Stres oksydacyjny i nitrozacyjny

Stres oksydacyjny i nitrozacyjny
W każdej komórce zachodzą reakcje chemiczne, obejmujące utlenianie i redukcję cząsteczek, mogące prowadzić do wytwarzania wolnych rodników.

 

 

Wolne rodniki 

Wolnymi rodnikami określa się związki chemiczne zdolne do samodzielnego istnienia, posiadające jeden lub więcej niesparowanych elektronów. Są to więc wysoce niestabilne cząsteczki, których elektrony mogą reagować z różnymi substancjami organicznymi.

 

 

 

 

 

Wiele wolnych rodników powstaje w wyniku naturalnych procesów takich jak metabolizm tlenowy czy procesy zapalne. Przykładowo, gdy komórki zużywają tlen w celu wytworzenia energii, wolne rodniki są generowane podczas produkcji ATP przez mitochondria. Poziom wolnych rodników może się zwiększyć w wyniku nadmiernego wysiłku fizycznego, a także bodźców środowiskowych do których zaliczymy promieniowanie jonizujące (pochodzące z przemysłu, ekspozycja na słońce, promieniowanie kosmiczne, promieniowanie rentgenowskie), toksyny środowiskowe, zmiany warunków środowiskowych (np. hipoksja i hiperoksja), ozon i tlenek ozonu (głównie ze spalin samochodowych). Czynniki stresogenne związane ze stylem życia, takie jak palenie papierosów i nadmierne spożywanie alkoholu również wpływają na poziom wolnych rodników. Rodniki mogą ze sobą reagować tworząc bardziej szkodliwe lub toksyczne formy jak nadtlenek azotynu (O=NOO¯), produkt reakcji rodnikowych nadtlenku i tlenku azotu.

Wolne rodniki atakują składniki komórkowe, powodując uszkodzenia lipidów, białek i DNA, zakłócając ich normalne funkcjonowanie, co może przyczyniać się do wywołania wielu stanów chorobowych.

Stwierdzono, że pewne układy narządów są predysponowane do wyższego poziomu stresu oksydacyjnego lub nitrozacyjnego. Do najbardziej podatnych na uszkodzenia należą układ oddechowy (narażony na wysokie stężenia tlenu), mózg (wykazuje intensywną aktywność metaboliczną przy niższym poziomie endogennych przeciwutleniaczy), oczy (stale narażone na szkodliwe światło UV), układ krążenia (narażony na zmieniający się poziom tlenu i tlenku azotu) i układ rozrodczy (zagrożony intensywną aktywnością metaboliczną plemników). Niestety prawie każdy organ posiada oksydacyjną lub azotową „piętę Achillesową”. Obecny stan wiedzy świadczy jednak, że wolne rodniki mogą działać również jako cząsteczki sygnałowe, a więc pełnić rolę w normalnym funkcjonowaniu komórki.

Reaktywne formy tlenu (ROS) to termin opisujący reaktywne pochodne tlenu, zarówno rodnikowe (np. O2•-, OH•) jak i nierodnikowe (np. H2O2, HOCl). Te metabolity pośrednie mogą uczestniczyć w reakcjach, które są podstawą tworzenia wolnych rodników. Do reaktywnych form tlenu obecnych w żywych organizmach zaliczamy:

NierodnikoweNadtlenoazotyn ONOO¯Kwas podchlorawy HOClNadtlenek wodoru H2O2Tlen singletowy 1Δg (¯1O2)Ozon O3Nadtlenki lipidowe LOOH

RodnikoweR. hydroksylowy OH•R. ponadtlenkowy O2•¯R. tlenku azotu NO•R. metylowy RS•R. nadtlenkowy RO2•R. peroksylowy LOO•

Reaktywne formy azotu (RNS) to cząsteczki bazujące na rodnikach azotowych. W warunkach fizjologicznych pełnią rolę w obronie organizmu przed mikrobami. Do reaktywnych form azotu zalicza się:

Tlenek azotu NO•Nadtlenoazotyn OONO¯Kwas nadtlenoazotawy ONOOHAnion nitroksylowy NO¯Chlorek nitrylu NO2Cl

Kation nitrozylu NO+Dwutlenek azotu NO2•Trójtlenek dwuazotu N2O3Kwas azotowy HNO2

W wyniku reakcji biologicznych może powstawać wiele innych rodników, na przykład fenole i pozostałe cząsteczki aromatyczne, tworzone podczas metabolizmu ksenobiotyków jako część naturalnych mechanizmów detoksykacji.

Stres oksydacyjny
Do stresu oksydacyjnego dochodzi w chwili gdy ilość generowanych ROS w układzie przekracza jego zdolność do ich neutralizacji i eliminacji. Zaburzenia równowagi mogą wynikać z braku wystarczających zdolności antyoksydacyjnych spowodowanych przez zakłócenia w produkcji, dystrybucji lub przez nadmiar ROS pochodzących ze środowiska oraz wytworzonych w wyniku niezdrowego trybu życia. Brak odpowiedniej regulacji poziomu ROS może prowadzić do uszkodzenia lipidów komórkowych, białek lub DNA, hamując normalne funkcjonowanie. Ze względu na to, stres oksydacyjny jest zaangażowany w rozwój wielu chorób, a także w proces starzenia. 

Stres nitrozacyjny
Stresu nitrozacyjny występuje, gdy wytwarzanie RNS w układzie przekracza jego zdolności do ich neutralizacji i eliminacji. Stres nitrozacyjny może prowadzić do reakcji nitrozylacji, co zmienia strukturę białek hamując ich normalne funkcjonowanie.

 

 

Antyoksydanty
W organizmach żywych istnieje liczna grupa bardzo skutecznych czynników i mechanizmów obronnych zwanych łącznie systemem antyoksydacyjnym, który funkcjonuje by regulować reakcje utleniania. 

W skład systemu antyoksydacyjnego wchodzą enzymy i przeciwutleniacze, zapobiegające rozpoczęciu uszkodzeń oksydacyjnych i/lub kontrolujące ich rozprzestrzenianie. Istnieją również enzymy naprawiające uszkodzenia oksydacyjne oraz mechanizmy ukierunkowane na niszczenie lub wymianę uszkodzonych komórek. Antyoksydanty mogą być syntetyzowane wewnętrznie(endogenne) lub przyjmowane z pokarmem (egzogenne). Są one zwykle klasyfikowane jako przeciwutleniacze oczyszczające i przeciwutleniacze zapobiegające.

 

 

Przeciwutleniacze oczyszczające usuwają ROS i należą do nich:

• Małocząsteczkowe antyoksydanty obejmujące zarówno rozpuszczalne w wodzie związki, takie jak witamina C lub glutation oraz rozpuszczalne w lipidach związki, takie jak witamina E, karoteny, kwas liponowy i koenzym Q10.
• Wielkocząsteczkowe antyoksydanty m. in. dysmutaza ponadtlenkowa (SOD), która odtruwa jon nadtlenku, katalaza która zajmuje się nadtlenkiem wodoru (H2O2) i peroksydaza glutationowa (GPx), której funkcją jest detoksykacja nadtlenków komórkowych. Enzymy te syntetyzowane są przez limfocyty i podlegają genetycznym lub wielkocząsteczkowym mechanizmom regulacji.

Profilaktyczne przeciwutleniacze hamują tworzenie nowych ROS. Do przeciwutleniaczy tych należą albumina, metalotionina, transferyna, ceruloplazmina, mioglobina i ferrytyna.

ROS i RNS dziś
Obecnie obserwuje się znaczny postęp w badaniach nad zrozumieniem roli stresu oksydacyjnego i stresu nitrozacyjnego w chorobach sercowo-naczyniowych, takich jak miażdżyca tętnic, niedokrwienie/uszkodzenie reperfuzyjne, restenoza i nadciśnienie; chorobach nowotworowych; chorobach zapalnych, takich jak zespół ostrej niewydolności oddechowej, astma, nieswoiste zapalenie jelit (IBD), zapalenie skóry, oka i stawów; chorobach metabolicznych jak cukrzyca, a także chorobach ośrodkowego układu nerwowego (OUN), takich jak stwardnienie zanikowe boczne (ALS), choroba Alzheimera, choroba Parkinsona i udar.