Antioksidan
Antioksidanlar, organizmaların hücrelerine zarar verebilecek serbest radikaller ve zincirleme reaksiyonlar üretebilen kimyasal bir reaksiyon olan oksidasyonu engelleyen bileşiklerdir. Tiyoller veya askorbik asit (C vitamini) gibi antioksidanlar bu reaksiyonları engellemek için hareket edebilir. Oksidatif stresi dengelemek için organizmalar glutatyon, mikotiyol veya basilitiol gibi antioksidanlar içerir ve üretir. ⓘ
Antioksidan terimi, sentetik kauçuk, plastik ve yakıtlarda oksidasyonu önlemek için üretim sırasında eklenen endüstriyel kimyasallar veya gıda ve kozmetikte koruyucu olarak da kullanılır. ⓘ
Meyve ve sebzeler zengin antioksidan vitamin kaynaklarıdır ve sağlıklı bir diyetin parçası olabilirler, ancak bitkisel gıda tüketiminin özellikle bu tür gıdalardaki antioksidan vitaminler nedeniyle sağlık yararları sağladığını gösteren net bir kanıt yoktur. Antioksidan olarak pazarlanan diyet takviyelerinin insanlarda sağlığı iyileştirdiği veya hastalıkları önlediği gösterilmemiştir. Bazı çalışmalara göre, beta-karoten, A vitamini ve E vitamini takviyelerinin ölüm oranı veya kanser riski üzerinde olumlu bir etkisi yoktur. Ayrıca, selenyum veya E vitamini takviyesi kardiyovasküler hastalık riskini azaltmamaktadır. ⓘ
Antioksidan veya yükseltgeme önleyici, yağların oksidasyonunu yavaşlatan madde. Canlılarda, kimyasal süreçler, özellikle oksitlenme, erkin radikallerin oluşmasına neden olur. Yüksek derecede ayıraç olan serbest radikaller farklı moleküller ile kolayca tepkimeye girebilir ve böylece hücrelere, canlıya zarar verebilir. Antioksidanlar serbest radikallerle tepkimeye girerek (onlarla bağ kurarak) hücrelere zarar vermelerini önler. Bu özellikleriyle hücrelerin anormalleşme ve sonuç olarak tümör oluşturma risklerini azalttıkları gibi, hücre yıkımını da azalttıkları için, daha sağlıklı ve yaşlılık etkilerinin en az olduğu bir yaşam yaşama şansını yükseltir. ⓘ
Sağlık araştırmaları
Diyet ile ilişkisi
Diyette belirli seviyelerde antioksidan vitaminler sağlık için gerekli olsa da, antioksidan bakımından zengin gıdaların veya takviyelerin hastalık karşıtı aktiviteye sahip olup olmadığı konusunda hala önemli tartışmalar vardır. Dahası, eğer gerçekten faydalılarsa, diyette hangi antioksidanların sağlığı geliştirdiği ve tipik diyet alımının ötesinde hangi miktarlarda olduğu bilinmemektedir. Bazı yazarlar antioksidan vitaminlerin kronik hastalıkları önleyebileceği hipotezine karşı çıkarken, bazıları da bu hipotezin kanıtlanmamış ve yanlış yönlendirilmiş olduğunu belirtmektedir. İn vitro antioksidan özelliklere sahip olan polifenoller, sindirimi takiben yoğun metabolizma ve etkinliğe dair çok az klinik kanıt nedeniyle in vivo antioksidan aktiviteye sahip değildir. ⓘ
Etkileşimler
Antioksidan özelliklere sahip yaygın farmasötikler (ve takviyeler), bazı antikanser ilaçların ve radyasyon tedavisinin etkinliğini engelleyebilir. ⓘ
Yan etkiler
Nispeten güçlü indirgeyici asitler, gastrointestinal sistemde demir ve çinko gibi diyet minerallerine bağlanarak ve emilmelerini önleyerek antinutrient etkilere sahip olabilir. Bitki bazlı diyetlerde yüksek oranda bulunan oksalik asit, tanenler ve fitik asit bunlara örnek olarak verilebilir. Kalsiyum ve demir eksiklikleri, daha az et tüketilen ve fasulye ve mayasız tam tahıllı ekmekten elde edilen fitik asit tüketiminin yüksek olduğu gelişmekte olan ülkelerdeki diyetlerde nadir değildir. Bununla birlikte, çimlendirme, ıslatma veya mikrobiyal fermantasyon, rafine edilmemiş tahılın fitat ve polifenol içeriğini azaltan ev stratejileridir. Fitattan arındırılmış tahıllarla beslenen yetişkinlerde, doğal fitat içeren tahıllara kıyasla Fe, Zn ve Ca emiliminde artışlar bildirilmiştir. ⓘ
| Gıdalar | Mevcut indirgeyici asit ⓘ |
|---|---|
| Kakao çekirdeği ve çikolata, ıspanak, şalgam ve ravent | Oksalik asit |
| Tam tahıllar, mısır, baklagiller | Fitik asit |
| Çay, fasulye, lahana | Tanenler |
Bazı antioksidanların yüksek dozlarının uzun vadede zararlı etkileri olabilir. Akciğer kanseri hastaları üzerinde yapılan Beta-Karoten ve Retinol Etkinlik Çalışması (CARET), beta-karoten ve A vitamini içeren takviyeler verilen sigara içicilerinin akciğer kanseri oranlarında artış olduğunu ortaya koymuştur. Daha sonraki çalışmalar bu olumsuz etkileri doğrulamıştır. Yaklaşık 230.000 hastadan elde edilen verileri içeren bir meta-analiz, β-karoten, A vitamini veya E vitamini takviyesinin mortalite artışı ile ilişkili olduğunu, ancak C vitamininin önemli bir etkisi olmadığını gösterdiğinden, bu zararlı etkiler sigara içmeyenlerde de görülebilir. Tüm randomize kontrollü çalışmalar birlikte incelendiğinde herhangi bir sağlık riski görülmemiş, ancak yalnızca yüksek kaliteli ve düşük önyargı riski taşıyan çalışmalar ayrı ayrı incelendiğinde mortalitede artış tespit edilmiştir. Bu düşük önyargılı çalışmaların çoğunluğu ya yaşlılar ya da hastalığı olan kişilerle ilgilendiğinden, bu sonuçlar genel nüfus için geçerli olmayabilir. Bu meta-analiz daha sonra aynı yazarlar tarafından tekrarlanmış ve genişletilerek önceki sonuçlar teyit edilmiştir. Bu iki yayın, E vitamini takviyesinin mortaliteyi artırdığını ve antioksidan takviyelerinin kolon kanseri riskini artırdığını öne süren önceki bazı meta-analizlerle de tutarlıdır. Beta-karoten de akciğer kanserini artırabilir. Genel olarak, antioksidan takviyeleri üzerine yapılan çok sayıda klinik çalışma, bu ürünlerin sağlık üzerinde hiçbir etkisi olmadığını ya da yaşlı veya hassas popülasyonlarda mortalitede küçük bir artışa neden olduğunu göstermektedir. ⓘ
Biyolojide oksidatif meydan okuma
Metabolizmadaki bir paradoks şudur: Dünya üzerindeki karmaşık yaşamın büyük çoğunluğu varlığı için oksijene ihtiyaç duyarken, oksijen reaktif oksijen türleri üreterek canlı organizmalara zarar veren oldukça reaktif bir elementtir. Sonuç olarak, organizmalar DNA, proteinler ve lipidler gibi hücresel bileşenlerin oksidatif hasar görmesini önlemek için birlikte çalışan karmaşık bir antioksidan metabolit ve enzim ağı içerir. Genel olarak, antioksidan sistemler ya bu reaktif türlerin oluşmasını engeller ya da hücrenin hayati bileşenlerine zarar vermeden önce onları ortadan kaldırır. Bununla birlikte, reaktif oksijen türlerinin redoks sinyali gibi yararlı hücresel işlevleri de vardır. Dolayısıyla antioksidan sistemlerin işlevi oksidanları tamamen ortadan kaldırmak değil, onları optimum seviyede tutmaktır. ⓘ
Hücrelerde üretilen reaktif oksijen türleri hidrojen peroksit (H2O2), hipokloröz asit (HClO) ve hidroksil radikali (-OH) ve süperoksit anyonu (O2-) gibi serbest radikalleri içerir. Hidroksil radikali özellikle kararsızdır ve çoğu biyolojik molekülle hızlı ve spesifik olmayan bir şekilde reaksiyona girer. Bu tür, Fenton reaksiyonu gibi metal katalizli redoks reaksiyonlarında hidrojen peroksitten üretilir. Bu oksidanlar, lipid peroksidasyonu gibi kimyasal zincir reaksiyonları başlatarak veya DNA ya da proteinleri oksitleyerek hücrelere zarar verebilir. DNA'daki hasar, DNA onarım mekanizmaları tarafından tersine çevrilmezse mutasyonlara ve muhtemelen kansere neden olabilirken, proteinlerdeki hasar enzim inhibisyonuna, denatürasyona ve protein degradasyonuna neden olur. ⓘ
Metabolik enerji üretme sürecinin bir parçası olarak oksijen kullanımı reaktif oksijen türleri üretir. Bu süreçte süperoksit anyonu, elektron taşıma zincirindeki çeşitli adımların bir yan ürünü olarak üretilir. Kompleks III'te koenzim Q'nun indirgenmesi özellikle önemlidir, çünkü bir ara ürün olarak oldukça reaktif bir serbest radikal oluşur (Q--). Bu kararsız ara ürün elektron "sızıntısına" yol açabilir, elektronlar elektron taşıma zincirinin normal iyi kontrollü reaksiyonlar serisi boyunca hareket etmek yerine doğrudan oksijene atlar ve süperoksit anyonunu oluşturur. Peroksit ayrıca kompleks I gibi indirgenmiş flavoproteinlerin oksidasyonundan da üretilir. Ancak, bu enzimler oksidanlar üretebilse de, elektron transfer zincirinin peroksit üreten diğer süreçler için göreceli önemi belirsizdir. Bitkilerde, alglerde ve siyanobakterilerde, fotosentez sırasında, özellikle de yüksek ışık yoğunluğu koşullarında reaktif oksijen türleri de üretilir. Bu etki, karotenoidlerin fotoinhibisyona katılımı ve alglerde ve siyanobakterilerde, bu antioksidanların reaktif oksijen türlerinin üretimini önlemek için fotosentetik reaksiyon merkezlerinin aşırı indirgenmiş formlarıyla reaksiyona girmesini içeren büyük miktarda iyodür ve selenyum ile kısmen dengelenir. ⓘ
Biyoaktif antioksidan bileşiklere örnekler
Antioksidanlar, suda (hidrofilik) veya lipitlerde (lipofilik) çözünür olmalarına bağlı olarak iki geniş bölümde sınıflandırılır. Genel olarak, suda çözünen antioksidanlar hücre sitozolü ve kan plazmasındaki oksidanlarla reaksiyona girerken, lipitte çözünen antioksidanlar hücre zarlarını lipit peroksidasyonundan korur. Bu bileşikler vücutta sentezlenebilir veya diyetle elde edilebilir. Farklı antioksidanlar vücut sıvılarında ve dokularında çok çeşitli konsantrasyonlarda bulunur; glutatyon veya ubikinon gibi bazıları çoğunlukla hücrelerde bulunurken ürik asit gibi diğerleri daha eşit dağılım gösterir (aşağıdaki tabloya bakınız). Bazı antioksidanlar sadece birkaç organizmada bulunur ve bu bileşikler patojenlerde önemli olabilir ve virülans faktörleri olabilir. ⓘ
Bu farklı antioksidanlar arasındaki göreceli önem ve etkileşimler çok karmaşık bir sorudur; çeşitli antioksidan bileşikler ve antioksidan enzim sistemleri birbirleri üzerinde sinerjik ve birbirine bağlı etkilere sahiptir. Bu nedenle bir antioksidanın etkisi antioksidan sistemin diğer üyelerinin düzgün çalışmasına bağlı olabilir. Herhangi bir antioksidan tarafından sağlanan koruma miktarı da konsantrasyonuna, dikkate alınan belirli reaktif oksijen türlerine karşı reaktivitesine ve etkileşime girdiği antioksidanların durumuna bağlı olacaktır. ⓘ
Bazı bileşikler geçiş metallerini şelatlayarak ve hücrede serbest radikallerin üretimini katalize etmelerini önleyerek antioksidan savunmaya katkıda bulunur. Özellikle önemli olan, transferrin ve ferritin gibi demir bağlayıcı proteinlerin işlevi olan demiri tutma yeteneğidir. Selenyum ve çinko genellikle antioksidan mineraller olarak adlandırılır, ancak bu kimyasal elementlerin kendileri antioksidan etkiye sahip değildir ve bunun yerine antioksidan enzimlerin aktivitesi için gereklidir. ⓘ
| Antioksidan | Çözünürlük | İnsan serumundaki konsantrasyon (μM) | Karaciğer dokusundaki konsantrasyon (μmol/kg) ⓘ |
|---|---|---|---|
| Askorbik asit (C vitamini) | Su | 50–60 | 260 (insan) |
| Glutatyon | Su | 4 | 6.400 (insan) |
| Lipoik asit | Su | 0.1–0.7 | 4-5 (sıçan) |
| Ürik asit | Su | 200–400 | 1.600 (insan) |
| Karotenler | Lipit | β-karoten: 0,5-1
retinol (A vitamini): 1-3 |
5 (insan, toplam karotenoidler) |
| α-Tokoferol (E vitamini) | Lipit | 10–40 | 50 (insan) |
| Ubiquinol (koenzim Q) | Lipit | 5 | 200 (insan) |
Belirli bir bileşik, bileşiklerin karışımı veya böyle bileşikleri içeren doğal kaynaklı antioksidanların aktivitesi serbest radikalleri tutabilme, onları bozundurabilme veya singlet oksijeni yakalayabilme kabiliyetlerine veya öteki bileşikleri sinerjist veya metal şelatlar olarak etkilemelerine bağlıdır. Doğal kaynaklı antioksidanlar çok defa çok sayıdaki bileşiğin kombinasyonu olarak bir arada bulunur. Böylece doğal kaynaklı antioksidanların elde edildiği kaynağa bağlı olarak etki şekilleri değişik olabilir ve çok sayıda mekanizma iştirak edebilir. ⓘ
Ürik asit
Ürik asit insan kanında açık ara en yüksek konsantrasyonda bulunan antioksidandır. Ürik asit (UA), ksantin oksidaz enzimi tarafından ksantinden üretilen bir antioksidan oksipürindir ve pürin metabolizmasının bir ara ürünüdür. Neredeyse tüm kara hayvanlarında ürat oksidaz, ürik asidin allantoine oksidasyonunu katalize eder, ancak insanlarda ve çoğu yüksek primatta ürat oksidaz geni işlevsizdir, böylece UA daha fazla parçalanmaz. Üratın allantoine dönüşümündeki bu kaybın evrimsel nedenleri aktif spekülasyon konusu olmaya devam etmektedir. Ürik asidin antioksidan etkileri, araştırmacıların bu mutasyonun erken primatlar ve insanlar için faydalı olduğunu öne sürmelerine yol açmıştır. Yüksek irtifada aklimatizasyon çalışmaları, üratın yüksek irtifa hipoksisinin neden olduğu oksidatif stresi azaltarak bir antioksidan görevi gördüğü hipotezini desteklemektedir. ⓘ
Ürik asit, herhangi bir kan antioksidanının en yüksek konsantrasyonuna sahiptir ve insan serumunun toplam antioksidan kapasitesinin yarısından fazlasını sağlar. Ürik asidin antioksidan faaliyetleri de karmaşıktır, çünkü süperoksit gibi bazı oksidanlarla reaksiyona girmez, ancak peroksinitrit, peroksitler ve hipokloröz aside karşı etki gösterir. Yüksek UA'nın gut hastalığına katkısına ilişkin endişeler, birçok risk faktöründen biri olarak düşünülmelidir. Tek başına, yüksek seviyelerde (415-530 μmol/L) UA ile ilişkili gut riski yılda sadece %0,5 iken, UA aşırı doygunluk seviyelerinde (535+ μmol/L) yılda %4,5'e çıkmaktadır. Yukarıda bahsedilen bu çalışmaların çoğu UA'nın antioksidan etkilerini normal fizyolojik seviyelerde belirlemiş ve bazıları 285 μmol/L'ye kadar yüksek seviyelerde antioksidan aktivite bulmuştur. ⓘ
C Vitamini
Askorbik asit veya C vitamini, hem hayvanlarda hem de bitkilerde bulunan bir monosakkarit oksidasyon-redüksiyon (redoks) katalizörüdür. Askorbik asit yapmak için gereken enzimlerden biri primat evrimi sırasında mutasyonla kaybolduğundan, insanlar bunu diyetlerinden elde etmelidir; bu nedenle diyetle alınan bir vitamindir. Diğer hayvanların çoğu bu bileşiği vücutlarında üretebilir ve diyetlerinde buna ihtiyaç duymazlar. Askorbik asit, prolin kalıntılarını hidroksiproline oksitleyerek prokollajenin kollajene dönüşmesi için gereklidir. Diğer hücrelerde, protein disülfit izomeraz ve glutaredoksinler tarafından katalize edilebilen glutatyon ile reaksiyona girerek indirgenmiş formda tutulur. Askorbik asit, hidrojen peroksit gibi reaktif oksijen türlerini azaltabilen ve böylece nötralize edebilen bir redoks katalizörüdür. Doğrudan antioksidan etkilerine ek olarak askorbik asit, bitkilerde strese karşı dirençte kullanılan bir işlev olan redoks enzimi askorbat peroksidaz için de bir substrattır. Askorbik asit bitkilerin tüm kısımlarında yüksek seviyelerde bulunur ve kloroplastlarda 20 milimolar konsantrasyonlara ulaşabilir. ⓘ
Glutatyon
Glutatyon, aerobik yaşamın çoğu formunda bulunan sistein içeren bir peptittir. Diyette gerekli değildir ve bunun yerine hücrelerde kendisini oluşturan amino asitlerden sentezlenir. Glutatyon antioksidan özelliklere sahiptir çünkü sistein kısmındaki tiyol grubu indirgeyici bir maddedir ve geri dönüşümlü olarak oksitlenebilir ve indirgenebilir. Hücrelerde glutatyon, glutatyon redüktaz enzimi tarafından indirgenmiş formda tutulur ve buna karşılık glutatyon-askorbat döngüsündeki askorbat, glutatyon peroksidazlar ve glutaredoksinler gibi diğer metabolitleri ve enzim sistemlerini indirger ve doğrudan oksidanlarla reaksiyona girer. Yüksek konsantrasyonu ve hücrenin redoks durumunun korunmasındaki merkezi rolü nedeniyle glutatyon en önemli hücresel antioksidanlardan biridir. Bazı organizmalarda glutatyonun yerini diğer tiyoller alır; örneğin Aktinomisetlerde mikotiyol, bazı gram-pozitif bakterilerde basillitiyol veya Kinetoplastidlerde tripanotiyon. ⓘ
E Vitamini
E Vitamini, antioksidan özelliklere sahip yağda çözünen vitaminler olan birbiriyle ilişkili sekiz tokoferol ve tokotrienol grubunun ortak adıdır. Bunlardan α-tokoferol, en yüksek biyoyararlanıma sahip olduğu ve vücut tercihen bu formu emdiği ve metabolize ettiği için en çok çalışılan vitamindir. ⓘ
α-tokoferol formunun en önemli lipid-çözünür antioksidan olduğu ve lipid peroksidasyon zincir reaksiyonunda üretilen lipid radikalleri ile reaksiyona girerek membranları oksidasyondan koruduğu iddia edilmiştir. Bu, serbest radikal ara ürünlerini ortadan kaldırır ve yayılma reaksiyonunun devam etmesini önler. Bu reaksiyon, askorbat, retinol veya ubikinol gibi diğer antioksidanlar tarafından indirgenerek aktif indirgenmiş forma geri dönüştürülebilen oksitlenmiş α-tokoferoksil radikalleri üretir. Bu, α-tokoferolün, ancak suda çözünür antioksidanların değil, glutatyon peroksidaz 4 (GPX4) eksikliği olan hücreleri hücre ölümünden etkili bir şekilde koruduğunu gösteren bulgularla uyumludur. GPx4, biyolojik membranlardaki lipid-hidroperoksitleri etkin bir şekilde azaltan bilinen tek enzimdir. ⓘ
Bununla birlikte, çeşitli E vitamini formlarının rolleri ve önemi halen belirsizdir ve hatta α-tokoferolün en önemli işlevinin bir sinyal molekülü olduğu ve bu molekülün antioksidan metabolizmasında önemli bir rolü olmadığı öne sürülmüştür. γ-tokoferol elektrofilik mutajenlerle reaksiyona girebilen bir nükleofil olmasına ve tokotrienollerin nöronları hasardan korumada önemli olabilmesine rağmen, diğer E vitamini formlarının işlevleri daha da az anlaşılmıştır. ⓘ
Pro-oksidan aktiviteler
İndirgeyici ajanlar olan antioksidanlar aynı zamanda pro-oksidanlar olarak da hareket edebilir. Örneğin, C vitamini hidrojen peroksit gibi oksitleyici maddeleri azalttığında antioksidan aktiviteye sahiptir; ancak, Fenton reaksiyonu yoluyla serbest radikal üreten metal iyonlarını da azaltacaktır. ⓘ
- 2 Fe3+ + Askorbat → 2 Fe2+ + Dehidroaskorbat
- 2 Fe2+ + 2 H2O2 → 2 Fe3+ + 2 OH- + 2 OH- ⓘ
Antioksidanların antioksidan ve pro-oksidan aktivitelerinin göreceli önemi güncel bir araştırma alanıdır, ancak bir vitamin olarak etkilerini polipeptitleri oksitleyerek gösteren C vitamininin insan vücudunda çoğunlukla antioksidan etkiye sahip olduğu görülmektedir. ⓘ
Enzim sistemleri
Kimyasal antioksidanlarda olduğu gibi, hücreler oksidatif strese karşı etkileşimli bir antioksidan enzim ağı tarafından korunur. Burada, oksidatif fosforilasyon gibi süreçlerle açığa çıkan süperoksit önce hidrojen peroksite dönüştürülür ve daha sonra su vermek üzere indirgenir. Bu detoksifikasyon yolu, ilk adımı katalize eden süperoksit dismutazlar ve daha sonra hidrojen peroksiti uzaklaştıran katalazlar ve çeşitli peroksidazlar ile birden fazla enzimin sonucudur. Antioksidan metabolitlerde olduğu gibi, bu enzimlerin antioksidan savunmaya katkılarını birbirinden ayırmak zor olabilir, ancak sadece bir antioksidan enzimden yoksun transgenik farelerin üretilmesi bilgilendirici olabilir. ⓘ
Süperoksit dismutaz, katalaz ve peroksiredoksinler
Süperoksit dismutazlar (SOD'lar), süperoksit anyonunun oksijen ve hidrojen peroksite parçalanmasını katalize eden yakından ilişkili bir enzim sınıfıdır. SOD enzimleri neredeyse tüm aerobik hücrelerde ve hücre dışı sıvılarda bulunur. Süperoksit dismutaz enzimleri, izozime bağlı olarak bakır, çinko, manganez veya demir olabilen metal iyon kofaktörleri içerir. İnsanlarda bakır/çinko SOD sitozolde bulunurken, manganez SOD mitokondriyonda bulunur. Hücre dışı sıvılarda aktif bölgelerinde bakır ve çinko içeren üçüncü bir SOD formu da vardır. Mitokondriyal izozim bu üçü arasında biyolojik olarak en önemli olanı gibi görünmektedir, çünkü bu enzimden yoksun fareler doğumdan kısa bir süre sonra ölmektedir. Buna karşılık, bakır/çinko SOD (Sod1) eksikliği olan fareler yaşayabilir ancak çok sayıda patolojiye ve azalmış bir yaşam süresine sahipken (süperoksit hakkındaki makaleye bakınız), hücre dışı SOD'si olmayan farelerde minimal kusurlar vardır (hiperoksiye duyarlı). Bitkilerde SOD izozimleri sitozol ve mitokondride bulunurken, kloroplastlarda omurgalılarda ve mayada bulunmayan bir demir SOD bulunur. ⓘ
Katalazlar, bir demir veya manganez kofaktörü kullanarak hidrojen peroksitin su ve oksijene dönüşümünü katalize eden enzimlerdir. Bu protein çoğu ökaryotik hücrede peroksizomlara lokalize olmuştur. Katalaz alışılmadık bir enzimdir, çünkü hidrojen peroksit tek substratı olmasına rağmen bir pinpon mekanizması izler. Burada, kofaktörü bir hidrojen peroksit molekülü tarafından oksitlenir ve ardından bağlı oksijenin ikinci bir substrat molekülüne aktarılmasıyla yeniden üretilir. Hidrojen peroksitin uzaklaştırılmasındaki belirgin önemine rağmen, katalazın genetik eksikliği olan insanlar - "akatalasemi" - veya genetik olarak katalazdan tamamen yoksun olacak şekilde tasarlanmış fareler, çok az kötü etki yaşarlar. ⓘ
Peroksiredoksinler hidrojen peroksit, organik hidroperoksitler ve peroksinitritin indirgenmesini katalize eden peroksidazlardır. Üç sınıfa ayrılırlar: tipik 2-sistein peroksiredoksinler; atipik 2-sistein peroksiredoksinler; ve 1-sistein peroksiredoksinler. Bu enzimler, aktif bölgedeki redoks-aktif bir sisteinin (peroksidatik sistein) peroksit substratı tarafından bir sülfenik aside oksitlendiği aynı temel katalitik mekanizmayı paylaşır. Peroksiredoksinlerdeki bu sistein kalıntısının aşırı oksidasyonu bu enzimleri inaktive eder, ancak bu durum sülfiredoksinin etkisiyle tersine çevrilebilir. Peroksiredoksinler antioksidan metabolizmasında önemli görünmektedir, çünkü peroksiredoksin 1 veya 2'den yoksun farelerin yaşam süreleri kısalır ve hemolitik anemi gelişirken, bitkiler kloroplastlarda üretilen hidrojen peroksidi gidermek için peroksiredoksinleri kullanır. ⓘ
Tiyoredoksin ve glutatyon sistemleri
Tiyoredoksin sistemi 12-kDa protein tiyoredoksin ve ona eşlik eden tiyoredoksin redüktaz içerir. Tiyoredoksin ile ilgili proteinler, dizilimi yapılmış tüm organizmalarda mevcuttur. Arabidopsis thaliana gibi bitkiler, özellikle büyük bir izoform çeşitliliğine sahiptir. Tiyoredoksinin aktif bölgesi, aktif bir ditiyol formu (indirgenmiş) ve oksitlenmiş bir disülfit formu arasında dönebilen, oldukça korunmuş bir CXXC motifinin parçası olarak iki komşu sisteinden oluşur. Aktif durumunda tiyoredoksin, reaktif oksijen türlerini temizleyen ve diğer proteinleri indirgenmiş durumda tutan etkili bir indirgeyici ajan olarak işlev görür. Oksitlendikten sonra aktif tiyoredoksin, elektron donörü olarak NADPH kullanılarak tiyoredoksin redüktazın etkisiyle yeniden üretilir. ⓘ
Glutatyon sistemi glutatyon, glutatyon redüktaz, glutatyon peroksidazlar ve glutatyon S-transferazları içerir. Bu sistem hayvanlarda, bitkilerde ve mikroorganizmalarda bulunur. Glutatyon peroksidaz, hidrojen peroksit ve organik hidroperoksitlerin parçalanmasını katalize eden dört selenyum kofaktörü içeren bir enzimdir. Hayvanlarda en az dört farklı glutatyon peroksidaz izozimi vardır. Glutatyon peroksidaz 1 en bol bulunanıdır ve hidrojen peroksidin çok etkili bir temizleyicisidir, glutatyon peroksidaz 4 ise lipid hidroperoksitlerde en aktif olanıdır. Şaşırtıcı bir şekilde, glutatyon peroksidaz 1'den vazgeçilebilir, çünkü bu enzimden yoksun fareler normal yaşam sürelerine sahiptir, ancak indüklenmiş oksidatif strese karşı aşırı duyarlıdırlar. Buna ek olarak, glutatyon S-transferazlar lipid peroksitlerle yüksek aktivite gösterir. Bu enzimler karaciğerde özellikle yüksek seviyelerde bulunur ve detoksifikasyon metabolizmasında da görev alır. ⓘ
Teknolojide kullanım alanları
Gıda koruyucuları
Antioksidanlar, gıdaların bozulmasına karşı korunmaya yardımcı olmak için gıda katkı maddesi olarak kullanılır. Oksijen ve güneş ışığına maruz kalmak gıdaların oksidasyonunda iki ana faktördür, bu nedenle gıdalar karanlıkta tutularak ve kaplarda mühürlenerek veya hatta salatalıklarda olduğu gibi balmumuyla kaplanarak korunur. Ancak oksijen bitki solunumu için de önemli olduğundan, bitki materyallerinin oksijensiz koşullarda saklanması hoş olmayan tatlar ve çekici olmayan renkler üretir. Sonuç olarak, taze meyve ve sebzelerin paketlenmesi ~%8 oksijen atmosferi içerir. Antioksidanlar özellikle önemli bir koruyucu sınıfıdır, çünkü bakteriyel veya fungal bozulmanın aksine, oksidasyon reaksiyonları dondurulmuş veya soğutulmuş gıdalarda hala nispeten hızlı bir şekilde gerçekleşir. Bu koruyucular askorbik asit (AA, E300) ve tokoferoller (E306) gibi doğal antioksidanların yanı sıra propil gallat (PG, E310), tersiyer bütilhidrokinon (TBHQ), bütillenmiş hidroksianisol (BHA, E320) ve bütillenmiş hidroksitoluen (BHT, E321) gibi sentetik antioksidanları da içerir. ⓘ
Oksidasyon tarafından saldırıya uğrayan en yaygın moleküller doymamış yağlardır; oksidasyon bunların ekşimesine neden olur. Oksitlenmiş lipidler genellikle renksiz olduğundan ve genellikle metalik veya kükürtlü tatlar gibi hoş olmayan tatlara sahip olduğundan, yağ açısından zengin gıdalarda oksidasyondan kaçınmak önemlidir. Bu nedenle, bu gıdalar nadiren kurutularak korunur; bunun yerine tütsülenerek, tuzlanarak veya fermente edilerek korunurlar. Meyveler gibi daha az yağlı gıdalara bile hava ile kurutmadan önce kükürtlü antioksidanlar püskürtülür. Oksidasyon genellikle metaller tarafından katalize edilir, bu nedenle tereyağı gibi yağlar asla alüminyum folyoya sarılmamalı veya metal kaplarda saklanmamalıdır. Zeytinyağı gibi bazı yağlı gıdalar doğal antioksidan içerikleri sayesinde oksidasyondan kısmen korunurlar, ancak fotooksidasyona karşı hassas kalırlar. Ekşimeyi önlemek için ruj ve nemlendiriciler gibi yağ bazlı kozmetik ürünlere de antioksidan koruyucular eklenir. ⓘ
Sentetik antioksidanların gıdalardaki kullanımı 1940'lı yıllarda BHA ve gallik asidin esterlerinin oksidasyonu önlediklerinin anlaşılmasıyla başlamıştır. Demir ve bakır gibi geçiş metallerinin zararlı etkileri sitrik asit (CA), etilendiamintetraasetikasit (EDTA) veya onların türevlerine metal deaktivatör veya şelat ajanı olarak etki ettikleri ondan sonra bulunmuştur. 1954'te ABD'de BHT'nin gıdalarda kullanılmasına müsaade edilmiştir. Tersiyer bütil hidrokinon (TBHQ) 1972'de ticari ölçüde kullanılmaya başlamıştır. Sentetik antioksidanların muhtemel karsinojenik etkileri büyüyen bir tepkiye neden olmaktadır. Böylece Japonya ve çok sayıdaki diğer ülke BHA'nın gıdalarda kullanılmasına izin vermemektedir. TBHQ'nun da Kanada, Japonya ve Avrupa ülkelerinde kullanımına izin verilmemektedir. Bu yüzden sentetik antioksidanların yerine doğal antioksidanların kullanımı için genel bir istek mevcuttur. ⓘ
Endüstriyel kullanımlar
Antioksidanlar sıklıkla endüstriyel ürünlere eklenir. Yakıtlarda ve yağlayıcılarda oksidasyonu önlemek için ve benzinlerde motor kirlenmesi kalıntılarının oluşumuna yol açan polimerizasyonu önlemek için stabilizatör olarak yaygın bir kullanım alanı vardır. 2014 yılında, doğal ve sentetik antioksidanlar için dünya çapındaki pazar 2,25 milyar ABD dolarıydı ve 2020 yılına kadar 3,25 milyar dolara çıkacağı tahmin ediliyordu. ⓘ
Antioksidan polimer stabilizatörleri kauçuklar, plastikler ve yapıştırıcılar gibi polimerlerin bozunmasını ve bu malzemelerde mukavemet ve esneklik kaybına neden olmasını önlemek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Doğal kauçuk ve polibütadien gibi ana zincirlerinde çift bağ içeren polimerler özellikle oksidasyon ve ozonolize karşı hassastır. Antiozonantlar tarafından korunabilirler. Katı polimer ürünler, malzeme bozuldukça ve zincirler kırıldıkça açıkta kalan yüzeylerde çatlamaya başlar. Çatlama şekli oksijen ve ozon saldırısı arasında değişir, birincisi "çılgın kaldırım" etkisine neden olurken, ozon saldırısı üründeki gerilme gerilmesine dik açılarla hizalanmış daha derin çatlaklar üretir. Oksidasyon ve UV bozunması da sıklıkla bağlantılıdır, çünkü UV radyasyonu bağ kırılması yoluyla serbest radikaller oluşturur. Serbest radikaller daha sonra oksijenle reaksiyona girerek peroksi radikalleri üretir ve bu da genellikle zincirleme bir reaksiyonla daha fazla hasara neden olur. Oksidasyona duyarlı diğer polimerler arasında polipropilen ve polietilen bulunmaktadır. İlki, her tekrar biriminde bulunan ikincil karbon atomlarının varlığı nedeniyle daha hassastır. Saldırı bu noktada gerçekleşir çünkü oluşan serbest radikal birincil karbon atomu üzerinde oluşandan daha kararlıdır. Polietilenin oksidasyonu, düşük yoğunluklu polietilendeki dallanma noktaları gibi zincirdeki zayıf halkalarda meydana gelme eğilimindedir. ⓘ
| Yakıt katkı maddesi | Bileşenler | Uygulamalar ⓘ |
|---|---|---|
| AO-22 | N,N'-di-2-butil-1,4-phenylenediamine | Türbin yağları, transformatör yağları, hidrolik sıvılar, mumlar ve gresler |
| AO-24 | N,N'-di-2-butil-1,4-phenylenediamine | Düşük sıcaklık yağları |
| AO-29 | 2,6-di-tert-bütil-4-metilfenol | Türbin yağları, transformatör yağları, hidrolik sıvılar, mumlar, gresler ve benzinler |
| AO-30 | 2,4-dimetil-6-tert-bütilfenol | Havacılık benzinleri de dahil olmak üzere jet yakıtları ve benzinler |
| AO-31 | 2,4-dimetil-6-tert-bütilfenol | Havacılık benzinleri de dahil olmak üzere jet yakıtları ve benzinler |
| AO-32 | 2,4-dimetil-6-tert-bütilfenol ve 2,6-di-tert-bütil-4-metilfenol | Havacılık benzinleri de dahil olmak üzere jet yakıtları ve benzinler |
| AO-37 | 2,6-di-tert-butilfenol | Havacılık yakıtları için yaygın olarak onaylanmış jet yakıtları ve benzinler |
Gıdalardaki seviyeler
Antioksidan vitaminler sebzelerde, meyvelerde, yumurtalarda, baklagillerde ve kabuklu yemişlerde bulunur. A, C ve E vitaminleri uzun süreli depolama veya uzun süreli pişirme ile yok olabilir. Pişirme ve gıda işlemenin etkileri karmaşıktır, çünkü bu işlemler sebzelerdeki bazı karotenoidler gibi antioksidanların biyoyararlanımını da artırabilir. İşlenmiş gıdalar, taze ve pişmemiş gıdalara göre daha az antioksidan vitamin içerir, çünkü hazırlama işlemi gıdaları ısı ve oksijene maruz bırakır. ⓘ
| Antioksidan vitaminler | Yüksek oranda antioksidan vitamin içeren gıdalar ⓘ |
|---|---|
| C Vitamini (askorbik asit) | Taze veya dondurulmuş meyve ve sebzeler |
| E Vitamini (tokoferoller, tokotrienoller) | Bitkisel yağlar, kuruyemişler ve tohumlar |
| Karotenoidler (provitamin A olarak karotenler) | Meyve, sebze ve yumurta |
Diğer antioksidanlar diyetle alınmaz, bunun yerine vücutta yapılır. Örneğin, ubikinol (koenzim Q) bağırsaklardan zayıf bir şekilde emilir ve mevalonat yolu ile yapılır. Bir başka örnek de amino asitlerden yapılan glutatyondur. Bağırsaktaki herhangi bir glutatyon emilmeden önce serbest sistein, glisin ve glutamik aside parçalandığından, yüksek miktarda oral alımın bile vücuttaki glutatyon konsantrasyonu üzerinde çok az etkisi vardır. Asetilsistein gibi yüksek miktarda sülfür içeren amino asitler glutatyonu artırabilse de, bu glutatyon öncüllerinin yüksek seviyelerde tüketilmesinin sağlıklı yetişkinler için faydalı olduğuna dair hiçbir kanıt bulunmamaktadır. ⓘ
ORAC ölçümü ve geçersizliği
Gıdalardaki polifenol ve karotenoid içeriğinin ölçümü basit bir süreç değildir, çünkü antioksidanlar toplu olarak çeşitli reaktif oksijen türlerine karşı farklı reaktivitelere sahip çeşitli bileşikler grubudur. Gıda biliminde in vitro analizlerde, oksijen radikal absorbans kapasitesi (ORAC) bir zamanlar tüm gıdaların, meyve sularının ve gıda katkı maddelerinin antioksidan gücünü, özellikle de polifenollerin varlığından tahmin etmek için bir endüstri standardıydı. Amerika Birleşik Devletleri Tarım Bakanlığı tarafından daha önce yapılan ölçümler ve derecelendirmeler, polifenollerin in vivo antioksidan özelliklere sahip olduğuna dair fizyolojik kanıt bulunmadığı gerekçesiyle 2012 yılında biyolojik olarak insan sağlığıyla ilgisi olmadığı gerekçesiyle geri çekilmiştir. Sonuç olarak, sadece in vitro deneylerden elde edilen ORAC yöntemi, 2010 yılı itibariyle artık insan diyetleri veya biyolojisi ile ilgili görülmemektedir. ⓘ
Gıdalardaki antioksidan içeriğinin alternatif in vitro ölçümleri - yine polifenollerin varlığına dayalı olarak - Folin-Ciocalteu reaktifi ve Trolox eşdeğer antioksidan kapasite testini içerir. ⓘ
Tarihçe
Deniz yaşamından adaptasyonlarının bir parçası olarak, karasal bitkiler askorbik asit (C vitamini), polifenoller ve tokoferoller gibi deniz dışı antioksidanlar üretmeye başlamıştır. Angiosperm bitkilerinin 50 ila 200 milyon yıl önce evrimleşmesi, fotosentezin yan ürünleri olan reaktif oksijen türlerine karşı kimyasal savunma olarak - özellikle Jura döneminde - birçok antioksidan pigmentin gelişmesiyle sonuçlanmıştır. Başlangıçta antioksidan terimi özellikle oksijen tüketimini önleyen bir kimyasala atıfta bulunuyordu. 19. yüzyılın sonlarında ve 20. yüzyılın başlarında, metal korozyonunun önlenmesi, kauçuğun vulkanizasyonu ve içten yanmalı motorların kirlenmesinde yakıtların polimerizasyonu gibi önemli endüstriyel süreçlerde antioksidanların kullanımı üzerine kapsamlı çalışmalar yapılmıştır. ⓘ
Antioksidanların biyolojideki rolü üzerine yapılan ilk araştırmalar, ekşimenin nedeni olan doymamış yağların oksidasyonunu önlemede kullanımlarına odaklanmıştır. Antioksidan aktivitesi, yağın oksijenli kapalı bir kaba konulması ve oksijen tüketim oranının ölçülmesiyle basitçe ölçülebiliyordu. Ancak bu alanda devrim yaratan ve antioksidanların canlı organizmaların biyokimyasındaki öneminin fark edilmesine yol açan, C ve E vitaminlerinin antioksidan olarak tanımlanması olmuştur. Antioksidanların olası etki mekanizmaları ilk olarak, anti-oksidatif aktiviteye sahip bir maddenin kendisinin de kolayca oksitlenebilen bir madde olabileceği fark edildiğinde araştırılmıştır. E vitamininin lipid peroksidasyon sürecini nasıl önlediğine dair araştırmalar, antioksidanların, genellikle reaktif oksijen türlerini hücrelere zarar vermeden önce temizleyerek oksidatif reaksiyonları önleyen indirgeyici ajanlar olarak tanımlanmasına yol açmıştır. ⓘ
Antioksidanların sistem ve hidrofobiyete bağımlılığı
Farklı antioksidanların değişik oksidasyon şartları altında değişik lipid sistemlerindeki aktiviteleri üzerinde çok sayıda araştırma yapılmıştır. Porter, yüzeyi miktarına göre düşük (kütle yağ) gıda sistemlerinde PG, TBHQ ve Trolox C gibi yüksek hidrofilik-lipofilik balanslı (HLB) polar antioksidanların BHA, BHT ve tokoferoller gibi lipofilik antioksidanlardan daha etkili olduklarını ileri sürmüştür. Aksine yüzey alanının hacme oranı yüksek gıdalarda (yağın sudaki emülsiyonları gib) düşük HLB'li lipofilik antioksidanlar yüksek etkilidir. Trolox C (6-hidroksi-2,5,7,8-tetrametilkroman-2-karboksilikasid)'nin antioksidan aktivitesi α-tokoferole göre kütle halindeki yağlar için daha iyiyken, yağ-su sistemlerinde bu ikincisi daha iyidir. ⓘ
Gıdalardaki doğal antioksidanlar
Baharat ve otlar
Baharat ve otlar, çok eski zamanlardan beri lezzet artırıcı maddeler olarak kullanılmasına rağmen antioksidan aktiviteleri ilk defa 1943'te Dubois ve Tressler tarafından açıklanmıştır. ⓘ
Çay ve çay ekstraktları
Çay, polifenolleri yüksek miktarda içeren ender maddelerden biridir. Yeşil çay yaprakları kuru bazda %36 oranında polifenolleri içermektedir. Kateşin ve epigallokateşin yeşil çayda çok bulunan polifenollerdir. ⓘ