Oxidačný stres napáda bunky: čo je a čo sú voľné radikály? Spoznajte príznaky a príčiny

Voľný radikál je každá molekula alebo jej časť, ktoré môžu jestvovať nezávisle a obsahujú jeden alebo dva nespárené elektróny. K najdôležitejšími z nich sú kyslíkové voľné radikály. Vhodnejším výrazom je označenie reaktívne formy kyslíka.

Označujú sa tak látky, ktoré obsahujú jeden alebo viac atómov kyslíka a sú oveľa reaktívnejšie ako molekulový kyslík; môžu to byť kyslíkové radikály alebo látky, ktoré sa v organizme ľahko premieňajú na radikály.

Superoxidové radikály (O₂^•−), peroxid vodíka (H₂O₂), hydroxylové radikály (•OH) a singletový kyslík (¹O₂) patria teda medzi tzv. reaktívne formy kyslíka (ROS), vznikajúce ako vedľajšie produkty metabolizmu v biologických systémoch.

Keď sa produkcia ROS zvýši, začnú vykazovať škodlivé účinky na dôležité bunkové štruktúry, na bielkoviny, tuky a nukleové kyseliny. Rôzne procesy na bunkovej úrovni totiž závisia od správnej produkcie a prítomnosti týchto reaktívnych foriem kyslíka.

Jestvuje veľa dôkazov, že oxidačný stres je v rôznej miere dôležitý pri vzniku a postupnom vývine viacerých chorôb. Súvisí s rakovinou, cukrovkou, metabolickými poruchami, aterosklerózou či kardiovaskulárnymi ochoreniami.

Reaktívne formy kyslíka sa produkujú hlavne v mitochondriách, ktoré sú maličkými „bunkovými elektrárňami“. Superoxidový radikál môže byť tvorený napríklad pri bunkovom dýchaní, ďalej počas metabolizmu kyseliny arachidónovej, endotelovými a zápalovými bunkami.  

Pred poškodením buniek vyvolaným reaktívnymi formami kyslíka bunky nasadzujú antioxidačný obranný systém založený hlavne na enzymatických zložkách, ako superoxiddismutáza, kataláza a glutatiónperoxidáza.

Oxidanty a tvorba voľných radikálov

Produkcia ROS závisí od enzymatických a neenzymatických reakcií.

K enzymatickým reakciám schopným tvoriť ROS patria tie, ktoré sa podieľajú na dýchacom reťazci, tvorbe prostaglandínov, fagocytóze a systéme cytochrómu P450.

Neenzymatické reakcie môžu byť tiež zodpovedné za tvorbu voľných radikálov. Kyslík v nich reaguje s organickými zlúčeninami; respektíve vtedy, ak sú bunky vystavené ionizujúcemu žiareniu. Neenzymatická produkcia voľných radikálov sa môže vyskytnúť aj počas mitochondriálneho dýchania.

Zjednodušene sa dá povedať, že voľné radikály vznikajú počas rôznych chemických reakcií v organizme. Hovoríme, že sa tvoria z vnútorných aj vonkajších zdrojov.

Aktivácia imunitných buniek, zápal, ischémia, rakovina, nadmerné cvičenie, psychický stres, starnutie sú zodpovedné za vnútornú tvorbu voľných radikálov.

Vonkajšia produkcia voľných radikálov môže nastať v dôsledku vystavenia sa znečisťujúcim látkam z prostredia, ťažkým kovom ako kadmium, ortuť, olovo, železo, arzén. Tiež niektoré lieky ako cyklosporín, takrolimus, gentamycín či bleomycín vedú k tvorbe voľných radikálov.

Z bežne dostupných látok sú to chemické rozpúšťadlá, použitý olej a tuk, cigaretový dym, alkohol a žiarenie. Keď tieto zlúčeniny preniknú do tela, sú degradované alebo metabolizované; ako vedľajšie produkty vznikajú voľné radikály.

Fyziologické účinky voľných radikálov

Keď sú voľné radikály udržiavané v nízkych alebo stredných koncentráciách, zohrávajú pre organizmus aj niekoľko prospešných úloh:

• Tvorba niektorých bunkových štruktúr
• Boj proti patogénom – využíva ich obranný systém; napríklad bunky schopné požierať patogénne mikróby - tvoria, ukladajú a uvoľňujú voľné radikály v boji proti mikróbom
• Zvýšenie odolnosti organizmu proti infekciám
• Regulačná úloha v signálnych kaskádach – napr. NO, oxid dusnatý je posol medzi bunkami potrebný na správnu moduláciu prietoku krvi. Má aj iné dôležité role.

Škodlivé účinky voľných radikálov

Je teda zrejmé, že keď je voľných radikálov v tele nadbytok, spôsobujú jav známy ako oxidačný stres. Tento škodlivý proces negatívne ovplyvňujúci bunkové štruktúry, hlavne membrány a DNA, neblaho vplýva na tukové, bielkovinové, lipoproteínové komplexy či genetickú informáciu.

Oxidačný stres pritom vzniká, keď existuje nerovnováha medzi tvorbou voľných radikálov a schopnosťou buniek ich odstraňovať:

• Lipidová peroxidácia - Nadbytok hydroxylového radikálu a peroxynitritu môže spôsobiť peroxidáciu tukov a tým poškodiť bunkové membrány. Za týchto okolností sa tvorí látka malondialdehyd a iné zlúčeniny, ktoré sú pre bunky toxické a tiež mutagénne; vedú k mutáciám. Jedná sa o radikálovú reťazovú reakciu, ktorá sa šíri rýchlo a ovplyvňuje veľké množstvo lipidových molekúl
• Oxidačné modifikácie bielkovín - Aj bielkoviny môžu byť poškodené oxidačným stresom, čo vedie k strate alebo zhoršeniu ich enzymatickej aktivity.
• Oxidačné poškodenie DNA - Na úrovni DNA tiež môže dôjsť k poškodeniu súvisiacemu s oxidačným stresom- tieto zmeny vedú k mutáciám DNA. Bunka môže zaviesť niekoľko mechanizmov opravy vrátane antioxidantov

Ak nie je oxidačný stres kontrolovaný, môže byť zodpovedný za vyvolanie niektorých chorôb, hlavne chronických a degeneratívnych. Urýchľuje tiež proces starnutia buniek tela. Oxidačný stres a voľné radikály sú jedným z najrozšírenejších škodných ľudského zdravia.

Rakovina a oxidačný stres?

V súčasnosti sa považuje oxidačný stres a oxidačné poškodenie DNA za jeden zo stimulov zodpovedných za rozvoj rakoviny. Toto ochorenie môže byť podporované chromozomálnymi abnormalitami a aktiváciou onkogénu samotným oxidačným stresom.

Pri oxidácií DNA dochádza k vzniku hydrolyzovaných báz, ktoré sa považujú za jednu z najdôležitejších udalostí v chemickej karcinogenéze. Tieto zmeny zhoršujú normálny rast buniek a vedú ku mutáciám génov.

Oxidačný stres môže tiež spôsobiť rôzne modifikácie štruktúry DNA.

Napríklad fajčenie tabaku, látky znečisťujúce životné prostredie a chronický zápal sú zdrojmi oxidačného poškodenia DNA, ktoré môže prispieť k vzniku nádoru. Rozvoj rakoviny sa dáva do súvisu aj s nezdravým životným štýlom, napríklad so zvýšenou konzumáciou tukov v potrave.

Kardiovaskulárne ochorenia

Ku kardiovaskulárnym ochoreniam vedie zvýšený cholesterol v krvi, zvýšený krvný tlak, fajčenie, cukrovka, nevyvážená strava, stres a sedavý spôsob života. Výskumy tiež poukazujú na to, že oxidačný stres by sa mal považovať za prvotnú alebo druhotnú príčinu mnohých týchto ochorení.

Oxidačný stres tu totiž pôsobí najmä ako spúšťač aterosklerózy, kôrnatenia tepien. Samotná tvorba ateromatóznych plakov v cieve je výsledkom zápalu cievnej výstelky, ktorý tiež vedie k tvorbe ROS.

Reaktívne formy kyslíka oxidujú cirkulujúce LDL, následne sa tvoria tzv. penové bunky a hromadia sa tu tuky. Výsledkom týchto dejov je tvorba aterosklerotického plátu.

Neurologické ochorenia

Oxidačné stres je spájaný s viacerými neurologickými ochoreniami. Dáva sa do súvisu s Parkinsonovou chorobou, Alzheimerovou chorobou, amyotrofickou laterálnou sklerózou, roztrúsenou sklerózou, či depresiou a stratou pamäti.

Oxidačné pôsobenie hrá kľúčovú rolu pri strate neurónov a progresii demencie. β-amyloid tvorený v mozgu pacientov s Alzheimerovou chorobou, je produkovaný pôsobením voľných radikálov a je známe, že je čiastočne zodpovedný za neurodegeneráciu.

Respiračné ochorenia

Astma a chronická obštrukčná choroba pľúc sú spojené s oxidačným stresom. Dôležitú rolu pri týchto chorobách zohráva chronický, dlhotrvajúci zápal; ten je potencovaný práve voľnými radikálmi.

Reumatoidná artritída

Aj pri reumatoidnej artritíde, ktorá je spojená s chronickým zápalom kĺbov a okolitých tkanív, zohrávajú voľné radikály významnú úlohu. Podieľajú sa hlavne na zahájení a tiež postupnom rozvíjaní tohto ochorenia.

Obličkové choroby

Oxidačný stres sa podieľa na množstve obličkových ochorení - zápaloch, zlyhaní, ale tiež pri prítomnosti bielkovín v moči a urémií. Tvorba reaktívnych foriem kyslíka vedie k formovaniu zápalu a tvorbe zápalových cytokínov. Zvláštnu pozornosť si vyžaduje oxidačný stres v kombinácií s užívaním niektorých liekov.

Sexuálne dozrievanie

Podľa niektorých autorov môže byť oxidačný stres zodpovedný za oneskorené sexuálne dozrievanie a nástup puberty. Tento súvis sa pozoroval pri vystavení sa kadmiu.

Antioxidanty

Tým, že prostredie je bohaté na voľné radikály, evolúcia viedla k vývoju viacerých obranných systémov proti nim. Jednou z týchto obrán sú antioxidanty.

Mechanizmy, akými účinkujú, sú nasledovné:

• Prevencia tvorby voľných radikálov
• Zastavenie oxidačných procesov vychytávaním voľných radikálov
• Oprava poškodených bunkových molekúl a štruktúr
• Tvorba antioxidačných enzýmov na základe DNA

Antioxidanty buniek je možné rozdeliť na enzýmové a neenzýmové.

Enzýmové antioxidanty

Patria k nim enzýmy superoxiddismutáza, kataláza a glutationperoxidáza.

Neenzýmové bielkovinové antioxidanty

Bielkoviny, ktoré viažu ióny železa a medi v tele ako transferín, feritín sú tiež antioxidantami. Svoje miesto medzi antioxidantami má aj bielkovina albumín, nachádzajúca sa v krvi.

Antioxidanty, ktoré sa tvoria v organizme chemickou cestou, sú bilirubín, glutatión, kyselina močová, kyselina lipoová, melatonín, koenzým Q, pohlavné hormóny, a iné.

Dôležitú skupinu zohrávajú aj tie antioxidanty, ktoré sa nachádzajú v potrave. Patrí k nim vitamín C, E, karotenoidy a rastlinné fenoly.

Flavonoidy predstavujú obrovskú skupinu rastlinných polyfenolov, sú hlavnými predstaviteľmi červených, modrých a žltých rastlinných pigmentov. Nachádzajú sa v ovocí, zelenine, zelenom aj čiernom čaji a červenom víne. K najrozšírenejším z nich patrí kaempferol, kvercetín a rutín.

Osobitnou skupinou antioxidantov sú syntetické antioxidanty. Patria k nim napríklad chelátotvorné látky, ktoré sa používajú pri otravách ťažkými kovmi, ale tiež inhibítory tvorby voľných radikálov ako penicilamín či deferoxamín.

Antioxidačné vlastnosti majú aj niektoré iné lieky, napríklad β-blokátory, inhibítory ACE alebo statíny používané k zníženiu koncentrácie cholesterolu v krvi.

Preventívne opatrenia pred oxidačným stresom

Aby sme obmedzili oxidačný stres v našom organizme, sú vhodné niektoré opatrenia na poli prevencie:

• Potrava s dostatkom ovocia, zeleniny, bylín, zeleného čaju a i.
• Pravidelné cvičenie – v primeranej miere znižuje riziko ochorení súvisiacich s oxidačným stresom, zlepšuje vitalitu a spomaľuje starnutie
• Zákaz fajčenia a vyhýbanie sa fajčiarskym priestorom – aj pasívne fajčenie je zdraviu škodlivé
• Práca s chemikáliami – napríklad pesticídy používané v záhradkárstve sú potencionálne nebezpečné
• Opaľovací krém – zabraňuje poškodeniu pokožky ultrafialovým svetlom
• Obmedzenie príjmu alkoholických nápojov na minimum
• Dostatok spánku – spánok osviežuje, regeneruje; vďaka nemu udržuje organizmus rovnováhu vo všetkých systémoch tela