อนุมูลอิสระ มาจากคำว่า free radical ในภาษาอังกฤษ ซึ่งคำว่า radical โดยทั่วไปจะหมายถึง ความเชื่อที่ว่าสังคม หรือการเมืองที่เป็นอยู่ ควรจะมีการทำให้เปลี่ยนแปลงแตกต่างไปจากเดิมแบบสุด ๆ ถ้าเป็นคนก็หมายถึงผู้ที่มีความคิด สนับสนุนให้มีการเปลี่ยนแปลงทางสังคมหรือการเมือง ที่เรียกกันว่าพวกหัวรุนแรง แต่เมื่อกล่าวถึง radical ในทาง วิทยาศาสตร์ จะอธิบายแบบง่าย ๆ ว่า อิเล็กตรอนในอะตอมหรือโมเลกุลจะมาจัดเรียงตัวอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสเป็นวงโคจร ในระดับพลังงานต่าง ๆ การมีจำนวนอิเล็กตรอนวงนอกสุดเป็นเลขคู่ (paired electron) จะทำให้อะตอมหรือโมเลกุลนั้น มีความเสถียร ส่วนอะตอมหรือโมเลกุลใด ๆ ที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุดที่ไม่ได้ถูกจับคู่ (unpaired electron) โมเลกุลนั้น จะถูกเรียกว่าอนุมูลอิสระ ด้วยเหตุที่มันมีอิเล็กตรอนที่ไม่ถูกจับคู่ อนุมูลอิสระจึงเป็นโมเลกุลที่ไม่มีความเสถียร และมีอายุสั้นมาก เนื่องจากมันจะสามารถทำปฏิกิริยากับโมเลกุลอื่น ๆ ได้อย่างรวดเร็ว อันเป็นความพยายามในการหาคู่ ให้อิเล็กตรอนที่ขาดหายไปนั่นเอง สำหรับคำว่า free ที่อยู่ข้างหน้าคำว่า radical ในภาษาอังกฤษจะเขียนหรือไม่เขียน ก็สามารถสื่อความหมายได้เช่นเดียวกัน สารชีวโมเลกุลส่วนใหญ่จะไม่ใช่อนุมูลอิสระ (nonradicals) ซึ่งประกอบไปด้วย อิเล็กตรอนวงนอกที่อยู่เป็นคู่เท่านั้น
สารอินทรีย์ที่เป็นอนุมูลอิสระชนิดแรกถูกค้นพบเมื่อ ค.ศ. 1900 หรือประมาณหนึ่งร้อยกว่าปีมาแล้ว แต่กว่านักวิทยาศาสตร์จะให้ความสนใจและเริ่มศึกษากันอย่างจริงจังก็ย่างเข้าสู่ปี 1970 หรือราว ๆ สี่สิบปีที่ผ่านมานี้เอง ในช่วงแรก ๆ นักวิทยาศาสตร์ส่วนมากเชื่อกันว่าอนุมูลอิสระมีอายุสั้นมากจนไม่สามารถมีบทบาทใด ๆ ในการควบคุม ขั้นตอนการทำงานของสิ่งมีชีวิตได้ แต่ความคิดนี้ได้เปลี่ยนไป เมื่อมีการค้นพบเอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระเป็นครั้งแรก พร้อม ๆ กับการค้นพบเทคนิคที่ใช้ตรวจวัดอนุมูลอิสระในสิ่งมีชีวิต และจากการศึกษาวิจัยกันอย่างกว้างขวางนี่เอง หน้าที่ของอนุมูลอิสระก็ได้รับการพิสูจน์ และเป็นที่ยอมรับกันเพิ่มขึ้นว่า อนุมูลอิสระมีบทบาทหน้าที่และเข้ามาเกี่ยวข้อง มีความสำคัญกับสิ่งมีชีวิตในเกือบทุกขั้นตอน ตั้งแต่ก่อนเกิดจนกระทั่งตายเลยทีเดียว ไม่ว่าจะเป็นการตอบสนองทางเพศ การปฏิสนธิ การตั้งครรภ์และการคลอด การอักเสบติดเชื้อ การส่งกระแสประสาท การควบคุมนาฬิกาชีวภาพในร่างกาย การเจ็บป่วยด้วยโรคเรื้อรังและโรคอื่น ๆ เมื่อมีอายุมากขึ้น รวมไปถึงความแก่ชรา
การเกิดอนุมูลอิสระมีที่มาทั้งจากภายในและจากภายนอกร่างกายของเราเอง ร่างกายของเรานั้นมีเซลล์ (cells) เป็นโครงสร้างพื้นฐานและเป็นหน่วยทำงานที่เล็กที่สุด ซึ่งต้องใช้ออกซิเจน (O2) เพื่อช่วยในการเผาผลาญอาหาร และสร้างพลังงาน เมื่อเราหายใจเอาออกซิเจนข้าไป อิเล็กตรอนในโมเลกุลของออกซิเจนจะถูกส่งผ่านห่วงโซ่การหายใจ ในเซลล์ โดยมีโปรตีนหลายชนิดซึ่งอยู่บนผนังชั้นในของไมโตคอนเดรียทำหน้าที่เป็นตัวรับและตัวส่งอิเล็กตรอน ต่อกันไปเป็นทอด ๆ ไมโตคอนเดรียนี้ คือองค์ประกอบสำคัญในเซลล์ที่จะเปรียบได้เป็นอวัยวะหรือเครื่องจักรอย่างหนึ่ง ของเซลล์ ซึ่งย่อมจะมีข้อผิดพลาดในการทำงานเกิดขึ้นได้เสมอ เมื่ออิเล็กตรอนบางส่วนได้หลุดลอด จากโปรตีนตัวรับส่ง และเข้าไปรวมกับโมเลกุลของออกซิเจนที่อยู่ใกล้เคียงโดยตรง ทำให้โมเลกุลของออกซิเจนนั้น มีประจุลบเพิ่มขึ้นจากอิเล็กตรอนที่รับเข้ามา เกิดเป็นอนุมูลอิสระของออกซิเจน เรียกว่าซูเปอร์ออกไซด์ มีสัญลักษณ์คือ O2 (การเขียนสัญลักษณ์จุดสีดำที่อยู่ด้านขวามือในระดับสูงกว่าตำแหน่งกึ่งกลางบรรทัดและอยู่ก่อนหน้า สัญญลักษณ์ประจุ ที่ตามมา เป็นการบอกให้ทราบว่าโมเลกุลนี้เป็นอนุมูลอิสระ) การเกิดอนุมูลอิสระของออกซิเจนแบบนี้ อาจถือว่าเป็นการสร้างโดยกระบวนการทางปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ตามปกติ และร่างกายก็จะมีกลไก ที่เหมาะสมไว้คอยจัดการ ต่อมาความก้าวหน้าของเทคนิคและวิธีการวิจัยในปัจจุบัน ก็ช่วยให้เราเรียนรู้เพิ่มขึ้นว่า การผลิตอนุมูลซูเปอร์ออกไซด์ถือเป็นหน้าที่สำคัญอันหนึ่งของเม็ดเลือดขาว เพื่อใช้ต่อสู้กับจุลินทรีย์บางชนิด ที่เข้าสู่ร่างกาย และยังมีเอนไซม์อีกหลายชนิดในเซลล์ ที่สามารถผลิตอนุมูลซูเปอร์ออกไซด์ได้เช่นกัน การผลิตอนุมูลอิสระบางชนิดก็จำเป็นสำหรับใช้เป็นตัวกลางในการกระตุ้นให้มีการส่งสัญญาณ เพื่อให้การตอบสนอง และการควบคุมการทำงานของระบบที่ซับซ้อนต่าง ๆ ภายในเซลล์เป็นไปอย่างถูกต้องเรียบร้อย และร่างกายของเรา ยังสามารถสร้างอนุมูลอิสระเพิ่มขึ้นได้ในบางสภาวะ เช่นการออกกำลังกาย สิ่งที่กล่าวมานี้แสดงให้เห็นว่า เราไม่สามารถหลีกเลี่ยงอนุมูลอิสระที่เกิดขึ้นภายในร่างกายของเราเองได้เลย
ถ้าเช่นนั้น อนุมูลอิสระที่มีต้นเหตุมาจากแหล่งภายนอกร่างกายน่าจะเป็นสิ่งที่สามารถหลีกเลี่ยงได้จริงหรือไม่ ให้ลองประเมินจากสิ่งที่จะกล่าวถึงต่อไปนี้ อนุมูลอิสระที่เกิดจากสิ่งภายนอกร่างกายมีที่มาแตกต่างกันไป ขึ้นกับการดำเนินชีวิตของแต่ละบุคคล ร่างกายของเราสร้างอนุมูลอิสระจากอาหารที่รับประทานเข้าไปทุกวัน การควบคุมปริมาณแคลอรีจากอาหาร ประเภทของอาหารและวิธีการปรุง ล้วนมีส่วนต่อการเกิดอนุมูลอิสระได้มากน้อย ไม่เท่ากัน ตัวอย่างเช่น อนุมูลอิสระจะเกิดมากเมื่อรับประทานอาหารประเภทไขมัน และอาหารที่ปิ้งย่างจนไหม้เกรียม การดื่มสุรา การสูบบุหรี่ การได้รับสารเคมีในชีวิตประจำวันและจากสิ่งแวดล้อม และประเด็นสำคัญที่จะกล่าวถึง คืออนุมูลอิสระจากการได้รับรังสี ไม่ว่าจะโดยตั้งใจอาบแดด การทำงานกลางแจ้งหรืองานที่ต้องเกี่ยวข้องกับรังสีโดยตรง
รังสีทำให้เกิดอนุมูลอิสระได้อย่างไร จะขอยกตัวอย่างให้พิจารณาจากปฏิกิริยาของรังสีกับน้ำ ซึ่งทุกเซลล์ในร่างกายของเรานั้นมีน้ำเป็นองค์ประกอบอยู่ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ เมื่อน้ำได้รับรังสีไม่ว่าจะเป็นรังสีเอกซ์ แกมมา หรืออนุภาคที่มีประจุทั้งอิเล็กตรอนและโปรตอน รังสีจะถ่ายเทพลังงานให้แก่อะตอมหรือโมเลกุลนั้น หากพลังงานที่ได้รับจากรังสีมีค่ามากกว่าพลังงานที่ยึดเหนี่ยวโมเลกุลของน้ำเอาไว้ ในขั้นแรกน้ำจะถูกชักนำ ให้เกิดการแตกตัวและสูญเสียอิเล็กตรอนออกไปจากโมเลกุล สิ่งที่เหลืออยู่คือ น้ำที่ถูกกระตุ้น (excited water) หรือโมเลกุลของน้ำที่มีทั้งประจุบวกและมีอิเล็กครอนที่ไม่ถูกจับคู่ (H2O H2O+ + e-) อันเป็นสมบัติของอนุมูลอิสระ ซึ่งไม่มีความเสถียรและต้องรีบทำปฏิกิริยากับโมเลกุลอื่นต่อไป ในขั้นต่อมา โมเลกุลของน้ำที่มีประจุบวกนี้ เมื่อทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำที่ยังเป็นปกติ จะดึงเอาอิเล็กตรอนจากโมเลกุลของน้ำปกติมาหนึ่งตัว เพื่อให้อิเล็กตรอนในโมเลกุลของมันมีคู่ครบ ส่งผลให้โมเลกุลของน้ำ ปกติที่เสียอิเล็กตรอนไปในขั้นตอนนี้ กลายเป็นอนุมูลอิสระ เรียกว่าอนุมูลไฮดรอกซิล (OH ) ที่มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยาอย่างยิ่ง สามารถทำอันตรายต่อสารชีวโมเลกุลสำคัญที่อยู่ในเซลล์ เช่น โปรตีน คาร์โบไฮเดรต ไขมัน และสารพันธุกรรม ผลเสียหายจากรังสีที่เกิดขึ้นกับเซลล์ในที่นี้จัดเป็นผลทางอ้อม เนื่องจากรังสีไม่ได้เข้าทำลายเป้าหมายโดยตรง แต่เป็นเพราะมีการกระตุ้นให้เกิดอนุมูลอิสระเข้าทำปฏิกิริยา
เวลาตั้งแต่อิเล็กตรอนตัวแรกหลุดออกจากโมเลกุลของน้ำ การเกิดอนุมูลไฮดรอกซิล จนกระทั่งการเข้าทำปฏิกิริยา กับชีวโมเลกุลเป้าหมายที่อยู่ในเซลล์นั้นเป็นเวลาที่สั้นมาก อาจไม่ถึงหนึ่งในหมื่นหรือหนึ่งในล้านส่วนของวินาที แต่ผลจากการได้รับรังสีอาจต้องใช้เวลาเป็นชั่วโมง เป็นวัน เป็นเดือน หรือเป็นปี ขึ้นกับปัจจัยอื่น ๆ ที่เข้ามาเกี่ยวข้อง ถ้าการได้รับรังสีรุนแรงและมีผลทำให้เซลล์ตาย อาจใช้เวลานานเป็นวัน ส่วนการได้รับรังสีที่ไม่รุนแรง ถึงขั้นทำให้เซลล์ตาย แต่มีผลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากเซลล์ปกติไปเป็นเซลล์มะเร็งหรือเกิดความเจ็บป่วย อาจใช้เวลานานหลายเดือน หรือหลายปี
ในทำนองเดียวกันรังสีอัลตราไวโอเลตหรือรังสียูวีที่เราคุ้นเคย ก็สามารถทำร้ายเซลล์ผิวหนังด้วยการทำให้เกิด อนุมูลอิสระ ไปทำลายกระบวนการทางชีวเคมีและรบกวนปฏิกิริยาต่าง ๆ ที่ซับซ้อนภายในเซลล์ได้ และถึงแม้ว่า ธรรมชาติจะสร้างให้เซลล์ผิวหนังมีเม็ดสีเมลานิน คอยดูดซับพลังงานและความร้อนจากรังสีเอาไว้อย่างมีประสิทธิภาพ ก็ตาม แต่การใช้สารเคมีบางชนิดทาผิว เพื่อให้ผิวเปลี่ยนเป็นสีแทนเมื่อสัมผัสกับแดด (self-tanning agents) สามารถทำให้เซลล์ผิวหนังสร้างอนุมูลอิสระ ได้มากกว่าการสัมผัสแดดโดยไม่ใช้สารทาผิวดังกล่าวถึง 180 เปอร์เซ็นต์เลยทีเดียว ลองคิดดูว่าถ้าเราได้รับแสงยูวีเป็นเวลานานหรือเป็นประจำ ผิวหนังจะถูกทำร้ายด้วยอนุมูลอิสระ ที่เกิดขึ้นมากเพียงใด
นอกไปจากการทำให้เกิดอนุมูลอิสระดังที่กล่าวมาแล้ว ในอีกด้านหนึ่ง การได้รับรังสียังมีผลต่อการควบคุมการแสดงออก ของยีนหลายชนิด ที่เกี่ยวข้องกับการแบ่งเซลล์และการควบคุมวงจรชีวิตของเซลล์ (ยีนคือหน่วยควบคุมพันธุกรรม ของเซลล์) ด้วยการเหนี่ยวนำให้เกิดการส่งสัญญาณภายในเซลล์ เพื่อไปกระตุ้นกลุ่มของปฏิกิริยาทางเคมี ที่เกี่ยวเนื่องกันเป็นชั้น ๆ และผลลัพธ์ที่ได้คือ ปฏิกิริยาเหล่านี้จะเป็นตัวเปิดหรือปิดการทำงานของยีน ยีนที่ถูกกระตุ้น ให้มีการทำงานจะเป็นตัวกำหนดว่า เซลล์นั้นควรมีการแบ่งตัวเพิ่มหรือหยุดการแบ่งตัวแล้วอยู่เฉย ๆ หรือตาย
เมื่อวิเคราะห์อาหารที่เรารับประทานเพื่อนำไปสร้างเป็นส่วนประกอบของเซลล์จะพบว่าประกอบไปด้วยธาตุหลัก ๆ คือ คาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจน ร่างกายของเรานอกจากจะสร้างอนุมูลอิสระของออกซิเจนได้แล้ว ในสภาวะต่าง ๆ ยังสามารถสร้างอนุมูลอิสระของคาร์บอน หรือไฮโดรเจน หรือไนโตรเจน และธาตุอื่น ๆ ได้เช่นกัน ซึ่งอนุมูลแต่ละชนิดก็มีชื่อเรียกต่างกันไป ตัวอย่างเช่น อนุมูลไบซัลไฟต์ (HSO3) อนุมูลคาร์บอเนต (CO3) อนุมูลแอสคอร์เบต (Asc) อนุมูลเหล่านี้ สามารถทำปฏิกิริยาได้ทั้งกับตัวมันเองและกับอนุมูลชนิดอื่น อนุมูลอิสระแต่ละตัวจะให้คุณหรือโทษต่อการทำงานของเซลล์แตกต่างกันไป ที่ได้รับความสนใจและศึกษากัน อย่างกว้างขวางได้แก่ ระดับในเซลล์ของอนุมูลไนตริกออกไซด์ (NO) ที่พบว่ามีความสัมพันธ์เกี่ยวข้อง กับระบบการทำงาน และการเกิดพยาธิสภาพของร่างกาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งระบบหลอดเลือดและระบบประสาท
จะเห็นได้ว่าอนุมูลอิสระเป็นเพียงส่วนหนึ่งของสิ่งที่ใกล้ตัวที่สุดที่ให้ทั้งคุณและโทษ ไม่มีเลยก็ไม่ได้ มีมากเกินไปก็ไม่ดี ส่วนการได้รับรังสีก็เป็นเพียงสาเหตุอันหนึ่งที่ทำให้เกิดอนุมูลอิสระ ดังนั้น อันตรายและความรุนแรง ที่จะเกิดกับเซลล์และร่างกาย ก็ย่อมขึ้นกับปัจจัยอื่นนอกเหนือไปจากรังสีด้วยเช่นกัน เซลล์แต่ละเซลล์ต้องทำหน้าที่ มากมายหลายอย่าง ทำอย่างไรร่างกายจะรักษาภาวะสมดุลเอาไว้ได้โดยไม่ให้เกิดความเจ็บป่วย คือสิ่งที่อยากฝากเอาไว้ไปคิดเป็นการบ้าน |
