OKSIDATIIVINEN STRESSI

Oksidatiivisella stressillä tarkoitetaan epätasapainoa solun hapetus-pelkistystilassa siten, että happiradikaaleja on liikaa antioksidantteihin nähden (Sies 1997). Liian suurina pitoisuuksina happiradikaalit voivat puolestaan aiheuttaa oksidatiivista stressiä ja vahingoittaa soluja. (Valko ym. 2006) Oksidatiivinen stressi voi olla akuuttia tai kroonista. Jos happiradikaalien määrä solussa lisääntyy äkillisesti ja sen antioksidanttijärjestelmä kykenee palauttamaan niiden tason normaaliksi, puhutaan akuutista oksidatiivisesta stressistä. Kroonista oksidatiivista stressiä tapahtuu, jos solu ei kykene vähentämään happiradikaalien määrää niiden alkuperäiselle tasolle vaan niiden pitoisuus solussa jää tavallista korkeammalle ja solun sisäinen tasapaino häiriintyy.

Happiradikaalituotanto voi myös pysyvästi jäädä korkeammalle tasolle, jolloin koko solun on tasapainotuttava uudelleen. Oksidatiivinen stressi voi myös olla seurausta solun

antioksidanttipitoisuuden heikentymisestä. (Lushchak 2014) Erityisen alttiita oksidatiiviselle stressille ovat happea paljon kuluttavat elimet kuten esimerkiksi aivot ja hermosto (Halliwell 2006).

Oksidatiivinen stressi voi aiheuttaa erilaisia vaurioita kohteen mukaan.

Happiradikaalihyökkäykset vaurioittavat solua joko suoraan tai välillisesti luoden välituotteita hapettamalla lipidejä tai proteiineja (Forman ja Boveris 1982) Näin ne voivat vahingoittaa solua ja reagoida DNA:n kanssa, jonka seurauksena solun geneettinen perimä voi muuttua pysyvästi (Valko ym. 2006). Solu pyrkii korjaamaan tapahtuneita vaurioita, mutta

antioksidanttipuolustuksesta huolimatta jatkuvat happiradikaalihyökkäykset ja niistä johtuvat vauriot voivat kertyä ajan mittaan DNA:han, lipideihin ja proteiineihin. (Valko ym. 2004)

Mitokondrion suuri hapenkulutus ja happiradikaalien tuotanto, histonien puute sekä heikompi korjaustehokkuus tarkoittavat, että sen kyky korjata DNA:ta on paljon heikompi kuin tumalla (Richter ym. 1988). Mitokondrionaalisen DNA:n vaurioitumisella voi olla tuhoisia vaikutuksia mitokondrion ja sen säätelemien geenien toimintaan (Hauptmann ym. 1996). Solun DNA:han syntyneet mutaatiot voivat edelleen johtaa esimerkiksi syövän syntyyn sekä solujen

vanhenemiseen ja kuolemaan.

Oksidatiivisen stressin on havaittu olevan yhteydessä useiden sairauksien, kuten Alzheimerin taudin, Parkinsonin taudin, kaihin, reuman, diabeteksen, ruuansulatuselimistön kroonisten tulehdussairauksien ja astman syntyyn sekä ihon ikääntymiseen (Abdollahi ym. 2004, Lushchak 2014). Sen on lisäksi ehdotettu vaikuttavan vuorokausirytmiin (Wilking ym. 2013) ja sen epäillään olevan osatekijänä monen muun sairauden, kuten skitsofrenian kehittymisessä (Sertan Copoglu ym. 2015).

Happiradikaaleilla voi olla myös hyödyllisiä vaikutuksia solun toimintoihin. Niillä on esimerkiksi tärkeä rooli fysiologisissa soluvasteissa haittoja vastaan, kuten auttamalla solua

puolustautumaan taudinaiheuttajia vastaan tai edistämällä soluviestinnällisten systeemien toimintaa. Urheilun tai muun fyysisen rasituksen aiheuttama lyhytkestoinen oksidatiivinen stressi voi olla elimistölle hyödyksi esimerkiksi edistämällä mitokondrion muodostumista, mutta voimakkaampi ja pitkäkestoisempi oksidatiivinen stressi on selvästi haitallista (Cadenas ja Davies 2000).

2.1.1 Happiradikaalit

Happiradikaalit (reactive oxygen species, ROS) ovat radikaaleja, ioneja tai molekyylejä, joilla on pariton elektroni niiden uloimmalla elektronikuorella. Happiradikaalit voidaan luokitella kahteen ryhmään: reaktiiviset happiradikaalit ja ei-reaktiiviset happiradikaalit. Reaktiivisia

happiradikaaleja ovat esimerkiksi superoksidi (O2•−) ja hydroksyyliradikaali (•OH) (Liou ja Storz 2010), joista superoksidi on yleisin happiradikaali biologisissa systeemeissä (Valko ym. 2004). Ei-reaktiivisia happiradikaaleja ovat puolestaan esimerkiksi vetyperoksidi (H2O2), otsoni (O3) ja singletti happi (1O2) (Liou ja Storz 2010).

Happiradikaaleja muodostuu soluissa joko endogeenisesti, eli normaalin aerobisen aineenvaihdunnan tuotteena tai eksogeenisesti ulkoisille vaikutteille, kuten lääkeaineille, ionisoivalle säteilylle tai saasteille altistuttaessa (Abdollahi ym. 2004). Happiradikaalien elinikä vaihtelee nanosekunneista sekunteihin riippuen niiden reaktiivisuudesta sekä solun

antioksidanttipitoisuudesta (Dikalov ja Harrison 2014). Aitotumaisilla soluilla reaktiivisia happiradikaaleja muodostuu eniten solujen mitokondrioissa oksidatiivisen fosforylaation

sivutuotteina, jossa elektroninsiirtoketjusta vuotaa elektroneja, jotka reagoivat hapen kanssa muodostaen superoksideja (Cadenas ja Davies 2000, Lushchak 2014). Elektroninsiirtoketjusta vuotavien elektronien määrä vaihtelee suuresti ja riippuu organismin fysiologisesta tilasta.

Happiradikaaleja muodostuu lisäksi myös pieniä määriä solulimakalvostossa, plasmassa ja tumakalvossa. (Nordberg ja Arnér 2001) Happiradikaalien muodostumista voidaan kuvata reaktioyhtälöllä:

jossa happi ja vapaat elektronit reagoivat muodostaen superoksidia, vetyperoksidi ja hydroksyyliradikaalia (Nordberg ja Arnér 2001).

Happiradikaalien kyvyissä reagoida muiden yhdisteiden kanssa on suuri eroja. Mitokondriossa ja solulimassa muodostuva superoksidi ei ole kaikista reaktiivisimpia happiradikaaleja, eikä se kykene läpäisemään lipidikalvostoja, joten sen vaikutukset rajoittuvat lähinnä siihen solunosaan, jossa sitä muodostuu. Vetyperoksidi ei ole reaktiivinen, mutta se kykenee läpäisemään biologisia kalvostoja ja reagoimaan muiden yhdisteiden kanssa muodostaen uusia radikaaleja.

Hydroksyyliradikaali on puolestaan erittäin reaktiivinen ja voi aiheuttaa enemmän vaurioita soluissa kuin mikään muu happiradikaali. (Nordberg ja Arnér 2001) Hydroksyyliradikaalia ei poisteta elimistöstä muiden happiradikaalien tavoin, mutta antioksidanttijärjestelmä pystyy kuitenkin tehokkaasti estämään sen muodostumisen ja näin ehkäisee sen suurempaa tuotantoa (Lushchak 2014).

2.1.2 Antioksidantit radikaaleja vastaan

Antioksidantit ovat yhdisteitä, jotka hidastavat tai estävät happiradikaalien aiheuttamaa hapettumista soluissa. Ne voivat myös osallistua happiradikaalien aiheuttamien vaurioiden korjaamiseen. Antioksidanttijärjestelmät voivat olla entsymaattisia tai ei-entsymaattisia.

Antioksidanttientsyymit ovat sisäsyntyisiä eli endogeenisia, kun taas ei-entsymaattiseen

antioksidanttijärjestelmään kuuluvat yhdisteet voivat olla joko endogeenisia tai eksogeenisia eli ulkosyntyisiä. Endogeenisia antioksidantteja ovat esimerkiksi glutationi, metallia sitovat proteiinit

tioli-antioksidantit, thioredoksiini. Askorbiinihappo (C-vitamiini), E-vitamiini, flavonoidit ja karotenoidit ovat puolestaan eksogeenisia antioksidantteja. Glutationi on solulimassa, mitokondriossa ja tumassa esiintyvä yhdiste, jonka tärkein rooli solussa on toimia

antioksidanttina. Se toimii tehokkaasti happiradikaaleja vastaan mutta sillä on myös tärkeä osa vaurioituneiden proteiinien, nukleiinihappojen ja lipidien korjaamisessa. (Matés ym. 1999, Mironczuk-Chodakowska ym. 2018)

Antioksidanttientsyymit ovat pääosin valikoivia, eli ne toimivat vain tiettyjä happiradikaaleja vastaan. Entsymaattinen järjestelmä eli antioksidanttientsyymit jaetaan edelleen kolmeen pääluokkaan: superoksididismutaasit, katalaasi ja glutationiperoksidaasit (Sies 1997).

Superoksididismutaasientsyymit (SOD) ovat metalliosan sisältäviä entsyymejä eli

metalloentsyymejä. Ne suojelevat soluja oksidatiiviselta stressiltä muuntamalla superoksidin ei-radikaaliksi vetyperoksidiksi (Turrens 2003). Ihmisillä ja muilla nisäkkäillä on havaittu kolmea eri superoksididismutaasientsyymiä: SOD, solunulkoinen SOD (EC-SOD) ja Mn-SOD. Cu/Zn-SOD:n ja EC-Cu/Zn-SOD:n toiminta perustuu niiden sisältämään kupariin ja sinkkiin. Cu/Zn-SOD on pääosin sytosolinen eli solulimassa esiintyvä superoksididismutaasi (Sturtz ym. 2001), kun taas suurin osa EC-SOD:sta sijaitsee solunulkoisessa nesteessä estämässä solu- ja kudosvaurioita, joita solun ulkopuolella tuotetut happiradikaalit voivat aiheuttaa. EC-SOD:a ei muiden

superoksididismutaasientsyymeiden tavalla muodostu yksittäisten solujen vasteena hapettaville yhdisteille, vaan sen säätely tapahtuu pääsääntöisesti sytokineesin määräämänä. (Sandström ym. 1994) Mitokondriossa toimiva Mn-SOD puolestaan estää hapettumista mangaanin avulla.

Mn-SOD:lla on erittäin tärkeä rooli solun puolustautumisessa happiradikaaleja vastaan, sillä jopa 90 % happiradikaaleista muodostuu mitokondriossa (Richter ym. 1988).

Katalaasi ja glutationiperoksidaasi ovat erikoistuneet solujen puolustamiseen vetyperoksidilta.

Katalaasi on solujen peroksisomeissa oleva entsyymi, jota esiintyy sekä eläimillä, kasveilla ja aerobisilla bakteereilla. Katalaasi suojelee soluja vetyperoksidilta muuntamalla sen vedeksi ja hapeksi. (Matés ym. 1999) Katalaasin toimintaa voidaan kuvata reaktioyhtälöllä:

2𝐻₂𝑂₂^{𝐾𝑎𝑡𝑎𝑙𝑎𝑎𝑠𝑖}→ 2𝐻₂𝑂 + 𝑂₂ (2)

Glutationiperoksidaasientsyymit voivat olla joko seleenistä riippumattomia

(glutationi-S-transferaasi; GST) tai seleeniriippuvaisia (glutationiperoksidaasi, GPX). Seleeniriippuvainen GPX katalysoi vetyperoksidin vähentämisen käyttämällä glutationia (GSH) ja näin suojelee soluja oksidatiivista stressiä vastaan. Vaikka GPX on myös vetyperoksidispesifi entsyymi, se voi

reagoida tehokkaasti myös lipidien ja muiden orgaanisten hydroperoksidien kanssa, ollen näin erittäin merkittävä suojelija matalatasoista oksidatiivista stressiä vastaan (Matés ym. 1999).