| Datoteka | Velikost |
|---|---|
 ros_seminar.doc | 190 kB |
Če se kisik reducira za en elektron (dobi en elektron), dobimo super oksidni anion (slika2) ∙O2-, ki ni posebno reaktiven, je pa prekurzor večine ROS, ter mediator v oksidativni dihalni verigi. ∙O2- se pretvori v bolj reaktivni vodikov peroksid (slika5) H2O2. Slednji se lahko nato popolnoma reducira v vodo. Lahko pa poteče delna redukcija v OH radikal (slika3 levo) OH∙ . OH∙ je eden najmočnejših oksidantov v naravi. Reakcija ∙O2- z dušikovim oksidom NO∙ daje peroksinitrit, prav tako močan oksidant (predstavnik RNS = reactive nitrogen species).
Če je v celici preveč oksidantov, oziroma je porušeno ravnotežje med oksidanti in antioksidantno obrambo nastane oksidativni stres. Oksidativni stres uničuje celične komponente (posebno nevarno je uničevanje membran).
Pod normalnimi pogoji je ravnotežje med ROS in antioksidanti. Nezadostna obramba ali prevelik oksidativni stres vodita v programirano celično smrt – apoptozo
MITOHONDRIJSKI VIRI SUPEROKSIDA
Visoko reducirajoče mitohondrijsko okolje, posamezne komponente dihalne verige; flavoproteini, ubisemiquinon so termodinamsko zmožni prenesti en elektron na kisik. Prav tako pa vsebujejo mitohondriji antioksidantno obrambo, ki uničuje ∙O2- , H2O2 in tako drži ravnotežno stanje (steady state) le teh okrog 10-10M. Te nizke koncentracije naj bi celo služile znotrajceličnem signaliziranju.
∙O2- nastaja na zunanji membrani mitohondija, v matriksu in na obeh straneh notranje membrane. ∙O2- nastal v matriksu se tam uniči, ∙O2- nastal v medmembranskem prostoru pa se prenese v citoplazmo. Produkcija ∙O2- variira glede na aktivnost celičnega dihanja, redukcije dihalne verige, pa tudi od organa do organa. Redukcijo v največji meri povzročijo inhibitorji dihalnih kompleksov (npr.: inhibitorji kompleksa III (slika spodaj)).
MITOHONDRIJSKA PROTIOKSIDANTNA OBRAMBA
Uničujoč učinek ROS je v veliki meri preprečen z proti oksidantno obrambo. Dismutacija ∙O2- v peroksid in naprej v vodo se lahko zgodi spontano. Poleg tega vsebuje mitohondrijiski matriks MnSOD (Mn superoxide dismutaze) encim, ki katalizira pretvorbo ∙O2- v peroksid. Medmembranski prostor vsebuje CuZnSOD in citokrom c. Vodikov peroksid v jetrih uničuje glutationska peroksidaza. Katalazo, glavni detoksifikacijski encim v peroksisomih, so našli tudi v mitohondrijih srčne mišice. Notranja mitohondrijska membrana vsebuje še vitamin E. Poleg tega imajo mitohondriji še vrsto DNA popravljalnih mehanizmov, ki popravljajo napake nastale na mitohondrijski DNA (mtDNA).
NASTAJANJE ROS MED HIPEROKSIJO in HIOPKSIJO
Po pričakovanjih nastaja več ROS, če povišamo koncentracijo kisika v okolju (hiperoksija). Koncentracija ∙O2- nastaja premosorazmerno z naraščajočo koncentracijo kisika. Praktično so edini organ, ki je ogrožen med hiperoksijo, pljuča, saj so le ta direktno izpostavljena preveliki koncentraciji kisika.
Med hipoksijo (premalo kisika) pričakujemo sorazmerno znižanje tvorbe ROS, vendar so različne raziskovalne skupine poročale paradoksalen dvig oksidativnega stresa med rahlo hipoksijo. Pri močnejši hipoksiji tega ni. Dvig ROS v hipoksiji težko pojasnimo. Tudi med hipoksijo naj bi nastajal NO∙, ki nato še inhibira citokromsko oksidazo, kar poviša ∙O2- .
NASTANEK ROS ZARADI KSENOBIOTIKOV
Ksenobiotiki povečajo ROS na dva načina. Nekateri interreagirajo z dihalno verigo, blokirajo tok elektronov in jo naredijo bolj reducirano. Drugi sprejmejo elektron iz dihalne verige in ga oddajo molekularnemu kisiku.
SPREMEMBE V ANTIOKSIDANTNI OBRAMBI: BOLEZNI in STARANJE
Predpostavljamo, da se napake na proteinih in DNA, kljub obrambi sčasoma kopičijo. Nekatere od njih lahko prizadenejo komponente dihalne verige in tako še povečajo oksidativni stres. Vse to ima za posledico staranje. Direkten dokaz so študije Drosophile melanogaster (sadna muha) z večjo ekspresijo SOD in katalaze. Njihova življenjska doba se poveča za 25.
Aminotrofična lateralna skleroza (ALS) – nevrološka bolezen je v 10 primerov posledica mutacije gena za CuZnSOD.
Leberjeva dedna optična nevropatija nastane zaradi nepravilno delujočega kompleksa I in posledično povišanja ROS.
Zmanjšanje koncentracije MnSOD zveča pojavnost Parkinsonove bolezni.
Izmed vseh elementov v sledovih je cink prisoten v največji meri. Velik vpliv ima na DNA, njeno podvajanje, transkripcijo in popravljanje. Cink sodeluje namreč pri gradnji preko 3000 transkripcijskih faktorjev, več kot 300 encimov, poleg tega pa tudi pri številnih proteinih za popravljanje DNA. Cink je torej nujno potreben za obrambo celice pred oksidacijo oz. poškodbami DNA.
POMANJKANJE CINKA IN OKSIDATIVNI STRES
Pomanjkanje cinka vodi v napredovanje oksidativnega stresa, s tem pa se poveča tudi možnost za razvoj raka. Danes je namreč že popolnoma dokazano, da oksidativni stres vpliva na številne kronične degenerativne bolezni, kamor sodi tudi rak.
Funkcija cinka kot antioksidanta
Cink je glavna komponenta CuZnSOD. Dismutaza predstavlja glavno obrambo celice pred reaktivnimi kisikovimi spojinami (ROS), ker odstranjuje superoksidne anione (O2•‾).
Druga pomembna funkcija je prisotnost cinka kot antagonista pri oksidaciji kovin (železo, baker), s tem pa preprečuje tvorbo hidroksilnih radikalov. Reakcije s kisikom, superoksidom ali vodikovim peroksidom večine biomolekul direktno ne morejo poškodovati, medtem ko jih hidroksilni radikali (HO•) lahko oksidirajo. Te spojine nastanejo s prenosom elektrona na H2O2.
e‾ + H2O2 → HO• + OH‾
Vodikovemu peroksidu elektron lahko oddajo prehodne kovine (železo, baker) preko Fentonove reakcije.
Fe2+ + H2O2 → HO• + OH‾ + Fe3+
Cu+ + H2O2 → HO• + OH‾ + Cu2+
S tekmovanjem za vezavna mesta za omenjene prehodne kovine lahko cink zmanjša njihovo zmožnost za prenos elektronov oz. zmožnost izvajanja Fentonove reakcije.
Cink lahko kot antioksidant preprečuje tudi oksidacijo tiolnih skupin v proteinih. Primer je encim δ-aminolevulinat dehidrataza, ki v primeru odsotnosti cinka postane neaktiven. Podobno so od cinka odvisni tudi tubulin, cinkovi prsti, alanil tRNA sintetaze.
Naslednji mehanizem, kjer cink sodeluje kot antioksidant, je uravnavanje metabolizma metalotioneina (protein, ki odstranjuje hidroksilne radikale). Cink sproži sintezo proteina, s tem pa posredno omogoči obrambo celice pred oksidativnim stresom.
Pomanjkanje cinka in povečana občutljivost na oksidacijo
Nastajanje ROS je prisotno ves čas med celičnim metabolizmom. V primeru različnih oblik stresa (npr. pomanjkanje hrane) pa se tvorba teh spojin poveča preko dovoljene meje. Številne raziskave so pokazale, da pomanjkanje cinka poveča produkcijo prostih radikalov in s tem občutljivost celice na oksidativne poškodbe. Dodajanje omenjenega elementa ima torej pozitiven učinek na obrambo pred oksidativnimi poškodbami in napredovanjem bolezni, povzročenih zaradi delovanja ROS. Tako dodajanje cinka npr. varuje pred diabetesom I, poškodbami DNA zaradi vpliva UV žarkov in pred apoptozo. Pri ljudeh terapija s cinkom zavira tudi napredovanje anetodermije (lisasta atrofija kože).
CINK IN POPRAVLJANJE DNA
Cink preko cinkovih prstov igra pomembno vlogo pri regulaciji transkripcije in replikacije DNA. Poleg tega tudi številni mehanizmi za popravljanje napak DNA vključujejo cink. Primer je tumor-supresorski protein p53, ki sodeluje v celičnem ciklusu, apoptozi, popravljanju DNA, proliferaciji in diferenciaciji, še posebej pa je pogosta njegova mutacija v tumorjih (>50 človeških malignosti). Mutacija največkrat prizadene gen, ki kodira DNA vezavno mesto na p53, kamor pa se poleg tega veže tudi cink. V celicah, kjer je koncentracija cinka manjša od normalne, se sinteza p53 sicer poveča, vendar pa je v tem primeru protein neaktiven oz. se ni sposoben vezati na DNA. Pomanjkanje cinka torej posredno onemogoča transkripcijo specifičnih genov, potrebnih za popravilo poškodovane DNA.
Pri popravilu DNA je prisoten še en protein, katerega delovanje je odvisno od cinka. To je apirimidinska endonukleaza (APE) ali Ref-1. Encim popravlja napake, nastale zaradi alkilacije oz. oksidacije. Te nastanejo zaradi zmanjšane količine cinka, ki pa hkrati poveča sintezo APE.
POMANJKANJE CINKA, CELIČNO SIGNALIZIRANJE IN APOPTOZA
Redoks občutljivi transkripcijski faktorji (npr. AP-1, NFκB) močno vplivajo na uravnavanje jakosti oksidativnega stresa, proliferacijo in apoptozo. Tako kot vsi prejšnji so tudi ti proteini odvisni od koncentracije cinka v celici; v primeru pomanjkanja se sposobnost vezave proteinov zmanjša, s tem pa se seveda zmanjša tudi zmožnost popravila poškodovane DNA. Če pa je oksidativni stres za celico premočan, ta doživi nepopravljive napake. DNA se fragmentira, zaradi česar celica vstopi v apoptozo in odmre.
VPLIV POMANJKANJA CINKA NA RAZVOJ KARCINOMA
Mnoge poti celičnega metabolizma za normalen potek nujno potrebujejo cink. Patološki znaki zmanjšane količine cinka so zaostajanje v rasti, distocija (otežkočeni in zavlačujoči se porod), nevropatija (nevnetna bolezen živcev), zmanjšan vnos hrane, diareja, dermatitis, izpadanje las, hipotenzija in hipotermija (podhladitev). Posebej občutljivi so starostniki, pri katerih je potreba po cinku še večja, verjetnost za razvoj bolezni pa še dodatno povečata slabša absorbcija in diete z manjšo vsebnostjo cinka. Največ cinka najdemo predvsem v rdečem mesu in morski hrani, nahaja pa se tudi v polnovrednih žitaricah in stročnicah. Problem je le v tem, da tega telo dosti težje prejme, zato je pri vegetarijancih verjetnost za pomanjkanje cinka še večja.
Vloga cinka pri razvoju rakavih obolenj je v zadnjih letih doživela veliko zanimanje. Ugotovili so, da njegovo pomanjkanje vpliva na nastanek tumorjev v požiralniku, testisih, ogroža hormonsko funkcijo pri moških, koncentracija celičnega cinka pa močno deluje tudi na stanje prostate. Prostata izmed vseh tkiv vsebuje največjo koncentracijo cinka, zato je še toliko bolj občutljiva na spremembe v njegovi količini. Uživanje cinka v velikih količinah (>100mg/dan, normalno 40mg/dan) ali na daljši rok (>10 let) tako poveča nevarnost za rak, medtem ko se med boleznijo njegova količina močno zmanjša, zato je potrebno pacientu cink dodajati.