Základní reaktivní formy kyslíku a dusíku

Z WikiSkript

Reaktivní formy kyslíku (ROS, Reactive Oxygen Species) a reaktivní formy dusíku (RNS, Reactive Nitrogen Species), souhrnně označované RONS (Reactive Oxygen and Nitrogen Species), zahrnují jak volné radikály, tak i látky, které volnými radikály nejsou (proto je termín reaktivní formy kyslíku přesnější a správnější než označení kyslíkové radikály). Jako volný radikál označujeme jakoukoliv chemickou entitu, atom, molekulu nebo ion, která má ve vnější sféře svého elektronového obalu alespoň jeden nespárovaný elektron (→ je hodně reaktivní) a je přitom schopna samostatné existence.

Reaktivní formy:

  • Reagují s MK, lipidy, AMK, proteiny, mono a polynukleotidy (NK), s řadou nízkomolekulárních metabolitů, s koenzymy atd.
  • Jsou významnými prostředníky přenosu energie, faktory imunitní ochrany, signální molekuly buněčné regulace;
  • Za patologických podmínek většinou působí toxicky.
  • Vznik:
a. homolytické štěpení kovalentní vazby – nutno dodat velké množství energie;
b. redukce – přidání jednoho e-;
c. oxidace – ztráta jednoho e-.
  • Vznik radikálů může být iniciací radikálové řetězové reakce, reakce se pak propaguje do okolí, dokud nenarazí na další radikál – terminace.

Reaktivní formy kyslíku (ROS, Reactive Oxygen Species)[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Delší vdechovaní čistého kyslíku působí na člověka toxicky.
  • Toxicita kyslíku:
    • reaktivní formy – tvoří se i při normálním zásobování kyslíkem;
    • pro některé děje v organismu nezbytné.
  • Reaktivní formy jsou volné radikály vytvořené z molekuly kyslíku, které obsahují nepárový elektron a sloučeniny kyslíku, které nemají charakter radikálů, ale ty z nich mohou vznikat.
  1. Volné radikály (volné kyslíkové radikály, VKR):
    • Superoxid – O2•-
    • Hydroxylový radikál – HO
    • Peroxyl – ROO
    • Alkoxyl – RO
    • Hydroperoxyl – HO2
  2. Látky, které nejsou volnými radikály:
    • Peroxid vodíku – H2O2
    • Kys. chlorná – HClO
    • Ozon – O3
    • Singletový kyslík – 1O2
  • Jednoelektronovou redukcí kyslíku = superoxid O2•− (superoxidový anion – záporný náboj, radikál – nepárový elektron);
    • schopen dismutovat (vykazovat jak oxidační tak redukční vlastnosti při vzájemné reakci);
    • probíhá spontánně;
    • v organismu urychlována enzymem superoxiddismutázou.
  • Peroxid vodíku pak může spolu s superoxidem v přítomnosti Fe2+ nebo Cu+ tvořit hydroxylový radikál, vysoce reaktivní formu vytvařející např. lipoperoxidy;
    • reakce peroxidu vodíku s chloridy katalyzovanou myeloperoxidázou v granulocytech, kde vznikají silná oxidační činidla – chlornany;
    • může se protonizovat na hydroperoxylový radikál;
    • může přijmout další elektron a 2 protony za vzniku peroxidu vodíku;
    • nemá nepárový elektron, není radikálem, účastní se ale radikálových reakcí;
    • v přítomnosti tranzitních kovů (Fe2+, Cu+) se H2O2 redukuje Fentonovou reakcí a vzniká vysoce aktivní a toxický hydroxylový radikál – Fentonova reakce:
H2O2 + Fe2+ → HO + OH + Fe3+
    • V přítomnosti dalšího elektronu a protonu se rozpadne na vodu a na hydroxylový radikál.
  • Excitací elektronu v molekule kyslíku spojenou se změnou spinu jednoho z vnějších elektronů vzniká reaktivní forma = singletový kyslík;
    • vzniká z O2 působením vysoceenergetického zdroje (záření);
    • reaguje rychle s MK za vzniku lipidových peroxidů.
    • v dýchacím řetězci probíhá základní čtyřelektronová redukce molekulárního kyslíku na 2 molekuly vody
      • přijetím 1. e-: O2 ——→ O2•-
      • přijetím 2. e-: O2- ——→ H2O2
      • přijetím 3. e-: H2O2 ——→ H2O + HO – nejreaktivnější z ROS radikálů
      • přijetím 4. e-: HO ——→ H2O
    • tato reakce probíhá v aktivním centru cytochromoxidázy v mitochondriích (respirační řetězec).

Kyselina chlorná (HClO)

  • Je syntetizována granulocyty (pomocí myeloperoxidázy):
Nejprve vzniká superoxid účinkem granulocytární NADPH-oxidázy:
O2 + NADPH ——→ O2· + NADP+
Dismutací superoxidu vznikne peroxid vodíku H2O2, a ten následně oxiduje chloridové anionty na kyselinu chlornou:
H2O2 + Cl- ——→ HClO + OH-
  • Silný oxidant – baktericidní.

Zdroje ROS[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Superoxid[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Mitochondrie – v nich je nejvýznamnější zdroj superoxidu – respirační řetězec;
    • primárně se tvoří superoxid, sekundárně peroxid vodíku;
    • hlavní producent ROS v respirač. řetězci – komplex I, komplex III.
  • Endoplasmatické retikulum
  • Leukocyty, makrofágy
    • superoxid vzniká při vzniku baktericidních látek NADPH-oxidázou, která tyto reakce katalyzuje;
    • produkují také HClO (myeloperoxidázou);
    • indukují také tvorbu NO a tím vlastně tvorbu peroxynitritu;
    • všechny tyto látky jsou používány proti cizím strukturám (bakterie, …).
  • Erytrocyty
    • v malém množství vzniká superoxid při oxidaci Hb na metHb → erytrocyty usilují zejména o ochranu vlastních struktur proti radikálům.

Peroxid vodíku[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Vzniká hlavně dismutací superoxidu;
  • Též tvořen dvouelektronovou redukcí kyslíku působením oxidáz (monoaminooxidáza, glutathionoxidáza, xanthinoxidáza);
  • Xanthinoxidáza (dehydrogenasova forma – D forma – nejčastější v organismu) – oxiduje substráty a e- předává na NAD+, který je tím redukován. V patologické situaci se D forma konvertuje na O formu, která není schopná předávat e- na NAD+ a ty se pak předají na kyslík, z něhož vznikne:
    • superoxid (jednoelektronovou redukcí O2);
    • peroxid vodíku (dvouelektronovou redukcí O2).

Místa tvorby[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Enzymové, neenzymové reakce:
  1. příkladem hypoxantin – oxiduje se xantinoxidázou na kyselinu močovou;
  2. vznik chlornanů v neutrofilních granulocytech;
  3. tvoří se tam, kde se kyslík setkává s chinony a katecholaminy z toxických látek s nitroaromatickými sloučeninami či tetrachlormetanem;
  4. při syntéze eikosanoidů;
  5. fagocytující buňky produkující hodně volných radikálů – během fagocytózy se spotřebuje vysoký počet molekul kyslíku = respirační vzplanutí;
  6. za přítomnosti vysokoenergetického záření (elektrické pole, jiskření, elektromagnetické pole, UV záření, laser, polarizované světlo) v ovzduší ze smogu a výfukových plynů nebo cigaretového kouře.

Reaktivní formy dusíku (RNS, Reactive Nitrogen Species)[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  1. Volné radikály:
    • Oxid dusnatý – NO
    • Oxid dusičitý – NO2
  2. Látky, které nejsou volnými radikály:
    • Nitrosyl – NO+
    • Nitroxid – NO
    • Peroxynitrit – ONOO-
    • Alkylperoxynitrit – ROONO
  • Do této skupiny patří NO a jeho metabolity.

Oxid dusnatý[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Krátký biologický poločas – je vychytáván erytrocyty, v kterých reaguje s Hb za vzniku methemoglobinu a nitrátu.
  • Dobře se váže na hemové železo guanylátcyklázy, (podstata stimulace cGMP, vedoucí k myorelaxaci).

Peroxynitrit[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Nejvýznamnější toxický produkt oxidu dusnatého.
  • Vzniká reakcí NO se superoxidem.

NO + O2•- ——→ OONO-

  • Je oxidačním činidlem.
  • Obecně – nejvýkonnějším producentem volných radikálů v buňkách – membránově vázané enzymy, jejíchž koenzymy jsou schopné redukovat kyslík jediným e- na superoxid.

Zdroje RNS[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Oxid dusnatý[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • K syntéze potřebuje:
    • 4 kofaktory (Hem, FAD, FMN, H4-biopterin);
    • 2 kosubstráty (O2, NADPH);
    • NO synthasy (NOS – nitric oxide synthases) – katalyzují syntézu NO;
    • NOS I (ncNOS – mozková, konstitutivní);
    • NOS II (iNOS).
      • Je to enzym makrofágů, neutrofilů, hepatocytů, chondrocytů, buněk cévní svaloviny, buněk Langerhansových ostrůvků;
      • exprese genu pro NOS II je stimulována cytokiny, mikroby;
    • NOS III (ecNOS – endotelová, konstitutivní);
      • tvoří tzv. EDRF – má vazodilatační účinek, jde o oxid dusnatý.

Poškození biomolekul[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Hlavní buněčné cílové struktury pro volné radikály jsou:
  1. Nenasycené MK v lipidech (buněčné membrány) - poškození: ztráta dvojných vazeb, tvorba reaktivní metabolitů (peroxidy, aldehydy) následky: změna fluidity a propustnosti membrán, tvorba chemoreaktivních látek pro mikrofágy.
  2. Proteiny - poškození: agregace, síťování, fragmentace, štěpení, reakce s hemovým Fe, modifikace thiolových skupin a benzenových jader AMK následky: změny v transportu iontů, vstup Ca2+ do cytosolu, změny v aktivitě enzymů.
  3. DNA - poškození: štěpení kruhu deoxyribózy, modifikace a poškození bází, zlomy řetězce následky: mutace, translační chyby, inhibice proteosyntézy.

Poškození enzymových komplexů a buněčné signalizace[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Lipidy[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Nejdůležitější reakce – peroxidace lipidů
    • takové změny nejintenzivněji vyvolávají hydroperoxylový a hydroxylový radikál, zvláště superoxid;
    • nejcitlivější terč – fosfolipidová dvojvrstva membrán a v nich hlavně místa dvojných vazeb nenasycených MK a to kyseliny linolové a linoleové;
    • membrány postižené lipoperoxidací – změna permeability, vedlejší produkt je malondialdehyd, stanovení odpovídá míře lipoperoxidace;
    • už vzniklé peroxidy se likvidují glutathionperoxidázou;
    • projev oxidačního poškození lipidů – pigment ve stařeckých skvrnách.
  • Každá látka, která má dostatečnou afinitu k elektronům a dokáže vytrhnout vodíkový atom z methylenové skupiny uhlovodíkového řetězce MK, může zahájit radikálovou reakci a MK nebo lipid se stává radikálem;
  • po vytržení vodíku (iniciace), vzniká konjugovaný dién (mezi dvěma dvojnými vazbami vzniká jedna jednoduchá), který snadno reaguje s O2 za vzniku peroxylového radikálu (LOO);
  • peroxylový radikál vytrhne ֿe- z MK sousedícího lipidu, z něhož vznikne nový radikál a z peroxylového radikálu vznikne hydroperoxid (LOOH);
  • reakce se propaguje, dokud se radikál nesetká s dalším radikálem nebo vitaminem E, kdy se reakce zastaví tím, že vznikne stála sloučenina (terminace radikálové reakce);
  • výsledek: hydroperoxidy a cyklické peroxidy MK (poměrně stálé) – když se však potkají s tranzitním kovem (Fe), mění se na alkoxylové radikály LO.
  • Rozeznáváme dva typy peroxidace:
    • neenzymová – škodí;
      • často vyvolaná patologickým faktorem;
      • výsledek – směs různých produktů způsobujících škody (váží se na proteiny, mění fluiditu membrán, zvyšují propustnost pro ionty, snižují membránový potenciál);
    • enzymová – fyziologická;
      • probíhá v aktivních centrech hydroperoxidáz a endoperoxidáz (cyklooxygenáza, lipoxygenáza);
      • volné radikály jsou přirozené meziprodukty těchto reakcí, jsou ale vázané na enzym, čili nepůsobí problémy.

Proteiny[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Volné radikály:
    • oxidují AMK zbytky – ztráta enzymové aktivity, signální nebo transportní fce
    • hydroxylace proteinů – hydroxylovým radikálem
    • nitrace – peroxynitritem (zejména Phe, Tyr, Trp)
  • Peroxidace lipidů:
    • vede k agregací a síťování membránových proteinů a lipoproteinových částic v důsledku tvorby radikálů během těchto peroxidací
  • Fe:
    • lyzylový zbytek slouží jako ligand schopný vázat Fe2+, čili s peroxidem dává Fentonovou reakci
  • HO
    • vzniká modifikovaný protein, který je následně odstraňován proteasami
    • následky – enzymy mění svojí aktivitu, selhávají proteinové pumpy, v cytosolu se hromadí Ca2+,čímž se aktivují proteasy a fosfolipasy, dochází ke vzniku nových antigenních determinant a autoimunitních reakcí, …

DNA[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Hlavně hydroxylovým radikálem – modifikuje a uvolňuje purinové a pyrimidinové báze
  • Hydroxylový radikál:
    • vyjímá vodíkový radikál z deoxyribosy
    • je schopný se adovat k bázím a měnit je na hydroxy- a oxoderiváty
  • Následky: chybné párování, přerušení řetězce
  • Projevy: apoptóza, metageneze, karcinogeneze, stárnutí
  • HO – uvolňuje Fe z enzymových center a tím mění aktivitu daných enzymů
  • NO – váže se na železo v aktivních centrech enzymů a tím je inaktivuje (kataláza, cytochrom P450)
  • Nitrace strukturních proteinů (aktin, neurofilamenta, …) – funkční následky v buněčném transportu a mobilitě

Volné radikály při vzniku chorob[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Nekróza[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce Nekróza.
  • Příčina: oxidační stres, ischemie, vyčerpání GSH
  • Výsledek: poškození membrán, bobtnání organel, lýza buňky

Apoptóza[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce Apoptóza a klinické důsledky poruch její regulace.
  • Může být zahájena vzestupem produkce ROS
  • Zdroj ROS – respirační řetězec => proto hlavní spouštěcí faktory apoptózy lokalizovány v mitochondriích
  • Cytochrom c:
    • kromě přenášení e- v respiračním řetězci se uvolňuje z mitochondriální membrány a plní antioxidační funkce (oxiduje superoxid, unikající z komplexu I a III a získané e- předává na komplex IV => tím zabrání tvorbě superoxidu).
    • nestačí-li mechanizmus zvládnout nápor superoxidu, cytochrom c proniká pomocí faktoru Bax přes zevní mitochondriální membránu do cytosolu, kde aktivuje apoptotickou proteolytickou kaskádu.
    • aktivují se proteázy – kaspázy => fragmentace buněčného jádra atd.

Ischemie nebo hypoxie[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Kyslík a ROS – hlavní patogenické faktory reperfuzního poškození tkáně.
  • Vázne přenos elektronů v respiračním řetězci a:
    • klesne ATP
    • hromadí se AMP a jeho oxidační metabolit hypoxantin
    • selhává membránový transport iontů, stoupne vápník v cytosolu
    • aktivují se geny pro syntézu stresových proteinů (heat shock proteins – HSP), které se jakožto chaperony navazují na nové (navozují správnou konformaci při rekonstrukci poškozených organel) i poškozené (pomáhají při odstraňování poškozených proteinů) proteiny.

Reperfuze[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Na začátku se v tkáni začne tvořit velké množství ROS, jejichž zdrojem jsou:
  1. xantinooxidáza
    • Endotelová – během ischemie se konvertuje XOR na XOD (schopná tvořit ROS)
    • Parenchynová a sliznični XOD
      • tvořena některými orgány (játra, střevo)
      • také produkuje ROS
    • Kyslík (z obnovené cirkulace) a nahromadený hypoxantin jsou substráty xantinoxidázy k tvorbě superoxidu a peroxidu vodíku.
  2. neutrofily
    • ROS indukují syntesu adhezivních molekul v endotelových buňkách (selektíny, ICAM – 1) => neutrofily adherují k endotelu, prostupují do intersticia a produkují další ROS.
    • Alopurinol zabraňuje hromadení neutrofilu v ischemické tkáni
  3. redukovaný respirační řetězec
  4. zvýšené uvolňování železa z feritinu
  5. zvýšená koncentrace cytosolového kalcia
    • Aktivuje fosfolipasu A2 => aktivace cyklooxigenasové a lipoxinasové cesty, při kterých též vznikají ROS
    • Aktivuje syntézu NO a proteasy konvertující XOR na XOD.
  • Ischemie a reperfuze indukují tvorbu řady cytokinů (IL-1, IL-6, TGF-beta) – ty aktivují neutrofily k produkci superoxidu a kyseliny chlorné => rozvoj zánětu a oxidačního poškození
  • Intenzivní nedostatek kyslíku způsobí nekrózu, mírnější a protrahovanější nedostatek navodí apoptózu
zánět:
Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce Zánět.


ROS v zánětu[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Rozhodující producent ROS v aktivovaných fagocytech – membránový enzymový systém NADPH-oxidázy
    • schopná zvýšit produkci volných radikálů stimulací Fc-receptoru, receptoru pro C3b- složku komplementu
    • její aktivace vede k přesunu cytosolových komponent enzymu k plazmatické membráně a k vytvoření membránově vázaného makromolekulárního komplexu
    • aktivace fagocytů a stimulace NADPH-oxidázy způsobí vzestup spotřeby kyslíku fagocytem – respirační vzplanutí (respiratory burst)
    • jejím působením se tedy kyslík redukuje na superoxid (donor e-)
    • regeneruje se v pentózafosfátovém cyklu – proto respirační vzplanutí zahrnuje i vzestup oxidace glukózy
    • následně ze superoxidu vzniká peroxid vodíku, hydroxylový radikál

Působením myeloperoxidázy se tvoří chloridivý anion (ten dáva s H2O2 chlornanové ionty – reakci s aminy pak chloraminy – oba typy mají mikrobicidní účinek)

RNS v zánětu[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Nejvíce se objevuje NO – vzniká působením NO-syntasy – ta je při zánětu aktivovaná endotoxinem v makrofázích prostředníctvím aktivace transkripčniho faktoru NF-κB
  • NO – stimuluje guanylátcyklasu v hl.svalových buňkách a stimuluje vazodilataci (typické prokrvení tkáně v místě zánětu)
  • NO – reakcí se superoxidem vytváří peroxynitrit – k zabíjení intracelulárních patogenů
  • NO – s thioly z tkáňových AMK vytváří S-nitrosothioly – antimikrobní účinky


Diabetes[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce Diabetes mellitus.
  • Citlivě reagují beta buňky pankreatu
  • Nalezena snížená hladina přirozených antioxidantů v krvi
  • Předpokládá se, že radikály působí škodlivě na cévní endotel v některých tkáních, a tak se stávají příčinou cévních komplikací diabetu
  • Dochází také k zánětům pankreatu s poškozením jeho beta buněk (asi původ v oxid.stresu)
  • Poškozují proteinové faktory, které drží v rovnováze plicní elastasu – usnadní se štěpení elastinu v přepážkách mezi plicními alveoly – emfyzém plic

Ateroskleróza[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce Ateroskleróza.
  • Volné radikály oxidují lipoproteiny LDL – ty jsou dychtivě vychytávány makrofágy v cévní stěně – základ ateromatozního patologického děje

Další[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Revmatické onemocnění, poruchy IS, stavy demence při Alzheimerově chorobě
  • Faktor stárnutí

Odkazy

Související články

Použitá literatura

  • LEDVINA, Miroslav, et al. Biochemie pro studující medicíny. 1. vydání. Praha : Karolinum, 2004. ISBN 80-246-0851-0.