Radikal (kemija)
Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Prosti radikali so atomi, molekule, ioni ali kompleksi, ki imajo neparno število elektronov.
Vsebina |
[uredi] Splošno
Prosti radikali so atomi, molekule, ioni ali kompleksi, ki imajo neparno število elektronov oziroma jim primanjkuje elektronov. Primer prostega radikala je metilni radikal (CH3), ki lahko nastane tudi pri cepitvi kovalentne vezi med atomoma ogljika v molekuli etana (H3C – CH3 ↔ 2 CH3). So zelo reaktivni in posledično tudi nestabilni. Zaradi omenjenih lastnosti hitro reagirajo z drugimi molekulami, spojinami. Tovrstne reakcije potekajo nenadzorovano, mimo encimskih sistemov, in so škodljive za celico, saj jo poškodujejo, kot posledica pa nastopijo razna obolenja. Če jih je v telesu preveč, napadejo zdrave celice, poškodujejo proteine, maščobe, DNK in RNK. Pravzaprav gre za biokemične škodljivce, ki povzročajo od 80 do 90 odstotkov vseh degenerativnih bolezni. Kadar prosti radikali reagirajo s celičnimi membranami zdravih maščobnih celic, nastanejo lipidni peroksidi. Ti so zelo obstojni in še posebno škodljivi, saj lahko telesu povzročijo trajno škodo. Ta škoda se pokaže v obliki degenerativnih bolezni, kot so diabetes, ateroskleroza, artritis, prehitro staranje, očesna mrena, kožne gube in rakava obolenja. Veriga reakcij tisočih prostih radikalov se lahko prične v sekundi. Deaktiviramo jih lahko z obnovitvijo elektronskega para. Oksidacije in reakcije prostega radikala so okoli nas, pa se najverjetneje niti ne zavedamo za kaj gre. Ko železo zarjavi, se kisik združi z železom in rezultat je oksid. Prav tako je delo prostega radikala pokvarjeno maslo, pokvarjeno zelenjavno olje, ali pa naribano jabolko, ki zaradi oksidacije potemni.
[uredi] Nastanek
Prosti radikali v telesu nastajajo neprestano. Deloma nastajajo naravno, kot nezaželeni produkti pri nepopolnem celičnem dihanju. Nekaj jih tvorijo bele krvne celice, da z njimi napadajo bakterije. Večino kisika, ki ga vdihujemo pri dihanju (približno 95 %) porabijo celice za presnovo, torej za proizvodnjo energije. Preostali kisik pa se porabi za nastanek prostih radikalov. Gre za normalen fiziološki proces. Ti radikali nam koristijo, dokler so pod nadzorom. Veliko radikalov pa lahko nastane tudi zaradi vnosa različnih telesu tujih snovi (pesticidi, katran, umetna barvila, konzervansi, zdravila) ali zaradi izpostavljenosti ionizirajočemu sevanju. Seveda se je tem stvarem moč izogibati, nikakor pa ne v celoti izogniti. Prav tako se ne moremo izogniti radikalom, ki nastajajo v telesu naravno. Kljub temu, da radikali v nas nastajajo neprestano, naše telo ne postane žarko, tako kot se npr. pokvari maščoba na zraku. V živih bitjih so se namreč razvili mnogi mehanizmi, ki zmanjšujejo nastajanje radikalov, jih odstranjujejo in popravljajo škodo, ki so jo ti že povzročili. Tovrstni mehanizmi potrebujejo za svoje delovanje različne snovi, ki jih dobimo s hrano, predvsem s sadjem, zelenjavo, pa tudi z zdravilnimi rastlinami - vitamin C (askorbinska kislina), vitamin E (alfa tokoferol), provitamin A (beta karoten), cink in selen. Telo naravno proizvaja encim SOD (superoksidna dismutaza), ki nevtralizira proste radikale in preprečuje nastanek lipidnih peroksidov. Dedni dejavniki in način življenja pa vplivajo na proizvod količine SOD v telesu pri posamezniku. Če telo ne uspe proizvesti zadostne količine SOD pod 5 nanomolov na mililiter seruma, se začne sekundarna oksidativna škoda, ki vodi v degenerativne bolezni. MAK spodbudi telo, da proizvede večjo količino SOD, ter hkrati v telesu učinkuje zelo podobno kot ta encim.
[uredi] Reaktivni kisik
Prostim radikalom primanjkuje elektronov, zato so nestabilni in elektrone »ukradejo« takoj ko jih le lahko. Kisik je osnova za proizvodnjo toplote in energije v telesu, saj se pri oksidaciji sprošča energija (gorenje). Ti procesi so osnova življenja, toda reaktivni kisik je brez prisotnosti aktivnega vodika, ki ga lahko takoj veže, hud strup za naše celice in telo. Reaktiven prosti kisik namreč nujno potrebuje elektrone, da postane stabilen. Če nima na voljo prostih elektronov za doseganje lastne stabilnosti, jih poskuša vzeti prvi razpoložljivi snovi, običajno kar našim celicam (ki jih s tem poškoduje). Tako se molekula kisika (O2), bogatejša za dodatni elektron, spremeni v prosti radikal, ki ga imenujemo superoksidni anion ali superoksidni radikal. Gre za izvirni prosti radikal, saj se iz njega pogosto razvije mnogo drugih, veliko bolj nevarnih radikalov. Če celicam dovolj hitro dovedemo antioksidativne snovi, ki so tkiva sposobne stabilizirati, ali še bolje samemu aktivnemu kisiku dovajati proste elektrone, lahko upočasnimo procese, ki vodijo k boleznim in prehitremu staranju. Reaktivni kisik in reaktivni vodik sta torej osnovi življenja, saj omogočata potek procesa, ki nam zagotavlja potrebno življenjsko energijo. Pomanjkanje vodika v naših celicah povzroča poškodbe, kajti kisik reagira z molekulami celic (krade jim proste elektrone), zato morajo celice vedno imeti višek vodika, da ta zagotovi dajanje prostih elektronov kisiku. Kisik, v obliki O2 (dveh atomov v zraku), je bistven element za preživetje in ohranitev življenja. V organizmu pa nastaja v obliki O atomov in je zato zelo aktiven in nestabilen. V takšni nestabilni atomarni obliki ima sposobnost vezanja na vse biološke molekule zdravih celic telesa. Prosti radikali O nastajajo v belih krvnih celicah ali levkocitih in delujejo proti bakterijam, virusom in drugim telesu tujim snovem, ki pridejo v telo s hrano ali pa nastajajo med procesi nepravilne fermentacije v črevesju. Pri prevelikem kopičenju teh prostih radikalov v telesu, lahko pride do poškodb zdravih celic telesnih tkiv.
[uredi] Glavne vrste
Najpomembnejši so kisikovi prosti radikali, ki nastajajo ves čas pri dihanju. Ti so superoksidni radikal, tripletni kisik, singlentni kisik, hidroksilni radikal, vodikov peroksid, radikal dušikovega oksida, peroksidni radikal in drugi.
- Superoksidni radikal je za en elektron reducirana molekula kisika. Je produkt fagocitov in pomaga pri ubijanju bakterij. Majhna količina tovrstnega radikala naj bi se med drugim tvorila tudi kot ekstracelularna signalna molekula. Poleg te namerne produkcije, radikal nastaja še v mitohondrijih in zrnatem endoplazmatskem retikulumu, kot neizogibna posledica metabolizma. Radikal nastaja zaradi puščanja elektronov, ki so zašli s svoje standardne poti v verigi. Poleg že naštetih poti, pa superoksidni radikal nastaja še pri reakcijah med substrati telesnega izvora – npr. adrenalin, ki počasi reagira z molekulo kisika, pri čemer se sprosti radikal.
- Večino superoksidnega radikala, nastalega v telesu, vstopa v reakcijo z vodikovimi protoni: H2O2 + O2 → 2 O2.- + 2 H+ . Vodikov peroksid pravzaprav ni radikal, je pa močno podoben vodi in zato zelo lahko prehaja v membrane. H2O2 ima določene metabolne funkcije. Tiroidna peroksidaza ga npr. uporablja za izdelavo tiroidnih hormonov, njegovi produkti pa so inhibitorji transkripcijskih faktorjev in tako vplivajo na izražanje genov.
- Hidroksilni radikal je v telesu vedno škodljiv, med tem ko so drugi, manj reaktivni prosti radikali včasih lahko celo uporabni - kot npr. dušikov monoksid. Nastaja pri razgradnji 1-arginina v določenih vrstah celice. Je vazodilatator in najverjetneje tudi pomemben nevrotransmiter. Udeležen pa naj bi bil tudi pri obrambi pred paraziti. Ko hidroksilni radikal nastaja v bližini DNA, napada tako deoksiribozo, kot tudi purinske in pirimidinske baze.
[uredi] Merjenje
Do sedaj so se prosti radikali merili le v raziskovalnih centrih z zelo zahtevno metodo, imenovano electron spin resonance. Zahvaljujoč novi revolucionarni metodi pa je danes možno ambulantno merjenje nivoja prostih radikalov (iz kapljice krvi). Kapljico krvi se da v posebno epruveto z reagentom, temu se doda še drug reagent in nato se položi epruveto v aparat, ki zmes približno eno minuto centrifugira. Potem naprava na podlagi fotometrične analize določi količino prostih radikalov. Količino prostih radikalov se v Sloveniji da izmeriti v diagnostičnem centru v Laškem, kjer imajo prvi pri nas tovrstno napravo, imenovano Fras 3. Meritev traja nekaj minut in je cenovno dostopna, postopek pa neboleč. V primeru povečanih vrednosti prostih radikalov se priporoča uživanje antioksidantov.
Enota za merjenje prostih radikalov je U.CARR.
[uredi] Lipidna peroksidacija
Najbolj pogosta škoda, nastala zaradi prostih radikalov, vključuje oksidacijo maščobnih zmesi, imenovanih lipidi. Kemiki uporabljajo izraz lipidi, za poimenovanje maščob in olj, ter izraz lipidna peroksidacija, za škodo, ki jo povzročijo prosti radikali. Po domače se lipidni peroksidaciji reče kar »pokvarjeno je«. Gre za proces, ki onesposablja funkcionalnost membran in homeostazo organizma. Maščobe hitro reagirajo s prostimi radikali in tako se razširi lipidna peroksidacija ter vse ostale verižne reakcije prostih radikalov. Lipidi so organske snovi, topne v organskem (malo polarnem ali nepolarnem) topilu in netopne v vodi. To pa niso samo maščobna telesa, spravljena v maščobnih tkivih, temveč tudi vitalne komponente, podobne hormonu prostatne žleze in celične membrane. Zaradi poškodovane celične membrane celica umre, saj ne more uvažati hranil in kisika iz krvi ter izvažati odpadnih snovi in ogljikovega dioksida v krvi. Kadar je celična membrana poškodovana, celica ne uspe zaslutiti oz. prepoznati prisotnost sosednjih celic. To je vzrok, da začne rasti brez nadzora. Rastoče celice brez nadzora pa niso normalne celice, ampak rakave. Peroksidacija poteče, ko kakršen koli prosti radikal napade nenasičeno maščobno kislino (npr. v membrani). Čimbolj nenasičena je ta maščobna kislina, tem bolj je dovzetna za napade prostih radikalov. Radikal na koncu maščobne kisline reagira z vodikom. Sprosti se voda, na koncu maščobne kisline pa nastane ogljik-centriran radikal. Ta radikal hitro reagira z O2. Posledica je nastanek peroksilnega radikala. Le-ta lahko napade druge maščobne kisline in tako nadaljuje verigo reakcij, sam pa se pretvori v lipidno peroksidazo (CO2H). Lipidna peroksidaza se začne nabirati v membrani ter jo naredi nestabilno in nepropustno za ione. Peroksilni radikali pa poleg membranskih lipidov napadajo tudi membranske proteine in s tem poškodujejo encime, receptorje, signalni sistem in podobno.
[uredi] Vloga antioksidantov
Telo proste radikale nevtralizira in tako ohranja celično ravnovesje s pomočjo encimskih sistemov in antioksidantov (»lovilcev prostih radikalov« oziroma snovi, ki varujejo posamezno celico v človeškem organizmu pred oksidacijo – prostimi radikali). Antioksidant je substanca, ki odloži ali prepreči oksidacijo substrata in pravimo, da deluje kataličino pri preprečitvi oksidacijske škode (katalizator namreč pospeši kemijske reakcije, ne da bi vstopil v reakcijo). Pomembnejši antioksidanti so vitamin C, vitamin E, selen in beta karoten, poznamo pa še alfa karoten (skupaj z betakarotenom spadata pod karotenoide), flavonoide, izoflavone, cink (skupaj s selenom ga uvrščamo pod minerale), glutation, ubikinon, koencim Q10, lipoično kislino in melatonin. Zadostna količina teh antioksidantov je za pravilno delovanje celice nujno potrebna. V nasprotnem primeru lahko namreč prosti radikali povzročijo bolezenske spremembe v celicah in tkivih. Ko se ravnovesje med prostimi radikali in antioksidanti poruši, govorimo o oksidativnem stresu, ki privede do različnih bolezni. Tega antioksidanti preprečujejo z lovljenjem prostih radikalov in popravilom ali odstranjevanjem oksidativno poškodovanih biomolekul (celic). Antioksidante po kemijski zgradbi delimo na vodotopne in lipofilne (topni v maščobah). Raziskave so pokazale, da antioksidanti pomagajo zavirati razvoj nekaterih obolenj – zmanjšujejo tveganje za razvoj raka, za začetni razvoj ateroskleroze, za bolezni, ki so povezane s kajenjem (pljučni rak, bolezni srca in ožilja), zamotnitev očesne leče (siva mrena) in poškodbe tkiv med operacijami. Prav tako izboljšujejo delovanje imunskega sistema, povečujejo telesne sposobnosti pri naporih in ohranjajo živčne celice. Pred prostimi radikali se ni moč zavarovati, lahko pa poskrbimo, da s pravilno prehrano ali z vitaminskimi izdelki vnesemo v svoje telo nekoliko več antioksidantov. Manj kalorična prehrana pomeni manj razpada snovi s pomočjo kisika in s tem manj prostih radikalov, ki nastajajo in se sproščajo pri presnovi v vsaki telesni celici, kar pa pomeni daljše življenje. Nizkokalorična hrana poveča izločanje antioksidativnih encimov in melatonina. Res je, da uravnotežena prehrana vsebuje dovolj antioksidantov, vendar pa je potrebna še normalna absorbcija iz prebavil. Pri intenzivnih treningih z utežmi se močno poveča potreba po antioksidantih, zato jih je potrebno vnesti veliko več kot za normalno oziroma neaktivno življenje. Zadostna količina antioksidantov v prehrani tudi zmanjša čas rekuperacije mišičja. Ne gre pa zanemariti dejstva, da so visoki odmerki nekaterih antioksidantov lahko nevarni – predvsem lipofilnih, ki se ne izločijo z urinom kot to storijo vodotopni, temveč se akumulirajo v telesu.
[uredi] Literatura
- Brenčič, J. in Lazarini, F.; Splošna in anorganska kemija za gimnazije, strokovne in tehniške šole. Ljubljana: DZS, d.d., 1999.
- Halliwell, B. in Gutteridge, J. M. C.; Free Radicals in Biology and Medicine. Oxford: Oxford University Press, 2005.
- Kapš, P.; Na zdravje, starost. Novo mesto: Erro, 1999.
- Leksikon kemije. Ljubljana: Mladinska knjiga založba d.d., 2001.
