フリーラジカルと抗酸化物質

フリーラジカルと抗酸化物質の発見は、微生物と抗生物質の発見と同様に医学にとって画期的な出来事でした。医師たちは老化を含む多くの病理学的プロセスの説明だけでなく、それらと戦う効果的な方法も手に入れたからです。

過去10年間、生物におけるフリーラジカルの研究は飛躍的に進歩しました。これらのプロセスは、体の正常な機能に不可欠な代謝経路であることが証明されています。フリーラジカルは、酸化リン酸化反応、プロスタグランジンおよび核酸の生合成、脂肪分解活性の調節、細胞分裂のプロセスに関与しています。体内でフリーラジカルが最も多く形成されるのは不飽和脂肪酸の酸化過程であり、このプロセスは脂質過酸化（LPO）と密接に関連しています。

フリーラジカルとは何ですか?

フリーラジカルとは、外側の軌道に不対電子を持つ分子または原子であり、そのため攻撃的であり、細胞膜分子と反応するだけでなく、それらをフリーラジカルに変換する能力（自己持続的な雪崩反応）があります。

炭素含有ラジカルは分子状酸素と反応して過酸化物フリーラジカル COO を形成します。

過酸化ラジカルは不飽和脂肪酸の側鎖から水素を抽出し、脂質ヒドロペルオキシドと別の炭素含有ラジカルを形成します。

脂質ヒドロペルオキシドは細胞毒性アルデヒドの濃度を高め、炭素含有ラジカルは過酸化物ラジカルなどの生成反応をサポートします（連鎖的に）。

フリーラジカルが形成されるメカニズムは様々です。その一つが電離放射線の影響です。状況によっては、分子状酸素の還元過程において、2つの電子ではなく1つの電子が付加され、反応性の高いスーパーオキシドアニオン（O）が形成されます。スーパーオキシドの形成は、細菌感染に対する防御機構の一つです。酸素フリーラジカルがなければ、好中球やマクロファージは細菌を破壊できません。

細胞内および細胞外空間の両方に抗酸化物質が存在することは、フリーラジカルの形成が電離放射線や毒素の影響によって引き起こされる一時的な現象ではなく、通常の条件下では酸化反応に伴う恒常的な現象であることを示しています。主要な抗酸化物質には、スーパーオキシドディスムターゼ（SOD）群の酵素が含まれ、その機能は過酸化水素イオンを過酸化水素と分子状酸素に触媒的に変換することです。スーパーオキシドディスムターゼはあらゆる場所に存在するため、スーパーオキシドアニオンはあらゆる酸化プロセスの主要な副産物の一つであると考えるのが妥当です。カタラーゼとペルオキシダーゼは、不均化反応中に生成された過酸化水素を水に変換します。

フリーラジカルの主な特徴は、その並外れた化学活性です。まるで劣等感を感じているかのように、フリーラジカルは失った電子を取り戻そうと、他の分子から積極的に電子を奪い取ります。すると、攻撃を受けた分子もラジカル化し、自ら電子を奪い取り、隣接する分子から電子を奪い始めます。分子におけるあらゆる変化、例えば電子の喪失や付加、新しい原子や原子団の出現などは、その物質の特性に影響を与えます。したがって、あらゆる物質で起こるフリーラジカル反応は、その物質の物理的および化学的特性を変化させます。

フリーラジカル反応の最もよく知られた例は、油の腐敗（酸敗）です。酸敗した油は独特の味と臭いをしますが、これはフリーラジカル反応中に新たな物質が油中に出現することで説明されます。最も重要なのは、生体組織のタンパク質、脂肪、DNAがフリーラジカル反応の参加者となり得ることです。これは、組織を損傷する様々な病理学的プロセスの発達、老化、そして悪性腫瘍の発生につながります。

あらゆるフリーラジカルの中で最も攻撃的なのは、フリー酸素ラジカルです。フリー酸素ラジカルは生体組織内でフリーラジカル反応の雪崩を引き起こし、その結果は壊滅的なものとなる可能性があります。フリー酸素ラジカルとその活性型（例えば、過酸化脂質）は、紫外線や水や空気中に含まれる一部の毒性物質の影響下で、皮膚やその他の組織に形成される可能性があります。しかし、最も重要なのは、活性型酸素は、皮膚やその他の臓器で発生するあらゆる炎症や感染プロセスにおいて形成されるということです。なぜなら、活性型酸素は免疫システムの主要な武器であり、病原性微生物を破壊するからです。

フリーラジカルから身を隠すことは不可能です（細菌から身を隠すことは不可能ですが、身を守ることは可能です）。フリーラジカルが他の物質のラジカルよりも攻撃性が低いという特徴を持つ物質があります。抗酸化物質は、攻撃者に電子を与えた後、他の分子を犠牲にしてその損失を補おうとはしません。むしろ、そのようなことは稀です。したがって、フリーラジカルが抗酸化物質と反応すると、それは完全な分子へと変化し、抗酸化物質は弱く不活性なラジカルになります。このようなラジカルはもはや危険ではなく、化学的な混乱を引き起こすこともありません。

抗酸化物質とは何ですか?

「抗酸化物質」は総称であり、「抗腫瘍剤」や「免疫調節剤」といった用語と同様に、特定の化学グループに属することを意味するものではありません。その特異性は、一般的にはフリーラジカルによる脂質酸化、特にフリーラジカル病理と最も密接に関連しています。この特性は、それぞれ独自の作用特性を持つ様々な抗酸化物質を統合しています。

脂質のフリーラジカル酸化プロセスは一般的な生物学的性質を持ち、多くの著者の見解では、急激に活性化されると膜レベルで細胞損傷を引き起こす普遍的なメカニズムです。この場合、生体膜の脂質相では、脂質過酸化プロセスにより膜二重層の粘度と秩序性が高まり、膜の相特性が変化して電気抵抗が低下し、さらに2つの単層間でのリン脂質の交換（いわゆるリン脂質フリップフロップ）が促進されます。過酸化プロセスの影響下では、膜タンパク質の可動性も阻害されます。細胞レベルでは、脂質過酸化はミトコンドリアの腫脹、酸化リン酸化の解離（および進行したプロセスでは膜構造の可溶化）を伴い、これは生物全体のレベルで、いわゆるフリーラジカル病理の発症として現れます。

フリーラジカルと細胞損傷

今日では、フリーラジカルの形成は、次のようなさまざまな種類の細胞損傷における普遍的な発症メカニズムの 1 つであることが明らかになっています。

• 一定期間の虚血後の細胞の再灌流。
• いくつかの薬剤誘発性の溶血性貧血;
• 一部の除草剤による中毒;
• 四塩化炭素管理;
• 電離放射線;
• 細胞老化のいくつかのメカニズム（例えば、細胞内の脂質産物（セロイドおよびリポフスチン）の蓄積）
• 酸素毒性;
• 動脈壁の細胞内の低密度リポタンパク質の酸化による動脈硬化。

フリーラジカルは次のプロセスに関与します。

• エージング;
• 発癌性;
• 細胞に対する化学的および薬学的損傷。
• 炎症;
• 放射能被害;
• アテローム性動脈硬化;
• 酸素とオゾンの毒性。

フリーラジカルの影響

細胞膜中の不飽和脂肪酸の酸化は、フリーラジカルの主な作用の一つです。フリーラジカルはタンパク質（特にチオール含有タンパク質）やDNAにも損傷を与えます。細胞壁脂質の酸化は、極性膜透過性チャネルの形成という形態学的結果をもたらします。これにより、Ca2+イオンの膜透過性が高まり、過剰分はミトコンドリアに沈着します。酸化反応は通常、ビタミンEやグルタチオンペルオキシダーゼなどの疎水性抗酸化物質によって抑制されます。酸化連鎖を切断するビタミンE類似の抗酸化物質は、新鮮な野菜や果物に含まれています。

フリーラジカルは、細胞内におけるイオン環境および水環境中の分子とも反応します。イオン環境下では、還元型グルタチオン、アスコルビン酸、システインなどの分子が抗酸化能を保持しています。抗酸化物質の保護作用は、単離細胞においてそれらの蓄積が枯渇した際に、細胞膜脂質の酸化による特徴的な形態学的および機能的変化が観察される際に明らかになります。

フリーラジカルによって引き起こされる損傷の種類は、生成されるラジカルの攻撃性だけでなく、標的の構造的および生化学的特性によっても決まります。例えば、細胞外空間では、フリーラジカルは結合組織の主要成分であるグリコサミノグリカンを破壊します。これは、関節破壊（例えば、関節リウマチ）のメカニズムの一つとなる可能性があります。フリーラジカルは、透過性が高いチャネルを形成することで細胞膜の透過性（ひいてはバリア機能）を変化させ、細胞の水とイオンの恒常性を破壊します。関節リウマチの患者には、ビタミンや微量元素、特にオリゴEによるビタミン欠乏症や微量元素欠乏症の補正が必要であると考えられています。これは、過酸化プロセスの顕著な活性化と抗酸化活性の抑制が証明されているためです。そのため、複合療法には、抗酸化ビタミン（E、C、A）と微量元素セレン（Se）を含む、抗酸化活性の高いバイオ抗酸化物質を含めることが非常に重要です。また、天然よりも吸収が悪い合成ビタミンEの使用も示されています。たとえば、1日に最大800および400 IUのビタミンEを投与すると、心血管疾患が（53％）減少します。ただし、抗酸化物質の有効性に対する答えは、1997年に実施された大規模な対照試験（患者8,000〜40,000人）で得られます。

LPO 速度を一定のレベルに維持する保護力には、過酸化を阻害する酵素システムと天然の抗酸化物質が含まれます。フリーラジカル酸化速度の調節には 3 つのレベルがあります。最初の段階は抗酸素段階で、細胞内の酸素分圧をかなり低く維持します。これには主に、酸素と競合する呼吸酵素が含まれます。体内の O3 吸収とそこからの CO2 放出は大きく変動しますが、動脈血中の pO2 と pCO2 は通常かなり一定に保たれます。保護の 2 番目の段階は抗ラジカル段階です。これは体内に存在するさまざまな物質 (ビタミン E、アスコルビン酸、一部のステロイド ホルモンなど) で構成され、フリーラジカルと相互作用して LPO プロセスを中断します。3 番目の段階は抗過酸化物段階で、適切な酵素の助けを借りて、または非酵素的に、すでに形成された過酸化物を破壊します。しかし、フリーラジカル反応の速度を調節するメカニズムや脂質過酸化の最終生成物の利用を確実にする保護力の作用については、統一された分類や統一された見解はまだ存在しません。

LPO反応の調節における変化は、その強度と持続時間に応じて、第一に可逆的でその後正常に戻る場合、第二に自己調節の別のレベルへの移行につながる場合、第三に、その影響の一部がこの自己調節機構を分離し、結果として調節機能の遂行を不可能にする場合があると考えられています。そのため、特に寒冷などの極端な要因にさらされた状況下におけるLPO反応の調節的役割を理解することは、適応プロセスの管理、そして最も一般的な疾患の複合的な治療、予防、リハビリテーションのための科学的根拠に基づいた方法の開発を目指した研究において不可欠な段階です。

最も頻繁に使用され、効果的な抗酸化剤の一つは、トコフェロール、アスコルビン酸、メチオニンを含む抗酸化剤複合体です。使用されている各抗酸化剤の作用機序を分析したところ、以下のことが明らかになりました。肝細胞において、外因性に導入されたトコフェロールが蓄積する主な場所の一つはミクロソームです。アスコルビン酸は酸化されてデヒドロアスコルビン酸となり、プロトン供与体として作用する可能性があります。さらに、アスコルビン酸は一重項酸素、ヒドロキシラジカル、スーパーオキシドアニオンラジカルと直接相互作用し、過酸化水素を破壊する能力があることが示されています。また、ミクロソーム内のトコフェロールはチオール、特に還元型グルタチオンによって再生されるという証拠もあります。

このように、体内には相互に関連した多数の抗酸化システムが存在し、その主な役割は酵素および非酵素酸化反応を定常状態に維持することです。過酸化反応の発達の各段階において、これらの機能を果たす特殊なシステムがあります。これらのシステムの中には厳密に特異的なものもあれば、グルタチオンペルオキシダーゼやトコフェロールのように作用範囲が広く基質特異性が低いものもあります。酵素および非酵素抗酸化システムの相互作用の加法的性質により、体は酸化促進特性を持つ極端な因子、すなわち活性酸素の生成と脂質過酸化反応の活性化を促す条件を体内に作り出す能力に対する抵抗力を確保します。脂質過酸化反応の活性化は、体に対する多くの環境因子の影響下、および様々な性質の病理学的プロセスにおいて観察されることは間違いありません。V. Yu. Kulikovらによると、 （1988）、LPO反応の活性化のメカニズムに応じて、身体に影響を及ぼすすべての要因は、ある程度の確率で以下のグループに分類できます。

組織前駆細胞の増加に寄与し、LPO反応を直接活性化する物理化学的性質の因子：

• 加圧酸素;
• オゾン;
• 一酸化窒素;
• 電離放射線など

生物学的性質の要因:

• 貪食プロセス;
• 細胞および細胞膜の破壊;
• 活性酸素を生成するシステム。

体内の酵素および非酵素の抗酸化システムの活性を決定する要因:

• 酵素的抗酸化システムの誘導に関連するプロセスの活性。
• 脂質過酸化反応を制御する酵素の低下に関連する遺伝的要因（グルタチオンペルオキシダーゼ、カタラーゼなどの欠乏）
• 栄養因子（食品中のトコフェロール、セレン、その他の微量元素などの欠乏）
• 細胞膜の構造;
• 酵素性抗酸化物質と非酵素性抗酸化物質の関係の性質。

LPO反応の活性化を促進する危険因子:

• 体内の酸素システムの活性化;
• ストレス状態（寒さ、高温、低酸素症、感情的および痛みの影響）
• 高脂血症。

したがって、体内のLPO反応の活性化は、酸素輸送および利用システムの機能と密接に関連しています。広く使用されているエゾウコギなどのアダプトゲンは特に注目に値します。この植物の根から抽出された製剤は、強壮作用、アダプトゲン作用、抗ストレス作用、抗動脈硬化作用、抗糖尿病作用などの特性を持ち、インフルエンザを含む一般的な罹患率を低下させます。ヒト、動物、植物における抗酸化物質の作用の生化学的メカニズムの研究により、抗酸化物質が治療に使用される病態の範囲は大幅に拡大しました。抗酸化物質は、放射線障害からの保護、創傷や火傷の治療、結核、心血管疾患、神経精神疾患、腫瘍、糖尿病などのアダプトゲンとして効果的に使用されています。当然のことながら、抗酸化物質のこのような普遍的な作用の根底にあるメカニズムへの関心が高まっています。

現在、抗酸化剤の効能は、過酸化物やLPO（リポ多糖）を誘導する他のラジカルとの相互作用による脂質過酸化阻害活性、ならびに抗酸化剤が膜構造に作用して脂質への酸素のアクセスを促進することによる活性によって決定されることが実験的に確立されています。LPOは、神経ホルモン機構を介した抗酸化作用の媒介システムによっても変化します。抗酸化剤は、神経伝達物質やホルモンの放出、受容体感受性、そしてそれらの結合に影響を及ぼすことが示されています。一方、ホルモンや神経伝達物質の濃度が変化すると、標的細胞におけるLPOの強度が変化し、脂質分解速度の変化、ひいては脂質組成の変化につながります。LPO速度と膜リン脂質のスペクトル変化との関係は、調節的な役割を果たしています。同様の調節システムは、動物、植物、微生物の細胞膜にも見出されています。ご存知のように、膜脂質の組成と流動性は、膜タンパク質、酵素、受容体の活性に影響を与えます。この調節システムを通じて、抗酸化物質は生体の病理学的状態の変化によって生じた膜の修復に作用し、その組成、構造、および機能活性を正常化します。抗酸化物質の作用によって引き起こされる、高分子を合成する酵素の活性と核マトリックスの組成の変化、そして膜脂質の組成の変化は、DNA、RNA、タンパク質の合成への影響によって説明できます。同時に、抗酸化物質と高分子との直接的な相互作用に関するデータが文献に発表されています。

これらのデータ、および最近発見されたピコモル濃度の抗酸化物質の有効性に関するデータは、細胞代謝への影響における受容体経路の役割を浮き彫りにしています。VE Kagan (1981) による生体膜の構造的および機能的修飾のメカニズムに関する研究では、生体膜における LPO 反応速度の依存性は、脂肪酸組成（不飽和度）だけでなく、膜の脂質相の構造的構成（脂質の分子運動性、タンパク質-脂質および脂質-脂質相互作用の強度）にも依存することが示されました。LPO 産物の蓄積の結果、膜内で脂質の再分配が発生することがわかりました。つまり、生体層内の液体脂質の量が減少し、膜タンパク質によって固定化された脂質の量が減少し、生体層内の秩序立った脂質（クラスター）の量が増加するということです。V.

抗酸化システムの性質、構成、および恒常性維持のメカニズムを研究した結果、フリーラジカルや過酸化物化合物の有害な作用の発現は、ラジカルを結合・修飾し、過酸化物の生成や破壊を防ぐ複雑な多成分抗酸化システム（AOS）によって阻止されることが示されました。AOSには、還元特性を持つ親水性および疎水性の有機物質、これらの物質の恒常性を維持する酵素、抗過酸化酵素が含まれます。天然抗酸化物質には、脂質（ステロイドホルモン、ビタミンE、A、K、フラボノイド、ポリフェノール、ビタミンP、ユビキノン）と水溶性（低分子チオール、アスコルビン酸）物質が含まれます。これらの物質は、フリーラジカルを捕捉するか、過酸化物化合物を破壊します。

組織抗酸化物質の一部は親水性で、他の部分は疎水性であり、これにより、水相と脂質相の両方で機能的に重要な分子を酸化剤から同時に保護することが可能になります。

生体抗酸化物質の総量は、組織内に一定の能力を持つ「緩衝抗酸化システム」を形成し、酸化促進システムと抗酸化システムの比率が生体のいわゆる「抗酸化状態」を決定します。チオールが組織抗酸化物質の中で特別な位置を占めていると考えるに足る十分な根拠があります。これは、以下の事実によって裏付けられます。スルフィドリル基の高い反応性により、一部のチオールは非常に高い速度で酸化されます。また、SH基の酸化修飾速度は分子内のラジカル環境に依存します。この状況により、様々なチオール化合物の中から、抗酸化物質として特定の機能を果たす、酸化されやすい物質の特別なグループを特定することができます。スルフィドリル基からジスルフィド基への酸化反応の可逆性により、原理的にはチオール抗酸化物質の生合成を活性化することなく、細胞内の恒常性をエネルギー的に維持することが可能になります。さらに、チオールは抗ラジカル作用と抗過酸化物作用の両方を発揮することができます。チオールの親水性により、細胞内の水相における含有量が高く、酵素、核酸、ヘモグロビンなどの生物学的に重要な分子を酸化ダメージから保護することができます。同時に、チオール化合物は非極性基を有しているため、細胞内の脂質相において抗酸化活性を発揮することができます。このように、チオール化合物は脂質性物質と共に、細胞構造を酸化因子の作用から保護する上で広範な役割を果たしています。

アスコルビン酸も体組織内で酸化を受けます。チオールと同様に、アスコルビン酸はAOS（酸化ストレス応答性有機化合物）の一部であり、フリーラジカルの結合と過酸化物の分解に関与します。分子内に極性基と非極性基の両方を持つアスコルビン酸は、SH-グルタチオンや脂質系抗酸化物質と密接な機能的相互作用を示し、脂質系抗酸化物質の効果を高め、脂質過酸化を抑制します。チオール系抗酸化物質は、リン脂質や脂質層に沈着したタンパク質など、生体膜の主要な構成成分を保護する上で重要な役割を果たしていると考えられます。

一方、水溶性抗酸化物質（チオール化合物およびアスコルビン酸）は、主に水性環境、すなわち細胞質または血漿において保護作用を発揮します。血液系は、生体防御における非特異的および特異的反応において決定的な役割を果たし、抵抗力と反応性に影響を与える内部環境であることを念頭に置く必要があります。

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病理学におけるフリーラジカル

脂質過酸化の強度変化と疾患発症のダイナミクスとの因果関係については、文献において依然として議論が続いています。一部の研究者は、このプロセスの定常性の破綻がこれらの疾患の主な原因であると主張していますが、一方で、脂質過酸化の強度変化は全く異なるメカニズムによって引き起こされるこれらの病理学的プロセスの結果であると考える研究者もいます。

近年の研究では、様々な原因の疾患においてフリーラジカル酸化の強度変化が伴うことが示されており、これはフリーラジカルによる細胞損傷の一般的な生物学的性質に関する仮説を裏付けるものです。分子、細胞、臓器、そして体全体に対するフリーラジカル損傷の病態への関与、そして抗酸化作用を持つ薬理学的薬剤による効果的な治療について、十分な証拠が蓄積されています。