Produkty niecałkowitej redukcji cząsteczki tlenu nazwano reaktywnymi formami tlenu, (RFT) Mogą być to neutralne cząsteczki lub jony oraz wolne rodniki tlenowe.

Reaktywne formy tlenu (RFT) Wolne rodniki (WRT)

•      anionorodnik ponadtlenkowy                          O2*-

•      rodnik hydroksylowy                                          OH•

•      rodnik wodoronadtlenkowy                             HO2•

•      rodnik nadtlenkowy                                         ROO•

•      rodnik alkoksylowy                                           RO•

inne RFT

•      nadtlenek wodoru                                                H2O2

•      kwas chlorowy (I)                                             HOCl

•      kwas bromowy (I)                                            HOBr

Źródła reaktywnych form tlenu w organizmie

Organizmy żywe wytwarzają RFT w wielu podstawowych procesach biochemicznych, takich jak łańcuch oddechowy, metabolizm nukleotydów purynowych, mikrosomalny cykl hydroksylacyjny (cytochrom P-450), reakcje zachodzące z udziałem oksydoreduktaz. Produktem tych reakcji jest najczęściej anionorodnik ponadtlenkowy lub nadtlenek wodoru. Powstające RFT są produktami pośrednimi, które powinny ulec dalszej redukcji w kolejnych etapach reakcji biochemicznych, jednak z różnych przyczyn nie zawsze tak się dzieje.

Metaboliczne działania reaktywnych form tlenu.

W warunkach homeostazy RFT pełnią funkcje mediatorów i regulatorów metabolizmu – indukują różnicowanie komórek, aktywują wiele genów, m.in. onkogen c-fos, indukują apoptozę, wpływając na syntezę, uwalnianie lub inaktywację śródbłonkowego czynnika rozszerzającego naczynia (EDRF), działają rozszerzająco bądź kurcząco na ścianę naczyń krwionośnych, zwiększają przepuszczalność ścian naczyń włosowatych, stymulują transport glukozy do komórek, serotoniny do płytek krwi. Wpływają na przekazywanie sygnałów do komórek i wewnątrz komórek, regulują ekspresję genów. Mogą stawać się wtórnymi przekaźnikami zarówno w procesie wzrostu, jak i śmierci komórki. Aktywują białka kierujące podziałami komórkowymi (mitogenic activated protein). Biorą udział w procesach obronnych organizmu. Nadtlenki regulują ponadto syntezę prostanoidów.

Toksyczne działanie reaktywnych form tlenu – stres oksydacyjny

Nadmierna produkcja RFT oraz wyczerpanie przez organizm rezerw antyoksydacyjnych jest zjawiskiem nazywanym „stresem oksydacyjnym”. Stres oksydacyjny prowadzi do utleniania białek, co powoduje modyfikację ich struktury i zaburzenie funkcji. Następuje też utlenianie lipidów, uszkodzenia kwasów nukleinowych, depolimeryzacja kwasu hialuronowego i gromadzenie IgG. Reaktywne formy tlenu inaktywują ponadto inhibitory proteaz, co nasila działanie proteolityczne tych enzymów na tkanki. Wysokie stężenia RFT wyzwalają reakcje łańcuchowe, nasilające procesy uszkadzania biocząsteczek. Utlenianiu ulegają reszty wielonienasyconych kwasów tłuszczowych wchodzące w skład fosfolipidów, które są głównym składnikiem budulcowym błon komórkowych.

Mechanizm reakcji wolnorodnikowych

Produkty takiej nieenzymatycznej peroksydacji lipidów zmieniają właściwości fizyczne błon komórkowych, co może prowadzić do ich uszkodzenia. Na poziomie molekularnym RFT powodują degradację kolagenu, zaburzenia syntezy i inaktywację proteoglikanów, inaktywację enzymów, pęknięcia nici DNA, uszkodzenie chromosomów, powstawanie mutacji prowadzących do zmian nowotworowych, inhibicję fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach, zaburzenia struktury cytoszkieletu (polimeryzację aktyny, rozerwanie mikrofilamentów), modyfikację właściwości antygenowych komórek oraz zaburzenie wewnątrzkomórkowej homeostazy wapnia.

Mechanizmy obronne komórek przed reaktywnymi formami tlenu

W komórkach istnieje wiele skutecznych mechanizmów chroniących przed toksycznym działaniem RFT. W warunkach homeostazy, dzięki działaniu enzymatycznych i nieenzymatycznych antyoksydantów, nadmiar RFT jest likwidowany i uszkodzenia biomolekuł są naprawiane. W miejscu lokalnego pojawienia się nadmiaru RFT są uruchamiane mechanizmy obronne. To, który antyoksydant zostanie użyty w reakcji z rodnikiem lub inną reaktywną formą tlenu, zależy od jej właściwości i miejsca powstania oraz od tego, jakie struktury mogą potencjalnie stać się jej celem. Kwas askorbinowy jest najskuteczniejszym antyoksydantem rodników rozpuszczalnych w wodzie. Kwas moczowy najlepiej neutralizuje działanie dwutlenku azotu. W walce z żelazozależną peroksydacją lipidów najbardziej skutecznymi antyoksydantami są transferyna i ceruloplazmina. Warto zauważyć, że w odpowiedzi na stres oksydacyjny bierze udział nie pojedynczy antyoksydant, lecz cała grupa antyoksydantów, ponieważ ten sam rodnik (RFT) może uszkadzać różne struktury docelowe. Dobrym przykładem jest kwas askorbinowy, który przeciwdziała peroksydacji lipidów wywołanej przez RFT z dymu tytoniowego, ale nie ma wpływu na oksydacyjne uszkodzenia białek osocza.