رادیکال‌های آزاد

فرایندهای اکسیداسیون بیولوژیکی مواد سوختی را می‌سوزانند و انرژی لازم برای ادامه حیات را تأمین می‌کنند. باوجوداین سوختن یک واکنش مستقیم اکسیژن مولکولی با سوبسترا نیست، بلکه سوختن نتیجه انتقال الکترون‌ها توسط چندین دستگاه آنزیمی است که در آن اکسیژن گیرنده نهایی الکترون است. بدین ترتیب، انرژی تولیدشده به‌صورت شیمیایی در پیوندهای فسفاتی به دام افتاده، ذخیره می‌شود و در فرایندهای مختلف برای حفظ حیات و رشد بدن مورداستفاده قرار می‌گیرد. برخلاف بیشتر عناصر دیگر، از دست دادن یا پذیرش الکترون توسط اکسیژن ریشه در این حقیقت دارد که مولکول اکسیژن در خارجی‌ترین اوربیتال خود، دو الکترون جفت نشده با اسپینی موازی دارد. بنابراین یک مولکول اکسیژن برای اینکه در مرحله‌ای احیا شود، به دو الکترون نیاز خواهد داشت که با توجه به ظرفیت الکترونی اکسیژن باید در جهت مخالف در حال چرخش باشند. ولی برای ورود همزمان به خارجی‌ترین اوربیتال اتمی باید در جهت یکسانی در حال چرخش باشند. این مسئله بر طبق اصل طرد پائولی ممکن نیست. بنابراین تنها راه‌حل، احیای یک ظرفیتی اکسیژن هست که مولکول اکسیژن هر بار توسط یک الکترون احیا می‌شود. در فرایند احیای اکسیژن میانجی‌ها، رادیکال‌های آزاد هستند که مولکول‌هایی با یک الکترون جفت نشده (رادیکال) بوده و وجود مستقلی دارند. برای مثال وقتی‌که یک الکترون، مولکول اکسیژن را احیا می‌کند گونه حاصل رادیکال منفی سوپراکسید است که هنوز دارای یک الکترون جفت نشده است. تحت شرایط استراحت 2 تا 5 درصد کل اکسیژن مصرف‌شده توسط بافت‌ها ممکن است به تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) منجر شود(50).

2-2-2.  منابع اولیه و ثانویه تولید رادیکال‌های آزاد در ورزش:

  • زنجیره انتقال الکترون
  • مسیر گزانتین اکسیداز
  • انفجار تنفسی و نوتروفیل ها
  • پروکسی زوم‌ها
  • اکسایش خودکار کاتکولامین ها
  • برطرف شدن کم‌خونی

2-2-2-1. زنجیره انتقال الکترون

 

پژوهشگران دریافته‌اند گونه‌هایی که سوخت‌وساز بالاتری دارند عمر کوتاه‌تری دارند. این موضوع ناشی از این واقعیت است که مصرف انرژی توسط میتوکندری به تولید رادیکال سوپراکسید منجر می‌شود و هر چه تنفس میتوکندریایی سریع‌تر باشد رادیکال‌های بیشتری تولید می‌شوند و روند پیری تسریع می‌گردد. ازآنجاکه انرژی عضله از سوخت‌وساز ATP تأمین می‌شود تنفس میتوکندریایی برای تولید انرژی در عضله ضروری است. ATP باید به‌طور دائم در گذرگاه سوخت‌وسازی بازسازی شود. کارآمدترین مسیر برای بازسازی ATP از طریق اکسید شدن ذخایر گلیکوژن و چربی است. که عمده آن در چرخه انتقال الکترون صورت می‌گیرد. فرایند احیا شدن در درون میتوکندری سبب تبدیل 95 تا 98 درصد کل اکسیژن به مولکول آب می‌شود اما 2 تا 5 درصد از طریق احیا ناقص به یون منفی سوپراکسید یا پراکسید هیدروژن تبدیل می‌شود(51). نشان داده‌شده است در طول فعالیت‌های ورزشی مصرف اکسیژن 10 تا 20 درصد افزایش می‌یابد. هنگامی‌که میزان متابولیسم و اکسیژن مصرفی هر دو افزایش می‌یابد میتوکندری به منبع تولید ROS تبدیل می‌شود(52). برای بررسی سطوح رادیکال‌های آزاد در حالت استراحت و درنتیجه فعالیت ورزشی به یک مثال اشاره می‌شود. در یک فرد 150 پوندی که اکسیژن مصرفی حالت استراحت وی برابر 1 مت می‌باشد، یعنی 5/3 میلی‌لیتر در کیلوگرم در دقیقه که حدود 8/353 لیتر اکسیژن در روز یا به بیانی 7/14 مول اکسیژن می‌شود. در حالت استراحتی درصدی از اکسیژن مصرفی از چرخه انتقال الکترون رها می‌شود و 146/0 مول اکسیژن در روز می‌شود که در صورت تبدیل‌شدن یک درصد آن به رادیکال سوپراکسید سالانه چیزی حدود 15/2 کیلوگرم رادیکال سوپراکسید تولید می‌کند. نتیجه این‌که درنتیجه فعالیت بدنی سالانه  چیزی حدود 430 گرم رادیکال سوپراکسید اضافی تولید می‌شود. در فعالیت بدنی درنتیجه افزایش تبادلات اکسیژنی در چرخه انتقال الکترون آنیون سوپراکسید بیشتری به بیرون نشت می‌کند. تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) با اکسیژن مصرفی در فسفوریلاسیون اکسیداتیو متناسب است. ازاین‌رو افرادی که به تمرین یا فعالیت ورزشی می‌پردازند سطوح تولید ROS در بدن آن‌ها در مقایسه با افراد بدون تحرک افزایش می‌یابد. شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهند فعالیت جسمانی شدید ممکن است باعث نشت الکترون از میتوکندری به دلیل آسیب به غشا شود. به‌هرحال میزان دقیق ROS از منابع میتوکندریایی در تولید فعالیت جسمانی شدید ناشناخته مانده است(53).

 

 

 

2-2-2-2. مسیر گزانتین اکسیداز

 

گزانتین اکسیداز[1] آنزیمی سیتوزولی است که به هنگام تبدیل هیپوگزانتین یون منفی سوپراکسید پراکسید هیدروژن تولید می‌کند، واکنش کاتالیز شدن گزانتین اکسیداز به‌عنوان یکی از منابع اصلی تولید رادیکال‌های آزاد در فرایند ایسکمی – خون رسان مجدد قلب شناخته‌شده است(54). در طول مرحله ایسکمی (کم‌خونی) به دلیل تقاضای انرژی برای عضله قلب آدنوزین تری فسفات (ATP) به آدنوزین دی فسفات (ADP) و آدنوزین دی فسفات به آدنوزین منو فسفات (AMP) تجزیه می‌شود. نبود اکسیژن برای بازسازی مجدد ATP سبب می‌شود، AMP به‌طور مداوم تجزیه‌شده و منجر به تولید هیپوگزانتین شود. این هیپوگزانتین تولیدی توسط گزانتین اکسیداز به گزانتین و اسید اوریک تبدیل می‌شود. ترکیب گزانتین اکسیداز و اکسیژن مولکولی با کاهش یک الکترون و تولید رادیکال سوپراکسید و پراکسید هیدروژن همراه است. برای فعال شدن این مسیر چندین شرط لازم است. اول این‌که مقدار کافی از هیپوگزانتین و گزانتین در بافت به‌عنوان ماده اولیه موجود باشد. دوم این‌که گزانتین اکسیداز باید به شکل اکسید شده در دسترس باشد چون شکل احیاشده گزانتین اکسیداز یا گزانتین دهیدروژناز، NAD را بیشتر از اکسیژن به‌عنوان پذیرنده الکترون مورد استفاده قرار می‌دهند و نمی‌توانند سوپراکسید تولید کنند(54). سوم این‌که اکسیژن باید به‌عنوان پذیرنده الکترون فراهم باشد. ظاهراً بافت‌هایی که دچار کم‌خونی و خون‌رسانی مجدد می‌شوند این شرایط را فراهم می‌کنند. شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد فعالیت جسمانی خیلی شدید موقعیت کم‌خونی – خون‌رسانی مجدد قلب را تحریک می‌کنند و مسیر گزانتین اکسیداز را فعال می‌کنند(55). فعالیت‌های بی‌هوازی کاتابولیسم پورین را افزایش می‌دهند که وابسته به افزایش بسیار زیاد در هیپوگزانتین و اسید اوریک در گردش است. در حقیقت غلظت هیپوگزانتین در پلاسما تقریباً به  دنبال 20 دقیقه فعالیت بی‌هوازی به اوج خود می‌رسد(19). راداک و همکاران[2] (1995) نشان دادند فعالیت گزانتین اکسیداز در پلاسما و کبد موش‌ها بعد از دویدن تکراری بسیار شدید تا حد واماندگی تا 10 برابر افزایش می‌یابد(50).

این مطلب مشابه را هم بخوانید :   پیشینه نظریه های شکل دهنده رفتار

2-2-2-3. انفجار تنفسی و نوتروفیل ها

 

فعالیت جسمانی شدید و غیرمعمول باعث آسیب عضلانی همراه با پاسخ التهابی می‌شود، این حالت با افزایش فعالیت آنزیم‌های پروتئازی و لیزوزومی در عضلات در حال فعالیت مشخص می‌شود. پاسخ‌های التهابی می‌توانند از چندین ساعت تا چندین روز بعد از توقف تمرین و بسته به‌شدت و مدت فعالیت ادامه یابد. به‌علاوه علائم شیمیایی پاسخ‌های التهابی با افزایش فعالیت آنزیم‌های ضد اکسایشی از قبیل گلوتاتیون پراکسیداز (GPX) و کاتالاز (CAT) مطابقت دارد(56). این یافته‌ها فرضیه امکان تولید گونه‌های فعال اکسیژن در بافت‌ها را پس از فعالیت افزایش می‌دهد(57). اگرچه این پاسخ التهابی در از بین بردن پروتئین‌های آسیب‌دیده و جلوگیری از عفونت ویروسی و باکتریایی به‌طور حتم موردتوجه بوده، اما گونه‌های فعال آزادشده از نوتروفیل ها می‌توانند با آسیب ثانویه همراه باشند. اسمیت و همکاران (1996) گزارش کردند که تولید پراکسید هیدروژن در نوتروفیل های جمع‌آوری‌شده یک ساعت پس از یک دوره تمرین متوسط تحت شرایط آزمایشگاهی 3 برابر افزایش خواهد یافت(58). گرچه برخی شواهد نشان می‌دهند تعادلی بین فعالیت نوتروفیل ها و ROS تولیدشده در بافت‌های آسیب‌دیده اتفاق می‌افتد اما این واضح است که ROS تولیدشده توسط دستگاه ایمنی علت اصلی آسیب است. با در نظر گرفتن زمان موردنیاز برای عبور نوتروفیل ها، شاید این مسیر منبع اصلی تولید رادیکال آزاد در تمرینات کوتاه‌مدت نباشد. به‌هرحال ممکن است این مسیر سازوکار ثانویه مهمی برای فشار اکسایشی عضلات در طی فعالیت‌های طولانی‌مدت یا در طول برگشت به حالت اولیه بعد از فعالیت‌های برونگرا یا وامانده ساز باشد(59).

2-2-2-4. پروکسی زوم ها

 

پراکسی زوم‌ها اندامک‌های درون‌سلولی هستند که در اکسیداسیون غیر میتوکندریایی اسیدهای چرب و آمینواسیدها نقش دارند. تحت شرایط فیزیولوژیک پراکسی زوم‌ها در تولید یکنواخت پراکسید هیدروژن مشارکت دارند اما در تولید سوپراکسید نقش ندارند. نشان داده شده است که گرسنگی طولانی‌مدت با افزایش اکسیداسیون اسیدهای چرب آزاد، تولید پراکسید هیدروژن را افزایش می‌دهد. در طی تمرینات طولانی‌مدت، اسیدهای چرب پایه اصلی تولید انرژی برای عضلات قلب و عضلات اسکلتی می‌باشند. ازاین‌رو پراکسی زوم‌ها به‌طور بالقوه محل‌هایی برای تولید ROS هستند. افزایش فعالیت آنزیم کاتالاز بعد از یک دوره تمرین شدید در عضلات از این فرضیه حمایت می‌کند(17).

2-2-2-5. اکسایش خودکار کاتکولامین ها

 

سطوح کاتکولامین ها در فعالیت جسمانی تا چندین برابر افزایش می‌یابد، اکسیداسیون خودکار کاتکولامین ها ممکن است منبع فراوان برای حضور گونه‌های اکسیژن فعال در طی فعالیت‌های جسمانی باشد (). قلب تحت شرایط تنش‌زا و فعالیت جسمانی سنگین هورمون اپی نفرین را از انتهای اعصاب سمپاتیک آزاد می‌کند. کاتکولامین ها متابولیسم اکسیداتیو عضلات اسکلتی و قلبی را از طریق فعالیت گیرنده‌های بتا آدرنرژیک افزایش می‌دهند، ازاین‌رو تولید ROS از طریق میتوکندری ها افزایش می‌یابد. به‌علاوه  اکسایش خودکار آدرنالین به آدرنوکرم همراه با تشکیل رادیکال سوپراکسید است که به‌عنوان منبعی برای تولید ROS در طی فرایند کم‌خونی – خون‌رسانی مجدد موردتوجه قرار می‌گیرد(17).

 

 

2-2-2-6. برطرف شدن کم‌خونی (ایسکمی) پس از فعالیت ورزشی

 

در خلال تمرین جریان خون به‌طرف برخی اندام‌ها و بافت‌ها مانند کلیه‌ها، امعاء و احشا شدیداً کاهش می‌یابد و به‌طرف عضلات در حال فعالیت جاری می‌شود. درنتیجه برخی از این اندام‌ها یا بافت‌ها ممکن است با کمبود اکسیژن مواجه شوند، افزون بر این در طول انجام فعالیت، عضلات در حال فعالیت با شدت بیشینه اکسیژن مصرفی و یا در شدت‌های کمتر، کمبود اکسیژن را تجربه می‌کنند. بافت‌هایی که در طی فعالیت دچار کمبود شدید اکسیژن شده‌اند وقتی در مرحله بازیافت مجدداً بررسی شوند مشاهده می‌شود که تولید گونه‌های فعال اکسیژن در این بافت‌ها افزایش‌یافته که این از ویژگی‌های برطرف شدن کم‌خونی است. شرایطی مانند پایین آمدن PH پلاسما به کمتر از 6، همولیز و برطرف شدن مجدد کم‌خونی که به رها شدن یون‌هایی مانند آهن و مس منجر می‌شود می‌تواند شرایط مسمومیت ناشی از گونه‌های فعال اکسیژن را به وجود آورند. همچنین شرایط دیگری مانند استعمال دخانیات، الکل و قرار گرفتن در ارتفاعات می‌توانند سبب تولید گونه‌های فعال اکسیژن شوند(17).

[1] – Xanthine oxidase

[2] – Radak et al