Mechanizmus účinku oxidačného stresu

Za fyziologických podmienok sú ióny Fe uložené v proteínových štruktúrach, čím je tvorba voľných radikálov a ROS (reactive oxygen species) dostatočne regulovaná. Pôsobením niektorých xenobiotík môže dôjsť k oxidačnému poškodeniu bielkovín, a tým k uvoľneniu Fe z týchto štruktúr (napr. z hému účinkom H2O2).

Uvedeným spôsobom sa zvýši dostupnosť Fe s katalytickým účinkom, nevyhnutným pre vznik HO·(hydroxylový radikál) a ROS . Nadmerná kumulácia iónov Fe v bunkách môže následne indukovať rôzne metabolické poruchy a poškodenia tkanív a orgánov

Miera poškodenia buniek oxidačným stresom

Oxidačný stres zapríčiňuje okrem nadmerného uvoľňovania iónov Fe aj zvyšovanie intracelulárnej koncentrácie iónov vápnika (Ca2+). Predpokladá sa, že zvýšená koncentrácia Ca2+ môže súvisieť s fragmentáciou molekuly DNA prostredníctvom aktivácie endonukleáz.

Miera poškodenia buniek oxidačným stresom závisí od nasledovných faktorov:

a) druh poškodzovanej molekuly (proteíny, lipidy, nukleové kyseliny),
b) mechanizmus, akým sa poškodzovanie uskutočňuje (chémia fentonového typu, indukcia liekom alebo xenobiotikom, aktivácia enzýmom),
c) typ oxidačného stresu.

Peroxidácia lipidov

Peroxidácia lipidov je charakterizovaná ako oxidačné poškodenie polynenasýtených vyšších karboxylových kyselín (vyššia nenasýtená karboxylová kyselina, VNKK), ktoré sú zložkou membránových fosfolipidov. Výsledkom je tvorba hydroperoxidov lipidov membrán a sekundárnych metabolitov v autokatalytickom a nekontrolovanom procese.

Produktmi peroxidácie lipidov sú  najmä 4-hydroxy-2-nonenal a malonylaldehyd, ktoré sú relatívne stabilné a sú schopné difundovať a reagovať s cieľovými štruktúrami vo svojom okolí. Peroxidácia polynenasýtených lipidov v bunkovej membráne má za následok poškodenie integrity membrány a zhoršenie funkcie membránových proteínov.

Vo všeobecnosti pri peroxidácii lipidov platí, že čím je vyššia karboxylová kyselina viac nenasýtená, tým je citlivejšia na oxidačné poškodenie. Vyššie karboxylové kyseliny len s jednou dvojitou väzbou (napr. kyselina olejová 18:1) sa lipoperoxidáciou takmer nepoškodzujú, oxidujú sa len za extrémnych podmienok. Vhodnými substrátmi pre oxidačné poškodenie sú kyseliny s dvomi a viacerými dvojitými väzbami, napr. kyselina linolová (18:2), linolénová (18:3), arachidónová (20:4) a dokozahexánová (22:6).

Oxidačné poškodenie bielkovín

Významným cieľom pôsobenia voľných radikálov sú bielkoviny, zložené z niekoľkých aminokyselinových jednotiek, ktoré sú vhodnými substrátmi pre oxidanty. Reaktívne metabolity kyslíka môžu modifikovať tieto aminokyselinové jednotky za postupnej zmeny ich konformácie, čo následne môže indukovať zmenu, príp. až vymiznutie ich biologickej funkcie.

Oxidačné poškodenie proteínov sú najviac citlivé v nich obsiahnuté sulfhydrylové skupiny. Výsledkom oxidačného poškodenia uvedených skupín môže byť inaktivácia enzýmu alebo zmena sekundárnej až kvartérnej štruktúry bielkoviny. V iných prípadoch môžu zmenené funkčné skupiny aminokyselín vytvárať medzi sebou navzájom alebo s inými látkami (napr. s aldehydmi a hydroxyaldehydmi) krížové väzby, čím sa úplne zmení pôvodná podstata proteínu.

Za primárne produkty oxidačného poškodenia proteínov môžeme považovať karbonylové deriváty (aldehydy a ketóny) a nitro-deriváty.

Oxidačne poškodené proteíny sa odstraňujú proteolytickými enzýmami v procese hydrolýzy. Uvedeným procesom sa však nemusia hydrolyzovať všetky poškodené proteíny. Nahromadenie oxidačne poškodených proteínov v organizme môže pôsobiť prooxidačne, a tak spôsobiť poškodenia i ďalších makromolekúl (napr. DNA).

Oxidačné poškodenie DNA

Na oxidačné poškodenie sú citlivé aj nukleové kyseliny. Mnohé chemické, ale aj fyzikálne faktory indukujú oxidačné poškodenia DNA (t.j. závažné poškodenie genetického materiálu bunky) buď priamo, alebo nepriamo v dôsledku oxidačného stresu. Primárnou reakciou HO· s DNA nastáva odobratie atómu vodíka z molekuly deoxyribózy, čo zapríčiní deštrukciu sacharidu a štiepenie reťazcov dvojzávitnice DNA.

Hydroxylový radikál je taktiež schopný sa pripojiť k purínovým a pyrimidínovým bázam, a tak ich oxidovať za vzniku hydroxyderivátov a oxoderivátov.  Za najzávažnejšie oxidačné poškodenie môžeme považovať oxidáciu guanínu v polohe C8, ktorá spôsobuje mutácie v DNA. Oxidácia dusíkatých báz je príčinou indukcie apoptózy (t.j. programovanej smrti) buniek, mutácií, karcinogenézy a starnutia organizmu.

Ochorenia indukované v dôsledku účinku oxidačného stresu

Oxidačný stres zapríčiňuje starnutie organizmu a spôsobuje vznik rôznych ochorení.  Môžeme ich  kategorizovať do troch hlavných skupín:

a) ochorenia spojené s neopláziou buniek: hematologické a onkologické ochorenia,
b) metabolické poruchy: obezita a diabetes mellitus,
c) neurodegeneratívne ochorenia: Alzheimerova a Parkinsonova choroba.

K ďalším ochoreniam patrí reumatická artritída či ďalšie degeneratívne ochorenia. Predpokladá sa, že oxidačný stres zohráva významnú úlohu aj v patogenéze viacerých pediatrických ochorení, ako je napr. Downov syndróm, Hyperkinetická porucha aktivity a pozornosti (Attention Deficit Hyperactivity Disorder, ADHD), epilepsia, schizofrénia a iné.