A makromolekulák oxidatív módosulásai

Ha a homeosztázis a ROS termelése vagy kialakulása és az antioxidáns rendszerek között megbomlik, azaz a redox állapot az oxidáció irányába tolódik el, oxidativ stressz alakul ki. Oxidativ stressz során a sejtek és szövetek makromolekulái károsodhatnak.

Leggyakrabban a lipidek, a fehérjék és a DNS molekulák oxidációja következik be [21]. Az oxidált termékek mennyisége jelzi, hogy milyen mértékben borult fel az egyensúly az oxidációs és az antioxidáns, valamint a károsodott molekulákat javító rendszerek között.

A sejtalkotó komponensek közül a sejtmembrán az egyik legérzékenyebb a ROS káros hatásaival szemben. A telítetlen zsírsavak a szabadgyökök közül különösen a OH^• támadásának vannak kitéve. A reakció első lépéseként a szabadgyök H⁺-t von el a telítetlen zsírsavtól. A kialakuló lipid-gyök nagyon reaktív, lipid peroxil-gyök forrása lehet, amely telítetlen zsírsavakkal reagálva lipidperoxidokat vagy ciklikus szerkezetű peroxidokat képez.

A lipidperoxidáció a sejtmembrán fluiditásának és permeábilitásának megváltozását eredményezheti, akár a lipid kettősréteg integritása is megszünhet. A lipidek oxidatív módosulása során nemcsak lipidperoxidok, hanem aldehidek is keletkeznek (pl.

malondialdehid /MDA/ és 4-hidroxinonenal /4-HNE/) [22, 23]. Ezek az aldehidek, noha nem szabadgyökök, mégis rendelkeznek bizonyos reaktivitással. Képesek reakcióba lépni a lizinek ε-aminocsoportjával, így a fehérjék között keresztkötéseket alakíthatnak ki [24].

Relatív stabilitásuk révén az aldehidek a keringési rendszeren keresztül eljuthatnak a

keletkezésük helyétől távol eső szövetekbe is, és ott is súlyos károsodásokat okozhatnak [25, 26].

A sejtekben zajló folyamatok többsége fehérjék közvetítésével valósul meg, ezért ezek a makromolekulák nagy mennyiségben fordulnak elő a biológiai rendszerekben, így fontos célpontjai a ROS támadásának. A fehérjék oxidatív módosulása magába foglalhatja a polipeptid „gerincnek” az oxidálódását, fehérje-fehérje keresztkötések kialakulását, az aminosav oldalláncok oxidációját, valamint reaktív karbonil-származékok keletkezését is.

Ezek a folyamatok a fehérje fragmentációját eredményezhetik, illetve különféle fehérje oxidációs termékek keletkezhetnek, amelyek más makromolekulák károsodását okozhatják [27] Elvileg a fehérjék minden aminosav oldalláncát érheti szabadgyök támadás, azonban a tiol-csoporttal rendelkező cisztein a leginkább fogékony erre. Habár kisebb mértékben, mint a cisztein, a kéntartalmú metionin és az aromás aminosavak, a tirozin és a triptofán is hajlamosak az oxidációra [28]. Az oxidatív módosulás jelentős változásokat eredményezhet a fehérje szerkezetében [23]. A legtöbb fehérje károsodás helyrehozhatatlan, ezért az oxidatív változásoknak nagyon széles körű funkcionális következményei lehetnek.

Megváltozhat receptorok, enzimek és transzport fehérjék működése, valamint új antigén epitópok jöhetnek létre, amelyek immunválaszokat indukálhatnak [29]. Bár az oxidatívan módosult fehérjéket általában lebontják a proteaszómák, vagy autofágiát követően a lizoszómák, előfordulhat, hogy a károsodott fehérjék eltávolítása nem teljes mértékű, ami funkcionálisan inaktív protein aggregátumok kialakulásához vezethet. Ezek az életkor előrehaladtával a sejtek különböző kompartmentjeiben, vagy az extracelluláris térben felhalmozódhatnak [28]. Az is lehetséges, hogy az oxidatív stressz magát az oxidált fehérjék eltávolításáért felelős proteolítikus rendszert károsítja, ezáltal felgyorsítja a karbonilált fehérjékből álló aggregátumok felhalmozódását [30]. Az ilyen fehérje-aggregátumok fokozott képződését összefüggésbe hozták több időskori betegség (pl. Parkinson-kór és Alzheimer-kór), sőt egyes tumorok kialakulásával is [18, 31].

A különböző szabadgyökök és reaktív származékaik több, mint százféle oxidatív DNS károsodást okozhatnak, például egyes vagy kettős szálú töréseket (single-strand break /SSB/, double-strand break /DSB/), dezoxiribóz oxidációt, DNS-fehérje keresztkötések kialakulását, valamint bázis módosulásokat. A DNS bázisok között a guanin oxidálódik a legkönnyebben, ugyanis annak a legalacsonyabb a redox potenciálja a négyféle bázis közül (-1.29 mV vs. Ni-H elektród). A guanin bázis oxidatív károsodása többféle léziót eredményezhet - az oxidáló ágensek tulajdonságaitól függően -, a leggyakoribb elváltozás mégis a 7,8-dihydro-8-oxoguanin (8-oxoG) kialakulása [32]. Becslések szerint élettani körülmények között körülbelül százezer 8-oxoG keletkezik az eukarióta sejtek DNS-ében naponta [33]. Az emberi sejtekben az intrahelikális 8-oxoG egyedi elektromos tulajdonságait a 8-oxoguanin DNS-glikoziláz 1 (OGG1) enzim ismeri fel, és távolítja el a 8-oxoG-t a

nukleáris és a mitokondriális genomból [34]. A DNS-ből kivágódó 8-oxoG bázisról korábban azt gondolták, hogy nincs biológiai hatása, és egyszerűen távozik a sejtekből, illetve szövetekből [35]. A 8-oxoG kimutatása az extracelluláris folyadékból az egyik legmegbízhatóbb módszer a szervezetben kialakult oxidatív stressz mértékének becslésére [36]. Ha nem történik javítás, a 8-oxoG az adeninnel kerül párba a DNS-replikáció során és ez transzverziós mutációt (G:C→T:A) eredményezhet. Az Ogg1^-/- egerek a genomban felhalmozódó 8-oxoG ellenére sem mutatnak lényegesebb fenotípusos eltérést, vagy fokozott hajlamot a tumorok kialakulására, még akkor sem, ha krónikus oxidatív stressznek voltak kitéve [37]. Meglepő módon az Ogg1^-/- egerek ellenállóbbak a H. pylori fertőzés keltette gyulladással [38], továbbá lipopoliszacharid (LPS) vagy oxazolon kezelés által kiváltott gyulladással szemben [39], ami arra utal, hogy az OGG1-nek (a DNS-javító mechanizmusoktól függetlenül), és/vagy a szabad 8-oxoG-nak szerepe van a gyulladások kialakulásában. Nemrégiben kiderült, hogy az OGG1 nagy affinitással köti a DNS-ből kivágott 8-oxoG-t, az enzim aktív centrumától eltérő helyen [40]. A létrejövő komplex kölcsönhatásba lép a Ras [40], a Rac1 [41] és a RhoA [42] kis GTPázokkal, és elősegíti a megkötött GDP lecserélődését GTP-re. A 8-oxoG-OGG1 komplex hatására létrejövő aktiválódása a kis GTPázoknak olyan gének átíródását indukálhatja, amelyek jelentős szerepet játszanak a légúti gyulladások kialakulásában és a tüdő szöveti átépülésében (remodeling) [43].

Korábban azt gondolták, hogy a különböző molekulák oxidatív módosulásai mindenképpen az adott molekula irreverzibilis károsodásához, valamint funkcióvesztéséhez vezetnek. Az elmúlt néhány évtized kutatásai alapján azonban egyértelművé vált, hogy az oxidatív módosulás gyakran fiziológiás folyamat része [44]. A fehérjék szabályozott körülmények között történő módosítása elsősorban a H₂O₂-ra jellemző. A H₂O₂ ugyanis a hidroxil gyökhöz, vagy a szuperoxid anionhoz viszonyítva kevésbé reaktív, így alacsonyabb koncentrációban kisebb valószínűséggel lép nem-specifikus reakciókba. Ráadásul a féléletideje is hoszabb, mint a szabadgyököké, így képződési helyétől viszonylag nagyobb celluláris folyamatban, például a proliferációban, a migrációban, az adhézió-hiány okozta sejthalálban, és a redoxhomeosztázis szabályozásában is leírták már [46].