Volné radikály

Molekuly, které ztratily rovnováhu

Co jsou volné radikály? Jsou to molekuly, které mají na poslední dráze elektronového obalu jeden nebo více nepárových elektronů. Taková molekula bývá vysoce nestabilní. Snaží se dostat do rovnovážného stavu tím, že získá ve svém okolí jiný elektron do páru. Potom se stane novým volným radikálem molekula, která elektron ztratila, a tak to pokračuje. Obecně znám je vznik volných radikálů v dýchacím řetězci, kde oxidací vzdušným kyslíkem vzniká energie a jako vedlejší produkty volné radikály superoxid (O₂^•–) a hydroxylový radikál (OH^•). Reakce většinou probíhají velmi rychle, například volný hydroxylový radikál má poločas trvání jen 10^–9 sekund, superoxid 10^–5 sekund. Řetězová reakce trvá tak dlouho, dokud se volný radikál nesetká buď s antioxidantem, který reakci přibrzdí, nebo s jiným volným radikálem, s nímž vytvoří elektronový pár. Volné radikály se mohou rovněž zachytit na molekuly, které jejich volný elektron kryjí, takže reakce neprobíhá, nebo se mohou z organizmu vyloučit ven, například močí. Je jich však mnoho, všechny zmínit nemůžeme. Kromě volných radikálů existují i látky, jež mají podobné vlastnosti, ale nemají nepárový elektron (např. peroxid vodíku, singletový kyslík nebo kyselina chlorná).

Radikál superoxid se účinkem enzymu superoxiddismutázy zpracovává v lidském těle na peroxid vodíku. Ten už není volným radikálem, ale škodí úplně stejně, ne-li více. Zatímco radikály s krátkým poločasem trvání stačí poškodit jen molekuly v blízkém okolí, peroxid vodíku poškozuje i molekuly vzdálené. Proniká přes buněčné membrány a přetrvává podstatně déle – zanikne, až když dokončí oxidaci. V organizmu je peroxid vodíku zneškodňován enzymy glutathionperoxidázou, popřípadě katalázou.

Poměrně dlouhý poločas (a tedy značnou škodlivost) má také reaktivní forma kyslíku nazývaná singletový kyslík (O₁). Ten je energeticky bohatý, protože má elektron ve vyšší sféře. Právě singletový kyslík bývá příčinou arytmií po infarktu myokardu.

Z aminokyseliny argininu (uplatňující se například v metabolizmu kyseliny močové) vzniká účinem syntázy oxidu dusnatého volný radikál oxidu dusnatého. Je hydrofilní, proniká membránami a s kyslíkem tvoří dusitany a dusičnany. V nízké koncentraci uvolňuje hladké svaly, rozšiřuje cévy, a tím zlepšuje zásobování tkání kyslíkem. Brání vzniku trombózy, působí antimikrobiálně, proti apoptóze, neutralizuje volné radikály při sepsi. Ve vyšší koncentraci ale může poškozovat buňky jater či střeva, snižuje produkci T-buněk (užitečných v ochraně před nádorovým bujením), brání sekreci inzulinu po stimulaci glukózou.

Všechno zlé je k něčemu dobré

Za statisíce let se lidský organizmus naučil využívat volné radikály ke svému prospěchu. Jejich prekurzory a enzymové systémy, které je dokážou generovat, jsou nahromaděny v různých typech bílých krvinek. Volné radikály se účastní likvidace bakterií ve fagocytech, zneškodňují kvasinky, viry, parazity, nádorové buňky. V osteoklastech (což jsou v podstatě tkáňové makrofágy) přispívají k odstraňování kostní hmoty, a tím umožňují průběžnou přestavbu kosti. Krom toho se volné radikály účastní průniku spermie do vajíčka, tedy usnadňují oplodnění.

Proti oxidaci – kdy, jak a čím?

Protivníkem volných radikálů jsou antioxidanty. Dělí se na rozpustné ve vodě (vitamin C, kyselina močová, cystein, kyselina listová, selen, zinek, hořčík, chrom, mangan), rozpustné v tucích (vitamin E, beta-karoten) a rozpustné v obou prostředích (kyselina lipoová). Některé vznikají uvnitř lidského organizmu, jiné pocházejí zvenčí – jsou podávány jako léky nebo přírodní látky s antioxidačními vlastnostmi. Podle chemických vlastností rozlišujeme antioxidanty enzymatické a neenzymatické a také se dají dělit podle toho, jestli působí uvnitř buňky, nebo vně. ²⁾ Zmiňme alespoň ty nejznámější:

Glutathion působí proti oxidaci uvnitř buňky. Volný radikál oxiduje kyselinu askorbovou na askorbylový radikál, který oxiduje tokoferol na tokoferylový radikál, a ten je redukovaným glutathionem zpětně přeměněn na vitamin E. Při nedostatku redukčních vlastností v buňce se nemohou regenerovat vitaminy C a E, které zůstávají ve škodlivé formě svých radikálů, ani zpětně redukovat oxidovaný glutathion, který je odstraňován z buňky. Tím se hladina glutathionu snižuje. Glutathion chrání mozkové buňky po úrazu hlavy, chrání játra, zmírňuje účinek alkoholu (odstraňuje „kocovinu“). Jeho nitrobuněčná hladina je snížena u srdečních onemocnění, při cukrovce nebo v pokročilém věku.

Thioredoxinreduktáza je selenoenzym. Má význam pro syntézu DNA, pro oplodnění vajíčka, chrání centrální nervový systém před stresem. Do jisté míry chrání i před vznikem nádorů, ale paradoxně může také v nádoru již vzniklém chránit nádorové buňky před terapií volnými radikály.

Ubichinon (koenzym Q10) se vyskytuje ve všech buňkách, v těle jsou jej asi 2 g. Regeneruje vitaminy C a E, podporuje srdeční činnost, stárnutím však jeho hladina klesá, nejdříve v srdci. Při poklesu hladiny v tkáni o 25 % se již objevují příznaky onemocnění. Nedostatek ubichinonu potlačuje imunitní reakce a snižuje počet T-lymfocytů.

Flavonoidy z jinanu dvoulaločného (Ginkgo biloba) mají poměrně malou molekulu, takže se dostávají i do míst, kam vysokomolekulární antioxidanty nemohou. Komplex flavonoidů z jinanu, který se poměrně rychle vstřebává, zvyšuje odolnost proti nízké hladině kyslíku, zlepšuje prokrvení mozku, snižuje únavu, zlepšuje sexuální funkce.

Polyfenolické flavonoidy se vyskytují zvláště v barevném ovoci (borůvkách, jahodách, rybízu aj.).

Extrakt z kůry borovice přímořské (Pinus maritima), známý pod názvem Pycnogenol, obsahuje směs 40 antioxidantů. Rychle se vstřebává, působí příznivě u alergií (snižuje tvorbu a vyplavování histaminu), při cukrovce a ateroskleróze (snižuje oxidaci LDL-cholesterolu). ³⁾ Podporuje vstřebávání některých antioxidantů, používá se proti zánětům, u některých neurodegenerativních onemocnění (jako je Parkinsonova nebo Alzheimerova choroba), při stresu a chronickém únavovém syndromu.

Vitamin C je antioxidant, který v přítomnosti železa může působit prooxidačně. Člověk (a s ním několik dalších živočichů) ztratil během evoluce schopnost vitamin C syntetizovat. To ovšem způsobilo poruchu tvorby kolagenu a krvácení z tkání. Proto si zřejmě člověk vytvořil lipoprotein A, který jakoby ucpává propustná místa. V současné době se však stal rizikovým faktorem, protože může zužovat průsvit cév. Kdyby člověk potřeboval tolik vitaminu C jako zvířata odpovídající hmotnosti, musel by dostat 4–12 g vitaminu C denně. Naštěstí se ale přizpůsobil, na den mu stačí 80–100 mg. Sníženou hladinu vitaminu C mívají kuřáci, lidé trpící nádorovým onemocněním a diabetici.

Kyselina močová je hlavním antioxidantem v krevní plazmě. Váže železo a měď, čímž brání vzniku hydroxylového radikálu. Společně s histidinem chrání i před singletovým kyslíkem.

Melatonin vzniká v šišince během noci a rychle se dostává do krve. V zimě, kdy je nedostatek antioxidantů, jej vzniká více, čímž do jisté míry doplňuje antioxidační kapacitu. Účinně chrání DNA před mutacemi. Užívá se k léčbě nespavosti, reguluje průtok krve mozkem.

Selen lépe účinkuje v organických sloučeninách. Jeho nedostatkem trpí často lidé v pásu od Finska do Turecka. Nízké hodnoty selenu v těle se vyskytují u těžkých onemocnění, v těhotenství, u kuřáků, u vegetariánů aj. Nedostatek selenu působí kardiovaskulární choroby, snižuje plodnost mužů, zvyšuje krevní srážlivost a výskyt karcinomů. Nedostatkem selenu se objasňuje vznik mutací virů, například při epidemii chřipky. Nádorové buňky absorbují antioxidanty mnohem rychleji než buňky normální, a tím se chrání před terapií volnými radikály (např. v podobě ozáření či cytostatik). Selen, který je ve vyšších dávkách toxický, však v nádorové buňce poškozuje glutathion.

Chybná by byla domněnka, že jeden antioxidant zabrání účinku všech volných radikálů. Při terapii je nutné vzít v úvahu, které antioxidanty použijeme, kdy je máme podávat, v jakém množství a jak dlouho. Přírodním zdrojem antioxidantů jsou černý rybíz, jahody, ostružiny, borůvky, maliny, ale i červená vína, čaje, v menší míře piva.

Za které nemoci radikály mohou

Procesy nerozlučně spjatými s volnými radikály jsou záněty. Zánět vzniká, když imunitní systém zaútočí např. na bakterie a viry ve snaze je zničit. Potíž je, že někdy zánět neustává ani po zničení bakterií či virů a buňky imunitního systému dál produkují volné radikály. Stoupají prostaglandiny, cytokiny, leukotrieny, štěpí se bílkoviny, poškozují se tkáně.

Při cukrovce (diabetes mellitus) se hromadí neoxidované organické kyseliny, a tím klesá pH, což zvyšuje aktivitu volných radikálů. V krvi stoupá mimo jiné peroxid vodíku, který poškozuje ß-buňky slinivky břišní, klesá intracelulární redukční schopnost, a tím pak vznikne nedostatek energie. Tvorba bílkovin neenzymovou glykací ohrožuje hlavně proteiny s dlouhým poločasem, a tak mohou vznikat diabetické komplikace (slepota, záněty nervů, selhávání ledvin, gangrény dolních končetin).

Při ateroskleróze volné radikály oxidují LDL-cholesterol. Pozměněná molekula není rozpoznána receptory na buňkách, a tak ji organizmus jako cizorodou látku odstraňuje do cévní stěny. V buňce se hromadí volné radikály, cholesterol, vápník, enzymy štěpí bílkoviny. Vzniká pěnová buňka – základ aterosklerotického poškození. V poškozeném endotelu se začnou tvořit aterosklerotické pláty. Antioxidační ochrana je složitá, podání vitaminů C a E nestačí, protože změny jsou intracelulární a tyto dva vitaminy činí jen 12 % z celkové antioxidační kapacity, a co hůř – jestliže se neredukují, mohou samy účinkovat jako volné radikály. Oxidace v buňkách je působena i kyselinou chlornou, která vzniká účinkem enzymu myeloperoxidázy.

Účinkům volných radikálů bývají přičítána také nádorová onemocnění. Každá lidská buňka je za den napadena asi 10 000 volnými radikály. Pokud na to antioxidační ochrana nestačí, vznikají mutace, z nichž některé mohou být počátkem nádorového bujení. Je paradoxní, že volné radikály, které podporují vznik karcinomu, mohou v jeho pokročilejším stavu sloužit v léčbě nádoru (při ozařování či v některých cytostatikách). Antioxidanty mohou paradoxně také chránit nádorové buňky před zničením volnými radikály.

Orgánem silně ohroženým zvýšenou produkcí volných radikálů je mozek. Jeho antioxidační obrana je poměrně slabá, naopak potřebuje hodně kyslíku a tkáně obsahují množství lipidů, které mohou být peroxidovány. Bezprostřední příčinou takové nervové či duševní choroby může být:

• nedostatek „zametačů“ (scavengerů) volných radikálů (např. superoxiddismutázy) – ten způsobuje amyotrofickou laterální sklerózu, migrénu, Downův syndrom, Wilsonovu chorobu, snad i epilepsii,
• zánětlivé onemocnění – zánět mozku, zánět mozkomíšních blan, roztroušená skleróza,
• krvácení do mozku, úraz mozku, hydrocefalus (nadměrné množství mozkomíšního moku), edém,
• degenerativní onemocnění – Parkinsonova nebo Alzheimerova choroba, svalová dystrofie centrálního původu, schizofrenie.Chorob podporovaných volnými radikály je velmi mnoho. ⁴⁾

Volněradikálová teorie stárnutí

Čím je živočich starší, tím je nižší jeho celková antioxidační kapacita v krvi. Vyšší metabolizmus působí vyšší stres a vyšší tvorbu volných radikálů. Tím se postupně vyčerpávají zásoby antioxidantů z tkání, zvyšuje se lipoperoxidace, klesá imunita, jsou poškozovány tkáně orgánů, klesá tvorba energie, snižuje se schopnost oprav biomolekul, oxidace proteinů poškozuje paměť. Po 65. roce života pomáhají udržet paměť hlavně kyselina askorbová a ß-karoten. Předpověď délky života se u člověka většinou zakládá na jevech, které souvisejí s volnými radikály a antioxidanty (např. systolický krevní tlak, obvod pasu, cholesterolemie aj.).

Jak a čím se dají radikály spoutat?

Uvedli jsme mnoho antioxidantů i chorob souvisejících s volnými radikály. Patřily by sem další nemoci z oborů, jako je kožní lékařství, transfuzní lékařství (volné radikály se hromadí skladováním krve), sportovní lékařství (volné radikály urychlují ztráty bílých, tj. „rychlých“ svalových vláken), chirurgie (volné radikály a antioxidanty mají význam u velkých operací), gynekologie a porodnictví (při porodu se zvyšují volné radikály, mateřské mléko obsahuje antioxidanty), oční lékařství (šedý zákal), imunologie (pokles imunity v důsledku oxidačního stresu), endokrinologie (choroby štítné žlázy). Volné radikály totiž vstupují do mnoha reakcí (viz rámeček 2 ). Proto je potíží, které mohou vyvolat, tak mnoho. Na účinek antioxidantů se příliš nemyslí, ačkoliv pomocná terapie antioxidanty by byla u mnoha nemocí účelná. Přímé stanovení volných radikálů ⁵⁾ je zatím obtížné, ale byly již vyvinuty spolehlivé metody.

REAKCE PŮSOBENÉ VOLNÝMI RADIKÁLY

LIPOPEROXIDACE – postihuje lipidy (tuky), které mají konjugované dvojné vazby. Vznikají z nich metabolity, např. aldehydy (malondialdehyd, 4-hydroxynonenal aj.), které mají kancerogenní účinky. Malondialdehyd se však rychle odbourává a váže na aminoskupiny bílkovin, čímž pevně spojí dvě části bílkovin a tím poškodí jejich funkci.

OXIDACE PROTEINŮ (BÍLKOVIN) – probíhá podobně jako lipoperoxidace. Lze ji sledovat stanovením karbonylů. Oxidované proteiny jsou v těle označeny k odbourání ubikvitinem (viz Vesmír 84, 73, 2005/2).

LÁTKY POKROČILÉ GLYKACE (AGE) – vznikají reakcí proteinů s glukózou za současné oxidace volnými radikály. Vazba AGE na LDL-cholesterol snižuje tkáňový aktivátor plazminogenu. Dále AGE podporují tvorbu cytokinů, proliferaci buněk a odbourávání NO^• aj.

MUTACE DNA A RNA – oxidací aminoskupiny např. na adeninu vznikne skupina OH, na kterou se místo tyminu váže cytosin, a tak vznikají mutace, které mohou vyvolat zhoubné bujení.

VZNIK KYSELINY CHLORNÉ A CHLORAMINŮ – z peroxidu vodíku účinkem myeloperoxidázy vzniká silně oxidační kyselina chlorná, která reakcí s aminy tvoří chloraminy; kyselina chlorná zabíjí mikroorganizmy, aktivuje proteázy, ale oxiduje i LDL-cholesterol, čemuž nezabrání ani vitamin C a E. Reakcí s peroxidem vodíku vytváří singletový kyslík

REAKTIVNÍ FORMY KYSLÍKU

Přijetím jednoho elektronu se molekula kyslíku (biradikál) redukuje, na monoradikál superoxid:

O₂ + e^– → O₂^•-

a další elektron redukuje superoxid na peroxid vodíku

O₂^•– + e^– + 2H⁺ → H₂O₂

Je-li k dispozici další elektron, dvouatomová molekula peroxidu vodíku se rozpadne na vodu (v rovnici je uvedena její disociovaná forma, tedy hydroxidový i hydroxylový radikál HO^• (pozor, ten má o jeden elektron méně než hydroxidový ion OH^–!):

H₂O₂ + e^– → OH^– + HO^•

Poslední elektron redukuje hydroxylový radikál na další molekulu vody (v následující rovnici je uvedena disociovaná voda, tedy hydroxidový anion OH^–, nikoli H₂O):

HO^• + e^– → OH^–