انواع الجذور الحرة
انواع الجذور الحرة
ا.م.د. رشيد محمد رشيد
قسم علوم الحياة / كلية العلوم / جامعة الانبار
يمكن تعريف الجذور الحرة على أنها ذرات تمتلك إلكترونات غير مرتبطة في غلافها الذري الخارجي. وبسبب افتقادها لرقم ثابت في غلافها الأخير، فهي في حركة دائمة لتبحث عن ذرة أخرى أو جزيء آخر لترتبط به وتحقق الثبات. تعتبر مركبات الأكسجين التفاعلية (Reactive oxygen species or ROS) منتجات ثانوية لعملية الاستقلاب الغذائي الطبيعي للأكسجين، وتلعب أدوارًا مهمة في إرسال الإشارات الخلوية وتوازن الخلايا. تعتبر مركبات الأكسجين التفاعلية عنصرًا أساسيًا في الأداء الخلوي، وهي موجودة بمستويات منخفضة وثابتة في الخلايا الطبيعية الحية. تشارك مركبات الأكسجين التفاعلية في عمليات الاستقلاب الغذائي، لكنها يمكن أن تسبب ضررًا في الحمض النووي، وهذا ما يشير إلى أن مركبات الأكسجين التفاعلية قد يكون لها دور مزدوج في الكائنات الحية (عوامل ضارة أو عوامل وقائية) أو إشارات على التوازن بين إنتاج مركبات الأكسجين التفاعلية والتخلص منها في الوقت والمكان المناسبين، إذ يمكن أن تنشأ سمية مركبات الأكسجين عن الإنتاج غير المنضبط أو من الإزالة غير الفعالة لها بواسطة نظام مضادات الأكسدة. يمكن أن تزيد مستويات مركبات الأكسجين التفاعلية بشكل كبير خلال أوقات الإجهاد التي تتعرض لها الخلية مثل: التعرض للأشعة فوق البنفسجية أو التعرض للحرارة، ما يؤدي إلى تلف كبير في الهياكل الخلوية. يُعرف هذا الضرر عند تراكمه باسم الإجهاد التأكسدي. يتأثر إنتاج مركبات الأكسجين التفاعلية بشدة بالاستجابة لعوامل الإجهاد، وتشمل العوامل التي تزيد من إنتاج مركبات الأكسجين التفاعلية: الجفاف، ارتفاع تركيز الشوارد، انخفاض قدرة الخلايا على الدفاع عن مسببات الأمراض، نقص المغذيات، التسمم بالمعادن والأشعة فوق البنفسجية والتدخين وغير ذلك. تتولد مركبات الأكسجين التفاعلية أيضًا من مصادر خارجية مثل الإشعاعات المؤينة، ما ينتج عنه تأثيرات في نمو الأنسجة عند كل من الحيوانات والنباتات.
قد تكون أنواع الأكسجين التفاعلي والنيتروجين جذرية أو مركبات غير جذرية. يؤدي اختزال الأكسجين الجزيئي بأربعة إلكترونات إلى تكوين الماء دون توليد ROS، بينما يؤدي اختزال الإلكترون الواحد إلى تكوين جذر الأوكسايد الفائق O2•− superoxide radical وبيروكسيد الهيدروجين H2O2 hydrogen peroxide وجذر الهيدروكسيل HO• hydroxyl radical. ان (OH•)و ( O2•−) لهما إلكترونات غير مزدوجة في المدارات الخارجية ، وبالتالي يتم تعريفهما على أنهما جذور حرة ، في حين أن مركب H2O2 لا يحتوي على إلكترونات غير مزدوجة وبالتالي فهو ليس جذرا . تشتمل مركبات الأوكسجين غير الجذرية على بيروكسيد الهيدروجين (H2O2) والأوزون ozone (O3) والأكسجين المفرد singlet oxygen 1O2. اما أنواع جذور النيتروجين فهي (NO• , ONOO , NO2• ) .
أنواع الجذور الحرة Types of free radicals
1. Superoxide Radical (O2•−)
تظهر أنواع ROS باستمرار اثناء الفعاليات الحيوية داخل الخلية في المايتوكوندريا او البلاستيات والشبكة الاندوبلازمية والعديد من العضيات الخلوية الأخرى كنتيجة حتمية للتنفس الهوائي. ومن اهم نتائج عمليات الاكسدة والاختزال هو انتاج هذا الجذر الحر نتيجة تفاعل الاوكسجين مع سلسلة نقل الالكترونات ETC فيختزل الاوكسجين بالكترون واحد فقط فينتج هذا الجذر Superoxide Radical (O2•−) وهو اول أنواع ال ROS المتولدة. ان تكوين هذا الجذر ربما يحفز تكوين جذور أخرى مثل hydroxyl (•OH) الذي يمكنه ان يتسبب في اكسدة الدهون الاغشية وانهاك الخلية وبإمكانه تكوين جذر HO2 بشحنة سالبة فوق الغشاء البلازمي والذي سيهاجم بدوره الدهون المتعددة غير المشبعة Polyunsaturated fatty acids (PUFAs) . يبلغ نصف العمر لهذا الجذر 1-1000 مايكرو/ ثا. وان من اهم تفاعلاته هي تفاعله مع بروتون الهيدروجين H+ لينتج جذر Hydroxyperoxyl radical النشطة جدا والتي بإمكانها النفاذ عبر الاغشية الخلوية والتي بإمكان جزيئتان منها التفاعل لتعطي الاوكسجين وبيروكسيد الهيدروجين H2O2. كما ان لهذا الجذر أيضا القدرة على اختزال الحديديك Fe+3 و Cu +2 و Cu+1 وان يتفاعل مع بيروكسيد الهيدروجين.
نظرًا لأن Superoxide Radical (O2•−) هو جذر حر شديد التفاعل، فإنه يمكن أن يتلف الجزيئات (الحامض النووي والبروتينات والدهون). كما انه قد ينتج في جهاز المناعة لقتل الكائنات الحية الدقيقة الغازية؛ يتم انتقال الخلايا البلعمية phagocytes، مثل العدلات، والوحيدات، والخلايا الضامة والخلايا البدينة والخلايا التغصنية neutrophils monocytes, macrophages, mast cells and dendritic cells بواسطة الانجذاب الكيميائي لموقع العدوى البكتيرية وقتلها. يتم قتل البكتيريا بعملية يتوسطها Superoxide Radical (O2•−).
2. Hydroxyl Radical (•OH)
كيميائياً يعد هو الجذر الحر الأكثر تفاعلاً المتكون في الجسم الحي. فهو مؤكسد قوي وينتج في مدى واسع من الظروف البيئية وله القدرة في تحطيم المركبات العضوية ويشمل ذلك DNA والبروتينات والكربوهيدرات والدهون فيسبب ضررا كبيرا جدا مقارنة ببقية أنواع ال ROS. وهو ينتج من خلال
1- تفاعل فنتون Fenton reaction اذ ان بيروكسيد الهيدروجين H2O2 يتفاعل مع ايونات معادن الحديد او النحاس والمرتبطة مع مختلف البروتينات مثل الفيريتين Ferritin الخازن للحديد و Ceruloplasmin وهو البروتين الناقل للنحاس وفي حالة الاجهاد فان ازدياد (O2•−) تحرر ايون حر من الفيريتين وهذا الايون سيشترك في تفاعل فينتون لتكوين Hydroxyl Radical (HO•) . اذ يختزل الحديديك Fe+3 الى حديدوز Fe+2 بواسطة جذر (O2•−) ومن بعدها يصبح الحديدوز قادرا على الدخول في تفاعلات فنتون وإنتاج الجذر Hydroxyl Radical (OH•)
Fe+3) + O2•− →(Fe+2) +( O2•) )
Fe+2) + H2O2→ (Fe+3) +(OH−) + (OH•) )
2- يتكون أيضا عبر تفاعل جذر السوبر اوكسايد وبيروكسيد الهيدروجين في تفاعل يسمى تفاعل هابر_ ويز Haber_ Weiss
ان جذر الهيدروكسيل هو Electrophile أي انه يتمكن من جذب زوج من الالكترونات وله الفة عالية وقوية للمواقع الغنية بالإلكترونات وخاصة الجزيئات التي تحتوي على الكبريت. ان معظم ROS عادة ما تتحول الى هذا الجذر لذا فهو يعتبر المركب الأخير لمعظم الجذور الحرة. وأخيرا فان هذا الجذر هو المسبب الرئيسي للضررالتاكسدي للبروتينات والدهون والاحماض النووية وهو يشترك بشكل مباشر في إشارة الموت الخلوي المبرمج. تشير التقديرات إلى أن · OH مسؤول عن 60-70? من تلف الأنسجة الناتج عن الإشعاع المؤين كذلك يشارك جذور الهيدروكسيل أيضًا في العديد من الاضطرابات، مثل أمراض القلب والأوعية الدموية والسرطان.
3- Peroxyl Radical (ROO•)
الجذور alkoxyl (RO•) and peroxyl (ROO•) هي جذور عضوية مركزها الأوكسجين، ويمتلكون القدرة على قبول الإلكترونات ثم الاختزال، تمتلك هذه الجذور قدرة اختزال موجبة عالية للغاية (1000 إلى 1600 مللي فولت). يمكن توليد جذور البيروكسيل والألكوكسيل عن طريق تحلل alkyl peroxides (ROOH)المستحث بالحرارة أو الإشعاع أو التفاعل مع أيونات المعادن الانتقالية وغيرها من المؤكسدات القادرة على إطلاق الهيدروجين. يمكن أيضًا أن تتولد عن طريق أكسدة البروتينات والحمض النووي. تتفاعل هذه الجذور مباشرة مع الجزيئات البيولوجية، مثل الحمض النووي ومجموعات الثايول المرتبطة بالألبومين Albumin -SH-groups. يمكنهم أيضا استخلاص الهيدروجين من الجزيئات الأخرى التي لها قدرة اختزال قياسية أقل كما لوحظ في مرحلة انتشار بيروكسيد الدهون propagation phase of lipid peroxidation. قد ينتشر ROO• إلى أجزاء بعيدة من الخلايا. فترات نصف عمرهم هي في حدود الثواني. تنشطر بعض جذور البيروكسيل وتطلق superoxide anion، أو تتفاعل مع بعضها البعض لتوليد singlet oxygen.
4. Hydroperoxyl Radical (HO2•)
ويطلق عليه عادة جذر الهيدروبيروكسيل أو جذر البيرهيدروكسيل hydroperoxyl radical or perhydroxyl radical، هو أبسط شكل لجذر البيروكسيل، الذي ينتج عن عملية ضافة البروتون لذرة protonation)) جذر superoxide anion radical أو عن طريق تحلل هيدروبيروكسيد decomposition of hydroperoxide وان ما يقرب من 0.3? من الأوكسايد الفائق الموجود في العصارة الخلوية هو في شكل بروتوني. ينتج جذر HO2• المركب H2O2 والذي يمكن أن يتفاعل مع المعادن بما في ذلك الحديد والنحاس، لتحفيز تفاعلات فنتون أو هابر-فايز. يمكن لجذر الهيدروبيروكسيل أيضًا إطلاق ذرات الهيدروجين من NADH. يلعب جذر الهيدروبيروكسيل دورًا مهمًا في كيمياء بيروكسيدة الدهون. إنه عامل مؤكسد أقوى بكثير من الأكسيد الفائق نظرًا لقدرته على إطلاق ذرات الهيدروجين من الأحماض الدهنية، مما يشير إلى دوره في بدء أكسدة الدهون.
5. Hydrogen Peroxide (H2O2)
يتكون بيروكسيد الهيدروجين طبيعيا في تفاعل يحفزه انزيم SOD وهو ليس جذر ولكنه يمكن ان يتسبب في احداث ضرر في الخلية وبتراكيز منخفضة. ينفذ هذا المركب بسهولة من الاغشية الخلوية وليس له تأثير مباشر في الحامض النووي DNA الا ان تأثيره قد يكون غير مباشر من خلال انتاج جذر الهيدروكسيل الذي يتلف الخلايا وان الانزيمات المضادة للأكسدة التي يمكن ان تزيله هي انزيمات الكتاليز و الكلوتاثيون بيروكسيديز (GPX , CAT) . ينتج البيروكسيد من عملية اختزال اليكترونين من جزيئة الاوكسجين في الخلايا تحت ضروف الاجهاد مثل درجات الحرارة المتطرفة والاشعة فوق البنفسجية والجروح او الإصابة بالممرضات. وهو جزيئة ذات عمر طويل نسبيا ولكونه الوحيد القادر على الانتشار من خلال قنوات الماء الغشائية Aquaporin ويعبر مسافات اطول داخل الخلية فهو قادر على احداث الضرر في مناطق ابعد من مكان انتاجه داخل الخلية. كما ان له اهمية استثنائية لأنه يعمل كإشارة تشارك في تنظيم الفعاليات الحيوية النوعية بالضد من الاجهاد والضغوط البيئية.
6. Singlet Oxygen (1O2)
على الرغم من كون الاوكسجين الأحادي هو شبه متزن وذو عمر زمني قصير في الخلايا فان جزء منه يمكن ان ينتشر لمسافات معقولة ويهاجم الاحماض النووية والصبغات والدهون والبروتينات فهو يؤكسد وبسرعة الجزيئات التي تمتلك الاصرة المزدوجة -C-C مكونا Hydroperoxidase و Endoperoxidase فهو يهاجم الاحماض الامينية ومجاميع الثايول SH والاحماض الدهنية غير المشبعة وقواعد الكوانين في الاحماض النووية.
7. Ozone (O3)
هو أقل فاعلية من HO• وعامل مؤكسد أقوى بكثير من الأكسجين. يمكن أن ينتج الجذور الحرة عن طريق أكسدة الجزيئات البيولوجية ويسبب الضرر التأكسدي للدهون والبروتينات والأحماض النووية كما انه قد يتسبب في تشوه الكروموسومات. يلعب الأوزون أيضًا دورًا مهمًا في العمليات الالتهابية.
8. Hypochlorous Acid (HOCl)
هو نوع شديد التفاعل يشارك في تفاعلات الأكسدة وكلورة مكونات البروتين والدهون. ينتج من خلال تنشيط خلايا Neutrophils في موضع الالتهاب من تفاعل بيروكسيد الهيدروجين والكلوريد وهو تفاعل يحفز بواسطة انزيم myeloperoxidase .
9. Carbonate Radical Anion (CO3•−)
يمكن إنتاجه بواسطة التحلل الإشعاعي للمحاليل المائية للبيكربونات / الكربونات؛ يمكن أن تتشكل أيضًا عندما يتفاعل •OH مع أيونات الكربونات أو البيكربونات carbonate or bicarbonate ions. وان مستويات البيكربونات المرتفعة (25 ملي مولر) في بلازما الدم تسمح بحدوث هذا التفاعل. على الرغم من أنه ليس عامل مؤكسد قوي مثل جذور الهيدروكسيل، فإن (CO3•−). له عمر نصف أطول بكثير من (•OH) وبالتالي يمكن أن تنتشر لمسافة ابعد واكسدة الجزيئات الخلوية. يمكن أن تتأكسد مجموعة متنوعة من الجزيئات الحيوية بواسطته نظرًا لكونه عامل مؤكسد رئيسي للبروتينات والأحماض النووية، فإنه يؤكسد قواعد الكوانين DNA عن طريق عملية نقل إلكترون واحد تؤدي إلى تكوين منتجات أكسدة مستقرة للكوانين.. من المعروف أنه يلعب دورًا مهمًا في تعديل الأحماض الأمينية في البروتينات في ظل ظروف الإجهاد التأكسدي والشيخوخة والالتهابات وفي حالات التنكس العصبي واضطرابات القلب والأوعية الدموية ومرض السكري.
10. Nitric Oxide (NO•)
يتم تضمين Nitric oxide (NO•), nitrogen dioxide (NO2•) and peroxynitrite (ONOO−) و غير الجذور HNO2 and N2O4 (dinitrogen tetroxide) تحت عنوان أنواع النيتروجين التفاعليreactive nitrogen species (RNS) . أكسيد النيتريك أو أول أكسيد النيتروجين هو جذر حر له إلكترون واحد غير مزدوج و التفاعل الكيميائي لـه محدود نوعًا ما ، وبالتالي فإن سُميته المباشرة أقل من تلك الموجودة في ROS ومع ذلك، فإنه يتفاعل مع O2•− وينتج peroxynitrite anion (ONOO−) ، وهو نوع ضار جدًا للبروتينات والدهون والحمض النووي. يتفاعل أكسيد النيتريك أيضًا مع الأكسجين الجزيئي والنيتروجين لتكوين ثاني أكسيد النيتروجين أو ثالث أكسيد ثنائي النيتروجينnitrogen dioxide or dinitrogen trioxide، وكلاهما عوامل مؤكسدة سامة. يتم إنتاج أكسيد النيتريك في الأنسجة البيولوجية بواسطة specific nitric oxide synthases، من خلال تفاعل H2O2 مع الأرجينين أو من خلال تحلل S-nitroso thiols في وجود ايونات معدنية.
أكسيد النيتريك قابل للذوبان في الماء والدهون، وبالتالي ينتشر بسهولة من خلال السيتوبلازم وغشاء البلازما. إذا تعرضت بلازما الدم البشري إلى أكسيد النيتروجين، فإن تركيزات حمض الأسكوربيك وحمض البوليك تنضب ويتم تفعيل بيروكسيد الدهون. تتفاعل الأنواع المشتقة من أكسيد النيتريك في أغشية الخلايا والبروتينات الدهنية بسرعة مع الأحماض الدهنية وجذور البيروكسيل الدهني fatty acids and lipid peroxyl radicals أثناء أكسدة الدهون ، مما ينتج عنه منتجات مؤكسدة من الدهون الحرة والكوليسترول ا. يشارك أكسيد النيتريك أيضًا في العديد من العمليات الفسيولوجية مثل النقل العصبي ، واسترخاء العضلات الملساء ، وتوسع الأوعية وتنظيم ضغط الدم ، والتعبير الجيني ، وآليات الدفاع و وظيفة الخلية ، وتنظيم آليات الالتهاب والمناعة ، وكذلك في العمليات المرضية مثل الاضطرابات العصبية التنكسية وأمراض القلب.
11. Nitrogen Dioxide (NO2•):على عكس أكسيد النيتروز nitrous oxide (N2O) ، يمكن اعتبار ثاني أكسيد النيتروجين جذرًا حرًا لأن الإلكترونات غير مقترنة. يتكون من تفاعل peroxyl radical and NO في الهواء الملوث والتدخين. و هو مؤكسد قوي مع الجزيئات العضوية. يمكن ازدواج اثنين من (NO2•) إلى رابع أكسيد ثنائي النيتروجين عالي التفاعل . dinitrogen tetroxide (N2O4) يمكن أن يؤثر ثاني أكسيد النيتروجين على آليات عمل مضادات الأكسدة ، مما يتسبب في أكسدة حمض الأسكوربيك وبالتالي يؤدي إلى أكسدة الدهون وإنتاج الجذور الحرة.
12. Peroxynitrite (ONOO−)
يتكون من تفاعل أكسيد النيتريك والأوكسايد الفائق nitric oxide and superoxide anion. وهي شديدة السمية ويمكن أن تتفاعل مباشرة مع ثاني أكسيد الكربون لتكوين highly reactive nitroso-peroxo-carboxylates (ONOOCO2−) أو حامض peroxynitrous acid (ONOOH)، والتي قد تخضع لمزيد من التحلل لتنتج(HO•) وNO2• أو إعادة الترتيب لإنتاج NO3. ينتشر Peroxynitrite (ONOO−) بسهولة عبر أغشية الخلايا؛ يمكنه أكسدة الدهون، وبقايا الميثيونين والتيروسين في البروتينات والحمض النووي DNA إلى nitroguanine. يعمل كعامل مؤكسد بطريقة مشابهة لجذر الهيدروكسيل. تعتبر بقاياه علامات لتلف الخلايا الناجم عن peroxynitrite وقد ارتبطت بشيخوخة الأنسجة يتسبب أيضا في إصابة الأنسجة ويؤكسد البروتين الدهني منخفض الكثافة (LDL) )؛ ويبدو أنه يتولد في مواقع الالتهاب .
13. Reactive Sulfur Species
تُعزى التأثيرات البيولوجية لكبريتيد الهيدروجين بشكل أساسي إلى عملية persulfidation of proteins (وهي عملية أكسدة مجموعات السيستين ثيول ( R-SH) إلى مجموعات بيرسلفيد oxidizes cysteine thiol (R-SH) groups into persulfide (R-SSH) groups. يبدو أن كبريتيد الهيدروجين يثبط تصلب الشرايين وتجمع الصفائح الدموية. وقد ثبت أنه يحمي من أضرار نقص التروية وإعادة التروية عن طريق الحفاظ على وظيفة الميتوكوندريا.