Stres oksydacyjny – stan braku równowagi pomiędzy działaniemreaktywnych form tlenu a biologiczną zdolnością do szybkiej detoksykacji reaktywnych produktów pośrednich lub naprawy wyrządzonych szkód. Wszystkie formyżycia utrzymują w komórkach środowiskoredukujące, które jest zachowywane przez aktywnośćenzymów podtrzymujących stan redukcji poprzez ciągły dopływ energii metabolicznej. Zaburzenia w prawidłowym stanie redukcji mogą wywołać toksyczne działanie poprzez produkcjęnadtlenków iwolnych rodników, powodujących oksydacyjne uszkodzenia wszystkich składników komórki, a szczególnie dotkliwe dla komórki są uszkodzeniabiałek,lipidów iDNA[1].
Stres oksydacyjny ma u ludzi znaczenie w takich chorobach, jakmiażdżyca,choroba Parkinsona czychoroba Alzheimera, ale może także odgrywać znaczącą rolę w zapobieganiu starzenia się w mechanizmiemitohormezy. Reaktywne formy tlenu mogą przynosić korzyści, ponieważ są m.in. używane przezukład immunologiczny do atakowania i zabijaniapatogenów. Reaktywne formy tlenu mają także znaczenie wsygnalizacji komórkowej, co określa się jako sygnalizację redoks.
W aspekcie chemicznym, stres oksydacyjny jest dużym wzrostem komórkowego potencjału redukcyjnego (staje się mniej ujemny) lub inaczej, dużym spadkiem możliwości redukcyjnych komórkowych ogniwredoks, takich jakglutation[2]. Efekty działania stresu oksydacyjnego zależą od jego zasięgu; większe komórki mogą sobie poradzić z lokalnymi małymi perturbacjami i odzyskać pierwotny stan. Jednakże większy stres oksydacyjny może spowodować śmierć komórki. Nawet umiarkowana oksydacja może wywołaćapoptozę, a silniejszy stres może doprowadzić domartwicy[3].
Szczególnie destrukcyjnym elementem stresu oksydacyjnego jest produkcja reaktywnych form tlenu, do których zalicza się wolne rodniki i nadtlenki. Niektóre mniej reaktywne formy (takie jakponadtlenki) mogą zostać zredukowane przezmetale przejściowe lub inne reduktory (np.chinony) do bardziej agresywnych form rodników, które mogą spowodować w komórce rozległe uszkodzenia[4]. Większość tych form tlenowych jest produkowana w niewielkiej ilości w trakcie normalnegometabolizmu aerobowego, a uszkodzenia, które wywołują, są na bieżąco naprawiane. Jednakże wysoki poziom stresu oksydacyjnego powoduje zmniejszenie puliATP, co uniemożliwia wejście komórki na drogę kontrolowanej, apoptotycznej śmierci, powodując jej martwicę[5][6].
| Utleniacz | Opis |
|---|---|
| O•− 2 (anionorodnikponadtlenkowy) | Powstaje w wyniku wielu reakcji autooksydacji i włańcuchu transportu elektronów. Raczej niereaktywny, ale może usuwać jonyFe2+ z białek siarkowo-żelazowych i zferrytyny. Ulega spontanicznemu lub katalizowanemu enzymatyczniedysproporcjonowaniu doH 2O 2. Jest prekursoremOH• . |
| H 2O 2 (nadtlenek wodoru) | Powstaje w wyniku dysproporcjonowaniaO•− 2 lub w wyniku bezpośredniej redukcjiO 2. Rozpuszczalny w tłuszczach i dlatego możedyfundować przez błony. |
| OH• (rodnik hydroksylowy) | Powstaje wreakcji Fentona (Fe2+ + H 2O 2 → Fe3+ + OH• + OH− ). Niezwykle reaktywny, atakuje większość składników komórkowych. |
| ROOH (organiczny hydroksynadtlenek) | Powstaje w reakcjach rodników ze składnikami komórkowymi, takimi jak tłuszcze izasady azotowe. |
| RO• (rodnik alkoksylowy) iROO• (rodnik peroksyalkoksylowy) | Rodniki organiczne z niesparowanym elektronem na atomie tlenu. Pochodne lipidowe powstają w wyniku peroksydacji tłuszczów. Powstają w obecności tlenu, przezaddycję rodnikową do wiązań podwójnych lub przez oderwanie protonu. |
| HOCl (kwas podchlorawy) | Powstaje zH 2O 2 w wyniku działaniamieloperoksydazy. Rozpuszczalny w tłuszczach, wysoce reaktywny. Łatwo utlenia składniki białek, m.in.grupy tiolowe, grupyaminowe imetioninę. |
| ONOO− (anion nadtlenoazotynowy) | Powstaje w gwałtownej reakcjiO•− 2 iNO• . Rozpuszczalny w tłuszczach, o reaktywności zbliżonej do HOCl. Po sprotonowaniu tworzykwas azotowy, który może ulegać homolitycznemu rozpadowi na rodnik hydroksylowy (OH• ) itlenek azotu(IV) (NO 2). |
Najważniejszym źródłem reaktywnych form tlenu w warunkach normalnych u organizmów aerobowych jest prawdopodobnie „wyciekanie” zaktywowanego tlenu zmitochondriów w czasie normalnego oddychania tlenowego.
Do innych enzymów, które potrafią produkować ponadtlenki należąoksydaza ksantynowa, oksydazy NADPH ioksydazy cytochromu P450. Nadtlenek wodoru jest produkowany przez liczne enzymy, w tym kilka oksydaz. Reaktywne formy tlenu odgrywają znaczącą rolę w sygnalizacji komórkowej, w procesie zwanym sygnalizacją redoks. Z tego powodu komórki muszą utrzymywać równowagę pomiędzy produkcją a zużywaniem reaktywnego tlenu, aby zachowaćhomeostazę.
Najlepiej zbadanymi enzymatycznymi antyoksydantami komórkowymi są:dysmutaza ponadtlenkowa (SOD),katalaza iperoksydaza glutationowa. Słabiej poznanymi (lecz prawdopodobnie tak samo ważnymi) oksydantami enzymatycznymi są peroksydyny i niedawno odkrytysulfideroksin. Inne enzymy o ważnych własnościach (chociaż nie najważniejszych w tym procesie) to paraoksynazy, transferazy glutationowe-S i dehydrogenazy aldehydowe.
Stres oksydacyjny wywołuje uszkodzenie tkanek w wyniku napromieniowania ihiperoksji. Podejrzewa się jego znaczącą rolę (nieudowodnioną) wchorobach neurodegeneracyjnych, takich jakchoroba Lou Gehriga, choroba Parkinsona, choroba Alzheimera ichoroba Huntingtona. Uważa się, że stres oksydacyjny jest powiązany zchorobą sercowo-naczyniową, ponieważ utlenianieLDL wśródbłonku naczyniowym prowadzi do powstania prekursorów blaszki miażdżycowej. Stres oksydacyjny ma także znaczenie w uszkodzeniach związanych z kaskadą ischemiczną powstającą w wynikureperfuzji następującej pohipoksji. Taka kaskada występuje zarówno w przypadkuudaru mózgu jak i zawału serca.
Zastosowanieantyoksydantów w zapobieganiu chorób jest kontrowersyjne[10]. Podawanie wysokich dawek betakarotenu osobom z grupy wysokiego ryzyka, np. palaczy zwiększa ryzyko powstania raka płuc[11]. W grupach mniejszego ryzyka, podawanie witaminy E wydaje się zmniejszać ryzyko chorób serca[12]. W innych chorobach, jak np. choroba Alzheimera dowody na korzyści wynikające z suplementacji witaminy E są mieszane[13][14].
Uważa się, że stres oksydacyjny (taki jak sformułował goDenham Harman wwolnorodnikowej teorii starzenia) ma znaczenie dla procesu starzenia. Z jednej strony istnieją dobre dowody wspierające tę teorię u organizmów modelowych, takich jakDrosophila melanogaster iCaenorhabditis elegans[15][16], a z drugiej, dowody uzyskane w laboratoriumMichaela Ristowa wskazują na to, że stres oksydacyjny może także podnosićoczekiwaną długość życiaCaenorhabditis elegans poprzez indukcję odpowiedzi wtórnej na początkowo wysokie stężenie reaktywnych form tlenu[17]. W oparciu o czyste hipotezy proces ten nazywano wcześniej mitohormezą lubhormezą mitochondrialną[18]. U ssaków kwestia ta jest jeszcze mniej jasna[19][20][21]. Niedawno uzyskane dane epidemiologiczne wspierają teorię mitohormezy, a nawet sugerują, że antyoksydanty mogą zwiększaćchorobowość u ludzi[22].
Układ odpornościowy wykorzystujewłaściwości bójcze utleniaczy poprzez produkcję utleniających form związków jako centralny punkt mechanizmu zabijania patogenów. W ten sposób aktywowanefagocyty produkują zarówno ROS, jak i reaktywne formy azotu. Należą do nich ponadtlenki (O•−
2), tlenek azotu (NO•
) oraz ich szczególnie reaktywny produkt, anion nadtlenoazotynowy (ONOO−
)[23]. Chociaż użycie tych wysoko reaktywnych związków w cytotoksycznej odpowiedzi fagocytów może spowodować uszkodzenia tkanek gospodarza, to brak specyficzności tych utleniaczy daje korzyść, gdyż niszczą one prawie każdą część komórek, które są ich celem[9]. Zapobiega to uniknięciu przez patogen tej części odpowiedzi immunologicznej przy pomocy mutacji pojedynczej cząsteczki.
Dane doświadczalne wskazują, że stres oksydacyjny może być wspólną odpowiedzią tkanekroślinnych na różne czynniki stresowe takie jak: deficyt wody, stres osmotyczny, stres solny, deficyt niektórych soli mineralnych (np.fosforu), zbyt niska lub zbyt wysokatemperatura, atakpatogenu, ucisk mechaniczny, zranienie,promieniowanie UV, nadmiar promieniowaniafotosyntetycznie czynnego (PhAR, z ang.photosynthetic active radiation), duża dostępność tlenu po okresie niedotlenienia, działanie zanieczyszczeń atmosferycznych (SO
2, NO, NO
2, O
3), nadmiar jonów metali, niektóreherbicydy (np.parakwat,dikwat) czy manipulacje w kulturachin vitro. Towarzyszy również naturalnym procesom fizjologicznym, takim jak tworzenie się brodawek nakorzeniachroślin motylkowatych,lignifikacja czystarzenie się komórek[1].
Lee YJ, Shacter E. Oxidative stress inhibits apoptosis in human lymphoma cells. „J. Biol. Chem.”. 274 (28), s. 19792–8, 1999.PMID:10391922. (ang.). Larsen PL. Aging and resistance to oxidative damage in Caenorhabditis elegans. „Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.”. 90 (19), s. 8905–8909, 1993.PMID:8415630.PMCID:PMC47469. (ang.).