Wolne rodniki i antyoksydanty.
Rozdział 9 z książki D.S. Aschbach.
Woda żywa i martwa – najnowszy lek współczesności.
Rozwój wielu współczesnych chorób jest związany obecnie ze szkodliwym działaniem oksydantów – wolnych rodników.
Są to takie choroby jak: rak, cukrzyca, astma, zapalenie stawów, miażdżyca, choroby serca, choroba Alzheimera, żylaki, stwardnienie rozsiane i inne.
Wolne rodniki ingerują w nasze życie na każdym kroku, znacznie częściej, niż nam się to wydaje. Męczliwość, rozwój stanów zapalnych i infekcji, przedwczesne starzenie oraz powstanie wielu innych ciężkich chorób spowodowane jest zgubnymi dla organizmu procesami, wywoływanymi przez wolne rodniki.
Zmiana warunków życiowych człowieka doprowadziła do tego, że coraz więcej jest czynników zwiększających koncentrację wolnych rodników w organizmie, natomiast ilość antyoksydantów w naszym jedzeniu stale zmniejsza się.
Czym są wolne rodniki?
W cząsteczkach organicznych, z których zbudowany jest nasz organizm, elektrony na zewnętrznej otoczce elektronowej są rozmieszczone parami.
Wolne rodniki są to cząsteczki, mające na zewnętrznej otoczce elektronowej jeden lub kilka nieparzystych elektronów, co sprawia, że stają się one szczególnie aktywne i „agresywne” (rys.7). Takie cząsteczki dążą do powrotu brakującego elektronu, zabierając go od otaczających ich innych cząsteczek.
Rys. 7. Wolne rodniki – cząsteczki, mające nieparzyste elektrony na zewnętrznej otoczce elektronowej.
Wolne rodniki określane są w Rosji skrótem „АФК-активные формы кислорода” (AFK – aktywne formy tlenu), natomiast w Europie – „ROS - reactive oxygen species”, co w tłumaczeniu oznacza to samo. To określenie nie jest zupełnie precyzyjne, gdyż wolnymi rodnikami mogą być pochodne nie tylko tlenu, ale również azotu, chloru, a także reaktywnych cząsteczek, jak na przykład nadtlenek wodoru. Poniżej została przedstawiona tabela z nazwami niektórych wodnych rodników i substancji, które je tworzą.
O – Tlenek,
О2 – Dwutlenek
O2- – Nadtlenek
O3 – Ozon
°O3– Ozonid
HO – Hydroksyl
HO2 – Hydroperoksyl
Н2O2 – Nadtlenek wodoru
NO – Tlenek azotu
LOO, LO, L – Rodniki lipidowe
ClO– Nadtlenek chloru
RO – Alkoksyl
C2H5O – Etoksyl
RО2 – Alkil dwutlenku
RO2H – Alkil hydroperoksyl
Wolne rodniki dzielą się na pierwotne, wtórne i trzeciorzędne.
Pierwotne wolne rodniki tworzą się stale w procesach życiowych organizmu, jako ochrona przeciwko bakteriom, wirusom, obcym i zmutowanym (rakowym) komórkom. Na przykład fagocyty wydzielają i wykorzystują wolne rodniki jako broń przeciwko mikroorganizmom i komórkom rakowym. Przy tym fagocyty najpierw pochłaniają znaczną ilość O2 (eksplozja tlenowa), a następnie wykorzystują go w celu tworzenia aktywnych form tlenu.
Wtórne wolne rodniki, w odróżnieniu od pierwotnych, nie spełniają fizjologicznie pożytecznych funkcji. Przeciwnie, wykazują one niszczące działanie na struktury komórkowe, dążąc do zabrania elektronów od „pełnowartościowych” cząsteczek. Wskutek tego „obrabowana” molekuła sama staje się wolnym rodnikiem (trzeciorzędnym), lecz najczęściej słabym, nie zdolnym do szkodliwego działania.
Właśnie powstanie rodników wtórnych (nie rodników w ogóle) prowadzi do rozwoju stanów patologicznych i leży u podstawy genezy raka, miażdżycy, przewlekłych stanów zapalnych i nerwowych chorób degeneratywnych.
Czynniki, powodujące stres oksydacyjny – zaburzenie równowagi utleniania-redukcji w stronę utleniania oraz powstanie wtórnych wolnych rodników – licznych i bezpośrednio związanych z naszym trybem życia.
Niekorzystnymi czynnikami są radiacja, palenie, napoje o dużych właściwościach zakwaszających organizm, chlorowana woda, zanieczyszczenie środowiska naturalnego, zakwaszenie gleby i kwaśne deszcze, nadmierna ilość konserwantów i spożywanie produktów przetworzonych, antybiotyki, ksenobiotyki, komputery, telewizory oraz telefony komórkowe.
Na wiele z wyżej wymienionych czynników nie mamy wpływu i nie chcemy ich zmieniać, natomiast również jest wiele rzeczy, które moglibyśmy zmienić. Tak, czy inaczej musimy znać„twarz” wroga.
Reakcje z udziałem wolnych rodników mogą być przyczyną lub utrudniać przebieg wiele niebezpiecznych chorób, takich jak astma, zapalenie stawów, rak, cukrzyca, miażdżyca, choroby serca, żylaki, choroba Parkinsona, choroba Alzheimera, epilepsja, stwardnienie rozsiane, depresja i inne.
Uszkodzenie DNA przez wolne rodniki jest przyczyną raka i zawału.
Ulubioną „tarczą” wolnych rodników jest DNA – kwas, zapewniający przechowywanie i przekaz informacji genetycznej.
DNA jest indywidualnym, skompresowanym, zaszyfrowanym zapisem wszystkim danych organizmu ludzkiego. W nim zawiera się pełna informacja o komórce, w której DNA znajduje się, a także o potrzebach innych komórek organizmu. Cząsteczki DNA zawierają informację o naszym wzroście, wadze, kolorze oczu, ciśnieniu i chorobach, do których jesteśmy skłonni.
Cząsteczka DNA jest atrakcyjnym obiektem dla wolnych rodników. Według obliczeń DNA jest atakowane przez wolne rodniki 10.000 razy dziennie.
Uszkodzenie struktur DNA przez wolne rodniki wiąże się obecnie z takimi chorobami jak rak, choroba zwyrodnieniowa stawów, zawał, osłabienie układu odpornościowego. Utlenienie lipidów przez wolne rodniki powoduje jaskrę, zaćmę, marskość, niedokrwienie.
Innymi „ulubionymi tarczami” wolnych rodników są także łatwo utleniające się tłuszcze i substancje tłuszczopodobne – lipidy, a w pierwszej kolejności – nienasycone kwasy tłuszczowe, z których zbudowane są membrany komórkowe. Takie utlenienie nazywa się nadtlenowym utlenieniem lipidów.
Nadtlenowe utlenienie lipidów prowadzi do dramatycznych skutków w organizmie – destabilizacji i zaburzenia zaporowych funkcji membran, w wyniku których rozwija się jaskra, zapalenie stawów, niedokrwienie, zaburzenie mikrocyrkulacji w tkankach mózgowych. Mózg jest wyjątkowo wrażliwy na nadprodukcję wolnych rodników i stres oksydacyjny, gdyż zawiera mnóstwo nienasyconych kwasów tłuszczowych, na przykład lecytynę. Podczas ich utleniania w mózgu zwiększa się ilość lipufuscyny. Jest to jeden z pigmentów zużycia, nadmiar którego przyśpiesza proces starzenia się.
Cholesterol jest również „łakomym kąskiem” dla wolnych rodników. Utleniony cholesterol o niskiej gęstości ( LDL-Cholesterin), „przylepia się” do ścian naczyń i prowadzi do rozwoju miażdżycy. Badania naukowe wykazały, że u pacjentów z przebytym zawałem serca koncentracja utlenionego LDL jest wyraźnie wyższa, niż u osób zdrowych (Holvoet P, Vanhaecke J, Janssens S, Van de Werf F and Collen D. Oxidized LDL and malondialdehyde-modified LDL in patients with acute coronary syndromes and stable coronary artery diseases. Circul 98:1487-1494, 1998.).
Utlenienie lipidów odgrywa dużą rolę w rozwoju przewlekłych chorób wątroby (żółtaczki, marskości).
Utlenienie białek, związane z nadtlenowym utlenieniem lipidów oraz powstanie agregatów białkowych w soczewce kończy się jej zmętnieniem, co prowadzi do rozwoju cukrzycowej i starczej zaćmy [10].
Wolne rodniki niszczą płuca.
W odróżnieniu od innych organów płuca są bezpośrednio narażone na działanie tlenu – inicjatora procesów utleniania, a także oksydantów, zawartych w zanieczyszczonym powietrzu (ozonu, dwutlenku azotu, siarki itd.). Tkanki płuc zawierają nadmiar nienasyconych kwasów tłuszczowych, które stają się ofiarami wolnych rodników. Oksydanty, tworzące się podczas palenia papierosów bezpośrednio oddziałują na płuca. Mikroorganizmy, zawarte w powietrzu również mają wpływ na płuca. Mikroorganizmy aktywują komórki fagocytowe, które wydzielają aktywne formy tlenu, uruchomiające procesy utlenienia przy pomocy wolnych rodników [11]. Więc płuca są szczególnie narażone na oddziaływanie oksydantów, gdyż reakcje z ich udziałem mają tam większe możliwości zaistnienia.
Uszkodzenie układu sercowo-naczyniowego.
Zmiany cząsteczkowe membran komórkowych, spowodowane atakiem wolnych rodników, wykazują szkodliwe działanie na układ sercowo-naczyniowy: składniki krwi stają się „lepkie”, ściany naczyń nasączają się lipidami, w wyniku czego powstaje zakrzepica, miażdżyca i inne choroby.
Wolne rodniki i cukrzyca.
Badania udowodniły, że wolne rodniki mogą być pierwotnymi czynnikami, prowokującymi rozwój cukrzycy, jak i wtórnymi czynnikami, odpowiedzialnymi za pogorszenie przebiegu choroby i rozwój powikłań. Aby wywołać obraz cukrzycy 1-go typu u zwierząt, wykorzystywany jest chemiczny preparat alloksan. Po 48-72 godzinach od jego przyjęcia obserwuje się obumarcie beta-komórek i zaburzenie przemiany węglowodanowej, porównywalnej do obrazu cukrzycy 1 typu u ludzi [12].
W innych badaniach eksperymentalnych do odtworzenia obrazu cukrzycy 2-stopnia z mitochondriów trzustkowych u zwierząt było usuwane białko – frataksyna. Przy jej usunięciu w trzustce zwierząt laboratoryjnych obserwowane było masowe umieranie beta-komórek i rozwój cukrzycy 2-go typu [13].
Antyoksydanty.
W walce z wolnymi rodnikami nasz organizm wykorzystuje antyoksydanty – substancje, zdolne do wyłapywania i neutralizowania wolnych rodników. Antyoksydanty z powodzeniem są wykorzystywane przy leczeniu całego szeregu chorób.
Witaminy.
Najbardziej znanymi antyoksydantami są witaminy C, E, B, A. Są to antyoksydanty, wprowadzane z zewnątrz, tak zwane niesfermentowane. Antyoksydanty pochodzenia niefermentowanego dzielą się na rozpuszczalne w wodzie i rozpuszczalne w tłuszczach. Antyoksydanty rozpuszczalne w wodzie chronią tkanki, zawierające dużo wody, natomiast witaminy rozpuszczalne w tłuszczach chronią tkanki, oparte na lipidach.
Kwas askorbinowy lub witamina C jest najbardziej znanym przeciwutleniaczem, rozpuszczalnym w wodzie. Obecnie większość badaczy jest zgodnych, że niska koncentracja witaminy C w tkankach zwiększa ryzyko powstawania chorób sercowo-naczyniowych. Kwas askorbinowy zmniejsza koncentrację „złego” cholesterolu i zwiększa koncentrację „dobrego”, a także likwiduje skurcze arterialne i arytmię, zapobiega powstawaniu zakrzepów.
Kwas askorbinowy odgrywa wiodącą rolę w metabolizmie żelaza, zmieniając Fe3+ w Fe2+. Organizm ludzki przyswaja wyłącznie dwuwartościowe żelazo (Fe2+), natomiast trójwartościowe żelazo nie tylko nie jest przyswajalne, lecz wyrządza wiele szkód w organizmie, prowokując reakcje nadtlenowego utleniania lipidów. Witamina C wzmacnia działanie witaminy E, która „poluje” na wolne rodniki w membranach komórkowych, natomiast witamina C atakuje je w płynach biologicznych. Przez 1 sekundę witamina C likwiduje 1010 cząsteczek aktywnego hydroksylu lub 107 cząsteczek nadtlenku anion-rodnika tlenu. Kwas askorbinowy jest antyoksydantem, jako aktywny reduktor, ma zdolność „wyłapywania” wolnych rodników. Witamina C neutralizuje również utleniacze, przedostające się do organizmu wraz z zanieczyszczonym powietrzem (NO, wolne rodniki dymu papierosowego), redukuje kancerogeny.
Nasz organizm nie wytwarza witaminy C i nie gromadzi jej, dlatego jest całkowicie zależny od jej dostaw zewnętrznych.
Flawonoidy (katechiny, kwercetyna).
O flawonoidach jest ostatnio coraz częściej mowa w związku z „francuskim paradoksem”.
Tak został określony anomalnie niski poziom chorób sercowo-naczyniowych we Francji w porównaniu do poziomu u jej sąsiadów – Anglii i Niemiec. Większość Francuzów stosuje dość swoistą „dietę”, w której miejsca honorowe zajmują tłusty kawał mięsa, pasztet z gęsi i inne produkty z wysoką zawartością cholesterolu. Chociaż Francuzi jedzą dwa razy więcej masła i trzy razy więcej smalcu, niż Amerykanie, we Francji odnotowuje się zadziwiająco niski poziom chorób sercowo-naczyniowych.
Przyczyny tego fenomenu naukowcy odnaleźli w winie. A właściwe w czerwonym winie. Jak się wyjaśniło, czerwone wino zawiera dużą ilość flawonoidów, które znacznie obniżają prawdopodobieństwo powstania zakrzepów, zwiększają ilość „dobrego” cholesterolu we krwi – lipoproteidów o wysokiej gęstości, obniżają zawartość trójglicerydów we krwi oraz „złego” cholesterolu – lipoproteidów o niskiej gęstości.
Kompleks bioflawonoidowy wzmacnia kapilary i ściany naczyniowe, usprawnia krążenie, sprzyja gojeniu ran, zapobiega powstawaniu siniaków.
Wino białe i mocne napoje alkoholowe prawie nie zawierają flawonoidów.
Są one głównie w skórze, miękiszu i pestkach czerwonych winogron. Zwłaszcza we Francji istnieją specjalne „flawonoidowe” rejony, gdzie wytwarzane jest wino, w którym jest dużo tych wrogów wolnych rodników. Flawonoidy są aktywnymi przeciwutleniaczami, które neutralizują działanie wolnych rodników, oddając im swoje elektrony.
Katechiny są to związki organiczne z grupy flawonoidów. Antyoksydacyjne właściwości wielu produktów są w znacznej mierze uwarunkowane zawartością katechin. Katechiny są szczególnie efektywne przeciwko takim wolnym rodnikom jak peroksynitryt oraz hydroksyl, które powodują nadciśnienie tętnicze i są uważane za jego główną przyczynę. Pożyteczne właściwości obronne katechin mogą być przedstawione na przykładzie herbaty. Herbata zawiera cztery podstawowe fragmenty katechiny: EC, ECg, EGC i EGCg. Epigalokatechin (EGC) jest najmocniejszym przeciwutleniaczem z czterech podstawowych katechin herbacianych. Dla przykładu – jest on 25 razy mocniejszy, niż witamina E i 100 razy mocniejszy, niż witamina C.
Kwercetyna także należy do grupy flawonoidów i witamin grupy P. Zawiera się on w jabłkach, owocach cytrusowych, brokułach, cebuli, czerwonych odmianach winogron, malinie, porzeczce, wiśniach. W Niemczech jest nawet produkowany antyoksydacyjny rodzaj piwa - Anti-Aging-Bier, do receptury którego zostały dodane kwercetyny. Kwercetyna jest stosowana w celu profilaktyki i leczenia zaburzeń krążenia mózgowego, chorób serca i naczyń. Ten pierwszorzędny oczyszczacz naczyń polepsza krążenie krwi, hamuje procesy starzenia komórek rogówki oka. Kwercetyna zapobiega rozwojowi miażdżycy i nadciśnieniu, posiada właściwości anty-kancerogenne.
Antyoksydanty fermentowe.
Antyoksydanty fermentowe są wytwarzane przez sam organizm.
Działanie fermentów dokładnie wyjaśnia ich nazwa – fermenty lub enzymy (z łac. fermentum, z ang. ensimo – zakwas i ζύμη, zyme — drożdże) – zakwas, drożdże, czyli substancje odgrywające rolę katalizatorów. Fermenty przyspieszają reakcje chemiczne o tysiąc lub nawet dziesiątki tysięcy razy. Łączą się one z uczestnikami reakcji chemicznych, oddają im swą energię, przyspieszają te reakcje a następnie znów wchodzą w reakcje chemicznie zupełnie nie ulegając zmianie.
Najbardziej znanymi fermentami-antyoksydantami są białka-katalizatory -SOD, katalaza, peroksydaza. Katalizują one reakcje w wyniku których toksyczne wolne rodniki i tlenki zmieniają się w nieszkodliwe związki. Dysmutaza ponadtlenkowa (SOD) jest jednym z głównych fermentów systemu antyoksydacyjnego.
Dysmutaza ponadtlenkowa katalizuje reakcję współoddziaływania dwóch nadtlenkowych rodników O2- zmieniając toksyczny nadtlenowy rodnik O2 w mniej toksyczny nadtlenek wodoru (H2O2) oraz tlen (O2): O2- + O2- + 2H + = > H2O2 + O2.
Ze względu na to, że nadtlenek wodoru - H2O2 jest również rodnikiem i wykazuje szkodliwe działanie w komórkach następuje jego stała inaktywacja przez ferment katalazy (rys. 3).
Katalaza.
Katalaza wspomaga podział nadtlenku wodoru H2O2 na cząsteczki wody i tlenu. Jest w stanie rozłożyć 44000 cząsteczek H2O2 w ciągu 1 sekundy.
Katolit działa jako antyoksydant i wzmacnia działanie innych przeciwutleniaczy.
Katolit może mieć potencjał reakcji oksydacyjnej do -840 mV (jak wspominałam wcześniej potencjał reakcji oksydacyjnej wody wodociągowej wynosi od +150mV do +350 mV).
W ostatnich latach właściwości katolitu są intensywnie badane przez japońskich i amerykańskich badaczy na poziomie komórkowym oraz eksperymentalnym. W Stanach Zjednoczonych oraz Japonii katolit często jest nazywany wodą redukcyjną ze względu na obniżony, ujemny potencjał reakcji oksydacyjnej.
Badania naukowców japońskich i amerykańskich udowodniły wysoką antyoksydacyjną aktywność wody redukowanej (katolitu).
W artykule «The mechanism of the enhanced antioxidant effects against
superoxide anion radicals of reduced water produced by electrolysis” Kokichi Hanaoka*, Dongxu Sun, Richard Lawrence, Yoshinori a, c c Kamitanib, Gabriel Fernandesc», Biophysical Chemistry (2004) została udowodniona antyoksydacyjna aktywność katolitu i jego funkcja obronna przeciwko uszkodzeniom DNA.
Te badania udowodniły, że katolit wyławia i neutralizuje połączenia nadtlenku wodoru, wykazując przy tym podobne działanie do fermentów organizmu ludzkiego – katalazy.
Te same badania wykazały, że szkodliwe działanie nadtlenku wodoru na DNA istotnie zmniejsza się przy dodaniu do roztworu wody redukowanej.
Na schemacie 5 zostało to pokazane przy pomocy fotografii i diagramu.
Fig.23. Effect of electrolyzed water on hydrogen peroxide induced DNA damage.
Lane 1: Negative control;
Lane 2: Control;
Lane 3: H2O2qCu(II);
Lane 4: H2O2qCu(II)qKOH solution;
Lane 5: H2O2qCu(II)q2 mM KCl solution (0 A), pH 6.30;
Lane 6: H2O2qCu(II)qelectrolyzed reduced water (0.4 A), pH 10.47; and Lane 7: H2O2qCu(II)q electrolyzed reduced water (0.8 A), pH 10.74.
Kolumna 2 - pokazuje nieuszkodzone DNA.
Kolumna 3 - pokazuje uszkodzenie DNA przez wolne rodniki – nadtlenkiem wodoru (Н2О2).
Kolumna 4 – uszkodzone DNA przez wolne rodniki z dodatkiem roztworu KOH.
Kolumna 5 – uszkodzone DNA przez wolne rodniki z dodatkiem roztworu KCl.
Kolumna 6 – zmniejszenie uszkodzenia DNA przez wolne rodniki nadtlenkiem wodoru podczas dodania żywej wody o parametrach (0.4 A), pH 10,47.
Kolumna 7 - zmniejszenie uszkodzenia DNA przez wolne rodniki nadtlenkiem wodoru podczas dodania żywej wody o parametrach (0.8 A), pH 10,47.
Katolit wzmacnia aktywność antyoksydacyjną kwasu askorbinowego – do takich wniosków doszli naukowcy z Japonii !!!
Badania znanego naukowca japońskiego Sanetaka Shirahata z współautorami z Institute of Cellular Regulation Technology zostały opublikowane w 1997 roku w artykule «Electrolyzed–Reduced Water Scavenges Active Oxygen Species and Protects DNA from Oxidative Damage»(16).
Te badania wykazały, że woda redukcyjna (katolit):
• Przejawia antyoksydacyjne działanie, porównywalne z właściwościami kwasu askorbinowego i innych znanych przeciwutleniaczy;
• Wzmacnia działania kwasu askorbinowego, chroniącego DNA od szkodliwego wpływu wolnych rodników.
Następnie został przedstawiony schemat z artykułu “Antioxidant effects of reduced water produced by electrolysis of sodium chloride Solutions”, Journal of Applied Electrochemistry 2001, Kluwer Academic.
Na schemacie widać, że po dodaniu wody redukowanej do kwasu askorbinowego jej aktywność zwiększa się ponad dwukrotnie.
„Katolit wzmacnia antyoksydacyjną aktywność nie tylko kwasu askorbinowego, ale również kwercetyny i katechiny”.
W tym samym artykule (“Antioxidant effects of reduced water produced by electrolysis of sodium chloride Solutions”) została udowodniona zdolność katolitu do aktywacji, nie tylko kwasu askorbinowego, ale również innych silnych przeciwutleniaczy flawonoidow – kwercetyny i katechiny.