Hapnikku sisaldavad reaktiivsed osakesed

Hapnikku sisaldavad reaktiivsed osakesed (inglise reactive oxygen species, lühend ROS) ehk reaktiivsed hapnikuühendid ehk hapniku reaktiivsed vormid ehk hapnikuradikaalid on reaktiivsed molekulaarüksused, milles on paardumata elektronidega hapnikuaatomeid (radikaalid) või O−O sidemeid (peroksürühm) ning mis võivad osaleda keemilistes reaktsioonides, mis etendavad olulist osa organismide ainevahetuses ja vananemises.

 Keemia 
Hapnikku sisaldavate reaktiivsete osakeste hulka kuuluvad ühelt poolt radikaalid, näiteks hüperoksiidi anioon O2·−, ülireaktiivne hüdroksüülradikaal OH·, peroksüülradikaal ROO· ja lipiidide alkoksüülradikaal RO·, teiselt poolt stabiilsed molekulaarsed oksüdandid, näiteks vesinikperoksiid H2O2, hüdroperoksiid ROOH, osoon O3 ja hüpokloritioon OCl−, samuti ergastatud hapnikumolekulid (singletthapnik 1O2). 

Hapnikku sisaldavate reaktiivsete osakeste oksüdeerumise tulemusel tekivad elektrofiilsed realtiivsed osakesed.

Tabel hapnikku sisaldavate reaktiivsete osakeste kohta:

 Valem  Nimetus  Märkus O2·− hüperoksiidioon vaba radikaal, sekundaarne virgatsaineS. G. Rhee. Redox signaling: hydrogen peroxide as intracellular messenger. – Exp Mol Med. 31(2), 1999, lk 53–59., vana nimetus: superoksiidioon HO· hüdroksüülradikaal vaba radikaal, ülireaktiivne HOO· hüdroperoksüülradikaal vaba radikaal ROO· peroksüülradikaal vaba radikaal, sensibiliseeritud fotooksüdatsiooni vaheasteA. Gilbert, J. Baggott. Essentials of Molecular Photochemistry, Blackwell Scientific 1991, ISBN 0-632-02428-3, lk 503., vaata ka autooksüdatsioon RO· alkoksüülradikaal vaba radikaal, lipiidide puhul H2O2 vesinikperoksiid reagent teiste hapnikku sisaldavate reaktiivsete osakeste moodustamiseks, sekundaarne virgatsaine ROOH hüdroperoksiid stabiilne molekulaarne oksüdeerija O3 osoon stabiilne molekulaarne oksüdeerija OCl− hüpokloritioon stabiilne molekulaarne oksüdeerija 1O2 singletthapnik ergastatud hapnikumolekul

 Bioloogia 
Organismis tekivad reaktiivsed hapnikku sisaldavad osakesed mitokondrites rakuhingamise kõrvalsaadusena (monoamiini oksüdaaside vahendusel mitokondriaalse hingamisahela raames kompleks I ja kompleks III juures), samuti põletikurakkude talitluse tulemusel viiruste ja bakterite kahjustamiseks. Reaktiivsed hapnikku sisaldavad osakesed (eelkõige vesinikperoksiid ja lämmastikmonoksiid) on mängus ka taimeimmuunsuses. Ka keskkonnamürgid ja tubakasuits on hapnikku sisaldavate reaktsioonide olulised allikad.

Hüperoksiidiooni O2·− reageerimisel lämmastikmonooksiidiga NO· tekib lisaks peroksünitritioon ONOO−, mida koos lämmastikmonooksiidiga nimetatakse lämmastikku sisaldavateks reaktiivseteks osakesteks ning on samuti ülireaktiivne ühend (kuigi mitte vaba radikaal). Hapnikku sisaldavad reaktiivsed osakesed ja lämmastikku sisaldavad reaktiivsed osakesed on seega tähtsad oksüdeerijad, millele organismis töötavad vastu antioksüdandid. 

Hapnikku sisaldavad reaktiivsed osakesed on tähtsad signaalmolekulidMichael Ristow. Unraveling the truth about antioxidants: mitohormesis explains ROS-induced health benefits. –  Nature Medicine. 20, 2014, lk 709–711.Gerald S. Shadel, Tamas L. Horvath. Mitochondrial ROS signaling in organismal homeostasis. – Cell 163, 2015, lk 560–569. Veebiversioon, aga suures kontsentratsioonis on neil kahjulik toime, sest nad võivad tekitada oksüdatiivset stressi. 

Hapnikku sisaldavaid reaktiivseid osakesi on seostatud kõige erinevamate haigustega, näiteks vähk, diabeet ja kardiovaskulaarsed haigusedNisha Panth, Keshav Rai  Paudel, Kalpana Parajuli. Reactive Oxygen Species: A Key Hallmark of Cardiovascular Disease. – Advances in Medicine, 2016, 9152732. Täistekst., kuid nende põhjuslik osalus nendes haigustes on vaieldav: vastuolus eelnevaga on näidatud, et hapnikku sisaldavad reaktiivsed osakesed tõstavad mudelorganismide keskmist eluiga, st takistavad vananemist.Tim J. Schulz, Kim Zarse, Anja Voigt, Nadine Urban, Marc Birringer, Michael Ristow. Glucose restriction extends Caenorhabditis elegans life span by inducing mitochondrial respiration and increasing oxidative stress. – Cell Metabolism 6(4), 2007, lk 280–293. Veebiversioon.Alberto Sanz. Mitochondrial reactive oxygen species: Do they extend or shorten animal lifespan?  – Biochimica et Biophysica Acta, kd 1857, nr 8, 2016, lk 1116–1126. Veebiversioon. On ka teada, et antioksüdandid töötavad spordi suhkurtõbe ennetavale toimele inimesel vastu või takistavad seda täielikult, sest antioksüdandid töötavad vastu hapnikku sisaldavate reaktiivsete osakeste tekkele.Michael Ristow, Kim Zarse, Andreas Oberbach, Nora Klöting, Marc Birringer, Michael Kiehntopf, Michael Stumvoll, C. Ronald Kahn, Matthias Blüher. Antioxidants prevent health-promoting effects of physical exercise in humans. – Proc Natl Acad Sci 106, 2009, lk 8865–8870. Täistekst.Nicholas Wade. Vitamins Found to Curb Exercise Benefits, nytimes.com, 29. mai 2009.Vitamins 'undo exercise efforts'., news.bbc.co.uk, 11. mai 2009.Vitaminpillen bremsen positive Wirkung von Sport, spiegel.de, 12. mai 2009.'Warum Sport nur ohne Vitamine die Gesundheit fördert, aerzteblatt.de, 12. mai 2009.

Tänapäevase arusaama järgi on hapnikku sisaldavad reaktiivsed osakesed väikeses, st füsioloogilises kontsentratsioonis tervisele kasulikud, kõrges, st patoloogilises kontsentratsioonis aga soodustavad haigestumist. Seda mittelineaarset annuse ja toime suhet nimetatakse mitohormeesiks.Jeanho Yun, Toren Finkel. Mitohormesis. – Cell Metabolism. 19, 2014, lk 757–766. Resümee.M. Ristow: Unraveling the truth about antioxidants: mitohormesis explains ROS-induced health benefits. In: Nature Medicine. 20, 2014, S. 709–711. PMID 24999941
Hilisemad uurimused omistavad hüperoksiidioonile ja vesinikperoksiidile peale oksüdatiivse stressi tekitamise ka olulise signaalfunktsiooni, näiteks peaajus signaalitraduktsiooni, sünaptilise plastilisuse ja mälu moodustamise juures. Neil on seal peale selle tugev veresooni laiendav toime, mistõttu nad paistavad olevat olulised aju verevoolu ja aju veresoonte toonuse tõstjad.Kenneth T. Kishida, Eric Klann. Sources and targets of reactive oxygen species in synaptic plasticity and memory. – Antioxid Redox Signal 9, 2007, lk 233–244. Resümee. Peale selle mõjutavad nad Wnt signaaliraja kaudu rakkude kasvu ja jagunemist kulleste ja sisalike kaotatud sabade regenereerumiselForscher wollen von Kaulquappen lernen, spiegel.de, 14. jaanuar 2013..

Reaktiivseid hapniku ühendeid tekib nii mitokondrites (rakuhingamine) kui ka fotosünteesi valgusreaktsioonides kloroplastides. See on koht, kust biosfääri lisandub molekulaarne hapnik.

Viited

Kirjandus
Elu energia. Agu Laisk. Tartu Ülikooli Kirjastus 2023. ISBN 9789916271445 (Hapniku molekuli, tripletse ja singletse oleku kohta lk 163-166. lk 334-339 ..Hapniku singletne seisund ja selle vältimine (fotosünteesi valgusreaktsioonides).)

Kategooria:Biokeemia