Оксидативен стрес

ТРАКИЙСКИ УНИВЕРСИТЕТ – МЕДИЦИНСКИ ФАКУЛТЕТ

Виктория Трендафилова Трендафилова
специалност: медицина

Физиологично активни вещества и влиянието имвърху антиоксидативната защитна система на организма

РЕФЕРАТ

Оксидативен стрес

Фундаментът на всеки жив организъм се крие в способността на клетките да произвеждат кислород и да поддържат жизнените си функции. Биохимичните процеси естествено водят до образуването на реактивни кислородни радикали. Клетките обичайно са способни да балансират продукцията на оксиданти, а и не всички са вредни за нас. Но когато равновесието в организма се наруши и нивото на свободните радикали се повиши, след изчерпването на антиоксидантите се предизвиква т.нар. оксидативен стрес. Той води до увреждане на клетките, което стои в основата на процесите на стареене и развитието на редица заболявания. Нарушенията в нормалното окислително-възстановително състояние на клетките могат да доведат до появата на токсични ефекти чрез производството на пероксиди , които увреждат всички компоненти на клетката, включително , липидите и . Освен това някои от активните форми на кислорода играят ролята на клетъчни посредници в процеса на . По този начин оксидативният стрес може да наруши нормалните механизми на клетъчната сигнализация.
ROS - реактивни кислородни видове (Reactive Oxygen Speciece)
ROS (O2-, Н2О2, ОН-), получаващи се в резултат на аеробния метаболизъм обичайно са в равновесие с антиоксидантните молекули в клетка. Оксидаривния стрес се поражда, когато това устойчиво равновесие се наруши, поради изчерпване на антиоксидантите, повишаване на нивото на ROS или поради действието на двата фактора.
Вътреклетъчни източници на ROS
Независимо, че по-голямата част от кислорода, който се усвоява от аеробните клетки, се редуцира до вода без освобождаването в клетъчната среда на токсични съединения, съществуват редица ензимни и не-ензимни реакции за получаване на тези реактивни кислородни видове. Могат да бъдат идентифицирани голям брой такива вътреклетъчни източници на ROS. Участието на всеки един източник в определена клетъчна дисфункция е трудно оределима и относителната роля на всеки един токсичен вид варира в зависимост от специфичните експериментални условия. Много често формирането на радикали е вторично и е следствие от друг процес, нарушаващ клетъчната цялост. Така например нарушаването на митохондриалната интактност може да доведе до натрупване на излишък от ROS.
Митохондрии
Митохондриите и по-точно митохондриалните електрон транспортни вериги, разположени във вътрешната митохондриална мембрана, са основен механизъм за генериране на клетъчна енергия и са основно вътреклетъчно място, което активно и непрекъснато формира ROS. Широко известния механизъм за редукция на молекулярния О2 в клетките включва цитохром с оксидазата, която катализира четриелектронната редукция на кислорода и отделянето на две молекули Н2О. Освобождаването на частично редуцирани кислородни междинни продукти не се осъществява по време на този процес поради високия свързващ афинитет на цитохром c. Независимо от това, около 12 % от кислорода, редуциращ се от митохондриите се превръща в О2- в междинните стъпала на митохондриалната дихателна верига. Този продукт може да се формира, както при реакции катализирани от НАДФдехидрогеназата, така и от коензим Q. О2- се генерира при автоокислениетона редуцираните електронни носители и количеството на отделените радикали зависи както от редокс състоянието на електронния носител, така и от концентрацията на кислород във въздуха. Редица данни сочат, че основния сайт за отделяне на О2-, с последващо генериране на Н2О2, в митохондриите е убисемихинона и в по-малка степен НАДФ дехидрогеназата.
ЕПР
Независимо, че митохондриите са най-важния източник на ROS продукти, те не са единственото място за вътреклетъчен оксидативен стрес. Така например ендоплазматичната мембранна система съдържа фамилия от оксидазни ензими, чиято цел е да окисляват разнообразни ксенобиотици. Както при митохондриите и тук може да се наблюдава изтичане на активни кислородни видове, което да доведе до нарушаване на заобикалящите клетъчни структури. Допълнително, метаболизирането на ксенобиотиците от ендоплазматичните ензими може да доведе и до директното формиране на ROS.
Пероксизоми
Друг важен вътреклетъчен източник за генериране на токсични кислородни видове, са пероксизомите. В тези органели същeствуват поне две места, в които в следствие на нормалния метаболизъм, се наблюдава изтичане на ROS.
Цитозол
Действието на различни ендогенни източници може до доведе до увеличаване количеството на токсични кислородни видове в цитоплазмата. Усвояването на специфични субстрати от дрождевите клетки, като метанол например, или функционирането на НАДФ-оксигеназата, разположена на вътрешната страна на цитоплазмената мембрана може да доведе до увеличаване потока от О2- в цитоплазмата. От друга страна детоксификацията на формирания супероксиден анион от цитоплазмената Cu/Zn SOD води до увеличаване на вътрклетъчната концентрация на H2O2.
Извънклетъчни източници на ROS
Освен различните физиологични източници на ROS съществуват и разнообразни екзогенни такива, които могат да допринесат за увеличаването на вътреклетъчното ниво на активни кислородни видове. Повечето от тези агенти предизвикват генериране на супероксиден анион (О2-) и водороден пероксид (Н2О2). Такива източници са йонизиращото и UV лъчение, които предизвикват радиолиза на водата, в следствие на която се оформират разнообразни силно реактивни свободни радикали и молекулни продукти, които веднага реагират с голям брой клетъчни структури и молекули. Към екзогенните източници на ROS се отнасят и голям брой синтетични и природни химични съединения и озона. Механизмите за генериране на тези радикали са отностелно малко на брой. Някои от тези екзогенни химични източници могат да се окисляват и редуцират циклично в биологичните системи, вследствие на което се приема електрон и се формира свободен радикал. Обичайно, съединението се редуцира до нестабилен междинен продукт, който отдава приетия електрон на молекула кислород. Съществува голямо разнообразие от ензими, които могат да катализират тези процеси и по този начин да довеждат до нарушаване на клетъчния окислително-редукционен баланс.

Съществуват пет основни реакции, характерни за радикалите (пренос на водород; електронен пренос; реакция на присъединяване; реакция с образуване на краен продукт; реакция на диспропорциониране). Тези процеси включват биологичните молекули, като ДНК, белтъци, липиди и се извършват постоянно като резултат от аеробната среда в която се развиват всички живи организми. Акумулативния ефект от множеството изменения, които настъпват вследствие въздействието на активните кислородни видове, е една от основните причини за настъпване на клетъчна смърт.
Окисление на липиди
Прекисното окисление на биологичните мембрани причинява промени в тяхната функционалност, мембранен потенциал, повишен пермеабилитет за Н+ и други йони, разцепване понякога последвано от освобождаване на клетъчно и органелносъдържимо (например лизозомални хидролитични ензими). Някои от продуктите на липидна пероксидация (зависи от металните йони) също са цитотоксични. Липидните пероксиди и / или цитотоксични алдехиди, получени от тях могат да блокират действието на макрофагите, да инхибират протеиновата синтеза, убиват бактерии, инактивират ензими, агрегират протеини, генерират тромби и действат като хемотоксини за фагоцитите. Голям брой цитотоксични фактори са намерени в серум от пациенти с различни заболявания на тъканите. Не всички оксидативни липидни окисления са опасни за клетката. Те могат да имат и протективна роля за клетката. Образуването на липидни прекиси в увредени клетки, може да помага на растенията да убиват спори и гъби.
Окисление на белтъците
През последните години, белтъците са обект на засилен интерес, тъй като те са другата основна мишена за токсичното въздействие на активните кислородни видове. Окислението на белтъците може да доведе до модифициране на аминокиселините, в следствие на което да се формират карбонилни или други окислени остатъци. Може да се наблюдава и загуба на важни сулфхидрилни групи. Окислените белтъци са много по-податливи на клетъчна протеолиза, но въпреки това с възрастта се наблюдава натрупване на белтъчни карбонилни групи. Това увеличаване на окислени белтъци вероятно е свързано с процесите на стареене и със загубата на определени биохимични и физиологични функции. То може също така да доведе и до настъпването на непоправими повреди и на други клетъчни макромолекули като ДНК.
Окислителното деградиране на протеини се проявява веднага (без лаг фаза) след третиране на животински клетки или микроорганизми с оксиданти. Измерването на протеиновата деградация е много чувствителен и полезен метод за оценка на оксидативния стрес. Освен формирането на свързани протеинови агрегати, оксидативното третиране може да доведе до увеличаване на количеството на модифицираните белтъци и пептидни фрагменти. Установено е, че модифицираните протеини са предпочитани субстрати за протеолиза.
Нарушаване на ДНК
Един от механизмите обясняващ клетъчната смърт след излагане на действието на ROS включва ензима поли(АДФ-рибоза)полимераза, която се активира вследствие на настъпване на повреди в ДНК. Веднъж след като се активира поли(АДФ-рибоза)полимеразата, тя използва големи количества от НАД за да репарира ДНК, която е повредена от ROS. Предполага се, че взаимодействието на ROS с ДНК повлиява регулацията на определени гени, което може да доведе до промени, които могат да бъдат както пагубни така и полезни за клетката. Тези взаимодействия могат да представляват директна модификация на ДНК, или да влияят чрез изменения в транскрипционните фактори или ензимите, участващи в регулацията на генната експресия.
Ковалентно свързване
Свободно – радикаловите допълнителни реакции могат в крайна сметка дадоведат до ковалентно свързване на ксенобиотоиците към различни биомолекули. Такова свързване към важни макромолекули, някога се е смятало за пряка причина заклетъчното увреждане. Връзката между ковалентното свързване и токсичността обаче все още не е напълно изяснена, тъй като са идентифицирани много съединения, които се свързват много лесно, но очевидно не увреждат клетките. Независимо от това, ковалентното свързване е показател за формирането на реактивни радикали. В зависимост от специфичността на атакуваната молекула, необратимото свързване на свободно – радикалови метаболити към тъканните макромолекули изглежда имат разрушаваща функция и е вероятен механизъм, водещ до клетъчна смърт.
Нарушение на Ca2+ - хомеостаза
Основен елемент, който през последните години е обект на засилено изучаване като медиатор на клетъчни повреди, е калция. Вътреклетъчното съдържание на калции нормално е 10,000 пъти по-малко от това на извънклетъчни