Қосылыстардың тотығуын тежейтін заттар

Кіріспе

Басқа молекулалардың тотығуын тежейтін зат.

Антиоксиданттар – тотығуды тежейтін (әдетте автоокистену түрінде болатын) химиялық реакция, ол еркін радикалдардың түзілуіне әкеледі. Автоокистену органикалық қосылыстардың, соның ішінде тірі материяның ыдырауына себеп болады. Антиоксиданттар көбінесе полимерлер, жанармайлар және майлау материалдары сияқты өнеркәсіптік өнімдерге олардың қолданылу мерзімін ұзарту үшін қосылады. Тағамдық өнімдер де бұзылудың, әсіресе майлар мен майдың тотығуының алдын алу үшін антиоксиданттармен өңделеді. Жасушаларда глутатион, микотиол немесе бациллитиол сияқты антиоксиданттар мен супероксид дисмутаза сияқты ферменттік жүйелер тотығу стресінен туындайтын зақымды болдырмауға көмектеседі. Белгілі тағамдық антиоксиданттар – А, С және Е витаминдері, бірақ антиоксидант термині in vitro жағдайында ғана антиоксиданттық қасиеттері бар, ал in vivo антиоксиданттық қасиеттеріне дәлелдер аз көптеген басқа да тағамдық қосылыстарға да қолданылады. Антиоксидант ретінде сатылатын тағамдық қоспалар адам денсаулығын сақтауға немесе аурудың алдын алуға көмектеседі деген дәлел жоқ.

Тарих

Теңіздегі тіршілікке бейімделу процесінде құрлықтағы өсімдіктер аскорбин қышқылы (С витамині), полифенолдар және токоферолдар сияқты теңіздік емес антиоксиданттарды өндіре бастады. 50-200 миллион жыл бұрын гүлді өсімдіктердің (ангиоспермдердің) эволюциясы көптеген антиоксидантты пигменттердің пайда болуына әкелді – әсіресе юра кезеңінде фотосинтездің жанама өнімдері болып табылатын реактивті оттегі түлеріне қарсы химиялық қорғаныс ретінде. Бастапқыда, «антиоксидант» термині оттектің тұтынуын тоқтатуға арналған химиялық затты білдіретін. 19-шы ғасырдың соңы мен 20-шы ғасырдың басында антиоксиданттарды металлдың коррозиясын болдырмау, каучукты вулканизациялау және ішкі жану қозғалтқыштарының тозуындағы отынның полимерленуі сияқты маңызды өнеркәсіптік процестерде қолдануға қатысты кең ауқымды зерттеулер жүргізілді. Антиоксиданттардың биологиядағы рөліне қатысты алғашқы зерттеулер олардың қанықпаған майлардың тотығуына, яғни майдың бұзылуына жол бермеуге бағытталды. Антиоксиданттық белсенділікті майды оттегі бар жабық ыдысқа қойып, оттегінің тұтыну жылдамдығын өлшеу арқылы анықтауға болады. Дегенмен, С және Е витаминдерінің антиоксиданттар екендігінің анықталуы бұл салаға революциялық өзгеріс әкелді және тірі организмдердің биохимиясында антиоксиданттардың маңыздылығын түсінуге мүмкіндік берді. Антиоксиданттардың әсер ету механизмдері алғаш рет антиоксиданттық белсенділігі бар заттың өзінің оңай тотығуы мүмкін екендігі анықталғанда зерттелді. Е витаминінің липидтердің пероксидтелу процесін қалай тежейтінін зерттеу антиоксиданттарды тотығу реакцияларын тежейтін, көбінесе жасушаларға зақым келтірмес бұрын реактивті оттегі түлерін залалсыздандыратын заттар ретінде анықтауға әкелді.

Тамақ консерванттары

Антиоксиданттар тағамның бұзылуын болдырмау үшін тағамдық қоспа ретінде қолданылады. Тағамның тотығуына ең басты себептер – оттегі мен күн сәулесі, сондықтан тағамды қараңғыда сақтап, ыдыстарға немесе бадыраң сияқты балауызға орап сақтау қажет. Бірақ өсімдіктердің тыныс алуы үшін оттегі маңызды болғандықтан, өсімдік материалдарын оттегізсіз жағдайда сақтағанда жағымсыз дәм мен түс пайда болады. Сондықтан, жаңа жемістер мен көкөністерді ≈8% оттегі бар атмосферада сақтау керек. Антиоксиданттар – ерекше маңызды консерванттар класы, себебі бактериялық немесе саңырауқұлақтың бұзуынан гөрі тотығу реакциялары мұздатылған немесе салқындатылған тағамда да тез жүреді. Бұл консерванттарға табиғи антиоксиданттар, мысалы, аскорбин қышқылы (AA, E300) және токоферолдар (E306), сондай-ақ синтетикалық антиоксиданттар, мысалы, пропил галлаты (PG, E310), үшінші бутилгидрохинон (TBHQ), бутилденген гидроксианизол (BHA, E320) және бутилденген гидрокситолуол (BHT, E321) жатады. Қанықпаған майлар тотығуға өте сезімтал, бұл оларды майысуына (рансидтеуіне) әкеледі. Тотыққан липидтер көбінесе түсін өзгертеді және жағымсыз дәм мен иіс береді. Сондықтан, мұндай тағамдарды көбінесе кептіру арқылы сақтамайды, оларды темекілеу, тұздау немесе ашыту арқылы сақтайды. Тіпті жемістер сияқты майлы емес тағамдарды да кептіру алдында күкіртті антиоксиданттармен шашыратып тартады. Металдар тотығу процесін катализдейді. Зәйтүн майы сияқты кейбір майлы тағамдардағы табиғи антиоксиданттар оларды тотығудан қысқа уақытқа қорғайды. Майлы тағамдар фотоокистенуге сезімтал, ол толымаған май қышқылдары мен эфирлерді тотықтырып гидропероксидтер түзеді. Күлдізгі сәулелену (УФ) фотоокистенуді күшейтеді және пероксидтер мен карбонил молекулаларын ыдыратады. Бұл молекулалар тізбекті бос радикал реакцияларына қатысады, бірақ антиоксиданттар тотығу процесін тоқтату арқылы оларды тежейді. Косметикалық өнімдердегі антиоксиданттар белсенді ингредиенттердің және липидтердің тотығуын болдырмайды. Мысалы, стильбендер, флавоноидтар және гидроксицин қышқылы сияқты фенолдық антиоксиданттар хромофорлардың болуына байланысты Күлдізгі сәулелерді күшті сіңіреді. Олар Күлдізгі сәулені сіңіру арқылы күннен туындаған тотығу стресін азайтады.

Antioxidants are used as food additives to help guard against food deterioration. Exposure to oxygen and sunlight are the two main factors in the oxidation of food, so food is preserved by keeping in the dark and sealing it in containers or even coating it in wax, as with cucumbers. However, as oxygen is also important for plant respiration, storing plant materials in anaerobic conditions produces unpleasant flavors and unappealing colors. Consequently, packaging of fresh fruits and vegetables contains an ≈8% oxygen atmosphere. Antioxidants are an especially important class of preservatives as, unlike bacterial or fungal spoilage, oxidation reactions still occur relatively rapidly in frozen or refrigerated food. These preservatives include natural antioxidants such as ascorbic acid (AA, E300) and tocopherols (E306), as well as synthetic antioxidants such as propyl gallate (PG, E310), tertiary butylhydroquinone (TBHQ), butylated hydroxyanisole (BHA, E320) and butylated hydroxytoluene (BHT, E321). Unsaturated fats can be highly susceptible to oxidation, causing rancidification. Oxidized lipids are often discolored and can impart unpleasant tastes and flavors. Thus, these foods are rarely preserved by drying; instead, they are preserved by smoking, salting, or fermenting. Even less fatty foods such as fruits are sprayed with sulfurous antioxidants prior to air drying. Metals catalyse oxidation. Some fatty foods such as olive oil are partially protected from oxidation by their natural content of antioxidants. Fatty foods are sensitive to photooxidation, which forms hydroperoxides by oxidizing unsaturated fatty acids and ester. Exposure to ultraviolet (UV) radiation can cause direct photooxidation and decompose peroxides and carbonyl molecules. These molecules undergo free radical chain reactions, but antioxidants inhibit them by preventing the oxidation processes. Antioxidants in cosmetic products prevent oxidation of active ingredients and lipid content. For example, phenolic antioxidants such as stilbenes, flavonoids, and hydroxycinnamic acid strongly absorb UV radiation due to the presence of chromophores. They reduce oxidative stress from sun exposure by absorbing UV light.

Урикалық қышқыл

Урикалық қышқыл – қандағы антиоксиданттардың ең жоғары концентрациясына ие. Урикалық қышқылдың антиоксиданттық белсенділігі де күрделі, себебі ол кейбір тотықтырғыштармен, мысалы, супероксидпен реакцияға түспейді, бірақ пероксинитрит, пероксидтер және гипохлор қышқылына қарсы әрекет етеді. Урикалық қышқылдың жоғары деңгейінің подаграға ықпалы көптеген қауіп факторларының бірі ретінде қарастырылуы керек. Өзінің жоғары деңгейінде (415–530 мкмоль/л) подаграға шалдығу қаупі жылына 0,5% ғана, ал қанығу деңгейі жоғары болғанда (535+ мкмоль/л) жылына 4,5% дейін артады. Бұл зерттеулердің көпшілігі, Урикалық қышқылдың антиоксиданттық әрекетін қалыпты физиологиялық деңгейде анықтады.

С витамині

Аскорбин қышқылы немесе С витамині – жануарлар мен өсімдіктерде кездесетін тотығу-тотығуды қайтару (редокс) катализаторы, ол сутек пероксиді сияқты реактивті оттегі түрін азайтып, осылайша залалсыздандырады. Тікелей антиоксиданттық әсерінен өзге, аскорбин қышқылы өсімдіктерде стресске төзімділік үшін қолданылатын редокс ферменті – аскорбат пероксидазаның субстраты болып табылады. Аскорбин қышқылы өсімдіктердің барлық бөлігінде жоғары мөлшерде кездеседі және хлоропластарда 20 миллимолярлық концентрацияға жете алады.

Глутатион

Глутатион антиоксиданттық қасиеттерге ие, себебі оның цистеин бөлігіндегі тиол тобы – тотығуын азайтушы зат болып табылады және қайтымды түрде тотығып, тотығуын азайтуға қабілетті. Жасушаларда глутатион редуктаза ферменті арқылы тотығуын азайтылған күйде сақталады, сондай-ақ ол глутатион-аскорбат циклындағы аскорбат, глутатион пероксидазалары және глутаредоксиндер сияқты басқа метаболиттер мен ферменттік жүйелерді де тотығуын азайтады, сонымен қатар тотықтырғыштармен тікелей әрекеттеседі. Жоғары концентрациясы және жасушаның тотығу-тотығу күйін сақтаудағы орталық рөліне байланысты, глутатион – ең маңызды жасушалық антиоксиданттардың бірі болып табылады. Кейбір организмдерде глутатион басқа тиолдармен алмастырылады, мысалы, актиномицеттерде микотиолмен, кейбір грам-оң бактерияларда бациллитиолмен, ал кинетопластидтерде трипанотионмен.

Е витамині

Е витамині – сегіз туысқан токоферолдар мен токотриенолдардың жиынтық атауы, олар майда еритін, антиоксиданттық қасиеттері бар витаминдер. Олардың ішінде α-токоферол ең көп зерттелген, себебі ол ең жоғары биожетімділікке ие, организм бұл түрін басымдықпен сіңіріп, метаболизмдейді. α-токоферол түрі липидтерге еритін ең маңызды антиоксидант болып саналады және липидтік пероксидация тізбектік реакциясында түзілетін липидтік радикалдармен әрекеттесу арқылы мембраналарды тотығудан қорғайды делінеді. Бұл еркін радикалдар аралықтарын жояды және тізбектік реакцияның жалғасуын болдырмайды. Бұл реакция токофероксил радикалдарының түзілуіне әкеледі, олар аскорбат, ретинол немесе убихинол сияқты басқа антиоксиданттармен тотығу арқылы белсенді, тотықпаған түріне қайта айналдырылуы мүмкін. Бұл α-токоферолдың, бірақ суда еритін антиоксиданттардың, глютатион пероксидазасы 4 (GPX4) жетіспейтін жасушаларды жасуша өлімінен тиімді қорғайтынын көрсететін зерттеулермен сәйкес келеді. GPx4 – биологиялық мембраналар ішінде липидтік гидропероксидтерді тиімді түрде тотықтыра алатын жалғыз фермент. Дегенмен, Е витаминінің әртүрлі формаларының рөлі мен маңыздылығы қазірге дейін толық анықталған жоқ, тіпті α-токоферолдың ең маңызды функциясы сигналдық молекула ретінде болуы мүмкін, бұл молекула антиоксиданттық метаболизмде маңызды рөл атқармайды деген пікірлер де бар. Е витаминінің басқа формаларының функциялары одан да аз зерттелген, бірақ γ-токоферол электрофильді мутагендермен реакцияға түсуі мүмкін нуклеофил болып табылады.

Окистендіруші белсенділігі

Тотығуға қарсы әрекет ететін антиоксиданттар прооксиданттар ретінде де танылуы мүмкін. Мысалы, С витамині сутек пероксиді сияқты тотықтырғыш заттарды бейтараптандыру арқылы антиоксиданттық қасиет көрсетеді; алайда, ол Фентон реакциясы арқылы еркін радикалдарды құратын темір және мыс сияқты металл иондарын да тотықтырады. Аскорбин қышқылы тиімді антиоксидант болғанымен, ол сонымен қатар тағамның дәмін және түсін өзгерте алады. Көшу металдарының қатысуында, аскорбин қышқылының төмен концентрациясы Фентон реакциясында радикалдарды жоюға қабілетті.

Супероксид дисмутаза, каталаза және пероксиредоксиндер

Супероксид дисмутазалары (SOD) – супероксид анионын оттегі мен сутек пероксидіне ыдыратуды катализдейтін, өте жақын байланысты ферменттер класы. SOD ферменттері дерлік барлық аэробикалық жасушаларда және жасушадан тыс сұйықтықтарда кездеседі. Супероксид дисмутаза ферменттері металл иондары кофакторларын қамтиды, олар изозимге байланысты мыс, мырыш, марганец немесе темір болуы мүмкін. Адамдарда мыс/мырыш SOD цитозолда, ал марганец SOD митохондрияда орналасқан. Митохондриялық изозим осы үш ферменттің ішінде ең маңызды болып көрінеді, себебі бұл ферменті жетіспейтін егеуқұйрықтар туғаннан кейін көп ұзамай өледі. Керісінше, мыс/мырыш SOD (Sod1) жетіспейтін егеуқұйрықтар тірі қалады, бірақ көптеген патологияларға және қысқа өмір сүру мерзіміне ие (супероксид туралы мақаланы қараңыз), ал жасушадан тыс SOD жоқ егеуқұйрықтарда минималды ақаулар байқалады (гипероксияға сезімтал). Өсімдіктерде SOD изоферменттері цитозолда және митохондрияда кездеседі, ал хлоропластарда темір SOD табылады, ол омыртқалы жануарлар мен ашытқыларда жоқ. Каталазалар – темір немесе марганец кофакторын пайдаланып, сутек пероксидін су мен оттегіге айналдыруды катализдейтін ферменттер. Бұл белок эукариотикалық жасушалардың көпшілігінде пероксисомаларға локализацияланған. Каталаза – ерекше фермент, себебі сутек пероксиді оның жалғыз субстраты болғанымен, ол пинг-понг механизмін ұстанады. Мұнда оның кофакторы сутек пероксидінің бір молекуласымен тотығады, содан кейін байланысқан оттегін екінші субстрат молекуласына беру арқылы қайта жаңартылады. Сутек пероксидін жоюдағы маңыздылығына қарамастан, каталазаның генетикалық жетіспеушілігі бар адамдар – «акаталаземия» – немесе каталаза жетіспеушілігіне генетикалық түрлендірілген тышқандар аз зиянды әсерлерге ұшырайды. Пероксиредоксиндер – сутек пероксидін, органикалық гидропероксидтерді, сондай-ақ пероксинитриттің тотығуын катализдейтін пероксидазалар. Олар үш классқа бөлінеді: типикалық 2 цистеин пероксиредоксиндер; атипикалық 2 цистеин пероксиредоксиндер; және 1 цистеин пероксиредоксиндер. Бұл ферменттер бірдей негізгі каталитикалық механизмді бөліседі, онда белсенді орындағы тотығуға қабілетті цистеин (пероксидалық цистеин) пероксид субстратымен сульфеникалық қышқылға тотығады. Пероксиредоксиндердегі осы цистеин қалдығының тотығуы ферменттердің белсенділігін жоғалтады, бірақ бұл сульфиредоксиннің әрекетімен кері қайтарылуы мүмкін. Пероксиредоксиндер антиоксидантты метаболизмде маңызды рөл атқарады, себебі пероксиредоксин 1 немесе 2 жетіспейтін тышқандардың өмір сүру ұзақтығы қысқарады және гемолитикалық анемия дамиды, ал өсімдіктер хлоропластарда түзілген сутек пероксидін жою үшін пероксиредоксиндерді пайдаланады.

Superoxide dismutases (SODs) are a class of closely related enzymes that catalyze the breakdown of the superoxide anion into oxygen and hydrogen peroxide. SOD enzymes are present in almost all aerobic cells and in extracellular fluids. Superoxide dismutase enzymes contain metal ion cofactors that, depending on the isozyme, can be copper, zinc, manganese or iron. In humans, the copper/zinc SOD is present in the cytosol, while manganese SOD is present in the mitochondrion. The mitochondrial isozyme seems to be the most biologically important of these three, since mice lacking this enzyme die soon after birth. In contrast, the mice lacking copper/zinc SOD (Sod1) are viable but have numerous pathologies and a reduced lifespan (see article on superoxide), while mice without the extracellular SOD have minimal defects (sensitive to hyperoxia). In plants, SOD isozymes are present in the cytosol and mitochondria, with an iron SOD found in chloroplasts that is absent from vertebrates and yeast. Catalases are enzymes that catalyse the conversion of hydrogen peroxide to water and oxygen, using either an iron or manganese cofactor. This protein is localized to peroxisomes in most eukaryotic cells. Catalase is an unusual enzyme since, although hydrogen peroxide is its only substrate, it follows a ping pong mechanism. Here, its cofactor is oxidised by one molecule of hydrogen peroxide and then regenerated by transferring the bound oxygen to a second molecule of substrate. Despite its apparent importance in hydrogen peroxide removal, humans with genetic deficiency of catalase — "acatalasemia" — or mice genetically engineered to lack catalase completely, experience few ill effects. Peroxiredoxins are peroxidases that catalyze the reduction of hydrogen peroxide, organic hydroperoxides, as well as peroxynitrite. They are divided into three classes: typical 2 cysteine peroxiredoxins; atypical 2 cysteine peroxiredoxins; and 1 cysteine peroxiredoxins. These enzymes share the same basic catalytic mechanism, in which a redox active cysteine (the peroxidatic cysteine) in the active site is oxidized to a sulfenic acid by the peroxide substrate. Over oxidation of this cysteine residue in peroxiredoxins inactivates these enzymes, but this can be reversed by the action of sulfiredoxin. Peroxiredoxins seem to be important in antioxidant metabolism, as mice lacking peroxiredoxin 1 or 2 have shortened lifespans and develop hemolytic anaemia, while plants use peroxiredoxins to remove hydrogen peroxide generated in chloroplasts.

Тиоредоксин және глутатион жүйелері

Тиоредоксин жүйесі 12 кДа тиоредоксин ақуызын және оның серігі тиоредоксин редуктазасын қамтиды. Тиоредоксинмен байланысты ақуыздар барлық секвенирленген организмдерде кездеседі. Арабидопсис талиана сияқты өсімдіктерде изоформалардың айқын әртүрлілігі бар. Тиоредоксиннің белсенді орны жоғары сақталған CXXC мотивінің бөлігі болып табылатын екі жақын цистеиннен тұрады, олар белсенді дитиол түрінде (тотықпаған) және тотыққан дисульфид түрінде араласқандай болады. Тиоредоксин белсенді күйде тиімді тотықпайтын агент ретінде әрекет етеді, реактивті оттегі түрлерін жояды және басқа ақуыздарды тотықпаған күйде ұстайды. Тотыққаннан кейін белсенді тиоредоксин тиоредоксин редуктазаның әсерінен, NADPH электрон доноры ретінде қайта жаңартылады. Глутатион жүйесіне глутатион, глутатион редуктаза, глутатион пероксидазалары және глутатион S трансферазалары кіреді. Глутатион пероксидаза – сутек пероксиді мен органикалық гидропероксидтердің ыдырауын катализдейтін төрт селен кофакторын қамтитын фермент. Жануарларда кем дегенде төрт түрлі глутатион пероксидаза изоэнзимі бар. Глутатион пероксидаза 1 ең көп таралған және сутек пероксидін тиімді жояды, ал глутатион пероксидаза 4 липидтік гидропероксидтермен ең белсенді. Күдік тудыратыны, глютатион пероксидаза 1 болмаған тышқандар қалыпты өмір сүреді, бірақ олар туындаған тотығу стресіне сезімтал. Сонымен қатар, глутатион S трансферазалары липидтік пероксидтермен жоғары белсенділік көрсетеді. Бұл ферменттер бауырда жоғары концентрацияда болады және детоксикация метаболизмінде де қатысады.

Тамақпен байланысы

А, С және Е витаминдері – диеталық антиоксиданттар, организмде аурулардың алдын алу үшін белгілі бір мөлшерде қажет. Полифенолдар in vitro жағдайында бос гидроксил топтарының арқасында антиоксиданттық қасиеттерге ие, бірақ олар катехоль O-метилтрансфераза ферментімен кеңінен метаболизденеді, бұл фермент бос гидроксил топтарын метилдеу арқылы олардың in vivo антиоксидант ретінде әрекет етуіне кедергі келтіреді.

Өзара әрекеттесулер

Антиоксидантты қасиеттері бар жалпы қолданылатын дәрі-дәрмектер (және қоспалар) кейбір қатерлі ісікке қарсы препараттардың және сәулелік терапияның тиімділігіне бөгет болуы мүмкін. Антиоксидантты қасиеттері бар дәрі-дәрмектер мен қоспалар окистену процестерін тежей отырып, еркін радикалдардың түзілуін баяулатады. Сәулелік терапия қатерлі жасушалардың құрамындағы ақуыздар, нуклеин қышқылдары және жасуша мембраналарын құрайтын липидтер сияқты маңызды компоненттерін зақымдайтын окислик стресті тудырады.

ORAC-ті өлшеу және жарамсыз деп тану

Тамақтағы полифенолдар мен каротиноидтардың мөлшерін өлшеу күрделі процесс, себебі антиоксиданттар – әртүрлі реактивті оттегі түрлеріне әртүрлі реакция жасайтын әртүрлі қосылыстардың кең тобы. Азық-түлік ғылымындағы in vitro талдауларында, оттегі радикалдарын сіңіру қабілеті (ORAC) бір кезде бүкіл тағамдардың, шырындардың және тағамдық қоспалардың антиоксиданттық қасиетін бағалау үшін өнеркәсіп стандарты болып саналды, бұл негізінен полифенолдардың болуымен байланысты. АҚШ Ауыл шаруашылығы министрлігінің бұрынғы өлшемдері мен бағалаулары 2012 жылы адам денсаулығы үшін биологиялық маңызы жоқ деп кері қайтарылды, себебі полифенолдардың in vivo антиоксиданттық қасиеттеріне физиологиялық дәлелдер табылмады. Осылайша, 2010 жылдан бері тек in vitro эксперименттерге негізделген ORAC әдісі адамның тамақтануы мен биологиясы үшін маңызды емес деп есептеледі.