Alle stoffer i vor hverdag er grundstoffer, kemiske forbindelser eller blandinger heraf. De består af atomer bundne sammen i kemiske bindinger. Alle atomer består af en kerne, hvorom der cirkulerer elektroner, som er negativt ladede, mens kernen har et tilsvarende antal positive ladninger. Når atomet A skal danne en kemisk forbindelse med et andet atom B, kan det gøres, ved at de to forbindes med en enkeltbinding, en dobbelt- eller en tredobbelt binding. Enkeltbindingen etableres ved, at A og B hver stiller en elektron til en fælles pulje:

A* + B* ---> A**B

Tilsvarende vil en dobbeltbinding og en tredobbelt binding dannes, hvis de to hver stiller to respektivt tre elektroner til rådighed for bindingen: A****B og A******B.

Tilsvarende vil en dobbeltbinding og en tredobbelt binding dannes, hvis de to hver stiller to respektivt tre elektroner til rådighed for bindingen: A****B og A******B.

Når der nu er dannet et stof, f.eks. A**B, så kan det atter spaltes, men på to måder. Ligesom i et ægteskab, som skal opløses, kan det ske på en uheldig måde, ved at den ene stjæler hele formuen, mens den anden intet får:

A**B ---> A + B**

A har altså mistet sin ene elektron og er så blevet positiv, mens B ** har stjålet A's elektron, hvorfor B er blevet negativ. Det svarer til, at f.eks. bordsalt opløses i vand. Bordsalt består af natrium (forkortet Na) og klor (forkortet Cl). Bordsalt er altså: Na**Cl. Opløser vi nu bordsalt i vand dannes natriumioner og kloridioner. Na**Cl ---> Na+ + Cl-. Klor har altså stjålet en elektron fra natrium. Denne proces betegnes en heterolytisk spaltning.

Ved den ideelle opløsning af ægteskabet deler parterne ligeligt:

A**B ---> A* + B*

I dette tilfælde dannes to frie radikaler, idet vi ved et frit radikal forstår et stof med een eller flere uparrede elektroner i een eller flere af de ydre elektronbaner. Denne proces betegnes en homolytisk spaltning.

Frie radikaler er i reglen iltholdige forbindelser. I virkeligheden er det ilt, vi hele tiden indånder i vores lunger, et frit radikal, idet ilt har to uparrede elektroner i to ydre baner (fig. 1). Ilt kan stjæle een elektron og blive til et iltradikal. Ilt betegnes kemisk som O, og de ilt-molekyler, vi indånder, har delt to elektroner O**O som også kan skrives: O2. Iltradikalet skrives da O. Tager iltmolekylet een elektron (e)op bliver den ene af iltens to uparrede elektroner parret, mens den anden fortsat er parret: O2 + e ---> O2*- . Ilten har nu fået en ekstra elektron og er derfor blevet negativt ladet. Det dannede stof bærer det vanskelige navn: Super-oxid-anion (altså negativt ladet superoxid). Dette stof dannes i organismen, f.eks. som tidligere nævnt i mitochondrierne, hvor ilten sammen med brint omdannes til vand (superoxidet er et mellemprodukt). Det huskes, at mitochondrieprocesserne giver anledning til energidannelse i form af ATP. Oprindeligt troede man, at elektrontransporten i mitochon-drierne var en fasttømret proces, der ikke kunne tilføre uparrede elektroner til mellem-produkter og derved danne frie radikaler (se afsnittet om Q10 (ubiquionon). I de senere år er man dog blevet opmærksom på, at oxidativt stress i cellevæsken kan ødelægge mitochondriemembranen, så elektronerne giver anledning til dannelse af brintoverilte, der kan forværre den oxidative stresstilstand. (Se i øvrigt afsnittet ”Skader formidlet af frie radikaler og af brintoverilte”)

Det er tidligere nævnt, at ilt er et frit radikal med to uparrede elektroner i to ydre baner. Det koster energi at overføre den ene elektron til den anden elektrons bane og vende spinretningen modsat. Denne proces kan ske formidlet af sollys. Det omdannede iltmolekyle kaldes singlet ilt. Også dette er meget reaktivt, da der nu er plads til to elektroner i den forladte ydre bane.

Mikrobejæger-celler fungerer ved at danne frie radikaler

Superoxidet dannes også ved andre processer, f.eks. i en særlig grupper af hvide blodlegemer, som benævnes granulocytter (hvide blodlegemer med granula) og makrofager (de store spisende celler). Disse celler vandrer rundt i organismen som spejdere, der skal sikre mod akutte angreb af mikrober. Er vi imidlertid blevet inficerede med en mikrobe, begynder organismen at danne antistoffer mod disse. Antistofferne sætter sig på mikrobernes overflade, hvorfra der afgives stoffer, som bevirker, at granulocytterne og makrofagerne nu kan spore mikroberne. Cellerne har på deres overflade et særligt stofskiftesystem en såkaldt NADPH-oxidase, som omdanner ilt til superoxid. Superoxidet er stærkt iltende, hvorfor det dræber mikroberne. Celler har også et andet stofskiftesystem, som formidler at superoxidet reagerer med kloridioner i cellevæsken. Herved dannes klorin - ja, ganske rigtigt klorin, som vi har i køkkenskabet. Det er også bakteriedræbende.

For nu at sikre, at der normalt ikke er for meget superoxid, har cellerne et stofskiftesystem (superoxid-dismutase, SOD), som kan omdanne superoxidet til brintoverilte og fri ilt. Brintoverilten er også stærkt iltende - det kender vi alle, idet det jo forekommer i mundskylle-vand og i visse blegemidler. Men brintoverilte er ikke et frit radikal, idet alle dets elektroner er parrede.

Andre frie radikaler er hydroxylradikalet HO*, som dannes, når jernioner reagerer med brintoverilte. Hydroxylradikalet er meget reaktivt, da det skader cellernes fedtstoffer og proteiner.

Hvor langt virker frie radikaler?

Frie radikaler reagerer momentant med cellernes fedtstoffer (de umættede fedtsyrer), kulhydrater, DNA (dvs. arveanlæggene) og proteiner. Deres rækkevidde er imidlertid kun meget ringe - af størrelsesorden en ti-milliardedel af een meter. Er de frie radikaler imidlertid omdannede til brintoverilte, kan skaderne gå over store afstande, da brintoverilte frit passerer cellemembranerne.

Oxidativt stress

Oxidativt stress kan defineres som en manglende balance mellem oxidanter og antioxidanter. Der kan under særlige forhold dannes så mange frie radikaler, at der opstår varige skader på fedtstoffer, proteiner og på arveanlæggene. En sådan tilstand kaldes oxidativt stress. Oxidativt stress kan f.eks. ses hos tobaksrygere, hos atleter og hos mennesker, som forgiftes af skadelige stoffer og medicin.

Tobaksrygning

Tobaksrøg indeholder røggasser med tjærestoffer og de kræftfremkaldende nitrosaminer. Gasserne indeholder relativt store mængder partikler med en diameter under 5 milliontedel af en meter (sv.t. størrelsen 5 mikrometer). Det er en vigtig grænsestørrelse fra et fysiologisk synspunkt, idet partikler under denne størrelse med indåndingsluften kan nå helt ned i lungesækkene, hvorfra de ikke igen kan fjernes v.hj.a. cilierne, som virker som fejekoste opad i luftvejene (bortset fra nogle få partikler, som suges ud med udåndingsluften). Nogle partikler vil i en vis udstrækning aflejres på luftvejenes epiteloverflader i øvre luftveje og i bronkierne. Herfra kan de imidlertid fjernes ved den fejende bevægelse af de cilier (fejekoste), som luftvejs-epitelet er forsynet med.

En storryger har fået sit ciliesystem ødelagt, så han kan ikke rense sine lunger så effektivt som en ikke-ryger. Efter en belastning af en ikke-ryger med tobakspartikler vil det tage ca. 2 - 3 timer før lungernes luftveje er halvt rensede. Modsat dette vil det måske tage en stor-ryger 8 - 12 timer at gennemføre en tilsvarende rensning.

Tobaksrygeren belastes derfor af både kræftfremkaldende gasser og af partikler (jvf. tabel 6). I lungesækkene opfattes partiklerne, som har omtrent samme størrelse som bakterier, som fremmede mikrober. De angribes derfor af granulocytterne og af makrofager (se tidligere), som optager partiklerne, men de kan ikke nedbryde partiklerne, som faktisk svarer til aske. De prøver forgæves "at dræbe" partiklerne ved at udsende byger af frie radikaler (superoxidet og klorin, se tidligere).

Dette sker nat og dag, og da cellerne kan gå tilbage i blodbanen, vil radikaldannelse kunne spredes til hele organismen. Den konstante frigørelse af frie radikaler medfører oxidation af fedtstoffer, DNA og proteiner. Dette øger aflejringen af alderdomspigment, bindevævet oxideres og bliver slapt, hvilket gør, at mange rygere får rynket hud, og endelig kan de fedtstoftransporterende proteiner i blodbanen (de såkaldte lipoproteiner) oxideres, så fedtet, bl.a. kolesterol, ikke kan overføres til fedtcellerne. I stedet optages disse oxiderede fedttransportører af makrofager igennem en særlig receptor (scavenger receptoren), som så transporterer fedtet ind i karvæggene. Herved opstår åreforkalkning (se nedenfor).

Når organismen skal omdanne de kemiske stoffer bl.a. tjærestofferne og nitrosaminer i tobaksrøgen, sker det gennem et særligt stofskiftesystem, som biokemikerne kalder P-450 stofskiftesystemet. Dette kræver både ilt (O2) og brint (NADPH). Ved omsætningen dannes dels superoxid-radikaler, dels aktiveres tjærestofferne til mellemprodukter, som er meget reaktive, ja, så reaktive, at de danner kemiske forbindelser med proteiner og arveanlæg (DNA) - man siger, at tjærestofferne har dannet addukter. Det sker det gennem et særligt stofskiftesystem, som biokemikerne kalder P-450 stofskiftesystemet. Dette kræver både ilt (O2) og brint (NADPH).

Ved omsætningen dannes dels superoxid-radikaler, dels aktiveres tjærestofferne til mellemprodukter, som er meget reaktive, ja, så reaktive, at de danner kemiske forbindelser med proteiner og arveanlæg (DNA) - man siger, at tjærestofferne har dannet addukter. Det vil blive omtalt yderligere under afsnittet om kemisk induceret kræft.
Den frie radikaldannelse kan også finde sted i luftvejsepitelerne. Det lokale oxidative stress her kan ødelægge vitamin B12 og folinsyre (se afsnittet om disse vitaminer). Da disse vitaminer er nødvendige for fornyelsen af arveanlæggene (DNA), kan konsekvensen blive en omdannelse af luftvejsepitelet til forstadier til kræft (lægen kalder disse omdannede celle-områder for leukoplakier).

Oxidativt stress ved kemisk påvirkning

Der er forskellige veje i stofskiftet, hvorigennem kemiske stoffer (forureningsstoffer) kan omsættes. Man deler i reglen disse stofskifteveje op i fase I- og fase II-systemer. Et fællestræk for disse stofomsætninger er, at der enten som mellemprodukter dannes frie radikaler, eller at ilt oxiderer stofferne. Oxidationen af fremmede stoffer gør således, at der som mellemprodukt dannes superoxid. I forbindelse med disse omsætninger ses yderligere, at påvirkning af cellen med mange fremmede stoffer betinger, at mængden af disse stofskiftesystemer øges, og denne øgning vil så betinge en endnu hurtigere omsætning af de kemiske stoffer. Jo hurtigere processerne kører, jo højere bliver det oxidative stress. Som eksempel herpå kan nævnes, at ukrudtbekæmpelsesmidlet Paraquat under gartnerens sprøjtning af markerne i støvform kan indåndes i lungerne, hvis der ikke foretages særlige beskyttelsesforanstaltninger. Her i lungerne vil indåndet Paraquat af et af disse stofskiftesystemer kunne omdannes til et frit radikal (et pyridiumradikal), som sekundært danner hydroxylradikaler, som ilter cellemembranerne, der herved ødelægges. Der kan herved opstå livstruende lungeødem (væskeindtræden i lungerne).

Også kemiske stoffer i vor føde kan optages i mave-tarm-kanalen og omsættes i leveren og andre livsvigtige organer med oxidativt stress til følge. Skader som følge af kemisk betinget oxidativt stress er omtalt under tobaksrygning.