Szmog
  • Fémtoxikózisok (réz és a vas)
  • Megemelt, többszörösen telítetlen zsírsav-bevitel (egyidőben megnövelt mennyiségű antioxidáns-bevitel hiányában)
  • Glutation depléció
éhezés
metionin hiány
cisztein hiány

Gátolja az E-vitamin felszívódását és annak a májban történő raktározását

  • Akut vagy krónikus stressz hatások
pl.: hideg környezet vagy bezártság, immobilizáció hatására a gyökképző folyamatok intenzitása fokozódik

Belső tényezőkSzerkesztés

  • Fiziológiás folyamatok

endoperoxidok képződése arachidonsav kaszkád során
ion pumpa működésének zavara

  • Genetikai hatások

Szelekció hatására fokozott anyagcsere intenzitás (T4/T3 átalakulás → O2•↑) kerül előtérbe, ami fokozott mitokondriális oxidációval és ezzel fokozott szabad gyök-képződéssel jár együtt.

  • Fizikai terhelés

A fokozott izommunka fokozott oxigénfelvétellel jár, ami fokozott szabad gyök-képződést indukál.

Oxidatív stressz következményeiSzerkesztés

SejtkárosodásSzerkesztés

  • GSH hiány
  • Intracelluláris szabad vas növekedése
Membrán peroxidáció és sérülés → Vas ion kijutása a környező szövetekbe, a környező sejtek károsodása
DNS, fehérjék, lipidek károsodása
  • Lipid-károsodás
Megnövekedett lipidperoxidáció → membránperoxidáció → membránsérülés → Vas ion kijutása a környező szövetekbe → a környező sejtek károsodása → szívbetegségek, artheriosclerosis
  • DNS-károsodás
Poly(ADP)ribóz-polimeráz aktiváció → NAD(H) hiány → ATP szintézis gátlása → Citoszkeletális károsodás
  • Fehérje károsodás
GSH hiány
Citoszkeletális károsodás
ATP szintézis gátlása → Citoszkeletális károsodás
Intacelluláris Ca emelkedése → ATP szintézis gátlása → Vas ion kijutása a környező szövetekbe, a környező sejtek károsodása → Neurodegeneratív kórképek.
Intacelluláris Ca emelkedése → Membrán peroxidáció és sérülés → Vas ion kijutása a környező szövetekbe, a környező sejtek károsodása

GénaktivációSzerkesztés

Vírusreplikáció (HIV-1)

Fokozott sejtproliferációSzerkesztés

Daganatok kialakulása

AdaptációSzerkesztés

A szervezet védekezésének felerősödése a várható káros hatások kiküszöbölésére.

SejthalálSzerkesztés

Apoptózis, nekrózis

SejtöregedésSzerkesztés

Osztódási gátlás

Poli (ADP ribóz)-polimeráz enzim szerepeSzerkesztés

Fiziológiás állapotokban a poli (ADP-ribolizáció) szerepet játszik a DNS helyreállításban és a genom stabilitásának megőrzésében, a sejt túlélésében, a sejtosztódásban és differenciálódásban is. A poli (ADP-ribóz)-polimeráz-1 (PARP-1) a DNS kötő enzimek PARP családjának tagja, más PARP izoenzimekkel együtt, a sejtmagban és a mitokondriumban helyezkedik el számos sejttípusban, a szívizomsejteket is beleértve.

A PARP-1 enzim három doménből áll: DNS kötő, automodifikációs és NAD+ kötő doménből . Az aktivált PARP a NAD+-ot hasítja, nikotinamid és ADP-ribóz jön létre. A PARP ADP-ribózt polimerizál a sejtmagban lévő fehérjékre, hisztonokra, transzkripciós faktorokra és a PARP enzimre magára.[52] A PARP enzim számos transzkripciós faktor működését is befolyásolja, a nukleáris faktor κB mediálta transzkripció elősegítésével, aminek központi szerepe van pl. a gyulladásos citokinek, kemokinek, adhéziós molekulák, gyulladásos mediátorok expressziójában.[53]

PARP túlaktivációjaSzerkesztés

A sejt túlélését veszélyezteti, mert a sejt NAD+-raktárait elfogyasztja, a célfehérjéken az ADP-ribóz láncot meghosszabbítja. Mivel a NAD+ jelenléte a mitokondriális elektrontranszporthoz elengedhetetlen, a NAD+ elhasználásával a következményes ATP-hiány sejthalálhoz vezet. Az oxigén és nitrogén szabad gyökök és a sejtmagon belüli Ca2+ felhalmozódás megnöveli a PARP aktivitását. A DNS egyes szál törés elengedhetetlenül szükséges elindítója a PARP-aktivációnak. A peroxinitrit egy labilis, toxikus molekula, ami a szuperoxid és a nitrogén-monoxid reakciója során jön létre. A peroxinitrit és az aktív hidroxilgyök felelős a DNS egyes szál törésért. Környezeti toxikus anyagok, genotoxikus, vagy citotoxikus drogok és az ionizáló sugárzás, valamint nitrogén-monoxid és szuperoxid anion keletkezésével járó folyamatok a kiváltói a DNS szál törésnek.[54]

PARP inhibitorokSzerkesztés

A PARP gén hiányos egerek vizsgálatával kimutatták, hogy a PARP túlműködése számos oxidatív stressz mediálta kórfolyamatban részt vesz: szívizom ischaemia, reperfusios károsodás, gyulladás, diabetes mellitus, diabetes okozta cardiovascularis betegségek, keringési shock, stroke, szívhipertófia, szívelégtelenség, traumás központi idegrendszeri károsodás, arthritis, colitis, allergiás encefalomyelitis és a gyulladás számos más formájában.[55]

Oxidatív stressz kimutatása, méréseSzerkesztés

A stressz következményeit csak későn érzékeli az élő szervezet, ezért speciális vizsgálatokkal történő kimutatása rendkívül fontos, mellyel a napi stresszhatások káros következményeire még időben figyelmeztet. Az oxidatív stresszt vizsgálhatjuk közvetett módon, a védelem oldaláról, az antioxidáns hatású komponensek mérésével vagy a támadás oldaláról közvetlenül az oxidált metabolitok mérése révén, vagy a két módszer kombinációjával.[56] Számos in vitro meghatározás áll rendelkezésre a reaktív oxigén vagy nitrogén gyökök kimutatására. A reaktív oxigén és nitrogén gyökök in vitro elektron spin rezonanciával (ami a párosítatlan elektront detektálja) vagy kemilumineszcenciával mérhetőek, de ezeknek a direkt módszereknek a laboratóriumi alkalmazása nehézségekbe ütközik a módszerek költségessége, valamint a szabad gyökök instabilitása miatt. A szabad gyökök reaktívak, féléletidejük igen rövid, ezért rutin célból történő közvetlen mérésük általában nem végezhető a szövetekben, sejtekben és testfolyadékokban. A szabad gyökökkel történő reakció során átalakult molekulák számos esetben sokkal stabilabbak, mint maguk a szabad gyökök, így pl. a stabil metabolitjaik (nitrát, nitrit) vagy a károsított lipid, fehérje vagy nukleinsav termékek mutathatók ki nagyobb biztonsággal.[57]

Az oxidatív stressz mérésének fontosságaSzerkesztés

Az élő szervezetben a belégzett oxigénből folyamatosan képződnek szabad gyökök, melyek nélkül nincs élet, viszont ha semlegesítésük nem megfelelő, akkor betegségek kialakulását okozhatják. A szabad gyökök semlegesítéséről egészséges szervezetben az antioxidánsok (speciális enzimek, vitaminok, fehérjék) gondoskodnak, biztosítva egy egyensúlyi állapotot a képződő aktív gyökök és a belső védelmi rendszer között. Kóros állapotokban (akut és krónikus szív- és érrendszeri betegségek, autoimmun betegségek, rosszindulatú daganatok, mozgásszervi- és idegrendszeri elváltozások) lényegesen intenzívebb a gyök képződés és csökken az antioxidáns védelem kapacitása. A betegségek kialakulását megelőzően már fiatal korban olyan változások mehetnek végbe a szervezetben, erős fizikai illetve szellemi megterhelés eredményeként, melynek során a sejtek védettsége jelentősen csökken és kialakul az oxidatív stressz.

Prooxidáns markerekSzerkesztés

  • Lipidperoxidációs aktivitás meghatározása plazmából

A sejtmembránokat alkotó lipidek peroxidálódása káros folyamat, mert ennek következménye a membrán átjárhatóságának növekedése, a membránhoz kötött receptorok, enzimek inaktiválódása és így a sejtintegritás károsodása.[58] A lipid peroxidokat sokszor alkalmazzák az oxidatív stressz biomarkereként, így pl. a malondialdehidet (MDA), 4-hidroxi-2-nonénalt, az izoprosztánokat. Ezek a termékek másodlagos citotoxikus messengerként ott is maradnak a szövetekben, és további károsodásokat idézhetnek elő.[59]
Tiobarbitursav reaktív termékek. MDA normál érték: < 100 nmol/ml

  • Hidrogén-peroxid, alkoxil és peroxil gyökök meghatározása plazmából

d-ROMs

- normál érték: < 320 CARR U
- enyhe oxidatív stressz: 320-340 CARR U
- középsúlyos oxidatív stressz: 341-400 CARR U
- súlyos oxidatív stressz: 401-500 CARR U
- nagyon súlyos oxidatív stressz: > 501 CARR U
  • Izoprosztánok mérése

A plazmában és a vizeletben a legkevésbé invazív ex vivo módszer az oxidatív stressz mérésére betegekben . Az izoprosztánok nem-enzimatikus úton keletkezett lipidperoxidációs termékek. Arachidonsavból, eikozapentaénsavból, dodekahexaénsavból, LDL-ből a foszfolipázok hasítják le, majd ürülnek a szabad izoprosztánok (8-izo-PGF2α) a vizelettel.[60]

  • Oxidált nukleinsav származékok mérése

Minden aminosav képes oxidálódni, a legérzékenyebbek az aromás aminosavak (fenilalanin, tirozin, triptofán, hisztidin) és a kéntartalmú aminosavak: a cisztein-cisztinné alakulhat (tioredoxin reduktáz visszaalakítja), a metioninból metionin szulfoxid lesz, amit a metionin szulfoxid reduktáz alakít vissza. Amikor a szabad gyökök a sejt DNS-hez kapcsolódnak, a DNS kettős spirál kigöngyölődik, bázispárok hibás leolvasása jöhet létre. Mutagén, teratogén, karcinogén hatásuk van. DNS-fehérje keresztkötések alakulnak ki, a DNS vázban törés jön létre, a dezoxiribóz-foszfát váz valamint a purin-pirimidin váz károsodik, a bázisok szabaddá válnak. Az oxidált nukleinsav származékokat (pl. 8 hidroxi 20 deoxi-guanozin) a következő laboratóriumi módszerekkel lehet kimutatni: pl. HPLC, gázkromatográfia, tömegspektrometria, folyadékkromatográfia, tandem tömegspektrometria. Az oxidált és a nem oxidált nukleinsavak koncentrációja között 6 nagyságrend a különbség.[61]

  • Advanced oxidation protein products (AOPP)

Megfigyelték, hogy az AOPP plazma szintek szoros összefüggést mutattak a plazmában mért ditirozinnal, ami az oxidált fehérjék egyik fajtája és a pentozidinnel, azzal a markerrel, ami a fehérjék glikációját jelzi oxidatív stressz jelenléte esetén, viszont nem mutattak összefüggést a tiobarbitursav reaktív anyagokkal. Az AOPP szintek a kreatinin szintekkel is szoros összefüggést mutattak, a krónikus veseelégtelenség fennállása esetén az AOPP a betegség progresszióját is jelzi.[62] Az AOPP mérőmódszer elve, hogy in vitro körülmények között savas közegben a hozzáadott jód beépül a mintákban jelen lévő tirozin származékokba (ditirozin, pentozidin és karbonil) és ezáltal jelentősen nő a fényelnyelés 340 nm-en (Capeillere-Blandin C. és mtsai 2004). Emelkedett AOPP plazma szinteket mutattak ki a következő megbetegedésekben: HIV pozitív betegekben a monocita aktivációval arányosan, 17 hipoxiás koraszülöttekben, továbbá diabetes mellitus 1. és 2. típusában, koszorúér-betegségben, szisztémás szklerózisban, izomdisztrófiában, és reeclampsiában.

Antioxidáns markerekSzerkesztés

  • Redukált glutation (GSH)

Proteinhez kötött és szabad szulfhidril-csoport meghatározása.
GSH: normál érték: 600-800 nmol/ml

  • Totál antioxidáns kapacitás (TAS)

Az extracelluláris antioxidáns tartalom meghatározása a reakció során előállított stabil gyökkel szemben.
TAS normál érték: 1,4-1,7 mmol/l

Oxidatív stressz és betegségekSzerkesztés

Az oxidatív stressz szerepét több mint 100 betegségben, számos kórfolyamatban feltételezik.[63]

  • Apoptózisban
  • Öregedés
  • DNS károsodása kapcsán a tumorképződésben
  • Fertőzések
  • Szepszis

Antioxidáns rendszerekSzerkesztés

A fiziológiás körülmények között keletkező szabad gyökök természetes enzimatikus és nem enzimatikus kontroll alatt állnak. A szabad gyökök okozta károsodásokkal szemben összetett, integrált védelmi rendszer biztosítja a sejtalkotó molekulák védelmét. Az antioxidánsok olyan molekulák, amelyek csekély mennyiségben vannak jelen az oxidálandó szubszráthoz képest, és jelentős mértékben csökkenteni, vagy akár gátolni is képesek annak oxidációját. Az emberi szervezetben az antioxidánsok szinergizáló, egymást erősítő, regeneráló hatással rendelkeznek, így az antioxidánsok együtt jóval hatékonyabbak a szabad gyökökkel szemben, mint külön-külön.[64] Az egyik legalapvetőbb példa, hogy a glutátion regenálja az aszkorbátot, és az aszkorbát regeneálja az α-tokoferolt. Mindezek miatt a teljes antioxidáns kapacitás jóval hasznosabb és reálisabb információt ad, mint az egyes antioxidánsok koncentrációja a mintában, illetve az antioxidáns kapacitásuk külön-külön.[65] A nem jól, vagy a nem megfelelő dózisban alkalmazott antioxidánsokat tartalmazó táplálékkiegészítők szedésénél is számolni kell a prooxidáció kialakulásával és károsító hatásával. A szervezetbe való túlzott bevitelük esetén az antioxidánsok maguk is prooxidánsokká válhatnak és hasonlóan a szabad gyökökhöz a szervezet károsodásához vezethetnek.

Antioxidánsok kapacitásaSzerkesztés

Az antioxidáns kapacitás a vizsgált rendszerre vonatkozó összes antioxidáns vegyület együttes gyökfogó hatását jelenti. Ennek pontos, számszerű meghatározására egyre nagyobb igény jelentkezik, így számos analitikai metodikát, mérőrendszert fejlesztettek ki. Folyamatosan tart a metodikák módosítása, finomítása, így napjainkra az alkalmazott módszerek száma már meghaladja a százat.[66] A legtöbb irodalom nemcsak egy, hanem többféle módszert használ az antioxidáns kapacitás meghatározására. Ennek oka a fogalom összetettségében rejlik, hiszen egyik módszer sem képes a valódi – a természetes módon lezajló reakciók összességét modellezni.[67] Minden metodika specifikus bizonyos antioxidánsokra, illetve reakciókra, de egyik sem képes az összes antioxidáns valódi antioxidáns erejét mérni. A különböző laboratóriumok más és más méréseket alkalmaznak, így a kapott eredmények sokszor nehezen, vagy alig összevethetők. Egyes módszerek között vannak összefüggések, ezt sokszor a hasonló elvvel magyarázzák , de számos esetben a kapott eredmények még ekkor sem korrelálnak.[68] Nem mindegy, hogy vizsgálatainkat milyen céllal végezzük, és melyik módszert választjuk a méréshez. Ugyanazon komponens más rendszerben máshogy fog viselkedni. Többféle mérési módszert alkalmazva vonhatunk le csak következtetést, arra vonatkozólag, hogy egy minta mennyire ’jó’ antioxidáns, a mi általunk felállított mesterséges körülmények között. Az emberi szervezetben való viselkedésük és pontos hatásmechanizmusuk a különböző komponensek egymással való kölcsönhatásától és a felszívódásától is nagymértékben függ, ami még jobban megnehezíti a kutatók feladatát annak megítélésében, hogy melyik módszerrel mért adatok jellemezhetik legjobban a szervezetben kifejtett hatásukat.

Antioxidáns növényekSzerkesztés

GyümölcsökSzerkesztés

Kínai goji (Lycium chinensis), alaszkai vad áfonya (Vaccinium alaskaense), gránátalma (Punica granatum), kakaó (Theobroma cacao), mangosztán (Garcinia mangostana), noni (Morinda citrifolia), kivi (Actinidia deliciosa), zöld tea (Thea sinensis), avokádó (Persea americana), aszalt szilva, mazsola, fekete áfonya, fekete szeder, tőzegáfonya, földieper, málna, piros szőlő, cseresznye.

FűszernövényekSzerkesztés

Cserző szumák (Rhus coriaria), kurkuma (Curcuma domestica), szegfűszegolaj (Syzygium aromaticum), oregano.[69]

ZöldségekSzerkesztés

Kelkáposzta, fokhagyma, spenót, tök, kelbimbó, brokkoli, cékla, vöröshagyma, karfiol, zöldborsó.

GyógynövényekSzerkesztés

Acai bogyó-káposzta pálma (Euterpe oleracea), choke bogyó (Aronia melanocarpa), Maqui bogyó (Aristotelia chilensis).

További információkSzerkesztés

  • Stryer et al.: Biochemistry 5th ed. (2002); W.H Freeman ISBN 0-7167-4684-0
  • http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez
  • Voet et al.: Fundamentals of Biochemistry 2d ed (2006) John Wiley ISBN 0-471-21495-7
  • https://web.archive.org/web/20140227131349/http://bcs.whfreeman.com/lehninger/
  • Lehninger et al.: Principles of Biochemistry 4th ed (2005); W.H. Freeman ISBN 07167-4339-6
  • Garrett & Grisham: Biochemistry 2nd ed (1998); Saunders Coll. Publ.
  • Mathews et al.: Biochemistry 3rd ed (2000); Benjamin Cummings
  • Bálint Miklós: Molekuláris biológia I.-III. Műszaki kiadó (2000,2002)
  • Szerves kémia (nomenklatúra) I. Dr. Kucsman Árpád és Dr. Kajtár Márton (1980 Tankönyvkiadó Bp.)
  • Szerves kémia (nomenklatúra) II. Dr. Hollósi Miklós (1976 Tankönyvkiadó Bp.)
  • Szerves kémia I., II., III., IV., V.Dr. Kucsman Árpád (1976, ELTE, Tankönyvpótló kiadvány és az azt kiegészítő előadási ábragyűjtemény)
  • Organic Chemistry (7th edition)Graham Solomons and Craig Fryhle (2000 John Wiley and Sons, Inc. New York)
  • A Prime to Mechanism in Organic Chemistry Peter Sykes (1995 Longman Scientific and Technical)
  • Encyclopaedia of the History of Science, Technology, and Medicine in Non ...Helaine Selin Springer 2008.
  • The Discovery and Development of Healing Drugs Copyright © 2004 by Margery Facklam, Howard Facklam, and Facts On File
  • Pharmacology. H. P. Rang, M. Maureen Dale, James M. Ritter, Graeme Henderson, Rod J. Flower Elsevier Limited, Oxford, 2011.
  • Goodman & Gilman’ s Manual of Pharmacology and Therapeutics Copyright © 2008 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. Manufactured in the United States of America. Except as permitted under the United States Copyright Act of 1976, no part of this publication may be reproduced or distributed in any form or by any means, or stored in a database or retrieval system, without the prior written permission of the publisher.
  • Gupta VK, Sharma SK. Plants as natural antioxidants. Natural Product Radiance 2006; 5(4): 326-334.
  • Prakash A, Rigelhof F, Miller E. Antioxidant activity. http://www.medlabs.com/Downloads/Antiox_acti_.pdf
  • Quideau SP, et al. Plant polyphenols: chemical properties, biological activities, and synthesis. Angewandte Chemie Internatio-nal Edition 2011; 50(3): 586.
  • Halliwell B. Free radicals and antioxidants: updating a personal view. Nutr Rev 2012; 70(5): 257-65.
  • Antioxidáns hatású gyümölcsök és növények. http://www.antioxidans.lap.hu/antioxidans_hatasu_gyumolcsok_es_novenyek[halott link]
  • ÁDÁM V. (2001): Orvosi biokémia. Budapest: Medicina Könyvkiadó Rt.
  • ASMUS K. D., BONIFACIC M. (2000): Free radical chemistry. In: Handbook of Oxidants and Antioxidants in Exercise. Sen C.K., Packer L., Hänninen O.P.(eds.), Elsevier
  • BELITZ H.D., GROSCH W., SCHIEBERLE R. (2007): Lehrbuch der lebensmittelchemie. Springer – Berlin.

Kapcsolódó szócikkekSzerkesztés

ForrásokSzerkesztés

  1. prof. dr. Dinya Zoltán: A flavonoidok bemutatása, alkalmazási területei. 3. old. jr. G.L. Bt. 2013.
  2. Cadenas, 1989.
  3. gyökök-befolyásolása-a-c-vitamintól-a-viagráig.html Kamikáze molekulák: A szabad gyökök befolyásolása a C-vitamintól a Viagráig SZABÓ CSABA - VII. szemeszter, 2005.09.26.
  4. (Pacifici et al., 1991)
  5. Szabad gyökök és antioxidánsok – a legjobb antioxidáns növények Dr. Juhász Miklós, SZTE Növénybiológiai Tanszék, Szeged 2012. december
  6. Kamikáze molekulák: A szabad gyökök befolyásolása a C-vitamintól a Viagráig ENG SZABÓ CSABA - VII. szemeszter, 2005.09.26.
  7. Rusznyák I., Szent-Györgyi A.: Vitamin P:Flavonols as vitamins. Nature 138. 27 (1936)
  8. Pharmanex University
  9. (McKenzie 1996, Pavlick 2002, Ramachandiran 2002)
  10. MTA Doktora Pályázat Doktori Értekezés: A redox–homeosztázis változása és az antioxidánsok jelentősége máj- és bélbetegségekben, Dr. Blázovics Anna Budapest, 2005
  11. Fehér J, Vereckei A. szabad gyök reakciók jelentősége az orvostudományban. Medicina, Biogal, Budapest, 1985
  12. Halliwell B. Free radicals, antioxidants and human disease: curiosity, cause, or consequence? Lancet 344, 721-724, 1994
  13. Maxwell S. Prospects for the use of antioxidant therapies. Drugs 49(3), 345-361, 1995
  14. (Gutteridge JMC 1995, Halliwell B, Whiteman M. 2004)
  15. Kley, 1997, Atkinson, 2000, Seinfeld, 2006
  16. Singh 2004.
  17. Zügner Gábor László MTA TTK, Anyag- és Környezetkémiai Intézet Környezetkémiai és Katalízis Osztály, Légkörkémiai Csoport 2012
  18. Lewis 2005.
  19. Singh 2004
  20. http://www.chemres.hu/AKI/Hun/kerekasztal/Az_eghajlatvaltozas_es_a_legkor_kemiajanak_kolcsonhatasa.pdf[halott link]
  21. Jaeglé 2001.
  22. McDade 1982
  23. Jaeglé 2001., Janson 2001., Melloui 2003.
  24. , Molina és Rowland (1974), Nobel díj: 1995
  25. Cadenas, 1989; Djuric és mtsai., 1998; Heinonen és mtsai., 1998; Lugasi és Blázovics, 2004.
  26. (Toporcov és mtsai. 2004.; Benzie, 2000.
  27. Marnett LJ. (1999) Lipid peroxidation-DNA damage by malonaldehyde Mutat Res, 424(1-2):83-85.
  28. International Union of Pure and Applied Chemistry. "homolysis (homolytic)". Compendium of Chemical Terminology - Gold Book Internet edition.
  29. Cyclic and Heterocyclic Thiazenes RICHARD T. OAKLEY Progress in Inorganic Chenzistry; Volunze 36 Edited by Stephen J. Lippard Copyright © 1988 by John Wiley & Sons, Inc.
  30. Acker, 1994
  31. Albina és Reichner, 1998
  32. (Tompa, 2005)
  33. (Knight, 2000)
  34. (Russel et al., 2000)
  35. (Cheeseman, 1993)
  36. (Glass és Witztum, 2001)
  37. (Burcham, 1998; Rice-Evans és Bruchdorfer, 1992)
  38. (Belitz et al., 2007)
  39. Gutteridge JMC 1995
  40. a b (Dröge W. 2002)
  41. (Harrison D és mtsai 2003)
  42. a b (Madamanchi NR és mtsai 2005)
  43. Babior BM. 1984
  44. (McCord JM, Fridovich I 1998)
  45. (Kehrer JP. 2000)
  46. (Schraufstatter IU és mtsai 1990)
  47. (Bruynzeel AM és mtsai 2006)
  48. (Soloviev AI és mtsai 2003)
  49. (Stohs SJ. 1995, Amacher DE. 2006)
  50. dr. Denham Harman
  51. (Polyak K. és mtsai 1997)
  52. (Burkle A 2005)
  53. (Szabó G és mtsai 2004a, Virag L, Szabo C 2002)
  54. (Szabo Cs. 2003)
  55. (Virag L, Szabo C 2002)
  56. (Del Rio D. és mtsai 2002)
  57. (Zweier JL és mtsai 1987, Dalle-Donne I. és mtsai 2006)
  58. (Gutteridge JM. 1995)
  59. (Dalle-Donne I és mtsai 2006)
  60. (Mallat Z és mtsai 1998, Sakamoto H és mtsai 2002. Morrow JD 1990, 2005.)
  61. (Dean RT és mtsai 1997) (Del Rio D és mtsai 2002)
  62. (Witko- Sarsat V. és mtsai 1996)
  63. (Harrison D. és mtsai 2003) (Haidara MA. és mtsai 2006), (Moreira PI. és mtsai 2005), (Phillis JW és mtsai 2006), (Roebuck KA 1999), (Macdonald J. és mtsai 2003), (Marczin N és mtsai 2003), (Linton S és mtsai 2001), (Hare JM. 2001) (Amacher DE. 2006).
  64. Chaudiere és Ferrari-Iliou, 1999; Benzie, 2000; Vertuani és mtsai., 2004.
  65. Ghiselli és mtsai., 2000.
  66. Cornetti, 2009.
  67. Frankel és Meyer, 2000.
  68. Frankel és Meyer, 2000; Ou és mtsai., 2002b; Pellegrini és mtsai., 2003. Niki, 2002.
  69. http://www.antioxidans.hu/antioxid%C3%A1ns-n%C3%B6v%C3%A9nyek.html