Základní reaktivní formy kyslíku a dusíku
(přesměrováno z Volné kyslíkové radikály)
Reaktivní formy jsou součástí mnoha patologických, ale i fyziologických a biochemických pochodů. Nejčastěji jsou reaktivními formami tzv. volné radikály. Jako volný radikál označujeme jakoukoliv chemickou entitu (tj. atom, molekulu nebo iont), která má ve vnější sféře svého elektronového obalu alespoň jeden nespárovaný elektron. To způsobuje její relativně vysokou reaktivitu, ale zároveň je schopna samostatné existence.
Reaktivní formy mohou reagovat s mastnými kyselinami, lipidy, aminokyselinami, proteiny, mono a polynukleotidy (NK), s řadou nízkomolekulárních metabolitů, s koenzymy atd. Tyto reakce narušují struktury daných sloučenin, čímž způsobují patologie.
Reaktivní formy kyslíku (ROS, Reactive Oxygen Species)[upravit | editovat zdroj]
Dlouhodobé vdechovaní čistého kyslíku působí na člověka toxicky (samotný kyslík jedovatý není). Toxicky na organismus působí jeho deriváty – reaktivní formy. Tyto deriváty vznikají i při normálním zásobení kyslíkem.
Pro některé děje v organismu jsou reaktivní formy nezbytné – přenos energie, faktory imunitní ochrany, signální molekuly buněčné regulace.
| Volné kyslíkové radikály | Látky, které nejsou volnými radikály |
|---|---|
| Superoxid (•O2−) | Peroxid vodíku (H2O2) |
| Hydroxylový radikál (HO•) | Kyselina chlorná (HClO) |
| Peroxyl (ROO•) | Ozon (O3) |
| Hydroperoxyl (•HO2) | Singletový kyslík (1O2) |
Superoxid •O2−[upravit | editovat zdroj]
Středně reaktivní kyslíkový radikál. Působí jako oxidační i redukční činidlo. Vzhledem k zápornému náboji má omezený průchod skrz buněčné membrány – prochází skrz aniontové kanály. Je schopný uvolnit železo z Fe-S clusteru v aktivním místě enzymu.
Vznik v organismu[upravit | editovat zdroj]
- Vznik v dýchacím řetězci
V těle může vzniknout v dýchacím řetězci na vnitřní membráně mitochondrií. Při vzniku elektrochemického protonového gradientu může dojít k úniku elektronů z komplexu I a III. Elektrony reagují s volným kyslíkem za vzniku superoxidu. Takto je přeměněno asi 1–2 % z celkové spotřeby kyslíku.
V dýchacím řetězci se postupně vytváří všechny základní ROS.
přijetím 1. e−: O2 → •O2−;
přijetím 2. e−: •O2− → H2O2;
přijetím 3. e−: H2O2 → H2O + HO•;
přijetím 4. e−: HO• → H2O.
- Vznik NADPH-oxidázou
Buňky schopné fagocytózy tvoří superoxid jako zbraň proti mikroorganismům (respirační vzplanutí). Fagocyt (např. neutrofil) pentózovým cyklem spotřebovává glukózu za vzniku NADPH. Ten je dále převáděn na NADPH-oxidázu, která převádí kyslík na superoxid.
O2 + NADPH → •O2− + NADP+
Dismutací superoxidu vzniká peroxid vodíku. Ten následně oxiduje chloridové anionty na kyselinu chlornou (HClO), která přispívá k ničení bakterií.
H2O2 + Cl− → HClO + OH−
- Vznik účinkem enzymů
Některé enzymy tvoří superoxid jako meziprodukt. Mezi takové řadíme například xanthinoxidázu, cyklooxygenázu a lipoxygenázu.
- Vznik reakcí s hemoglobinem
Nejčastěji vzniká v erytrocytech. Dojde k tomu, že kyslík odebere jeden elektron Fe2+ v hemu. Tím dochází ke vzniku superoxidu a methemoglobinu. Erytrocyty tyto reakce regulují pomocí enzymů antioxidační ochrany (např. superoxiddismutáza).
Reakce[upravit | editovat zdroj]
- Dismutace
•O2− + •O2− + 2H+ → O2 + H2O2
Tato reakce probíhá v organismu spontánně. Za přítomnosti enzymu superoxiddismutázy, dochází k přímému převodu superoxidu na peroxid.
- Reakce s oxidem dusnatým
NO• + •O2− → OONO− (peroxinitrit viz dále)
Peroxid vodíku H2O2[upravit | editovat zdroj]
Patří mezi reaktivní formy, které nejsou radikály. Vzhledem k jeho malé velikosti může volně procházet skrz buněčné membrány – působí na jiném místě, než kde vznikl. Sám o sobě není příliš reaktivní. Jeho reaktivita se zvýší při interakci s přechodným kovem (železo a měď).
Vznik v organismu[upravit | editovat zdroj]
Peroxid vodíku vzniká již zmíněnou dismutací superoxidu, případně působením některých enzymů – xanthinoxidáza, monoaminooxidáza. Bezpečné odstranění peroxidu vodíku z organismu zabezpečuje glutathionperoxidáza, peroxiredoxin nebo kataláza.
Reakce[upravit | editovat zdroj]
- Fentonova reakce
H2O2 + Fe2+ → OH− + OH• + Fe3+
K této reakci dochází při interakci peroxidu s železnatým kationtem. Vzniká hydroxylový radikál, který je nejnebezpečnějším oxidačním činidlem v organismu. Fentonova reakce patří mezi základní mechanismus oxidačního poškození tkání.
Podrobnější informace naleznete na stránce Fentonova reakce.Hydroxylový radikál OH•[upravit | editovat zdroj]
Extrémně reaktivní molekula. Okamžitě po svém vzniku reaguje s nejbližší možnou strukturou. Poškozuje biomolekuly ve svém okolí (buněčné membrány, proteiny, DNA). Nejčastěji je příčinou tvorby lipoperoxidů.
Vznik v organismu[upravit | editovat zdroj]
V těle může vznikat již popsanou Fentonovou reakcí (peroxid vodíku s přechodným kovem).
Dále vzniká působením ionizačního záření (např. gama záření, rentgenové záření). Ionizační záření rozkládá nejčastěji vodu (té je v organismu velké množství).
H2O → H• + OH•
Pokud ionizační záření působí na kyslík, dochází ke vzniku tzv. singletového kyslíku 1O2, který stejně jako hydroxylový radikál, reaguje s MK za vzniku lipoperoxidů.
Reaktivní formy dusíku (RNS, Reactive Nitrogen Species)[upravit | editovat zdroj]
| Volné dusíkaté radikály | Látky, které nejsou volnými radikály |
|---|---|
| Oxid dusnatý (NO•) | Nitrosyl (NO+) |
| Oxid dusičitý (NO2•) | Nitroxid (NO) |
| Peroxynitrit (ONOO−) | |
| Alkylperoxynitrit (ROONO) |
Oxid dusnatý NO[upravit | editovat zdroj]
Plynný radikál s krátkým biologickým poločasem. Při vdechnutí působí na organismus toxicky (ve smogu). Uvnitř těla je vytvářen fyziologicky jako mediátor (např. vazodilatace). Vazbou na guanylátcyklázu stimuluje tvorbu cGMP vedoucí k relaxaci hladkého svalstva. Má velkou afinitu k hemovému železu. Je vychytáván erytrocyty, ve kterých reaguje s hemoglobinem za vzniku methemoglobinu a nitrátu (fyziologická inaktivace NO).
Vznik v organismu[upravit | editovat zdroj]
- NO syntázová reakce
L-arginin + O2 + NADPH → L-citrullin + NADP+ + NO•
Rozlišujeme tři různé syntázy, které se odlišují dle místa působení. NOS I (neuronální, konstitutivní) – paměť a učení, NOS II (fagocyty, inducibilní) – stimulována cytokiny a mikroby, NOS III (endoteliální, konstitutivní) – vazodilatační účinek.
Reakce[upravit | editovat zdroj]
- Reakce se superoxidem
Při reakci NO• se •O2−, dochází ke vzniku peroxynitritu, který je nejvýznamnějším toxickým produktem oxidu dusnatého.
NO• + •O2− → OONO− (peroxynitrit)
Peroxinitrit je nejvýkonnější producent volných radikálů v buňkách.
OONO− + H+ → HOONO (kyselina peroxydusitá) → OH• + •NO2
Patogeneze[upravit | editovat zdroj]
Mezi hlavní cílové struktury, na které reaktivní formy působí:
- Nenasycené MK v lipidech (buněčné membrány)
Poškození mastných kyselin může způsobit ztrátu dvojných vazeb a podmíní tvorbu reaktivních metabolitů (peroxidy, aldehydy). To způsobí změnu fluidity a propustnosti membrán. Dojde ke vzniku chemoreaktivních látek pro mikrofágy.
Podrobnější informace naleznete na stránce Peroxidace lipidů.- Proteiny
Poškození proteinů může způsobit jejich agregaci, síťování, fragmentaci, štěpení, reakci s hemovým železem, modifikace thiolových skupin a benzenovách jader AMK. To způsobí změny v transportu iontů (vstup Ca2+ do cytosolu) a změny v aktivitě enzymů.
- DNA
Poškození DNA může způsobit štěpení kruhu deoxyribózy, modifikace a poškození bází, zlomy řetězce. To se pak může projevit jako mutace, translační chyby a inhibice proteosyntézy.
Celkově můžeme říci, že reaktivní formy jsou přímou příčinou chorobného stavu u kancerogeneze v důsledku ionizačního záření, retinopatie nedonošených a hemochromatózy. Významně se podílí v patogenezi chronického zánětu, ARDS, aterosklerózy, mozkového traumatu, diabetu, ischemie a stárnutí.
