شیمی, علوم پایه 5249 بازدید

اکسیژن در بدن به دو اتم مجزا با الکترون‌های جفت نشده تبدیل می‌شود. این اتم‌ها، به شدت واکنش‌پذیراند و به دنبال دریافت الکترون و رسیدن به پایداری هستند. به این نوع از اتم‌ها رادیکال آزاد می‌گویند. این رادیکال‌ها در بدن سبب تخریب سلول‌ها، پروتئین‌ها و DNA می‌شوند. رادیکال‌های آزاد در بدن انسان سبب بروز و تشدید بیماری‌هایی همچون سرطان، تصلب شریان، آلزایمر، پارکینسون و بسیاری بیماری‌های دیگر هستند. در مواردی، این رادیکال‌ها به عنوان عامل پیری نیز شناخته می‌شوند.

رادیکال‌های آزاد در آبی که می‌نوشیم، غذایی که می‌خوریم، هوایی که تنفس می‌کنیم و داروهایی که مصرف می‌کنیم یافت می‌شوند. همچنین این رادیکال‌ها در فست‌فودها،‌ الکل‌ها، دود سیگار، آفت‌کش‌ها و مواد آلاینده هوا موجود است؛ اما در هر صورت رادیکال آزاد برای بدن ضروری و قابلیت بدن برای تبدیل هوا و غذا به انرژی شیمیایی، به واکنش زنجیره‌ای رادیکال‌های آزاد مربوط است. البته این رادیکال‌ها با عبور از طریق شریان‌ها و حمله به ارگانیسم‌های خارجی، نقش حیاتی را در ایمنی بدن بازی می‌کنند.

رادیکال آزاد

خطر رادیکال‌های آزاد

بر اساس یافته‌های دانشمندان، بعد از تشکیل یک رادیکال آزاد، واکنش‌های زنجیره‌ای اتفاق می‌افتد. رادیکال آزاد با گرفتن یک الکترون از یک مولکول، آن را به یک مولکول ناپایدار و رادیکال آزاد تبدیل می‌کند. این مولکول ناپایدار نیز با گرفتن یک الکترون،‌ مولکول دیگری را به رادیکال آزاد تبدیل می‌کند که این روند پشت سر هم ادامه پیدا می‌کند تا بطور کامل یک سلول از بین برود. واکنش‌های زنجیروار رادیکال آزاد می‌تواند سبب تخریب غشای سلولی و عدم کنترل ورود و خروج مواد به سلول شوند. این واکنش‌های زنجیروار باعث از بین رفتن ساختار لیپید و به دام افتادن آن در سرخرگ می‌شوند.

افزایش رادیکال آزاد و به تبع آن تخریب سلولی، سبب بروز پدیده «تنش اکسیداتیو» (Oxidative Stress) می‌شود. این پدیده باعث تخریب پروتئین‌ها، لیپیدها و نوکلئواسیدها می‌شود.

رادیکال آزاد

آنتی اکسیدان و رادیکال آزاد

آنتی‌ اکسیدان‌ها مولکول‌هایی در سلول هستند که مانع از گرفتن الکترون و تخریب مولکول‌ توسط رادیکال‌ها می‌شوند. آنتی‌ اکسیدان‌ها با دادن الکترون به رادیکال آزاد و حفظ حالت پایداری خود،‌ مانع از بروز واکنش‌های زنجیره‌ای رادیکال آزاد می‌شوند. در حقیقت آنتی‌ اکسیدان‌ها سبب پاکسازی سلول از رادیکال‌های آزاد می‌شوند و در موادی مانند بتا-کاروتن، لیکوپن، ویتامین C، ویتامین E، میوه‌ها، سبزی‌ها و بسیاری داروهای گیاهی موجود است.

بدن انسان نیز آنتی اکسیدان تولید می‌کند که میزان آن کافی نیست. زمانی که تعادل بین رادیکال‌های آزاد و آنتی‌ اکسیدان‌ها برقرار نباشد، تنش اکسیداتیو بوجود می‌آید. آنتی‌اکسیدان‌ها در دهه 1990 با فهم تاثیرات رادیکال آزاد در بروز سرطان‌ شناخته شدند. مطالعات زیادی درخصوص آنتی‌ اکسیدان‌‌ها انجام شد. به عنوان مثال مشخص شد که ترکیب ویتامین C، ویتامین E، بتاکاروتن و روی، تاثیر بسیاری در به تأخیر انداختن پیرچشمی دارد.

رادیکال آزاد و آنتی اکسیدان

رابطه ورزش و سرطان

محققان دریافته‌اند که ورزش‌های هوازی شدید سبب بروز تنش اکسیداتیو می‌شود. سوخت و ساز بدن در ورزش‌های هوازی شدید سبب می‌شود تا واکنش زنجیروار رادیکال‌های آزاد سریعتر اتفاق بیافتد. البته ورزش به طور منظم، در نهایت سبب بهبود فعالیت آنتی‌اکسیدان‌ها می‌شود.

گونه‌های فعال اکسیژن و نیتروژن

برخی از «گونه‌های فعال اکسیژن» (Reactive Oxygen Species) و «گونه‌های فعال نیتروژن» (Reactive Nitrogen Species) که به اختصار ROS و RNS نام گرفته‌اند به عنوان رادیکال آزاد شناخته می‌شوند. نام تعدادی از رادیکال‌های آزاد عبارتند از:

سوپراکسید $$(O _2^ {\dot{}-})$$، رادیکال اکسیژن $$(O _2^ {\dot{} \dot{}})$$، هیدروکسیل $$(O H ^ { \dot {} })$$، رادیکال آلکوکسی $$(R O ^ {\dot{}})$$، رادیکال پروکسیل $$(R O O ^{\dot{}})$$، مونواکسید نیتروژن $$(NO^{\dot{}})$$، دی‌اکسید نیتروژن $$(NO_2^{\dot{}})$$

واکنش‌پذیری بالای این رادیکال‌ها به علت حضور یک الکترون جفت نشده و تمایل آنها برای دریافت الکترون و رسیدن به پایداری است.

تخریب با رادیکال آزاد

خواص برخی رادیکال‌های آزاد

رادیکال یون سوپراکسید مهمترین ROS در بین رادیکال‌ها است. این رادیکال آزاد با فرآیندهای آنزیمی، اکسایش خود به خودی و همچنین انتقال الکترون به مولکول اکسیژن بوجود می‌آید. به صورت $$O_ 2 ^ {\dot{}-}$$ یا رادیکال هیدروکسیل $$(H O_2)$$ در pH پایین وجود دارد. به عنوان عامل کاهش دهنده در واکنش‌های اکسایش و کاهش شرکت می‌کند. این رادیکال همچنین می‌تواند به عنوان عامل اکسایش دهنده در واکنش اکسایش آسکوربیک اسید شرکت کند.

رادیکال هیدروکسیل، نوع خنثی از یون هیدروکسید و بسیار واکنش‌پذیر است. به شدت با مولکول‌های آلی و غیرآلی مانند DNA، پروتئین‌ها، لیپیدها و کربوهیدرات‌ها واکنش می‌دهد که سبب تخریب شدید سلول‌ها می‌شود. قدرت تخریب این رادیکال آزاد بیش از هر نوع ROS دیگر است. این رادیکال در دو نوع واکنش می‌تواند تشکیل شود. در واکنش اول که به «واکنش فنتون» (Fenton Reaction) معروف است،‌ $$H_2 O_2$$ با یون $$Fe ^ {3+}$$ یا $$Cu ^ {+}$$ وارد واکنش می‌شود و تولید رادیکال هیدروکسیل می‌کند. یون مس یا آهن معمولا در مولکول‌های پروتئین مانند «فریتین» (Ferritin) موجود است.

رادیکال هیدروکسیل
به ترتیب از چپ به راست: رادیکال هیدروکسیل و یون هیدروکسید

در حقیقت، یون آهن یا مس توسط رادیکال $$O_2$$ آزاد می‌شود و سپس این یون در واکنش فنتون سبب تولید یون هیدروکسیل می‌شود. در واکنش دوم که به «واکنش هابر-وایز» (Haber-Weiss) معروف است، رادیکال سوپراکسید با $$H_2 O_2$$ واکنش و رادیکال هیدروکسیل را تشکیل می‌دهد. واکنش فنتون و هابر-وایز به ترتیب در زیر آورده شده است:

$$Fe ^{2+}+ H_2O_2 \rightarrow Fe^{3+} + OH^{.} + OH ^{-}$$

$$O_2 ^ {\ .-} + H_2O_2 \rightarrow O_2 + OH^{.} + OH^{-}$$

اوزون یک اکسید کننده قوی است که در بدن جانداران تولید می‌شود. اوزون می‌تواند با اکسید کردن مولکول‌های بدن جانداران، سبب تولید رادیکال آزاد شود. این ماده سبب اکسید شدن مواد موجود در پروتئین‌ها همچون آمین‌ها، آلدهیدها،‌ الکل‌ها و سولفیدریل‌ها می‌شود. همچنین با حمله مستقیم یا از طریق رادیکال‌هایی که تولید کرده است، عملکرد کروموزوم‌ها را مختل می‌کند.

موکلول اوزون

منابع رادیکال آزاد‌

رادیکال‌های آزاد می‌توانند از طریق واکنش‌هایی درونی یا بیرونی تولید شوند. سلول‌هایی همچون میتوکندری که در واکنش‌های آن، مصرف اکسیژن بسیار بالا است، به عنوان نوعی منبع درونی برای رادیکال آزاد حساب می‌شوند. منابع دیگر واکنش‌های درونی که ممکن است سبب تولید رادیکال آزاد شوند شامل ورزش‌های شدید هوازی، عفونت‌ها، پیری و اضطراب است. مونو‌اکسید کربن و گاز اوزون حاصل از آلودگی هوا، دود سیگار، الکل، فلزات سرب، جیوه و کادمیم،‌ فلزات سنگین و حلال‌های صنعتی نظیر $$CCl_4$$ نیز به عنوان منبعی خارجی از رادیکال آزاد در نظر گرفته می‌شوند.

منابع رادیکال آزاد
منابع تولید رادیکال آزاد و تخریب DNA

پلیمری شدن

بسیاری از واکنش‌های پلیمری شدن سبب تولید رادیکال آزاد می‌شوند. پلیمری شدن شامل اضافه کردن یک رادیکال به یک غیر رادیکال (به طور معمول یک آلکن) و تولید رادیکال دیگر است. این فرآیند، زمینه‌ای برای واکنش‌های زنجیروار رادیکال آزاد است.

رادیکال های اتمسفری

واکنش‌های حاصل از «تفکیک نوری» (Photodissociation) در جو زمین سبب تولید رادیکال آزاد می‌شوند. از جمله این واکنش‌ها می‌توان به تفکیک نوری دی‌‌اکسید نیتروژن و تولید نیتریک اکسید و اکسیژن اشاره کرد.

$$N O _2 \rightarrow NO + O$$

در خارج از جو زمین تفکیک نوری کلروفلوئوروکربن و نور ماورا بنفش مهمترین منبع تولید رادیکال آزاد است. این واکنش‌ها سبب تولید رادیکال کلر می‌شود که در تبدیل اوزون به اکسیژن، نقش کاتالیزوری دارد و سرعت واکنش را افزایش می‌دهد. این فرآیند در نهایت سبب کاهش حجم لایه اوزون می‌شود. در گذشته از کلروفلوئوروکربن‌ها در کمپرسور خنک‌ کننده‌ها استفاده می‌شد اما به دلیل اثر تخریبی بر لایه اوزون،‌ استفاده از آن ممنوع شد.

پلیمری شدن و بسپارش

اهداف رادیکال‌های آزاد

زمانی که تعادل بین تولید رادیکال آزاد و آنتی اکسیدان از بین برود و سبب غلظت بیشتر رادیکال آزاد در سلول شود،‌ سبب بروز تنش اکسیداتیو می‌شود. رادیکال‌های آزاد با غلظت و واکنش‌پذیری بیشتر سبب تخریب سه دسته اصلی مولکول‌های بدن، یعنی نوکلئو اسیدها،‌ پروتئین‌ها و لیپیدها می‌شوند.

جمع‌بندی

رادیکال‌های آزاد با واکنش‌های مختلفی در بدن، جو و خارج از جو زمین تولید می‌شوند. زمانی که تعادل لازم بین آنتی اکسیدان‌ها و رادیکال‌های آزاد برقرار نباشد، افزایش تجمع رادیکال آزاد سبب تخریب مولکول‌های بدن مانند نوکلئو‌ اسیدها، پروتئین‌ها و لیپیدها و سبب بروز بیماریهایی مثل سرطان، آرتریت روماتوئید، آلزایمر، تنگی نفس و دیگر بیماری‌ها می‌شود. استفاده از آنتی اکسیدان‌های موجود در میوه‌ها و سبزی‌ها سبب کاهش تجمع رادیکال‌های آزاد و بروز مشکلات بعد از آن است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

سهیل بحر کاظمی (+)

«سهیل بحرکاظمی» دانش‌آموخته کارشناسی ارشد رشته مهندسی نفت، گرایش مهندسی مخازن هیدروکربوری از دانشگاه علوم و تحقیقات تهران است. به عکاسی و شیمی آلی علاقه دارد و در زمینه‌ متون شیمی به تولید محتوا می‌پردازد.

بر اساس رای 25 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *