Paskaita Nr. 4

AKTYVIOS DEGUONIES FORMOS IR JŲ VAIDMUO LIGŲ PATOGENEZĖJE. ANTIOKSIDACINĖ LĄSTELĖS APSAUGA

Deguonis ląstelėje tam tikrų sąlygų metu gali sukelti oksidacinius procesus,

sąlygojančius įvairius susirgimus. Tokių susirgimų, kaip aterosklerozės, vėžio, artritų, taip

pat organizmui senėjant aktyvūs deguonies junginiai yra vienas iš svarbiausių pažeidžiančių

faktorių. Visose biologinės oksidacijos reakcijose elektronas nuo substrato yra perduodamas

deguonies molekulei, dalyvaujant fermentams. Tam, kad deguonis redukuotųsi, t.y.,

susidarytų viena H2O molekulė, kiekvienas deguonies atomas turi prijungti po 2 elektronus

arba deguonies molekulė – 4 elektronus: O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O. Tačiau deguonies

molekulės elektronų debesies struktūra yra palanki toksiškiems dalinės redukcijos

produktams, kurie vadinami aktyviosiomis deguonies formomis. Deguonies elektronų

debesies struktūra ypatinga tuo, kad deguonies atome yra du nesuporuoti elektronai, turintys

vienos krypties sukinius. Toks deguonies atomas audinių ląstelėse turi prijungti iš substratų

priešingų sukinių elektronų porą. Tam, kad deguonies atomas galėtų prijungti tokią elektronų

porą ir sudaryti patvarią H2O molekulę, vieno iš prijungiamų elektronų sukinys turi pakeisti

kryptį. Šis procesas yra daugiaetapis, jam reikalingas didelis aktyvacijos energijos kiekis, o

tai yra termodinamiškai nepalankus reiškinys. Todėl pirmiausiai prie O2 prijungiamas vienas

elektronas, susidarant tarpiniam dalinės redukcijos produktui superoksido radikalui: O2 + e-

→ O2-• . Redukcija vyksta fermento aktyviajame centre, todėl superoksido radikalas čia lieka

iki antrojo elektrono prijungimo. Reakcijos, dalyvaujant O2, ląstelėse dažniausiai vyksta

oksidazių aktyviąme centre (deguonies molekulė yra dviejų elektronų ir dviejų protonų

akceptoriumi) arba oksigenazių aktyviąme centre (oksiduojant deguonies molekulė tiesiog

įsijungia į substratą). Tokių fermentų pavyzdys yra mitochondrijų kvėpavimo grandinės

citochromoksidazė, katalizuojanti molekulinio deguonies redukciją iki H2O, suderintai

pernešant 4 elektronus. Šios reakcijos metu sunaudojama apie 95% mūsų įkvėpiamo

deguonies. Tačiau dalis deguonies mitochondrijose gali būti redukuojamas tik dalinai, kai

tarpinė redukcija įvyksta ne fermento aktyviąjame centre (pvz., esant O2 pertekliui). Tuomet

susiformavęs superoksido radikalas sukelia grandinines reakcijas, dėl kurių susidaro aktyvios

deguonies formos: superoksido radikalas (O2•-), vandenilio peroksidas (H2O2) ir hidroksilo

radikalas (OH•) (Pav. 1, pav. 2).

24

Superoksido radikalas O2• -

Molekulinis deguonis O2

Vandenilio peroksidas H2O2

Hidroksilo radikalas OH•

Vanduo H2O

Red

ukci

ja

e-

e-, 2H+

e-, H+

e-, H+

Pav. 1. Aktyvių deguonies formų susidarymas

25

Pav. 2. Aktyvių deguonies formų struktūra

Radikalu vadinama bet kuri atomų ar molekulių rūšis, kurios valentiniame sluoksnyje

yra vienas ar daugiau nesuporuotų elektronų. Tokiems dariniams būdingas ypatingai didelis

cheminis aktyvumas. Jie nestabilūs, nes linkę prijungti arba atiduoti elektronus, t.y. sudaryti

stabilią dviejų elektronų jungtį. Aktyvios deguonies formos, be paminėtų, yra azoto oksido

radikalas NO•, lipidų peroksidų radikalai LOO•, hipochlorito rūgštis HOCl, ozonas O3, taip

pat singletinė deguonies molekulės forma (1O2).

Žmogaus organizme aktyvios deguonies formos susidaro nuolat. Jų susidarymą gali

skatinti vidiniai ir išoriniai veiksniai. Vidiniai veiksniai yra aktyvus mitochondrijų

kvėpavimas, aktyvi ksantinoksidazė, reakcijos, kuriose dalyvauja geležis ir kiti pereinamieji

metalai, arachidono rūgšties virsmų reakcijos, peroksidacija peroksisomose, fiziniai pratimai,

o taip pat kai kurios ligos ir uždegiminiai procesai. Iš išorinių veiksnių būtų galima paminėti

rūkymą, didelės energijos ir ultravioletines spinduliuotes, ksenobiotikų ir ozono poveikį.

Superoksido radikalas (O2•−). Vienelektroninės O2 redukcijos metu susidaro

superoksido radikalas (O2•−) arba jo protoninė forma hiperoksido radikalas (HO2

•-).

Superoksidas gali susidaryti visose aerobinėse ląstelėse ir yra kitų aktyvių deguonies formų

šaltinis. Dažniausiai O2•− susidaro elektronų pernešimo grandinėse – kvėpavimo bei

mikrosominėje, nukrypus elektronams nuo grandinės tarpinių komponentų link deguonies.

Fermentinė sistema, formuojanti O2•−, yra oksidazių kompleksas (NADPH, ksantino

oksidazės, lipooksigenazė). Maži superoksido radikalų kiekiai pastoviai susidaro

mitochondrijų kvėpavimo grandinėje aerobinio metabolizmo metu. O2•− susidarymas svarbus

aktyvinant fagocitines ląsteles (neutrofilus, makrofagus, monocitus ir eozinofilus), tai lemia

žmogaus organizmo gyvybinių funkcijų veiklą normoje bei patologiniuose procesuose.

Superoksido radikalas yra oksidantas, jis gali oksiduoti įvairius junginius (pvz., adrenaliną,

askorbo rūgštį), tačiau tuo pačiu turi neryškių redukcinių savybių. Superoksido radikalas

reaguoja su baltymais, turinčiais prostetines pereinamųjų metalų grupes – hemus ar FeS

26

OH + H2O2 H2O + H O2O2 + H2O2 O2 + HO + HOFe3+ + H2O2 Fe2+ + 2H + O2Fe3+ + O2 Fe2+ +O2

sankaupas, dėl ko gali pasižeisti tokių baltymų biologinė funkcija (pvz., fermentų

aktyvumas). Protonuojant (prisijungiant H+) iš O2•− susidaro HO2

•−, kuris yra stipresnis

oksidatorius negu O2•− ir gali tiesiogiai reaguoti su linoleno ir arachido rūgštimis bei sudaryti

hidroperoksidus. O2•− dalyvauja dismutacijos reakcijose, katalizuojamose superoksido

dismutazės (SOD), susidarant vandenilio peroksidui:

O2•− + O2

•− → O2 + H2O2

Vandenilio peroksidas H2O2. Žmogaus organizme H2O2 susidaro fagocituojančiose

ląstelėse, mitochondrijose ir mikrosomose. Tai ne radikalas, tačiau aktyvus deguonies

junginys, dalyvaujantis kitų radikalų susidaryme. H2O2 ląstelėje gali susidaryti iš superoksido

radikalo ankščiau minėtos dismutacijos reakcijos metu, taip pat reaguojant hidroksilo jonui ir

hidroksilo radikalui su deguonimi:

OH- + HO• + O2 → H2O2 + O2•−

bei dviem elektronais redukuojant deguonį:

O2 + 2e- + 2H+→ H2O2

H2O2 yra stabilus deguonies redukcijos produktas. Šis junginys neturi krūvio, bet yra

polinis, todėl laisvai keliauja vandeninėje aplinkoje. H2O2 pasižymi silpnomis oksidacinėmis

savybėmis, pažeisdamas biologines molekules, turinčias SH grupes ar FeS. Labiausiai H2O2

pažeidžiamas poveikis išryškėja dalyvaujant pereinamųjų metalų jonams (Fe, Cu ir kt.). Jų

metu susidaro dideliu aktyvumu pasižymintis hidroksilo radikalas ir hidroksilo jonas:

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO− + HO•

Reakcija vadinama Fentono (Fenton) reakcija, nes jis nustatė, kad geležies druskos

labai padidina H2O2 oksidacinį poveikį.

Ši reakcija gali vykti toliau, susidarant kitiems radikalams:

Hidroksilo radikalas OH•. Vienelektroninės H2O2 redukcijos metu susidaro

hidroksilo radikalas, kuris pasižymi ypač dideliu reaktyvumu. H2O2 skilimas, dalyvaujant

pereinamiesiems metalams, yra pagrindinis hidroksilo radikalų susidarymo būdas (Fentono

rakcija). Šis radikalas nemobilus, nes iš karto (susidarymo vietoje) reaguoja su aplinkinėmis

molekulėmis, jas pažeisdamas. Tai ypač stiprus oksidatorius. •OH sąveikos su

biomolekulėmis metu dažniausiai susidaro kitas, mažiau reaktyvus radikalas, kuris gali

27

difunduoti ir tęsti grandininę reakciją su kitomis molekulėmis. Tokio grandininio proceso

pavyzdžiu gali būti nesočių riebalų rūgščių peroksidinė oksidacija, kurią inicijuoja hidroksilo

radikalas. •OH radikalams būdinga trys pagrindiniai reakcijų tipai:

1. Vandenilio atomo atskėlimas nuo organinės molekulės, susidarant C radikalui;•OH + CH3CH2OH → H2O + •CH2−CH2OH

2. Prisijungimas molekulės dvigubos jungties C=C vietoje, sudarant OH grupei ir C radikalui:

•OH + C6H6 → •C6H6OH

3. Elektrono prijungimas iš kitų junginių, pvz., chloridų, nitritų:•OH + Cl− → •Cl + HO−

Hidroksilo radikalui sąveikaujant su DNR ir RNR struktūroje esančiomis bazėmis,

pavyzdžiui, su timinu, susidaro eilė antrinių radikalų, galinčių pažeisti kitas azoto bazes ir

monosacharidus bei sąlygoti nukleorūgščių grandinės trūkius. Tokios pažaidos gali būti

mutacijų atsiradimo ir ląstelių žuvimo priežastis.

Azoto monoksidas (NO). Jungiantis vienam azoto atomui su vienu deguonies atomu

susidaro molekulė, turinti nesuporuotą elektronų porą, todėl NO yra laikomas radikalu. Azoto

monoksidas yra sintezuojamas NO sintazių įvairių audinių ląstelėse - makrofaguose,

hepatocituose, astrocituose, endotelinėse ir lygiųjų raumenų ląstelėse. NO sintezė

indukuojama, paveikus ląsteles citokinais, bakterijų toksinais. NO gyvavimas ląstelėje yra

labai trumpas, tačiau ši molekulė dalyvauja reguliuojant tokius sudėtingus procesus kaip

kraujagyslių tonuso palaikymas ar ilgalaikės atminties susidarymas. Be to, ji gina organizmą

nuo mikrobų bei naikina vėžines ląsteles.

NO reaktyvumas yra toks pat, kaip ir molekulinio deguonies, todėl jis tiesiogiai

neoksiduoja biomolekulių. Dabar yra pakankamai įrodymų, kad ląstelėje NO yra paverčiamas

į nitritą, o oksihemoglobinas ar oksimioglobinas nitritą lengvai oksiduoja iki nitrato. Tad

kraujyje galutinis NO metabolizmo produktas būtų nitratas: NO ----> NO2- ----> NO3

-

Dažniausiai NO toksiškumas yra siejamas su jo sugebėjimu sudaryti peroksinitritą.

Peroksinitritas susidaro reakcijoje su superoksidu (O2-): NO + O2

- ----> ONOO-

Šiai reakcijai nereikia jokio katalizatoriaus, taigi ir fermento, ji yra gana greita.

Peroksinitritas yra stiprus oksidatorius, lengvai skylantis į hidroksilo radikalą (labai aktyvų ir

destruktyvų radikalą) ir NO2:

ONOO- + H+ ----> ONOOH

28

ONOOH ----> NO2 + HO.

Tokios reakcijos vyksta ląstelėje patologinių procesų metu. Yra žinoma, jog aktyvuoti

makrofagai, neutrofilai ir net endotelinių ląstelių kultūros išskiria peroksinitritą. Normoje

peroksinitrito koncentracija ląstelėse yra labai žema, nepaisant to, kad superoksido generacija

yra gana žymi. Apie 1-5% viso sunaudoto deguonies ląstelėse yra paverčiama superoksidu.

Bet jį sėkmingai neutralizuoja superoksido dismutazė, kurios yra gausu visose ląstelėse.

Patologinėmis sąlygomis, kai vienu metu padidėja ir superoksido, ir NO generacija,

peroksinitrito kiekis gali labai padidėti. Peroksinitritas gali tiesiogiai oksiduoti daugelį

biologiškai svarbių molekulių, tokių kaip membranų lipidai, baltymai (-SH grupės ar

tirozinas), Fe-S centrai, ląstelės antioksidantai (pvz., peroksinitritas paverčia vitaminą E į jo

neaktyvią chinoninę formą). Peroksinitritas gali jungtis ir su baltymuose esančiu tirozinu. Be

to, nitrotirozininti baltymai gali susidaryti superoksido dismutazės katalizuojamoje reakcijoje

tarp NO ir superoksido. Tokie nitrotirozino junginiai randami ląstelėse kai kurių uždegiminių

susirgimų atvejais, pvz. aterosklerozės pažeistose kraujagyslių sienelėse.

Sveiko žmogaus organizme aktyvios deguonies formos yra greitai sunaikinamos. Jei dėl

kažkokių priežasčių aktyvios deguonies formos nesunaikinamos, tai jos pažeidžia beveik

visas svarbiausiais ląstelių struktūras – membranas, branduolį, makromolekules (baltymus,

nukleorūgštis, angliavandenius, lipidus).

Baltymų oksidacinė modifikacija (cheminės struktūros pokyčiai) vyksta dėl laisvųjų

radikalų įtakos. Šiame procese galima išskirti sekančias stadijas (pav. 3):

1. Pradėtis (grandinės formavimosi pradžia). Jos metu polipeptidinės grandinės

fragmentas reaguoja su hidroksilo radikalu ir susidaro alfa-karbon-radikalas (1

reakcija).

2. Sklidimas (grandinės pailgėjimas), kai susidaręs alfa-karbon-radikalas reaguoja su

molekuliniu deguonimi (2 reakcija) ir susidaro alfa-karbon-peroksilo radikalas,

kuris reaguoja su kitos polipeptidinės grandinės fragmentu (3 reakcija). Šiuo

atveju susidaro baltymo alfa-karbon-hidroperoksidas ir naujas alfa-karbon-

radikalas, kuris, reaguodamas su molekuliniu deguonimi, prailgina grandinę (2

reakcija).

3. Metalams (dažniausia Fe2+) redukuojant alfa-karbon-hidroperoksidą arba suyrant

alfa-karbon-peroksilo radikalui, susidaro vandenilio peroksidas (4 reakcija) ir

iminas (5 reakcija).

4. Polipeptidinės grandinės degradacijos produktų susidarymas (6 reakcija).

29

.

Pav. 3. Baltymų oksidacinės degradacijos stadijos

30

Skirtingai lipidų peroksidinei oksidacijai, baltymų oksidacinė modifikacija

oksidacinio streso metu yra savita. Laisvųjų deguonies radikalų pažeidimo metu pirmiausia

oksiduojami lipidai, oksidacijos intensyvumas priklauso nuo organų ir audinių

antioksidacinės sistemos efektyvumo. Lipidų peroksidinės oksidacijos metu susidaro didelė

junginių grupė, pasižyminti mutageniniu ir citotoksiniu veikimu. Baltymai oksiduojami

kitame etape, procese dalyvauja ne tik deguonies, bet ir kiti radikalai, pvz., lipidų

peroksidacijos radikalai. Paskutinėse oksidacinio streso stadijose, išsekus audinių ir organų

antioksidacinei sistemai, stebima ryški baltymų destrukcija. Baltymų oksidacijos procesas yra

sudėtingas dėl cheminės sudėties ir struktūros įvairovės. Susidaro daug skirtingos cheminės

struktūros oksiduotų produktų.

Įvairių aminorūgščių jautrumas oksidantams yra nevienodas, todėl baltymų molekulių

pokyčiai priklauso nuo baltymų aminorūgščių sudėties ir struktūrinės organizacijos bei

aktyvių deguonies formų prigimties. Baltymų oksidacinė modifikacija pasireiškia arba jų

agregacija ir molekulinės masės padidėjimu, arba fragmentacija ir skilimu į mažesnius

polipeptidus. Tokie pakitę baltymai greičiau suyra, pakinta jų elektrinis krūvis. Nepaisant

proceso sudėtingumo, galima išskirti keletą bendrų baltymų oksidacinio pažeidimo bruožų.

Jautriausios vietos baltymuose yra sierą turinčios amino rūgštys. Aktyvūs deguonies junginiai

gali atimti H atomą iš cisteino liekanos, suformuodamos tiilo radikalą, kuris jungsis su kitu

tiilo radikalu, formuodamas disulfidinį tiltelį. Deguonis gali sąveikauti su metionino liekana

ir formuoti metionino sulfoksido darinius. FeS centrų oksidacija, veikiant superoksido

radikalui, sutrikdo fermento funkciją. Triptofanas formuoja bitirozino produktus. Histidinas,

lizinas, prolinas, argininas ir serinas oksidacijos metu formuoja karbonilo grupes.

Deguonies radikalų įtakoje įvyksta baltymų pirminės, antrinės ir tretinės struktūrų

pokyčiai. Baltymų fragmentaciją gali įtakoti ir lipidų radikalai. Tam tikroje polipeptinės

grandinės vietoje susidarę radikalai gali sąveikauti su kitais tos pačios baltymų molekulės

radikalais arba aminorūgščių liekanomis, sudarydami naujus radikalų produktus. Susidarę

polipeptidinėje grandinėje radikalų centrai gali būti naujų polipeptidinės grandinės jungčių

vietos.

Žinant, kad oksidacinio streso metu H2O2, O2•−, HO• tarpusavyje laisvai keičiasi, jų

įtaką baltymo molekulei reikėtų nagrinėti kompleksiškai. Daugeliu atvejų oksidacinė baltymų

molekulės modifikacija, veikiant aktyviems deguonies junginiams, susieta su jų fermentinio

aktyvumo kitimais. Taip superoksido radikalas in vitro slopina katalazės,

acetilcholinesterazės, glutationperoksidazės, glicerol-aldehid-3-fosfato dehidrogenazės, 6-

fosfoglukonato dehidrogenazės aktyvumą. Vandenilio peroksidas inaktyvuoja superoksido

31

dismutazę, acetil-CoA-hidrolazę, mieloperoksidazę, ksantino oksidazę. Hidroksilo radikalas

slopina glutationo peroksidazės, heksokinazės, laktato dehidrogenazės, superoksido

dismutazės, tripsino, chimotripsino, karboksipeptidazės A, alkoholio dehidrogenazės, RNR-

azės aktyvumą. Fermentų aktyvumo slopinimas deguonies radikalų įtakoje įvyksta dėl

sruktūrinių pokyčių aktyviame fermento centre. Dažniausiai vyksta oksidacinė aminorūgščių

modifikacija arba metalų fermentozė, pakitus metalo, įeinančio į aktyvų fermento centrą,

valentingumui.

Oksiduoti baltymai yra jautresni proteolizei. Faktiškai organizme proteolizės būdu

skaldomi oksiduoti, o ne natyvūs baltymai. Tuo pačiu dėl atskirų oksiduotų baltymų grupių

vidinių ir tarpbaltyminių sąveikų susidaro kompleksai, atsparūs proteolizei. Tokie

kompleksai gali slopinti fermentų, skaldančių kitus oksiduotus baltymus, proteolizės

aktyvumą. Šie baltyminiai agregatai kaupiasi audiniuose įvairių ligų ir senėjimo proceso

metu.

Aktyvių deguonies formų reikšmė ligų patogenezėje. Kai antioksidacinė sistema

nusilpsta ir nepajėgia kovoti su aktyviomis deguonies formomis, laisvųjų deguonies radikalą

sukeltos grandininės reakcijos sutrikdo organizmo veiklą, dėl ko atsiranda įvairūs susirgimai.

Oksidacinis stresas - pusiausvyros tarp oksidacinio streso ir antioksidacinės apsaugos

sutrikimas, sąlygojantis įvairius organizmo sutrikimus.

Vėžinės ligos - ligų grupė, kurių būdingas požymis - nekontroliuojamas lastelių

dauginimasis ir šių ląstelių sugebėjimas paveikti kitus audinius bei išplisti į kitas kūno vietas

(metastazės). Vėžį sukelia DNR (genetinės medžiagos) pažaidos, veikiančios ląstelių augimo

ir dauginimosi reguliavimą. Vienas iš pagrindinių veiksnių yra DNR pažaidos veikiant

aktyvioms deguonies formoms. Ląselėse ROS susidaro veikiant jonizuojantiems spinduliams,

metabolizuojant kai kuriuos vaistus, chemines medžiagas, toksinus. Rūkymas, oro

užterštumas, alkoholio nesaikingas vartojimas dažnai sukelia vėžį dėl ROS generacijos

padidėjimo jų katabolizmo metu.

Vėžio atsiradimą ir vystymąsi galima suskirstyti į 3 stadijas. Pirmoji, pradėtis, kai

paveldėjami ar įgyjami ląstelių pakitimai. Antroji, sklidimas, prasideda inicijuojančių ląstelių

proliferacija. Trečioji, progresavimas, kai vyksta nekontroliuojams ląstelių dauginimosi

procesas. ROS vaidina svarbų vaidmenį pirmoje ir antroje stadijose. Pirmoje stadijoje ląstelės

patiria pokyčius ir mutacijas. Tokie pakitimai ląstelei dalijantis perduodami, jie su laiku

kaupiasi, kas ir sąlygoja vėžio atsiradimą. Šiame kontekste DNR yra pagrindinis taikinys, o

iniciatoriai yra ROS. Antroje stadijoje deguonies radikalai yra vėžio aktyvatoriai, jie gilina

pažaidas, jų daugėja. Čia galima paminėti ir antioksidacinės sistemos nusilpimą.

32

Aterosklerozė – tai liga, kuriai būdingos arterijų pažaidos, sukeltos daug cholesterolio

turinčių plokštelių kraujagyslių sienelėse. Šias plokšteles susidaryti skatina oksidacinės

reakcijos. Kraujo mažo tankio lipoproteinus (MTL), turinčius gana daug cholesterolio,

oksiduoja aktyvūs deguonies junginiai. Oksiduotus MTL lipidus atpažįsta audiniuose esantys

makrofagai ir juos fagocituoja. Makrofagų lizosomos negali suvirškinti oksiduotų MTL, todėl

juos kaupia tol, kol patys virsta putotomis ląstelėmis, pilnomis cholesterolio. Putotos ląstelės

savaime suyra, išskirdamos cholesterolį ir oksiduotų lipidų likučius. Taip formuojasi lipidinė

infiltracija, kuri yra ankstyvoji aterosklerozės fazė. Aterosklerozė yra pagrindinė širdies

susirgimų, tokių kaip miokardo infarktas, priežastis. Apsaugoti ar sumažinti MTL oksidaciją

galima naudojant antioksidantais turtingą maistą bei ribojant riebalų kiekį maiste.

Išemija/reperfuzija. Išemijos metu yra sutrikdomas ląstelės aprūpinimas deguonimi,

substratais, taip pat metabolitų pašalinimas iš ląstelės. Dėl to ląstelėje atsiranda funkciniai bei

struktūriniai pokyčiai, kurie, ilgėjant išemijos trukmei, tampa negrįžtami, ir ląstelė žūva.

Atsistačiui kraujotakai, o tuo pačiu ir deguonies koncentracijai, paradoksalu, bet prasideda

antrinės pažaidos, o viena iš priežasčių – labai suaktyvėjusi ROS generacija. Laisvieji

deguonies radikalai generuojami ir išemijos metu, bet ne taip intensyviai. Radikalai

generuojami nes yra pažeistos mitochondrijos, prarandami natūralūs antioksidantai, išauga

kalcio jonų koncentracija. Atsistačius kraujotakai, į audinį patenka neutrofilai, leukocitai,

makrofagai, kurie taipogi didina ROS susidarymą. Išemijos metu mitochondrijų kvėpavimo

grandinės fermentai yra redukuoti, o staiga išaugus O2 koncentracijai, intensyvėja ROS

susidarymas I ir III kompleksuose. Aktyvuojama NO sintazė, o jos pasekmė – NO kiekio

didėjimas. NO su O2- sudaro labai pavojingą peroksinitritą.

Katarakta – tai senyvo amžiaus žmonių liga, kuriai būdinga nusilpusi rega ar net

apakimas dėl akies lęšiuko drumstumo. Akies lęšiuke yra baltymų, vadinamų kristalinais,

kuriuos lengvai pažeidžia aktyvios deguonies formos. Baltymuose esančios cisteino, prolino,

histidino arginino ir metionino liekanas pažeidžia ROS. Todėl kristalinų molekulėse atsiranda

papildomų kovalentinių ryšių ir junginiai praranda skaidrumą. Senyvo amžiaus žmonių

ląstelėse antioksidacinė sistema nėra pakankamai aktyvi ir nepajėgia sunaikinti ROS,

atsirandančių akyje veikiant saulės šviesai.

Neurodegeneracinės ligos. Nervų ląstelės yra žymiai jautresnės oksidaciniam stresui dėl

didelio kiekio nesočių riebalų rūgščių (membranose). Be to, smegenų ląstelėse deguonies

naudojamas yra labai intensyvus. Oksidacinis stresas dalyvauja tokių ligų, kaip Alzheimerio,

Parkinsono, insulto, epilepsijos priepuolių, neurotraumų atvejais. Organizmui senėjant,

pažaidos nervų ląstelėse gilėja, o tai didina neurodegeneracinių ligų atsiradimo riziką. Šiuo

33

metu vyksta intensyvūs tyrinėjimai aiškinantis neurodegeneratyvinių ligų patogenezę.

Parkinsono ligos atveju ląstelės, kurios gamina dopaminą (juodojoje medžiagoje), yra

pažeistos ir todėl gamina nepakankamą dopamino kiekį. Nors patogenezė nėra aiški,

manoma, kad ROS yra vienas iš pažeidžiančių faktorių (dar stebimos pažeistos

mitochondrijos, uždegiminiai procesai). Parkinsono liga sergančiuose ligoniuose buvo

nustatytas hidroksilo radikalo koncentracijos padidėjimas, mažesnis glutationo kiekis (apie

50%), pastebėta didesnė geležies jonų Fe2+ koncentracija (prisiminkime Fentono reakciją),

lipidų peroksidacija. Po mirties pacientų smegenyse buvo nustatytas padidėjęs mikroglijos

aktyvumas. Be to, juodojoje medžiagoje buvo žymiai išaugęs lipidų peroksidacijos žymenų –

malondialdehido, hidroperoksidų, karbonilų, taip pat DNR pažaidos žymens– 8-hidroksi-2-

deoksiguanozino kiekis.

Alzheimerio ligos atveju stebimos nervinių ląstelių susijusių su mąstymu, kalba ir

atmintimi pažaidos. Šios ligos metu stebimas amiloidinių plokštelių kaupimasis, nervinių

ląstelių pažaida bei neuromediatorių kiekio sumažėjimas. Manoma, kad netirpių baltymų

darinių susidarymui didelę įtaką turi ROS.

Organizmo apsauga nuo žalingo aktyvių deguonies formų poveikio (antioksidantai)

Medžiagos, mažinančios biologinių molekulių oksidacines pažaidas, vadinamos

antioksidantais. Atitinkamai, medžiagos, sukeliančios oksidacinias pažaidas, pavadintos

prooksidantais. Antioksidantai žmogaus organizme sudaro sudėtingą daugiakomponentinę

antioksidacinę sistemą, kuri užtikrina laisvųjų radikalų sujungimą, modifikaciją, slopinimą

arba ardymą. Antioksidantinė ląstelės apsauga yra: 1) antioksidaciniai fermentai (superoksido

dismutazė, katalazė, glutationo peroksidazė), 2) mažos molekulinės masės junginiai,

prijungiantys laisvuosius radikalus. Į jos sudėtį įeina hidrofilinės (glutationas, askorbo

rūgštis) ir hidrofobinės (vitaminai A ir E, flavonoidai, ubichinonas) organinės medžiagos,

pasižyminčios redukcinėmis savybėmis, o taip pat fermentai, kurie palaiko šių medžiagų

homeostazę, 3) pereinamuosius metalų jonus surišantys baltymai (Pav. 4).

34

Pav. 4. Pagrindiniai ląstelės antioksidacinės sistemos komponentai

Antioksidaciniai fermentai. Superoksido dismutazė dažnai vadinama pirmąja

antioksidacine apsauga. Jos skirtingi izofermentai yra sutelkti citoplazmoje (SOD1),

mitochondrijose (SOD2) ir ekstraląsteliniame skystyje (SOD3). SOD1 yra sudarytas iš dviejų

subvienetų (dimeras), o SOD2 ir SOD3 sudaryti iš 4 subvienetų (tetramerai). SOD1 ir SOD3

turi po vieną Cu ir Zn joną aktyviajame centre (CuZnSOD), mitochondrijų matrikse esantis

fermentas (SOD2) turi Mn2+ (MnSOD). Superoksido dismutazė katalizuoja superoksido

radikalo dismutaciją:

2O2•- + 2H+ à H2O2 + O2

Katalazė – tai hemoproteinas, kuris katalizuoja H2O2 skaidymo reakciją;

2H2O2 à 2H2O + O2

Katalazė yra tetrameras, kiekvienoje polipeptidinėje grandinėje turintis po heminę

geležį. Daugiausiai katalazės yra sutelkta peroksisomose, šiek tiek mažiau – citoplazmoje.

Fagocituojančiose ląstelėse taip pat daug katalazės, ji saugo pačią ląstelę nuo žalingo jos

gaminamų peroksidų poveikio. Sunkiųjų metalų jonai veikia kaip nekonkurentiniai katalazės

slopikliai, o cianidas, prisijungdamas prie katalazės hemo, konkurentiškai sustabdo šio

fermento veikimą.

Glutationo peroksidazė. Tai pagrindine peroksidazė, skaldanti įvairių rūšių

peroksidus. Yra kiekvienoje žmogaus organizmo ląstelėje. Fermentas yra seleno turintis

tetramerinis glikoproteinas, t.y. molekulė su keturiomis selenocisteino amino r. liekanomis.

Hepatocituose glutationo peroksidazė yra citozolyje ir mitochondrijų matrikse. Tokiu būdu

H2O2, kuris susidaro peroksisomų fermentų įtakoje, ardomas katalazės, o H2O2, susidarantis

mitochondrijose ir endoplazminiame retikuliume, daugiausia ardomas glutationo

peroksidazės. Šis fermentas naudoja redukuotą glutationą (GSH) kaip elektronų donorą:

H2O2 + 2GSH → 2 H2O + 2GS-SG

Glutationo peroksidazė skaido lipidų peroksidus:

LOOH + 2GSH → LOH + GS-SG + H2O

Yra keletas glutationo peroksidazės izofermentų, kurie skiriasi lokalizacija ir

specifiškumu substratui. Pavyzdžiui, labiausiai paplitusi glutationo peroksidazė 1 yra

randama beveik visų žinduolių ląstelėse specifiškiausia yra substratui vandenilio peroksidui.

Glutationo peroksidazės aktyvumas taipogi priklauso nuo redukuoto glutationo

koncentracijos, o tai reiškia ir nuo glutationo reduktazės – fermento, palaikančio ląstelėse

pastovų redukuoto glutationo kiekį:

35

GS-SG + NADPH+H+ → 2GSH + NADP+

Pentozių fosfatų kelias šiai reakcijai tiekia NADPH, todėl sumažėjus jo aktyvumui,

sutrinka antioksidacinė ląstelės apsaugos sistema. Glutationo peroksidazės kofaktoriai –

seleno jonai, todėl šio fermento aktyvumas labai priklauso nuo seleno kiekio maiste.

Visi antioksidaciniai fermentai yra vienodai svarbūs ir kartu saugo ląstelę nuo

oksidacinio streso. Jų bendrą veikimą apibūdina 5 pav.

Pav. 15. Ląstelės antioksidaciniai fermentai

36