Fyziologická úloha reaktivních forem kyslíku v organismu

Reaktivní formy kyslíku a dusíku (především volné radikály) jsou vysoce reaktivní látky. V organismu mohou poškozovat biomolekuly. Mimo patologických dějů se však účastní i mnoha dějů fyziologických (tkáňové hormony, zbraně fagocytů, enzymy, buněčná signalizace).

Jak už bylo řečeno, jsou schopny poškozovat organismus (oxidační stres). Jejich množství musí být regulováno enzymy antioxidační ochrany.

Tkáňové hormony

Oxid dusnatý

Produkován NO-syntázami. V organismu má spoustu funkcí, které závisí na tom, kde se vyskytuje.

Neuronální (NOS I)

Neurotransmiter CNS. Podílí se na synaptické plasticitě, procesech učení a paměti apod.

Mediátor fagocytů (NOS II)

Tvořen makrofágy při respiračním vzplanutí, se superoxidem vytváří peroxinitrit, který působí baktericidně.

Endoteliální (NOS III)

Proniká intracelulárně, kde aktivuje guanylátcyklázu, která zvyšuje hladinu intracelulárního cGMP. cGMP aktivuje Ca²⁺ pumpu, která sníží koncentraci vápníku v cytosolu. To způsobí relaxaci hladkého svalstva cév (vazodilatátor).

Dále inhibuje aktivované leukocyty nebo agregované destičky.

Superoxid

Má protichůdné účinky, než NO – vazokonstrikce, aktivace leukocytů, agregace destiček.

Pokud se tyto dva radikály setkají, tak se navzájem zničí.
NO• + •O₂^- → OONO^- (peroxynitrit)

Zbraně fagocytů

Fagocyty (neutrofily, makrofágy atd.) využívají reaktivní formy kyslíku pro rozklad fagocytovaného materiálu. Této reakci říkáme respirační vzplanutí (respiratory burst). Respirační vzplanutí zvyšuje spotřebu O₂ (vznik superoxidu NADPH-oxidázou) a glukózy (vznik NADPH v pentózovém cyklu).

Fagocyty jsou pro tuto likvidaci vybaveny NADPH-oxidázou (produkuje superoxid vně nebo do fagozomů) a myeloperoxidázou (jež vytváří chloraminy). Dalšími enzymy, které se podílejí na ničení mikroorganismů jsou proteázy.

Respirační vzplanutí

Aktivace NADPH-oxidázy

NADPH + O₂ → NADP⁺ + H⁺ + •O₂^-

•O₂^- + superoxiddismutáza → H₂O₂ (pokračuje do Fentonovy reakce)

Uvolnění železa ze zásob a Fentonova reakce

H₂O₂ + Fe²⁺ → •OH (vysoce reaktivní) + OH^- + Fe³⁺

Myeloperoxidáza z fagolysozomů

H₂O₂ + Cl^- → HClO → chloraminy (baktericidní, zelená barva hnisu)

Syntéza NO účinkem cytokinů a mikrobů

Arg + O₂ → citrullin + NO•

NO• + •O₂^- → OONO^- (peroxinitrit, baktericidní)

Porucha respiračního vzplanutí se nazývá chronická granulomatózní choroba. Fagocyty nedokážou zabít pohlcené patogeny. Dochází ke hromadění fagocytovaných molekul, které vytváří tzv. granulomy.

Enzymy

Monooxygenázy (hydroxylázy)

Enzymy, které katalyzují vnesení hydroxyskupiny do organické sloučeniny. Nejčastěji se účastní syntézy kolagenu, steroidních hormonů, katecholaminů, žlučových kyselin nebo odstranění xenobiotik (cytochrom P450) v játrech.

V aktivním centru obsahují železo, které funguje jako katalyzátor a urychluje reakci. Do aktivního centra se naváže O₂. NADPH dodá reakci elektrony. Jeden kyslík je přenesen do substrátu reakce a jeden je převeden na vodu.

Jako meziprodukty mohou vznikat reaktivní formy kyslíku (interakce železa v aktivním centru s volným kyslíkem = Fentonova reakce). Reaktivní formy jsou rychle odbourávány antioxidačními enzymy těla, aby nedošlo k oxidačnímu stresu.

Oxidázy

Cytochromoxidáza

Její funkcí je oxidace cytochromu C (dýchací řetězec). Elektrony pak předává kyslíku (koncový akceptor aerobního metabolismu). Ve svém aktivním centru obsahuje železo a měď, které fungují jako katalyzátory.

Jedna molekula kyslíku v průběhu dýchacího řetězce přijme 4 elektrony za vzniku 2 molekul vody. V případě úniku elektronů dochází ke vzniku reaktivních forem kyslíku.

Fe³⁺ + Cu²⁺ + e^- → Fe³⁺ + Cu⁺

Fe³⁺ + Cu⁺ + e^- → Fe²⁺ + Cu⁺

Fe²⁺ + Cu⁺ + O₂ → Fe³⁺ + Cu⁺ + •O₂^-

2 molekuly vody vznikají reakcemi:

Fe³⁺ + Cu²⁺ + H₂O₂ + e^- + 2H⁺ → Fe^IVO (ferylový meziprodukt) + Cu²⁺ + H₂O

Feryl + Cu²⁺ + e^- + 2H⁺ → Fe³⁺ + Cu²⁺ + H₂O

NADPH-oxidáza

Enzym obsažený ve fagocytech, který se účastní respiračního vzplanutí. Dochází ke vzniku reaktivních forem, které jsou použity při likvidaci fagocytovaného materiálu. (Viz výše).

Redoxní signalizace

Účast na buněčné signalizaci uvnitř buněk (signální transdukce). Probíhá ve velmi omezeném množství, protože v intracelulárním prostředí je velké množství antioxidačních enzymů.

Uvnitř buněk jsou snadno oxidovatelné skupiny, tzv. redoxní senzory (SH skupiny, Fe-S centra). Oxidační stres tedy aktivuje signální kaskády proteinkináz a transkripčních faktorů. Výsledným efektem je aktivace či inhibice různých dějů (proliferace, diferenciace, stárnutí, apoptóza atd.).