Zhrnutie na Reaktívne formy kyslíka a dusíka

Reaktívne formy kyslíka a dusíka: Úplný rozbor (ROS/RNS)

Zhrnutie Test znalostí Kartičky Podcast Myšlienková mapa

Úvod

Reaktívne formy kyslíka (ROS) a dusíka (RNS) sú vysoko reaktívne molekuly vznikajúce pri normálnom bunkovom metabolizme alebo vplyvom vonkajších faktorov. Hoci majú dôležité signálne úlohy, ich nadbytok poškodzuje lipidy, bielkoviny a DNA. Tento materiál rozoberá vznik ROS/RNS, ich toxicitu a vnútrobunkové antioxidačné systémy, ktoré bunku chránia.

Definícia: Reaktívne formy kyslíka (ROS) a dusíka (RNS) sú molekuly alebo radikály s jedným alebo viacerými nepárovanými elektrónmi, vznikajúce pri neúplnej redukcii kyslíka alebo v reakciách s oxidom dusnatým.

Vznik reaktívnych foriem kyslíka (priebeh redukcie kyslíka)

Pri ideálnom priebehu dýchacieho reťazca prijme kyslík naraz $4$ elektróny a zmení sa na vodu. Ak však kyslík prijíma elektróny po jednom alebo dvoch, vzniká kaskáda reakcií vedúca k ROS:

$\mathrm{O_2}$ plus 1 elektrón $\to$ superoxidový radikál $\mathrm{O_2^{.-}}$ — vzniká pri úniku elektrónov na Komplexe I a Komplexe III dýchacieho reťazca.
Superoxid plus ďalší elektron a 2 protóny $\to$ peroxid vodíka $\mathrm{H_2O_2}$ — nie je to radikál, ale je vysoko reaktívny.
Peroxid vodíka plus elektrón (v prítomnosti voľného Fe$^{2+}$) $\to$ hydroxylový radikál $\mathrm{OH^.}$ — vzniká cez Fentonovu reakciu.

Definícia: Fentonova reakcia je reakcia medzi peroxidom vodíka a voľným dvojmocným železom $\mathrm{Fe^{2+}}$, pri ktorej vzniká vysoko reaktívny hydroxylový radikál $\mathrm{OH^.}$.

💡 Vedeli ste?Fun fact: Did you know that the hydroxyl radical $\mathrm{OH^.}$ is one of the most reactive species in biology and the cell has no direct enzymatic way to eliminate it?

Reaktívne formy dusíka (RNS)

Oxid dusnatý (NO.): radikál a fyziologická signalizačná molekula, syntetizuje sa z arginínu enzýmom NO-syntázou.
Peroxynitrit (ONOO-): vzniká spojením NO. so superoxidom $\mathrm{O_2^{.-}}$ a je veľmi silným oxidačným činidlom, poškodzujúcim proteíny.

Toxicita ROS a RNS (Oxidačný stres)

Oxidačný stres nastane, keď produkcia ROS/RNS prekročí ochrannú kapacitu buniek. Dôsledky zahŕňajú:

Lipidová peroxidácia:
- ROS útočia na nenasýtené mastné kyseliny v membránach.
- Spustí sa reťazová peroxidácia, membrána stratí integritu a bunka môže lyzovať.
- Vznikajú toxické aldehydy, napr. malondialdehyd (MDA).
Poškodenie proteínov:
- Oxidácia aminokyselín, hlavne cysteínových disulfidických väzieb.
- Denaturácia enzýmov a strata funkcie.
Poškodenie DNA:
- Modifikácie báz, napr. vznik $8$-oxo-guanínu.
- Mutácie, zlomy v reťazci DNA, starnutie buniek a karcinogenéza.

💡 Vedeli ste?Fun fact: Did you know that nadmerná produkcia ROS v červených krvinkách pri defektoch pentózového cyklu vedie k hemolýze a klinicky sa prejavuje napríklad pri favizme?

Prečo nesmie v tele kolovať voľné železo?

Voľné železo $\mathrm{Fe^{2+}}$ rýchlo reaguje s $\mathrm{H_2O_2}$ vo Fentonovej reakcii a vytvára extrémne toxický hydroxylový radikál $\mathrm{OH^.}$. Preto organizmus viaže železo v transportných a skladovacích proteínoch, napr. transferín a feritín, aby zabránil jeho účasti na Fentonovej reakcii.

Definícia: Transferín a feritín sú proteíny, ktoré bezpečne väzbu železo a zabraňujú jeho účasti na generovaní ROS prostredníctvom Fentonovej reakcie.

Antioxidačné systémy bunky (ochrana)

Antioxidačné systémy delíme na enzýmové a neenzýmové. (Poznámka: informácie o exogénnych „scavengeroch" sú pokryté inde a tu sa im nevenujeme.)

A) Enzýmové antioxidanty (prvá línia obrany)

Superoxid dismutáza (SOD):
- Premieňa superoxid $\mathrm{O_2^{.-}}$ na peroxid vodíka $\mathrm{H_2O_2}$.
- Formy: Mn-SOD v mitochondriách, Cu/Zn-SOD v cytosole.
Kataláza:
- Nachádza sa v peroxisómoch.
- Rýchlo rozkladá $\mathrm{H_2O_2}$ na vodu a kyslík.
Glutatiónperoxidáza (GPx):
- Redukuje $\mathrm{H_2O_2}$ na vodu za súčasnej oxidácie redukovaného glutatiónu (GSH) na oxidovaný glutatión (GSSG).
- Vyžaduje ako kofaktor stopový prvok selén.

B) Dôležitosť NADPH a pentózového cy

Zaregistruj sa pre celé zhrnutie

KartičkyTest znalostíZhrnutiePodcastMyšlienková mapa

Začni zadarmo

Už máš účet? Prihlásiť sa

Reaktívne formy kyslíka

Klíčová slova: Antioxidanty (scavengery), Reaktívne formy kyslíka a antioxidačné systémy

Klíčové pojmy: ROS vznikajú pri neúplnej redukcii kyslíka, Hlavné ROS: $\mathrm{O_2^{.-}}$, $\mathrm{H_2O_2}$, $\mathrm{OH^.}$, Hydroxylový radikál $\mathrm{OH^.}$ vzniká vo Fentonovej reakcii s $\mathrm{Fe^{2+}}$, Voľné železo je nebezpečné; telo ho viaže v transferíne a feritíne, NADPH z pentózového cyklu je kľúčový pre regeneráciu GSH, G6PD deficit zvyšuje citlivosť na oxidačný stres (napr. favizmus), Enzýmy: SOD premieňa $\mathrm{O_2^{.-}}$ na $\mathrm{H_2O_2}$, kataláza a GPx rozkladajú $\mathrm{H_2O_2}$, GPx vyžaduje selén ako kofaktor, Peroxynitrit ONOO- vzniká spojením NO. a superoxidu, Lipidová peroxidácia vedie k MDA a strate membránovej integrity, ROS môžu poškodiť bielkoviny (disulfidické väzby) a DNA (8-oxo-guanín)

## Úvod Reaktívne formy kyslíka (ROS) a dusíka (RNS) sú vysoko reaktívne molekuly vznikajúce pri normálnom bunkovom metabolizme alebo vplyvom vonkajších faktorov. Hoci majú dôležité signálne úlohy, ich nadbytok poškodzuje lipidy, bielkoviny a DNA. Tento materiál rozoberá vznik ROS/RNS, ich toxicitu a vnútrobunkové antioxidačné systémy, ktoré bunku chránia. > **Definícia:** Reaktívne formy kyslíka (ROS) a dusíka (RNS) sú molekuly alebo radikály s jedným alebo viacerými nepárovanými elektrónmi, vznikajúce pri neúplnej redukcii kyslíka alebo v reakciách s oxidom dusnatým. ## Vznik reaktívnych foriem kyslíka (priebeh redukcie kyslíka) Pri ideálnom priebehu dýchacieho reťazca prijme kyslík naraz $4$ elektróny a zmení sa na vodu. Ak však kyslík prijíma elektróny po jednom alebo dvoch, vzniká kaskáda reakcií vedúca k ROS: 1. $\mathrm{O_2}$ plus 1 elektrón $\to$ superoxidový radikál $\mathrm{O_2^{.-}}$ — vzniká pri úniku elektrónov na Komplexe I a Komplexe III dýchacieho reťazca. 2. Superoxid plus ďalší elektron a 2 protóny $\to$ peroxid vodíka $\mathrm{H_2O_2}$ — nie je to radikál, ale je vysoko reaktívny. 3. Peroxid vodíka plus elektrón (v prítomnosti voľného Fe$^{2+}$) $\to$ hydroxylový radikál $\mathrm{OH^.}$ — vzniká cez Fentonovu reakciu. > **Definícia:** Fentonova reakcia je reakcia medzi peroxidom vodíka a voľným dvojmocným železom $\mathrm{Fe^{2+}}$, pri ktorej vzniká vysoko reaktívny hydroxylový radikál $\mathrm{OH^.}$. Fun fact: Did you know that the hydroxyl radical $\mathrm{OH^.}$ is one of the most reactive species in biology and the cell has no direct enzymatic way to eliminate it? ### Reaktívne formy dusíka (RNS) - **Oxid dusnatý (NO.)**: radikál a fyziologická signalizačná molekula, syntetizuje sa z arginínu enzýmom NO-syntázou. - **Peroxynitrit (ONOO-)**: vzniká spojením NO. so superoxidom $\mathrm{O_2^{.-}}$ a je veľmi silným oxidačným činidlom, poškodzujúcim proteíny. ## Toxicita ROS a RNS (Oxidačný stres) Oxidačný stres nastane, keď produkcia ROS/RNS prekročí ochrannú kapacitu buniek. Dôsledky zahŕňajú: - Lipidová peroxidácia: - ROS útočia na nenasýtené mastné kyseliny v membránach. - Spustí sa reťazová peroxidácia, membrána stratí integritu a bunka môže lyzovať. - Vznikajú toxické aldehydy, napr. malondialdehyd (MDA). - Poškodenie proteínov: - Oxidácia aminokyselín, hlavne cysteínových disulfidických väzieb. - Denaturácia enzýmov a strata funkcie. - Poškodenie DNA: - Modifikácie báz, napr. vznik $8$-oxo-guanínu. - Mutácie, zlomy v reťazci DNA, starnutie buniek a karcinogenéza. Fun fact: Did you know that nadmerná produkcia ROS v červených krvinkách pri defektoch pentózového cyklu vedie k hemolýze a klinicky sa prejavuje napríklad pri favizme? ## Prečo nesmie v tele kolovať voľné železo? Voľné železo $\mathrm{Fe^{2+}}$ rýchlo reaguje s $\mathrm{H_2O_2}$ vo Fentonovej reakcii a vytvára extrémne toxický hydroxylový radikál $\mathrm{OH^.}$. Preto organizmus viaže železo v transportných a skladovacích proteínoch, napr. **transferín** a **feritín**, aby zabránil jeho účasti na Fentonovej reakcii. > **Definícia:** Transferín a feritín sú proteíny, ktoré bezpečne väzbu železo a zabraňujú jeho účasti na generovaní ROS prostredníctvom Fentonovej reakcie. ## Antioxidačné systémy bunky (ochrana) Antioxidačné systémy delíme na enzýmové a neenzýmové. (Poznámka: informácie o exogénnych „scavengeroch" sú pokryté inde a tu sa im nevenujeme.) ### A) Enzýmové antioxidanty (prvá línia obrany) - **Superoxid dismutáza (SOD)**: - Premieňa superoxid $\mathrm{O_2^{.-}}$ na peroxid vodíka $\mathrm{H_2O_2}$. - Formy: Mn-SOD v mitochondriách, Cu/Zn-SOD v cytosole. - **Kataláza**: - Nachádza sa v peroxisómoch. - Rýchlo rozkladá $\mathrm{H_2O_2}$ na vodu a kyslík. - **Glutatiónperoxidáza (GPx)**: - Redukuje $\mathrm{H_2O_2}$ na vodu za súčasnej oxidácie redukovaného glutatiónu (GSH) na oxidovaný glutatión (GSSG). - Vyžaduje ako kofaktor stopový prvok **selén**. ### B) Dôležitosť NADPH a pentózového cy