Zhrnutie na Reaktívne formy kyslíka, dusíka a oxidačný stres

## Úvod Reaktívne formy kyslíka (ROS) a dusíka (RNS) sú vysoko reaktívne molekuly, ktoré vznikajú pri normálnom bunkovom dýchaní alebo pri pôsobení vonkajších faktorov. Tento materiál rozkladá ich vznik, toxicitu a hlavné antioxidačné systémy, ktoré bunky používajú na ochranu pred poškodením. > **Definícia:** Reaktívne formy kyslíka (ROS) a reaktívne formy dusíka (RNS) sú molekuly alebo radikály s jedným alebo viac nepárovými elektrónmi, schopné reagovať s biologickými makromolekulami. ## Ako vznikajú ROS (priebeh redukcie kyslíka) Pri úplnej redukcii prijme kyslík $\left(\ce{O2}\right)$ naraz 4 elektróny a vznikne voda $\left(\ce{H2O}\right)$. Pri neúplnej redukcii vzniká kaskáda reaktívnych foriem: 1. $\ce{O2}$ plus 1 elektrón → superoxidový radikál $\left(\ce{O2^-}\right)$ - Vzniká únikom elektrónov na Komplexe I a Komplexe III dýchacieho reťazca. 2. Superoxid plus ďalší elektrón a dva protóny → peroxid vodíka $\left(\ce{H2O2}\right)$ - Nie je radikál, ale je reaktívny a prenosný cez membrány. 3. Peroxid vodíka plus elektrón (a Fe$^{2+}$) → hydroxylový radikál $\left(\ce{OH^.}\right)$ - Hydroxylový radikál vzniká cez Fentonovu reakciu: $$\ce{H2O2 + Fe^{2+} -> Fe^{3+} + OH^- + OH^.}$$ - Je to najtoxickejší radikál; bunka nemá enzým, ktorý by ho priamo neutralizoval. > **Definícia:** Fentonova reakcia je chemická reakcia medzi peroxidom vodíka a voľným dvojmocným železom $\left(\ce{Fe^{2+}}\right)$, ktorá produkuje vysoko reaktívny hydroxylový radikál $\left(\ce{OH^.}\right)$. ### Dôležitá poznámka o železe Voľné, neviazané železo v tele je nebezpečné, pretože rýchlo reaguje v Fentonovej reakcii a vytvára toxické radikály. Preto telo viaže železo do transportných a skladovacích proteínov, ako sú **transferín** a **feritín**. ## Reaktívne formy dusíka (RNS) - **Oxid dusnatý (NO^.)**: fyziologická signalizačná molekula vytváraná enzymom NO-syntázou z arginínu. - **Peroxynitrit (ONOO^-)**: vzniká spojením NO^. a superoxidu $\left(\ce{O2^-}\right)$, je silným oxidačným činidlom, ktoré ničí proteíny. ## Toxicita ROS/RNS — oxidačný stres Oxidačný stres nastane, keď produkcia ROS/RNS prekročí ochrannú kapacitu antioxidačných systémov. Dôsledky: - Lipidová peroxidácia: - ROS napádajú nenasýtené mastné kyseliny membrán, spúšťajú reťazovú reakciu, membrány strácajú integritu. - Vznikajú toxické aldehydy, napríklad malondialdehyd (MDA). - Poškodenie proteínov: - Oxidácia aminoskupín a poškodenie dezulfidických mostíkov (cysteín), čo vedie k denaturácii enzýmov. - Poškodenie DNA: - Modifikácia dusíkatých báz, napríklad vznik $8$-oxo-guanínu, mutácie a zlomy reťazca môžu viesť k starnutiu a karcinogenéze. Fun fact: Organizmy majú vyvinuté koordinačné mechanizmy viazania železa, pretože voľné železo by zásadne zvyšovalo produkciu hydroxylových radikálov cez Fentonovu reakciu. ## Antioxidačné systémy buniek Antioxidačné mechanizmy delíme na enzýmové a neenzýmové systémy. (Poznámka: téma „Antioxidanty a scavengery" je spracovaná inde a nie je tu rozoberaná.) ### A) Enzýmové antioxidanty (prvá línia obrany) - **Superoxid dismutáza (SOD)** - Premieňa superoxid $\left(\ce{O2^-}\right)$ na peroxid vodíka $\left(\ce{H2O2}\right)$ a kyslík. - Formy: **Mn-SOD** (mitochondrie), **Cu/Zn-SOD** (cytosól). - **Kataláza** - Nachádza sa v peroxyzómoch; veľmi rýchlo rozkladá peroxid vodíka na vodu a kyslík. - Reakcia: $$\ce{2 H2O2 -> 2 H2O + O2}$$ - **Glutatiónperoxidáza (GPx)** - Redukuje peroxid vodíka na vodu za súčasnej oxidácie redukovaného glutatiónu (GSH) na oxidovaný glutatión (GSSG). - Vyžaduje ako kofaktor stopový prvok **selén**. ### B) Regenerácia redukovaného glutatiónu - Centrálne pre udržanie redoxného stavu je **NADPH**, ktoré poskytuje redukčnú energiu na spätnú redukciu GSSG na GSH pomocou glutathión-reduktázy. - Hlavný zdroj NADPH v bunke je **pentózový cyklus** (pentózový fosfátový štiepenie) cez enzým **glukóza-6-fosfát-dehydrogenázu (G6PD)**. > **Definícia:** Pentózový cyklus je metabolická