TOKSIČNOST KISIKA

Nesporno je kisik ena izmed tistih anorganskih sestavin, brez katerih življeneje aerobov ne bi bilo mogoče, zato se morda sliši paradoksno pomišljati o njegovi toksičnosti. A vendar si je moč predstavljati, da če kisik s svojo reaktivnostjo zmore spreminjati železo v rjo, verjetno reagira tudi s tkivi in posameznimi celicami. Škodljive vplive kisika je težko preučevati in do nedavnega so bili vsi dokazi posredni in neprepričljivi, z novimi metodami pa so znanstveniki jasno dokazali, da kisik lahko poškoduje tkiva in povzroči posamezne patološke spremembe.

Reaktivnost kisika

Zavedati se moramo, da kisika ob začetku življenja v atmosferi ni bilo. V miljardi let so se razvile rastline, ki vršijo fotosintezo in je kisik stranski produkt reakcije skladiščenja energije sonca v obliki glukoze. Danes je kisika v atmosferi 20\%, kar predstavlja ravnotežje med produkcijo O2, ki jo vršijo raztline, in porabo kot posledico aerobne respiracije.
O2 je tako dober oksidant, da bi oksidiral praktično vsako biološko snov, če ne bi obstajali mehanizmi, ki oksidacijo zavirajo ali preprečujejo. K temu pripomore že kisik sam in razporeditev spinov elektronov na zunanji lupini atoma kisika:

Elektronska konfiguracija kisika je

O16: 1s2 2px2 2p y1 2pz1

Možne oblike spinov zadnjih dveh elektronov so:

1Sg ­ Ż 155 KJ
1Dg ­Ż __ 92 KJ
3Sg ­ ­ osnovno stanje

Osnovno stanje O2 se razlikuje od osnovnega stanja drugih organskih molekul, zato bi se morala za reakcijo z drugimi molekulami spina kisika obrniti. Za to bi potrebovali energijo in pa časovno dolg kontakt z drugo molekulo, kar je pa statistično malo verjetno. Zato kisik raje reagira s sebi enako molekulo – s še enim kisikom.



Kemija kisikovih prostih radikalov

Prosti radikali so tiste molekule, ki v svojih znanjih lupinah elektronov vključujejo prost, neparni elektron, torej elektron, ki na svoji podlupini nima še enega elektrona z nasprotnik spinom. Prosti radikali so nestabilni in zelo reaktivni, saj imajo veliko tendenco k temu, da bi prosti elektron oddali ali pa sprejeli še enega in s tem zapolnili podlupino.
V skupino kisikovih prostih radikalov štejemo vodikov peroksid, superoksid in hidroksilni prosti radikal.

Vodikov peroksid

Vodikov peroksid pozanamo že več kot 50 let in je stranski produkt mnogih biosintetskih reakcij. Vse delujejo po principu:

O2 + 2e- + 2H+ ® H2O2

Telo je razvilo več zelo učinkovitih encimskih reakcij za odpravljanje peroksida, ki preprečijo škodljive reakcije peroksida npr. s superoksidom.
1.) Reakcija z encimom katalaza:
2H2O2 ® 2H2O + ½ O2
To rekacijo že poznamo, vrši se npr. v jetrih.

2.) Reakcija z encimom peroksidaza:
H2O2 + R(OH)2 ® H2O +RO2

3.) Reakcija z encimom glutation peroksidaza:
H2O2 + 2GSH®GSSG+ 2H2O
Glutation je tripeptid g-glu-cys-gly, aktivno mesto je S-H na cisteinu, ki v oksidirani obliki tvori disulfidni mostiček.
S temi sistemi lahko celica učinkovito odstranjuje vodikov peroksid, če ta nastaja v nekih normalnih količinah. Vendar bo v celici ob prisotnosti Fe2+ ali bakrovih Cu2+ ionov H2O2 reagiral s kovino in tvotil dve molekuli superoksida OH-*.

Superoksid

Superoksid nastane pri reakciji

O2 + e- ® O2-*.

Dokazali so ga z l.1969 encimom, ki je v telesu obramba pred nastajanjem prostih radikalov, to je superoksid dismutaza, ki pretvori superoksid v vodikov peroksid in O2.

2O2-*+ 2H+ ® H2O2 + O2

Superoksid je zelo reaktiven in bi reagiral z mnogimi spojimami, vendar izključno kot reducent. Lahko tudi prehaja plazmalemo, in sicer skozi anionske kanalčke. V celici bo ob prisotnosti železovih Fe3+ ali bakrovih Cu2+ tvoril O2.

Hidroksilni prosti radikal

Nastane iz H2O2 ob prisotnosti Fe2+ ali bakrovih Cu2+ ionov. Tudi če je v celici prisoten Fe3+, ga lahko askorbat, sulfhidridi, semikinonski prosti radikali nekaterih ksenobiotikov idr. pretvorijo v škodljivi Fe2+, ki producira hidroksilni prosti radikal. OH-* je izredno reaktivna substanca, saj reagira s praktično vsako biomolekulo, ki je v radiju nekaj molekulskih trkov. Z njimi reagira na tri načine:
1.) odvzame H ali
2.) se pripne na biomolekulo:

HR*OH
­
OH-* + RH
Ż
(O2 +) H2O + R* ® ROO*
+
RH ® R* + ROOH

Kot vidimo, vodita v obe smeri verižni reakciji brez konca, kar pomeni, da se biomolekule verižno uničujejo.


Zaščita organizmov pred škodljivostjo kisikovih prostih radikalov

Telo je razvilo vrsto obrambnih mehanizmov da bi se zaščitilo pred škodljivimi vplivi kisikovih prostih radikalov. Tako je razvilo mehanizme, ki preprečujejo nastanek škodljivih radikalov, jih odstranjujejo, če so že nastali, ali pa popravljajo napake, ki so jih radikali povzročili.

Preprečevanje nastanka kisikovih prostih radikalov

Verjetno najučinkovitejša zaščita pred prostimi radikali je zagotovljena pri celični respiraciji s posebnim sistemom prenosov O2 čez notranjo mitohondrijosko membrano. Ta prehod zagotovi odstranitev H+ in elektronov (ki so produkt razgradnje glukoze za pridobitev ATP) s kisikom, hkrati pa kisiku ne omogoča oksidiranja ostalih biomolekul.

O2 + 4e- + 4H+ ® 2H2O

Kisik se kontrolirano porablja tudi pri sintezi hormonov, neurotransmiterjev, pri razstrupljanju ksenobiotikov itd.

Odstranjevanje prostih radikaliv z antioksidanti

Odstranjevanje prostih radikalov poteka na dveh nivojih, in sicer na nivoju encimov ter na nivoju 'scavingerjev' ali odstranjevalcev. Encime, ki odstranjujejo kisikove proste radikale, smo že spoznali. Pomembno je opaziti, da za hidroksilni prosti radikal nimamo encima, ki bi ta raikal odstranjeval.

Reakcija Produkt Encim Reakcija
O2 + e- ® O2-* superoksid superoksid dismutaza 2O2-*+ 2H+ ® H2O2 + O2
O2 + 2e- + 2H+ ® H2O2 vodikov peroksid katalaza peroksidazaglutation peroksidaza 2H2O2 ® 2H2O + ½ O2H2O2 + R(OH)2 ® H2O +RO2H2O2 + 2GSH®GSSG+ 2H2O
O2+3e-+3H+ ® OH*- + H2Oionsko sevanje (radioliza vode), UZ, ozon, oksidacija etanola hidroksilni prosti radikal + voda

Dodatne mahanizme odstranjevanja prostih radikalov nudijo scavingerji. Za njih velja, da morajo biti:
- v telesu prisotni v zadostnih količinah (kar je še posebaj pomembno zaradi nestabilnosti radikalov)
- reaktiven z različnimi prostimi radikali
- primerni za prenos iz tkiva v tkivo, v dele, kjer je potreben, skozi celične membrane
- dostopni s hrano ali da jih telo samo izdeluje
- primerni za regeneracijo
- reabsorbljivi v ledvicah, da jih ne izločimo takoj
- dovolj nestrupeni, da ne naredijo več škode kot koristi.
Izkaže se, da so še najbližje tem zahtevam v telesu vitamini.

Vitamin Nekatere lastnosti Delovanje
Vitamin E lipidotopen, ni toksičen, se reabsorbira, regenerabilen s pomočjo vitamina C Reagirata s prostimi radikali, predvsem na celičnih membranah
b-karoten lipidotopen, ni toksičen, se reabsorbira, regenerabilen
Urična kislina visoka koncentracija v krvi je velika prednost Reagirata s prostimi radikali v citoplazmi. Vitamin C ima širok spekter, urična kislina najbrž le R*.
Vitamin C velja za najboljši antioksidant, tudi pri in virto, tudi pri raztlinah, zelo splošen

Popravljanje napak

Če se izkaže, da je do poškodbe biomolekul vseeno prišlo, se aktivirajo različni mehanizmi popravljanja nastale škode. Ti mehanizmi so sicer zelo učinkoviti, a kljub temu le izhod v sili, ker navadno poškodovano molekulo le odstranijo, pa tudi poravljena molekula ne more biti tako natančno izdelana kot nepoškodovana molekula.

Proteini:
Proteinaze Razgrajujejo oksidirane proteine.
Proteaze Režejo produkte proteinazne aktivnosti.
Peptidaze Režejo koščke, ki so še ostali od proteaz. Preostale aminokisline se lahkko regenerirajo.

Lipidi:
Fosfolipaze Izrežejo poškodovan košček maščob v membrani, da lahko encimi popravijo prizadete segmente.
Acetiltransferaze Nadomeščajo odrezane maščobne kisline.
Glutation peroksidaze in transferaze Pomagajo popravljati maščobne kisline, brez da bi jih odstranjevale iz membrane.

DNA:
Eksonukleaze in endonuleaze Izrežejo poškodovane segmente DNA:
Glikozilaze in polimeraze Zapolnijo luknje, ki so jih pustile ekso- in endonukleaze.
Ligaze Utrdijo vezi, 'zašijejo' verigo.


Delovanje in posledice oksidativnih poškodb

Oksidativni stres

Telo se sicer lahko brani pred škodljivimi vplivi kisika, vendar le če so ti v nekih omejenih koločinah. Če se oksidativni stres poveča nad normalen nivo (npr. bolezensko vnetje – makrofagi in nevtrofilci nalašč producirajo O2-* in H2O2), celica ne bo več sposobna kontrirati produkciji škodljivih snovi in slednje bodo povzročile oksidativne poškodbe tkiva. Porušilo se bo ravnotežje
prooksidativni faktorji « antioksidativna kapaciteta
Prooksidativni faktorji kot so lifopfuscini se s časom akumulirajo, hkrati pa navadno hitro nastanejo, zato antioksidativna kapaciteta pa ne more zagotoviti dovolj hitrega odgovora. Če naprimer izpostavimo osebek 2-urnemu vdihavanju 1ppm ozona, to povzroči večjo škodo plučam kot mnoga leta vdihavanja 21\% O2, ker je oranizem na kisik navajen, na ozon pa ne. Če telo nezagotovi zadostne antioksidativne kapacitete, bo vpliv prooksidativnih faktorjev povzročil patološke spremembe na telesu.

Direktne metode opazovanja vplivov kisikovih prostih radikalov

Zaradi učinkovitih sistemov odstranjevanja H2O2 nam v celici kot škodljiva kisikova radikala superoksid in hidroksilni prosti radikal. Tudi koncentracije teh so zelo nizke, tja do 10-11 mola, hkrati pa so zelo reaktivni, kar pomeni, da je proučevanje njihovh lastnosti zelo težavno. Če jih npr. hočemo stabilizirati, moramo delati pri zelo nizkih temperaturah, kar pa niso več fiziološki pogoji. Razvili sta se dve metodi proučevanja reakcij kisikovih prostih radikalov:
a) ENDOGENA METODA je analiza produktov reakcij okisikovih prostih radikalov in biomolekul (lipidov, proteinov…).
b) EKSOGENA METODA je metoda, ki uporablja eksogene »pasti«. To so snovi, ki reagirajo s takoj, ko ti nastanejo. Za idealno eksogeno past velja, da:
biološki sistem ® kisikovi radikali (1)
past + kisikovi radikali ® 'ustavljeni' kisikovi radikali (2)
'ustavljeni' kisikovi radikali ® produkti (3)
je k2>>k1>>k3. Razvili so več družin teh pasti, najbolj uporabni danes sta »spin-trap« za R* in salicilatna past za OH*-.

Reakcije kisikovih prostih radikalov z endogenimi molekulami

1. Peroksidacija lipidov

Nenasičene maščobne kisline z dvojno C vezjo so najbolj izpostavljene oksidaciji. Peroksidacija lipidov speremeni njihovo strukturo, kar pa navadno povzroči rigidnejšo membrano, kar pa povzroči spremembe v prepustnosti membrane in konformacijske spremembe prenašalnih proteinov (npr. K/Na ATPaze). Te pomembne fiziološke spremembe lahko v končni fazi privedejo do porušenja membranskega gradienta. Nekateri produkti reakcij maščobnih kislin z kisikovimi radikali, kot je malondialdehid pa reagirajo tudi z nukleinskimi kislinami, kar lahko privede do mutageneze in posledično karcinogeneze. Drugi produkti reagirajo z LDLi, ki tao izgubijo afiniteto do LDL-receptorjev, kar podaljša njihovo cirkulacijo, pojejo jih makrofagi, ki se potem kopičijo po stenah žil (možnost povezave z aterogenezo). Produkt je tudi lipofuscin (starostni pigment), ki jse nalaga v celicah in je morda povezan s staranjem.

2. Oksidativne poškodbe proteinov

Ker so proteini glavni vršilci nalog v telesu, imajo lahko njihove poškodbe dramatične posledice. Spremembe se lahko zgodilo na nivoju aminokislinske verige, protein se lahko fragmentira, ali pa se celo ustvarjajo neprave zveze med različnimi biomolekulami. Primer: če je nek aminokislinski radikal na encimu glutamin sintaza oksidiran, bo to inhibiralo delovanje tega encima. Posledica tega je lahko kopičenje glutamata, ki pa je ekscitatorni neurotoksin. To se dogaja pogosto pri reperfuziji pri možganski kapi.

Možganaska kap
Okvare pri možganski kapi so posledica motenega pretoka krvi skozi tkivo. Tkivo je nekaj časa manj oksigenirano (krvni strdek zapre dotok krvi), nato pa nenadoma reoksigenirano (krvni strdek zaradi pritiska prebije steno, kri se razlije po tkivu). Pri tem pride do poškodb, ki niso zgolj mehanske, izkazalo pa se je, da je večina teh poškodb med reperfuzijo! Vzrok temu znanstveniki vidijo v množičnem nastajanju kisikovih radikalov takoj po reperfuziji. Med ishemijo namreč zaradi pomanjkanja ATP nastaja ksantin, kar povzroči pretvorbo ksantinske dehidrogenaze v ksantinsko oksidazo. Ta bo, ko bo kisik znova prisoten, pospešila razpad ksantinov v urično kislino in superoksid O2-*. Hkrati se pri reperfuziji pojavi tudi velika količina Fe ionov, ki so za možgansko tkivo zelo škodljivi. Zakaj? Med ishemijo pH pade, to pa, skupaj s prisotnostjo raztopljenega železa, povzroči različne konfiguracijske spremembe v mitohondrijih. Pri reperfuziji se zaradi tega še poveča produkcija kisikovih radikalov, kar povzroči še večjo oksidacijo glutamin sintaze (in s tem njeno inaktivacijo), nastajalo bo že več glutamata, ki bo uničil tkivo. Pri poskusih na puščavskih podganah so ugotovili, da bi eden izmed reagentov, ki deluje kot 'past' lahko bil zelo učinkovito sredstvo za preprečevanje poškodb možganov zaradi glutamata.

3. Oksidativne poškodbe nukleinskih kislin

Navadno gre za različne deformacije vrig nukleinskih kislin na nivoju razcepa verige in na nivoju posameznih baz. Hidroksilni prosti radikal cepi na verige DNA tako, da poškoduje vez med C3 in C4 atomi deoksiriboze. Sledijo mnogi popravljalni mehanizmi, ki pa niso vedno dovolj učinkoviti ali dovolj natančni. Kisikovi prosti radikali povzročajo vsaj tri modifikacije v strukturi organskih baz nuleotidov: 8-hidroksigvanin, 5-hidroksimetiluracil in timinglikol, ki vse spremenijo strukturo vijačnice (ni več tako 'pravilna'), s tem pa je možnost mutacije pri prepisovanju mnogo večja.

Karcinogeneza
Razvoj rakavega obolenja obsega (vsaj) tri faze: iniciacija®promocija®rak. Iniciacija vključuje spremembe na nivoju celičnega genoma, pri čemer kisikovi prosti radikali igrajo pomembno vlogo. Celica s spremenjenim genomom lahko potem 'spi', se ne razmnožuje, ali pa začne pod vplivom različnih substanc nenadoma hitro rasti in se multiplicirati. Velika verjetnost obstaja, da se bo taka skupina celic razvila v tumor. Kisikovi radikali delujejo na karcinogenezo pri vsaj petih različnih vzrokih za tumor: pri tumorjih zaradi ionskega sevanja, zaradi tujih protitelesc (leukociti proizvajajo proste radikale, da bi 'ubili' tujek, npr. teflonski implantat meniskusa; pacient namesto gibljivega kolena dobi tumor na kolenu…), pri tumorjih zaradi kemičnih agensov, zaradi kovin, zaradi manipulacij v hrani. Dokazali so, da se ob prisotnosti kiskovih radikalov verjetnost za nastanek karcinoma iz kožnega papiloma miši bistveno poveča.

Toksičnost kisika

1. Reaktivnost kisika

2. Kemija kisikovih prostih radikalov:
2.1. Vodikov peroksid
2.2. Superoksid
2.3. Hidroksilni prosti radikal

3. Zaščita organizma pred oksidativnimi poškodbami
3.1. Preprečevanje nastajanja kisikovih prostih radikalov
3.2. Odstranjevanje kisikovih prostih radikalov z antioksidanti
3.3. Popravljanje napak

4. Delovanje in posledice oksidativnih poškodb:
4.1. Oksidativni stres
4.2. Direktne metode opazovanja delovanja kisikovih prostih radikalov
4.3. Reakcije kisikovih prostih radikalov z endogenimi molekulami


Reakcija Produkt Encim Reakcija
O2 + e- ® O2-* superoksid superoksid dismutaza 2O2-*+ 2H+ ® H2O2 + O2
O2 + 2e- + 2H+ ® H2O2 vodikov peroksid - katalaza - peroksidaza- glutation peroksidaza 2H2O2 ® 2H2O + ½ O2H2O2 + R(OH)2 ® H2O +RO2H2O2 + 2GSH®GSSG+ 2H2O
O2+3e-+3H+ ® OH*- + H2Oionsko sevanje (radioliza vode), UZ, ozon, oksidacija etanola hidroksilni prosti radikal + voda

Vitamin Nekatere lastnosti Delovanje
Vitamin E lipidotopen, ni toksičen, se reabsorbira, regenerabilen s pomočjo vitamina C Reagirata s prostimi radikali, predvsem na celičnih membranah
b-karoten lipidotopen, ni toksičen, se reabsorbira, regenerabilen
Urična kislina visoka koncentracija v krvi je velika prednost Reagirata s prostimi radikali v citoplazmi. Vitamin C ima širok spekter, urična kislina najbrž le R*.
Vitamin C velja za najboljši antioksidant, tudi pri in virto, tudi pri raztlinah, zelo splošen

Proteini:
Proteinaze Razgrajujejo oksidirane proteine.
Proteaze Režejo produkte proteinazne aktivnosti.
Peptidaze Režejo koščke, ki so še ostali od proteaz. Preostale aminokisline se lahkko regenerirajo.

Lipidi:
Fosfolipaze Izrežejo poškodovan košček maščob v membrani, da lahko encimi popravijo prizadete segmente.
Acetiltransferaze Nadomeščajo odrezane maščobne kisline.
Glutation peroksidaze in transferaze Pomagajo popravljati maščobne kisline, brez da bi jih odstranjevale iz membrane.

DNA:
Eksonukleaze in endonuleaze Izrežejo poškodovane segmente DNA.
Glikozilaze in polimeraze Zapolnijo luknje, ki so jih pustile ekso- in endonukleaze.
Ligaze Utrdijo vezi, 'zašijejo' verigo.




HR*OH
­
OH-* + RH
Ż
(O2 +) H2O + R* ® ROO*
+
RH ® R* + ROOH






Prooksidativni faktorji « Antioksidativna kapaciteta






biološki sistem ® kisikovi radikali (1)
past + kisikovi radikali ® 'ustavljeni' kisikovi radikali (2)
'ustavljeni' kisikovi radikali ® produkti (3)


k2>>k1>>k3