თავისუფალი რადიკალები და ანტიოქსიდანტები

health2b_pic3

ირონიულია, ის რომ ჟანგბადი, ასე აუცილებელი სიცოცხლისათვის, შეიძლება გარკვეულ ვითარებაში გამანადგურებლად იმოქმედოს ადამიანზე. ყველაზე მეტად ჟანგბადის პოტენციურად დამაზიანებელი ეფექტი შეიძლება იყოს ისეთი ქიმიური ნაერთების ფორმირება, რომლებიც ცნობილია თავისუფალი რადიკალების ყველაზე გავრცელებული სახის, რეაქტიული ჟანგბადის ფორმების სახელით (ROS – Reactive oxygen species ), როგორებიცაა სუპეროქსიდანიონის რადიკალი, ჰიდროქსილის რადიკალი, წყალბადის ზეჟანგი და სინგლეტური ჟანგბადი, რომლებზე ქვემოთ გვექნება საუბარი, მაგრამ საჭიროა თანმიმდევრულად ვუპასუხოთ კითხვებს. რა არის თავისუფალი რადიკალები? როგორ აზიანებენ ისინი უჯრედებს? როგორ იცავს ვიტამინ E, C და სხვა ანტიოქსიდანტები სხეულს თავისუფალი რადიკალებისაგან?

ადამიანის სხეული აგებულია სხვადასხვა ტიპის უჯრედებისაგან. თავის მხრივ უჯრედები კონსტრუირებულია მრავალი სახის მოლეკულით [1], ხოლო მოლეკულები აგებულია ერთმანეთთან ქიმიური ბმებით დაკავშირებული ატომებისაგან [2]. მოლეკულა შეიძლება იყოს ერთი ქიმიური ელემენტის [3] ან სხვადასხვა ატომის კავშირი.  რატომ ერთიანდებიან ატომები მოლეკულებად? ამისთვის კიდევ უფრო ღრმად უნდა ჩავიხედოთ.

როგორც სკოლის მასალიდან შეიძლება გახსოვდეთ, ატომი შედგება ბირთვისაგან (თავის მხრივ ბირთვში შეკავშირებულია პროტონები, დადებითად დამუხტული ნაწილაკები, და ნეიტრონები, მუხტის არ მქონე ნაწილაკები [4] და მის გარშემო სხვადასხვა ორბიტალზე [5] მყოფი უარყოფითი მუხტის მქონე ელექტრონებისაგან. ატომი ჩვეულებრივ მდგომარეობაში ელექტრულად ნეიტრალურია, რადგან პროტონების (+) და ელექტრონების (-) რაოდენობა ტოლია – ისინი ერთმანეთს აკომპენსირებენ.

ატომში, სადაც ელექტრონთა რიცხვი შედარებით დიდია, რამდენიმე ელექტრონული შრეა. ყოველ ელექტრონულ შრეს თავისი ნომერი აქვს, რომელიც n-ით აღინიშნება. გადათვლა იწყება იმ ელექტრონული შრიდან, რომელიც ყველაზე ახლოსაა ბირთვთან: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.  ენერგეტიკულ დონეზე ელექტრონთა დასახლების მაქსიმალური რიცხვი გამოითვლება ფორმულით N=2n2 , სადაც N – ელექტრონთა მაქსიმალური რიცხვია, n კი – შრის ნომერია. ე.ი. არ შეიძლება პირველ შრეზე ორზე მეტი ელექტრონი იყოს. რაც უფრო ახლოსაა ელექტრონი ატომბირთვთან, მით უფრო მცირეა მისი ენერგია, ატომბირთვიდან დაშორებისას ელექტრონის ენერგია იზრდება, შესაბამისად გარე შრის ელექტრონები ყველაზე სუსტადაა დაკავშირებული ბირთვთან. სწორედ ელექტრონები არიან ჩართულები ქიმიურ რეაქციებში და ქმნიან ქიმიურ ბმებს მოლეკულებში. ატომის ყველაზე მთავარი სტრუქტურული განსაკუთრებულობა, რაც განაპირობებს მის ქიმიური ქცევას არის ელექტრონების რიცხვი  მის გარე შრეზე. ყოველი ელემენტი მიისწრაფვის ენერგეტიკულად მომგებიანი და მდგრადი რვაელექტრონიანი ელექტრონული შრის ფორმირებისაკენ. ატომებს, რომელთაც აქვთ სავსე გარე ელექტრონული შრე, აქვთ ტენდენცია არ შევიდნენ ქიმიურ რეაქციებში და მათ ინერტული ელემენტები ეწოდებათ, მაგალითად ნეონი (Ne), არგონი (Ar), კრიპტონი (Kr), ქსენონი (Xe). ვინაიდან ატომები მიისწრაფვიან მაქსიმალური სტაბილურობისაკენ, ისინი ცდილობენ შეივსონ თავიანთი გარე შრე:

  • ელექტრონების გაცემით ან მიერთებით დაამყარონ იონური ბმა [6]
  • ერთმანეთში საზიარო ელექტრონული წყვილის წარმოქმნით დაამყარონ ბმა, რომ შეივსონ გარე შრე.

ატომებს შორის საზიარო ელექტრონული წყვილების საშუალებით მყარდება კოვალენტური ბმა.

გაზიარება ბედნიერებაა!კოვალენტური ბმა ორ ჟანგბადის ატომს შორის.

გაზიარება ბედნიერებაა! კოვალენტური ბმა ორ ჟანგბადის ატომს შორის.

როცა გარედან ენერგიის ზემოქმედებით წყდება ეს ბმა, ისე რომ მოლეკულას ან მის ნაწილს უჩნდება გაუწყვილებელი ელექტრონი, წარმოიქმნება ქიმიურად ძლიერ რეაქტიული თავისუფალი რადიკალები. ამ თვისებასთან ერთად მათ აქვთ პარამაგნეტიზმის და ჯაჭვური რეაქციის განხორციელების უნარი. თავისუფალი რადიკალები “თავს ესხმიან” უახლოეს სტაბილურ მოლეკულას, რათა “წაგლიჯონ” ელექტრონი. როცა “მსხვერპლი” მოლეკულა კარგავს ელექტრონს, ის თავად გადაიქცევა რადიკალად და ა.შ. მიმდინარეობს ჯაჭვური რეაქცია. ამ რეაქციის კასკადს საბოლოოდ შეუძლია გაანადგუროს ცოცხალი უჯრედი მისი ძირითადი ფუნქციური მაკრომოლეკულების; ლიპიდების, ცილების, დნმ-ის დესტრუქციის გზით.

ზოგი თავისუფალი რადიკალის წარმოქმნა მეტაბოლიზმის ბუნებრივი პროცესია (მიტოქონდრიაში ენერგეტიკული მოლეკულის, ATP სინთეზი). ზოგჯერ სხეულის იმუნური სისტემის უჯრედები (სისხლის თეთრი უჯრედები) მიზნობრივად ქმნიან ჟანგბადის აქტიურ ფორმებს (ROS) ორგანიზმში შემოჭრილი ვირუსებისა და ბაქტერიების გასანეიტრალებლად. მაგრამ სხვადასხვა ფაქტორებით ან გარემოს გავლენით, როგორიცაა დაბინძურება, დასხივება, სიგარეტის კვამლი, პესტიციდები, შეიძლება აგრეთვე წარმოიქმნან თავისუფალი რადიკალები.

ჟანგბადის აქტიური ფორმები უჯრედში წარმოიქმნება სუნთქვითი ჯაჭვის მიმდინარეობისას 4 ელექტრონის თანმიმდერვული მიერთებით 1 მოლეკულა ჟანგბადთან. პროცესის საბოლოო პროდუქტია წყალი, მაგრამ შეიძლება მოხდეს ელექტრონის გაჟონვა სატრანსპორტო ჯგუფიდან. მაგალითად Fe+2-ის დაჟანგვისას Fe+3-მდე, ელექტრონი შეიძლება მიუერთდეს ჟანგბადს. ამის შედეგად წარმოიქმნება სუპეროქსიდრადიკალი  .O2, რომელსაც შეუძლია ჩაერთოს შემდგომი გარდაქმნების ჯაჭვში  O2 + H2O → O2 + OH− და წარმოქნას სხვა რადიკალები, როგორიცაა მაღალტოქსიკური ჰიდროქსილის რადიკალი OH− . გარემო ფაქტორის მაგალითად შეგვიძლია მოვიყვანოთ ულტრაიისფერი რადიაციით [7] გამოწვეული რეაქციათა ჯაჭვი:

1) ვინაიდან უჯრედის 70 % წყლისაგან შედგება, შეიძლება მოხდეს წყლის რადიოლიზი და წყლის მოლეკულამ დაკარგოს ელექტრონი, აგრეთვე წარმოიქმნება იონიზირებული მოლეკულა H2O + → H2O+ + e−  

2) ამოტყორცნილი ელექტრონი ძალიან სწრაფად ურთიერთმქედებს გარემომცველ წყლის მოლეკულებთან, წარმოიქმნება ძლიერ აღგზნებული მოლეკულა  H2O + e → H2O

3) რომელიც თავის მხრივ განიცდის დისოციაციას და წარმოქმნის უაღრესად აქტიურ ჰიდროქსილის რადიკალსა და  ატომური წყალბადის რადიკალს H2O+ → H+ + OH·

4) ჟანგბადის თანაობისას წარმოიქმნებია რადიოლიზის სხვა პროდუქტებიც, რომელთაც გააჩნიათ დამჟანგავი თვისებები, მაგალითად წყალბადის ზეჟანგი H2O → OH + H·  ;  2 OH· →H2O2

5) წყალბადის ზეჟანგმა შეიძლება იმოქმედოს რკინის ატომთან Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH· + OH−  (ფენტონის რეაქცია) და გამოიწვიოს ჰიდროქსილის რადიკალით დნმ-ის მუტაცია.

უჯრედში ანალოგიურ სიტუაციაში პროცესი მიმდინარეობს გაცილებით რთულად, ვიდრე წყლის დასხივების დროს, რადგან მშთანთქმელ ნივთიერებას, წყლის გარდა, აქ წარმოადგენენ დიდი ბიოორგანული ნივთიერებები, რომლებიც ზიანდებიან ან რადიაციის უშუალო ზემოქმედების შედეგად, ან წყლის რადიოლიზის აქტიური პროდუქტების ზემოქმედებით. ამ დროს წარმოქმნილ ორგანულ რადიკალებს, ასევე გააჩნიათ შეუწყვილებელი ელექტრონები და, შესაბამისად, ძალიან რეაქტიულები არიან. გააჩნიათ რა დიდი ენერგია, მათ შეუძლიათ ადვილად გაწყვიტონ სიცოცხლისათვის მნიშვნელოვანი ქიმიური კავშირები, დააზიანონ ბიომაკრომოლეკულები და გამოიწვიონ მრავალი დაავადებები, მაგალითად კუნთების დისტროფია (დიუშენის დაავადება), პარკინსონი, ათეროსკლეროზი, სიმსივნე და ა.შ. არსებობს სიბერის ახსნის თავისუფალ-რადიკალური თეორიაც (The free radical theory of aging).

 

 

ადამიანს ბუნებრივად გააჩნია ამ ჯაჭვური რეაქციების ტერმინაციის (დასრულების) მთელი სისტემა. ზოგადად მოლეკულებს, რომელთაც შეუძლიათ თავისუფალი რადიკალების ინჰიბირება (გაუვნებელყოფა) ან სხვადასხვა პროდუქტის დაცვა ჟანგვისაგან, ანტიოქსიდანტები ეწოდებათ. ანტიქოსიდანტი არის საკმარისად სტაბილური მოლეკულა, რომ გასცეს ელექტრონი და გაანეიტრალოს რადიკალი, ისე, რომ თვითონ არ გადაიქცეს რადიკალად. ზოგი ანტიოქსიდანტი, გლუტათიონის ჩათვლით სინთეზირდება სხეულში მეტაბოლიზმის შედეგად, ზოგს კი  შეიცავს საკვები პროდუქტი ვიტამინების სახით.

 

atoms2

ჟანგბადის აქტიური ფორმებისაგან უჯრედებს იცავს:

ა) ანტიოქსიდანტური ფერმენტები (ცილები), რომელთაც განეკუთვნება სუპეროქსიდ დისმუტაზა, კატალაზა და გლუტათიონპეროქსიდაზა. სუპეროქსიდ დისმუტაზა (სოდ) გვხვდება ციტოზოლსა (უჯრედის შიგნით) და მიტოქონდრიებში და წარმოადგენს უჯრედის დაცვის I ხაზს, ვინაიდან სუნთქვის ჯაჭვიდან ელექტრონების გაჟონვის შემთხვევაში, თავდაპირველად წარმოიქმნება სწორედ სუპეროქსიდური რადიკალები, რომელთაც სოდ გარდაქმნის წყალბადის ზეჟანგად. წყალბადის ზეჟანგს კი თავის მხრივ შლის ფერმენტი კატალაზა წყლისა და ჟანგბადის მოლეკულებად. გლუტათიონ პეროქსიდაზა ახორციელებს როგორც წყალბადის ზეჟანგის ინაქტივაციას, ასევე ლიპიდების ჰიდროზეჟანგებს.

ბ) ვიტამინი E და ვიტამინი C. ვიტამინი E ძლიერი ანტიოქსიდანტია და შეუძლია თავისუფალი რადიკალების ინაქტივირება უშუალოდ უჯრედის მემბრანის ჰიდროფობურ შრეში და ამ გზით ზეჟანგური ჟანგვის აცილება. ვიტამინ C (ასკორბინის მჟავა) ანტიოქსიდაციის პროცესში მონაწილეობს ორი განსხვავებული მექანიზმით: 1) ვიტამინი C აღადგენს ვიტამინ E-ს დაჟანგულ ფორმას და ამ გზით ის მას კვლავ აქტიურს ხდის რადიკალების მიმართ. 2) ვიტამინი C როგორც წყალში ხსნადი ვიტამინი ურთიერთქმედებს ჟანგბადის აქტიურ ფორმებთან – .O2, H2O2 და OH·  – და იწვევს მათ ინაქტივირებას.

 

___________________

შენიშვნები:

[1] მოლეკულა არის ნივთიერების უმცირესი ნაწილაკი, რომელსაც აქვს ამ ნივთიერებისათვის დამახასიათებელი ქიმიური თვისებები. ნივთიერებების ქიმიური თვისებები ვლინდება უშუალოდ ერთი ნივთიერებიდან მეორეზე გარდაქმნისას. ჟანგბადის უნარი ხელი შეუწყოს წვის პროცესს არის მისი ქიმიური თვისება. ხოლო ფერი, სუნი, სიმკვრივე, დრეკადობა, ლღობა, ელექტრო და სითბო გამტარობა ნივთიერების ფიზიკური თვისებებია.

[2] ატომი არის ნივთიერების ქიმიურად განუყოფელი ნაწილაკი. ქიმიური რეაქციების დროს ატომი არ იშლება. ის მხოლოდ ბირთვული რეაქციების დროს იშლება.

[3] ერთი სახის ატომებს ქიმიური ელემენტი ეწოდება. ქიმიურ ელემენტს და მისგან წარმოქმნილ მარტივ ნივთიერებას ერთი და იგივე სახელწოდება აქვს. ქიმიური ელემენტი რკინა და მარტივი ნივთიერება რკინა. გამონაკლისი არის ქიმიური ელემენტი ნახშირბადი, რომელიც თავისუფალ მდგომარეობაში არის მარტივი ნივთიერების, ნახშირის სახით.

[4] ერთნაირი ნიშნის მუხტის მქონე ნაწილაკები ერთმანეთს განიზიდავენ, როგორც ფაქტი აჩენს კითხვას, რატომ ან რა ძალით არიან შეკავშირებული დადებითი მუხტის მქონე ნაწილაკები ასე მჭიდროდ? მაგრამ ასე მსჯელობა რეგრესულ ხასიათს მიიღებს, შორს წაგვიყვანს და თემას ავცდებით.

[5] ატომში ელექტრონის მდგომარეობის შესახებ საუბრისას, გულისხმობენ ინფორმაციას განსაზღვრული ელექტრონისა და იმ სივრცის შესახებ, სადაც ელექტრონი იმყოფება. შეგახსნებთ, რომ ელექტრონს არ აქვს მოძრაობის ტრაექტორია, შესაძლებელია ვილაპარაკოთ, მხლოდ და მხოლოდ, ატომბირთვის გარშემო სივრცეში მისი ყოფნის ალბათობაზე. ის შეიძლება იმყოფებოდეს ამ სივრცის ნებისმიერ წერტილში. იმ წერტილების ერთობლიობას, სადაც შესაძლებელია ელექტრონი იმყოფებოდეს ელექტრონული ღრუბელი ეწოდება. ელექტრონულ ღრუბელს უარყოფითი მუხტის განსაზღვრული სიმკვრივე აქვს. ეს სიმკვრივე მეტია იქ, სადაც ყველაზე ხშირად იმყოფება ელექტრონი. სივრცეს ატომბირთვის გარშემო, სადაც ყველაზე მეტია ელექტრონის ყოფნის ალბათობა, ორბიტალი ეწოდება.

[6] ატომი, რომელიც მიიერთებს სხვა ატომის ელექტრონს, გარდაიქმნება უარყოფით იონად ანუ ანიონად. ატომი, რომელიც გასცემს ელექტრონს, გარდაიქმნება დადებითად დამუხტულ იონად ანუ კათიონად. ცხადია, ანიონსა და კათიონს შორის აღიძვრება ელექტროსტატიკური მიზიდვის ძალები, რომელიც ამ იონების შეკავშირებას, ანუ ქიმიური ბმის წარმოქმნას განაპირობებს (იონური ბმა).

[7] ულტრაიისფერი (UV) რადიაციის ბუნებრივი წყაროა მზე. ტალღის სიგრძით ( λ ) 10-400 ნმ (ნანომეტრი). რაც უფრო მოკლეტალღოვანია სინათლე (ელექტრო-მაგნიტური ტალღა), მით მეტი ენერგიის მატარებელია და მით მეტად დამაზიანებლად მოქმედებს ცოცხალ ორგანიზმებზე. საბედნიეროდ მზის ულტრაიისფერი გამოსხივების მოკლეტალღოვანი უბნების  ~ 98 % დედამიწის ატმოსფეროს ოზონის შრე შთანთქავს. თუმცა ოზონური შრე თანდათან თხელდება ინდუსტრიული და სხვა ადამიანური ფაქტორების გამო, რაც პროპორციულად გაზრდის UV ინდუცირებულ კანცეროგენეზის გავრცელების რისკს.

მრავალ ცოცხალ ორგანიზმს გააჩნია UV აღქმისა და გამოყენების უნარი. ფუტკრები და სხვა მწერები ხედავენ UV, რაც მათ ეხმარებათ ყვავილების ნექტარის მოგროვებაში. სწორედ UV იწვევს ადამიანებში გარუჯვას (მელანოციტებში მელანინი იჟანგება). UV ყველაზე მეტად საშიშია თვალებისთვის. თუმცა გარკვეულ დოზებსა და ენერგიის მქონე UV ტალღებს აქვს დადებითი ეფექტიც, მაგალითად ის იწვევს D ვიტამინის სინთეზს, და დღიური დოზის წარმოქმნისათვის საკმარისია მზეზე სულ რამოდენიმე წუთით გაჩერება. UV აგრეთვე გამოიყენება სტერილიზაციისთვის ქირურგიულ განყოფილებაში.

Advertisements

2 Comments

Filed under ბიოფიზიკა

2 responses to “თავისუფალი რადიკალები და ანტიოქსიდანტები

  1. Pingback: ვიტამინები | ვეფხვია მანია

  2. Pingback: თანამედროვე ბიოლოგიური თეორიები სიბერეზე | ვეფხვია მანია

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s