Oksüdatiivse stressi efektidVäga tugevad ärritused põhjustavad nii ainevahetuslikke kui morfoloogilisi kohastumusreaktsioone rakus, misjärel tekib uus püsiv seisund, kus raku elutegevus on säilinud, kuid tema funktsioon on muutunud. Rakk kahjustub siis, kui tema kohandumisvõimalused etioloogilise teguri toime suhtes pole piisavad. “Rakukahjustusest saavad alguse kõik organikahjustuse vormid.” (Rudolf Virchow).
Oksüdatiivne stress on seotud oksüdeerivate ühendite hulga suurenemisega või antioksüdantsete kaitsemolekulide, nagu glutatioon, efektiivsuse olulise vähenemisega. Oksüdatiivse stressi efekt sõltub nende muutuste ulatusest. Väikestest muudatustest suudab rakk üle saada ja taastada oma algse oleku. Vahel võib isegi mõõdukas oksüdatsioon vallandada apoptoosi, samas kui intensiivsem stress võib põhjustada nekroosi.
Üheks tähtsamaks rakukahjustuse põhjuseks on vabade radikaalide kuhjumine. Vaba radikaal on keemiline ühend, mille välisorbiidil on üks paardumata elektron. Vabad radikaalid tekivad rakus:
- kiirgusenergia neeldumisel (UV-kiirgus, röntgenikiirgus);
- kehasisestes metaboolsetes oksüdatsiooniprotsessides;
- kemikaalide ja ravimite ainevahetuses.
Vabad radikaalid kahjustavad lipiide, mille tulemusel muutub rakumembraani, mitokondrite ja endoplasmaatilise retiikulumi membraanide struktuur, kaob membraanide võime reguleerida transmembraanseid ioongradiente. Kahjustuvad ka tsütoskleleti valkude struktuur, häiruvad geneetiline aparaat ja ensüümide struktuur.
•OH radikaal on kõige reaktiivsem vaba radikaal, mida bioloogilistes süsteemides leida võib. Ta reageerib enamiku biomolekulidega difusioonlimiteeritud kiirusel ning on võimeline põhjustama tõsiseid kahjustusi tekkimiskohast väikese raadiuse piirides. Võrreldes •OH-ga on •O2- väiksemat kahju tekitav vaba radikaal, reageerides väheste biomolekulidega. Teisalt võib•O2- kiiresti reageerida NO•-ga, andes peroksünitriti (ONOO-), mis on potentsiaalselt väga kahjulik, kuna võib genereerida hüdroksüülradikaale. Vesinikperoksiid võib oksüdeerida otseselt intratsellulaarseid komponente, kuid võrreldes eelnevatega on see tunduvalt vähem reaktiivne ühend. Ta on võimeline difundeeruma rakus ja rakkude vahel ning membraane läbima. H2O2 olulisus seisneb selles, et reageerides siirdemetallidega moodustub •OH. •OH ründab nii nukleiinhappeid, lipiide kui valke, samas kui •O2- ja H2O2 ei ründa DNAd ega algata lipiidide peroksüdatsiooni. Valgud kahjustuvad reaktiivsete hapnikuühendite toimel kas nende tioolrühmade oksüdatsioonil või teiste valgu koostises olevate aminohapete keemilisel modifikatsioonil.
Põhilised reaktiivsed ühendid| Oksüdant | Iseloomustus |
|---|
| •O2-, superoksiidanioon | Ühe paardumata elektroniga hapnikuradikaal. Tekib mitokondrite hingamisahelas molekulaarse hapniku üheelektronisel taandamisel ja ka NADPH oksüdaasi reaktsioonil fagotsüütide välismembraanil.[4] |
| H2O2, vesinikperoksiid | Tekib superoksiidaniooni ja vesiniku reaktsioonil ensüümi superoksiiddismutaas (SOD) katalüüsil. Ei ole ise radikaal, kuid on prekursoriks aktiivsete radikaalide tekkel. On lipiidides lahustuv, seega difundeerub läbi raku struktuuride, põhjustades radikaalide tekkimist ka mujal kui mitokondris.[8] |
| •OH, hüdroksüülradikaal | Moodustub Fentoni reaktsioonil ja peroksünitriti lagunemisel. Äärmiselt reaktiivne.[7] |
| HOCl, hüpokloorishape | Moodustub vesinikperoksiidi ja kloori reaktsioonil müeloperoksidaasi katalüüsil neutrofiilides. Oksüdeerib valkude tioolrühmi, trüptofaani ja metioniini. |
| ONOO-, peroksünitrit | Moodustub kiirel mitteensümaatilisel reaktsioonil •O2- ja NO vahel. Reageerib metalloensüümide keskmes asuvate siiredemetallidega (näiteks Fe-S klastris). Algatab lipiidide peroksüdatisooni. Nitreerib trürosiini, oksüdeerib valkude tioolrühmi, trüptofaani, metioniini ja histidiini. Läbib membraane. |
Reaktiivsete hapnikuühendite (ROS) allikadÜks reaktiivsete hapnikuühendite allikas normaalsetel tingimustel on nende lekkimine mitokondrist oksüdatiivsel fosforüleermisel. On hinnatud, et 3–5% kogu elektronide voolust viib reaktiivsete hapnikuühendite moodustamisele. •O2- tootmine võib toimuda ka spetsiifiliste ensüümide toimel (eelkõige oksüdaaside) ning puriinide (ksantiini oksüdaas), katehhoolamiinide (monoamiini oksüdaas), prostanoidide (lipoksügenaas) ja ksenobiootikumide (tsütokroom P450) metabolismil.
Reaktiivsed hapnikuühendid võivad eelmainitud reaktsioonides tekkida Ca2+ homöostaasi häirete, trauma või isheemia tagajärjel. Peamine •OH moodustumise allikas on H2O2 reaktsioon siirdemetalliioonidega, nagu Fe2+ või Cu2+ (Fentoni reaktsioon) või Fe2+ katalüüsitud reaktsioon H2O2 ja •O2- vahel (Haberi-Weissi reaktsioon). Hüdroksüülradikaalid tekivad ka preoksünitritist, mis füsioloogilisel pH-l laguneb. H2O2 moodustub •O2- dismutatsioonil, mida katalüüsib ensüüm superoksiidi dismutaas. H2O2 moodustub ka teiste oksüdaasensüümide toimel (näiteks aminohapete oksüdaasid).
Lämmastikoksiid (NO•) sünteesitakse aminohappest L-arginiin ensüümi lämmastikoksiidi süntaas katalüüsil endoteeli rakkudes (kui vaskulaarse toonuse regulaatorit), samuti ka paljudes teistes rakutüüpides (kui sekundaarset signaalmolekuli).
Aktiveeritud fagotsüüdid on võimelised genereerima •O2-, H2O2, HOCl ja NO• ühendeid, mis kõik võivad kaasa aidata koekahjustuse tekkele põletikuprotsessis.
Oksüdatiivne stress ja haigusedOksüdatiivset stressi peetakse oluliseks neurodegeneratiivsete haiguste patogeneesis, nagu Lou Gehrigi haigus (ehk motoneuroni haigus), Parkinsoni tõbi ja Alzheimeri tõbi Oksüdatiivset stressi seostatakse ka kardiovaskulaarsete haigustega, kuna madala tihedusega lipoproteiinide (LDL) oksüdatsioon endoteelis on prekursoriks kolesterooli ladestusele. Oksüdatiivne stress mängib ka rolli biokeemilises kaskaadis hüpoksiajärgse reperfusioonikahjustuse tekkel. Oksüdatiivne stress süvendab koekahjustust hüperoksiajärgselt ka diabeedi korral.
Oksüdatiivne stress on tõenäoliselt seotud kõrgest vanusest tulenevate vähkkasvajate moodustumisega. Aktiivsed ühendid võivad otseselt kahjustada DNA-d ja seega olla mutageensed ning samuti võivad maha suruda apoptoosi, indutseerida proliferatsiooni, invaseerumist ja metastaasi. Helicobacter pylori põhjustatud põletik, mille tõttu suureneb reaktiivsete hapniku- ja lämmastikuühendite tootmine maos, on oluline tegur maovähi tekkes.
Antioksüdandid lisanditenaAntioksüdantide manustamine haiguste ennetamiseks on leidnud vastakaid arvamusi. Suure riskiga gruppides, nagu seda on suitsetajad, võib suur doos sünteetilist beetakaroteeni kopsuvähki haigestumise tõenäosust suurendada. Väiksema riskiga grupis tundub E-vitamiini kasutamine vähendavat südamehaiguste väljakujunemise riski. Toit sisaldab laia valikut karotinoide ja E-vitamiine (tokoferoole ja tokotrienoole), seega ex post facto epidemioloogiliste uuringute tulemused võivad erineda pärast tehislikke eksperimente tehtud järeldustest, kuna viimasel juhul kasutatakse isoleeritud aineid. Siiski on ravimifirma AstraZeneca väljatöötatud radikaale eemaldav nitroonipõhine ravim NXY-059 näidanud efektiivset toimet insuldi tagajärgede ravis.
ImmuunkaitseImmuunsüsteem kasutab ära oksüdantide letaalseid efekte, tootes oksüdeerivaid ühendeid patogeenide tapmiseks. Aktiveerunud fagotsüüdid toodavad hapniku ning lämmastiku reaktiivseid ühendeid, nende seas •O2- ja •NO ja ONOO- Kuigi nende väga reaktiivsete ühendite kasutamine fagotsüütide tsütotoksilises vastuses kahjustab ka oma kudesid, on oksüdantide mittespetsiifilisus eelis, kuna kahjustab märklaudraku peaaegu igast aspektist, vältides olukorra teket, kus patogeen pääseb sellise immuunvastuse käest ühe märklaudmolekuli mutatsiooni abil.
Kaitsemehhanismid vabaradikaalse kahjustuse vastuMitokondrite roll hapniku vabade radikaalide tekke kontrollis
- Hapnikuradikaalide teke ja nendest vabanemine
Mitokondrid tõkestavad hapniku vabade radikaalide kahjustust sel viisil, et redutseerivad enamiku molekulaarsest hapnikust veeks, kandes üle neli elektroni. 1–3% juhtudest taandatakse tarvitatud hapnik üheelektronilise ülekandega, tekib superoksiid. See protsess leiab aset hingamisahela alguses ja keskosas, kus asuvad reaktiivsed elektroni ülekandjad (flaviinid, CoQ), mis elektroni sidudes muutuvad ise vabaradikaaliks (nt CoQ•- vabaradikaal). Superoksiid tehakse kahjutuks mitokondri ensüümi MnSOD abil. Moodustub H2O2, mis difundeerub kergesti läbi mitokondrite ja rakumemebraani ning lahustub kudedes. H2O2 lokaalne kontsentratsioon langeb kiiresti koos superoksiidi kahjustav toimega.
- Oksüdatsiooni ja fosforüleerimise kerge lahutamine
Mida suurem on mitokondrite membraanipotentsiaal, seda suurem on CoQ•- radikaali tekkekiirus ning hapniku vabade radikaalide teke. Kui ATP sünteesi kiirus mitokondrites on madal, näiteks lihasraku puhkeoleku seisundis, mil membraanipotentsiaal on maksimaalne, on superoksiidide tekkevõimalus suurem. Intensiivse ATP sünteesi juures (raske füüsilise töö puhul), mil membraanipotentsiaal on vähenenud, on superoksiidi moodustumise tõenäosus väiksem. Normaalselt talitlevas puhkeolekus rakus pidurdavad hapniku vabade radikaalide teket türeoidhormoonid ja vabad rasvhapped, mis soodustavad prootonite tagasileket mitokondri maatriksisse ning aitavad hoida membraanipotentsiaali hapniku vabade radikaalide tekkimiseks vajalikust lävest madalamal tasemel. Seega toimub oksüdatsiooni ja fosforüülimise lahutamine, millel on mitokondriaalse antioksüdantse kaitse mehhanismis oluline roll. Membraanipotentsiaali vähenemisel ei saa organism enam sünteesida ATPd. See on hind, mis tuleb organismil maksta sellist laadi kaitse eest.
Kui vaatamata oksüdatsiooni ja fosforüleerimise kergele lahutamisele •O2- siiski tekib, oksüdeerub mitokondrite intramembraanses ruumis paiknev tsütokroom c: CytC3+ + •O2- → CytC2+ + O2. Redutseeritud tsütokroom c (CytC2+) oksüdeerib uuesti hapnik tsütokroomoksüdaasses reaktsioonis. Võrrandist on näha, et tsütokroom c eemaldab superoksiidi ja taastoodab molekulaarse hapniku. See mehhanism on eriti tõhus siis, kui tsütokroom c väljub mitokondri välismembraani kahjustusel mitokondritest tsütoplasmasse. Seega tsütokroom c mitte ainult ei indutseeri apoptoosi, vaid avaldab ka antioksüdatset toimet.
Teised oksüdatiivset stressi limiteerivad mehhanismid
- Vabu radikaale konverteerivatest ensüümidest
on tähtsad mitokondriaalsed MnSOD ja tsütoplasmaatiliselt paiknevad superoksiidi dismutaas CuZnSOD ja katalaas ning glutatiooni peroksüdaas (katalüüsib vesinikperoksiidi taandamist glutatiooni oksüdatsiooni arvel). Nende ensüümide ekspressioon südamelihases hüpoksia/reoksügenisatsiooni-kahjustusel muutub oluliselt: kroonilise hüpoksia faasis nende ensüümide hulk väheneb, kuid reoksügenisatsioonifaasis (reperfusiooni) kasvab ja see muutus soodustab müokardi kaitset hapniku vabade radikaalide kahjustuse eest isheemiajärgsel reperfusioonil.
