Reaktivne vrste kisika

S Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Glavni izvori reaktivnih vrsta kiseonika u živim ćelijama[1][2]

Reaktivne vrste kisika, slobodni radikali kisika, skr. ROS (eng. Reactive Oxigen Species), su slobodne radikalske čestice kisika, atoma, molekula ili iona koje imaju jedan ili više nesparenih elektrona u svojoj strukturi. Nastaju kao međuproizvod u toku metabolizma kisika, jer su nestabilne i veoma reaktivne, zbog čega mogu izazvati lančane reakcije u organizmu.[3][4] Ove (nestabilne) čestice (ROS) zbog puno nesparenih elektrona u spoljašnjoj orbiti, veoma agresivno traže druge molekule, u nastanku da iz njih ozmu njihove elektrone, stvarajući tako nove radikale i tako održavaju oksidativni ciklus. Sama molekula kisika ima dva nesparena elektrona sa istim spin skim brojevima u sponskim orbitama i tehnički prema elektronskim par donora.

Reaktivne vrste kisika u organizmu ispoljavaju pozitivna i negativna dejstva. Nastale kao sporedni proizvod normalnog metabolizma kisika, ROS imaju važnu ulogu u ćelijskoj signalizaciji; leukociti koriste mehanizme borbe protiv različitih mikroorganizama, zbog njihovih citotoksičnih aktivnosti itd. S druge strane, izloženost negativnim uticajima na životno okruženje organizma (npr. izloženost radioaktivnom, mikrotalasnom ultraljubičastom ili radiotalasnom zračenu)[5] ili toploti, može uticati na značajno povećanje ovih spojeva, koji u velikim koncentracijama može izazvati obimno oštećenje ćelijskih struktura kao što je citoskelet.

Reaktivne vrste kisika (ROS) su visoko reaktivne hemikalije nastale od O2. Primjeri ROS uključuju perokside, superokside, hidriksilne radikale, jednoatomski kisik,[6] i alfa-kisik.

Redukcijom molekulnog kisika (O2) nastaje superoksid (O
2
), koji je prekursor većine reaktivnih vrsta kisika:[7]

O2 + eO
2

Dismutacija superoksida proizvodi vodik-peroksid (H2O2):[7]

2 H+ + O
2
+ O
2
→ H2O2 + O2

Vodik-peroksid se zauzvrat može djelomično reducirati, stvarajući tako hidroksidne ione i hidroksilne radikale (OH), ili potpuno reducirati u vodu:<:[7]

H2O2 + e → HO + OH
2 H+ + 2 e + H2O2 → 2 H2O

U biološkom kontekstu, ROS su nusproizvodi normalnog metabolizma kisika. ROS imaju uloge u ćelijskoj signalizaciji i homeostazi].[8][9] ROS su suštinski za ćelijsko funkcionisanje i prisutni su na niskim i stacionarnim nivoima u normalnim ćelijama. U povrću, ROS su uključeni u metaboličke procese koji se odnose na fotozaštitu i toleranciju na različite vrste stresa.[10] Međutim, ROS može uzrokovati nepovratna oštećenja DNK, jer oksidiraju i modificiraju neke ćelijske komponente i sprječavaju ih da obavljaju svoje izvorne funkcije. Ovo sugerira da ROS ima dvostruku ulogu; da li će djelovati kao štetni, zaštitni ili signalni faktori ovisi o ravnoteži između proizvodnje ROS-a i odlaganja u pravo vrijeme i na pravom mjestu.[11] Drugim riječima, toksičnost kisika može nastati i zbog nekontrolirane proizvodnje i zbog neefikasne eliminacije ROS putem antioksidativnog sistema. Tokom trajanja okolinskog stresa, nivoi ROS mogu dramatično porasti.[8] To može dovesti do značajnog oštećenja ćelijskih struktura. Kumulativno, ovo je poznato kao oksidativni stres. Na proizvodnju ROS-a snažno utiču reakcije faktora stresa u biljkama; ovi faktori koji povećavaju proizvodnju ROS-a uključuju sušu, salinitet, hlađenje, odbranu od patogena, nedostatak nutrijenata, toksičnost metala i UV-B zračenje. ROS se također generirajuu iz egzogenih izvora kao što je ionizirajuće zračenje[12] stvarajući nepovratne učinke u razvoju tkiva i kod životinja i kod biljaka.[13]

Izvori proizvodnje ROS[uredi | uredi izvor]

Mehanizmi djelovanja slobodnih radikala u povredi tkiva: toksičnost slobodnih radikala izazvana ksenobioticima i naknadna detoksikacija ćelijskim enzimima (terminacija).

Endogeni izvori[uredi | uredi izvor]

ROS se proizvode biohemijskim reakcijama koje se javljaju tokom procesa disanja i fotosinteze u organelama kao što su mitohondrije, peroksizomi i hloroplasti.[14][15][16] Tokom procesa disanja, mitohondrije pretvaraju energiju za ćeliju u upotrebljiv oblik, adenozin-trifosfata (ATP). Proces proizvodnje ATP-a u mitohondrijama, zvani oksidativna fosforilacija, uključuje transport protona (ioni vodika) kroz unutrašnju mitohondrijsku membranu pomoću transportnog lanca elektrona. U lancu transporta elektrona, oni prolaze kroz niz proteina, putem oksidaciono-redukcionih reakcija, pri čemu svaki akceptor protona duž lanca ima veći potencijal redukcije od prethodnog. Posljednje odredište elektrona duž ovog lanca je molekula kisika. U normalnim uslovima, kisik se redukuje da bi se proizvela voda; međutim, u oko 0,1-2% elektrona koji prolaze kroz lanac (ovaj broj proizilazi iz studija u izolovanim mitohondrijama, iako se tačna stopa u živim organizmima tek treba u potpunosti dogovoriti), umjesto toga, kisik se prerano i nepotpuno reducira, kako bi se dobio superoksidni radikal (O
2
), najbolje dokumentovan za kompleks I i kompleks III.[17]

Ostali izvor proizvodnje ROS-a u životinjskim ćelijama su reakcije prijenosa elektrona koje kataliziraju mitohondrijski P450 sistemi u steroidogenim tkivima.[18] Ovi P450 sistemi zavise od transfera elektrona sa NADPH na P450. Tokom ovog procesa, neki elektroni "cure" i reaguju sa O2, stvarajući superoksid. Da bi se nosili s ovim prirodnim izvorom ROS-a, steroidogena tkiva, jajnici i testisi, imaju veliku koncentraciju antioksidansa, kao što su vitamin C (askorbat) i β-karoten i anti-oksidativni enzimi.[19]

Ako je u mitohondrijama prisutno previše oštećenja, ćelija prolazi kroz apoptozu ili programiranu ćelijsku smrt.[20][21]

Osim toga, ROS se proizvodi u signalizaciji imunskih ćelija, putem NOX-a. Fagocitne ćelije kao što su neutrofili, eozinofili i monojedarni fagociti proizvode ROS kada su stimulirani.[22][23]

U hloroplastima, reakcije karboksilacije i oksigenacije koje katalizira rubisco osiguravaju da se funkcioniranje lanca transporta elektrona (ETC) odvija u okruženju bogatom O2 . Curenje elektrona u ETC-u će neizbježno proizvesti ROS unutar hloroplasta.[11] Nekada se vjerovalo da je ETC u fotosistemu I (PSI) jedini izvor ROS u hloroplastima. Prema Huang et al.[24] tok elektrona iz pobuđenih reakcionih centara usmjerava se na NADP i oni se redukuju u NADPH, a zatim ulaze u Calvinov ciklus i reduciraju konačni akceptor elektrona, CO2. U slučajevima kada postoji preopterećenje ETC-a, dio toka elektrona se preusmjerava sa feredoksina na O2, formirajući superoksidni slobodni radikal (Mehlerova reakcija). Osim toga, curenje elektrona u O2 može se dogoditi i iz klastera 2Fe-2S i 4Fe-4S u PSI ETC. Međutim, PSII također pruža lokacije curenja elektrona (QA, QB) za O2 koje proizvode O2.[25][26] Superoksid (O2-) generira se iz PSII, umjesto iz PSI; QB je prikazano kao lokacija za generaciju O2•-.[25]

Egzogeni izvori[uredi | uredi izvor]

Formiranje ROS može biti stimulirano raznim agensima kao što su zagađivači, teški metali,[2] duhan, dim, lijekovi, ksenobiotici ili zračenje. U biljkama, pored djelovanja suhih abiotskih faktora, visoka temperatura, interakcija s drugim živim bićima može utjecati na proizvodnju ROS.

Ionizirajuće zračenje može stvoriti štetne intermedijere putem interakcijed s vodom, proces koji se naziva radioliza. Budući da voda čini 55-60% ljudskog tijela, vjerovatnoća radiolize je prilično visoka pod prisustvom ionizujućeg zračenja. U tom procesu voda gubi elektron i postaje vrlo reaktivna. Zatim, putem lančane reakcije u tri koraka, voda se sekvencijski pretvara u hidroksilni radikal (OH), vodik-peroksid (H2O< sub>2), superoksidni radikal (O
2
), i na kraju kisik (O2).

Hidroksilni radikal je izuzetno reaktivan i odmah uklanja elektrone iz bilo koje molekule na svom putu, pretvarajući je u slobodni radikal i na taj način šireći lančanu reakciju. Međutim, vodik-peroksid je zapravo štetniji za DNK od hidroksilnog radikala, budući da niža reaktivnost vodik-peroksida daje dovoljno vremena da molekula otputuje u ćelijsko jedro, a zatim reaguje sa makromolekulama kao što je DNK.

U biljkama, proizvodnja ROS događa se tokom abiotskog stresa koji dovodi do smanjenja ili prekida metaboličke aktivnosti. Naprimjer, povećanje temperature i suša su faktori koji ograničavaju dostupnost CO2 zbog zatvaranja stoma, povećavajući proizvodnju ROS, kao što je O2sub>·- i 1O2 u hloroplastima.[27][28] Proizvodnja 1O2 u hloroplastima može uzrokovati reprogramiranje ekspresije jedarnih gena koji dovodi do hloroza i programirane ćelijske smrti.[28] U slučajevima biotskog stresa, stvaranje ROS se u početku događa brzo i slabo, a zatim postaje čvršće i trajnije.[29] Prva faza akumulacije ROS povezana je sa infekcijom biljke i vjerovatno je nezavisna od sinteze novih enzima koji stvaraju ROS. Međutim, druga faza akumulacije ROS-a povezana je samo sa infekcijom nevirulentnim patogenima i indukovana je reakcija koja zavisi od povećane iRNK enzima koji kodiraju transkripciju.

Oštećujući efekti[uredi | uredi izvor]

Učinci ROS-a na ćelijski metabolizam dobro su dokumentirani kod raznih vrsta.[2] Uključuju ne samo uloge u apoptozama (programiranoj ćelijskoj smrti) već i pozitivne efekte kao što je indukcija odbrane domaćinskih [30][31]gena i mobilizacija ionskih transportera. To implicira kontrolu nad ćelijskom funkcijom. Konkretno, trombociti uključeni u popravku rana i homeostaze krvi oslobađaju ROS za regrutaciju dodatnih trombocita na mjesta povreda. Oni takođe omogućavaju vezu sa aptivnim imunskim sistemom putem regrutacije leukocit.

Reaktivne vrste kisika uključene su u ćelijsku aktivnost na različite upalne odgovore uključujući kardiovaskularne bolesti. Mogu biti uključeni i u oštećenje sluha putem pužničnog oštećenja uzrokovanog povišenim nivoima zvuka, u ototoksičnosti lijekova kao što je cisplatin i u urođenoj gluhoći i kod životinja i kod ljudi. ROS su također uključene u posredovanje apoptoze ili programirane ćelijske smrti i ishemijske povrede. Konkretni primjeri uključuju moždani udar i srčani udar.

Općenito, štetni efekti reaktivnih vrsta kiseonika na ćeliju su najčešće:[32]

  1. oštećenje DNK i/ili RNK
  2. oksidacije polinezasićenih masnih kiselina u lipidima (lipidna peroksidacija)
  3. oksidacije aminokiselina u proteinima
  4. oksidativna deaktivacija specifičnih enzima oksidacijom kofaktora

Također pogledajte[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Novo E, Parola M (oktobar 2008). "Redox mechanisms in hepatic chronic wound healing and fibrogenesis". Fibrogenesis & Tissue Repair. 1 (1): 5. doi:10.1186/1755-1536-1-5. PMC 2584013. PMID 19014652.
  2. ^ a b c Muthukumar K, Nachiappan V (decembar 2010). "Cadmium-induced oxidative stress in Saccharomyces cerevisiae". Indian Journal of Biochemistry & Biophysics. 47 (6): 383–7. PMID 21355423.
  3. ^ Ferreira AR, Bonatto F, Pasquali MA, Polydor M, et al. Oxidative stress effects on the central nervous system of rats after acute exposure to ultra-high frequency electromagnetic fields.Bioelectromagnetics 27:487-493.(2006)
  4. ^ Halliwell B. Oxydants and human disease: some mew consepts FFASEBJ.1 358-364;1987
  5. ^ Hoyt A, Luukkonen J, Juutilainen J, Naarala J. (2008) Title Proliferation, Oxidative Stress and Cell Death in Cells Exposed to 872 MHz Radiofrequency Radiation and Oxidants. Journal Radiat Res. 170 (2) :235-243.
  6. ^ Hayyan M, Hashim MA, AlNashef IM (mart 2016). "Superoxide Ion: Generation and Chemical Implications". Chemical Reviews. 116 (5): 3029–85. doi:10.1021/acs.chemrev.5b00407. PMID 26875845.
  7. ^ a b c Turrens JF (oktobar 2003). "Mitochondrial formation of reactive oxygen species". The Journal of Physiology. 552 (Pt 2): 335–44. doi:10.1113/jphysiol.2003.049478. PMC 2343396. PMID 14561818.
  8. ^ a b Devasagayam TP, Tilak JC, Boloor KK, Sane KS, Ghaskadbi SS, Lele RD (oktobar 2004). "Free radicals and antioxidants in human health: current status and future prospects". The Journal of the Association of Physicians of India. 52: 794–804. PMID 15909857.
  9. ^ Edreva, Aglika (2. 4. 2005). "Generation and scavenging of reactive oxygen species in chloroplasts: a submolecular approach". Agriculture, Ecosystems & Environment (jezik: engleski). 106 (2): 119–133. doi:10.1016/j.agee.2004.10.022. ISSN 0167-8809. Pristupljeno 3. 11. 2020.
  10. ^ Grant JJ, Loake GJ (septembar 2000). "Role of reactive oxygen intermediates and cognate redox signaling in disease resistance". Plant Physiology. 124 (1): 21–9. doi:10.1104/pp.124.1.21. PMC 1539275. PMID 10982418.
  11. ^ a b Edreva, Aglika (2. 4. 2005). "Generation and scavenging of reactive oxygen species in chloroplasts: a submolecular approach". Agriculture, Ecosystems & Environment (jezik: engleski). 106 (2): 119–133. doi:10.1016/j.agee.2004.10.022. ISSN 0167-8809.
  12. ^ Sosa Torres ME, Saucedo-Vázquez JP, Kroneck PM (2015). "Chapter 1, Section 3 The dark side of dioxygen". u Kroneck PM, Torres ME (ured.). Sustaining Life on Planet Earth: Metalloenzymes Mastering Dioxygen and Other Chewy Gases. Metal Ions in Life Sciences. 15. Springer. str. 1–12. doi:10.1007/978-3-319-12415-5_1. PMID 25707464.
  13. ^ Mittler R (januar 2017). "ROS Are Good". Trends in Plant Science. 22 (1): 11–19. doi:10.1016/j.tplants.2016.08.002. PMID 27666517.
  14. ^ Dietz KJ (januar 2016). "Thiol-Based Peroxidases and Ascorbate Peroxidases: Why Plants Rely on Multiple Peroxidase Systems in the Photosynthesizing Chloroplast?". Molecules and Cells. 39 (1): 20–5. doi:10.14348/molcells.2016.2324. PMC 4749869. PMID 26810073.
  15. ^ Muller F (oktobar 2000). "The nature and mechanism of superoxide production by the electron transport chain: Its relevance to aging". Journal of the American Aging Association. 23 (4): 227–53. doi:10.1007/s11357-000-0022-9. PMC 3455268. PMID 23604868.
  16. ^ Han D, Williams E, Cadenas E (januar 2001). "Mitochondrial respiratory chain-dependent generation of superoxide anion and its release into the intermembrane space". The Biochemical Journal. 353 (Pt 2): 411–6. doi:10.1042/0264-6021:3530411. PMC 1221585. PMID 11139407.
  17. ^ Li X, Fang P, Mai J, Choi ET, Wang H, Yang XF (februar 2013). "Targeting mitochondrial reactive oxygen species as novel therapy for inflammatory diseases and cancers". Journal of Hematology & Oncology. 6 (19): 19. doi:10.1186/1756-8722-6-19. PMC 3599349. PMID 23442817.
  18. ^ Hanukoglu I, Rapoport R, Weiner L, Sklan D (septembar 1993). "Electron leakage from the mitochondrial NADPH-adrenodoxin reductase-adrenodoxin-P450scc (cholesterol side chain cleavage) system". Archives of Biochemistry and Biophysics. 305 (2): 489–98. doi:10.1006/abbi.1993.1452. PMID 8396893.
  19. ^ Hanukoglu I (2006). "Antioxidant protective mechanisms against reactive oxygen species (ROS) generated by mitochondrial P450 systems in steroidogenic cells". Drug Metabolism Reviews. 38 (1–2): 171–96. doi:10.1080/03602530600570040. PMID 16684656. S2CID 10766948.
  20. ^ Curtin JF, Donovan M, Cotter TG (juli 2002). "Regulation and measurement of oxidative stress in apoptosis". Journal of Immunological Methods. 265 (1–2): 49–72. doi:10.1016/s0022-1759(02)00070-4. PMID 12072178.
  21. ^ Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Morgan, David; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter (2014). Molecular Biology of the Cell (6 izd.). New York: Garland Science. str. 1025. ISBN 978-0-8153-4432-2.
  22. ^ Herb M, Schramm M (februar 2021). "Functions of ROS in Macrophages and Antimicrobial Immunity". Antioxidants. 10 (2): 313. doi:10.3390/antiox10020313. PMC 7923022. PMID 33669824.
  23. ^ Chen, Xinfeng; Song, Mengjia; Zhang, Bin; Zhang, Yi (28. 7. 2016). "Reactive Oxygen Species Regulate T Cell Immune Response in the Tumor Microenvironment". Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2016: 1–10. doi:10.1155/2016/1580967. PMC 4980531. PMID 27547291.
  24. ^ Huang H, Ullah F, Zhou DX, Yi M, Zhao Y (2019). "Mechanisms of ROS Regulation of Plant Development and Stress Responses". Frontiers in Plant Science. 10: 800. doi:10.3389/fpls.2019.00800. PMC 6603150. PMID 31293607.
  25. ^ a b Zhang, Suping; Weng, Jun; Pan, Jingxi; Tu, Tiecheng; Yao, Side; Xu, Chunhe (1. 1. 2003). "Study on the photo-generation of superoxide radicals in Photosystem II with EPR spin trapping techniques". Photosynthesis Research (jezik: engleski). 75 (1): 41–48. doi:10.1023/A:1022439009587. ISSN 1573-5079. PMID 16245092. S2CID 11724647.
  26. ^ Cleland, Robyn E.; Grace, Stephen C. (3. 9. 1999). "Voltammetric detection of superoxide production by photosystem II". FEBS Letters (jezik: engleski). 457 (3): 348–352. doi:10.1016/S0014-5793(99)01067-4. PMID 10471806. S2CID 1122939.
  27. ^ Baniulis D, Hasan SS, Stofleth JT, Cramer WA (decembar 2013). "Mechanism of enhanced superoxide production in the cytochrome b(6)f complex of oxygenic photosynthesis". Biochemistry. 52 (50): 8975–83. doi:10.1021/bi4013534. PMC 4037229. PMID 24298890.
  28. ^ a b Kleine T, Leister D (august 2016). "Retrograde signaling: Organelles go networking". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. 1857 (8): 1313–1325. doi:10.1016/j.bbabio.2016.03.017. PMID 26997501.
  29. ^ Grant JJ, Loake GJ (septembar 2000). "Role of reactive oxygen intermediates and cognate redox signaling in disease resistance". Plant Physiology. 124 (1): 21–9. doi:10.1104/pp.124.1.21. PMC 1539275. PMID 10982418.
  30. ^ Rada B, Leto TL (2008). "Oxidative innate immune defenses by Nox/Duox family NADPH oxidases". u Egesten A, Schmidt A, Herwald H (ured.). Trends in Innate Immunity. Contributions to Microbiology. 15. Basel: Karger. str. 164–87. doi:10.1159/000136357. ISBN 978-3-8055-8548-4. PMC 2776633. PMID 18511861. — Review
  31. ^ Conner GE, Salathe M, Forteza R (decembar 2002). "Lactoperoxidase and hydrogen peroxide metabolism in the airway". American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 166 (12 Pt 2): S57-61. doi:10.1164/rccm.2206018. PMID 12471090.
  32. ^ Brooker RJ (2011). Genetics: analysis and principles (4th izd.). McGraw-Hill Science. ISBN 978-0-07-352528-0.

Dopunska literatura[uredi | uredi izvor]

Vanjski linkovi[uredi | uredi izvor]