4. הרדיקלים החופשיים

גורמי היזדקנות, חולי, ומוות 

תקציר

הרדיקלים החופשיים גורמים לנזק חימצוני, שהוא תוצאה בלתי נמנעת של חילוף החומרים התאי, והוא גדל בהרבה עם החשיפה למזהמים כימיים או לקרינות אלקטרומגנטיות לסוגיהן. נזק זה מצטבר בהדרגה, וכך גורם להיזדקנות, למחלות גיל ניווניות קשות, כולל מחלות לב, סרטן, ולמוות בטרם עת. זוהו כבר יותר מ- 20 צורות של פגיעת חימצון בבסיסי ה- DNA אולם רק מעט מהן נילמדו כראוי, בעיקר מוכר הבסיס המחומצן 

. מחקרים רבים מצאו מובהקות של   נזק חימצוני במערכות ביולוגיות. נבדקה הפגיעה בחלבונים בעלי פעילויות תיקון, וניסקרו מספר של אפקטים של נזקים לתא, שחלקם לא זכו לתשומת לב רבה. ישנו שפע דיווחים, שחלקם הראו תוצאות סותרות, בגלל מורכבות המערכות. הם מתארים מצבים פתולוגיים בהם הנזק החימצוני ל- DNA ממש נימדד, חלק מהמחקרים בדקו את המובהקות הבסיסית של הנזק, בהקשר לפתוגנזה של חולי. ניתן לשער, שחוסר בסמנים ביולוגיים, ופערים בידע, גרמו לכישלון בקבלת תוצאות עיקביות ומוגדרות, ביחס להבנת התפקיד של נזק ל-DNA בהתפתחות מחלות. המחקרים הראו שבחולים במחלות קשות, רבות, נמדדו רמות גבוהות מהרגיל של רדיקלים חופשיים, כך, שחשיבות הרדיקלים כגורמי מחלות אלו, בפרט מחלות עצבים, וסרטן, אינה מוטלת בספק . בתאי הגוף פועלת מערכת נוגדי חימצון, חופשיים ואנזימטיים, שהם מנטרלים את הרדיקלים, כך שמפסיקים להזיק. הם נוצרים בחילוף חומרים נורמלי, אך ייצורם מוגברים בפעילות גופנית ונפשית נמרצת, וכן בחשיפה למזהמים כימיים ולקרינות לסוגיהן. כשנוצר עודף רדיקלים, הוא מכלה את מלאי נוגדי החימצון, והתאים נכנסים לדחק חימצוני, ובו מוגברים נזקי הרדיקלים, ומואץ בואן של מחלות הגיל הקשות, בפרט, בלב וכלי הדם, בעצבים, ומחלות הסרטן. 

מבוא 

מאמר זה מביא רק את עיקרי הדברים, כדי להבין את העולם המרתק של הרדיקלים החופשיים. המציאות מורכבת בהרבה, כי ישנן עוד השפעות גומלין שונות, בין הרדיקלים החופשיים, ומאקרומוליקולות אחרות בתא החי, במצבים שונים, עם מוצרי פירוק, וכיוב'. חשוב לדעת, שהרדיקלים החופשיים נחשבים כגורם חשוב בהיזדקנות ובהתפתחות תהליכים פתולוגיים, אולם הם אינם היחידים. ככל שריכוזי הרדיקלים עולים, גדלים נזקיהם. בתאי הגוף פועלת גם מערכת נוגדי החימצון, הצדים את הרדיקלים, כדי לשמור שריכוז הרדיקלים לא יעלה מעל המינימום הדרוש. יצירת הרדיקלים החופשיים נעשית באופנים שונים, מערכת מורכבת, שמרכיביה קשורים אחד בשני. ברשימה זו מוצגים בעיקר נזקי הרדיקלים, מעט על תיקון הנזקים, ומעט על מערכת נוגדי החימצון, רק כדי להשלים את התמונה. נוגדי חימצון ניבחרים, המומלצים כתוספי מזון, מפורטים ברשימה "ירוק גם מבפנים" המוצגת גם היא באתר זה. 

רדיקלים חופשיים נוצרים כל הזמן בגוף החי בחילוף חומרים תאי נורמלי, במסלולים ביוכימיים שונים. ישנם רדיקלים הפועלים כמעבירי סיגנלים, חלקם מפעילי גנים שונים, ויש הגורמים ליצירת חיבורים בין סיבי הקולגן בעור, השמדת פולשים, המסת מזהמים, ועוד. יצירת הרדיקלים בתהליכים תאיים נורמליים (לא פתוגניים), נילקחת בחשבון כרמת רקע של נזק חימצוני ל- DNA, ומרכיבי תא אחרים, בריקמה נורמלית (Best 2009). 

רוב הרדיקלים החופשיים, נחשבים כ- "סוגי חמצן מגיב" (ROS (reactive oxygen species או סוגי חנקן מגיב (RNS (reactive nitrogen species , וכוללים: 

• • סופראוקסיד *-O2

  • הידרוקסיל *OH

  • הידרופראוקסיל *OH2

  • פרוקסיל *RO2

  • אלוקסיל *RO

  • קרבונט *-CO3

  • דו תחמוצת הפחמן *-CO2

  • כלור *Cl

  • תחמוצת החנקן *NO

  • דו תחמוצת החנקן *NO2

בתא החי, פועלות כרגיל בריאקציות הנשימה, שרשרות העברת אלקטרונים, המועדות ל-"דליפת אלקטרונים" לאטומי חמצן, ובחלק מהן נוצר יון על-חמצני (סופראוקסיד,–•O2). זהו רדיקל חופשי של חמצן. כמה פעילויות אנזימטיות שונות, יוצרות רדיקל על-חמצני, כגון, בתאי פגוציטים ("זוללי חיידקים" במערכת החיסון המשמידים חיידקים ונגיפים): שם נוצרים רדיקלים חופשיים, במסלולים שונים, בעזרתם משמידים תאים אלה פולשים גורמי מחלות, שהם מצליחים לתפוש. אבל בהשמידם את גורמי המחלות שלכדו, מתאבדים תאים אלה, ועודפי הרדיקלים, המשתחררים מהם, נישפכים לרקמות השכנות (דהיינו, התפרצות חימצונית), והם גורמים נזקים קשים לרקמות בריאות. בתאים יש מיטוכונדריות, ופראוקסיזומים, שהם גופיפים תת תאיים, בהם יש חילוף חומרים חימצוני ממודר, המוביל ליצירת מוצרים שהם ROS, שאם היו חופשיים, היו עלולים להזיק לתאים. בתנאים מסויימים, מוצרים אלה משתחררים מהתאים. יצירת ROS נעשית גם באופן ישיר בחשיפה לקרינות מייננות, ובאופן בלתי ישיר, בחשיפה לקרינות אלקטרומגנטיות בלתי מיננות, כגון קרינת על-סגול (באור השמש), קרינות בתדרי רדיו וסלולרים, שדות מגנטיים ממכשירי חשמל לסוגיהם בתדר רשת החשמל, וגם בחשיפה למזהמים כימיים ממקור חיצוני. 

תאים הנחשפים לגורמים אלה, יוצרים עודף רדיקלים הגורמים לנזקי חימצון. המזהמים הכימיים משנים את תנאי הרדוקס בתאים, וכתוצאה מכך את חילוף החומרים, המלווה בשינוע אלקטרונים שיכולים להיות מועברים לחמצן מוליקולרי, כאמור, ליצירת רדיקל היון העל-חמצני. בלי קשר למקורם של ה- ROS, הם פועלים ביחד על מוליקולות ביולוגיות תאיות כגון חלבונים, ליפידים (שומנים), וחומצות הגרעין (DNA, ו- RNA) ולגרום לשיבוש התהליכים בתא החי, ובמקרים רבים, אפילו להרוג אותו.

אפקטים חיוביים של הרדיקלים החופשיים 

הרדיקלים החופשיים נוצרים, כאמור, באופן טבעי בריאקציות הנשימה וחילוף החומרים התאים בגוף החי, וממלאים תפקידים רבים וחשובים, כגון, סילוק פולשים לגוף (חיידקים, נגיפים, פטריות, וטפילים), העברת סיגנלים, סימון תאי רקמות פגועות, והמסת מזהמים כימיים שיש לסלק מהגוף, ועוד. במעט פירוט, יצירת רדיקלים בעת כניסת מזהמים כימיים, בדרכי הנשימה, עיכול, או דרך העור, נעשית כדי להמיס אותם, בעזרת רדיקל ההידרוקסיל, ולסלק אותם מהגוף. הרדיקלים מעבירים סיגנלים תאיים ובין תאיים, חלקם מפעילי גנים רבים, ושונים, יש הגורמים ליצירת חיבורים בין סיבי הקולגן בעור, ועוד. בולטת פעילותם על מערכת החיסון, בה נאוטרופילים ומאקרופאגים משתמשים ב- ROS, כדי להרוס מיקרואורגניזמים שהם בלעו. יצירת ה- ROS בתוך ואקואולות בתאי מערכת החיסון, מודגמת בנוסחאות הבאות:

רדיקל העל-חמצן  -•02 יכול להפוך למימן פראוקסיד בהשפעת האנזים SOD. המימן פראוקסיד יכול להפוך להיפוכלוריט ( HOCl , ממש כמו זה הנמצא בתכשיר המלבין "אקונומיקה", ובחו"ל נקרא Bleech ), על ידי האנזים myeloperoxidase .         

ה-  -•02 , וה- HOCl, שניהם מחמצנים חזקים מאד, והם גורמים להרס המיקרואורגניזמים הפולשים שניבלעו על ידי התאים של מערכת החיסון  (Finaud et al. 2006) .

הרדיקלים יכולים לשמש כשליח משני, או לעשות מודיפיקציה של מצבי חימצון-חיזור (רדוקס). הם מעורבים בהפעלות של אנזימים רבים, בדטוקסיפיקציה של תרופות ומזהמים ( Gomez-Cabera M.  2008 , Temple et al 2005) , יש להם תפקיד חשוב בהתכווצות השרירים.

אפקטים שליליים של הרדיקלים החופשיים

ריכוז נמוך של רדיקלים חופשיים, חשוב לשמירת מצב רדוקס תאי נורמלי, לתיפקודי מערכת החיסון, ולסיגנלים הבין תאיים. אולם, יצור רדיקלים מוגבר, גורם לעודף, הגורם לדחק חימצוני (oxidative stress) הפוגע במאקרומוליקולות, דהיינו מזיק לשומנים, חלבונים, וה- DNA, ומשבש את תיפקוד תאי, אפילו עד למות התא על ידי נקרוזיס או אפופטוזיס. 

הרדיקלים החופשיים נוטים לתקוף אתרים של צפיפות אלקטרונים מוגדלת, כגון, אטומי חנקן הנמצאים קודם כל בחלבונים וב- DNA, ותוקפים גם קשרים כפולים של פחמן=פחמן הנימצאים בחומצות שומניות רב-בלתי רוויות, ובפוספוליפידים, כדי ליצור רדיקלים חופשיים נוספים. אלה, ברוב המקרים, הופכים בעצמם, למוצרי ביניים מגיבים. כך הרדיקלים מעוררים דלקות, ומשנים תיפקודי תאים על ידי כך שגורמים לפראוקסידציה של ליפידים, מודיפיקציה של חלבונים, ושל DNA, בכל אלה הם פוגעים במבנה ובתיפקוד המאקרומוליקולות, ולמות התאים. 

במצב של עודף רדיקלים, דהיינו דחק חימצוני, נעשית עיקר תקיפת המאקרומוליקולות בתא החי. דחק זה מבוסס על הרדיקלים (מבלי קשר למוצאם), ומאיץ היזדקנות, ולהתפתחות מיגוון רחב של מחלות גיל ניווניות כרוניות, כגון, טרשת עורקים, סוכרת, מחלות עצבים, עיניים, מחלות סרטן, ועוד. גם עודף משקל ( obesity) נחשב כמצב כרוני של דחק חימצוני, ומצב כזה שכיח, בכשליש מהאוכלוסיה (!).  רדיקלים נוצרים בעור בעת חשיפה לקרינת העל סגול של אור השמש, והם פוגעים בעור, ובעודפים גדולים, וממושכים, תורמים להתפתחות סרטן עור. הרדיקלים החופשיים פוגעים בחלבונים, בליפידים, וחומצות הגרעין (DNA, ו- RNA). כאן חשובים בעיקר העל-חמצן, ( −•O2, שנוצר בהוספת אלקטרון למוליקולת חמצן רגילה O2), וכן תחמוצת החנקן (•NO), ורדיקל הידרוקסיל (•OH)  הם תוקפים את הבסיסים של חומצות הגרעין (אדנין, תימין, גואנין וציטוזין), גם את השרשרות של חומצות האמינו המרכיבות את החלבונים, וכן את הקשרים הכפולים בחומצות שומניות בלתי רוויות, כאשר רדיקל ההידרוקסיל הוא התוקף החזק ביותר שלהם.  מבנה Lewis מושלם יותר של מוליקולות רדיקל חופשי המכילות חמצן (עם חמצן ו-יון הידרוקסיד מוצגות לשם הניגוד) מראה את כל האלקטרונים של הקליפה החיצונית (Best 2009): 

לשם הדיוק יש לכלול כאן גם מבנים רזוננטיים (תהודתיים), אולם, לצורך ההסבר כרגע, עדיפים אלה שהוצגו. 

קוטל העשבים paraquat (ואחרים) גורמים לתאים ליצור מוליקולות של הרדיקל העל-חמצני. יונים אלה (−.O2) נוצרים, כרגיל, בכמויות גדולות במיטוכונדריות. האנזים סופראוקסיד דיסמוטאז הופך שני יונים של הרדיקל העל-חמצני למימן פראוקסיד (H2O2), (ובכך מקטין את הסיכון ממנו) לפי הנוסחא: 

     O2.− +  O2.− + 2H+  → H2O2 + O2 

הרדיקל הידרוקסיל (•OH) נוצר באופן אופייני על ידי חימצון של יונים מחוזרים של מתכות כבדות (בדרך כלל +Fe2 או +Cu) על ידי מימן פראוקסיד לפי ריאקציית Fenton המתוארת בנוסחא :

      Fe2+  + H2O2  → Fe3+ + OH• + OH•− 

נוסחא זו מראה את הסכנה הגדולה הנובעת מזיהום במתכות כבדות, כי היא קורית בגרעיני התאים של הגוף החי, וגורמת לנזקים ב- DNA. יון ברזל מחומצן (+Fe3) עלול לזרז מאד ריאקציית Haber-Weiss, בין העל-חמצן, והמימן פראוקסיד, כדי ליצור עוד מוליקולות של רדיקל ההידרוקסיל, לפי הנוסחא: 

     O2•−  + H2O2  → O2 + OH• + OH•−  

כאשר החומציות נאוטרלית, דהיינו, כאשר ה- pH  בסביבות 7.0, הריאקצייה  Haber-Weiss קורית רק בשיעור זניח, כאשר אין יון מתכת זמין כדי שיפעל כקטליזטור (זרז) לריאקצייה. חומצה אסקורבית (=ויטמין C) היא מאד מועילה כנוגד חימצון הפעיל בתאי הגוף החי,   כי  כמעט כל יוני הברזל והנחושת קשורים חזק לחלבונים נשאים (transferrin) ליוני הברזל,  ו- cearuloplasmin ליוני הנחושת. אולם זה לא המקרה ב- (Cerebral Spinal Fluid (CSF, (נוזל מוח השדרה) או כאשר יש הרס תאים בגלל פגיעה של  ischemic-reperfusion. באשר לחיידקים פולשים, היות וחיידקים עשירים ביוני ברזל, לכן מימן פראוקסיד ממאקרופגים, כל כך יעיל בקטילתם. יוני מתכות יכולים גם לפעול עם אסקורבט (כאמור, ויטמין C) כדי ליצור חמצן יחידני (1O2), מחמצן שלשתי (3O2), לפי הנוסחא: 

      Cu2+ + ascorbate +  3O2 → 1O2 

יוני הנחושת, (שלא כמו יוני הברזל), יוצרים יותר חמצן יחידני מאשר רדיקל הידרוקסיל, בעת הריאקציה עם מימן פראוקסיד. כאשר נוצר רדיקל ההידרוקסיל, הוא מאד פעיל, ויכול ליגרום ליצירת קשר צולב קוולנטי, או לפיזור מוליקולות של רדיקל חופשי במיגוון רחב של מוליקולות בתאי הגוף החי. יוני העל-חמצן בתא מרוכזים במיטוכונדריות, כי הם יותר מדי פעילים מכדי לנדוד רחוק במצב שלא הישתנה – והם נמצאים פחות בהרבה בגרעיני התאים מאשר בציטופלזמה שלהם. באופן דומה, רדיקלי ההידרוקסיל, שמחצית חייהם כביליונית השנייה, לא נסחפים רחוק ממקום יצירתם. אולם, מוליקולות מימן פראוקסיד יותר יציבות ויכולות להיסחף דרך הממברנה של גרעין התא, לתוך הגרעין, או לייד הממברנה של התא, ששם רדיקלי ההידרוקסיל עלולים להיווצר, בהיתקלות עם יוני מתכות כבדות. 

פירוט נושאים מתקדמים בפרקי המשנה 

01. יצירת רדיקלים חופשיים

02. פירוט נזקים של הרדיקליים החופשיים

03. רדיקלים חופשיים - מנזקים למחלות

04. הגנה מרדיקלים חופשיים - נוגדי חימצון

05. ספרות

מסקנות 

הדגמת הקשר בין פגמים בתיקון נזק חימצוני, והנטייה הטבעית לחולי, אינה קלה. ניסויים בעכברים המאפשרים להפעיל גן יחיד, נימצאו די מאכזבים, בעכברים שעד עתה מראים כמה אפקטים רעים. הפלות משולבות של גן, כגון עם OGG1, ו- CSB, נימצאו מבטיחות יותר, שהיו מלוות בעליית רמות של

, למרות שהתוצאות הפתולוגיות של אלה, עדיין לא דווחו. ראוי לציין שבעוד ש- NER עשוי להיחשב כגיבוי לגליקוזילאזות בתיקון נזק חימצוני ל- DNA, התרומה היחסית של כל תהליך תיקון עלולה להישתנות מריקמה לריקמה. הנחה כזאת, עשוייה לתמוך במימצאים שמצביעים על כך שפגמים של פגיעות חימצוניות ב- NER כמו שנימצאו בחולי xeroderma pigmentosum באים בחשבון לצבירת נזק ועליית התדירות של סרטן מסיבות פנימיות, ובמקרים מסויימים, ניוון עצבי האופייני לחולי זה. למרות זאת, ניתן להניח שריבוי מסלולים לתיקון של נזק חימצוני ל- DNA, כנראה ממלא תפקיד חשוב בהתפתחות חולי. יתכן, ש- ROS, ונזק חימצוני ל- DNA, תמיד נוכחים בהתפתחות חולי, ופירושו שאין גבול לתנאים בהם יש לחקור דחק חימצוני. אולם, נוכחות נזק כשלעצמו, אינה מהווה הוכחה לקשר סיבתי, למרות הקשר הקרוב בין יצירת ROS, ונזק חימצוני ל- DNA, והחשיבות של נזק ל- DNA, ומוטציות בקרצינוגנזיס, אין זו קפיצה גדולה של אינטואיציה לקשר פגיעות חימצוניות ב- DNA, וסרטן. כאשר מקבלים את אלה, זה בכל זאת קשה להביא בחשבון מדוע נזק ROS/DNA מוגדל, במחלות אחרות, אינו כשלעצמו מוביל לממאירות. הבסיס לסתירה ברורה זו, וכישלון מחקרים חדישים למסד בשלב זה (Cook et al 2003) באופן החלטי, את החשיבות של נזק חימצוני ל- DNA בחולי, עלול להימצא בהבנת גורמים רבים הפועלים באופן סימולטני בפתוגנזיס. לא יהיה זה ריאלי לצפות מניסוי יחיד, שיתחשב בכל הגורמים האלה, בפרט כאשר גורמים חדשים מיתגלים כל הזמן, והחשיבות של הגורמים הקיימים, מוערכת מחדש. ברור שהרבה עבודה עוד יש להשלים, בהגדרת התפקידים המדוייקים של נזק חימצוני ל- DNA, בפתוגנזיס של החולי, וכאשר זה ימוסד, ניתן יהיה לקבוע איך מודולציה תיקון עשוייה להיות שימושית במניעת חולי, ובריפויו. 

* * *