SERBEST RADİKALLER VE ÖNEMLERİ

(1)

1)

‹.Ü. Cerrahpaﬂa T›p Fakültesi Biyokimya Anabilim Dal›, Doç. Dr. Giriﬂ

S

erbest radikaller son y›llarda gittikçe artan bir

önemde tart›fl›lmaktad›r. Genellikle kabul edilen görüfl, diyabet, kanser gibi çeflitli durumlarda ser-best radikal düzeylerindeki art›fl›n hastal›klar›n direkt ne-deni olmay›p hastal›klar›n geliflmesi ve seyri ile ilgili pa-tolojilerin bir sonucu oldu¤udur. Serbest radikal hücre-nin normal metabolizmas› s›ras›nda da oluflmaktad›r. Ancak antioksidan sistemler kullan›larak serbest radikal hasar›ndan korunulmaktad›r. Çeflitli klinik patolojilerin ortaya ç›kmas›nda antioksidan sistemlerin yetersizli¤i veya eksikli¤i söz konusudur. Bu nedenle antioksidan uygulamalar araflt›r›lmaktad›r. Bu yaz›da serbest radikal-lerin oluflmas›, etkileri ve antioksidan savunma sistemle-ri özet bir flekilde ele al›nm›flt›r.

Serbest radikal reaksiyonlar› biyolojik sistemlerde önemli bir yer tutarlar. Serbest radikal, bir orbitalinde paylafl›lmam›fl bir elektron tafl›yan herhangi bir bilefliktir. Atomun yap›s›nda bulunan elektronlar orbital ad› verilen bölgelerde birbirine göre z›t yönde hareket ederler ve her orbitalde en fazla iki elektron bulunabilir. Elektronlar›n bu hareketine spin denir ve bu hareketlerinden dolay› manyetik bir alana sahiptirler. Ayn› orbitalde birbirine z›t spin’e sahip bir elektron çiftinin ise manyetik alan› yoktur. Ancak paylafl›lmam›fl elektron’a sahip molekül-ler bir manyetik alan yaratabilirmolekül-ler. Elektronlar orbitalle-rinde çift halinde bulunduklar›nda o bileflik daha kararl› ve sabit bir yap›ya sahip olur. Eksik elektronlu molekül-ler, herhangi bir molekül ile etkileflime girer ve bu mole-külden ya bir elektron al›r ya da bir elektron verirler. Bu

Aile Hek Derg 1997; 1(4): 197-200 S ü r e k l i T › p E € i t i m i

S

SE

ER

RB

BE

ES

ST

T R

RA

AD

D‹‹K

KA

AL

LL

LE

ER

R V

VE

E Ö

ÖN

NE

EM

ML

LE

ER

R‹‹

FREE RADICALS AND THEIR ROLES

Dildar Konuko€lu1

Ö Özzeett

Hücrelerde aerobik metabolizma yoluyla normal olarak toksik oksi-jen metabolitleri oluflur ve bu oluflum diyabet, ateroskleroz ve reper-füzyon hasar› gibi baz› patolojik koflullarda önemli derecede artar. E¤er antioksidan savunma kapasitesi bu oksidan oluflum karfl›s›nda yetersiz kal›rsa doku hasar› meydana gelir. Bu olay reaktif oksijen metabolitlerini tutan, oluflumlar›n› engelleyen veya endojen antiok-sidan kapasiteyi artt›ran çeflitli maddelerle, farmakolojik olarak farkl› mekanizmalarla etkilenir.

Bu yaz› serbest radikaller ve antioksidanlar ile bunlar›n sa¤l›k ve hastal›ktaki rolleri hakk›nda bilgi vermektedir.

A

Annaahhttaarr ssöözzccüükklleerr:: Antioksidan, oksijen, radikal

S

Suummmmaarryy

Toxic metabolites of oxygen are generated normally by aerobic metabolism in cells and this generation can significantly increase in certain pathologic conditions, eg. diabetes, atherosclerosis or reper-fusion damage. When endogenous antioxidant defense capabilities are exceeded by this oxidant flux, tissue injury occurs. This process can be intercepted pharmacologically at different levels with agents that scavenge reactive oxygen metabolites, block their generation, or enhance endogenous antioxidant capabilities.

This article provides the knowledge of free radicals and antioxidants and their roles in health and disease.

K

Keeyy wwoorrddss:: Antioxidant, oxygen, radical

1997 © Yay›n haklar› Türkiye Aile Hekimli€i Uzmanl›k Derne€i (TAHUD)’a aittir. Her hakk› sakl›d›r. Deomed Medikal Medya taraf›ndan yay›mlanmaktad›r. Copyright © 1997 Turkish Society of Family Practice. All rights reserved. Published by Deomed Medical Publishing, a division of Deomed Medical Media, Istanbul.

(2)

nedenle; serbest radikallerin reaksiyon gücü, radikal ol-mayan bileﬂiklerden daha fazlad›r.1,2

Serbest Radikal Kaynaklar›

1. Oksijen: Aerobik metabolizmas› olan memeliler-deki baﬂl›ca serbest radikal kayna¤›, oksijenin suya indir-genmesi s›ras›nda yer alan tek elektron aktarmalar› sonu-cunda oluﬂan reaktif partikülleridir.3_{Bu reaksiyonlar}

s›-ras› ile;

O2+ H++e → HO2hidroperoksil radikali HO2→ ++ O2. süperoksid radikali O2 + 2H+ +e → H2O2 hidrojen peroksid H2O2 + e → OH-+ OH hidroksil radikali

OH +e +H → H2O

Superoksid radikali; kuvvetli bir indirgeyici ajand›r. H›zl› bir flekilde dismutasyona u¤rayarak H2O2 ve O2 oluflturur. Protonlanm›fl flekli olan hidroperoksil radikali (HO2) daha kuvvetli bir oksidand›r. H2O2 ise zay›f bir oksidoredüktand›r. Ortamda transisyon metalleri (Fe, Cu gibi) olmad›¤›nda oldukça sabittir. Katalaz ve glutatyon peroksidaz (GSHPx) taraf›ndan parçalan›r.4 _{OH radikali;}

lipid peroksidasyonunu uyaran baﬂl›ca radikal olup supe-roksid radikalinden veya Fe iyonlar› etkisi ile H2O2’den oluﬂur.5

2. Aktive nötrofiller: Hipoklorik asid aktive nötrofil-lerden üretilen güçlü bir oksidand›r. Fagosit sitoplazma-s›nda bulunan ve HEM içeren bir enzim olan

miyelope-roksidaz (MPO), H2O2 ve Cl iyonlar›ndan hipoklorik

asid (HOCl) oluﬂumunu katalize eder. HOCl superoksid radikali veya demir tuzlar› ile reaksiyona girerek hidrok-sil radikalini oluﬂturur.6,7

3. Nitrik oksid: Nitrik oksid ve nitrojen dioksid tek say›l› elektron tafl›rlar, bundan dolay› da serbest radikal-lerdir. Nitrik oksit kendisi zay›f bir indirgeyici ajan ol-mas›na karfl›n endojen serbest radikaller ile birleflerek peroksinitrit radikalini meydana getirir. Bu güçlü bir ok-sidan olup kolayl›kla hidroksil radikalini oluflturabilir.2

4. Mitokondriyal elektron transport sistemi: Mito-kondride oksijenin suya indirgenmesi s›ras›nda iç memb-randa lokalize elektron transport zincirinin bir bölümü-nün otooksidasyonu ile süperoksid radikali oluﬂur.8

5. Endoplazmik retikulum: Bu hücre içi membranlar sitokrom P 450 ve sitokrom b5sistemlerini içermektedir-ler. Bu sistemler doymam›ﬂ ya¤ asidlerinin ve ksenobi-yotiklerin oksidasyonunda rol oynarlar. Bu reaksiyonla-r›n oluﬂumu s›ras›nda serbest radikaller meydana gelir.9

6. Peroksizomlar: Peroksizomlar yüksek oranda ok-sidaz içerdiklerinden güçlü bir hücresel H2O2 kayna¤› oluﬂtururlar. Bu peroksizomal enzimler aras›nda; D-Aminoasid oksidaz, ürat oksidaz, acil-KoA oksidaz bu-lunmaktad›r.10

7. Plazma membranlar›: Serbest radikal üretimine yol açan plazma membran enzimleri lipooksijenaz ve siklooksijenaz’d›r. Bu enzimlerin katalize etti¤i reaksi-yonlar sonucunda prostaglandinler, tromboksanlar, lo-kötrienler ve anafilaksinin yavaﬂ etkili maddesi sentezle-nir.11

Serbest Radikallerin Etkileri

Serbest radikaller oldukça reaktif moleküllerdir. Bir çok biyomolekül ile reaksiyona girerek çeflitli bileflikler olufltururlar. Bu bileflikler ço¤u kez toksik özellikler tafl›-maktad›rlar.

1. Serbest radikallerin proteinler üzerindeki etkileri: Proteinlerin serbest radikal hasar›na karfl› duyarl›l›¤›, aminoasid bileflimine, proteinin aktivasyonundan veya yap›s›n›n düzenlenmesinden sorumlu aminoasidlerin yerleflimine, hasarl› proteinin onar›labilirli¤ine ba¤l›d›r. Peptid ba¤lar›, prolin ve lizin gibi aminoasidler serbest radikallerden oldukça kolay etkilenirler.12

2. Serbest radikallerin nükleik asidler ve DNA üzeri-ndeki etkileri: ‹yonize radyasyondan kaynaklanan hücre mutasyonlar› ve ölüm, serbest radikallerin DNA ile reak-siyonu ile oluflur. Bu olaydan özellikle hidroksil radikali sorumlu tutulmaktad›r. Nükleik asid baz de¤iflimleri ve DNA’da zincir k›r›lmalar› sitotoksisite’ye neden olurlar. Tamir sistemlerindeki yetersizlik sonucu mutasyonlar geliflir.13,14

3. Serbest radikallerin lipidler üzerindeki etkisi: Li-pid peroksidasyonu serbest radikaller taraf›ndan baﬂlat›-lan ve membran yap›s›nda bulunan poliansatüre ya¤ asidlerinin oksidasyonunu içeren kimyasal bir olayd›r. Lipid peroksidasyonunu baﬂlatan radikaller, superoksid radikali, hidroksil radikali, peroksil radikal ve alkoksil radikali’dir. Demir iyonlar› özellikle lipid peroksidasyo-nununda önemli bir rol oynarlar.15 _{Lipid peroksidasyonu}

iki tiptir:

a. Nonenzimatik lipid peroksidasyonu: Herhangi bir radikalin poliansatüre ya¤ asidindeki metilen karbonundan hidrojen atomunu uzaklaﬂt›rmas›. b. Enzimatik lipid peroksidasyonu: Siklooksijenaz ve lipooksijenaz reaksiyonlar› sonucunda oluﬂan hidroperoksidler ve endoperoksidler.

Oksidatif hasar›n derecesini membran›n lipid/protein oran›, fosfolipidlerin miktar›, ya¤ asidlerinin bileflimi ve doymam›fll›k derecesi ve membran›n ak›flkanl›¤› etkiler.

Membran lipid peroksidasyonu sonucunda; hücrenin membran yap›s›ndaki hasar membran transport sistemle-rinde bozulmaya yol açar. Bunu iyon dengelerinin bozul-mas› ile hücre içi kalsiyum art›fl› ve buna ba¤l› proteaz-lar›n aktivitasyonu izler. Hücre içi organellerde de olu-flan lipid peroksidasyonuna ba¤l› membran hasar›n› ve çeflitli litik enzimlerin salg›lanmas› ve buna ba¤l› hasar art›fllar› izler.

(3)

Aile Hekimli¤i Dergisi Journal of Family Practice Cilt 1 Say› 4 1997 199

Radikallere Karﬂ› Savunma Sistemleri

Serbest radikallere karfl› vücutta ‘antioksidanlar’ ola-rak isimlendirilen savunma sistemleri bulunmaktad›r. Antioksidanlar çeflitli mekanizmalarla etkilerini göster-mektedirler.16 _{Bu mekanizmalar flunlard›r:}

1. Radikal oluﬂumunun s›n›rland›r›lmas›,

2. Tetiklenen biyokimyasal reaksiyonlar›n durdurul-mas›

3. Radikal reaksiyonlar›n›n sona erdirilmesi, 4. Oluﬂan radikallerin detoksifikasyonu, 5. Hasarl› moleküllerin ortadan kald›r›lmas›

Antioksidan moleküller yerleﬂim bölgelerine göre s›-n›fland›r›l›rlar:

a. Hücreiçi antioksidanlar;

Superoksid dismutaz (SOD): Superoksid radikalini uzaklaﬂt›r›r.17

Katalaz; yüksek konsantrasyonda oluﬂan hidrojen pe-roksidin’in detoksifikasyonunu sa¤lar.4

GSHPx; Düﬂük konsantrasyonda oluﬂan hidrojen pe-roksid’in detoksifikasyonunu sa¤lar.4

Sitokrom oksidaz; oksijen’in suya indirgenmesi s›ra-s›nda radikal oluﬂumunu önler.8

Glutatyon; hücre içi en önemli antioksidan olup pro-teinlerin aktif ﬂekilde kalmas›n› sa¤lar.18

b. Membranda bulunan antioksidanlar:

E vitamini; ya¤da erir, en kuvvetli antioksidan vita-mindir. Radikal reaksiyonlar› s›ras›nda zincirleme giden reaksiyonlar› bozmak suretiyle etki gösterir.19

A Vitamini (Beta karoten); radikal toplay›c› etkisi ile antioksidan etki göstermektedir.20

Membran›n yap›sal organizasyonu; fosfolipid/koles-terol oran› radikal hasar›nda önemlidir. Doymam›ﬂl›¤›n artmas› radikal etkisini artt›r›rken, fosfolipid art›ﬂ› sa-vunmay› güçlendirir.21

c. Hücre d›ﬂ› antioksidanlar;8

Transferrin; metal katalizli lipid peroksidasyonuna yol açan demir iyonlar›n› ba¤layarak serbest demir oluﬂ-mas›n› önler.

Laktoferrin; demir’i ba¤lamak suretiyle etkili olan süt proteinidir.

Haptoglobulin ve hemopeksin hemoglobini ba¤laya-rak serbest hemoglobin oluﬂumunu s›n›rlarlar.

Seruloplazmin; bak›r iyonlar›n› ba¤lamak suretiyle metal katalizli reaksiyonlar› k›s›tlar.

Ürik asid; radikal tutucu özelli¤i bulunmaktad›r. Askorbik asid; suda eriyen, antioksidan bir vitamin-dir, glutatyonla beraber E vitaminin antioksidan etkisin-de rol oynarlar.

SOD ve GSHPx; Plazmada çok k›s›tl› antioksidan et-kileri bulunmaktad›r.

Bilurubin,

Mukus; içerdi¤i enzimler aç›s›ndan antioksidan özel-lik taﬂ›maktad›r

Glukoz; fizyolojik konsantrasyonlarda antioksidan etkilidir. Yüksek konsantrasyonlarda radikal üretici ola-rak davranmaktad›r.

Radikal Hasarlar›n›n Klinik Önemi

Patojenezinde lipid peroksidasyonunun rol oynad›¤› çok say›da klinik tablo bulunmaktad›r; yaﬂlanma süre-ci,22 _{radyasyonunun toksik etkileri,}23 _{karsinojenik etkiler}

sonucu tümör geliﬂimi,13 _{iskemi, hemoraji, travma,}24,25

kronik metabolik hastal›klar; Diabetes Mellitus,26,27 _baz›

karaci¤er hastal›klar›,28 _yan›k29 _{ve ateroskleroz}30,31 _buna

örnek verilebilir.

Sonuç olarak reaktif oksijen molekülleri önemli hücre hasarlar›na neden olmaktad›rlar. Serbest radikal oluflumla-r›na ait mekanizmalar›n ayd›nlat›lmas› do¤al antioksidan-lar›n tedavi amaçl› kullan›m›na ve yeni antioksidan ilaçla-r›n gelifltirilmesinin hedeflenmesine yol açm›flt›r.

Kaynaklar

1

1.. DDeell MMaaeessttrroo RR,, TThhooww HHHH,, BBjjaarrkk JJ,, PPllaannkkeerr MM,, AArrffoorrss KKEE.. Free radicals as mediators of tissue injury. Acta Physiol Scand 1980 Suppl 492; 43-7. 2

2.. HHaalllliiwweellll BB,, BBoorriisshh EETT,, PPrryyoorr WWAA,, AAmmeess EENN,, SSaauull RRLL.. Oxygen free radicals and human disease. Ann Intern Med1987; 107: 526-45. 3

3.. RReeiillllyy PPMM,, SScchhiilllleerr HHJJ,, BBuullkklleeyy GGBB.. Pharmacologic approach to tissue injury mediated by free radicals and other reactive oxygen metabolites.

Am J Surgery 1991; 161: 488-501. 4

4.. GGaaeellaannii GGFF,, GGaalliiaannoo SS,, CCaanneeppoo LL,, FFeerrrraarriiss AAMM,, KKiirrkkmmaann HHNN.. Cata-lase and glutathione peroxidase are equally active in detoxification of hydrogen peroxide in erthrocytes. Blood1989; 73: 334-9.

5

5.. HHaalllliiwweellll BB,, GGuutttteerriiddggee JJMMCC.. Oxygen toxicity, oxygen radicals, transi-tion metals and disease. Biochem J1984; 219: 744-52.

6

6.. KKlleebbaannooffff SSJJ.. Oxygen metabolism and the toxic properties of phagocy-tes. Ann Intern Med1980; 100: 480-9.

7

7.. SSiimmppssoonn RR,, AAlloonn RR,, KKoobbzziikk LL,, VVaalleerrii RR,, SShheepprroo DD,, HHeecchhttmmaann HHBB.. Neutrophil and nonneutrophil-mediated injury in intestinal ischemia re-perfusion. Annals of Surgery1993; 218(4): 444-54.

8

8.. HHaalllliiwweell BB,, CChhiirriiccoo SS.. Lipid peroxidation: its mechanism, measurement, and significance. Am J Clin Nutr1993; 57: 7155-65.

9

9.. JJaabbss CCMM,, HHeegglleenn PP,, EEkkllooff BB.. Breakdown of adenine nucleotides forma-tion of oxygen free radicals, and early markers of cellular injury in endo-toxic shock. Eur J Surg1995; 161: 147-55.

1

100.. LLeeffeerr AAMM.. Eicosanoids of ischemia and shock.Fed Proc 1985; 44: 275-80.

1

111.. KKeelllloogggg EEWW,, FFrriiddoovviicchh II.. Liposome oxidation and erythrocyte lysis by enzymically generated superoxide and hydrogen peroxideJ Biol Chem

1977; 6721-5. 1

122.. TTrreellssttaadd RRLL,, LLaawwlleeyy KKRR,, HHoollmmeess LLBB.. Nonenzymatic hydroxylations of proline and lysine on reduced oxygen derivates. Nature1981; 289: 310-5. 1

133.. KKaannooffsskkyy JJRR.. Singlet oxygen production by biological systems. Chem Biol Interact 1989; 70: 1-28.

1

144.. FFllooyydd RRAA.. Role of oxygen free radicals in carcinogenesis and brain isc-hemia. FASEB J1990; 4: 2587-97.

1

155.. SSllaatteerr TTFF.. Free radical mechanism in tissue injury. Biochem J 1984; 222: 1-15.

1

166.. BBaarrbbeerr DD,, HHaarrrriiss SS.. Oxygen free radicals and antioxidants. A review. Am Pharma1994; 9: 26-35.

(4)

1

177.. MMiicchheelloonn AAMM,, MMccCCoorrdd JJMM,, FFrriiddoovviicchh II ((EEddss)).. Superoxide and supero-xide dismutase. London, Academic Press, 1976.

1

188.. GGrriiffffiitthh OOWW,, MMeeiisstteerr AA.. Glutathione: interorgan translocation, turnover and metabolism. Proc Natl Acad Sci 1979; 76: 5606-10.

1

199.. LLiieebblleerr DDCC.. The role of metabolism in the antioxidant function of vita-min E. Crit Reviews Toxicology 1993; 23(2): 147-69.

2

200.. BBuurrttoonn GGWW,, IInnggoolldd KKVV.. Beta carotene: an unusual type of lipid antioxi-dant. Science 1984; 224: 569-73.

2

211.. JJaaeesscchhkkee HH.. Mechanisms of oxidant stress-induced acute tissue injury.

PSEBM1995; 209:104-11. 2

222.. JJaaiinn SSKK.. Evidence for membrane lipid peroxidation during the invivo aging of human erythrocytes. Biochem Biophys Acta1988; 937: 205-10. 2

233.. WWaarrdd JJFF.. Molecular mechanisms of radiation-induced damage to nucle-ic acids. Adv Radiat Biol1977; 5: 181-7.

2

244.. JJeerroouuddii MMOO,, HHaarrttlleeyy CCJJ,, BBoollllii RR.. Myocardial reperfusion injury: Role of oxygen radicals and potential therapy with antioxidants. Am J Cardiol

1994; 73(10) 2B-7B.

2

255.. TTaaflflçç›› II,, AAppaayydd››nn BBBB,, KKoonnuukkoo¤¤lluu DDvvee aarrkk..Karaci¤er iskemi ve reper-füzyon hasar›nda ibuprofen, siklosporin ve streptokinaz›n etkileri.Ça¤dafl Cerrahi Dergisi1996; 10: 76-81.

2

266.. KKoonnuukkoo¤¤lluu DD,, ÇÇeelliikk ÇÇ,, AAkkççaayy TT,, HHaatteemmii HH.. Gliklazid uygulanan STZ diyabetik s›çanlar›n karaci¤er, böbrek ve abdominal aorta dokular›n›n glu-tatyon ve malondialdehit düzeyleri. Klinik Geliﬂim1995; 8: 3566-9. 2

277.. KKoonnuukkoo¤¤lluu DD,, HHaatteemmii HH,, ÖÖzzeerr EEMM,, GGöönneenn SS,, AAkkççaayy TT.. The erythrocy-te glutathione levels during oral glucose tolerance erythrocy-test. J Endocrinol In-vest1997; 20: 471-5.

2

288.. MMaarruubbaayyaasshhii SS,, DDoohhii KK,, OOcchhii KK,, KKaawwaassaakkii TT.. Role of free radicals in ischemic rat liver cell injury.Surgery1989; 99: 184-92.

2

299.. ÇÇeettiinnkkaallee OO,, BBeellccee AA,, KKoonnuukkoo¤¤lluu DD vvee aarrkk.. Evaluation of lipid peroxi-dation and total antioxidant status in plasma of rats following thermal in-jury. Burns1997; 23(2): 114-7.

3

300.. BBeellcchh JJJJFF,, CChhoopprraa MM,, HHuuttcchhiinnssoonn SS vvee aarrkk..Free radical pathology in chronic arterial disease. Free Radic Biol Med1989; 6: 375-8.

3

311.. KKoonnuukkoo¤¤lluu DD,, HHaatteemmii HH,, AAkkççaayy TT,, TTaaﬂﬂaann EE.. Trimetazidin’in eritrosit li-pid peroksidasyonu ve glutatyon düzeyine etkisi. Türkiye Klinikleri Kar-diyoloji Dergisi1997; 10(2): 73-7.

200 Konuko€lu D. Serbest Radikaller ve Önemleri

Gelifl tarihi: 05. 07. 1997 Kabul tarihi: 23. 08. 1997 ‹‹lleettiiflfliimm aaddrreessii:: Doç. Dr. Dildar Konuko¤lu ‹.Ü. Cerrahpafla T›p Fakültesi Biyokimya Anabilim Dal› K. M. Pafla 34303 ‹STANBUL Tel: (0212) 558 48 00