Radicais livres e antioxidantes

A descoberta dos radicais livres e dos antioxidantes foi um marco tão significativo para a ciência médica quanto a descoberta dos microrganismos e dos antibióticos, pois os médicos receberam não apenas uma explicação para muitos processos patológicos, incluindo o envelhecimento, mas também métodos eficazes para combatê-los.

A última década foi marcada por avanços no estudo dos radicais livres em objetos biológicos. Esses processos demonstraram ser um elo metabólico necessário ao funcionamento normal do corpo. Participam de reações de fosforilação oxidativa, da biossíntese de prostaglandinas e ácidos nucleicos, da regulação da atividade lipótica e dos processos de divisão celular. No corpo, os radicais livres são mais frequentemente formados durante a oxidação de ácidos graxos insaturados, e esse processo está intimamente relacionado à peroxidação lipídica (LPO).

O que são radicais livres?

Um radical livre é uma molécula ou átomo que tem um elétron desemparelhado em sua órbita externa, o que o torna agressivo e capaz não apenas de reagir com moléculas da membrana celular, mas também convertê-las em radicais livres (uma reação de avalanche autossustentável).

O radical contendo carbono reage com o oxigênio molecular para formar o radical livre peróxido COO.

O radical peróxido extrai hidrogênio da cadeia lateral de ácidos graxos insaturados, formando um hidroperóxido lipídico e outro radical contendo carbono.

Os hidroperóxidos lipídicos aumentam a concentração de aldeídos citotóxicos, e o radical contendo carbono apoia a reação de formação de radicais peróxidos, etc. (em uma cadeia).

Existem vários mecanismos pelos quais os radicais livres são formados. Um deles é o efeito da radiação ionizante. Em algumas situações, durante o processo de redução molecular do oxigênio, um elétron é adicionado em vez de dois, formando um ânion superóxido (O) altamente reativo. A formação de superóxido é um dos mecanismos de defesa contra infecções bacterianas: sem radicais livres de oxigênio, neutrófilos e macrófagos não conseguem destruir bactérias.

A presença de antioxidantes tanto na célula quanto no espaço extracelular indica que a formação de radicais livres não é um fenômeno episódico causado pelos efeitos da radiação ionizante ou de toxinas, mas um fenômeno constante que acompanha as reações de oxidação em condições normais. Os principais antioxidantes incluem enzimas do grupo superóxido dismutase (SOD), cuja função é converter cataliticamente o ânion peróxido em peróxido de hidrogênio e oxigênio molecular. Como as superóxido dismutases são onipresentes, é razoável supor que o ânion superóxido seja um dos principais subprodutos de todos os processos de oxidação. Catalases e peroxidases convertem o peróxido de hidrogênio formado durante a dismutação em água.

A principal característica dos radicais livres é sua extraordinária atividade química. Como se sentissem inferioridade, eles tentam recuperar o elétron perdido, roubando-o agressivamente de outras moléculas. Por sua vez, as moléculas "ofendidas" também se tornam radicais e começam a se auto-roubar, roubando elétrons de suas vizinhas. Quaisquer alterações em uma molécula – seja a perda ou adição de um elétron, o surgimento de novos átomos ou grupos de átomos – afetam suas propriedades. Portanto, as reações de radicais livres que ocorrem em qualquer substância alteram as propriedades físicas e químicas dessa substância.

O exemplo mais conhecido de um processo de radicais livres é a deterioração do óleo (ranço). O óleo rançoso tem sabor e cheiro peculiares, o que se explica pelo aparecimento de novas substâncias nele formadas durante reações de radicais livres. O mais importante é que proteínas, gorduras e DNA de tecidos vivos podem participar de reações de radicais livres. Isso leva ao desenvolvimento de vários processos patológicos que danificam os tecidos, ao envelhecimento e ao desenvolvimento de tumores malignos.

Os radicais livres mais agressivos são os radicais livres de oxigênio. Eles podem provocar uma avalanche de reações radicais livres em tecidos vivos, cujas consequências podem ser catastróficas. Os radicais livres de oxigênio e suas formas ativas (por exemplo, peróxidos lipídicos) podem se formar na pele e em qualquer outro tecido sob a influência da radiação UV, além de algumas substâncias tóxicas presentes na água e no ar. Mas o mais importante é que as formas ativas de oxigênio são formadas durante qualquer inflamação, qualquer processo infeccioso que ocorra na pele ou em qualquer outro órgão, pois são a principal arma do sistema imunológico, com o qual ele destrói microrganismos patogênicos.

É impossível se esconder dos radicais livres (assim como é impossível se esconder das bactérias, mas é possível se proteger delas). Existem substâncias que se distinguem pelo fato de seus radicais livres serem menos agressivos do que os radicais de outras substâncias. Tendo cedido seu elétron ao agressor, o antioxidante não busca compensar a perda às custas de outras moléculas, ou melhor, o faz apenas em casos raros. Portanto, quando um radical livre reage com um antioxidante, ele se transforma em uma molécula completa, e o antioxidante se torna um radical fraco e inativo. Tais radicais não são mais perigosos e não criam caos químico.

O que são antioxidantes?

"Antioxidantes" é um termo coletivo e, assim como termos como "agentes antineoplásicos" e "imunomoduladores", não implica pertencer a nenhum grupo químico específico de substâncias. Sua especificidade está intimamente ligada à oxidação lipídica por radicais livres em geral e à patologia causada por radicais livres em particular. Essa propriedade une diferentes antioxidantes, cada um com suas próprias características específicas de ação.

Os processos de oxidação de lipídios por radicais livres são de natureza biológica geral e, na opinião de muitos autores, são um mecanismo universal de dano celular ao nível da membrana quando fortemente ativados. Neste caso, na fase lipídica das membranas biológicas, os processos de peroxidação lipídica causam um aumento na viscosidade e na ordem da bicamada da membrana, alteram as propriedades de fase das membranas e reduzem sua resistência elétrica, além de facilitar a troca de fosfolipídios entre duas monocamadas (o chamado flip-flop fosfolipídico). Sob a influência dos processos de peroxidação, a mobilidade das proteínas da membrana também é inibida. No nível celular, a peroxidação lipídica é acompanhada pelo inchaço das mitocôndrias, desacoplamento da fosforilação oxidativa (e em processos avançados - solubilização das estruturas da membrana), que, ao nível de todo o organismo, se manifesta no desenvolvimento das chamadas patologias de radicais livres.

Radicais Livres e Danos Celulares

Hoje, tornou-se óbvio que a formação de radicais livres é um dos mecanismos patogênicos universais em vários tipos de danos celulares, incluindo os seguintes:

• reperfusão de células após um período de isquemia;
• algumas formas de anemia hemolítica induzidas por medicamentos;
• envenenamento por alguns herbicidas;
• gestão de tetracloreto de carbono;
• radiação ionizante;
• alguns mecanismos de envelhecimento celular (por exemplo, o acúmulo de produtos lipídicos na célula - ceroides e lipofuscinas);
• toxicidade do oxigênio;
• aterogênese devido à oxidação de lipoproteínas de baixa densidade nas células da parede arterial.

Os radicais livres participam dos processos:

• envelhecimento;
• carcinogênese;
• danos químicos e medicinais às células;
• inflamação;
• dano radioativo;
• aterogênese;
• toxicidade de oxigênio e ozônio.

Efeitos dos radicais livres

A oxidação de ácidos graxos insaturados nas membranas celulares é um dos principais efeitos dos radicais livres. Os radicais livres também danificam proteínas (especialmente aquelas que contêm tióis) e o DNA. O resultado morfológico da oxidação lipídica da parede celular é a formação de canais de permeabilidade polar, o que aumenta a permeabilidade passiva da membrana aos íons Ca2+, cujo excesso é depositado nas mitocôndrias. As reações de oxidação são geralmente suprimidas por antioxidantes hidrofóbicos, como a vitamina E e a glutationa peroxidase. Antioxidantes semelhantes à vitamina E, que quebram as cadeias de oxidação, são encontrados em vegetais e frutas frescas.

Os radicais livres também reagem com moléculas nos ambientes iônico e aquoso dos compartimentos celulares. No ambiente iônico, moléculas de substâncias como glutationa reduzida, ácido ascórbico e cisteína retêm potencial antioxidante. As propriedades protetoras dos antioxidantes tornam-se evidentes quando, após o esgotamento de suas reservas em uma célula isolada, são observadas alterações morfológicas e funcionais características devido à oxidação de lipídios na membrana celular.

Os tipos de danos causados pelos radicais livres são determinados não apenas pela agressividade dos radicais produzidos, mas também pelas características estruturais e bioquímicas do alvo. Por exemplo, no espaço extracelular, os radicais livres destroem os glicosaminoglicanos, a principal substância do tecido conjuntivo, o que pode ser um dos mecanismos de destruição articular (por exemplo, na artrite reumatoide). Os radicais livres alteram a permeabilidade (e, portanto, a função de barreira) das membranas citoplasmáticas devido à formação de canais de permeabilidade aumentada, o que leva a uma violação da homeostase de íons de água da célula. Acredita-se que seja necessário fornecer vitaminas e microelementos aos pacientes com artrite reumatoide, em particular, a correção da deficiência de vitaminas e microelementos com oligogal E. Isso se deve ao fato de que uma ativação perceptível dos processos de peroxidação e supressão da atividade antioxidante foram comprovadas, por isso é muito importante incluir bioantioxidantes com alta atividade antirradicalar na terapia complexa, que inclui vitaminas antioxidantes (E, C e A) e microelementos selênio (Se). Também foi demonstrado que o uso de uma dose sintética de vitamina E é pior absorvido do que a natural. Por exemplo, doses de vitamina E de até 800 e 400 UI/dia levam a uma redução nas doenças cardiovasculares (em 53%). No entanto, a resposta sobre a eficácia dos antioxidantes só será obtida em grandes estudos controlados (com 8.000 a 40.000 pacientes), realizados em 1997.

As forças protetoras que mantêm a taxa de LPO em um determinado nível incluem sistemas enzimáticos que inibem a peroxidação e antioxidantes naturais. Existem 3 níveis de regulação da taxa de oxidação de radicais livres. O primeiro estágio é o antioxigênio, que mantém uma pressão parcial de oxigênio razoavelmente baixa na célula. Isso inclui principalmente enzimas respiratórias que competem por oxigênio. Apesar da ampla variabilidade da absorção de O3 no corpo e da liberação de CO2 dele, pO2 e pCO2 no sangue arterial normalmente permanecem razoavelmente constantes. O segundo estágio de proteção é antirradical. Consiste em várias substâncias presentes no corpo (vitamina E, ácido ascórbico, alguns hormônios esteroides, etc.), que interrompem os processos de LPO interagindo com radicais livres. O terceiro estágio é o antiperóxido, que destrói peróxidos já formados com a ajuda de enzimas apropriadas ou não enzimaticamente. No entanto, ainda não há uma classificação unificada e visões unificadas sobre os mecanismos que regulam a taxa de reações de radicais livres e a ação das forças protetoras que garantem a utilização dos produtos finais da peroxidação lipídica.

Acredita-se que, dependendo da intensidade e da duração, as alterações na regulação das reações de LPO podem: em primeiro lugar, ser reversíveis com um subsequente retorno ao normal; em segundo lugar, levar a uma transição para outro nível de autorregulação; e, em terceiro lugar, alguns dos efeitos desunem esse mecanismo de autorregulação e, consequentemente, levam à impossibilidade de implementar funções regulatórias. É por isso que compreender o papel regulatório das reações de LPO sob condições de exposição a fatores extremos, em particular o frio, é uma etapa necessária da pesquisa que visa desenvolver métodos com base científica para o gerenciamento de processos de adaptação e terapia complexa, prevenção e reabilitação das doenças mais comuns.

Um dos mais frequentemente utilizados e eficazes é um complexo de antioxidantes, que inclui tocoferol, ascorbato e metionina. Analisando o mecanismo de ação de cada um dos antioxidantes utilizados, observou-se o seguinte: os microssomos são um dos principais locais de acumulação de tocoferol introduzido exogenamente nas células hepáticas. O ácido ascórbico, que é oxidado a ácido desidroascórbico, pode atuar como um possível doador de prótons. Além disso, foi demonstrada a capacidade do ácido ascórbico de interagir diretamente com o oxigênio singlete, o radical hidroxila e o radical ânion superóxido, bem como de destruir o peróxido de hidrogênio. Há também evidências de que o tocoferol em microssomos pode ser regenerado por tiois e, em particular, pela glutationa reduzida.

Assim, existem vários sistemas antioxidantes interligados no corpo, cuja principal função é manter as reações oxidativas enzimáticas e não enzimáticas em um nível estável. Em cada estágio do desenvolvimento das reações de peróxido, há um sistema especializado que desempenha essas funções. Alguns desses sistemas são estritamente específicos, outros, como a glutationa peroxidase e o tocoferol, têm maior amplitude de ação e menor especificidade de substrato. A aditividade da interação dos sistemas antioxidantes enzimáticos e não enzimáticos entre si garante a resistência do corpo a fatores extremos que possuem propriedades pró-oxidantes, ou seja, a capacidade de criar condições no corpo que predispõem à produção de formas ativadas de oxigênio e à ativação de reações de peroxidação lipídica. Não há dúvida de que a ativação das reações de peroxidação lipídica é observada sob a influência de uma série de fatores ambientais no corpo e em processos patológicos de várias naturezas. De acordo com V. Yu. Kulikov et al. (1988), dependendo dos mecanismos de ativação das reações de LPO, todos os fatores que afetam o corpo podem ser divididos com um certo grau de probabilidade nos seguintes grupos.

Fatores de natureza físico-química que contribuem para o aumento de precursores teciduais e ativadores diretos das reações de LPO:

• oxigênio sob pressão;
• ozônio;
• óxido nítrico;
• radiação ionizante, etc.

Fatores de natureza biológica:

• processos de fagocitose;
• destruição de células e membranas celulares;
• sistemas para geração de formas de oxigênio ativado.

Fatores que determinam a atividade dos sistemas antioxidantes do corpo de natureza enzimática e não enzimática:

• atividade de processos associados à indução de sistemas antioxidantes de natureza enzimática;
• fatores genéticos associados à depressão de uma ou outra enzima que regula as reações de peroxidação lipídica (deficiência de glutationa peroxidase, catalase, etc.);
• fatores nutricionais (falta de tocoferol, selênio, outros microelementos, etc. nos alimentos);
• estrutura das membranas celulares;
• a natureza da relação entre antioxidantes de natureza enzimática e não enzimática.

Fatores de risco que potencializam a ativação das reações de LPO:

• ativação do regime de oxigênio do corpo;
• estado de estresse (frio, temperatura elevada, hipóxia, impacto emocional e doloroso);
• hiperlipidemia.

Assim, a ativação das reações de LPO no corpo está intimamente relacionada ao funcionamento dos sistemas de transporte e utilização de oxigênio. Adaptógenos merecem atenção especial, incluindo o amplamente utilizado eleutherococcus. A preparação da raiz desta planta possui propriedades tônicas gerais, adaptogênicas, antiestresse, antiateroscleróticas, antidiabéticas e outras, reduzindo a morbidade geral, incluindo a gripe. Ao estudar os mecanismos bioquímicos de ação dos antioxidantes em humanos, animais e plantas, a gama de condições patológicas para o tratamento das quais os antioxidantes são usados expandiu-se significativamente. Os antioxidantes são usados com sucesso como adaptógenos para proteção contra danos causados pela radiação, tratamento de feridas e queimaduras, tuberculose, doenças cardiovasculares, distúrbios neuropsiquiátricos, neoplasias, diabetes, etc. Naturalmente, o interesse nos mecanismos subjacentes a essa ação universal dos antioxidantes tem aumentado.

Atualmente, foi estabelecido experimentalmente que a eficiência dos antioxidantes é determinada por sua atividade na inibição da peroxidação lipídica devido à interação com peróxido e outros radicais que iniciam a LPO, bem como devido aos efeitos dos antioxidantes na estrutura da membrana, facilitando o acesso do oxigênio aos lipídios. A LPO também pode mudar com um sistema mediado de ação antioxidante por mecanismos neuro-hormonais. Foi demonstrado que os antioxidantes afetam a liberação de neurotransmissores e hormônios, a sensibilidade do receptor e sua ligação. Por sua vez, uma mudança na concentração de hormônios e neurotransmissores altera a intensidade da LPO nas células-alvo, o que leva a uma mudança na taxa de catabolismo lipídico e, como consequência, a uma mudança em sua composição. A relação entre a taxa de LPO e uma mudança no espectro de fosfolipídios da membrana desempenha um papel regulador. Um sistema regulador semelhante foi encontrado nas membranas celulares de animais, plantas e organismos microbianos. Como se sabe, a composição e a fluidez dos lipídios da membrana afetam a atividade de proteínas, enzimas e receptores da membrana. Por meio desse sistema de regulação, os antioxidantes atuam na reparação da membrana, alterando o estado patológico do organismo, normalizando sua composição, estrutura e atividade funcional. Alterações na atividade das enzimas que sintetizam macromoléculas e na composição da matriz nuclear, com alterações na composição dos lipídios da membrana, causadas pela ação dos antioxidantes, podem ser explicadas por sua influência na síntese de DNA, RNA e proteínas. Ao mesmo tempo, surgiram na literatura dados sobre a interação direta de antioxidantes com macromoléculas.

Esses dados, assim como os dados recentemente descobertos sobre a eficácia de antioxidantes em concentrações picomolares, destacam o papel das vias receptoras em seu efeito sobre o metabolismo celular. No trabalho de V. E. Kagan (1981) sobre os mecanismos de modificação estrutural e funcional de biomembranas, foi demonstrado que a dependência da taxa de reações de LPO em biomembranas depende não apenas de sua composição em ácidos graxos (grau de insaturação), mas também da organização estrutural da fase lipídica das membranas (mobilidade molecular dos lipídios, força das interações proteína-lipídio e lipídio-lipídio). Foi descoberto que, como resultado do acúmulo de produtos de LPO, ocorre redistribuição de lipídios na membrana: a quantidade de lipídios líquidos na biocamada diminui, a quantidade de lipídios imobilizados por proteínas da membrana diminui e a quantidade de lipídios ordenados na biocamada (aglomerados) aumenta. V.

Ao estudar a natureza, composição e mecanismo de homeostase do sistema antioxidante, foi demonstrado que a manifestação do efeito prejudicial dos radicais livres e compostos peróxidos é prevenida por um complexo sistema antioxidante multicomponente (AOS), que fornece ligação e modificação de radicais, prevenindo a formação ou destruição de peróxidos. Inclui: substâncias orgânicas hidrofílicas e hidrofóbicas com propriedades redutoras; enzimas que mantêm a homeostase dessas substâncias; enzimas antiperóxido. Entre os antioxidantes naturais, existem lipídios (hormônios esteroides, vitaminas E, A, K, flavonoides e polifenóis vitamina P, ubiquinona) e substâncias hidrossolúveis (tiois de baixo peso molecular, ácido ascórbico). Essas substâncias capturam radicais livres ou destroem compostos peróxidos.

Uma parte dos antioxidantes teciduais tem caráter hidrofílico, a outra, hidrofóbico, o que possibilita a proteção simultânea de moléculas funcionalmente importantes contra agentes oxidantes nas fases aquosa e lipídica.

A quantidade total de bioantioxidantes cria um "sistema antioxidante tampão" nos tecidos, que possui uma determinada capacidade, e a proporção dos sistemas pró-oxidante e antioxidante determina o chamado "estado antioxidante" do organismo. Há todos os motivos para acreditar que os tiois ocupam um lugar especial entre os antioxidantes teciduais. Isso é confirmado pelos seguintes fatos: alta reatividade dos grupos sulfidrila, devido à qual alguns tiois são oxidados a uma taxa muito alta; dependência da taxa de modificação oxidativa dos grupos SH em seu ambiente radicalar na molécula. Essa circunstância nos permite destacar um grupo especial de substâncias facilmente oxidáveis de uma variedade de compostos tiois, que desempenham funções específicas de antioxidantes: reversibilidade da reação de oxidação dos grupos sulfidrila em grupos dissulfeto, o que torna possível, em princípio, manter energeticamente a homeostase dos antioxidantes tiois na célula sem ativar sua biossíntese; capacidade dos tiois de exibir efeitos antirradicais e antiperóxidos. As propriedades hidrofílicas dos tiois determinam seu alto teor na fase aquosa da célula e a possibilidade de proteção contra danos oxidativos de moléculas biologicamente importantes de enzimas, ácidos nucleicos, hemoglobina, etc. Ao mesmo tempo, a presença de grupos apolares nos compostos tiois garante a possibilidade de sua atividade antioxidante na fase lipídica da célula. Assim, juntamente com substâncias de natureza lipídica, os compostos tiois desempenham um papel importante na proteção das estruturas celulares contra a ação de fatores oxidantes.

O ácido ascórbico também está sujeito à oxidação nos tecidos corporais. Assim como os tiois, faz parte do AOS, participando da ligação de radicais livres e da destruição de peróxidos. O ácido ascórbico, cuja molécula contém grupos polares e apolares, exibe estreita interação funcional com a SH-glutationa e antioxidantes lipídicos, potencializando o efeito destes últimos e prevenindo a peroxidação lipídica. Aparentemente, os antioxidantes tióis desempenham um papel fundamental na proteção dos principais componentes estruturais das membranas biológicas, como fosfolipídios ou proteínas imersas na camada lipídica.

Por sua vez, os antioxidantes hidrossolúveis – compostos tiol e ácido ascórbico – exercem sua ação protetora principalmente em meio aquoso – o citoplasma celular ou o plasma sanguíneo. Deve-se ter em mente que o sistema sanguíneo é um ambiente interno que desempenha um papel decisivo nas reações específicas e não específicas de defesa do organismo, afetando sua resistência e reatividade.

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Radicais livres na patologia

A questão das relações de causa e efeito nas alterações na intensidade da peroxidação lipídica na dinâmica do desenvolvimento de doenças ainda é discutida na literatura. Segundo alguns autores, a violação da estacionariedade desse processo é a principal causa das doenças mencionadas, enquanto outros acreditam que a alteração na intensidade da peroxidação lipídica seja consequência desses processos patológicos, iniciados por mecanismos completamente diferentes.

Pesquisas realizadas nos últimos anos demonstraram que alterações na intensidade da oxidação dos radicais livres acompanham doenças de diversas origens, o que confirma a tese sobre a natureza biológica geral dos danos causados pelos radicais livres às células. Há evidências suficientes da participação patogênica dos danos causados pelos radicais livres às moléculas, células, órgãos e ao corpo como um todo, bem como do sucesso do tratamento com medicamentos farmacológicos com propriedades antioxidantes.