Reaktivne vrste kiseonika

Reaktivne vrste kiseonika, slobodni radikali kiseonika, (engl. Reactive oxygen species) (ROS) , su slobodne radikalske čestice kiseonika, koje se sastoje od atoma, molekula ili jona i koje imaju jedan ili više nesparenih elektrona u svojoj strukturi. Nastaju kao međuproizvod u toku metabolizma kiseonika, jako su nestabilne i veoma reaktivne, zbog čega mogu izazivati lančane reakcije u organizmu. Ove (nestabilni) čestice (ROS), zbog puno nesparenih elektrona u spoljnoj orbiti, veoma agresivno traže druge molekule, u nastojanju da iz njih „ukradu“ njihove elektrone, stvarajući tako nove radikala, i na taj način održe oksidativni ciklus. A sam molekul kiseonika ima dva nesparena elektrona sa istim spinskim brojevima u spoljnim orbitama i teško prima elektronski par donora.

Reaktivne vrste kiseonika
Klasifikacija i spoljašnji resursi
Specijalnost	Patologija

Reaktivne vrste kiseonika u organizmu ispoljavaju pozitivna i negativna dejstva. Nastale kao sporedni proizvod normalnog metabolizma kiseonika, (ROS) igraju važnu ulogu u ćelijskoj signalizaciji, leukociti ih koristite kao odbrambeni mehanizam u borbi protiv raznih mikroorganizama, zbog njihove citotoksične aktivnosti itd. Sa druge strane, izloženost organizma negativnim uticajima sredine (npr. izloženost radioaktivnom, mikrotalasnom ultraljubičastom ili zračenju radio-talasa) ili toploti, može uticati na značajno uvećanje ovih jedinjenja, koja u velikim koncentracijama mogu izazvati obimno oštećenja ćelijskih struktura, koja nose naziv oksidativni stres.

Glavni izvori reaktivni vrsta kiseonika u ćelijama

Istorija

Slobodne kiseoničke vrste otkrio je 1954. (engl. Denham Harman) sa saradnicima, koji su ih označili kao verovatnim etiološkim faktorima u razvoju toksičnih efekata kiseonika.

Godine 1956, (engl. Denham Harman) opisao je slobodne radikale kao...

„ ...Pandorinu kutiju zla koja može da nanese ogromnu štetu, mutagenezom, tumorima, i na kraju, ali ne manje važnim degenerativnim procesima biološkog starenja. ”

Godine 1969, izučavanje slobodnih radikala u živim organizmima ulazi u drugu etapu posle objavljenih radova (engl. McCord-а и Fridovich-а) koji su otkrili enzim superoksid dismutazu (SOD), i konačno uverili većinu kolega da su slobodni radikali veoma važni u biologiji. Inspirisani saznanjem da slobodni radikali izazivaju oštećenja DNK, proteina, lipida i drugih komponenti ćelija, započeta su brojna istraživanja u svetu.

Treća etapa u proučavanju slobodnih radikala počela je sa prvim izveštajima koji su opisivali prednosti biološkog dejstva slobodnih radikala. Istraživači (engl. Mittal и Murard) su dokazali da superoksid anjon (O^-), preko svog derivata, hidroksilnog radikala, stimuliše aktiviranje gvanilat ciklaze i formiranje „drugog glasnika“ (cGMP). Slični efekti radikala su uočeni i kod superoksida, vodonik-peroksida.(engl. Ignarro and Kadowitz) i (engl. Moncada) sa saradnicima koji u zasebnim istraživanjima otkrivaju ulogu azot-oksida (NO), kao regulatornog molekula u kontroli opuštanja glatkih mišića i sprečavanju adhezije (slepljivanja) trombocita. (engl. Roth and Dröge) otkrivaju uticaj radikala na aktivaciju T-ćelija tj. da superoksid anjon i niska mikromolarna koncentracija vodonik-peroksida povećava proizvodnju u T-ćelijama, faktore rasta interleukina-2, imunoglobulina važnog limfocitnog proteina. (engl. Storz) sa saradnicima 1990 objavljuje da se indukcija raznih gena u bakterijama odigrava pod uticajem vodonik-peroksida.

Danas postoji veliki broj dokaza da su živi organizmi ne samo prilagođeni za suživot sa slobodnim radikalima, već i da su razvili mehanizme za njihovu primenu u regulacionim procesima. Važne fiziološke funkcije koje se odvijaju uz pomoć slobodnih radikala, ili njihovih derivata u organizmu živih bića su;

• regulacija vaskularnog tonusa, (koja je u direktnoj sprezi sa parcijalnim pritiskom i koncentracijom kiseonika),
• kvalitetniji prenos signala iz membrana različitih receptora, (uključujući i antigen receptore limfocita),
• oksidativni stresni odgovor organizma koji obezbeđuje održavanje redoks homeostaze (vidi tabelu).

Važne fiziološke funkcije koje koriste slobodne radikale, ili njihove derivate

Vrsta radikala	Izvor radikala	Fiziološki procesi
Azot oksid (NO-)	Azot	• Relaksacija glatkih mišića (kontrola vaskularnog tonusa) • Razne druge (cGMP) - zavisne funkcije
Superoksid (O2-) i srodne (ROS)	NAD(P)H oksidaze	• Kontrola ventilacije. • Kontrola produkcije eritropoetina i drugih funkcije izazvanih hipoksijom. • Relaksacija mišića • Prenos signala iz različitih membrana receptora. • Poboljšava imunološke funkcije
Superoksid (O2-) i srodni (ROS)	Iz bilo kog izvora	• Oksidativni stres odgovor. • Održavanje redoks homeostaze.

Oksidativni stresni odgovor, i uloga koju oksidativni stres igra u brojnim bolestima, privlači sve veću pažnju istraživača zbog biološkog značaj redoks regulacije i delikatne ravnoteže između prednosti i štetnih učinaka slobodnih radikala, što predstavlja važan element života. Biološka „redoks regulacija“ postaje oblast rastućeg polja istraživanja, koje sve više ima uticaj na različite discipline, uključujući fiziologiju, biologiju ćelije, i brojne grane kliničke medicine.

Poreklo

Poreklo reaktivnih vrsta kiseonika u organizmu, može biti endogeno (u toku fizioloških procesa, npr. ćelijskog disanja) i egzogeno (kada je njihova produkcija izazvana unosom ksenobiotika i drugih materija u organizam).

Endogeno poreklo (ROS)

Ćelijsko disanje; reaktivne vrste kiseonika (ROS) u organizmu se neprekidno stvaraju u toku ćelijske respiracije u telu, uglavnom tokom procesa prenosa elektrona u procesu disanja u mitohondrijama, i najčešće nastaju kao nepoželjni proizvodi nepotpunog ćelijskog disanja. U aktivnim mitohondrijama se oko 0,1% do 4% udahnutog kiseonika pretvara u reaktivna jedinjenja kiseonika.

Reaktivna jedinjenja (ROS) nastaju uglavnom u toku prenošenju elektrona iz ubikinon (QH₂) iz kompleksa III do kompleksa I na ubikinonu. Prenos uključuje semikinonske radikale (QH^•), kojima može biti pridodat elektron kiseonika (O₂):

${\text{O}}_{2}+{\text{e}}^{-}\longrightarrow {\text{O}}_{2}^{\cdot -}.$

Nastali superoksid deluju na akonitazu koja oslobađa katjon gvožđa u fero obliku (Fe²⁺). Superoksid i hidrogen-peroksid mogu da reaguju po Haber-Weissovi, reakciji pri čemu su joni gvožđa katalizatori reakcije. U ovoj reakciji nastaje voda, kiseonik i hidroksil radikal, koji je još uvek reaktivniji od superoksida.

${\text{O}}_{2}^{\cdot -}+{\text{H}}_{2}{\text{O}}_{2}\longrightarrow {\text{H}}_{2}{\text{O}}+{\text{O}}_{2}+{\text{OH}}^{\cdot }$

Vodonik-peroksid se u Fentonovoj reakcija razlaže na hidroksil anjon i hidroksil radikal, a katalizatori ove reakcije su joni (Fe²⁺).

${\text{H}}_{2}{\text{O}}_{2}{\overset {Fe^{2+}\smile Fe^{3+}}{\longrightarrow }}{\text{OH}}^{-}+{\text{OH}}^{\cdot }$

Egzogeno poreklo (ROS)

Ksenobiotici; Mnogobrojni radikali mogu nastati u organizmu i nakon unosa različitih supstanci ili stranih materija (kesnobiotika). Neki od najčešćih ksenobiotika su; pesticidi, katrani, veštačke boje, duvanski dim, konzervansi, lekovi ili radikali nastaju kao posledica izloženosti mikrotalasnom, jonizujućem i drugim vrstama zračenja, pa čak i jačeg fizičkog naprezanja.

Reaktivna jedinjenja kiseonika

Levisova struktura reaktivnih vrsta kiseonika:
1 - tripletni kiseonik;
2 - singletni kiseonik; 3 - superoksid;
4 - vodonik peroksid;
5 - hidroksilni radikal

Među reaktivnim vrstama kiseonika (ROS), u biološkom smislu, posebno su značajne sledeće vrste reaktivnih jedinjenja kiseonika;

• O₂^•— - superoksid ili superoksidni anjonski radikal,
• H₂O₂ - vodonik-peroksid,
• OH^•— - hidroksilni radikal,
• RO₂^• - peroksilni-radikal,
• RO₂^• - perhidroksilradikal,
• RO^-• - aloksilni radikal,
• ROOH^• - hidroperoksid,
• HClO^- - hipohloritna kiselina,
• O₃ - ozon,
• ¹ΔgO₂ - singlentni kiseonik.

Hidroksilni radikal je najreaktivniji jer najlakše oduzima elektrone od okolnih molekula i važan je pokretač lipidne peroksidacije.

Superoksidni anjon

Superoksidni anjon radikal nastaje u mitohondrijama redukcijom kiseonika jednim elektronom. Ćelije imunskog sistema imaju takođe posebnu ulogu u stvaranju superoksid anjona pošto sadrže enzimski kompleks vezan za membranu, NADPH oksidaze, koja redukuje kiseonik sa NADPH i stvara obilne količine superoksidnog anjona.

U fiziološkim uslovima ovaj radikal ne izaziva toksične efekte jer ga enzim superoksid-dismutaza (SOD) transformiše u manje aktivan vodonik peroksid. Ali ako reaguje sa azot-monoksidom onda nastaje još toksičniji i reaktivniji peroksinitritni anjon. Proizvodi ove reakcije su neophodni za efikasno ubijanje bakterija. Ovaj radikal svoje šteno dejstvo ispoljava: indukcijom lipidne peroksidacije i oštećenjem ćelijske membrane.

Superoksidni anjon radikal nastaje u mitohondrijama;

• redukcijom kiseonika jednim elektronom,
• dejstvom enzimskog kompleksa vezanog za membranu ćelija imunskog sistema NADPH oksidazu koja redukuje kiseonik i stvara velike količine superoksidnog anjona, koji ima posebnu ulogu u stvaranju superoksida.

Vodonik-peroksid

Vodonik peroksid nastaje u ćelijama redukcijom molekula kiseonika sa dva elektrona pri čemu je reakcija katalizovana brojnim oksidazama. Iako može reći da on nije pravi slobodni radikal jer nema nesparenih elektrona i mada predstavlja najstabilniji intermedijerni produkt redukcije kiseonika, vodonik peroksid takođe pokazuje brojne toksične efekte (npr. poremećaje u deponovanju kalcijuma u mitohondrijama sa nagomilavanjem kalcijuma u citosolu i gubitkom sulfhidrilnih grupa proteina) što može biti od uticaja kod nastanka oksidativnog stres.

Hidroksilni radikal

On je najreaktivniji intermedijerni produkt delimične redukcije kiseonika. Ako katalaza ne ukloni vodonik peroksid, on može da reaguje sa fero jonima i da formira hidroksilni radikal. Hidroksilni radikal izaziva sledeće reakcije koje su dovoljne za nastanak ireverzibilnog oštećenja ćelije.;

• Oštećenje membrane mitohondrija
• Oštećenje molekula DNK,
• Oštećenje membrane ćelije
• Poremećaj lipidne peroksidacije

Singletni kiseonik

Singletni kiseonik nastaje dovođenjem energije u molekul kiseonika sa ciljem da se menja spina jednog od elektrona što značajno uvećava njegovu reaktivnost. Takođe ovaj radikal može da ispolji i značajnu toksičnost u različitim biološkim sistemima. Njegova uloga je manje značajna od prethodna tri reaktivna jedinjenja kiseonika.

Fiziologija

Proces oksidacije je deo regulatornog biohemijskog funkcionisanja organizma u procesu stvaranja energije koja je neophodna za njegov život. Tokom ovih procesa stvaraju se reaktivne vrste kiseonika (ROS), koje imaju svoje fiziološke pozitivne funkcije. Od unete količine atmosferskog kiseonika (kojeg u vazduhu ima 21%) u organizmu se 5% do 10% kiseonika nepotpuno redukuje u reaktivne vrste kiseonika, koje najvećim delom čine kiseonički slobodni radikali.

Kako su slobodne radikalske čestice kiseonika, koje se sastoje od atoma, molekula ili jona sa jednim ili više nesparenih elektrona u svojoj strukturi, one su u stalnoj težnji da povrate ravnotežu, ili spare elektrone. Da bi to postigli slobodni radikali se sukobljavaju sa stabilnim molekulom koji čine DNK, proteine i masti u ćelijama tela. Ovaj sukob slobodnih radikala rezultuje „krađom“ elektrona i stabilizacijom njihovog molekula. Slobodni radikal na taj način postaje ponovo uravnotežen molekul. Međutim on istovremeno od bezopasnog molekula stvara slobodni radikal i ciklus lančanog stvaranja novih (ROS) počinje ponovo. Započeta lančana reakcija prekinuće se kada se spoje dva slobodna radikala, koji svaki sa svojim nesparenim elektronom doprinosi u stvaranju čvrste i stabilne kovalentna veze.

Osnovni principi slobodno-radikalskih mehanizama

Slobodno-radikalski proces se sastoji iz najmanje 2-3 koraka;

Prvi ili inicijalni korak

Inicijalni korak karakteriše nastajanje slobodnih radikala, najčešće homolitičkim cepanjem veze u kojem svaki fragment zadržava po jedan elektron. Inicijalni korak se može desiti spontano ili može biti izazvan grejanjem ili svetlošću, zavisno od tipa veze.

${\text{A}}-{\text{B}}\longrightarrow {\text{A}}^{*}+{\text{B}}^{*}.$

Drugi korak ili terminacija

Terminacija se karakteriše destrukcijom slobodnih radikala. To se obično dešava procesom suprotnim od prvog koraka, kombinacijom dva slična ili različita radikala pri čemu nastaje nova veza:

${\text{A}}^{*}+{\text{B}}^{*}\longrightarrow {\text{A}}-{\text{B}}.$

Međutim, nije redak slučaj da se terminacija ne javlja odmah nakon inicijalnog koraka. Razlog tome je što je većina radikala vrlo reaktivna i reaguje sa prvom raspoloživom vrstom s kojom dođe u kontakt.

Ako radikal (koji ima neparan broj elektrona) reaguje sa molekulom (koji ima paran broj molekula) ukupan broj elektrona u produktima mora biti neparan. Produkt u posebnom koraku ove vrste može biti jedna čestica, npr: može biti drugi radikal ili se može sastojati od dve čestice (pri čemu jedna mora biti molekula, a druga slobodni radikal)-primer:

${\text{R}}^{*}+{\text{R*H}}\longrightarrow {\text{RH}}+{\text{R}}^{*}.$

Treći korak lančana reakcija ili propagacija

Propagacija radikala se karakteriše stvaranjem novog radikal (propagacijom). Tako da novonastali radikal može reagovati sa drugim molekulom i dati novi radikal, sve dotle dok se dva radikala ne spoje i daju neutralni molekul. Ovaj proces se zove i lančana reakcija, jer se karakteriše nastankom stotina ili hiljada propagacijskih koraka („karika u lancu“) između inicijacijskog i terminacijskog koraka. Ako se radi o visoko reaktivnim radikalima kao što su npr. alkilni radikali, lanci su dugi, ali sa radikalima niske reaktivnosti, npr. arilni radikali, nastaju kraći lanci ili se radi o nelančanim procesima, jer radikal nema sa čim da reaguje sve dok se ne sretne sa drugim radikalom.

Biohemijske reakcije

Reakcije u organizmu nakon kojih kao konačni ili intermedijerni proizvod nastaju reaktivne vrsta kiseonika su;

• disanje; čiji su proizvodi O₂, H₂O₂, и OH radikali,
• procesi autooksidacije; hidrohinona, kateholamina, tiola, redukovanih prelaznih metala,
• neželjena dejstva herbicida i lekova; izazivaju povećanu produkciju O₂^-,
• zračenje; izaziva razlaganje vode i stvaranje radikala
• kidanje hemijskih veza u organskoj sredini.

Rekombinacijom ovako dobijenih ROS, a u zavisnosti od drugih uslova (prisustvo kiseonika u višku, nekih metala itd) pokreće se čitav niz slobodnoradikalskih reakcija.

Ljudski organizam kao i svi aerobni organizmi, stalno je izložen povoljnim i nepovoljnim efektima stvaranja reaktivnih vrsta kiseonika. Kiseonik (O2^-), vodonik-peroksid (H2O2) i drugi derivati kiseonika nastali u optimalnim količinama imaju brojna pozitivna dejstva u organizmu. Produkcija (ROS)-a je neprekidan proces i predstavlja osnovnu komponentu ćelijskog metabolizma. Reaktivne vrste kiseonika su od velike koristi za organizam ukoliko je njihova produkcija dobro kontrolisana i ograničena na određenim mestima u ćeliji. Sve dok postoji ravnoteža između ćelijskih sistema koji proizvode slobodne reaktivne vrste i onih koji održavaju antioksidantne odbrambene mehanizme, organizam nije izložen njihovim štetnim uticajima.

Količina slobodnih radikala u organizmu je vrlo mala (32-320 femtograma po gramu tkiva superoksid anjon radikala) ali njihova lančana reakcija omogućava da jedan slobodni radikal izazove promene na hiljadama molekula i ošteti DNK, RNK, enzime i/ili lipidne komponente biomembrane pre nego što bude inaktivirana.

Većina slobodnih radikala su kratkoživeće, veoma nestabilne hemijske vrste koje su u stanju da lako reaguju sa osnovnim ćelijskim biomolekulima izazivajući promene u strukturi i funkciji ovih jedinjenja, koja dalje mogu uticati na pokretanje novog niza neenzimskih lančanih reakcija. Problem nastaje kada se poremeti ravnoteža i kada zakažu prirodni mehanizmi odbrane, pa nivo slobodnih radikala počne da prevazilazi mogućnosti organizma, što menja oksidativni status i telo ulazi u zonu povećanog oksidativnog stresa. Smatra se da su slobodni radikali odgovorni za nastanak akutnih i hroničnih poremećaja koji se manifestuju kao zapaljenjski procesi, neurološki poremećaji, kardiovaskularni poremećaji, maligne bolesti itd.

Patofiziologija

Ćelije na oksidaciju reaguju proizvodnjom radikala. Lančana reakcije može početi kod nesparenih elektrona koji se prenose sa jednog molekula na drugi. Tokom degenerativnih procesa u organizmu jako se povećava potrošnja kiseonika i metabolizam (respiratorna ekspozicija), sa povećanom aktivošću heksozomonofosfatnog puta i stvaranja vodonik peroksida (H2O2) i anjona superoksida O2^-. Superoksid O2^- je ništa drugo do slobodni radikal kiseonika koji nastaje gubitkom jednog elektrona iz O2^- a kao i drugi slobodni radikali hemijski je jako reaktivan.

Reaktivne vrste kiseonika se neprekidno stvaraju u živim ćelijama kao proizvod normalnog metabolizma kiseonika. Ali se takođe neke reaktivne vrste kiseonika mogu stvarati i pod uticajem egzogenih tj spoljnih izvora odnosno spoljnih uticaja koji izazivaju povećano stvaranje slobodnih radikala. Neki od njih su duvanski dim, lekovi, način ishrane, neka terapijska i okolna zračenja (jonizujuće zračenje, radio-talasi, hiperoksije pa čak i fizička aktivnost.

Pod uticajem egzogenih i endogenih stresnih uticaja, koji nose naziv i „oksidativni stres“ može doći do dramatičnog povećanja slobodnih radikala, koje dovodi do značajnih oštećenja ćelijskih struktura.

Neki reaktivne vrste kiseonika mogu igrati važnu ulogu kao transmiteri u intracelularnim putevima prenosa informacija. Međutim, povećana proizvodnja reaktivnih vrsta kiseonika dovodi do oksidativnog stresa. Normalna funkcija reaktivnih vrsta kiseonika pokreće indukciju imunskog sistema i mobilizaciju sistema transporta jona. Na primer, krvne ćelije na mestu oštećenja (npr. u rani) počinju da produkuju reaktivne vrste kiseonika, koji aktiviraju trombocite potrebne da bi započeli proces zarastanje rana.

Većina reaktivnih vrsta kiseonika je vrlo aktivna (konstantna brzina reakcija sa kiseonikom je K=10⁹ Mola u jednoj sekundi ili manje) a žive veoma kratko (manje od 10^-10 sekunde.) Iako je količina ROS u organizmu jako mala, njeni efekti su razorni, jer lančana reakcija omogućava da jedna vrsta izazove promene na hiljadama molekula. Poremećaji koje tom prilikom mogu da izazovu reaktivne vrste kiseonika u ćeliji su;

• Stvaranje bočnih veza - formiranje veza između dva atoma proteina i / ili DNK
• Preoksidacija lipida - iniciranje proces razaranja lipida i stvaranje novih radikala.
• Oštećenje lizozoma - zbog pucanja membrane lizozoma, dolazi do naglog izlaska hidrolitičkih enzima u ćeliji i razaranje struktura ćelije.
• Oštećenje ćelijske membrane - razaranje ćelijske membrane i njeno odvajanje od ćelije.
• Nagomilavanje pigmenata starenja - nastaje kao posledica hidrolize ćelijskih komponenti. Pigment starenja -lipofuscin nastaje kao posledica hidrolize ćelijskih komponenti.

Najbolji primer štetnog delovanja slobodnih radikala je oštećenje strukture ćelije, odnosno membrane mitohondrija, pod uticajem slobodnih kiseoničkih radikala nastalih u mitohondrijama tokom procesa transportnog lanca elektrona. Tako nastali slobodni radikali reaguju sa masnim kiselinama koje su sastavni deo membranskih lipida. Nastala lančana reakcija dovodi do oštećenja integriteta membrane mitohondrija. Na sličan način dolazi do oštećenja ćelijske membrane, membrane endoplazmatskog retikuluma i membrane ćelijskog jedra. Slobodni radikali u ćeliji imaju najveći afinitet vezanja za polinezasićene masne kiseline u sastavu membranskih fosfolipida, pri čemu nastaju lipidni peroksidi i novi lipidni radikali.

Na ćelijskom nivou, mikroskopska oštećenja izazvana kiseoničkim radikalima, se vide kao prekidi kompleksnih proteinskih lanaca i užeglost masti ili lipida u ćelijskoj membrani. Oštećenja membrane pod mikroskopom izgledaju kao „stara smežurana koža“. Kao krajnji ishod dejstva kiseoničkih radikala u organizmu, mogu nastati, toksična oštećenja na strukturama ćelija što rezultuje njihovom umanjenom funkcijom i samoregulacijom. Na ovom principu se zasniva i uloga reaktivnih vrsta kiseonika kao pokretača programirane ćelijske smrti (apoptoze).

Fizički se oštećenja izazvana reaktivnim vrstama kiseonika manifestuju zapaljenjem kao što je to slučaj kod artritisa. Zato se smatra da su reaktivne vrste kiseonika, kao i ostali slobodni radikali u direktnoj vezi sa svim degenerativnim bolestima savremenog doba.

Odbrana organizma

Za kontrolu reaktivnih vrsta kiseonika organizam je kroz evoluciju morao da razvije antioksidativni odbrambeni sistem (AODS), sastavljen od više nivoa. Organizam izložen velikim količinama kiseonika (koja vlada u hiperoksiji) može ga prisiliti da stvara reaktivne vrste kiseonika u velikim količinama što traži povećano angažovanje (AODS). Antioksidativni odbrambeni sistem (AODS) poseduje sopstveni redoks kapacitet za uklanjanja reaktivnih vrsta kiseonika, a takođe i sposobnost reparacije već nastalih oksidativnih oštećenja, i koji uglavnom zavisi od individualnog antioksidativnog statusa organizma. Iscrpljivanje ili nesposobnost (AODS) u odbrani ima za posledicu propagaciju nekontrolisanih reaktivnih vrsta kiseonika i pojavu oksidativnog stresa u organizmu, što može biti uzrok vrlo ozbiljnih oštećenja i patoloških stanja organizma.

Uprkos činjenici da se radikali u našem telu produkuju stalno, naše telo ne poprima miris užegle masti, kao što se to dešava sa mašću izložene atmosferskom kiseoniku. Organizam živih bića, razvio je veliki broj odbrambenih mehanizama koji u njemu održavaju ravnotežu oksido-redukcionih procesa i;

• smanjuju stvaranje slobodnih radikala,
• vrše uklanjanje viška radikala
• vrše regeneraciju i
• popravljaju nastala oštećenja uzrokovana njima.

Efikasna zaštita od štetnih efekata reaktivnih vrsta kiseonika, odnosno od kiseoničkih radikala, postiže se intervencijom u raznim fazama slobodnih radikalskih procesa zaštitnim dejstvom antiradikalskih agenasa: (objašnjenje dato u shemi ispod)

Odbrambeni mehanizmi koji održavaju ravnotežu oksido-redukcionih procesa su:

• Određene ćelijske organele (mitohondrije, lizozomi) koje odvajaju veće količine slobodnih radikala od ostalih vitalnih delova ćelije,
• Ćelijski enzimi: superoksid dismutaza, katalaza i glutation peroksidaza
• Antioksidansi: su uglavnom materije koje organizam dobija iz hrane, (uglavnom voća, povrća, lekovitog bilja, kao što su vitamini; C-vitamin (askorbinska kiselina), A-vitamin (alfa tokoferol), E-vitamin (beta-karoten), i minerali cink i selen.

Antioksidativni odbrambeni sistemi (AODS) ili mehanizmi antioksidantne zaštite aerobnih organizama obuhvataju:

• primarnu antioksidantnu zaštitu
• sekundarnu antioksidantnu zaštitu

Primarna antioksidantna zaštita

Ćelijska ravnoteža i njen integritet se od reaktivnih vrste kiseonika štiti složenim sistemom antioksidantne ili antiradikalske odbrane. Najaktivniji u toj odbrani su antioksidativni enzimi. Oni zajedno sa ostalim niskomolekularnim fiziološkim strukturama ćelije štite organizam od oksidativnih procesa koji nemaju funkcionalnu ulogu i vitalnim procesima organizma (antibakterijska i antivirusna zaštita, varenje itd).

Enzimi

Antioksidativni enzimi su proizvod ćelije organizma. Njihova uloga je da regulišu i brane organizam od neželjenih dejstava slobodnih radikala. Glavni antioksidativni enzim su; SOD - superoksid dismutaza, CAT - katalaza, i GSH-Px - glutation peroksidaza. Zajedno sa drugim enzimima oni čine primarnu odbranu od svih reaktivnih vrste kiseonika.

Superoksid dismutaza-enzim (SOD, EC 1.15.1.1.)

Superoksid dismutaza je klasa enzima koja katalizuje dismutazu od superoksida do kiseonika i vodonik-peroksida. Kao takvi, oni su važni antioksidativna odbrana u skoro svim ćelijama izloženim kiseoniku. U organizmu većine sisara i hordata, prisutna su tri oblika izoenzima SOD:

• SOD1—intracelularna Cu/Zn-SOD, koja se predominantno nalazi u citoplazmi i jezgru ćelije,
• SOD2—mitohondrijska Mn-SOD, koja se predominantno nalazi u mitohondrijama,
• SOD3—ekstracelularna EC-SOD, koja se predominantno nalazi van ćelije u ekstracelularnim tečnostima (npr. plazmi, matriksu tkiva itd).

Uloga SOD enzima je da on prvi deluje, i spreči oštećenja, konvertovanjem superoksida u vodonik-peroksid i O₂, sprečavajući na taj način stvaranje hidroksi radikala (OH^•) u sledećoj reakciji:

$2{\text{O}}_{2}^{\cdot -}+2{\text{H}}^{+}{\overset {SOD}{\longrightarrow }}{\text{H}}_{2}{\text{O}}_{2}+{\text{O}}_{2}.$

Genetički faktori i način života utiču na količinu superoksid-dismutaza (SOD) u telu svakog pojedinca. Ako organizam ne proizvodi dovoljno superoksid dismutaza (SOD) (manje od 5 nmol/ml seruma), mogu nastati poremećaji, od srednje teških oksidativnih oštećenja do degenerativnih oboljenja.

Katalaza (CAT, EC 1.11.1.6)

Katalaza je jedan od najrasprostranjenijih enzima u prirodi, koga sadrži veliki broj aerobnih organizama, kao i neke anaerobne bakterije. Osnovna biološka uloga katalaze zasnovana je na razlaganju, odnosno redukciji, toksičnog vodonik-peroksida. Enzim katalaz, koji se nalazi u peroksizomu, vrši konverziju vodonik-peroksida (H₂O₂) u bezopasnu vodu (H₂O) i kiseonik (O₂):

$2{\text{H}}_{2}{\text{O}}_{2}{\overset {CAT}{\longrightarrow }}2{\text{H}}_{2}{\text{O}}+{\text{O}}_{2},$

Glutation peroksidaza (GSHPx, EC 1.11.1.9)

Glutation peroksidaza je selen-zavistan enzim čija je funkcija da katalizuje reakcije redukcije vodonik-peroksida i hidroperokside masnih kiselina u prisustvu redukovanog glutationa (GSH). GSHPx se nalazi u citosolu, gde štiti fosfo-i sfingolipide membrana od oksidativne destrukcije. Glutation peroksidaza katalizuje redukciju vodonik-peroksida na dva molekula vode, a u ulozi reducenta javlja se glutation (GSH) u sledećoj reakciji:

$2{\text{GSH}}+{\text{H}}_{2}{\text{O}}_{2}{\overset {GSH-Px}{\longrightarrow }}{\text{GSSG}}+2{\text{H}}_{2}{\text{O}}+{\text{O}}_{2}.$

Neutralizacija je sažeto prikazana u ovoj shemi

Neenzimski biomolekuli

Redukovani glutation (GSH)

Redukovani glutation je niskomolekularno jedinjenje koje čini 90% ukupnih neproteinskih sulfhidrilnih jedinjenja ćelije. Redukovani glutation je po strukturi γ-L-glutamil-L-cisteinil-glicin. Glutation ima ulogu u sprečavanju oksidacije tiolnih grupa enzima, proteina i peptidnih hormona, pri čemu prelazi u oksidirani oblik (GSSG). Enzim glutation vraća nazad molekule u redukovane oblike, korišćenjem elektrona iz nikotinamid adenina dinukleotide fosfata (NADPH + H⁺), (regulisanjem transformacije NADP у NADPH)

${\text{GSSG}}+{\text{NADPH}}+{\text{H}}+{\overset {GSH-R}{\longrightarrow }}2{\text{GSH}}+{\text{NADP}}$

Apoceruloplazmin, apotransferin i apoferitin

Apoceruloplazmin, apotransferin i apoferitin su proteini koji limitiraju pul slobodnog gvožđa i sprečavaju njegovo uključivanje u Fentonovu reakciju, odgovornu za produkciju hidroksilnog radikala.

${\text{H}}_{2}{\text{O}}_{2}+{\text{Fe}}_{2}+\longrightarrow {\text{Fe}}_{3}++{\text{OH}}*+{\text{OH}}-.$

Sekundarna antioksidantna zaštita

Sekundarni antioksidanti većinom deluju tako što uklanjaju već stvorene slobodne radikale i predstavljaju „hvatače“ slobodnih radikala, zatim služe kao donor elektrona, razgrađuju lipid-perokside nastale u fazi propagacije, vezuju jone metala, a neki od njih inhibiraju i enzimske sisteme koje produkuje reaktivne vrste kiseonika (ROS).

Enzimski antioksidanti

U sekundarnu antioksidantnu zaštitu ubrajaju se enzimi koji učestvuju u ispravljanju nastalog oksidativnog oštećenja nukleinskih kiselina, proteina i lipida. To su prvenstveno proteolitički enzimi, fosfolipaza A₂, klasična (fosfolipidi-nezavisna) i fosfolipidi zavisna GSHPx, glikozilaze, endo-i egzonukleaze, DNK ligaze, DNK polimeraze, itd Ovi enzimi „popravljaju“ oštećene molekule DNK, odstranjuju oksidovane masne kiseline membranskih lipida i kroz procese degradacije i resinteza obnavljaju oksidovane aminokiseline, odnosno proteine.

Neenzimski antioksidanti

Neenzimski antioksidanti koji obuhvataju prirodne endogene produkte ćelije, nutritivne egzogene materije i sintetske preparate su i brojna niskomolekulska jedinjenja, hidrofilnog ili lipofilnog karaktera. Najznačajniji prirodni antioksidanti su askorbinska kiselina, karotenoidi, ubihinon itd.

Ojačani lipidi

Ojačani lipidi su lipidni molekuli u kojima neke od masnih kiselina sadrže deuterijum umesto vodonika. Mogu se koristiti za zaštitu živih ćelija usporavanjem lančane reakcije zbog izotopskog dejstva na peroksidaciju lipida. Jedan od najpogubnijih i najnepopravljivijih tipova oksidativnog oštećenja koji nanose reaktivne vrste kiseonika (RVK) na biomolekule uključuje cepanje veze ugljenik-vodonik (apstrakcija vodonika). U teoriji, zamena vodonika deuterijumom „pojačava“ se veza zbog kinetičkog izotopskog efekta, a takvi pojačani biomolekuli koje telo preuzme biće otporniji na RVK.

Klinički značaj

Kliničke posledice delovanja štetnih reaktivnih vrsta kiseonika prisutne su u većini bolesti i umiranja ljudi. Najaznačajniji poremećaji i bolesti, koje mogu nastati kao posledica štetnog delovanja reaktivnih vrsta kiseonik su:

Prevremeno starenje

Starenjem organizma, efikasnost autofagije opada, i dolazi do akumuliracije starih i oštećenih mitohondrija, koje za sobom ostavljaju jone i time dovode do stvaranja reaktivnih vrsta kiseonika. Sve to nastaje zbog raznih promena u ćeliji, kao što su oštećenja DNK, lipidna peroksidacija u membrani, formiranje ukrštenih veza između proteina, ali i dejstva na smanjenje telomera. Promene u koncentraciji reaktivnih vrsta kiseonika takođe nastaje i kao rezultat mutacije enzima koji su uključeni u proces neutralizaciji ovih jedinjenja (npr. superoksid dismutaza).

„ Antioksidansi obnavljaju oštećenja, no, što ste stariji, brzina oštećivanja je veća od obnavljanja i to izaziva starenje. Antioksidansi usporavaju starenje, ali nas neće učiniti besmrtnima. ”

Tumori

Slobodne kiseoničke vrste menjaju DNK tako što mutiraju gene koji kontrolišu razmnožavanje ćelija. Zato se ćelije nekontrolisano i ubrzano razmnožavaju bez kontrole. Promene DNK u organizmu traju 10-20 godina (ponekad i kraće), od početaka inicijalnog delovanja uzročnika. Zato reaktivne vrste kiseonika mogu imati ulogu karcinogena u organizmu;

Nakon stimulacije faktora rasta RTK-a, ROS može pokrenuti aktivaciju signalnih puteva uključenih u ćelijsku migraciju i invaziju, kao što su članovi porodice protein kinaze aktivirane mitogenom (MAPK) – ekstracelularno regulisana kinaza (ERK), c-jun NH-2 terminalna kinaza ( JNK) i p38 MAPK. ROS takođe može da podstakne migraciju povećanjem fosforilacije fokalne adhezione kinaze (FAK) p130Cas i paksilina.

I in vitro i in vivo, pokazalo se da ROS indukuje faktore transkripcije i modulira signalne molekule uključene u angiogenezu (MMP, VEGF) i metastaze (u regulaciji AP-1, CKSCR4, AKT i smanjenje PTEN-a).

Eksperimentalna i epidemiološka istraživanja u poslednjih nekoliko godina pokazala su blisku povezanost između ROS, hronične upale i raka. ROS indukuje hroničnu upalu indukcijom COKS-2, inflamatornih citokina (TNFα, interleukin 1 (IL-1), IL-6), hemokina (IL-8, CKSCR4) i proinflamatornih transkripcionih faktora (NF-κB). Ovi hemokini i hemokinski receptori, zauzvrat, promovišu invaziju i metastaze različitih tipova tumora.

Šećerna bolest

Hiperglikemija izaziva formiranje reaktivnih vrsta kiseonika, pogoršava stanje i uzrokuje razne komplikacije;

Ateroskleroza

Ateroskleroza dovodi do bolesti srca i krvnih sudova, posledica je oksidacije (štetnog) LDL- lipoproteina i povećanog stvaranje - vodonik-peroksida{H₂O₂}-, što dovodi do oštećenja na sluzokoži arterija. U oštećenoj sluzokoži stvara se ugrušak (tromb), koji može začepiti lumen krvnog suda, kroz koji teče krv za snabdevanje srčanog mišića, mozga i drugih organa i tako izazvati srčani, moždani ili infarkt nekog drugog organa;

Katarakta (staračka mrena)

Katarakta je degenerativna bolest koju karakteriše zamućenje očnog sočiva. Pojavu katarakte sprečava enzim glutation koji sočivo štiti od sunčevog (ultravioletnog) zračenja. Kako sa starenjem glutationa ima sve manje, ova bolest je takođe jedna od karakteristika starenja.

Neurodegenerativne bolesti

Daunov sindrom (trizomija) zbog promena na hromozomima i Alchajmerova bolest, zbog neposredne veza između peroksidacije i formiranje amiloid lipida.

Reumatoidni artritis

Nastaje kao posledica delovanja reaktivnih kiseoničkih vrsta na zglobove.

HIV infekcija

Ovu infekciju karakteriše povećan katabolizma cisteina u sulfat, zbog čega je količina cisteina i glutationa smanjena i na taj način (jer je to preteča antioksidanata) smanjena je dodatno umanjena funkcija limfmocita.

Jonizujuće zračenje

Oštećenja u organizmu izazvana rendgenskim radioaktivnim, elektromagnetnim i drugim vrstama zračenja posledica su delovanja slobodnih radikala koji nastaju delovanjem tih agenasa.

Hipoksija

Prema mnogobrojnim istraživanjima dva fenomena pokazuju razliku između ireverzibilnog i reverzibilnog oštećenja u slučaju hipoksije. Jedan od njih je nesposobnost reverzije (ponovnog uspostavljanja) normalne funkcije mitohondrije, a drugi predstavlja oštećenja na nivou ćelijskih membrana, a naročito plazma membrane. Međutim, i u jednom i u drugom slučaju, prema novijim nalazima iz literature, glavne promene u uslovima hipoksije odvijaju se na nivou membrane, a jedan od bitnih faktora oštećenja membrane u ovim uslovima su molekuli sa povećanom aktivnošću kakvi su na primer reaktivne vrste kiseonika ili slobodni radikali kiseonika ali i azota .

Vidi još

• Kiseonik
• Trovanje kiseonikom
• Hiperbarična medicina
• Hiperbarična oksigenoterapija

Спољашње везе

• Antioxidants don't work, but no one wants to hear it. (језик: енглески)