thumb|right|350px|Prostorski model antioksidantnega metabolita glutationa. Rumena krogla predstavlja redoks-aktiven žveplov atom, ki molekuli daje antioksidativne lastnosti. Rdeče, modre, bele in temno sive krogle predstavljajo kisik, dušik, vodik in ogljik.
Ántioksidánt je molekula, ki lahko upočasni ali prepreči oksidacijo drugih molekul. Oksidacija je kemična reakcija prenosa elektrona iz ene substance na spojino, ki se oksidira (reducent). Pri oksidacijskih reakcijah lahko nastajajo prosti radikali, ki v telesu sprožijo verižne radikalske reakcije, posledice teh pa so lahko poškodbe celic. Antioksidanti prekinejo propagacijsko fazo teh reakcij, saj reagirajo s prostimi radikali in jih tako nevtralizirajo (odstranijo intermediate s prostimi radikali), s tem pa preprečijo oksidacijo drugih molekul. Antioksidanti so dostikrat reducenti, kot so tioli ali polifenoli.
Čeprav so oksidacijske reakcije ključne za življenje, so lahko tudi usodne. Zaradi tega so živali in rastline razvile kompleksne antioksidantne sisteme z mnogimi tipi antioksidantov, kot so glutation, vitamin C in vitamin E ter multikomponentne encimske sisteme, kot so katalaze, superoksid dismutaze (SOD) in raznovrstne peroksidaze. Nizka raven antioksidantov ali inhibicija delovanja antioksidantnih encimskih sistemov privede do pojava tako imenovanega oksidativnega stresa, ta pa lahko poškoduje ali celo ubije celice.
Ker sklepajo, da je oksidativni stres ključnega pomena pri razvoju in manifestaciji številnih bolezni pri človeku, je raba antioksidantov v farmakologiji podvržena mnogim raziskavam, s poudarkom na uporabi antioksidantov pri zdravljenju kapi in nevrodegenerativnih bolezni. Vendar pa do sedaj še ni razjasnjeno, ali je oksidativni stres vzrok ali posledica bolezni. Dandanes je široko razširjena tudi raba antioksidantov v prehranskih dopolnilih z upanjem na pozitivne učinke na zdravje in preprečevanje bolezni, kot sta rak in ateroskleroze. Čeprav so nekatere študije dokazale pozitivne učinke antioksidantnih pripravkov na zdravje, pa druge obsežne klinične študije niso odkrile pozitivnih učinkov testiranih formulacij, dodatno pa prekomerna uporaba antioksidantnih pripravkov zdravju lahko celo škodi. Poleg uporabnosti v medicini so antioksidanti široko uporabljeni kot konzervansi v prehrambeni in kozmetični industriji ter za preprečevanje degradacije gume in bencina v industriji.
Zgodovina
Izraz antioksidant se je v začetku uporabljal specifično za substance, ki so preprečevale porabo kisika. Ob koncu 19. in začetku 20. stoletja je bila izvedena obsežna raziskava, posvečena uporabi antioksidantov v pomembnih industrijskih procesih, kot so preprečevanje korozije kovin, vulkanizacija gume in preprečevanje polimerizacije goriv v motorjih z notranjim zgorevanjem.Matill HA (1947). Antioxidants. Annu Rev Biochem 16: 177–192.
Zgodnje raziskave pomena antioksidantov v biologiji so bile fokusirane na uporabo antioksidantov za preprečevanje oksidacije nenasičenih maščob, ki povzroči žarkost. Antioksidantno aktivnost so merili s preprosto metodo, kjer je bila maščoba v zaprti posodi izpostavljena kisiku, pri tem pa so merili porabo kisika. Vendar pa je omenjeno področje doživelo revolucijo šele z identifikacijo vitaminov A,C in E kot antioksidantov, kar je privedlo do spoznanja o pomenu antioksidantov v biokemiji živih organizmov.
Mehanizme delovanja antioksidantov so začeli raziskovati ob spoznanju, da je za spojino z antioksidantnimi lastnostmi zelo verjetno, da se bo sama hitro oksidirala.Moreau and Dufraisse, (1922) Comptes Rendus des Séances et Mémoires de la Société de Biologie, 86, 321. Raziskave o mehanizmu preprečevanja lipidne peroksidacije z vitaminom E so privedle do spoznanja, da so antioksidanti pravzaprav močni reducenti, ki preprečujejo oksidativne reakcije tako, da lovijo reaktivne kisikove spojine oz. reaktivne kisikove zvrsti (ROS) in z njimi reagirajo, še preden le-te poškodujejo celice.
Oksidativni izziv v biologiji
thumb|right|250px|Struktura antioksidanta askorbinske kisline (vitamina C)
Velika večina kompleksnih organizmov za svoj obstoj potrebuje kisik, hkrati pa je kisik zelo reaktivna molekula, ki poškoduje celice s tvorbo reaktivnih kisikovih zvrsti, kar je tako imenovan »paradoks metabolizma«. Posledično so živi organizmi razvili kompleksen preplet antioksidantnih metabolitov in encimov, ki v medsebojno povezanem delovanju preprečujejo oksidativne poškodbe celičnih komponent, kot so DNK, beljakovine in lipidi. V splošnem antioksidantni sistem bodisi preprečuje nastanek teh škodljivih reaktivnih snovi ali pa jih odstranjuje, še preden lahko poškodujejo vitalne komponente celic. Glede na pomembne funkcije reaktivnih kisikovih spojin, kot je celična signalizacija, pa naloga antioksidantnega sistema ni odstranitev oksidantov iz organizma v celoti, pač pa zagotoviti optimalno količino le-teh v celicah.
Med reaktivne kisikove spojine, ki nastajajo v celicah, sodijo vodikov peroksid (H2O2), hipoklorna kislina (HClO) in prosti radikali, kot sta hidroksilni radikal (•OH) in superoksidni anion (O2−). Hidroksilni radikal je še posebej nestabilen in zato hitro in nespecifično reagira z veliko večino bioloških molekul. Nastane iz vodikovega peroksida s kovinsko kataliziranimi redoks reakcijami, kot je Fentonova reakcija. Omenjeni oksidanti lahko poškodujejo celice s sprožitvijo verižnih kemijskih reakcij, kot je lipidna peroksidacija, ali pa z oksidacijo DNK oz. beljakovin. Poškodbe DNK lahko privedejo do mutacij in posledično do razvoja raka, če niso pravočasno popravljene s popravljalnimi mehanizmi, medtem ko lahko poškodbe beljakovin povzročijo inhibicijo encimov, beljakovinsko denaturacijo in degradacijo.
Med procesom pridobivanja metabolične energije se porablja kisik, pri tem pa nastajajo tudi reaktivne kisikove spojine. Pri tem na več stopnjah dihalne verige kot stranski produkt nastaja superoksidni anion. Med procesom celičnega dihanja je izrednega pomena tudi redukcija koencima Q v kompleksu III, saj na tej stopnji kot intermediat nastaja izredno reaktiven prosti radikal (Q·−). Nestabilen intermediat lahko privede do tako imenovanega »puščanja elektronov«, ko elektroni preidejo neposredno na kisik in nastaja reaktivni superoksidni anion, namesto da bi prenos elektronov potekal preko kontroliranih faz dihalne verige. Prav tako nastajajo reaktivne kisikove zrsti v podobni seriji reakcij v svetlobni fazi fotosinteze pri rastlinah. Nastanek le-teh je vsaj delno zavrt s fotoinhibicijo, v kateri sodelujejo karotenoidi; nastanek reaktivnih kisikovih zvrsti zavira reakcija antioksidantov s predhodno reduciranimi fotosintetskimi reakcijskimi centri.
Presnovki
Splošni pregled
Antioksidanti so razdeljeni v dve obsežni skupini, glede na topnost bodisi v vodi (hidrofilni), ali pa v maščobah (lipofilni/hidrofobni). V splošnem hidrofilni antioksidanti reagirajo z oksidanti v citoplazmi celic in v krvni plazmi, lipofilni antioksidanti pa ščitijo celične membrane pred lipidno peroksidacijo. Antioksidante telo dobi s prehrano, ali pa jih sintetizira samo. Različni antioksidanti so v telesu prisotni v zelo različnih koncentracijah in v različnih tkivih. Glutation in ubikinon sta tako prisotna v glavnem v celicah, medtem ko so nekateri drugi, npr. sečna kislina, po telesu bolj enakomerno porazdeljeni (glej spodnjo tabelo).
Zelo kompleksno vprašanje, ki se pojavlja, je relativen pomen posameznih antioksidantov in interakcije med njimi, saj imajo mnogi od metabolitov in encimov medsebojno odvisno in sinergistično delovanje. Aktivnost in delovanje posameznega antioksidanta sta torej odvisna od pravilnega delovanja ostalih komponent antioksidantnega sistema. Zaščita, ki jo posamezen antioksidant nudi organizmu, je torej odvisna od njegove koncentracije, reaktivnosti proti določenim reaktivnim kisikovim zvrstem in od stanja, v katerem so ostali antioksidanti, s katerimi interagira.
Nekatere spojine pripomorejo k antioksidantni zaščiti s keliranjem kovinskih ionov, saj s tem preprečijo katalizo nastanka prostih radikalov v celicah. Posebej pomembna je sposobnost sekvestriranja železa, kar je funkcija nekaterih encimov, kot sta transferin in feritin. Tudi nekateri kovinski ioni, kot sta selen in cink, so označeni kot pomembni antioksidantni nutrienti, čeprav sami nimajo antioksidantne aktivnosti, pač pa so kofaktorji antioksidantnih encimov, kot je razloženo v sledečih poglavjih.
Antioksidantni metabolitTopnostKoncentracija v človeškem serumu (μM)Koncentracija v jetrnem tkivu (µmol/kg)Askorbinska kislina (vitamin C)Voda50–60260 (človek)GlutationVoda325–6506,400 (človek)Lipojska kislinaVoda0.1–0.74 – 5 (podgana)Sečna kislinaVoda200–4001,600 (človek)KaroteniLipidiβ-karoten: 0,5–1 retinol (vitamin A): 1–35 (človek, celokupni karotenoidi)α-tokoferol (vitamin E)Lipidi10–4050 (človek)Ubikinol (koencim Q)Lipidi5200 (človek)
Askorbinska kislina
Askorbinska kislina ali vitamin C je monosaharidni antioksidant, ki ga najdemo tako pri živalih, kot tudi pri rastlinah. Ker ga človeško telo ne more sintetizirati, je potreben vnos s hrano in je zato vitamin. Večina drugih živali lahko vitamin C sintetizira sama, zato ga v prehrani ne potrebujejo. V celicah se po reakciji z glutationom, ki jo katalizirajo encimi protein disulfid izomeraze in glutaredoksini, nahaja v reducirani obliki. V takšni obliki je močan reducent, zaradi česar lahko reducira ter s tem nevtralizira reaktivne kisikove zvrsti, kot je vodikov peroksid. Poleg direktnega antioksidantnega delovanja je substrat za antioksidantni encim askorbat peroksidazo, kar je še posebej pomembno za obrambo proti stresu pri rastlinah.
Glutation
thumb|350px|right|Radikalski mehanizem lipidne peroksidacije
Glutation je peptid, ki vsebuje aminokislino cistein, in je prisoten praktično pri vseh aerobnih organizmih. Ker ga sintetizirajo celice iz osnovnih aminokislin, ga ni potrebno vnašati s hrano. Antioksidantne lastnosti glutationa so posledica prisotnosti tiolne skupine v cisteinu. Ta je reducent, ki se lahko reverzibilno oksidira in nato ponovno reducira. Po reakciji z encimom glutation reduktazo se glutation v celicah nahaja v reducirani obliki, kot tak pa reducira druge prisotne metabolite ali oksidante same. Zaradi visoke koncentracije in ključne vloge pri vzdrževanju celičnega redoks stanja, je glutation eden najpomembnejših celičnih antioksidantov.
Melatonin
Melatonin je močan antioksidant, ki zlahka prehaja celične membrane in krvno-možgansko pregrado. Za razliko od ostalih antioksidantov ni podvržen cikličnim redoks reakcijam, reverzibilni oksidaciji in redukciji. Redoks cikel omogoča drugim antioksidantom, kot je vitamin C, da delujejo tudi prooksidantno, medtem ko melatonin po oksidaciji ne more biti reduciran, saj s prostimi radikali tvori več stabilnih produktov. Zaradi te lastnosti je tako imenovan terminalni ali samomorilski antioksidant.
Tokoferoli in tokotrienoli (vitamin E)
Vitamin E je skupno ime za osem sorodnih tokoferolov in tokotrienolov, ki so lipofilni vitamini z antioksidantnimi lastnostmi. Med njimi je najbolj raziskan α-tokoferol, ki ima največjo biorazpoložljivost – od vseh oblik vitamina E ga telo najhitreje in najbolje absorbira ter metabolizira.
Po nekaterih trditvah naj bi bil α-tokoferol najpomembnejši lipofilni antioksidant, ki ščiti membrane pred oksidacijo, saj reagira s prostimi lipidnimi radikali, ki nastajajo pri verižni reakciji lipidne peroksidacije. S tem nevtralizira/odstrani proste radikale in prepreči nadaljevanje propagacijske faze omenjene reakcije. Po reakciji z radikalom nastane oksidiran α-tokoferol radikal, ki se z drugimi antioksidanti, kot so askorbat, reatinol ali ubikinol, reciklira nazaj v reducirano obliko.