הזדקנות הגוף והעור ומגוון רחב של מחלות כגון: סוכרת, אלצהיימר, פרקינסון, שבץ, דלקות פרקים, השמנת יתר ואפילו סרטן, עלולות להיגרם עקב מצב עודף של רדיקליים חופשיים.
מהם רדיקלים חופשיים? כיצד הם נוצרים ומדוע חשוב למדוד אותם? מהו דחק חימצוני?
כל אטום מכיל גרעין ואלקטרונים. בגרעין ישנם פרוטונים וניטרונים, בעוד שבמעטפת שלו ישנם האלקטרונים. כאשר מולקולה נוצרת על-ידי איחוד של אטומים, לרוב בקליפות סביב הגרעין מסתדרים האלקטרונים בזוגות. לפיכך, לכל המולקולות יש במעטפת האלקטרונים מספר זוגי של אלקטרונים, כאשר כל אלקטרון מסתובב בכיוון הפוך.
רדיקלים חופשיים הם מולקולות, או פרודות או אטומים שיש להן אלקטרון בלתי מזווג אחד או יותר במעטפת האלקטרונים, ולפיכך הם כעת "עצמאיים" (מכאן נגזר המונח "חופשיים") ונעשים "רעבים" מבחינה חשמלית (אלקטרופילים) וזאת על-מנת להשלים את האלקטרון החסר.
כתוצאה מכך, האטומים הללו מאוד פעילים מבחינה כימית, והם מגיבים, "תוקפים" מולקולה אחרת שהופכת להיות רדיקל. הצטברות של רדיקלים עלולה לגרום לנזק של מולקולות אחרות כמו חומצות גרעין (כדוגמת DNA ,RNA), חלבונים (בעיקר חומצות אמינו המכילות גופרית), שומנים (הנמצאים במעטפת/קרומי התא ובמיוחד הקשרים הכפולים בין פחמנים הנמצאים בחומצות שומן רב בלתי רוויות Polyunsaturated fatty acid PUFA ובפוספוליפידים), ואברונים שונים בתא.
כיצד נוצרים הרדיקלים?
בשדה הכימיה והביולוגיה קיימים רדיקלים חופשיים רבים. רדיקלים יכולים להיווצר על-ידי אובדן אלקטרון בודד ממולקולה שאיננה רדיקל. (איבוד אלקטרון או הוספת חמצן נקרא "חימצון" או אוקסידציה), או באמצעות קליטת אלקטרון על-ידי מולקולה שאיננה רדיקל (תהליך שנקרא "חיזור" או רדוקציה).
מקור הרדיקלים יכול להיות מחמצן או מנגזרות שלו (מושג שנקרא Reactive Oxygen Species ROS); מחנקן או מנגזרות שלו (Reactive Nitrogen Species RNS) כולל תחמוצות חנקן הנמצאות באוויר מזוהם, בעשן סיגריות, בחומרי הדברה; מקרינת גמה (γ-radiation); וכן מיונים של 'מתכות מעבר' (Transitional metals) הנמצאות בתוך התא (ברזל, נחושת וכו') שמסיבה כלשהיא הן משתחררות מכליאתן ואז בתיווכן נוצרים רדיקלים הרסניים (לדוגמא, חימצון תרכובת אורגנית באמצעות מי-חמצן וברזל יגרום ליצירת רדיקל הידרוקסיל (·OH), הנחשב לרדיקל מאוד פעיל מבחינה כימית ועלול לתקוף כמעט כל מולקולה בתא הביולוגי.
מכאן, שתערובת של מי-חמצן עם ברזל יכולה לעורר תגובות שרשרת שתוצרתם היא יצירת רדיקלים.
הרדיקל הפשוט ביותר הוא אטום מימן (Hydrogen) (למימן יש אטום אחד, לכן הוא חייב להיות 'בלתי מזווג'). לעומתו, לחמצן האטמוספרי (Oxygen) (אותו אנחנו נושמים) יש בקליפה החיצונית 6 אלקטרונים. כאשר חמצן מתחבר לשני מימנים, יהיו בקליפתו החיצונית שמונה אלקטרונים והוא יהיה אטום רווי ולא פעיל יותר מבחינה כימית. בחיבור זה ("חיזור" החמצן) נוצרת מולקולת מים (H2O).
אגב, ישנן מולקולות שקליפתן החיצונית רוויה כבר ב-8 אלקטרונים, ועל-כן אין הן פעילות מבחינה כימית. מולקולות אלה ידועות כ"גזים אצילים" כדוגמת הליום, ניאון, וארגון. אולם, גזים אצילים אינם מעניינים מבחינת החיים הביולוגיים.
רדיקלים נוצרים כתוצרי ביניים בחילוף החומרים (מטבוליזם) הנורמלי בגופנו, כמו למשל בתהליכי החימצון-חיזור המתרחשים לאורך "שרשרת הנשימה" שבציטוכרומים במיטוכונדריה (אברון תאי שאחראי על הפקת האנרגיה לתא). במילים אחרות, תהליכי החימצון-חיזור במיטוכונדריה משמשים ליצירת מולקולת 'אנרגיה' ששמה אדנוזין שאליה מחוברים שלשה זרחנים. מולקולה זו מוכרת כ-Adenosine tri phosphate ATP.
כאמור, רדיקלים נוצרים בעקבות התאגדות של מולקולות (קשר כימי) שבעקבות החיבור נוצרת מולקולה עם תכונות כימיות אחרות. למשל, רדיקל יכול להיווצר בעת פרוק קשר קוולנטי (Covalent bond) (זהו קשר בין שתי מולקולות בו אין קבלה או מסירת אלקטרונים אלה יש שיתוף אלקטרונים).
הקשר שצויין למעלה בין חמצן למימן ליצירת מים הוא קשר קוולנטי. אם רדיקל יתערב בקשר בין חמצן למימן התוצאה תהיה רדיקל מימן (H·) ורדיקל הידרוקסיל (·OH. Hydroxyl radical אם החמצן יאבד אלקטרון בודד יווצר "על-חמצן" (Superoxide radical (O2·-. אגב, נקודה לצידי הנוסחה המולקולרית מציינת רדיקל חופשי.
מהו תהליך יצירת רדיקל מחמצן?
האוויר האטמוספרי מכיל 21% חמצן אותו אנו מעבירים באמצעות מערכת הנשימה אל התאים ליצירת אנרגיה. החמצן שאנו נושמים הוא כחרב פיפיות. מחד-גיסא, אין חיים בלעדיו. בתנאים רגילים באדם צעיר ובריא מרבית ממולקולות החמצן (97%-95%) מחוזרות למים בתהליך המתרחש (זהו חיזור טטרה ולנטי בו החמצן מקבל 4 אלקטרוני מימן ותוצרתו היא יצירת מולקולות ATP שמשמשות כמקור ראשוני לאנרגיה).
תהליך חיזור זה נעשה במיטוכונדריה בקומפלקס 4 על-ידי חלבונים המוכרים בשם cytochrome c oxidase. מאידך-גיסא, כ-3%-5% ממולקולות החמצן אינן עוברות במסלול השרשרת הנשימה במיטוכונדריה, אלא עוברות במסלול של חיזור חד-ערכי שכתוצאה מכך נוצרים רדיקלים שונים של חמצן:
חיזור של מולקולת חמצן על-ידי אלקטרון בודד יביא ליצירת רדיקל על-חמצן, (Superoxide anion radical O2·-).
חיזור מולקולת חמצן על-ידי שני אלקטרונים יביא ליצירת מי-חמצן, (Hydrogen peroxide (H2O2. חיזור מולקולת חמצן על-ידי שלושה אלקטרונים יביא ליצירת (Hydroxyl radical (·OH.
המאפיין המייחד את הרדיקלים הוא יכולתם להשתתף באופן פעיל בשרשרת תגובות שלכל אחת מהן יכולת לייצר רדיקלים נוספים.
האם הרדיקלים גורמים רק רע?
ממש לא. תא ביולוגי מייצר רדיקלים כל הזמן. בתנאים פיזיולוגיים נוצרים בעיקר רדיקל על-חמצן, מימן על חמצני, ורדיקל חנקן חד-חמצני, אך לא נוצר רדיקל הידרוקסיל. לרדיקלים יש חשיבות רבה במלחמה נגד תהליכים דלקתיים וזיהומיים, ותפקיד פיזיולוגי חיוני (הם משמשים כמתווכים ב"מעבר אותות כימיים" בתא, signal transduction molecules כמו בתהליכי מוות תאי-מתוכנת, אפופטוזיס).
חשיבות הרדיקלים באה לידי ביטוי בכל המערכות הביולוגיות בגופינו,
להלן מספר דוגמאות:
תאי אנדותל שבדופן הפנימי בכלי הדם יוצרים כל הזמן את הרדיקל חנקן חד-חמצני (Nitric Monoxide (NO·. לרדיקל זה תפקידים רבים שביניהם ניתן לציין שהוא מרפה שריר חלק שנמצא בדופן האמצעית בכלי הדם ובכך מוריד לחץ דם, ואף חודר לתוך לוחיות הדם וגורם לירידה ברמת הסידן התוך-תאי ובכך הוא מסייע לאנדותל למנוע קרישת יתר. האנזים NOS שבתוך-תאי האנדותל הוא שמייצר את הרדיקל NO·.
תאי פאגוציט, שתפקידם לעכל ולהשמיד מיקרואורגניזמים מסוכנים, בתוכם ישנם ליזוזומים שמייצרים מספר אנזימים המייצרים רדיקלים. לדוגמא, האנזים הממברנלי NAD(P)H Oxidase יוצר יוני על-חמצן בעקבות פלישת בקטריות לתא. גם האנזים (Myeloperoxidase (MPO) הנוצר בתאים נויטרופילים, יוצר רדיקל להשמדת בקטריות.
מהי עקה חימצונית Oxidative Stress
פעולת השרשרת הבלתי מפסקת של הרדיקלים החופשיים (FR) היא תהליך המכונה עקה או דחק חימצוני (Oxidative Stress (OS. במצב אידיאלי תאי הגוף יכולים להתמודד בהצלחה נגד מתקפת הרדיקלים. הגוף עושה זאת באמצעות מערכות הגנה שונות המוכרות כנוגדי חימצון (Antioxidants (AO. כל עוד וקיים שיווי משקל ביולוגי ביניהם (הומאוסטזיס) ונשמר האיזון, הזי אין שרשרת הפעולה של הרדיקלים עושה נזק, כל עוד מערכות ההגנה מונעות ואו מתקנות אותו.
אולם בעקבות משתנים חיצוניים (תזונה, עישון, זיהום אוויר, ועוד) ומשתנים פנימיים (גיל, תרופות, פציעה, מחלה) גוברים הרדיקלים על נוגדי החימצון, וכך שיווי המשקל הביולוגי מופר והתוצאה היא דחק חימצוני בתא (ראה נוסחה), שגורם לנזקים למולקולות השונות ובכך נפגעים מבנה ותפקוד התא.
לסיכום, דחק חימצוני שאיננו פיזיולוגי (הנובע כמוצר לוואי כמו במטבוליזם של חימצון-חיזור) יכול להיגרם מגורמים שונים: חשיפה לרעלים שונים (טוקסינים, פתוגנים); מערכת הגנה נוגדת חימצון חלשה; וסגנון חיים לא בריא (תזונה לקויה, חוסר או הגזמה באימון גופני, מתח נפשי).
אילו בדיקות ניתן לעשות?
דחק חימצוני איננו מחלה בפני עצמו אלה סממן ביולוגי (Biological marker) שמצביע ומתריע כי משהו השתבש בביולוגית התא. לפיכך, איבחון, איתור, מניעה וטיפול הינם חיוניים ביותר.
למרות התובנה באיתור העקה ואו מניעתה, בדיקות עקת חימצון אינן בשגרת הבדיקות הקיימות במערכת הבריאות בארץ ובעולם. באופן פרדוקסלי, לעיתים מאוד קרובות מופנה הציבור להשתמש בתוספי מזון שונים (ויטמינים, מינרלים, ועוד) על-מנת לשפר את פרופיל נוגדי החימצון בגופם ובכך להתמודד טוב יותר נגד נזקי הרדיקלים. אולם, הציבור לא מופנה קודם לכן לבדיקות אם באמת קיים צורך לתוספים אלה ואיזה. כי עקת החימצון יכולה להיות או בעקבות הצטברות גדולה של רדיקלים או ירידה בכמות ואו איכות נוגדי החימצון.
חברה איטלקית Callegari S.p.A פיתחה מערכת מכשירים למדידת עקת חימצון בשם FORM System. על המערכת נערכו בדיקות תקפות, מהימנות ורגישות והיא נמצאה כיעילה ביותר, המאפשרת בדיקה פשוטה ומהירה, בכל מקום (לצד מיטת החולה, במרפאה ובמעבדה). הבדיקה מבוצעת על-ידי לקיחת טיפת דם בודדה (כ-10 מיקרו ליטר) מאצבע הנבדק/ת, ותוך כ-10 דקות מוצגים הערכים.
