Beslenme ve Diyet Dergisi / J. Nııtr. and Diet., 24(2): 303-312, 1995
SERBEST RADİKALLER ve BAZI HASTALIKLARLA İLİŞKİSİ
Doç.Dr. Fatma SAĞLAM
L i p i d p e r o k s i d a s y o n u , b i y o l o j i k m e m b r a n l a r d a s e r b e s t r a d i k a l l e r i n n e d e n o l d u ğ u v e f o n k s i y o n k a y b ı il e h ü c r e ö l ü m l e r i n e y o l a ç a n z i n c i r l e m e b i r r e a k s i y o n s ü r e c i d i r . B u d e r l e m e d e s e r b e s t r a d i k a l l e r i n e t k i s i y l e o l u ş a n l i p i t p e r o k s i d a s y o n u n b a z ı p a t o l o j i k d u r u m l a r l a il in tis i ü z e r i n d e y a p ı l a n a r a ş t ı r m a l a r d e r l e n m i ş t i r . A n a h t a r s ö z c ü k l e r : S e r b e s t r a d i k a l l e r , a k t i f o k s i je n r a d i k a l l e r i , lipit p e r o k s i d a s y o n u , h a s t a l ı k l a r K e y w o r d s : F r e e r a d i c a l s , r e a c t i v e o x y g e n r a d i c a l s , l i p i d p e r o x i d a t i o n , d is e a s e s
GİRİŞ
Son yıllarda a k ti f oksijen türleri ve bu nların biyo lojik sistem d eki etkinliği konusunda yoğun çalışm alar y a p ılm aktad ır (1). Serbest radikaller o r g a n iz m a d a h em n o rm a l m e ta b o li z m a n ın yan ü rü n ü o la r a k h em de İyonlaştırıcı radyasyon, ilaçlar ve diğer zararlı kimyasal maddelerin etkisiyle o lu şa b ilm e k te d ir (2). Lipid pe ro k sid a sy o n u m em b ran fo sfo lip id le rin in o k sid a tif değişim sürecidir ve serbest radikaller lipid peroksidasyonunu b a ş la ta n tem e l m a d d e le r d ir (3). L ipid p e r o k s i d a s y o n u n u n P a r k in s o n hastalığı, D o w n sendromu, m uhtem elen şizofreni ve A lzheim er hastalığı k a n s e r ve y a ş l a n m a d a e tk ili o ld u ğ u d ü ş ü n ü l m e k t e d i r (3 -5 ) . A y rıc a peroksidasyonun aterosklerozis de önem li olduğu ve serebral iskemi ve kafa travm ası gibi beyin hasarına neden olan durum lardan sonra gelişen beyin disfoksiyonunda ve beyin hücresi ö lü m ü nd e serbest oksijen radikallerinin rolü olduğu belirtilm ektedir (5-7).
SERBEST RADİKALLER VE REAK TİF OKSİJEN TÜRLERİ Bir atom ya da molekülün yapısındaki elektronlar çekirdeğin etrafında yer alan yörüngede bulunurlar. Her bir yörünge iki adet elektron içerir. Eğer yörüngede bir elektron var ise bu elektron çiftlenme eğilimindedir. Serbest radikaller dış orbitallerinde paylaşılmamış elektron içeren reaktif ve kısa ömürlü moleküllerdir. Çiftlenmemiş elektron molekül formülünün yanına eklenen bir nokta (•) ile belirtilir. Bir tek elektron çiftlenmek eğilimde olduğu için serbest radikaller ileri derecede reaktiftirler (2-4,7). Moleküler oksijenin toksik oksijen radikallerine dönüşümü m itokondrial veya m ikrosomal elektron transport zinciri yoluyla tek elektron transferi ile veya ksantiıı oksidaz, aldehit oksidaz, flavin dehidrojenaz, amin oksidaz v.s gibi oksidant enzim sistemleri üzerinden gerçekleşir (8). Sitotoksik olan bazı oksijen türleri aşağıda gösterilmiştir (2,3).
O,*: Süperoksitradikali, HO,* : Hidroperoksitradikali, H , 0 , : Hidrojen peroksit radikali, OH- : Hidroksil radikali, ROO* : Peroksit radikali (R=lipid), 0 2: Singlet oksijen.
Moleküler oksijen bir atom y a da molekül ile okside olduğunda bir elektron alır ve böylece oksijenin indirgenmiş reaktif serbest radikalleri oluşur (3).
Serbest Oksijen Radikali Oluşumunu Arttıran Faktörler (3).
1 .İntrasellüler Faktörler: Hiperbarik oksijen, kısmi iskemi, yaşlan ma, transplantasyon, kimyasal ajanlar. 2.Ekstrasellüler Faktörler: Y anık , v a s k ü l i t , i m m ü n y e t m e z l i k ,
konnektifdoku hastalıkları, enfeksiyonlar. 3 .İntrasellüler ve Ekstrasellüler Faktörler: Tedavi amaçlı radyasyon,
ultraviyole, kimyasal kar- sinojenler.
SERBEST R A D İK A L LER İN ZARARLI ETKİLERİ
Serbest radikaller reaktif yapılarından dolayı başta lipitler, proteinler ve nükleik asitler olmak üzere yükseltgenebilen tüm hücre elemanları ile etkileşirler. Hücre dışında oluşan serbest radikaller hücre bileşinleri ile
etkileşm eden öııcc plazm a zarım g eçm ek zorundadırlar. Bu n e d enle plazm a zarı serbest radikal reaksiyonları için kritik bir h e d e f o luşturur (2). Tablo l 'd e s e rb e s t ra d ik a lle rin h ü c re e le m a n la rı ü z e rin d e k i z a ra r lı e tk ile ri g örü lm ektedir (2,3,9).
Tablo 1. Serbest Radikallerin Hücre Elemanları Üzerindeki Zararlı Etkileri
H ü c r e E l e m a n l a r ı Z a r a r l ı E t k i l e r i
Lipidlcr
Proteinler
Karbonhidratlar
Çeşitli organeller ile plazma zarındaki çoklu doymamış yağ asitlerinin peroksidasyonu. Hücre membranlarındaki kolesterol ve doymamış yağ asitleri serbest radikallerle kolayca reaksiyona girerler ve lipid peroksidasyonu başlar. Serbest radikaller aminoasitlerle reaksiyona girerek sül- fidril gruplarının kaybına, karboksil gruplarının oluşumuna yol açarlar. Bu durum protein yapısındaki enzimlerin spesifik aktiviteleriııi ortadan kaldırır.
Polisakkaritlerin depolimerizasyonuna neden olurlar DN A Nükleik asitler veDNA B az h id ro k s ila s y o n u , ç a p ra z b a ğ la m ala r,
iplikçiklerinin kırılması ve mutasyonlar görülür.
O rgan ve dokuları oluşturan h üc re ler sıcak, soğuk radyasyon, çeşitli k im yasallar ve serbest radikaller gibi etkenlere karşı koy m ak zorundadırlar. S e rb est radikaller m eta b o liz m a sırasında bazı b iyo kim yasal te p k im e le r so n u c u oluşurlar. G e re k dış e tk ile r g e re k se serb est ra d ik a lle r h ü c re le r ü z e rin d e sürekli o k s id a s y o n stresi y aratırlar. O k s id a sy o n stresi b eden çalışm asında, işlevi olan birçok m o lekülün bozulm asına n eden olur. Bu m o l e k ü ll e r i n b a ş lıc a la rı: p r o te in le r, n ü k l e i k a s it le r ( D N A , R N A ) ve lip itle rd ir. Bu m o le k ü lle rd e k i b o z u k lu k la r işlev g ö r m e y e n h ü c r e le r in a rtm a s ıy la sonuçlanır. Bu da o rg a n ve sistem d ü z e y in d e y a ş la ilintili d eje n e ra sy o n ve hastalıkların o luşm asına neden olur (10,11). Yaşlanm a ile ilgili son zam anlarda ortaya atılan üç h ipotez vardır. Serbest radikaller glikasyoıı ve maillard yaşlanm a teorileri. Birincisinde, y aşla ilgili etkilerin selüler düzeyde zarar veren serbest radikal reaksiyonlarına bağlı olduğu, İk in c isin d e n o n e n z im a tik g likasyoıı p a r ç a la n m a s ın ın g ö rü ld ü ğ ü ve en so n u n c u su n d a da maillard reaksiyonları sonuncunda m akrom oleküİlerin m odifikasy on un un yaşlan m an ın tem el nedeni olduğu ileri sürülm ektedir.
Bu hipo tezler b ağım sız o lara k fo rm ü le edilm iş olm alarına rağm en son çalışm alar serbest radikaller glikasyon ve maillard reaksiyonlarının aslında d a h a k o m le k s ve te k b ir b iy o k im y a s a l y o lu n kısm ı o la r a k in te r a k t if
elemanları olabileceklerini gösterm ektedir (12).
L İ P İ D P E R O K S İ D A S Y O N U
Serbest radikaller hemen hemen bütün biyokimyasal maddelerle (amino asit, nükleik asit, organik asit, şeker, fosfolipid) kolaylıkla reaksiyona giıerler.Bu reaksiyonlar da diğer organik maddelerin oluşm asına yol açarlar. Reaksiyonlar içerisinde en önemlisi hidroksil radikalinin (Ol 1), ınembran fosfolipidleri ile reaksiyona girerek lipid peıoksidasyonunu başlatmasıdır. Kısacası serbest radikaller lipid peroksidasyoııunu başlatan temel m add e lerdir. Hücre zarları oksidasyona duyarlı ve d oym am ış yağ asitlerinden zengin olan fosfolipidleri içerirler. Hücre zarının akıcılığı fosfolipidleıdeki doym uş y a ğ asitlerinin d oym am ış y a ğ asitlerine olan o ranına bağlıdır. Fosfolipidlerin y a ğ asidi bileşimi diyetle alman yağın tür ve miktarına bağlı olarak değişmektedir, n-3 serisi yağ asitlerinin en önemli fizyolojik rolü, hücre zarı bileşiminde yer alarak istenen düzeyde akıcılığı sağlamaktır. Çünkü elektriksel uyarıların başlatılması ve sürdürülmesinde akıcılık çok önemli bir rol oynar (13). Lipid peroksidasyonu ınembran fosfolipidleriniıı oksidatif değişim sürecidir. Serbest radikaller oksijen varlığında doymamış yağ asitlerinin çift bağlarını kıran zincirleme bir reaksiyon meydana getirirler ve tüm yeni oluşmuş kimyasal radikaller tükenene dek bu reaksiyon devam eder. Doymamış yağ asidi oksidasyonunuıı yan ürünü olan malondialdehit (M D A ), p r o te in le ri ve f o s fo lip id le ri ç a p ra z b a ğ la y a ra k m e m b r a n d a polimerizasyona, iyon transportunun ve enzim aktivitesinin bozulmasına neden olur. Hücre ınembran dayanıklığı bozulur geçirgenlik etkilenir, ınembran potansiyeli oluşturabilme yeteneği zarar görür. 1 Iücrc içinde aşırı kalsiyum birikir ve hücre ölümü görülür (3) (Şekil I ).
Liııoleik asitten oluşan araşidonik asit ve alfalinolenik asitten oluşan EPA, eikosaııoidlerin (prostoglandinler, tromboksanlar ve lekotrinlcrin) ön öğeleridir. Araşidonik asitten bir yandan prostoglandiıı Ci2 diğer yandan Lekotrin 4 ve 5 oluşur (14).
Şekil 2'de araşidonik asit metabolizmasının serbest radikal yan ürünleri görülmektedir (9).
S E R B E S T R A D İK A LLE R VE BAZI HA S TA LIK LA R LA İLİŞ KİSİ
ı____________________________________________________________________________________ ı
A R A Ş İ D O N İ K A SİT
H İ D RO P E RO K S İ E İ K O Z AT E T R A E N O İK
I I İD R O P E R O K S İE İK O Z A T E T R A E N O İK A SİT
Şekil 2. A r asi d on i k Asit Metabolizmasının Serbest Radikal Yan Ürünleri.
Araşidonik asidin bioaktif ürünlere dönüşümü sırasında doku yıkanıma sebep olabilecek geniş spektrumlu oksijen, karbon vc hemoprotein serbest radikal ara ürünleri oluşmaktadır (4).
K o nto s'u n (15)yaptığı bir seri kafa travm ası d e n e y le rin d e artm ış fosfolipaz Cve araşidonik asit m etabolizm a ürünleri sonuncu serebral arteriyol hasarın oluştuğu ve bu hasarın bir siklooksijenaz inhibitörü olan endometazin veya radikal tutucu olan SOD ile önlenebileceğini göstermiştir.
SERBEST RADİKALLERE KARŞI SAVUNMA MEKANİZMALARI Serbest redikallerin yol açtığı hücre hasarının derecesi, hücre içindeki koruyucu sistemlerin etkinlik derecelerine bağlıdır. Savunma sistemlerini çeşitli serbest radikal tutucuları ve bazı enzimler oluşturmaktadır. Glutatyon peroksidaz'ın selenyuma bağımlı olan formu hidrojen peroksiti ve organik hidroperoksitleri indirger (2,3,9). (Şekil 3).
P E R O K S İT L İP O G E N A Z
S E R B E S T R A D İ K A L L E R - -Lipicl, Protein ve D N A ile R e a k siy o n E n z i m S a v u n m a Reaksiyonları S ito k ro m Oksiclaz S ü p e ro k s it d is m u ta z K a ta la z G lu ta ty o n p e ro k s id a z Glu talyoıı re d ü k la z
S e rb es t Radik al Tutu cuları Tokoferolle r
A s k o rb ik asit K aro ten o id ler G luta tyon B iyoilavonoidler Sü p ero k s it H ü c re s e l ---O ? + II2O2 d iz m u ta z K atala z II9O + O2 --- " A Glu ta tyon Pero ksid az
GSII --- ► GSSG
(Glutatyon)^________ (Glutatyon disüllid)
G lu ta tyon R edükta z
Şekil 3. Serbest Radikal Savunma Mekanizması (2,11).
N orm al m etabolizm ad a devamlı serbest radikaller oluştuğu için tüm a erobik h üc re ler bunların zararlı etkilerine karşı koruyucu m ek a n izm a la r geliştirirler (3). Savunm a sistemi; enzimler, antioksidantlar, nikotinam id, çinko ve karnitiıı gibi öğelerden oluşur (11).İdeal savunm a m ekanizm ası serb est radikal reaksiyonlarının tam olarak baskılanmasıdır. Bu inhibisyon prim er ya da önleyici antioksidantların fonksiyonudur. Bu antioksidantlar ya serbest radikal ürünlerini uzaklaştırırlar ya da katalizörleri inaktive ederler. Peroksit radikalleri koruyucu antioksidant engelini aşarsa sistem hemen se k o n d e ry a da reaksiyon zincirini kırıcı antioksidant engelini devreye sokar (3). Yaş ilerledikçe oksidasyon stresi artarken, savu nm a sisteminin etkinliği azalır. Yaşla, hücreleri yıpratıcı etkenler ile ona karşı koyan savunma sistemi a rasındaki deng enin bozulm ası hü crenin ölüm ü ile sonuçlanır (11). S ü p e r o k s it d is m ü ta z (S O D ), k a ta la z ve g lu ta ty o n p e ro k s id a z , serbest radikallerin birleşm esini ve lipid p e ro k sid asyonunun başlam asını önleyen enzim lerdir (2). Süperoksit dism utaz bilinen en önemli serbest radikal tutucu
sistemdir. Hücrenin mitokondriasındaki elektron transportu sırasında oluşan süperoksit radikalini yıkar. SOD'ın üretim yeri tam olarak bilinmemektedir. Katalaz ve glutatyon peroksidaz ise hidrojen porcksitiıı metabolize olmasını sağlarlar. Bu enzimlerin aktif oluşu cn zararlı oksijen kaynaklı radikal olan hidroksil radikalinin oluşumunu engellemektedir (2.3). İnsan vücudu bir enfeksiyon veya toksik kimyasal olayın veya radyasyon sonuncunda serbest radikallerin hasarına maruz kalır. Çinkonun hu tür yüksek reaktif türlerin oluşumunu sınırlandırdığı, doğal aııtioksidantlardan biri olan E vitamininin de bu etkiyi azalttığı ortaya konmuştur (16). E vitamini, hem mitokondrilerde hem de mikrozomlarda lipid peroksidatif hasara karşı koruyucudur. E vitaminin zarlara bağlı fonksiyonlarının şunlar olabileceği söylenmektedir. E vitamini 1-1 Iücre ve alt-lıücre zarlarında bulunan uzun zincirli doymamış yağ asitlerinin in vivo veya in \ itro bozulmalarına engel olur; 2- Doymamış yağ asidi özellikle araşidoııik asit içeren zarların geçirgenliklerini azaltır; ve 3- zarlara bağlı fosfolipidlerin in vivo fosfolipazlar tarafından bozulma sını önler (17). Antioksidant besinler; kanser, koroner kalp hastalıkları ve çeşitli diğer hastalıklardan koruycu etki göstermektedir. C ve E vitaminleri çok belirgin diyet antioksidantlarıdır. Bunların korujucu etkilerinin temel olarak hücre yapısında bozulmaya neden olan serbest radikallerin yok edilmesine dayalı olduğu düşünülm ektedir (18). Antioksidantlar lipid peroksidasyonuııu azaltarak ve karsinojenik bileşiklerin detoksifıkasyonunu arttırarak karsinogenezisi inhibe edebilirler (19). Serbest radikallerin başlattığı oksidasyon süreçleri kanser ve ateroskleıotik kalp hastalıkları gibi kronik ve dejeneratif hastalıkların oluşumuyla ilintilidir. Sigara dumanı çok sayıda radikal ve radikal oluşturan öğeler içerir. Bu öğeler askorbik asidin yıkımını hızlandırarak bedende tutulan miktarını azaltır. Böylece bedenin oksidantlara karşı antioksidant düzeyi düşer. Bu nedenle sigara dumanının bu lunduğu ortam da yaşayanların C vitam ini a lım larını a rttırm a ları g e re k m e k te d ir (20). A sk o rb ik asid in s e rb e st radika lle ri ind irged iğ i bilinmektedir. Radikaller, eritrositler veya düşük dansiteli lipoproteinleriıı sıvı süspansiyonlarında olduklarından askorbik asit, radikalleri membrana ve LDL'yc ulaşmadan yok eder (21). Santral sinir sisteminin gri ve beyaz cevherinde yüksek konsantrasyonlarda, askorbik asit bulunur. Tek başına yüksek konsantrasyonlarda bulunduğunda aııtioksidan olan askorbik asit, travma ve iskemide kanın ekstravazasyonu sonucu açığa çıkan bakır ve demir iyonlarının varlığında fazla miktarda serbest oksijen radikali oluşumuna neden olu r (3). G ü n ü m ü z d e ö z e llik le o ksijen kaynaklı rad ik a lle rin organizmaya etkileri ve bunların zararsız hale getirilmesi güncel bir konu haline gelmiştir.
S O N U Ç
Son y ılla r d a a k t i f o k s ij e n tü rle ri ve b u n ların b iy o lo jik s is te m d e k i etkinliğ i k o n u s u n d a y o ğ u n ç a lış m a la r yapılm aktad ır. Se rb est radikal dış y ö r ü n g e s i n d e ç iftle n m e m iş yani serbest bir elektron bu lu n d u ra n atom ya da m o le k ü lle r e denir. S e r b e s t rad ik a lle rin ve lipid p e ro k s id a sy o n ıı so n u c u o l u ş a n ç e ş i t l i ü r ü n l e r i n b a z ı p a t o l o j i k d u r u m l a r ı n ve h a s t a l ı k l a r ı n o l u ş u m u n d a ön e m li bir rol o y n a d ığ ı kabul edilm ektedir.
A B S T R A C T F R E E R A D I C A L S
S a ğ la m , F. In rec e n t y e a rs th e r e has been an in creasin g interest in a c tiv e ox y gen s p e c ie s and th eir im p lic a tio n s in several biological processes. A free rad i cal is d e fin e d as an y a to m o r m o lecu le in a particu lar state with o n e unpaired e le c tro n in o u te r orbit. Free rad icals m ediated lipid p ero x id a tio n have been a s s o c ia te d with the p a th o g e n e s is of m any diseases and clinical c on ditio ns.
KA YNAKLAR
1. Mello FAC. Meneghini R. In vivo formation o f single strand breaks in DNA b\ hydrogen peroxide is mediated by the Haber-Weis reaction. Biochem Biophys Acta 781:56-63.1984.
2. Yalçın S.S e r b e s t radikaller ve patolojik etkileri. Sendrom (Ekim) 40-42.1992 3. Ercan M. Deneysel Kafa Travmalarında Nimodipinin Beyin Korunmasında Lipid
Peroksidasyonıınu Ö nleyici Rolii. H.Ü.Tıp Fakültesi A nestezivoloji ve Reanimasyon Anabilim Dalı Uzmanlık Tezi, 1995.
4. I.ohr JB. Oxygen radicals and neuropsychiatrie illness. Some speculations. Arch Gen Psychiatry 48 ( 12): 1097-106.1991
5. Brown K M. Morrice PC. Duthie GG. Vitamin E supplementation suppresses indexes of lipid peroxidation and platelet counts in blood o f smokers and nonsmokers but plasma lipoprotein concentrations remain unchanged. Am J Clin Nun 60:383-387. 1994.
6. Ikeda Y. Anderson Jl I. Long DM. Oxygen free radicals in the genesis o f traumatic and peritumoral brain edema. Neurosiirgers 24:679-685. 1989.
7. Muizelaar JP. Marmarou A. Yound HF et al. Improving the outcome of severe head injury with the oxygen radical scavenger polyethylene glycol-conjugated superoxide dismutase. J Neurosurg 78 (3): 375-82, 1993.
8. Hinder RA. Stein HJ. Oxygen derived free radicals. Arch Surg 126: 104-105, 1991.
9. Freeman BA. Crapo JD. Biology of Disease. Free radicals and tissue injury. Laboratory Investigation. 47: 412-426, 1982.
10.Halliwcll B. Chirico S. Lipid peroxidation: Its mechanism measurement and significance Am J Clin Nutr 57(5): 715-725, 1993.
11. Baysal A. Yaşlılık ve Beslenme. Türkiye Diyetisyenler Derneği Yayını: 7. Çağın matbaası, 1994.
12. Kristal BS. YUBP An emerging hypothesis: Synergistic induction of again by free radicals and maillard reaction. J Gerontol. 47(4): B 107-14, 1992.
13.Taşçı N. Başoğlu S. Çoklu doymamış yağ asitleri ve sağlıkla ilişkileri. Beslenme ve Diyet Dergisi. 18:101-114, 1989.
14. Baysal A. Omega-3 yağ asitlerinin büyüme gelişme ve sağlık üzerine etkileri. Beslenme ve Diyet Dergisi, 20: 159-164, 1991.
15. Kontos HA. Oxygen radicals in cerebral vascular injury. Circ Res 57:508-516, 1985.
16. Willson RL. Free radical protection. Why vitamin E, not vitamin C, P carotene or glutathione? Biology of vitamin E. Pitman Books. London (Ciba Foundation Symmposium (01): 19-44, 1983.
17. Karaöz E. Karaöz S. E vitaminin biyolojik sistemdeki rolü. Beslenme vc Diyet Dergisi 21(1): 101-116, 1992.
18. Dawid W. Giraud MS H. Darlene Martin et al: Plasma and dietary vitamin C and E levels of tobacco chewers, smokers and nonusers. J Am Diet Assoc 95(7): 798-799, 1995.
19. Fiala E S. Reddy BS. Weisburger J H. Naturally occuring anticarcinogenic substances in foodsftufis. Ann Rev Nutr. 5:295,1985.
20. Tribble D L. Giuliano LJ. Portmann SP. Reduced plasma ascorbic acid concentrations in nonsmokers regularly exposed to environmental tobacco smoke. Am J Clin Nutr 58:886, 1993.
21.Niki E. Action of ascorbic acid as a scavcngen of active and stable oxygen radicals. Am J Clin Nutr 54 (6 suppl): 1119-1124, 1991.
