Reaktywne formy tlenu

Struktura reaktywnych form tlenu: 1) tlen trypletowy, 2) tlen singletowy, 3) anionowy rodnik ponadtlenkowy, 4) nadtlenek wodoru, 5) rodnik hydroksylowy

Reaktywne formy tlenu, RFT (lub ROS, od ang. reactive oxygen species) – reaktywne indywidua chemiczne zawierające w swoim składzie atomy tlenu z niesparowanym elektronem (rodniki) lub wiązania O–O i zdolne do uczestniczenia w reakcjach chemicznych, które odgrywają znaczącą rolę w metabolizmie i starzeniu się organizmów żywych.

Klasyfikacja

Reaktywne formy tlenu będące rodnikami:

• anionorodnik ponadtlenkowy O₂^•−
• rodnik wodoronadtlenkowy HO₂^•
• rodnik hydroksylowy HO^•
• rodnik alkoksylowy RO^•

Reaktywne formy tlenu niebędące rodnikami (niemające niesparowanego elektronu):

• tlen singletowy ¹O₂
• ozon O₃
• nadtlenek wodoru H₂O₂

Charakterystyka

Niektóre reaktywne formy tlenu są naturalnymi produktami metabolizmu, inne powstają w układach nieożywionych.

Najbardziej rozpowszechnione RFT w organizmach żywych to anionorodnik ponadtlenkowy i rodnik wodoronadtlenkowy. Powstają one podczas wycieku elektronów z łańcucha oddechowego. Rodnik ponadtlenkowy może również powstać w procesie redukcji tlenu cząsteczkowego przez mieloperoksydazę i oksydazę NADPH – kluczowe enzymy uczestniczące w pierwszej linii obrony przed patogenami. Dalsza redukcja przez dysmutazę ponadtlenkową powoduje powstanie nadtlenku wodoru. Rodnik ponadtlenkowy może również ulec konwersji do rodnika nadtlenkowego, alkoksylowego i hydroksylowego.

Stanowią ważny składnik przekazu sygnału w organizmach żywych. W pewnych sytuacjach poziom RFT może gwałtownie wzrosnąć prowadząc do uszkodzenia struktur w komórkach. Zjawisko to nazywa się stresem oksydacyjnym. Komórki bronią się przed nim zwiększając ekspresję enzymów takich jak katalazy i dysmutazy ponadtlenkowe. Niskocząsteczkowe przeciwutleniacze, takie jak kwas askorbinowy (witamina C), kwas moczowy lub glutation również pełnią rolę ochronną przed stresem oksydacyjnym.

Reaktywne formy tlenu w regulacji procesów fizjologicznych

RFT uczestniczą w wielu procesach komórkowych. Są to, między innymi:

• sprzężenie oksydacyjno-fosforylacyjne, które zachodzi w mitochondriach i dostarcza energii komórkom
• apoptoza, czyli zaprogramowana autodestrukcja komórek
• krzepnięcie krwi.

Szereg substancji będących środkami medycznymi powoduje wytwarzanie RFT. Prowadzą do tego ich nieenzymatyczne reakcje z tlenem lub reakcje redoks wewnątrz komórek. Zwiększona produkcja RFT występuje podczas wysiłku fizycznego i po jego zakończeniu. Intensywny wysiłek cechuje m.in. wzrost peroksydacji lipidów i poziomu uszkodzeń DNA. W 2014 laureat nagrody Nobla James Watson przedstawił hipotezę sugerującą, że niedobór RFT jest związany z występowaniem cukrzycy, otępienia, chorób układu krążenia i niektórych postaci nowotworów.

W odpowiedzi na wzrost stężeń RFT często zachodzi wzrost aktywności enzymów rozkładających te formy i wzrost stężeń niskocząsteczkowych przeciwutleniaczy.

Działanie RFT w komórce nie musi ograniczać się do negatywnych efektów. Gdy występują one w stężeniu fizjologicznym, mogą odgrywać ważną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu komórek, poprzez udział w sygnalizacji komórkowej i regulację takich procesów jak: proliferacja, różnicowanie, apoptoza i migracja. W organizmach żywych istotne jest utrzymywanie odpowiedniej homeostazy prooksydacyjno-antyoksydacyjnej.

Ma to miejsce w:

• obronie przed inwazją mikroorganizmów
• walce z pasożytami
• niektórych reakcjach metabolicznych, gdzie RFT pełnią rolę substratów (np. tworzenie tyroksyny – hormonu tarczycy)
• reakcjach niektórych enzymów – też jako substraty (np. dioksygeneza indolowa)
• terapiach, gdzie wykorzystywana jest hormeza radiacyjna (np. kąpiele i inhalacje radonowe)
• procesach aktywowania niektórych enzymów
• procesach aktywowania niektórych białek transportowych
• modyfikowaniu szlaków przekazywania informacji do komórki
• szeregu zastosowań tlenku azotu (np. nitrogliceryna, syldenafil)
• procesie apoptozy – sygnalizowaniu, inicjowaniu i egzekucji programowanej śmierci komórki.

Nadmierne wytwarzanie RFT wywołane jest stresem oksydacyjnym, który pojawia się w wielu stanach patologicznych i leczenia, na przykład w czasie terapii fotodynamicznej.

Stężenie reaktywnych form tlenu jest ściśle regulowane w komórce przez antyoksydanty, takie jak zmiatacze wolnych rodników, glutation, tokoferole oraz enzymy antyoksydacyjne. Zaburzenie równowagi między związkami prooksydacyjnymi i antyoksydacyjnymi wywołuje stres oksydacyjny, który może doprowadzić do uszkodzenia, a także śmierci komórki na drodze apoptozy lub nekrozy. Śmierć komórki wywołana jest upośledzeniem jej funkcji przez utlenienie jej składników, takich jak białka.

RFT mogą również pełnić rolę regulatora u roślin. W organizmach zwierzęcych mogą wzmagać odpowiedź immunologiczną (głównie na patogeny zewnątrzkomórkowe), regulować adhezję komórkową oraz indukować odpowiedź na hipoksję (poprzez produkcję czynnika HIF1).

Szybkość i łatwość dyfuzji RFT oraz ich zdolność do niespecyficznego reagowania z wieloma składnikami komórki może prowadzić do zaburzenia funkcjonowania komórki oraz być przyczyną wielu chorób (cukrzycy, miażdżycy, nowotworów, choroby Alzheimera, choroby Parkinsona).

RFT w regulacji śmierci komórki

Reaktywne formy tlenu, które powstają w komórce w odpowiedzi na stres oksydacyjny mogą stymulować śmierć komórki przez aktywację szlaków apoptotycznych lub oddziaływanie na inne białka komórki. Reagując z białkami, upośledzają ich funkcję na skutek utleniania. Uszkodzenia białek mogą stać się sygnałem dla komórki aby weszła w proces apoptozy.

Indukcja apoptozy może zostać wywołana również przez uszkodzenia DNA, usunięcie czynników wzrostu lub wiązanie się specyficznych ligandów do receptorów śmierci. Czynniki te powodują modyfikacje potranslacyjne w białkach (fosforylacja, cięcie białek charakterystyczne dla szlaków kaspaz) prowadzące do apoptozy.

Modyfikacje białek indukowane reaktywnymi formami tlenu

RFT uszkadzają białka, które w efekcie mogą wpływać na szlaki przekazywania sygnału. Zmiany te mogą być odwracalne, np. modyfikacja reszt cysteinowych lub nieodwracalne, jak karbonylacja i powstawanie dityrozyny.

Udział RFT w regulacji migracji komórek

Istnieje wiele szlaków sygnałowych zależnych od RFT, zaangażowanych w regulację aktywności ruchowej komórek zwierzęcych zarówno prawidłowych, jak i nowotworowych. Bardzo ważnym mechanizmem regulującym aktywność białek związanych z migracją komórek są reakcje fosforylacji i defosforylacji. Modyfikacja działania tych szlaków poprzez regulację aktywności niektórych białek enzymatycznych może być efektem ich odwracalnego utleniania przez reaktywne formy tlenu. RFT ingerują w szlaki przekazywania sygnałów poprzez zahamowanie aktywności fosfataz. Dochodzi do utlenienia reszt cysteinowych znajdujących się w centrum aktywnym fosfataz, czego skutkiem jest ich inaktywacja, co w konsekwencji wpływa to na funkcjonowanie wielu kaskad sygnalizacji wewnątrzkomórkowej.

Bibliografia

• Grzegorz Bartosz: Druga twarz tlenu. Wyd. 2. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008. ISBN 978-83-01-13847-9.