Radicalii liberi

Radicalii liberi sunt atomi sau molecule care conțin electroni impari. În mod normal electronii există în pereche cu orbite specifice în atomi sau molecule. Radicalii liberi, care conțin doar un singur electron în orice orbită, sunt instabili în fața pierderii sau câștigului unui extra-electron, astfel încât toți electronii din atom sau moleculă vor fi în pereche.

 
Stresul oxidativ se referă la dezechilibrul care favorizează pro-oxidanții în fața antioxidanților. Un stres oxidativ crescut poate conduce la leziuni extinse ale lipidelor, proteinelor și ADN-ului. Procesul a fost implicat în îmbătrânire și în patogeneza unor boli precum: ateroscleroza, cancerul, diabetul, bolile cerebrovasculare, cataracta, Parkinson, Alzheimer, artrita reumatoidă și distrofia musculară. Producerea necontrolată de radicali liberi în timpul efortului fizic induce leziuni musculare și oboseală.

 
Teoria radicalilor liberi ai oxigenului a fost cunoscută cu 50 de ani în urmă, totuși, doar în ultimele două decade s-a descoperit rolul lor în dezvoltarea bolilor și astfel, efectele benefice asupra sănătății ale antioxidanților. (4)

 
Radicalii liberi joacă un rol important într-un număr de procese biologice. Multe dintre acestea sunt necesare vieții, cum ar fi distrugerea intracelulară a bacteriilor de către fagocite precum granulocitele și macrofagele. Cercetătorii consideră că radicalii liberi sunt implicați și în unele procese de semnalizare celulară, cunoscute drept semnalizare redox.

 
Principalii radicali liberi ai oxigenului sunt superoxidul și radicalul hidroxil. Aceștia derivă din oxigenul molecular în condiții de reducere chimică. Din cauza reactivității lor, acești radicali liberi pot participa la reacții adverse nedorite cu leziuni celulare. Cantități excesive din acești radicali liberi pot conduce la leziuni celulare și apoptoza, contribuind la multe boli precum: cancerul, atacul vascular cerebral, infarctul miocardic, diabetul și alte afecțiuni majore. Multe forme de cancer sunt considerate a fi rezultatul reacțiilor între radicalii liberi și ADN, conducând la mutații care pot afecta ciclul celular și conduce la neoplazie.

 
Deoarece radicalii liberi sunt necesari vieții, corpul are un număr de mecanisme enzimatice de minimalizare a leziunilor radical induse și de a repara distrugerile. Antioxidanții joacă un rol cheie în aceste mecanisme de apărare. În organismele sănătoase, protecția față de efectele negative ale speciilor reactive de oxigen se face prin menținerea unei balanțe delicate între oxidanți și antioxidanți. Astfel, producerea continuă a radicalilor liberi în organismele aerobe trebuie să fie egalizată de o rată similară de consum de antioxidanți. Enzimatici sau nonenzimatici, antioxidanții sunt substanțe care previn formarea radicalilor liberi, îi caută și neutralizează sau repară distrugerile cauzate de aceștia. Protecția împotriva leziunilor oxidative și a bolilor cronice determinate este realizată printr-o varietate de antioxidanți endogeni și exogeni.

 

Clasificarea radicalilor liberi

Există două forme comune de radicali liberi: speciile reactive de oxigen (ROS) și speciile reactive de nitrogen (RNS). Exemplele de ROS includ: anionul superoxid, hidrogen peroxidul, radicalul hidroxil extrem de reactiv și radicalul peroxil. RNS sunt considerate adesea drept o subclasă a ROS și includ: oxidul nitric, oxidul nitros, peroxinitritul, anionul nitroxil și acidul peroxinitros.

 
Oxidul nitric este produs în sistemul biologic prin sintetaza oxidului nitric. Enzima acționează ca un catalizator pentru a converti L-arginina și L-citrulina la oxid nitric. Oxidul nitric este o moleculă lipofilă fără încărcătură electrică care conține un singur electron pereche, care reacționează cu radicalii superoxid și produce peroxinitritul, care scade bioactivitatea oxidului nitric. Oxidul nitric acționează ca un mediator în funcția vasculară, determinând dilatația vaselor de sânge și relaxarea mușchilor netezi. (2)
Speciile reactive de nitrogen acționează împreună cu ROS în leziunile celulare, cauzând stresul nitrosativ, care apare când sistemul biologic nu reușește să neutralizeze si să elimine speciile reactive de nitrogen. Apar reacțiile de nitrosilare care afectează structura proteinelor și le inhibă funcția.

 
Anionul peroxinitrit este un agent oxidant care determină fragmentarea ADN și oxidarea lipidelor.

 
Anionul superoxid este produs mai ales în mitocondrii. Oxigenul molecular formează radicalul anion superoxid prin adăugarea unui electron la dioxigen. Lanțul mitocondrial de transport al electronilor este principala sursă de generare a ATP-ului în sistemul biologic. În timpul transducerii energiei, un număr mic de electroni scapă și formează radicalul anion superoxid, implicat în patofiziologia numeroaselor boli.

 
Radicalul hidroxil este o formă neutră a ionului hidroxid, este înalt reactiv, un radical periculos cu o durată de viață foarte scurtă. În condiții de stres, superoxidul în exces facilitează generarea de hidroxil. Radicalul peroxil este cea mai simplă formă a nitritului peroxil, forma protonată a radicalului anion superoxid. Acesta inițiază peroxidarea acizilor grași. Peroxisomii sunt responsabili mai ales pentru consumul oxigenului în celulă și mențin producția scăzută de ROS prin echilibrul dintre concentrația sau activitatea enzimelor, precum catalaza. Astfel, distrugerea peroxizomilor permite eliberarea de apă oxigenată în celulă și stres oxidativ. (11)

 
Aproximativ 2-5% din oxigenul consumat scapă din căile metabolice normale care conduc spre formarea de apă și alți produși finali și sfârșesc în generarea diferitelor forme de oxigen, incluzând metaboliții reactivi. Radicalii liberi sunt caracterizați de o durată de existență scurtă, instabilitate și capacitatea de a reacționa cu alte molecule pentru a obține stabilitatea.
Oxigenul molecular nu este un radical liber, dar acționează ca un catalizator în formarea radicalilor liberi.

Pro-oxidanții sunt enzime/substanțe care determină stresul oxidativ, prin formarea de specii reactive de oxigen sau inhibarea sistemului antioxidant. În sistemul biologic uman, 3 enzime bazice sunt responsabile de formarea radicalului liber superoxid:

• oxidaza NADPH,
• citocromul P450 și
• xantin oxidaza. (11)

 

Surse de radicali liberi

Radicalii liberi sunt produși fie prin metabolismul celular normal, fie din surse externe (poluare, fumatul de țigarete, iradierea, medicamentele). Oxigenul este un element indispensabil vieții. Când celulele folosesc oxigenul pentru a genera energie sunt formați radicali liberi drept consecință a producției de ATP (adenozin trifosfat) de către mitocondrii. (4)

 
Exemple de surse de radicali liberi:

• produs secundar al respirației celulare (prezența compușilor ciclului redox)
• sintetizați în granule enzimatice: celulele fagocitice, neutrofilele și macrofagele (oxidaza, mieloperoxidaza)
• mitocondriile (lanțul de transport electronic), peroxizomii (diferite oxidaze)
• reticulul endoplasmic (citocromii P450 și b5)
• citosolul (oxidoreductazele xantinei, metalele de tranziție - Fe, Cu - auto-oxidarea moleculelor mici (riboflavina)
• membrana celulară (NADPH oxidaza, ciclo-oxigenaza, lipoxigenaza)
• pielea prin expunerea la radiații ionizante
• medicamentele (gentamicina, bleomicina, ciclosporina, tacrolimus)
• ingestia de metale grele sau de tranziție (Cadmiu, Mercur, Plumb, Fier)
• solvenți industriali
• fumatul, ierbicidele, pesticidele, alimentele prăjite și afumate. (4)

 

Rolul radicalilor liberi

Activitățile benefice ale radicalilor liberi

Aceste molecule înalt reactive atacă moleculele stabile alăturate pentru a obține un electron. Secundar, molecula țintită devine ea însăși un radical liber și inițiază o cascadă de evenimente care pot conduce în final la leziuni celulare. Totuși, în nivele fiziologice radicalii liberi ajută la păstrarea homeostaziei organismului acționând ca transductori de semnal. Radicalii liberi sunt implicați benefic și în producerea unor hormoni (tiroxina), sunt generați pentru a distruge unele tipuri de bacterii și patogeni încapsulați. (3)

 
În cantități mici sau moderate, ROS și RNS sunt necesare pentru procesele de maturare ale structurilor celulare și acționează ca arme pentru sistemul de apărare al gazdei. Fagocitele (neutrofilele, macrofagele, monocitele) eliberează radicali liberi pentru a distruge microbii patogeni invadatori ca parte a mecanismului de apărare a corpului. De exemplu, importanța producerii de ROS de către sistemul imun este clară la pacienții cu oxidaza NADPH deficientă membranara, făcând imposibilă producerea de radical anion superoxid, rezultând multiple și persistente infecții.

Alte efecte benefice ale ROS și RNS implică rolul lor fiziologic în funcționarea unui număr de sisteme de semnalizare celulară. Producerea lor din formele nonfagocitică de NADPH oxidaza joacă un rol cheie în reglarea cascadei intracelulare de semnalizare în diferite tipuri de celule nonfagocitice (fibroblaste, celule endoteliale, celule musculare netede vasculare, miocite cardiace și țesut tiroidian). De asemenea, oxidul nitric este un mesager intracelular pentru modularea fluxului de sânge, trombozei și activității neurale. Mai este important în apărarea nespecifică a gazdei și pentru distrugerea patogenilor intracelulari și a tumorilor. O altă activitate benefică a radicalilor liberi este inducerea răspunsului mitogenic. Pe scurt ROS și RNS sunt vitale sănătății umane în cantități moderate. (4)

Activitățile distructive ale radicalilor liberi

Distrugerile celulare apar când radicalii liberi întâlnesc altă moleculă și caută să extragă de la aceasta un alt electron pereche pentru electronul impar. Radicalul liber smulge un electron dintr-o moleculă vecină, ducând la transformarea respectivei molecule într-un radical liber la rândul ei. Noul radical liber smulge un electron din următoarea moleculă, apărând o reacție chimică în lanț de producere a radicalilor. Radicalii liberi produși în astfel de reacții vor smulge în final un electron dintr-o moleculă care se modifică și care nu mai poate funcționa. Un astfel de eveniment duce la distrugerea moleculei și a celulei care o conține.

Reacția în lanț declanșată poate conduce la legarea încrucișată a structurilor atomice, așa cum se întâmplă atunci când reacția implică moleculele baze pereche dintr-o catenă ADN. Legarea încrucișată a ADN-ului poate determina diferite aspecte ale îmbătrânirii, în special cancerul. Alte legări încrucișate pot avea loc între grăsimi și moleculele proteice, conducând la formarea de riduri. Radicalii liberi pot oxida LDL-ul, un eveniment cheie în formarea plăcilor de aterom în artere, conducând la boli cardiace și infarct. (3) (6)

 

Rolul antioxidanților

Antioxidanții ajută la păstrarea nivelelor fiziologice ale radicalilor liberi pentru a menține funcția lor fiziologică și prevenirea efectelor patologice cauzate de acțiunea stresului oxidativ. Stresul oxidativ este starea de dezechilibru între ROS și proprietățile antioxidanților. În aceste circumstanțe, ROS depășește antioxidanții din cauza nivelului crescut, proprietăților antioxidante scăzute sau a unei combinații între cele două. (2)

Cancerul și stresul oxidativ

Dezvoltarea cancerului la oameni este un proces complex care include modificări celulare și moleculare mediate de diverși stimuli endogeni și exogeni. S-a stabilit că leziunile oxidative ale ADN-ului sunt responsabile de dezvoltarea cancerului. Inițierea și promovarea cancerului sunt asociate cu defecte cromozomiale și activarea oncogenelor de către radicalii liberi. O formă frecventă de leziune este formarea bazelor hidroxilate ale ADN, considerate un eveniment important în carcinogeneza chimică. Acestea interferă cu creșterea celulară normală prin cauzarea de mutații genetice și alterarea transcripției normale a genelor. Leziunile oxidative produc și o multitudine de modificări în structura ADN-ului.

De exemplu, fumatul și inflamația cronică din bolile noninfecțioase precum azbestoza sunt surse de leziuni oxidative ale ADN, care contribuie la dezvoltarea cancerului pulmonar și a altor tumori. Corelarea strânsă dintre consumul de grăsimi și decesele prin leucemie, cancer de sân, ovar și rect la bătrâni, poate fi o reflecție a peroxidarii lipidelor în exces. (7)

Carcinogeneza cutanată și expunerea la UVA

Componenta ultravioletă A a luminii solare (UV-A cu lungimea de undă 320-400 nm) are potențialul de a genera stres oxidativ în celule și țesuturi, astfel încât antioxidanții endogeni și exogeni influențează puternic efectele biologice ale UVA. Dozele fiziologice de UV-A determină expresia unor gene (colagenaza, hem oxigenaza-1 și oncogenele nucleare), a căror efecte pot fi puternic augmentate de înlăturarea glutationului intracelular (GSH) sau creșterea duratei de viață a oxigenului molecular. Expunerea repetată a pielii umane la radiații UV conduce nu doar la carcinogeneza cutanată, dar și la foto-îmbătrânire prin leziuni ADN.

Boala cardiovasculară și stresul oxidativ

Boala cardiovasculară are etiologie multifactoriala asociată cu o varietate de factori de risc pentru dezvoltarea ei (hipercolesterolemie, hipertensiune, fumat, diabet, dietă deficitară, stres și inactivitate fizică). Datele cercetărilor recente au ridicat o dezbatere asupra rolului primar sau secundar al stresului oxidativ în această boală. Studiile au susținut rolul stresului oxidativ într-un număr de condiții cardiovasculare precum: ateroscleroza, ischemia, hipertensiunea, cardiomiopatia, hipertrofia cardiacă și insuficiența cardiacă congestivă.

Boala neurologică și stresul oxidativ

Stresul oxidativ a fost investigat în boli neurologice precum: Alzheimer, Parkinson, scleroza multiplă, scleroza laterală amiotrofică, pierderile de memorie, depresia. În Alzheimer, numeroase studii au demonstrat că leziunile oxidative joacă un rol în pierderea neuronilor și progresia dementei. Producerea B-amiloidului, un peptid toxic regăsit adesea în creierul acestor pacienți, este cauzat de stresul oxidativ și joacă un rol important în procesul neuro-degenerativ. (9)

Boala pulmonară și stresul oxidativ

Există astăzi date suficiente care să demonstreze că bolile inflamatorii pulmonare precum astmul și boala pulmonară obstructivă cronică sunt caracterizate de inflamație sistemică și locală cronică și stres oxidativ. Oxidanții joacă un rol și în declanșarea inflamației prin activarea diferiților factori de transcripție kinaze și redox.

Artrita reumatoidă și stresul oxidativ

Artrita reumatoidă este o boală autoimună caracterizată de inflamația cronică a articulațiilor și țesuturilor periarticulare cu infiltrate macrofagice și celule T activate. Patogeneza bolii este produsă de generarea de ROS și RNS la locul inflamației. Distrugerea oxidativă și inflamația sunt dovedite prin nivelele ridicate ale isoprostanelor și prostaglandinelor în ser și fluidul sinovial.

Nefropatia și stresul oxidativ

Stresul oxidativ joacă un rol în varietatea bolilor renale precum: glomerulonefrita și nefrita tubulointerstitiala, insuficiența renală cronică, proteinuria, uremia. Nefrotoxicitatea anumitor medicamente precum: ciclosporina, tacrolimus, gentamicina, bleomicina, vinblastina este cauzată mai ales de stresul oxidativ prin peroxidarea lipidelor. Metalele grele și cele de tranziție care induc diferite forme de nefropatie și carcinogenitate sunt puternice surse de radicali liberi în corp.

Boala oculară și stresul oxidativ

Stresul oxidativ este implicat în degenerescenta maculară legată de vârstă și cataracta prin alterarea diferitelor tipuri celulare din ochi, fotochimic sau nonfotochimic. Sub acțiunea radicalilor liberi, proteinele cristaline din lentile se pot lega încrucișat și agrega, conducând la cataractă. În retină, expunerea de durată la radiații poate inhiba mitoza în epiteliul pigmentar și coroidian, leziuni ale segmentului fotoreceptor extern, fiind asociate cu peroxidarea lipidelor. (5)

Fetusul și stresul oxidativ

Stresul oxidativ este implicat prin diferite mecanisme în dezvoltarea restricției de creștere intra-uterină și pre-eclampsie. Unele rapoarte indică că nivelul seric al produșilor de peroxidare lipidică este crescut în sarcina pre-eclamptică și retardul de creștere intra-uterină, fiind sugerat rolul ROS/RNS în etiologia acestor condiții. În sarcinile complicate cu pre-eclampsie se observă expresia crescută a NADPH oxidazei 1 și 5, sursele enzimatice majore ale superoxidului în placentă. (10)