METABOLISMUS KYSLÍKU A VOLNÉ RADIKÁLY

Kyslík vystupuje jako substrát zhruba u 200 enzymů Podle mechanismu je dělíme na OXIDASY OXYGENASY OXIDASY Oxidují substráty bez inkorporace atomů kyslíku. Podle množství elektronů, které používají na redukci kyslíku rozeznáváme: 2-elektronové oxidasy např. oxidasa D-aminokyselin

4-elektronové oxidasy redukují kyslík na vodu, např. cytochromoxidasa OXYGENASY Při reakci vnášejí jeden, nebo oba atomy z molekuly kyslíku do substrátu a podle toho rozlišujeme DIOXYGENASY MONOOXYGENASY DIOXYGENASY např. tryptofan-2,3-dioxygenasa

MONOOXYGENASY Nazývají se také oxidasy se smíšenou funkcí, nebo hydroxylasy Příkladem je hydroxylace steroidů. REAKCE KYSLÍKU Plynný kyslík se vyskytuje jako dvouatomová molekula. K jeho úplné redukci na vodu tak potřebujeme 4 elektrony. Redukce ale může probíhat postupně v jednoelektronových krocích:

Některé zvláštnosti reaktivity kyslíku vyplývají z elektronové struktury jeho molekuly a redukovaných sloučenin:

SUPEROXID Vzniká in vivo při autooxidaci: hydrochinonů (terapeutické využití při ničení nádorů protinádorovými antibiotiky – adriamycin) flavinů katecholaminů thiolů tetrahydropterinů Rovněž při přeměně hemo(myo)globinu na methemo(myo)globin Mezi nejdůležitější enzymy, které ho produkují patří: NAD(P)H oxidasy (zejména leukocytové) xanthinoxidasa aldehydoxidasa Nejčastější místa produkce: buněčná membrána endoplasmatické retikulum mitochondrie jádro

PEROXID VODÍKU Vzniká při autooxidaci 6-OH-, nebo 6-aminodopaminu (vede k poškození synapsí) Experimentálně se navozuje diabetes melitus u zvířat kyslinou dialurovou, která autooxiduje na alloxan za vzniku peroxidu vodíku. Podobně jako superoxid je produkován NAD(P)H oxidasou a xanthinoxidasou, velká množství ho vznikají v peroxisomech při beta oxidaci mastných kyselin. Další místa vzniku jsou podobná, jako u superoxidu: buněčná membrána endoplasmatické retikulum mitochondrie Peroxid vodíku je za nanomolárních koncentrací relativně stabilní, je prostupný podobně jako voda a ukazuje se, že funguje jako signální molekula.

HYDROXYLOVÝ RADIKÁL Hydroxylový radikál patří mezi nejreaktivnější sloučeniny, které známe. Jeho doba života se měří v nanosekundách a reaguje prakticky se vším v místě svého vzniku dříve, než stačí oddifundovat. Nejčastěji vzniká Fentonovou reakcí: Největší biologický význam mají železnaté ionty, a proto se nesmí objevit volné v roztoku. Při jejich autooxidaci rovněž vzniká superoxid. Železo je proto transportované i uskladňované ve formě železitých komplexů. Fentonovy reakce se terapeuticky využívá k ničení nádorů. Bleomyciny patří do skupiny protinádorových antibiotik. Vytvářejí komplex se železnatými ionty a vmezeří se do šroubovice DNA. Peroxid vodíku, který difunduje z míst vzniku uvnitř buňky spustí destrukci DNA prostřednictvím hydroxylových radikálů.

REAKTIVNÍ SLOUČENINY DUSÍKU Podobné účinky, jako intermediáty redukce kyslíku, které se kolektivně označují jako ROS (reactive oxygen species), mají i reaktivní sloučeniny dusíku, odvozené od oxidu dusnatého. NO, který vzniká účinkem NO synthas je sám o sobě volný radikál. Přestože má významné fyziologické účinky, jeho doba života je řádově v mikrosekundách. Poté zreaguje s kyslíkem za vzniku NO2, nebo se superoxidem za vzniku peroxidusitanu ONOO-. Obě sloučeniny jsou velmi reaktivní a navozují buněčné poškození. Jeho známkou je vznik nitrotyrosinu vázaného v proteinech. Protože se reaktivní sloučeniny kyslíku a dusíku vyskytují společně, hovoří se někdy o RONS.

BUNĚČNÉ POŠKOZENÍ RONS napadají všechny buněčné komponenty. Nejdůležitější cíle tvoří membránové lipidy, proteiny a nukleové kyseliny. Obecný mechanismus radikálových reakcí tvoří řetězové reakce, které mají tři fáze: iniciace propagace terminace Iniciace může být spuštěna libovolným, dostatečně reaktivním radikálem. Radikály napadené látky potom mohou reagovat s vlastními nenapadenými molekulami, čímž propagují původní atak a vytvářejí řetězové reakce. K ukončení reakcí dojde buď při vyčerpání substrátu, nebo při interakcí dvou radikálů, či při vzniku málo reaktivního radikálu, který nedokáže iniciovat nový řetězec. Poslední příklad je mechanismus účinku antioxidantů.

Při napadení membrán jsou hlavním cílem útoku polynena- sycené mastné kyseliny. Jako první vzniká radikál, který se transformuje na konjugovaný dien. Ten reakcí s kyslíkem dá- vá peroxy- derivát, který reakcí s další m.k. spouští řetězovou reakci. Peroxid m.k. je nestabil- ní a v přítomnosti iontů železa se rozpadá. Koncovými produk- ty jsou alkany (pentan v případě n-6, etan z n-3 m.k.) a o přísluš- ný počet uhlíků kratší aldehyd. Aldehydy dále napadají slouče- niny obsahující primární amino- skupinu za vzniku tzv. lipofus- cinoidních pigmentů – LFP.

Proteiny jsou napadeny na alfa uhlíku. Reakcí s kyslíkem vzniká peroxy- derivát proteinu, který se rozpadá několika mechanismy. Charakteristickými produkty jsou na protein vázané karbonylové skupiny, které slouží k průkazu napadení radikály. Reakcí s dalšími molekulami proteinů mohou být radikály přeneseny do postranních řetězců. Přitom vznikají charakteristické produkty jako dityrosin nebo m-hydroxytyrosin, které rovněž slouží k průkazu radikálového napadení.

Radikály proteinů mají dobu života až 8 dní. Mohou se štěpit na fragmenty, ale může docházet i k radikálové polymeraci. Aldehydy vznikající při radikálovém napadení m.k. reagují s volnými amino- skupinami bílkovin a mohou propojovat i několik molekul proteinů. Radikálové napadení enzymů může vést jak k jejich aktivaci, tak inhibici. Důležité biologické efekty má i radikálové napadení membránových receptorů.

Napadení DNA může být vyvoláno jak radikály, tak neradikálovými produkty. Důsledky těchto interakcí jsou: mutace tumorigeneze rozklad DNA (terapeutické využití) Podobně jako DNA je poškozena i RNA. Interakce ROS s DNA vyvolává se sestupující četností: destrukce bazí jednovláknové zlomy dvojvláknové zlomy příčné vazby mezi vlákny Specifickým účinkem peroxidu vodíku je vznik nasycené vazby 5-6 v thyminu a oxidace ribosy na malonaldehyd. Mezi nejdůležitější neradikálové interakce patří adukce aldehydů na guanin, což vyvolává mutace.

PŘEHLED BUNĚČNÝCH INTERAKCÍ

OCHRANA PŘED RADIKÁLOVÝM NAPADENÍM Jelikož na počátku stojí vznik ROS, jejich odstranění zabrání dalšímu napadení. Buňka proto má celou řadu specializovaných enzymů. Na superoxid působí superoxiddismutasa (SOD). Katalyzuje reakci: SOD je několik typů. Liší se kovem v aktivním místě enzymu (Mn, nebo Cu+Zn) a lokalizací intracelulární či extracelulární. Intracelulárně se nachází Mn-SOD v mitochondriích, Cu,Zn-SOD v cytoplasmě. Extracelulární Cu,Zn-SOD je glykosylovaná, což prodlužuje její dobu života v oběhu. Protože produktem enzymu je peroxid vodíku, musí spolupracovat s enzymy rozkládajícími peroxid. Mezi nejdůležitější patří glutathionperoxidasa (GPOX) a katalasa (KAT). GPOX redukuje peroxid na vodu za pomocí glutathionu, KAT účinkuje vpodstatě jako peroxid dismutasa – jedna molekula se oxiduje a druhá redukuje.

PŘEHLED ENZYMŮ PŮSOBÍCÍCH NA ROS

VÝZNAM RADIKÁLŮ V MEDICÍNĚ Kromě enzymů se na ochraně před radikály podílejí i nízkomolekulární látky, antioxidanty. Dělí se podle rozpustnosti ve vodě (askorbát) a v tucích (vitamin E, vitamin A). V potravě přijímáme velká množství syntetických antioxidantů, které nemusí být vždy prospěšné, protože interferují s fyziologickou úlohou ROS jako signálních molekul. VÝZNAM RADIKÁLŮ V MEDICÍNĚ Vpodstatě všechny patologické stavy jsou doprovázeny produkcí volných radikálů, které vystupují jako jejich příčina, nebo průvodní jev. V každém případě se jedná o komplikující faktor. Volné radikály jsou rovněž ve zvýšené míře produkovány při fyzické aktivitě, po podání některých léků, mohou být vyvolány změnou diety, konzumací alkoholu. Zdá se, že stárneme v důsledku trvalé intracelulrní produkce volných radikálů.