Volné radikály

Co jsou volné radikály a reaktivní formy?

Kyslík je prvek nezbytný pro život.Při jeho buněčném využití pro tvorbu energie vznikají volné radikály jako důsledek tvorby energie. Energie ve formě ATP se tvoří ve specializovaných strukturách buňky, tzv. mitochondriích. Volný radikál je každá molekula nebo její část, která může existovat nezávisle a obsahuje jeden nebo dva nespárené elektrony.

Kyslík, tedy O2, není moc reaktivní. Rozeznáváme tzv. reaktivní formy kyslíku (angl. reactive oxygen species, zk. ROS). Jsou to látky, obsahující jeden nebo více atomů kyslíku a jsou mnohem více reaktivnější než molekulový kyslík. Reaktivní formy kyslíku mohou být samotné kyslíkové radikály nebo látky, které se v organismu snadno přeměňují na radikály.

Kyslík v molekule O2 se musí v těle aktivovat. Dochází přitom k několika jednoelektronovým redukcím za vzniku reaktivních forem kyslíku: superoxidový radikál, peroxid vodíku, hydroxylový radikál. V živém systému však mohou vznikat i další reaktivní formy kyslíku, k nimž patří alkoxylový a peroxylový radikál.

Volné radikály mohou kromě kyslíku vznikat také ze sirných, uhlíkových a dusíkových atomů. Z nich mají velký biologický význam reaktivní formy dusíku (z angl. reactive nitrogen species, zkr. RNS) – oxid dusnatý a peroxidusitan.

Volné radikály jsou sice škodlivé, avšak nesou s sebou i benefity a právě tyto dvě protipólní vlastnosti musí být ve zdravém těle v rovnováze. Reaktivní formy tedy v nízkých hladinách mají příznivý vliv na imunitu a buněčnou odpověď. Ve vyšších koncentracích však vytvářejí oxidační stres, proces ničící všechny buněčné struktury. Volné radikály způsobují nemoci a vedou ke stárnutí.

Jaké jsou zdroje volných radikálů v živém systému?

Volné radikály mohou být tvořeny v neenzymatických reakcích kyslíku s organickými látkami, ale například i při ionizaci zářením. Neenzymaticky mohou také vznikat v mitochondriích během dýchání v procesu oxidativní fosforylace.

Stav, kdy je v buňce výrazně zvýšena tvorba volných radikálů nebo jsou oslabeny její obranné antioxidační mechanismy, se označuje jako oxidační stres, respektive oxidační přetížení.

ROS a RNS jsou tvořeny jak z vnějších, tak z vnitřních zdrojů:

1. Vnitřní reaktivní formy vznikají při aktivaci imunitních buněk, zánětu, mentálním stresu, přetížení cvičením, nedokrvení, infekcí, rakovině či stárnutí.
2. Vnější zdrojem reaktivních forem kyslíku či dusíku jsou znečištěné ovzduší a voda, cigaretový kouř, alkohol, těžké a přechodné kovy (rtuť, železo, olovo, ...), některé látky jako cyklosporin či gentamycin, rozpouštědla, uzené potraviny a použitý olej či tuk, záření. Po přechodu těchto zdrojů do organismu jsou tyto rozloženy nebo metabolizovány na volné radikály.

Benefity volných radikálů a oxidantů

Nízké, takříkajíc střídmé koncentrace reaktivních forem kyslíku a dusíku jsou potřebné pro zrání některých buněčných struktur a mohou figurovat jako zbraně hostitelského obranného systému.

Skutečně, fagocyty jako některé specializované buňky z řady bílých krvinek, uvolňují volné radikály ke zničení mikroorganismů. Jedná se tedy o obranný systém organismu proti chorobám.

Oxid dusnatý (NO) je například mezibuněčným poslem modulujícím průtok krve, trombózu a aktivitu nervového systému. Má také velkou roli v nespecifické obraně organismu při zabíjení nitrobuněčných patogenů a nádorů.

Ve zkratce, ROS a RNS jsou v nízkých koncentracích potřebné v zachování lidského zdraví.

Jak volné radikály poškozují tělo?

Jsou-li produkovány v přílišné míře, volné radikály a oxidanty vedou k jevu, který nazýváme oxidativní stres. Jedná se o vážný stav vedoucí k poškození buněčných membrán a jiných struktur, včetně bílkovin, tuků, lipoproteinů a DNA, tedy deoxyribonukleové kyseliny, nesoucí genetickou informaci. V tomto případě mluvíme o mutagenicitě volných radikálů, respektive vzniku mutací.

Oxidační stres může narůst tehdy, když buňky nemohou efektivně ničit zformované volné radikály.

I přesto, že v těle existují i ​​nápravné, tzn. reparační procesy, zastoupené některými enzymy nebo antioxidanty, oxidační stres může vést ke vzniku seriózních chronických degenerativních onemocnění, stejně jako ke stárnutí a některým náhlým chorobným stavům.

Rakovina a oxidační stres

Původ rakoviny u lidí je složitý proces zahrnující buněčný a molekulární změny na základě vnitřních a vnějších faktorů, které se projevují v buněčném podnětů. Obecně se uznává, že oxidační stres vede k mutacím DNA a je zodpovědný za vznik rakoviny. V tomto případě působí volné radikály jako aktivátory onkogenů. Jedním z procesů, které mohou vést ke vzniku rakoviny, je peroxidace lipidů, při níž vznikají volné radikály. Je častější u konzumentů tuků, přičemž je spojována s rakovinou tlustého střeva, rakovinou prsu, rakovinou vaječníků a leukémií, zejména u starších osob.

Jakou roli hrají volné radikály při onemocnění kardiovaskulárního systému?

Kardiovaskulární onemocnění jsou spojována s kouřením a dalšími rizikovými faktory, jako je zvýšený krevní tlak, zvýšená hladina cukru v krvi, zvýšený cholesterol, cukrovka, stres a zvýšená fyzická nečinnost. Oxidační stres je prvotní nebo druhotnou příčinou více kardiovaskulárních onemocnění.

Volné radikály jsou spojovány s rozvojem aterosklerózy (kornatění tepen), ischemie (chudokrevnosti), hypertenze (zvýšený krevní tlak), kardiomyopatií (onemocněním svaloviny myokardu), zvětšením srdce a s městnavým srdečním selháním.

Další onemocnění spojená s vyšší koncentrací volných radikálů

Oxidační stres se projevuje při vzniku neurologických onemocnění, jako je Alzheimerova a Parkinsonova choroba, roztroušená skleróza, amyotrofická laterální skleróza, ztráta paměti či deprese. Bylo například prokázáno, že tvorba beta-amyloidu při Alzheimerově demenci úzce souvisí s vlivem volných radikálů a oxidačním stresem.

Onemocnění jako např. bronchiální astma a chronická obstrukční plicní nemoc jsou spojeny s dlouhodobým zánětem a oxidativním stresem. Reaktivní formy kyslíku zde přitom hrají roli ve stupňování onemocnění.

Revmatoidní artritida je chronické zánětlivé autoimunitní onemocnění. Jsou při něm postiženy klouby a tkáně v okolí kloubů. Tato místa jsou infiltrována specializovanými buňkami imunitního systému, které se jmenují makrofágy, a také T-buňkami. Jelikož je zde přítomen zánět, tvoří se ROS i RNS a dochází k oxidačnímu poškození.

Oxidační stres hraje roli také při onemocnění ledvin. Patří sem především glomerulonefritida a tubulointersticiálna nefritida. Zvýšená přítomnost volných radikálů je také u chronického selhání ledvin. Především vnější zdroje volných radikálů vytvářejí oxidační stres prostřednictvím lipidových peroxidací. Těžké kovy a přechodné kovy jsou silnými induktory volných radikálů v souvislosti s poškozením ledvin a karcinogenicity.

Oxidační stres má vliv na věkem podmíněnou makulární degeneraci a vznik šedého zákalu. Krystalické proteiny čočky se mohou zkřížit a agregovat, což vede k formování katarakty.

Oxidační stres a těhotenství

Oxidační stres hraje roli také v těhotenství a může vést k preeklampsii a omezení růstu plodu. V těhotenství komplikované preeklampsií byla placentárně pozorována zvýšená exprese enzymu, který je enzymatickým zdrojem superoxidu, tedy volného radikálu.

Antioxidanty a zachování zdraví

Lidské tělo disponuje mnoha mechanismy pro boj s oxidačním stresem. Jedním z nich je tvorba antioxidantů přímo v organismu (endogenní antioxidanty), dalším je příjem protioxidačních látek cestou potravy (exogenní antioxidanty). Hlavním úkolem antioxidantů je neutralizovat nadbytek volných radikálů, chránit buňky proti jejich toxickému efektu a podílet se na prevenci nemocí.

Samotné antioxidanty lze rozdělit na enzymatické a neenzymatické.

Existuje celá řada enzymatických mechanismů, které pomáhají tělu bojovat proti volným radikálům a přispívají k rovnováze organismu.

Neenzymatické antioxidanty se dělí na metabolické a výživové. K těm metabolickým patří také tělu vlastní látky jako kyselina lipoová, glutathion, L-arginin, koenzym Q10, melatonin, kyselina močová, bilirubin, transferrin a podobně. K výživovým patří ty antioxidanty, které si naše tělo neumí vytvořit a musí být přijímány v potravě. Patří k nim vitamín C, E, karotenoidy, minerály jako selen, mangan a zinek, flavonoidy, omega 3-6-mastné kyseliny a jiné.

Samotný proces antioxidace

Když antioxidant zničí volný radikál, stává se oxidovaným. Z toho vyplývá, že zdroje těchto látek musí být v těle obnovovány. Je však zřejmé, že zatímco v jednom systému látka působí jako antioxidant, v jiném systému může být prooxidační, a může generovat toxický ROS či RNS.

Jednoznačně lze říci, že antioxidační látky mohou působit ve dvou rovinách. Jednak volný radikál může uvolnit nebo ukrást elektron, ve druhé rovině se formuje samotný radikál. Klasickým příkladem řetězové reakce je lipidová peroxidace, kdy antioxidanty jako superoxid dizmutáza, kataláza a glutathion mohou preventivně ochránit před oxidací redukcí stupně řetězové iniciace - buď iniciálním vysbíráním volných radikálů nebo stabilizací přeměny radikálů jako měď nebo železo.

K nutričním antioxidantům patří:

• Vitamín E - může být ve formě α, β, γ, δ tokoferolu a α, β, γ, δ tokotrienolu. Hlavní antioxidační účinek má v ochraně před lipidovou peroxidací. Zdrojem tohoto vitamínu jsou rostlinné oleje, obiloviny, oříšky, ovoce, vejce, drůbež, maso. Vaření a uskladňování může vést ke zničení přírodní formy tokoferolu.
• Vitamin C - kyselina askorbová, jedná se o vitamin rozpustný ve vodě. Je nezbytný při tvorbě kolagenu, karnitinu a neurotransmiterů. Snižuje výskyt rakoviny žaludku, chrání před rakovinou plic a tlustého střeva. Zdrojem vitaminu C jsou zelenina, ovoce, ale je to poměrně nestabilní molekula, která může být zničena vařením.
• Betakaroten - provitamin vitaminu A. Je nejlepším zachytávačem singletového kyslíku. Vyskytuje se v ovoci, obilovinách, zelenině, oleji. Bylo však také zjištěno, že u kuřáků je pravidelné užívání betakarotenu spojeno se zvýšeným rizikem plicní a prostatické rakoviny.
• Lykopen - některé vědecké studie se zabývaly jeho úlohou při prevenci rakoviny prostaty, výsledky jsou však nejednoznačné. Nachází se především v rajčatech, přičemž je biologicky více dostupná ve vařené formě nebo v připravené šťávě.
• Selen - úloha tohoto minerálu v prevenci rakoviny je účelem několika diskusí. Nachází se v zelenině, mořských plodech, mase, játrech a kvasu.
• Flavonoidy - vyskytují se ve většině rostlin, jsou preventivní před vznikem více degenerativních chorob. Každá rostlina obsahuje unikátní flavonoidy, některé se však vyskytují také u více druhů. Hlavními zdroji jsou zelený čaj, hrozny, jablka, kakao, ginkgo biloba, sója, kurkuma, brokolice, cibule a podobně.
• Omega 3- a omega 6-mastné kyseliny - omega 3- zmírňují zánět a chrání před chronickými onemocněními jako infarkt myokardu, porážka, ztráta paměti, deprese, artritida. Omega 6- mastné kyseliny pomáhají při diabetické polyneuropatii, ale i psoriáze, ekzému, osteoporóze. Omega 3- se vyskytují v rybím tuku, řasách, vlašském ořechu, lněném semínku a některých olejích. Zdrojem omega 6- jsou rostlinné oleje, cereálie, ořechy, vejce a drůbež.

Konečně, některé endogenní antioxidanty jako L-arginin nebo koenzym Q10 lze použít k prevenci nebo léčbě chronických onemocnění ve formě doplňků výživy.

Antioxidanty, jejich přínosy a nevhodnost

Antioxidanty látky se získávají z přírodních zdrojů nebo chemickou syntézou. Přestože je jejich používání často spojováno s optimistickým hodnocením, důkazy o jejich prospěšnosti jsou víceméně nejednoznačné. Systematické používání těchto látek je do jisté míry ztíženo faktory, jako je nedostatek prospektivních a kontrolovaných studií nebo porozumění dávkování pro konkrétní onemocnění.

Také je důležitý fakt, že antioxidanty se v určitých situacích mohou chovat jako prooxidanty, tedy induktory oxidačního stresu.

Pokud je to možné, doporučuje se upřednostnit příjem antioxidantů ve formě běžných potravin naproti výživovým doplňkům. Pochopení problematiky volných radikálů a antioxidantů je důležité při diagnostice některých onemocnění a stárnutí organismu. Před účinky oxidačního stresu nás ochrání zdravý životní styl, vyvarování se znečištěnému prostředí i smaženým jídlům, zákaz tabáku a alkoholu i vyvážená dieta.

Zdroje:

DOBROTA D. a kol.: Lekárska biochémia. Voľné radikály. 2016. Osveta. s.715-728. [cit. 10.26.2024]. Dostupné z: ISBN 978-80-8063-444-5

WILSON R.D. a kol.: How do free radicals affect the body? 2017. MedicalNewsToday [online] [cit. 10.26.2024]. Dostupné z: https://www.medicalnewstoday.com/articles/318652

HUA H. a kol.: Free Radicals, Antioxidants in Disease and Health. 2008. PubMed [online] [cit. 10.26.2024]. Dostupné z: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3614697/