miniatura|Model d'ompliment d'espais del metabòlit antioxidant glutatió. L'esfera groga és l'àtom reductor actiu del sofre que proporciona una activitat antioxidant, mentre que les esferes vermelles, blaves, blanques i grises representen, respectivament, els àtoms d'oxigen, nitrogen, hidrogen, i carboni.
Un antioxidant és una molècula capaç d'alentir o prevenir l'oxidació d'altres molècules. L'oxidació és una reacció química en què electrons d'una substància es transfereixen a un agent oxidant. Les reaccions d'oxidació poden produir radicals lliures, els quals inicien reaccions en cadena que poden danyar les cèl·lules. Els antioxidants interrompen aquestes reaccions, llevant elements intermedis del radical lliure i d'aquesta manera inhibeixen altres reaccions d'oxidació, oxidant-se ells mateixos. Per aquest motiu els antioxidants, com per exemple tiols o polifenols, són sovint agents reductors.
Encara que les reaccions d'oxidació són crucials per la vida, també poden ser perjudicials; per tant, les plantes i els animals mantenen complexos sistemes amb múltiples categories d'antioxidants, tals com el glutatió, la vitamina C i la vitamina E, així com enzims com la catalasa, la superòxid dismutasa i diverses peroxidases. Els nivells baixos d'antioxidants o la inhibició dels enzims antioxidants causen estrès oxidatiu i poden danyar o matar les cèl·lules.
L'estrès oxidatiu ha estat associat a la patogènesi de moltes malalties humanes; és per això que en farmacologia s'estudia de manera intensiva l'ús d'antioxidants, particularment com tractament dels accidents vasculars cerebrals i de les malalties neurodegeneratives. Tot i així, es desconeix si l'estrès oxidatiu és la causa o la conseqüència d'aquestes malalties. Els antioxidants també són força utilitzats com ingredients en suplements dietètics; existeix l'esperança que poden mantenir la salut i prevenir malalties com el càncer i la cardiopatia isquèmica. Encara que alguns estudis han suggerit que els suplements antioxidants tenen beneficis per la salut, importants assajos clínics no han detectat cap avantatge per les formulacions provades i l'excés de suplements pot arribar a ser nociu.
A més a més d'aquestes aplicacions en medicina, els antioxidants tenen moltes aplicacions industrials; es fan servir com conservants d'aliments i cosmètics, i en la prevenció de la degradació del cautxú i la gasolina.
Història Originàriament, el terme antioxidant fou utilitzat per referir-se específicament a un producte químic que reduïa el consum d'oxigen. Des de la fi del , es van dur a terme estudis i investigacions sobre les aplicacions dels antioxidants en processos industrials com, per exemple, la prevenció de la corrosió del metall, la vulcanització del cautxú i la polimerització de combustibles en la formació d'escòria en motors de combustió interna.Matill H. A. (1947). Antioxidants. Annu Rev Biochem, 16: 177–192.
Les primeres investigacions sobre el paper dels antioxidants en el camp de la biologia es van centrar en la prevenció de l'oxidació dels greixos insaturats, que és la causa de la ranciesa. L'activitat antioxidant podia ser quantificada simplement col·locant el greix en un contenidor tancat amb oxigen i calcular-ne la taxa de consum. Tot i així, la identificació de les vitamines A, C, i E com antioxidants va revolucionar aquest àmbit disciplinari i va conduir a dilucidar la importància dels antioxidants en la bioquímica dels organismes vius.
Quan es va descobrir que una substància amb activitat antioxidant és probable que sigui la que s'oxida si mateixa, es començaren a investigar els possibles mecanismes d'acció dels antioxidants.Moreau i Dufraisse (1922). Comptes Rendus des Séances et Mémoires de la Société de Biologie, 86, 321. L'estudi de com la vitamina E actua en el procés de la peroxidació de lípids va conduir a la identificació d'antioxidants com agents reductors que tenen una funció preventiva davant les reaccions oxidatives; aquestes substàncies sovint depuren les espècies reactives de l'oxigen abans que aquestes puguin causar danys a les cèl·lules.
El desafiament oxidatiu en la biologia miniatura|Estructura de la vitamina antioxidant àcid ascòrbic (vitamina C). Una paradoxa metabòlica és que, per una banda, la major part dels éssers vius requereixen oxigen per la seva existència i, per l'altra, l'oxigen és una molècula altament reactiva que danya els éssers vius. Per tant, els organismes tenen una complexa xarxa de metabòlits i enzims antioxidants, com l'ADN, les proteïnes i els lípids, que actuen conjuntament per prevenir el dany oxidatiu dels components cel·lulars. Generalment, els sistemes antioxidants eviten que aquestes espècies reactives arribin a formar-se, o les eliminen abans que puguin danyar els components vitals de la cèl·lula.
Les espècies reactives de l'oxigen que es produïxen en les cèl·lules inclouen el peròxid d'hidrogen (H₂O₂), l'àcid hipoclorós (HClO), i radicals lliures com el radical hidroxil (· OH) i el radical superòxid (O₂·−). El radical de l'oxhidril és particularment inestable i reacciona ràpidament i de forma no específica amb la majoria de les molècules biològiques. Aquesta espècie reactiva és un producte del peròxid d'hidrogen en determinades reaccions redox catalitzades per metalls, com la reacció de Fenton. Aquests oxidants poden danyar les cèl·lules i iniciar reaccions químiques en cadena tals com la peroxidació de lípids, l'oxidació de l'ADN o de les proteïnes. Els danys a l'ADN poden causar mutacions, i possiblement càncer, si no són revertits pels mecanismes de reparació de l'ADN, mentre que els danys a les proteïnes causen la inhibició d'enzims, la desnaturalització i la corresponent degradació.
L'ús d'oxigen com a part del procés per generar energia metabòlica produeix espècies reactives de l'oxigen. En aquest procés, apareix l'anió de superòxid com un subproducte dels diversos passos de la cadena de transport d'electrons. És particularment important la reducció del coenzim Q10 en el complex III, ja que com intermediari (Q·−) es forma un radical lliure molt reactiu. Aquest intermediari inestable pot provocar una pèrdua d'electrons quan aquests salten directament a l'oxigen molecular i formen l'anió superòxid en comptes de desplaçar-se amb la sèrie de reaccions ben controlades de la cadena de transport d'electrons.
En un sistema de reaccions en plantes força similar les espècies reactives de l'oxigen també es produeixen durant la fotosíntesi, en condicions d'una intensitat lumínica elevada. Aquest efecte és compensat, en part, per la implicació de carotenoides en la fotoinhibició; aquest fet implica que aquests antioxidants reaccionen amb les formes sobre-reduïdes dels centres de reacció fotosintètics d'una manera que prevenen la producció de superòxid.
Un altre procés que produeix espècies reactives de l'oxigen és l'oxidació lipídica, oxidació que té lloc a conseqüència de la producció d'icosanoides; tot i així, les cèl·lules estan proveïdes de mecanismes que prevenen oxidacions innecessàries. Els enzims oxidatius d'aquestes rutes biosintètiques funcionen de manera coordinada i amb un elevat control de regulació.
Metabòlits Descripció Els antioxidants es classifiquen en dos grans grups, en funció de si són solubles en aigua (hidròfils) o en lípids (hidròfobs). En general, els antioxidants solubles en aigua reaccionen amb els oxidants en el citoplasma cel·lular i en el plasma sanguini, mentre que els antioxidants liposolubles protegeixen les membranes de la cèl·lula contra la peroxidació de lípids. Aquests compostos es poden sintetitzar en el cos o obtenir-los amb la dieta. Els diferents antioxidants estan presents en una àmplia gamma de concentracions en els fluids i teixits corporals –com, per exemple, el glutatió o la ubiquinona– i, especialment, dintre de les cèl·lules; d'altres antioxidants, com l'àcid úric, es distribuïxen de manera més uniforme per tot el cos.
La importància que tenen aquests diferents antioxidants i les interaccions que es produeixen és una qüestió força complexa; hi ha diversos metabòlits i sistemes d'enzims que tenen efectes sinèrgics i amb una interdependència entre ells. L'acció d'un antioxidant pot dependre d'una funció concreta per part d'altres membres del sistema antioxidant. La quantitat de protecció proporcionada per qualsevol antioxidant depèn de la seva concentració, de la seva reactivitat cap a l'espècie reactiva de l'oxigen i de l'estat dels antioxidants amb els quals interacciona.
Alguns compostos contribueixen a la defensa antioxidant quelant els metalls de transició i evitant que la producció de radicals lliures catalitzi a la cèl·lula. És particularment important la capacitat de segrestar el ferro, que és la funció de proteïnes d'unió al ferro, com la transferrina i la ferritina. El seleni i el zinc són habitualment esmentats com nutrients antioxidants, però aquests elements químics no tenen cap acció antioxidant per ells mateixos sinó que requereixen l'activitat d'alguns enzims antioxidants.
Metabòlit antioxidantSolubilitatConcentració en sèrum humà (μM)Concentració en teixit hepàtic (μmol/kg)Àcid ascòrbic (vitamina C)Aigua50 – 60260 (home)GlutatióAigua325 – 6506400 (home)Àcid lipoïcAigua0,1 – 0,74 – 5 (rata)Àcid úricAigua200 – 4001600 (home)CarotensLípidβ-carotè: 0,5 – 1 retinol (vitamina A): 1 – 35 (home, total de carotenoides)α-tocoferol (vitamina E)Lípid10 – 4050 (home)Ubiquinol (coenzima Q)Lípid5200 (home)
Àcid ascòrbic L'àcid ascòrbic o vitamina C és un antioxidant monosacàrid que es troba en animals i plantes. És una vitamina que no pot ser sintetitzada pels éssers humans i ha de ser obtinguda de la dieta, per exemple oralment en la forma de la substància antioxidant palmitat d'ascorbil. La majoria dels altres animals poden produir aquest compost en els seus cossos i no el requereixen en les seves dietes. A les cèl·lules es manté en la seva forma reduïda per la reacció amb el glutatió, i pot ser catalitzada per la proteïna disulfur isomerasa i les glutaredoxines. L'àcid ascòrbic és un agent reductor i pot reduir, i així neutralitzar, espècies reactives de l'oxigen, com per exemple el peròxid d'hidrogen. A més a més dels seus efectes antioxidants directes, l'àcid ascòrbic és també un substrat per l'enzim antioxidant ascorbat peroxidasa, una funció que en plantes és particularment important en la resistència a l'estrès.
Glutatió miniatura|Mecanisme de radical lliure de la peroxidació de lípids.
El glutatió és un pèptid que conté cisteïna i es troba en la majoria de les formes de vida aeròbia. No és necessari en la dieta i és sintetitzat dins les cèl·lules a partir dels seus aminoàcids constitutius. El glutatió té característiques antioxidants, ja que el grup tiol, en la seva porció de cisteïna, és un agent reductor i pot ser oxidat i reduït de forma reversible. A les cèl·lules, el glutatió es manté en forma reduïda per l'acció de l'enzim glutatió reductasa i, de manera alterna, redueix altres metabòlits i sistemes d'enzims i també reacciona directament amb els oxidants. A causa de la seva alta concentració i a causa del seu paper central en l'acció de mantenir l'estat redox de la cèl·lula, el glutatió és un dels antioxidants cel·lulars més importants.
Melatonina La melatonina és un poderós antioxidant que pot traspassar fàcilment les membranes cel·lulars i la barrera hematoencefàlica. A diferència d'altres antioxidants, la melatonina no experimenta un cicle redox, que és la capacitat d'una molècula d'experimentar la reducció i l'oxidació diverses vegades. El fet de completar un cicle redox permet a altres antioxidants (com, per exemple, la vitamina C) actuar com pro-oxidants i promoure així la formació de radicals lliure. La melatonina, un cop que és oxidada, no pot ser reduïda al seu estat anterior perquè una vegada que reacciona amb radicals lliures forma diversos productes finals estables. Per tant, se l'ha considerat com un antioxidant terminal o "suïcida".
Tocoferols i tocotrienols