Zhrnutie na Reaktívne formy kyslíka a dusíka a oxidačný stres

## Úvod Reaktívne formy kyslíka (ROS) a dusíka (RNS) sú vysoko reaktívne molekuly alebo radikály, ktoré vznikajú pri normálnom bunkovom metabolizme alebo pôsobením vonkajších faktorov. Tento materiál vysvetlí, ako tieto molekuly vznikajú, prečo sú toxické, a aké enzymatické a neenzymatické systémy bunky používajú na ich kontrolu. > Definícia: Reaktívne formy kyslíka (ROS) a dusíka (RNS) sú molekuly obsahujúce jeden alebo viac nepárových elektrónov, ktoré sú vysoko reaktívne a môžu poškodzovať lipidy, proteíny a DNA. ## Vznik reaktívnych foriem kyslíka (priebeh redukcie kyslíka) Pri normálnom priebehu v dýchacom reťazci kyslík prijme naraz 4 elektróny a premení sa na vodu. Ak sa však redukcia kyslíka deje postupne po jednom elektróne, vzniká kaskáda ROS: 1. Superoxidový radikál - Reakcia: $$\ce{O2 + e^- -> O2^. -}$$ - Vzniká únikom elektrónov na Komplexe I a Komplexe III dýchacieho reťazca. 2. Peroxid vodíka - Reakcia: superoxid prijme ďalší elektrón a dva protóny a vznikne $$\ce{H2O2}$$. - Nie je radikál, ale je vysoko reaktívny a prechádza cez membrány ľahšie ako radikály. 3. Hydroxylový radikál - Vzniká cez Fentonovu reakciu, keď $$\ce{H2O2}$$ reaguje s voľným dvojmocným železom $$\ce{Fe^{2+}}$$: - Reakcia: $$\ce{Fe^{2+} + H2O2 -> Fe^{3+} + OH^- + OH^.}$$ - Hydroxylový radikál $$\ce{OH^.}$$ je najtoxickejší radikál v bunke a bunka naň nemá špecifický enzým na priame odstránenie. > Definícia: Fentonova reakcia je chemická reakcia medzi peroxidom vodíka a voľným dvojmocným železom, ktorá generuje hydroxylový radikál $$\ce{OH^.}$$. Did you know that telo musí viazať železo do transportných a skladovacích proteínov (transferín, feritín), pretože voľné $$\ce{Fe^{2+}}$$ okamžite generuje cez Fentonovu reakciu vysoko toxické radikály? ## Reaktívne formy dusíka (RNS) - Oxid dusnatý (NO.) - Radikál, ktorý funguje aj ako fyziologická signalizačná molekula. - Vzniká enzýmom NO-syntázou z arginínu. - Peroxynitrit - Vzniká spojením superoxidu $$\ce{O2^. -}$$ a oxidu dusnatého $$\ce{NO^.}$$: - Reakcia (schematicky): $$\ce{NO^. + O2^. - -> ONOO^-}$$ - $$\ce{ONOO^-}$$ je silné oxidačné činidlo, ktoré spôsobuje oxidatívne poškodenie proteínov a lipídov. ## Toxicita ROS/RNS — oxidačný stres Oxidačný stres nastáva, keď produkcia ROS/RNS prekročí kapacitu antioxidačných systémov bunky. Najčastejšie poškodenia: - Lipidová peroxidácia - ROS napádajú nenasýtené mastné kyseliny v membránach, spúšťajú reťazovú reakciu a vedú k porušeniu membránovej integrity. - Vznikajú toxické aldehydy, napríklad malondialdehyd (MDA). - Poškodenie proteínov - Oxidácia postranných reťazcov aminokyselín a narušenie disulfidických väzieb vedie k denaturácii a strate funkcie enzýmov. - Poškodenie DNA - Modifikácie báz (napr. vznik 8-oxo-guanínu), zlomy reťazca a mutácie, ktoré môžu viesť k starnutiu buniek a karcinogenéze. Fun fact: Favizmus je príklad chorobného stavu, kde porucha pentózového cyklu (defekt glukóza-6-fosfátdehydrogenázy) znižuje tvorbu NADPH, čo oslabuje regeneráciu redukovaného glutatiónu a zvyšuje zraniteľnosť erytrocytov voči oxidačnému stresu. ## Antioxidačné systémy bunky (enzýmové a súvisiace mechanizmy) > Definícia: Antioxidačné systémy sú mechanizmy, ktoré znižujú koncentráciu ROS/RNS alebo opravujú poškodené biomolekuly. A) Enzýmové antioxidanty (prvá línia obrany) - **Superoxid dismutáza (SOD)** - Premieňa superoxid $$\ce{O2^. -}$$ na peroxid vodíka $$\ce{H2O2}$$. - Formy: **Mn-SOD** v mitochondriách, **Cu/Zn-SOD** v cytosole. - **Kataláza** - Lokalizovaná v peroxizómoch. - Rozkladá rýchlo $$\ce{H2O2 -> H2O + 1/2 O2}$$. - **Glutatiónperoxidáza (GPx)** - Redukuje $$\ce{H2O2}$$ na vodu za súčasnej oxidácie redukovaného glutatiónu (GSH) na oxidovaný glutatión (GSSG). - Vyžaduje stopový prvok selén ako kofaktor. B) Regenerácia redukovaného glutatiónu - Ústredný motor regenerácie GSH z GSSG je **NADPH**. - NADPH bunky získavajú prevažne z pentózového cyklu cez enzým **glukóza-6-fosfát