Typy voľných radikálov

Od prítomnosti voľných radikálov závisí mechanizmus viacerých biochemických reakcií, ako sú hydroxylačné, karboxylačné, niektoré oxidačné reakcie a reakcie vzniku deoxyribonukleotidov.

Na druhej strane, nadmerná tvorba voľných radikálov (tzv. oxidačný stres) je pre organizmus škodlivá a zohráva dôležitú úlohu v patogenéze rôznych ochorení. Voľné radikály sú nestálymi, vysoko reaktívnymi a energetickými molekulami, ktoré sú schopné svoj nespárený elektrón spáriť s elektrónom iných látok, čím tieto látky oxidujú. Reakciou voľných radikálov s oxidovanou látkou sa tvoria metabolity, ktoré môžu byť často reaktívnejšie, a teda aj škodlivejšie ako pôvodný radikál.

Voľné radikály môžu pohotovo reagovať s rôznymi biologickými štruktúrami (mastné kyseliny, lipidy, aminokyseliny, proteíny, nukleové kyseliny), nízkomolekulárnymi metabolitmi, koenzýnmi a inými súčasťami živej hmoty, a tak indukovať sekundárne poškodenie buniek a tkanív človeka.

Typy voľných radikálov

Najjednoduchším radikálom je atóm vodíka, ktorý má len jeden nespárený elektrón.

Podľa východiskových molekúl sa rozdeľujú voľné radikály do troch základných skupín:

1. voľné radikály odvodené od kyslíka (napr. superoxid, hydroxylový radikál, peroxyl, alkoxyl, hydroperoxyl),
2. voľné radikály odvodené od dusíka (napr. oxid dusnatý, oxid dusičitý),
3. voľné radikály odvodené od organických zlúčenín.

Radikály odvodené od kyslíka

Kyslík (O) je vo všeobecnosti pre ľudský život nevyhnutný. Podobne ako väčšina chemických látok, tak aj O2 môže byť pre organizmus toxický. Za fyziologických podmienok sa uvedený plyn v tele metabolizuje, avšak jeho zvýšené množstvo môže vytvárať potenciálne toxické látky. Atómy O sa buď obohacujú o elektróny (redukcia kyslíka), alebo naopak strácajú jeden elektrón (oxidácia), kedy dochádza k tvorbe reaktívnych foriem kyslíka (reactive oxygen species, ROS)

ROS môžeme označiť ako medziprodukty redukcie O2 na vodu. Za fyziologických podmienok redukuje enzým cytochromoxidáza v terminálnej časti mitochondriálneho dýchacieho reťazca O2 pomocou 4 elektrónov a 4 protónov na dve molekuly vody. Pokiaľ však O2 dostane iba jeden elektrón, vzniká kyslíkový radikál, konkrétne superoxid O2.  Superoxid sa spontánne, alebo pôsobením antioxidačného enzýmu – superoxiddismutázy konvertuje na H2O2, ktorý sa vyznačuje zvýšenou reaktivitou s redoxne aktívnymi prechodnými kovmi (napr. atómy železa - Fe alebo medi - Cu). Redukciou H2O2 za súčasnej oxidácie iónu prechodného prvku (napr. Fe2+) môže vznikať HO·.

Uvedená reakcia sa označuje ako Fentonova reakcia. HO môžeme považovať za extrémne reaktívny oxidačný radikál, ktorý aj napriek veľmi krátkemu polčasu rozpadu je schopný reagovať s väčšinou biomolekúl a následne ich poškodzovať. Mechanizmus oxidačného poškodenia biomolekúl je na molekulárnej úrovni rovnaký s účinkom ionizujúceho žiarenia, vplyvom ktorého vzniká HO· ionizáciou vody.

Tri spôsoby vzniku reaktívnej formy kyslíka

Môžeme rozlíšiť tri alternatívne spôsoby vzniku ROS :

I. homolytické štiepenie kovalentnej (dvojelektrónovej) väzby za podmienok excitácie tripletovej molekuly O2, pôsobením ultrafialového, alebo ionizačného žiarenia vzniká molekula 1O2,
II. oxidácia atómov, alebo molekúl kyslíka, pri ktorej dochádza ku strate elektrónov a vzniku reaktívneho radikálu,
III. redukcia tripletového kyslíka, pri ktorej dochádza k adícii jedného elektrónu (vznik O2·-), alebo dvoch elektrónov (vznik H2O2).

Úplné odstránenie ROS z organizmu nie je účelom antioxidačnej ochrany, pretože kyslíkové radikály plnia niekoľko dôležitých fyziologických funkcií. Reaktívne formy kyslíka majú v ľudskom organizme signalizačnú funkciu, regulujú priebeh viacerých procesov látkového metabolizmu. Nedostatočná, alebo neúčinná kontrola koncentrácie ROS v bunke spôsobuje narušenie nielen oxido-redukčného statusu, termodynamického stavu, energetického metabolizmu, priebehu biosyntetických procesov, ale zodpovedá aj za funkčnú celistvosť biochemických reakcií, čo môže byť príčinou rôznych zdravotných problémov.

Radikály odvodené od dusíka

V minulosti boli oxidy dusíka asociované iba s baktériami, ktoré metabolizujú dusík (N). Nikto vtedy nepredpokladal, že by mohli mať rozhodujúcu funkciu aj v živočíšnom organizme. Túto predstavu narušila séria objavov, ktoré odhalili významné biologické funkcie oxidu dusnatého (NO).

Molekula NO je súčasťou imunitných systémov, ktoré slúžia na ochranu organizmu proti baktériám, prvokom a nádorom. Tiež zohráva dôležitú úlohu v procese fagocytózy a zápalových reakcií. V kardiovaskulárnom systéme ovplyvňuje NO udržiavanie cievneho tonusu, čím reguluje tok a tlak krvi, inhibuje adhéziu a agregáciu trombocytov a má antiproliferačný účinok. Preto sa využíva v terapii ako nitrovazodilatačná látka. Navyše, NO má antionkologický potenciál zameraný na predchádzanie rezistencie voči terapeutikám. Donory NO majú totiž terapeutický význam ako cytotoxické agens, prípadne chemo-, radio- alebo imunosenzitizujúce zlúčeniny pri terapii liekmi rezistentných nádorov.

Avšak v prípade, že organizmus stratí nad tvorbou a likvidáciou voľných radikálov kontrolu, môže byť jeho zdravotný stav vážne ohrozený v dôsledku „atakovania“ buniek a veľkých molekúl týmito voľnými radikálmi. Okrem toho sa zistilo, že nadmerné množstvo NO (napr. v dôsledku zápalových procesov) následne zvyšuje aktivitu cyklooxygenázy (COX-2), ktorá sa podieľa na proliferácii buniek a karcinogenéze.

Radikály odvodené od organických zlúčenín

Organické radikály vznikajú  v dôsledku homolytického štiepenia kovalentnej väzby v organických zlúčeninách, alebo pri reakciách spojených s prenosom elektrónov. Uvedené radikály sa môžu tvoriť buď za fyziologických (napr. pri reakciách látkového metabolizmu), resp. patologických podmienok, alebo vplyvom pôsobenia rôznych fyzikálnych (ožiarenie), chemických (tetrachlórmetán - CCl4) a environmentálnych (polutanty životného prostredia) faktorov.

Nespárený elektrón môže byť asociovaný s viacerými atómami. Napríklad tioly sa v prítomnosti iónov prechodných prvkov oxidujú na alkylsulfanylový radikál (RS·). Tento radikál je radikálom síry (S) a má značnú reaktívnosť. V prítomnosti O2 môže vytvoriť alkyltioperoxylový radikál (RSO2).

Radikály s nespáreným elektrónom na uhlíku (C) vznikajú v životnom prostredí, ale aj v mnohých biologických systémoch. Napríklad v priebehu metabolizmu CCl4 v mikrozómoch pečene vzniká trichlórmetylový radikál (·CCl3), ktorý v prítomnosti O2 tvorí trichlórmetylperoxylový radikál (·O2CCl3), ktorý môže následne iniciovať napr. peroxidáciu lipidov za tvorby hydroperoxidov (CCl3OOH), malého množstva fosgénu a HOCl. Okrem uvedených organických zlúčenín vytvára radikály aj chloroform, ktoré sú však ťažšie ako v prípade CCl4, pretože na homolytické štiepenie väzby potrebuje väčšiu energiu (377 kJ.mol-1).

Existujú aj radikály s nespáreným elektrónom na N, ako je napr. fenyldiazínový radikál, ktorý sa tvorí v priebehu oxidácie fenylhydrazínu v erytrocytoc Tento radikál sa dá považovať za najškodlivejší zo všetkých organických radikálov, pretože denaturuje hemoglobín a stimuluje peroxidáciu lipidov, čo môže viesť k hemolýze erytrocytov.

Okrem uvedených organických radikálov existujú  aj ďalšie radikály, z ktorých majú niektoré fyziologický význam v ľudskom organizme, ale iné môžu iniciovať radikálové reakcie a tak poškodzovať biologicky významné molekuly.