Serbest radikaller, bir veya daha fazla eşlenmemiş elektron taşıyan ve genellikle çok reaktif olan kimyasal maddelerdir. Bir atom veya molekül bir orbital üzerinde bir veya daha fazla eşlenmemiş elektron taşıyorsa radikal olarak tanımlanır. Normalde kimyasal olarak bağlanmış iki veya daha fazla elektron içeren moleküllerin elektron düzeni, stabilitelerini belirler. Molekül üzerinde eşlenmemiş elektron varsa, son derece reaktif davranır ve stabil konuma geçmek için bir elektronla çift oluşturma eğilimi gösterir.
Serbest radikallerin başka bir oluşma nedeni de oksijendir. Her ne kadar tüm hayati fonksiyonlar için gerekli olsa da, solunum yoluyla vücudumuza giren oksijenin insan sağlığı için tehlikeli bir yanı da bulunmaktadır. Oksijen olmadan besin yoluyla alınan ve tüm hayati fonksiyonlar için gerekli olan enerjinin açığa çıkması mümkün değildir. Ancak tıpkı oksijenle temas eden bir metalin zamanla paslanması gibi oksijenin hücrede kullanılması sırasında çevredeki moleküller de okside olabilir. Bu şekilde ortaya çıkan ve kontrol altında tutulamayan serbest radikaller hücrenin protein, yağ ve genetik materyal gibi önemli maddelerine saldırır. Hücre harap olurken kimyasal reaksiyonlar zinciri başlar ve bu reaksiyonlar sonunda da daha çok serbest radikal ortaya çıkar. Ayrıca insan vücudu yaşlandıkça antioksidan savunma sistemleri de gücünü sürekli kaybeder. Hücrelerin kendi kendini tamir etme özelliği azalır. Tüm bu yıpratıcı gelişmeler sonucunda ise kanser, kalp hastalığı gibi hastalıkların riski artar.
Reaktif oksijen türleri (ROS) kimyasal olarak reaktif, bir veya daha fazla oksijen atomu içeren moleküller olarak tanımlanmaktadır. Reaktif oksijen türleri serbest radikalleri
edilmektedir (Kaur vd., 2001). Günümüzde yapılan araştırmalar alzheimer, parkinson, hungtington gibi nörodejeneratif hastalıklar başta olmak üzere, arteroskleroz, diyabet, romatoid artrit, yaşlanmaya bağlı bazı hastalıklar, otoimmün hastalıklar ve çeşitli kanser türleri gibi birçok önemli hastalığın oluşumunda serbest radikallerin büyük bir rolü olduğunu göstermektedir (Süzen, 2006, 2007).
Oksidasyon, bir atomdan diğer bir atoma elektron transferidir. Metabolizmamızın ve aerobik yaşamımızın temel enerji kaynağı ATP oluşumunda elektron akışı ile gerçekleşir ve bunun temel kaynağı da oksijendir (Davies, 1995). Ancak, elektron akışı tek elektron üzerinden olur ve böylece serbest radikaller oluşur. Örneğin, ROS olarak bilinen oksijen-merkezli serbest radikaller bu şekilde oluşur. Bu reaktif oksijen türleri, süperoksit (O 2 - ), peroksit (ROO . ), alkoksil (RO . ), hidroksil( .
OH ) ve nitrit oksit (NO
.
) radikalleridir. Çok reaktif özellikte olan hidroksil radikalinin yarı ömrü 1. 10-9 saniyedir. Hücredeki moleküllere çok hızlı atak yapar ve büyük bir olasılıkla onlara zarar vermesi kaçınılmazdır. Diğer yandan, nitrit oksit radikali, lipit peroksit ve süperoksit radikalinden daha az reaktiftir (Ames, 1993).
Bu reaktif oksijen radikallerine ek olarak, canlı organizmalarda singlet oksijen (1O2
), hidrojen peroksit (H2O2) ve hipoklorik asit (HOCl) gibi ROS olmayan radikal türleri de
vardır. Reaktif oksijen türlerinin in vivo da farklı rol oynadıklarını kabul etmek gerekir. Bazıları pozitiftir, hücre büyümesinin düzeni, hücreler arası etkileşim ve biyolojik olarak sentezlenen önemli bileşikler için gerekli olan enerji üretimini sağlarlar ( Halliwell, 1997 ). Bununla birlikte, doku veya enzim proteinlere, hücre membranındaki lipitlere ve DNA’ya saldırarak hasara neden olurlar. Oksidasyona neden olduklarından bu oksidatif hasarın, kalp hastalıkları, katarakt, kanser ve felç gibi hastalıklara ettirgen rol oynadığı düşünülmektedir (Blake, 1995, Halliwell ve Gutteridge, 1999).
Şekil 5. Serbest Oksijen Radikallerin Hücrede Etkileri
1.5.1. Süperoksit Radikali (O2˙)
Süperoksit radikali, oksijen molekülünün bir elektron kabul etmesi ile oluşur. Oksijen toksisitesinin temel nedenidir. Diğer radikallerin oluşması süperoksit radikalinin birikmesine bağlıdır. Süperoksit radikali en kolay ve en çok oluşan radikaldir ama aktivitesi düşüktür (Wheeler vd., 1990). Ancak diğer radikallerin oluşmasına yol açması bakımından önemlidir. Süperoksit oluşumu özellikle mitokondri iç zarındaki solunum zincirinde elektronca zengin aerobik ortamda spontan olarak meydana gelir. Süperoksit radikali ksantin oksidaz ve bir grup flavoenzimler tarafından oluşturulmaktadır (Nordberg vd., 2001).
O2 + eˉ → O2 ¯
Süperoksit radikali bir serbest radikal olmakla birlikte, direkt olarak fazla zarar vermez. Asıl önemi, hidrojen peroksit kaynağı olması ve geçiş metallerini indirgemesidir.
Sit c (Fe+3) + O2
.
¯+ H+ → O2 + Sit c (Fe+2)
Süperoksit radikali ile peroksit radikali birbirleriyle tepkimeye girerse biri okside olur, diğeri indirgenir.
HO
.
¯ + O
.
1.5.2. Hidrojen Peroksit (H2O2)
Hidrojen peroksit radikali oksijen molekülüne iki adet elektron eklenmesi ile oluşur.
O2
.
¯ + eˉ + 2 H+ →H2O2
O2 + 2 eˉ + 2 H+ →H2O2
Süperoksit radikali sulu ortamlarda dismutasyona uğrayarak hidrojen peroksit radikalini oluşturur (Gutteridge vd., 1995).
2 O2˙ + 2 H+ → H2O2 + O2
H2O2 bir serbest radikal değildir, fakat biyolojik membranlara kolaylıkla
girebilmesinden dolayı oldukça önemlidir. H2O2 geçiş metallerinin varlığında en önemli
ROS olan OH radikalinin oluşumunu sağlar. (Nordberg vd., 2001).
Hidrojen peroksit bir serbest radikal olmadığı halde reaktif oksijen bileşikleri kapsamına girer. Çünkü Fe+2
veya diğer geçiş metallerinin varlığında Fenton reaksiyonu, O2 - radikalinin varlığında Haber-Weiss reaksiyonu sonucu en reaktif ve zarar verici
serbest oksijen radikali olan OH radikalini oluşturur (Özden, 2006). Fe+2 + H2O2 → Fe+3 + OH (Fenton Reaksiyonu)
O2˙+ H2O2 → OH + OHˉ+ O2 (Haber – Weiss Reaksiyonu)
1.5.3. Hidroksil Radikali (˙OH)
Hidroksil radikali oksijen molekülüne üç elektron eklenmesi ile oluşur. OH biyolojik sistemlere diğer ROS'lardan daha fazla hasar veren, biyomoleküllerle reaksiyona girebilen güçlü bir radikaldir (Nordberg vd., 2001). OH radikali canlı hücrelerde bulunan bütün moleküllerle reaksiyona girebilmektedir (Cheeseman vd., 1993). Lipit peroksidasyonunu başlatabilir, DNA iplikçiklerinde kırılmalara neden olabilir ve hemen her organik molekülü, ayırım yapmadan okside edebilir (McCord, 2000).
H‒O‒H→H˙ + OH
Fe+2 + H2O2 → Fe+3 + OH + OH
1.5.4. Singlet Oksijen
Enerji absorbsiyonu ile oksijenin paylaşılmamış dış elektronlarını değiştirerek aynı veya farklı orbitale yerleşebilirler. Uyarılmış haldeki bu oksijene singlet oksijen denir. Singlet oksijen, DNA, RNA, proteinler, lipitler ve sterolleri kapsayan çok sayıda biyolojik hedeflerle reaksiyona girerek hücrede zararlı etkilere sebep olur (Davies, 2003).
1.5.5. Nitrik Oksit (NO)
Orbitalinde taşıdığı eşleşmemiş tek elektronu nedeniyle radikal özellikte olan nitrik oksit (NO) O2 - gibi çok reaktif değildir. Diğer serbest radikaller ile (peroksil ve alkil
radikaller gibi) kolayca reaksiyona girerek, bir serbest radikal temizleyicisi fonksiyonu da gördüğü ve hücre membranında lipid peroksidasyonunu önlediği bildirilmektedir (Rubbo vd., 2000). Eğer O2 -, NO ile eşit miktarlarda üretilirse birbirleriyle reaksiyona girerek
yüksek derecede sitotoksik peroksinitrit (OONO-
) anyonu oluştururlar. Peroksinitrit doğrudan veya reaksiyon ürünleri yoluyla LDL’nin oksidasyonuna, seruloplazmini yıkımlayarak bakır iyonlarının serbest kalmasına sebep olması yanında çoğu yangısal durumda gözlendiği gibi farklı proteinlerdeki tirozin aminoasitlerine zarar vermektedir (Halliwell, 1999a).