Frie radikaler og oksidativt stress

Frie radikaler er molekyler med uparede elektroner, og på grunn av dette kan de angripe andre molekyler og ta ett elektron. Dette gjør at det oppstår nye frie radikaler. Disse kan igjen angripe andre molekyler. Det er denne kjedereaksjonen som er oksidativt stress.

Antioksidanter er molekyler som gir fra seg ett elektron uten å selv bli en fri radikal.

Frie radikaler er nartulig og nødvendige for energiomsetningen, immunforsvaret og det endokrine systemet, men for mye frie radikaler vil kunne føre til skade. Antioksidantforsvaret beskytter mot skader fra RONS, men forsvaret er ikke nok, og systemer som reparer skader etter RONS er også nødvendig. En ubalanse mellom antioksidanter og fri radikaler med overskudd av frie radikaler vil føre til oksidativt stress. Mildt oksidativt stress induserer ofte antioksidantforsvarsenzymer, mens alvorlig stress kan føre til oksidativ skade på lipider, proteiner og DNA i cellene, som kan føre til brudd på DNA tråd og forstyrrelser i

kalsiumionmetabolismen. Det oksidative stresset øker nivået av fri Ca²⁺ og fritt jern i cellene ved å skade proteinene som normalt holder disse bundet. Det økte nivået Ca²⁺ i cellen kan aktivere endonuklease og forårsake DNA fragmentering (Halliwell & Cross, 1994).

6.2 Antioksidanter

Antioksidanter er en gruppe stoffer som beskytter kroppens vev mot skade fra frie radikaler.

Alle organismer som er avhengige av oksygen har beskyttelsesmekanismer mot frie radikaler.

I metabolismen kan oksygen produsere toksiske metabolitter som superoksidanionradikaler (O₂•^-), hydrogenperoksid (H₂O₂), hydroksylradikaler (OH•), og andre peroksid radikaler, samt oksider av nitrogen; nitrittoksid (NO•) og nitrogendioksid (NO2)(Halliwell & Cross, 1994) og peroksynitritt (OONO^-)(Mathewa, Van Holde, Ahren, 2000).

Kroppens komplekse antioksidantsystem påvirkes av inntak av ikke-enzymatiske

antioksidanter som blant annet glutation, β-caroten og vitamin A, C og E, urinsyre og NADH.

Kroppen produserer også flere antioksidantenzymer selv, dette inkluderer; superoksid

dismutase (SOD), glutation reduktase (GSH), glutation peroksidase (GPx) og katalase. Disse stoffene fjerner RONS før de forårsaker skade, eller forhindrer at oksidative skader sprer seg.

Et eksempel er lipidperoksidering, som er en kjedereaksjon, hvor hver peroksidering gir en ny fri radikal som kan initiere ytterligere en peroksidering. Ved å stoppe en radikal kan man bryte kjedereaksjonen hvor ellers flere fettsyregrupper og membraner kan skades, og struktur og funksjon endres av de reaktive peroksidene (Mathewa, Van Holde, Ahren, 2000). Både de enzymatiske og ikke-enzymatiske antioksidantsystemene bekjemper frie radikaler og bidrar til å hindre celleskader.

6.2.1 Superoksid dismutase (SOD)

Blant de enzymatiske mekanismene er SOD den første i rekken i forsvaret. SOD er en gruppe metalloproteinaser. Det er det tre store familier av superoxide dismutase, avhengig

metallcofaktor: Cu/Zn som binder både kobber og sink, Fe og Mn typer som binder enten jern eller mangan, og Ni-typen som binder nikkel. I menneskelige celler finnes SOD i

motokondriet med mangan i det aktive setet. Det er også SOD med kobber og sink som kofaktor. Disse finnes hovedsakelig i cytosol. SOD katalyserer dismutering, hvor ett peroksid reduseres og ett oksideres, se figur 6.2. Enzymene forhindrer at superoksidanion gir skader og danner hydrogenperoksid og oksygen (Halliwell & Cross, 1994, Mathewa, Van Holde, Ahren, 2000).

Figur 6.2: Figuren viser dannelse og eliminering av reaktive oksygenarter (ROS)

6.2.2 Katalase

Katalaseenzymer konverterer 2H2O2 til 2H2O og O2 og hjelper på denne måten til med å fjerne hydrogenperoksid dannet ved peroksisomale oksidase enzymer (Halliwell & Cross, 1994)

6.2.3 Glutation (GSH)

Glutation (tripeptidet γ-glutamylcysteinylglycin) er tallrik i cellen og spiller en spesielt viktig rolle i den cellulære antioksidantbeskyttelsen på grunn av den frie tiol (SH) gruppen. Hvis to tiol grupper oksideres kan de reduseres ikke-enzymatisk av glutation. Dette hjelper for eksempel å holde cysteintiolgrupper i proteiner i redusert form. Glutation reduserer også peroksider, men dette er en enzymatisk reaksjon katalysert av GPx.

6.2.4 Glutation peroksidase (GPx)

GPx er det viktigste enzymet for fjerning av hydrogenperoksid. GPx finnes i cytosol og mitokondrier og krever selen som seléno- cystein som aktivt sete. GPx kan omsette både hydrogenperoksid og organiske peroksider ved samtidig å oksidere to molekyler GSH til glutation-disulfid (GSSG). Etterhvert som elektroner går tapt, blir molekylet oksidert, og to

GSH molekyler blir koblet sammen av en disulfidbro for å danne GSSG eller oksidert glutation (Halliwell & Cross, 1994). Denne koblingen er reversibel. GPx enzymet

uskadeliggjør peroksidradikaler og omdanner det frie radikalet hydrogenperoksid til vann (Jurkovič, Osredkar, Mark, 2008). Den biokjemiske funksjon til glutation peroksidase er å redusere lipid hydroperoksider til sine tilsvarende alkoholer, og å redusere fritt hydrogen peroksid til vann. GPx bruker glutation for å redusere hydrogenperoksid og således beskytte celler og plasma mot fri radikal skade. Det finnes flere isozymer av gultation peroksidase. De er kodet av forskjellige gener, som uttrykkes ut i fra vev og substratspesifisitet. Glutation peroksidase er av stor betydning for cellenes forsvar mot peroksider (Nes, Müller, Pedersen, 2004, Jurkovic, Osredkar, Mark, 2008).

I tillegg til å beskytte mot oksidativt stress kan glutation gjennom enzymet glutation S-transferase (GST) hjelpe til med å skille ut giftige stoffer fra kroppen. Disse stoffene inkluderer halogenider, fettsyreperoksider fra lipidoksidering, xenobiotika, elektrofiler produsert gjennom cytokrom p-450 koplede oksidaser og produkter fra stråleskadet DNA.

Glutation reagerer med disse stoffene ved å binde til sulfidet i cystein, for deretter å kløyve av γ-glutamyl og glycyl. Videre tilføres en acetylgruppe av acetyl-CoA slik at merkaptursyre dannes. Dette er en mer løselig og mindre giftig derivat enn den opprinnelige og kan skilles ut i urinen (Mathewa, Van Holde, Ahren, 2000).

6.2.5 Glutation reduktase (GSR)

Glutation reduktase er et flavoproteinenzym som reduserer GSSG til sulfhydryl formen GSH.

For hvert mol GSSG er et mol NADPH nødvendig for å redusere GSSG til GSH. Enzymet danner en FAD-bundet homodimer. For hver GSSG og NADPH, blir to GSH molekyler dannet, som igjen kan fungere som antioksidant mot reaktive oksygenforbindelser i cellen.

Aktiviteten av glutation reduktase brukes som indikator for oksidativt stress.

6.2.6 Andre antioksidanter

NADH er ansett som et antioksidant i biologiske systemer på grunn høy reaktivitet med noen frie radikaler, høye intracellulære konsentrasjoner og at det har høy reduserende effekt.

α-tokoferol i vitamin-E familien er fettløselig antioksidant som spiller en viktig rolle i å forhindre cellemembranskade. β-karoten og andre carotenoider i vitamin-A-familien er

fettløselige antioksidanter og har en viktig rolle i forsvaret mot frie radikaler. Vitamin-C, eller

askorbinsyre er en viktig antioksidant. Den er vannløselig og kan oksideres til

dehydroaskorbinsyre. I ekstracellulære væsker er askorbatnivået betraktlig høyere enn nivået av glutation og spiller en viktig rolle i ekstracellulær antioksidantbeskyttelse. Urinsyre er også en viktig antioksidant som binder og inaktiverer peroksynitritt (Mathewa, Van Holde, Ahren, 2000, Halliwell & Cross, 1994, Mier-Cabrera et al., 2009).

Det er også mineraler som er viktige cofaktorer for enzymene i antioksidantsystemet. Dette er selen, jern, kobber, sink og mangan. Disse er viktige for optimal katalytisk aktivitet.

Utilstrekkelig inntak av disse mineralsporstoffene kan kompromittere effektiviteten av antioksidantforsvarsmekanismene (Halliwell & Cross, 1994).

Et annet viktig antioksidantsystem er sequestration eller fjerning av transisjonsmetalioner til former som ikke katalyserer frie radikalsystemer. Jern og kobber, og andre transisjonsmetaller kan katalysere hydroksylradikaler fra hydrogenperoksid. Derfor er det viktig at disse holdes bundet til transport- eller legringsproteiner. Dette er spesielt viktig i ekstracellulære områder hvor SOD-, GPx-, GSH- og katalasenivåene er lave (Halliwell & Cross, 1994).