Radikal bebas dan spesies oksigen reaktif diproduksi selama metabolisme normal dan dapat menyebabkan kerusakan seluler yang dilawan oleh sistem antioksidan enzimatik dan non-enzimatik. Keseimbangan antara produksi oksidan dan pertahanan antioksidan menentukan tingkat stres oksidatif sel.

Radikal Bebas dan Spesies Oksigen Reaktif

Radikal bebas adalah molekul dengan satu atau lebih elektron tidak berpasangan, membuatnya sangat reaktif. Anion superoksida dibentuk oleh reduksi satu elektron dari oksigen molekuler, terutama dari kebocoran rantai transpor elektron mitokondria selama fosforilasi oksidatif dan dari NADPH oksidase. Superoksida dapat menginaktivasi protein gugus besi-belerang dan melepaskan besi bebas, yang berpartisipasi dalam kimia Fenton untuk menghasilkan spesies yang lebih merusak.

Hidrogen peroksida bukan radikal bebas tetapi produk reduksi dua elektron dari oksigen. Ia berdifusi bebas melintasi membran dan dapat menghasilkan radikal hidroksil melalui kimia Fenton dengan adanya besi ferro. Radikal hidroksil adalah ROS yang paling reaktif, bereaksi pada laju terbatas difusi dengan hampir semua biomolekul.

Peroksinitrit dibentuk oleh reaksi superoksida dengan oksida nitrat. Ini adalah oksidan dan agen nitrasi kuat yang memodifikasi protein, lipid, dan DNA. Oksigen singlet dan asam hipoklorit, yang diproduksi oleh mieloperoksidase dalam neutrofil, adalah oksidan non-radikal tambahan yang berkontribusi pada pembunuhan patogen tetapi juga menyebabkan kerusakan jaringan.

Sumber ROS

Rantai transpor elektron mitokondria adalah sumber endogen utama ROS. Kompleks I dan kompleks III membocorkan elektron yang mereduksi oksigen menjadi superoksida. Dalam kondisi normal, sekitar 1 hingga 2% oksigen yang dikonsumsi diubah menjadi superoksida. Ini meningkat ketika rantai transpor elektron rusak atau ketika potensial membran mitokondria tinggi.

NADPH oksidase adalah enzim khusus penghasil ROS yang menghasilkan superoksida untuk pensinyalan dan pertahanan imun. Enzim keluarga NOX diekspresikan dalam fagosit, sel endotel, dan jaringan lain. Sumber lain termasuk oksidase peroksisomal, enzim sitokrom P450, dan xantin oksidase, yang menghasilkan superoksida selama degradasi purin.

Sumber eksogen ROS termasuk radiasi UV dan pengion, yang menghasilkan radikal hidroksil melalui radiolisis air. Polutan udara, asap rokok, dan obat-obatan serta toksin tertentu juga meningkatkan produksi ROS. Logam transisi seperti besi dan tembaga mengkatalisis pembentukan radikal bebas.

Kerusakan Oksidatif

Peroksidasi lipid adalah reaksi berantai yang dimulai oleh abstraksi atom hidrogen radikal hidroksil dari asam lemak tak jenuh ganda. Radikal lipid yang dihasilkan bereaksi dengan oksigen membentuk radikal peroksil lipid, yang menyebarkan rantai. Malondialdehida dan 4-hidroksinonenal adalah produk samping toksik. Peroksidasi lipid merusak membran sel dan menghasilkan aldehida reaktif yang memodifikasi protein dan DNA.

Oksidasi protein memodifikasi rantai samping asam amino, terutama sistein, metionin, dan residu aromatik. Pembentukan ikatan disulfida, karbonilasi protein, dan nitrasi residu tirosin mengubah fungsi protein dan dapat menargetkan protein untuk degradasi.

Oksidasi DNA menghasilkan 8-oksoguanin sebagai lesi yang paling umum, menyebabkan mutasi trans versi G-ke-T jika tidak diperbaiki. Kerusakan DNA oleh ROS berkontribusi pada mutagenesis, penuaan, dan kanker.

Pertahanan Antioksidan Enzimatik

Superoksida dismutase, yang membutuhkan kofaktor logam, mengkatalisis dismutasi superoksida menjadi hidrogen peroksida dan oksigen. Tiga isoform ada: CuZn-SOD sitosolik, Mn-SOD mitokondria, dan SOD ekstraseluler. SOD penting untuk kehidupan aerobik, dan tikus knockout Mn-SOD mati segera setelah lahir.

Katalase mengubah hidrogen peroksida menjadi air dan oksigen molekuler. Ini terkonsentrasi di peroksisom dan memiliki salah satu tingkat pergantian tertinggi dari enzim apa pun. Glutathione peroksidase mereduksi hidrogen peroksida dan hidroperoksida organik menggunakan glutathione tereduksi sebagai donor elektron. Ini mengandung selenosistein di situs aktif. Tioredoksin reduktase dan peroksiredoksin menyediakan kapasitas pereduksi peroksida tambahan.

Antioksidan Non-Enzimatik

Glutathione adalah tiol intraseluler yang paling melimpah dan antioksidan non-enzimatik utama. Ini mempertahankan tiol protein dalam keadaan tereduksi dan berfungsi sebagai donor elektron untuk glutathione peroksidase. Glutathione tereduksi diregenerasi oleh glutathione reduktase menggunakan NADPH.

Vitamin E adalah antioksidan pemutus rantai larut lemak utama dalam membran. Ini mendonasikan atom hidrogen ke radikal peroksil lipid, mengakhiri peroksidasi lipid. Radikal tokoferoksil yang dihasilkan didaur ulang oleh vitamin C. Vitamin C adalah antioksidan larut dalam air yang secara langsung menangkap ROS dan meregenerasi vitamin E. Asam urat, bilirubin, dan ubikuinol adalah antioksidan endogen tambahan.

Stres Oksidatif dalam Penyakit

Stres oksidatif berkontribusi pada banyak penyakit. Dalam aterosklerosis, oksidasi LDL mempromosikan pembentukan sel busa dan perkembangan plak. Dalam neurodegenerasi, kerusakan oksidatif terakumulasi pada penyakit Alzheimer, Parkinson, dan Huntington. Dalam kanker, ROS mempromosikan mutagenesis dan progresi tumor tetapi juga dapat menginduksi kematian sel. Dalam diabetes, hiperglikemia mendorong produksi ROS melalui beberapa mekanisme, berkontribusi pada komplikasi vaskular. Cedera iskemia-reperfusi ditandai dengan ledakan ROS saat reoksigenasi, menyebabkan kerusakan jaringan tambahan di luar cedera iskemik.