Prosti radikali (ROS) in pH (kislost)

Ključne razlike

 

Nastanek hidroksilnega radikala (OH•) v mitohondrijih

Hidroksilni radikal (OH•) je najbolj reaktivna vrsta reaktivnega kisika (ROS) in nastaja v mitohondrijih predvsem preko elektronskega transportnega veriga (ETC) ter reakcij s težkimi kovinami (npr. Fe²⁺, Cu⁺). Prav tako lahko nanj vplivajo tudi nanodelci, kot je grafen oksid (GO).

---

1. Klasični mehanizem nastajanja OH• v mitohondrijih

(A) Pobeg elektronov iz ETC → superoksid (O₂•⁻)

• Med dihalnim verigo (kompleksi I, II in III) 1–2 % elektronov “pobegne” in reagira z O₂, tvori superoksid (O₂•⁻).

• Glavni viri:

  • Kompleks I (NADH dehidrogenaza) – če je ETC prenapolnjen (npr. pri veliki koncentraciji NADH).

  • Kompleks III (ubihinon-citokrom c oksidoreduktaza) – delno reducirani ubisemikinon (QH•) prenese elektron na O₂.

(B) Superoksid dismutaza (SOD) → vodikov peroksid (H₂O₂)

• Mitohondrijska SOD (Mn-SOD) pretvori O₂•⁻ v manj reaktiven H₂O₂:

  2O2•−+2H+→SODH2O2+O22O2​•−+2H+SOD

• ​H2​O2​+O2​

(C) Fentonova reakcija (Fe²⁺/Cu⁺) → OH•

• Prosto železo (Fe²⁺) ali baker (Cu⁺) v mitohondrijih reagira z H₂O₂ in tvori OH•:

  H2O2+Fe2+→OH•+OH−+Fe3+(Fentonova kemija)H2​O2​+Fe2+→OH•+OH−+Fe3+(Fentonova kemija)

• Vir Fe²⁺:

  • Labilni železovi ioni iz mitohondrijskih proteinov (npr. feritin, aconitaza).

  • Povečana koncentracija Fe²⁺ pospeši OH• tvorbo.

(D) Haber-Weissov cikel (posredna tvorba OH•)

• Če je O₂•⁻ prisotn, lahko katalizira pretvorbo H₂O₂ v OH•:

  O2•−+H2O2→OH•+OH−+O2(Haber-Weiss)O2​•−+H2​O2​→OH•+OH−+O2​(Haber-Weiss)

---

2. Vpliv težkih kovin na OH• tvorbo

Težke kovine (Fe, Cu, Hg, Cd) lahko močno povečajo OH• produkcijo v mitohondrijih:

(A) Železo (Fe) in baker (Cu)

• Fe²⁺ in Cu⁺ neposredno katalizirajo Fentonovo reakcijo (glej zgoraj).

• Fe³⁺ se lahko reducira nazaj v Fe²⁺ z O₂•⁻, kar vzdržuje cikel:

  Fe3++O2•−→Fe2++O2Fe3++O2​•−→Fe2++O2​

(B) Druge toksične kovine (Hg, Cd, As)

• Motijo antioksidativne encime (npr. SOD, katalazo), kar vodi do kopičenja O₂•⁻ in H₂O₂.

• Povečujejo labilno železo v celicah, kar pospeši Fentonove reakcije.

---

3. Vpliv grafenskega oksida (GO) na OH• tvorbo

Grafen oksid (GO) lahko v mitohondrijih poveča oksidativni stres na več načinov:

(A) Povečana ROS produkcija

• GO lahko motri elektronski transportni verig, kar poveča uhajanje elektronov in tvorbo O₂•⁻.

• Interakcija z membrano povzroči vnetni odziv (npr. aktivacija NADPH oksidaz).

(B) Fenton-podobne reakcije na površini GO

• GO lahko adsorbira kovinske ione (Fe, Cu), ki nato katalizirajo OH• tvorbo iz H₂O₂.

• Defekti v GO strukturi lahko delujejo kot katalitska mesta za razpad H₂O₂.

(C) Znižanje antioksidativne zaščite

• GO lahko deaktivira encime (SOD, katalazo) ali zmanjša koncentracijo glutationa (GSH).

---

Zaključek

• OH• v mitohondrijih nastaja predvsem preko superoksida (O₂•⁻) → H₂O₂ → Fentonove reakcije (Fe²⁺/Cu⁺).

• Težke kovine (Fe, Cu, Hg) močno povečajo OH• tvorbo s katalizo Fentonovih reakcij.

• Grafen oksid (GO) lahko posredno poveča OH• tvorbo z:

  • motnjo ETC,

  • adsorpcijo kovinskih ionov,

  • uničenjem antioksidantov.

 

Nastanek peroksinitrita (ONOO⁻)

Peroksinitrit (ONOO⁻) je izjemno reaktiven dušikov oksidant, ki nastane s kombinacijo superoksida (O₂•⁻) in dušikovega oksida (NO•). Njegova tvorba je ključna v patologiji vnetja, nevrodegenerativnih bolezni in raka.

---

1. Glavna reakcija nastanka

ONOO⁻ nastane v eksotermni reakciji med:

$$\text{NO•}+\text{O₂•⁻}\to \text{ONOO⁻}\text{(hitrost: 10⁹ M⁻¹s⁻¹)}$$

• NO• (dušikov oksid) – proizvajajo ga encimi NOS (dušikova oksidaza sintaza).

• O₂•⁻ (superoksid) – nastane v mitohondrijih ali pri aktivaciji imunskih celic (npr. makrofagi).

---

2. Ključni viri NO• in O₂•⁻

(A) Viri NO•

• Endotelne celice (eNOS) – regulacija krvnega pretoka.

• Imunske celice (iNOS) – vnetni odziv (proizvodnja velikih količin NO•).

• Nevroni (nNOS) – signalizacija v možganih.

(B) Viri O₂•⁻

• Elektronski transportni verig v mitohondrijih (uhajanje elektronov).

• NADPH oksidaze (NOX encimi) v vnetnih celicah.

---

3. Usoda ONOO⁻ v bioloških sistemih

Peroksinitrit je nestabilen (razpolovni čas ~10 ms pri fiziološkem pH) in razpade na:

1. Toksčne produkte:

   $$\text{ONOO⁻}+\text{H⁺}\to \text{NO₂•}+\text{OH•}\text{(hidroksilni radikal!)}$$

2. Reakcije s CO₂:

   $$\text{ONOO⁻}+\text{CO₂}\to \text{NO₂•}+\text{CO₃•⁻}\text{(karbonatni radikal)}$$

3. Nitriranje beljakovin (npr. tirozin → 3-nitrotirozin), kar moti celično signalizacijo.

---

4. Patološki učinki ONOO⁻

• Poškodbe DNA → sproži popravljalne mehanizme (aktivira PARP, kar porabi celični NAD⁺).

• Oksidacija lipidov (npr. LDL → ateroskleroza).

• Inaktivacija encimov:

  • SOD (superoksid dismutaza)

  • Mitohondrijske proteine (npr. kompleks I in II).

• Nevrodegeneracija (Alzheimerjeva bolezen, ALS) – povečana nitracija tau-proteina.

---

5. Kdaj je ONOO⁻ koristen?

• Antimikrobno delovanje (makrofagi ga uporabljajo za uničevanje patogenov).

• Signalizacija (v nizkih koncentracijah).

---

6. Kako organizem nevtralizira ONOO⁻?

• Glutation (GSH) – reducira ONOO⁻ v manj škodljive produkte.

• Selenoproteini (npr. glutation peroksidaza).

• Urejanje ravni NO• in O₂•⁻ (z antioksidanti, kot je vitamin C).

---

Zaključek

ONOO⁻ nastane ob sočasni prisotnosti NO• in O₂•⁻, kar se zgodi predvsem med:

• Vnetjem (aktivacija makrofagov).

• Mitohondrijsko disfunkcijo (povečana proizvodnja ROS).

• Ishemičnimi stanji (pomanjkanje kisika).

Njegova visoka reaktivnost prispeva k oksidativnemu stresu, poškodbam tkiv in kroničnim boleznim. Za zaščito so ključni antioksidanti in zmanjšanje vnetja.

 

 

Kako molekularni vodik odstrani hidroksilni radikal OH• in peroksinitrit ONOO-?

Molekularni vodik (H₂) deluje kot selektiven antioksidant, ki nevtralizira najbolj škodljive reaktivne vrste kisika in dušika (OH• in ONOO⁻), vendar ne vpliva na koristne signalne molekule (npr. H₂O₂ ali NO•).

---

1. Mehanizem nevtralizacije OH• (hidroksilnega radikala)

H₂ neposredno reagira s hidroksilnim radikalom v redoks reakciji:

$$\text{H₂}+\text{OH•}\to \text{H₂O}+\text{H•}\text{(vodikov radikal, manj reaktiven)}$$

• H• nato reagira z drugim OH• ali prek drugih mehanizmov (npr. z glutationom).

• OH• je nevtraliziran brez nastanka škodljivih stranskih produktov.

Ključna prednost:

• H₂ je eden redkih znanih spojin, ki lahko neposredno odstrani OH• (večina antioksidantov, kot je vitamin C, deluje posredno).

---

2. Mehanizem nevtralizacije ONOO⁻ (peroksinitrita)

H₂ nevtralizira ONOO⁻ preko dveh glavnih poti:

(A) Neposredna reakcija s ONOO⁻

$$\text{H₂}+\text{ONOO⁻}\to \text{HNO₂}\text{(dusˇikova kislina)}\text{(ali manj sˇkodljive dusˇikove spojine)}$$

• ONOO⁻ razpade brez tvorbe toksičnih NO₂• ali OH•.

(B) Posredna zaščita preko zmanjšanja tvorbe ONOO⁻

• H₂ zmanjša proizvodnjo O₂•⁻ (superoksida) v mitohondrijih, kar prepreči reakcijo:

  $$\text{NO•}+\text{O₂•⁻}\to \text{ONOO⁻}$$

• Zmanjša aktivacijo NADPH oksidaz (NOX encimi), ki proizvajajo O₂•⁻.

---

3. Zakaj je H₂ učinkovit?

1. Majhna molekula – zlahka prodre v membrane in mitohondrije.

2. Selektiven – ne vpliva na koristne ROS (npr. H₂O₂, NO•).

3. Brez stranskih učinkov – razgradi se v vodo (H₂O).

---

4. Dokazi za učinkovitost H₂

• Študije na živalih: Zmanjša oksidativni stres pri možganskih kapi, Parkinsonovi bolezni.

• Klinične študije: Inhalacija H₂ plina zmanjša poškodbe pri srčnem infarktu.

• Pitna voda z H₂: Zniža markerje vnetja pri bolnikih z revmatoidnim artritisom.

---

5. Kako se uporablja H₂ v praksi?

• Inhalacija plina (1–4 % H₂ v zraku).

• Pitje vodikove vode (0,5–1,6 ppm H₂).

• H₂ topilo za injekcije (v preiskavah).

---

Zaključek

Molekularni vodik (H₂) je edinstven antioksidant, ki:

1. Neposredno odstrani OH• in ONOO⁻ brez motnje celične signalizacije.

2. Preprečuje nastanek ONOO⁻ z zmanjšanjem O₂•⁻.

3. Je varen in učinkovit za številne bolezni, povezane z oksidativnim stresom.

 

Kateri polisaharidi in katere bakterije povečajo proizvodnjo vodika v črevesju?