Oxidační stres je způsoben nerovnováhou mezi produkcí reaktivního kyslíku a schopností biologického systému snadno detoxikovat reaktivní meziprodukty nebo snadno napravit vzniklé škody. Všechny formy života si ve svých buňkách udržují redukční prostředí. Toto redukční prostředí je zachováno enzymy, které udržují redukční stav díky stálému přísunu metabolické energie. Poruchy v tomto normálním redoxním stavu mohou způsobit toxické účinky prostřednictvím produkce peroxidů a volných radikálů, které poškozují všechny složky buňky, včetně proteinů, lipidů a DNA.
U lidí se oxidační stres podílí na mnoha onemocněních, jako je ateroskleróza, Parkinsonova choroba, srdeční selhání, infarkt myokardu, Alzheimerova choroba, syndrom křehkého X a chronický únavový syndrom, ale krátkodobý oxidační stres může být také důležitý v prevenci stárnutí indukcí procesu zvaného mitohormeze. Reaktivní druhy kyslíku mohou být prospěšné, protože jsou používány imunitním systémem jako způsob, jak napadnout a zabít patogeny. Reaktivní druhy kyslíku se také používají v buněčné signalizaci. Tomu se říká redox signalizace.
Chemické a biologické účinky
Z chemického hlediska je oxidační stres velkým nárůstem (stává se méně negativním) potenciálu buněčné redukce, nebo velkým poklesem redukční kapacity buněčných redoxních párů, jako je glutathion. Účinky oxidačního stresu závisí na velikosti těchto změn, buňka je schopna překonat malé perturbace a získat zpět svůj původní stav. Nicméně, závažnější oxidační stres může způsobit buněčnou smrt a dokonce i mírná oxidace může vyvolat apoptózu, zatímco intenzivnější stres může způsobit nekrózu.
Zvláště destruktivním aspektem oxidativního stresu je produkce reaktivních kyslíkových druhů, které zahrnují volné radikály a peroxidy. Některé z méně reaktivních druhů (například superoxid) mohou být oxidačními reakcemi s přechodnými kovy nebo jinými redoxními cyklickými sloučeninami (včetně chinonů) přeměněny na agresivnější radikálové druhy, které mohou způsobit rozsáhlé buněčné poškození. Hlavní část dlouhodobých účinků je způsobena poškozením DNA. Většina těchto druhů odvozených od kyslíku je produkována na nízké úrovni běžným aerobním metabolismem a poškození, které způsobují buňkám, je neustále napravováno. Nicméně při vysokých úrovních oxidačního stresu, které způsobují nekrózu, poškození způsobuje depleci ATP, zabraňuje řízené apoptotické smrti a způsobuje, že se buňka jednoduše rozpadá.
Tabulka adaptována z.
Výroba a spotřeba oxidantů
Dalšími enzymy schopnými produkovat superoxid jsou xanthinoxidáza, NADPH oxidázy a cytochromy P450. Peroxid vodíku je produkován širokou škálou enzymů včetně několika oxidáz. Reaktivní druhy kyslíku hrají důležitou roli v buněčné signalizaci, což je proces zvaný redox signalizace. Pro udržení správné buněčné homeostázy je tedy třeba dosáhnout rovnováhy mezi produkcí reaktivního kyslíku a jeho spotřebou.
Nejlépe studovanými buněčnými antioxidanty jsou enzymy superoxiddismutáza (SOD), kataláza a glutathionová peroxidáza. Méně studovanými (ale pravděpodobně stejně důležitými) enzymatickými antioxidanty jsou peroxiredoxiny a nedávno objevený sulfiredoxin. Mezi další enzymy, které mají antioxidační vlastnosti (i když to není jejich primární role), patří paraoxonáza, glutathion-S transferázy a aldehyddehydrogenázy.
Oxidační stres přispívá k poranění tkáně po ozáření a hyperoxii. Předpokládá se (i když není prokázáno), že je důležitý u neurodegenerativních onemocnění, včetně Lou Gehrigovy choroby (také známá jako MND nebo ALS), Parkinsonovy choroby, Alzheimerovy choroby a Huntingtonovy choroby. Oxidační stres je považován za spojen s určitým kardiovaskulárním onemocněním, protože oxidace LDL v cévním endotelu je prekurzorem tvorby plaku. Oxidační stres také hraje roli v ischemické kaskádě kvůli poranění z reperfúze kyslíku po hypoxii. Tato kaskáda zahrnuje mrtvici i infarkt. Oxidační stres byl také zapleten do syndromu chronické únavy.
Antioxidanty jako doplňky
Má se za to, že k procesu stárnutí přispívá také oxidační stres (jak je formulován v Harmanově teorii stárnutí s volnými radikály). I když existují dobré důkazy podporující tuto myšlenku u modelových organismů, jako je Drosophila melanogaster a Caenorhabditis elegans, nedávné důkazy z laboratoře Michaela Ristowa naznačují, že oxidační stres může také podpořit očekávanou délku života Caenorhabditis elegans tím, že vyvolá sekundární reakci na původně zvýšené hladiny reaktivních druhů kyslíku. Tento proces byl dříve nazýván mitohormesis nebo mitochondriální hormesis na čistě hypotetickém základě. Situace u savců je ještě méně jasná. Nedávné epidemiologické nálezy podporují proces mitohormesis, a dokonce naznačují, že antioxidanty mohou zvýšit prevalenci onemocnění u lidí (i když výsledky byly ovlivněny studiemi na kuřácích).
Kovy jako železo, měď, chrom, vanad a kobalt jsou schopny redoxního cyklování, při kterém může kov přijmout nebo darovat jediný elektron. Tento účinek katalyzuje reakce, které produkují reaktivní radikály a mohou produkovat reaktivní druhy kyslíku. Nejdůležitější reakce jsou pravděpodobně Fentonova reakce a Haberova-Weissova reakce, při které se hydroxylový radikál vyrábí ze redukovaného peroxidu železa a vodíku. Hydroxylový radikál pak může vést k modifikaci aminokyselin (např. meta-tyrosinu a ortho-tyrosinu z fenylalaninu), sacharidů, iniciaci peroxidace lipidů a oxidaci nukleobaz. Většina enzymů, které produkují reaktivní druhy kyslíku, obsahuje jeden z těchto kovů. Přítomnost takových kovů v biologických systémech v nekomplexní formě (ne v proteinu nebo jiném ochranném kovovém komplexu) může významně zvýšit úroveň oxidačního stresu. U lidí je hemochromatóza spojena se zvýšenými hladinami železa v tkáních, Wilsonovou chorobou se zvýšenými hladinami mědi v tkáních a chronickým manganismem s expozicí manganovým rudám.
Určité organické sloučeniny kromě kovových redoxních katalytů mohou také produkovat reaktivní druhy kyslíku. Jednou z nejdůležitějších tříd jsou chinony. Chinony mohou redoxovat cyklus se svými konjugovanými semichinony a hydrochinony, v některých případech katalyzující produkci superoxidů z dioxygenu nebo peroxidu vodíku ze superoxidů. Oxidační stres generovaný redukčním činidlem kyselinou močovou se může podílet na Leschově-Nyhanově syndromu, mrtvici a metabolickém syndromu. Stejně tak produkce reaktivních druhů kyslíku v přítomnosti homocysteinu se může projevit v homocystinurii, stejně jako ateroskleróze, mrtvici a Alzheimerově chorobě.
Imunitní systém využívá smrtící účinky oxidantů tak, že se produkce oxidačních druhů stává ústřední součástí jeho mechanismu zabíjení patogenů; aktivované fagocyty produkují ROS i reaktivní dusíkaté druhy. Patří mezi ně superoxid (•O2-), oxid dusnatý (•NO) a jejich obzvláště reaktivní produkt, peroxynitrit (ONOO-). Ačkoli použití těchto vysoce reaktivních sloučenin v cytotoxické reakci fagocytů způsobuje poškození hostitelských tkání, nespecialita těchto oxidantů je výhodou, protože poškodí téměř každou část své cílové buňky. To zabraňuje patogenu uniknout této části imunitní reakce mutací jediného molekulárního cíle.