Oksidatif Stres

Oksidatif stres, reaktif oksijen türlerinin (ROS) ve reaktif nitrojen türlerinin (RNS) üretimi ile hücresel antioksidan savunmaların bunların zararlı etkilerini nötralize etme kapasitesi arasındaki dengesizliği ifade eder; bu durum, redoks sinyalinin bozulmasına ve lipitler, proteinler ve DNA’da makromoleküler hasara yol açabilir.^[1] Bu fenomen, mitokondriyal elektron taşıma zinciri aktivitesi, NADPH oksidazlar, ksantin oksidaz ve nitrik oksit sentazlar gibi hem endojen kaynaklardan; hem de çevresel kirleticiler, sigara dumanı, radyasyon ve ağır metaller gibi ekzojen faktörlerden kaynaklanır.^[1] Fizyolojik seviyelerde, ROS ve RNS, hücre çoğalması, apoptoz, bağışıklık tepkileri ve vasküler fonksiyon gibi süreçleri düzenleyen temel sinyal molekülleri olarak işlev görür, ancak üretim süperoksit dismutaz, katalaz, glutatyon peroksidaz ve C ve E vitaminleri gibi enzimatik olmayan antioksidanlar gibi antioksidan sistemleri aştığında, oksidatif stres ortaya çıkar ve oksidatif hasarı ve iltihaplanmayı teşvik eder.^[2]^[3]

Oksidatif stres kavramı, 1985’teki ilk formülasyonundan bu yana, pro-oksidan-antioksidan dengesinde sadece bir bozulma olmaktan çıkıp, dinamik redoks sinyali ve kontrolünün bozulması olarak daha incelikli bir anlayışa doğru evrilmiştir; burada hücreler hormesis (yararlı düşük doz stres tepkileri) gibi mekanizmalar yoluyla uyum sağlar.^[3] Oksidatif stresin temel biyobelirteçleri arasında lipit peroksidasyon ürünlerinin (örneğin malondialdehit), protein karbonillerinin ve 8-okso-2′-deoksiguanozin gibi DNA eklentilerinin (adducts) yüksek seviyeleri ile birlikte glutatyon (GSH/GSSG) oranı gibi redoks çiftlerindeki değişimler yer alır.^[3] Oksidatif stresi hafifletmeye yönelik hücresel tepkiler, antioksidan gen ekspresyonunu yukarı düzenleyen Nrf2 gibi transkripsiyon faktörlerinin aktivasyonunu ve iltihaplanmayı artırabilen veya koruyucu otofaji ve mitofajiyi tetikleyebilen NF-κB ve MAPK gibi yolakları içerir.^[1]

Oksidatif stres insan sağlığında ikili bir rol oynar: Kontrollü ROS seviyeleri patojenlere karşı bağışıklık savunmasını destekler ve doku homeostazını sürdürürken, kronik veya aşırı oksidatif stres; kardiyovasküler bozukluklar, nörodejeneratif durumlar (örneğin Alzheimer ve Parkinson), kanser, diyabet ve astım ve KOAH gibi kronik inflamatuar hava yolu hastalıkları dahil olmak üzere sayısız hastalığın patofizyolojisine katkıda bulunur.^[2] Telomer kısalmasını ve mitokondriyal disfonksiyonu teşvik ederek yaşlanmayı hızlandırır ve etkileri, antioksidanların belirli bağlamlarda hasarı hafifletebileceği terapötik stratejilere kadar uzanır, ancak yüksek doz takviyesi klinik çalışmalarda karışık sonuçlar göstermiştir.^[2]^[3]

Temel İlkeler

Tanım ve Mekanizmalar

Oksidatif stres, oksidanlar ve antioksidanlar arasında oksidanlar lehine bir dengesizlik olarak tanımlanır ve potansiyel olarak redoks sinyali ve kontrolünün bozulmasına ve/veya DNA, proteinler ve lipitler gibi biyomoleküllerde moleküler hasara yol açar.^[4] Kavram, biyolojik sistemler içindeki pro-oksidan ve antioksidan dengesindeki bu bozulmayı özetlemek için Helmut Sies tarafından 1985 yılında resmen tanıtılmıştır.^[5] Daha önceki temeller 20. yüzyılın ortalarına kadar uzanır; 1950’lerdeki çalışmalar serbest radikalleri hücresel hasara katkıda bulunanlar olarak tanımlamış, özellikle Denham Harman 1956’da aerobik metabolizma sırasında üretilen serbest radikallerin oksidatif zararı biriktirdiğini öne sürerek bunları yaşlanma süreçleriyle ilişkilendirmiştir.^[6] 1970’lere gelindiğinde, araştırmalar mitokondriyal ROS kaynaklarını bu oksidatif yüke daha da dahil etmiş ve redoks dengesizliklerinin fizyolojik disfonksiyondaki rolünü sağlamlaştırmıştır.^[7]

Oksidatif stresin altında yatan birincil mekanizmalar, moleküller arasında elektron transferi ile karakterize edilen ve genellikle oksijen türevli türler aracılığıyla gerçekleşen temel biyokimyasal süreçler olan redoks reaksiyonlarını içerir.^[8] Bu reaksiyonlarda ROS, bitişik biyomoleküllerden elektron kabul ederek oksidan görevi görür; böylece peroksidasyon yoluyla lipitleri, karbonilasyon yoluyla proteinleri ve baz modifikasyonları yoluyla nükleik asitleri oksitleyerek yapılarını ve işlevlerini bozabilir.^[9] Bu elektron transferi, ROS üretimi antioksidanlar tarafından temizlenmeyi aştığında normal hücresel redoks homeostazını bozar, sinyal yollarını değiştirir ve potansiyel olarak zarar verici olaylar dizisini teşvik eder.^[10]

Oksidatif stresin değerlendirilmesi, tipik olarak biyomoleküler modifikasyonları yansıtan dolaylı biyobelirteçlere dayanır; örneğin, lipit peroksidasyonunun bir belirteci olarak malondialdehit (MDA) ve oksidatif protein hasarının göstergeleri olarak protein karbonilleri kullanılır.^[11] MDA için tiyobarbitürik asit reaktif maddeler testi veya karboniller için dinitrofenilhidrazin türevlendirmesi gibi tekniklerle nicelleştirilen bu metrikler, dokularda veya sıvılarda redoks dengesizliğinin ciddiyeti hakkında giriş niteliğinde bilgiler sunar.^[12]

Reaktif Oksijen Türleri (ROS)

Reaktif oksijen türleri (ROS), moleküler oksijenin kısmen indirgenmiş türevleridir ve hücresel redoks sinyali ve oksidatif hasarda merkezi roller oynarlar. Birincil ROS, her biri dioksijenin (O₂) ardışık bir veya iki elektronlu indirgenmesiyle üretilen süperoksit anyonu (O₂•⁻), hidrojen peroksit (H₂O₂) ve hidroksil radikalini (•OH) içerir. Bu türler kimyasal yapılarında ve reaktivitelerinde belirgin farklılıklar göstererek biyolojik etkilerini belirler.^[13]^[14]

Süperoksit anyonu (O₂•⁻), oksijenin bir elektronlu indirgenmesiyle oluşur:

$$ text{O}_2 + text{e}^- rightarrow text{O}_2^{bullet-} $$

Bu radikal anyon net negatif yük taşır ve bir eşleşmemiş elektrona sahiptir, bu da onu çoğu biyomolekülle 10² L·mol⁻¹·s⁻¹’nin altında oran sabitleriyle orta derecede reaktif kılar, ancak demir-kükürt kümeleri gibi spesifik hedeflerle daha hızlı tepkimeye girer (10⁵–10⁹ L·mol⁻¹·s⁻¹). Sulu çözeltideki yarı ömrü fizyolojik pH’ta yaklaşık 10⁻⁶ saniyedir ve difüzyon mesafesini yaklaşık 1–10 nm ile sınırlar. Daha düşük pH’ta, daha oksitleyici olan hidroperoksil radikaline (HO₂•) protonlanır. Hidrojen peroksit (H₂O₂), radikal olmayan bir ROS olup, oksijenin iki elektronlu indirgenmesinden kaynaklanır:

$$ text{O}_2 + 2text{e}^- + 2text{H}^+ rightarrow text{H}_2text{O}_2 $$

H₂O₂ nötr ve nispeten kararlıdır; katalitik enzimlere ve mevcut metal iyonlarına bağlı olarak biyolojik ortamlarda saniyelerden dakikalara kadar değişen bir yarı ömre sahiptir ve yüksüz doğası nedeniyle zarlardan geçebilir. Reaktivitesi düşüktür (örneğin sistein kalıntıları ile 2.9 L·mol⁻¹·s⁻¹ oran sabiti), ancak daha güçlü oksidanların öncüsü olarak hizmet eder. Birincil ROS’ların en reaktifi olan hidroksil radikali (•OH), Fenton süreci gibi reaksiyonlarla üretilir:

$$ text{Fe}^{2+} + text{H}_2text{O}_2 rightarrow text{Fe}^{3+} + cdottext{OH} + text{OH}^- $$

Bu nötr radikal, yaklaşık 10⁻⁹ saniyelik son derece kısa bir yarı ömre sahiptir ve yakındaki hemen hemen her molekülle difüzyon kontrollü hızlarda (~10¹⁰ L·mol⁻¹·s⁻¹) reaksiyona girer; bu da hidrojeni soyutlamadan veya çift bağlara eklenmeden önce 1 nm’den daha az bir difüzyon yarıçapı ile sonuçlanır.^[14]^[15]^[13]

ROS sıklıkla oksidatif ve nitrosatif strese katkıda bulunan reaktif nitrojen türleri (RNS) ile kesişir. Bir eşleşmemiş elektrona sahip serbest radikal bir gaz olan nitrik oksit (•NO), süperoksite benzer orta derecede reaktivite sergiler ve zarlardan geçebilir; O₂•⁻ ile hızla reaksiyona girerek güçlü bir oksidan ve nitrasyon ajanı olan peroksinitrit (ONOO⁻) oluşturur. Peroksinitrit, fizyolojik pH’ta yaklaşık 10⁻² saniyelik bir yarı ömre sahiptir ve •OH gibi ikincil ROS’ları vermek üzere bozunur, proteinlerin, lipitlerin ve DNA’nın nitro-oksidasyonu yoluyla oksidatif hasarı artırır.^[16]^[17]

ROS tespiti, bunların belirgin kimyasal özelliklerine dayanır. Elektron paramanyetik rezonans (EPR) olarak da bilinen elektron spin rezonansı (ESR), O₂•⁻ ve •OH gibi radikallerdeki eşleşmemiş elektronları, spektroskopi yoluyla gözlemlenebilir kararlı eklentiler oluşturmak için 5,5-dimetil-1-pirolin N-oksit (DMPO) gibi spin tuzakları kullanarak doğrudan ölçer. H₂O₂ gibi radikal olmayan türler için, 2′,7′-diklorodihidrofloresein diasetat (DCFH-DA) gibi floresan problar yaygın olarak kullanılır; bu hücre geçirgen prob, hücre içinde DCFH’ye deasetillenir ve H₂O₂ veya peroksitlerle reaksiyona girerek floresan diklorofloreseine oksitlenir, bu da akış sitometrisi veya mikroskopi yoluyla nicelleştirmeye izin verir. Bu yöntemler özgüllük sağlar ancak biyolojik karmaşıklık içinde ROS türlerini ayırt etmek için dikkatli kontroller gerektirir.^[18]^[19]^[20]

Kaynaklar ve Üretim

Endojen Üretim

Reaktif oksijen türlerinin (ROS) endojen üretimi, öncelikle çeşitli hücre içi metabolik süreçler yoluyla gerçekleşir ve dengesiz koşullar altında oksidatif strese katkıda bulunmadan önce hücresel fizyolojinin temel bir yönü olarak hizmet eder.^[21]

Mitokondriyal elektron taşıma zinciri (ETC), endojen ROS üretiminin baskın bölgesini temsil eder; burada elektronlar zincirden sızar ve moleküler oksijenle reaksiyona girerek süperoksit anyonu (O₂⁻) oluşturur. Bu sızıntı esas olarak I ve III komplekslerinde meydana gelir ve normal koşullar altında toplam oksijen tüketiminin yaklaşık %1-2’sini oluşturur.^[22] Bu üretim, mitokondrinin ATP ürettiği süreç olan oksidatif fosforilasyonun doğasında vardır.^[23]

Enzimatik kaynaklar da ROS’a önemli ölçüde katkıda bulunur, özellikle kontrollü süperoksit üretimi için özelleşmiş NADPH oksidaz (NOX) enzim ailesi. Fagositlerde, NOX2 (gp91phox olarak da bilinir), bağışıklık tepkileri sırasında solunum patlamasını yönlendirir ve mikrobiyal öldürme için süperoksit üretmek üzere elektronları NADPH’den oksijene aktarır.^[24] Ek olarak, ksantin oksidaz, iskemi-reperfüzyon hasarı gibi patolojik olaylar sırasında önemli bir ROS üreticisi haline gelir; burada ksantin ve hipoksantini ürik aside oksitleyerek süperoksit ve hidrojen peroksit açığa çıkarır.^[25]

Diğer metabolik yollar, yan ürünler olarak daha fazla ROS üretir. Yağ asitlerinin peroksizomal beta-oksidasyonu, çok uzun zincirli yağ asitlerinin parçalanması sırasında elektronları doğrudan oksijene aktaran asil-CoA oksidazlar yoluyla hidrojen peroksit (H₂O₂) üretir.^[26] Endoplazmik retikulumdaki sitokrom P450 (CYP) enzimleri, ksenobiyotik ve endojen substrat metabolizması sırasında süperoksit gibi oksijen indirgeme ara maddelerinin kaçtığı katalitik döngülerinin eşleşmemesi yoluyla ROS üretir.^[27] Benzer şekilde, eşleşmemiş nitrik oksit sentaz (NOS) izoformları, özellikle endotelyal NOS (eNOS), kofaktör tetrahidrobiopterinden yoksun bırakıldığında nitrik oksit (NO) üretiminden süperoksit üretimine geçer ve vasküler hücrelerde ROS seviyelerini şiddetlendirir; normal koşullar altında NOS, oksidatif strese katkıda bulunan bir diğer önemli RNS olan peroksinitrit (ONOO⁻) oluşturmak için süperoksit ile reaksiyona girebilen bir reaktif nitrojen türü (RNS) olan NO üretir.^[28]

Endojen ROS’un düzenlenmesi hassas bir dengeyi korur; fizyolojik seviyeler hücre çoğalması ve adaptasyon gibi süreçleri modüle eden sinyal molekülleri olarak hareket ederken, aşırı üretim hücresel savunmaları aşarak oksidatif strese yol açar.^[29] Bu ikilik, patolojik tırmanışı önlemek için bu yollar üzerinde sıkı bir kontrolün önemini vurgular.^[21]

Ekzojen Kaynaklar

Oksidatif stresin ekzojen kaynakları; reaktif oksijen türlerini (ROS) doğrudan üreten veya hücre ve dokularda üretimlerini katalize eden dış çevre, kimyasal, yaşam tarzı ve mesleki maruziyetlerden kaynaklanır. Bu faktörler, içsel metabolik süreçlerden farklı olarak, biyolojik moleküllerle etkileşimler yoluyla oksidanları tanıtır veya ROS oluşumunu tetikler.^[30] Endojen üretimin aksine, ekzojen indükleyiciler genellikle cilt veya akciğerler gibi bariyerlere nüfuz eden ve yaygın oksidatif dengesizliğe yol açan fiziksel veya kimyasal ajanları içerir.^[31]

Çevresel toksinler, ekzojen ROS üreticilerinin birincil kategorisini temsil eder. X ışınları ve gama ışınları gibi iyonlaştırıcı radyasyon, su radyolizi yoluyla ROS’u indükler; burada yüksek enerjili parçacıklar su moleküllerini iyonize ederek hidroksil radikalleri (•OH), hidratlanmış elektronlar ve DNA, proteinler ve lipitlere zarar veren diğer reaktif ara maddeler üretir.^[32] Bu mekanizma, •OH oluşumunun hızla gerçekleştiği ve akut oksidatif strese katkıda bulunduğu tıbbi görüntülemede özellikle önemlidir.^[33] İyonlaştırıcı olmayan bir radyasyon biçimi olan ultraviyole (UV) ışık, ROS’u öncelikle fotokimyasal reaksiyonlar yoluyla indükler; burada UV fotonları hücresel fotosensitizörler (örneğin flavinler, porfirinler) tarafından emilir, süperoksit oluşturmak için oksijene elektron transferine veya tekli oksijen (singlet oxygen) oluşturmak için enerji transferine yol açar; bu özellikle güneş UV maruziyetinde önemlidir.^[34] Ozon (O₃) ve partikül madde (PM), özellikle ince PM₂.₅ gibi hava kirleticileri, doğrudan reaktivite ile oksidatif stresi şiddetlendirir; ozon, epitel astar sıvısı antioksidanlarını tüketir ve akciğer hücrelerinden inflamatuar ROS salınımını desteklerken, geçiş metalleri ve organikler içeren PM yüzeyleri solunduğunda hücre içi süperoksit (O₂⁻•) üretimini tetikler.^[35] Bu kirleticilere kentsel maruziyet, sistemik oksidatif belirteçlerle ilişkilendirilmiş ve kronik düşük seviyeli stresteki rolleri vurgulanmıştır.^[36]

Kimyasallar ve farmasötikler bir diğer önemli ekzojen kaynağı oluşturur. Sigara dumanı, kinonlar gibi redoks-aktif bileşenler içerir; bunlar redoks döngüsüne girer: semikinon radikalleri yeniden oksitlenirken moleküler oksijeni süperoksite indirger, ROS üretimini sürdürür ve glutatyon gibi hücresel antioksidanları tüketir.^[37] Bu süreç, dumanın gaz fazı radikalleri ve partiküle bağlı metallerle güçlenir ve tütünü pulmoner ve vasküler oksidatif hasarın güçlü bir indükleyicisi yapar.^[38] Kemoterapötik ajan doksorubisin gibi bazı ilaçlar, elektron taşıma zinciri komplekslerine müdahale ederek mitokondriyal ROS’u indükler, bu da süperoksit sızıntısına ve ardından kalp ve diğer dokularda oksidatif hasarı yayan hidrojen peroksit (H₂O₂) oluşumuna yol açar.^[39] Doksorubisinin antrasiklin yapısı, mitokondriyal zarlardaki kardiyolipine bağlanmayı sağlayarak tedavi sırasında bu ROS patlamasını artırır.^[40]

Yaşam tarzı faktörleri, dışsal fizyolojik talepler dayatarak ekzojen benzeri ROS üretimini tetikleyebilir. Çoklu doymamış yağ asitleri açısından zengin yüksek yağlı diyetler, bu lipitlerin ROS tarafından başlatılan zincirleme reaksiyonlar için substrat görevi görmesi nedeniyle lipit peroksidasyonunu destekler, adipoz ve hepatik dokularda oksidatif stresi artıran peroksil radikalleri ve malondialdehit üretir.^[41] Bu diyet aşırı yükü, normoksik koşullar altında enzimatik olmayan oto-oksidasyonu besleyen fazla lipitlerle redoks homeostazını değiştirir.^[42] Yoğun fiziksel egzersiz, kaslar üzerindeki oksijen akışını ve mekanik stresi artırarak ekzojen bir tetikleyici görevi görür; ksantin oksidaz ve bozulmuş sarkoplazmik retikulum kalsiyum idaresi gibi kaynaklardan gelen ROS’u yükseltir, ancak adaptif tepkiler kronik etkileri hafifletebilir.^[43] Bu tür egzersize bağlı geçici ROS artışları, uzun süreli seanslar sırasında antioksidan kapasitesini aşabilir.^[44]

Özellikle ağır metallere yönelik endüstriyel ve mesleki maruziyetler, katalitik mekanizmalar yoluyla ekzojen oksidatif stresi daha da artırır. Yüzey demiri ile yüklü asbest lifleri, H₂O₂’yi oldukça reaktif •OH’ye indirgeyerek Fenton benzeri reaksiyonları katalize eder, solunduğunda akciğer epitel hücrelerinde lipit peroksidasyonunu ve DNA zincir kırılmalarını başlatır.^[45] Bu demir aracılı redoks aktivitesi, lifin dayanıklılığı nedeniyle devam eder ve maruz kalan işçilerde kalıcı iltihaplanmaya ve fibroza katkıda bulunur.^[46] Endüstriyel ortamlardaki krom ve kadmiyum gibi diğer ağır metaller benzer şekilde metal-tiyolat etkileşimleri veya doğrudan elektron transferi yoluyla ROS’u kolaylaştırır, ancak asbest, sürekli Fenton kimyasında lifli partiküllerin rolünü örneklendirir.^[47]

Antioksidan Sistemler

Enzimatik Savunmalar

Enzimatik savunmalar, reaktif oksijen türlerini (ROS) nötralize etmek için birincil hücresel mekanizmayı oluşturur ve potansiyel olarak zararlı molekülleri katalizlenen reaksiyonlar yoluyla daha az reaktif ürünlere dönüştürür. Bu enzimler, ROS üretildikçe bunları yakalamak için belirli hücre altı konumlarda çalışır ve DNA, proteinler ve lipitler gibi biyomoleküllerde yaygın oksidatif hasarı önler. Önemli oyuncular arasında süperoksit dismutazlar, katalazlar, glutatyon peroksidazlar ve peroksiredoksinler ve tiyoredoksinler gibi tiyol bağımlı sistemler bulunur; bunlar topluca fizyolojik ve stres koşulları altında redoks homeostazını korur.

Süperoksit dismutaz (SOD) enzimleri, oksijen metabolizması sırasında üretilen ilk ROS olan süperoksit anyon radikallerinin (O₂⁻•) hidrojen peroksit (H₂O₂) ve moleküler oksijene dismutasyonunu katalize eder. Bu reaksiyon, süperoksit aracılı hasarı hafifletmek için önemlidir, çünkü SOD’lar kendiliğinden gerçekleşen ancak hücreleri etkili bir şekilde korumak için çok yavaş olan bir süreci hızlandırır. Reaksiyon şu şekilde ilerler:

$$ 2O_2^{bullet -} + 2H^+ rightarrow H_2O_2 + O_2 $$

Memeli hücreleri, metal kofaktörleri ve hücre altı lokalizasyonları ile ayırt edilen üç ana SOD izoformunu ifade eder. Bakır/çinko süperoksit dismutaz (Cu/Zn-SOD veya SOD1), sırasıyla katalitik ve yapısal roller için alt birim başına bir bakır ve bir çinko iyonu içeren homodimerik bir yapıya sahip, ağırlıklı olarak sitozolik ve nükleerdir. Manganez süperoksit dismutaz (Mn-SOD veya SOD2), elektron taşıma sırasında üretilen süperoksiti işlemek için aktif bölgede manganez kullanan bir homotetramer olarak mitokondriyal matriste bulunur. Hücre dışı süperoksit dismutaz (Ec-SOD veya SOD3), hücre dışı boşluğa salgılanan ve hücre yüzeyleri veya hücre dışı matris ile ilişkili olan, SOD1’e benzer şekilde bakır ve çinko içeren tetramerik bir glikoproteindir. Bu izoformlar, bölümlere ayrılmış koruma sağlar; SOD2, yüksek ROS üretimi nedeniyle mitokondriyal bütünlük için özellikle kritiktir.

Homotetramerik hem içeren bir enzim olan katalaz, öncelikle SOD aktivitesinin ve diğer kaynakların bir yan ürünü olan hidrojen peroksiti su ve oksijene ayrıştırır, birikimini ve ardından hidroksil radikalleri gibi daha reaktif türlerin oluşumunu önler. Bu reaksiyon, katalazın en bol bulunduğu peroksizomlarda verimli bir şekilde gerçekleşir, ancak sitozol ve mitokondride daha küçük miktarlar bulunur. Katalizlenen ayrışma şöyledir:

$$ 2H_2O_2 rightarrow 2H_2O + O_2 $$

Katalazın enzim molekülü başına saniyede 10⁶ molekül H₂O₂’ye varan yüksek devir hızı, onu özellikle karaciğer ve eritrositler gibi yüksek peroksizomal aktiviteye sahip dokularda antioksidan savunmanın temel taşı yapar. İfadesi oksidatif stresle uyarılabilir ve hücresel dayanıklılığı artırır.

Glutatyon peroksidazlar (GPx), hidrojen peroksiti ve organik hidroperoksitleri azaltmak için kofaktör olarak indirgenmiş glutatyon (GSH) kullanan, böylece bu oksidanları detoksifiye ederken GSH’yi glutatyon disülfide (GSSG) oksitleyen selenyum bağımlı enzimler ailesidir. Sitozolik ve mitokondriyal bir tetramer olan prototipik GPx1, aktif bölgede peroksitlere nükleofilik saldırıyı kolaylaştıran selenosistein içerir. Genel reaksiyon şöyledir:

$$ ROOH + 2GSH rightarrow ROH + GSSG + H_2O $$

(burada ROOH, H₂O₂ veya organik bir hidroperoksiti temsil eder). Bu Se-bağımlı mekanizma, zarlarda lipit peroksidasyonunun önlenmesi için hayati önem taşır; GPx4, zar bütünlüğünü korumak için karmaşık lipit hidroperoksitlerini benzersiz bir şekilde indirger. GPx aktivitesi, glutatyon redüktaz yoluyla GSH’yi yenileyerek enzimatik savunmaları daha geniş redoks ağlarına bağlar.

Peroksiredoksinler (Prx) ve tiyoredoksin sistemi gibi ek enzimatik sistemler, peroksitlerin tiyol bazlı indirgenmesini sağlayarak ROS seviyelerinin ince ayarında yukarıdaki enzimleri tamamlar. Peroksiredoksinler, katalitik bir tiyolat oluşturan korunmuş sistein kalıntılarını kullanarak H₂O₂ ve alkil hidroperoksitleri yüksek özgüllük ve afinite ile azaltan, her yerde bulunan sistein bağımlı peroksidaz ailesidir. Tiyoredoksin (Trx) redüktazları ve Trx proteinlerini içeren tiyoredoksin sistemi, NADPH yoluyla Prx’lere indirgeyici eşdeğerler sağlayarak oksidasyondan sonra yenilenmelerini mümkün kılar. Bu yolak, sitozol, çekirdek ve mitokondride özellikle aktiftir ve düşük ila orta dereceli oksidatif stres altında protein disülfid indirgenmesini ve peroksit temizlemeyi destekler.

Enzimatik Olmayan Antioksidanlar

Enzimatik olmayan antioksidanlar, reaktif oksijen türlerini (ROS) doğrudan temizleyen veya oksidatif zincir reaksiyonlarını kesintiye uğratan, redoks dengesini korumada enzimatik sistemleri tamamlayan küçük moleküllü bileşiklerdir. Bunlar hem vücutta sentezlenen endojen molekülleri hem de gıda kaynaklarından elde edilen diyet moleküllerini içerir. Endojen örnekler hücresel savunmada belirgin bir şekilde yer alırken, diyet antioksidanları özellikle lipit açısından zengin ortamlarda ek destek sağlar.^[48]

Endojen enzimatik olmayan antioksidanlar arasında, glutatyon (GSH), peroksitleri nötralize ederek ve lipit hidroperoksitlerini nükleofilik saldırı yoluyla detoksifiye ederek redoks homeostazını koruyan ana hücre içi tiyol olarak hizmet eder. GSH, sitozolde tipik olarak 1-10 mM ve mitokondride daha düşük konsantrasyonlarla hücre bölmeleri arasında bol miktarda bulunur ve disülfid bağlarını indirgemesini ve diğer antioksidanları yenilemesini sağlar. Oksitlenmiş formu (GSSG) oksidatif stres altında birikir ve GSH/GSSG oranını güvenilir bir tükenme belirteci olarak değiştirir. Askorbik asit veya C vitamini, sulu fazlarda hidrofilik bir temizleyici olarak hareket eder, süperoksit ve peroksil radikallerini nötralize etmek için elektron bağışlarken E vitamini ve GSH’nin oksitlenmiş formlarını geri dönüştürür. Sağlıklı bireylerde yaklaşık 50-100 μM olan plazma askorbik asit seviyeleri, yaş ve stresle birlikte düşer ve karaciğer ve beyin gibi yüksek metabolik organlardaki dokuya özgü talepleri yansıtır. Pürin metabolizmasının son ürünü olan ürik asit, plazmada (yaklaşık 200-400 μM) hidroksil radikallerinin ve peroksinitritin güçlü bir temizleyicisi olarak baskındır, mitokondriyal fonksiyonu stabilize eder ve Fenton reaksiyonlarını engellemek için geçiş metallerini şelatlar. Oksidatif hakaret sonrası yükselen ürik asit seviyeleri, hücre dışı korumadaki rolünü vurgular, ancak aşırı miktarlar iltihaplanmayı teşvik edebilir.^[49]^[50]^[48]

Diyetle alınan enzimatik olmayan antioksidanlar endojen savunmaları güçlendirir; E vitamini (tokoferoller), zarlarda ve lipoproteinlerde peroksidasyonu önleyen temel lipitte çözünen ajandır. En biyoaktif form olan alfa-tokoferol, hücre zarlarına 20-50 nmol/g doku konsantrasyonlarında entegre olur ve burada lipit oksidasyonundan türetilen peroksil radikallerini yakalar. Beta-karoten gibi karotenoidler, öncelikle hidrofobik ortamlarda, tekli oksijeni (singlet oxygen) yüksek verimlilikle (hız sabiti ~10¹⁰ M⁻¹s⁻¹) söndürerek (quenching), bu uyarılmış durumdaki ROS’u zararlı yan ürünler üretmeden devre dışı bırakır. Plazmada 0.5-2 μM’de bulunan beta-karoten ve likopen gibi karotenoidler, ciltte ve gözlerde fotooksidatif hasara karşı koruma sağlar. Meyve ve sebzelerden elde edilen flavonoidler de dahil olmak üzere polifenoller, süperoksit, hidroksil ve peroksil radikallerine karşı, genellikle hidrojen atomu transferi veya elektron bağışı yoluyla geniş temizleme aktivitesi sergilerken redoks duyarlı yolları modüle eder. Hızlı metabolizma nedeniyle plazma konsantrasyonları düşük kalsa da (0.1-1 μM), diyet alımı karaciğer ve gastrointestinal sistemdeki doku seviyelerini sürdürür.^[51]^[52]^[53]

Mekanik olarak, bu antioksidanlar zincir kırma ve önleyici modlar aracılığıyla çalışır. E vitamini ile örneklendirilen zincir kıran antioksidanlar, peroksil radikallerine (ROO•) bir hidrojen atomu (H•) bağışlayarak daha az reaktif bir tokoferoksil radikali oluşturur ve lipit peroksidasyon yayılımını durdurur:

$$ ce{ROO• + TocH -> ROOH + Toc•} $$

Bu süreç, in vitro ve in vivo oksidatif zincirleri verimli bir şekilde sonlandırır; bir tokoferol molekülü, askorbik asit tarafından yenilenmeden önce üç radikale kadar tuzaklar. Karotenoidler, tekli oksijen için öncelikle fiziksel söndürme kullanır ve kimyasal değişim olmadan enerjiyi ısı olarak dağıtır. EDTA gibi metal şelatörleri, Fe²⁺ ve Cu²⁺ gibi pro-oksidan iyonları izole ederek oksidatif katalizi önler ve hidrojen peroksitten hidroksil radikalleri üreten Fenton kimyasını engeller. EDTA’nın yüksek afinitesi (Fe³⁺ için log K ~25), sulu ortamlarda etkili bağlanmayı sağlar ve metal kirleticilerin fazlalığında mevcut olduğunda emülsiyonlarda ve biyolojik sıvılarda lipit oksidasyonunu azaltır.^[54]^[55]

Enzimatik olmayan antioksidanların dokuya özgü konsantrasyonları metabolik talepleri karşılamak üzere değişir; karaciğerde (5-10 mM) beyne (2-3 mM) kıyasla daha yüksek GSH seviyeleri detoksifikasyon rollerini yansıtır. Plazmada azaltılmış GSH/GSSG oranları veya düşürülmüş C vitamini gibi tükenme, oksidatif stresin bir biyobelirteci olarak hizmet eder ve iltihaplanma ve nörodejenerasyon gibi hastalık durumlarıyla ilişkilidir. Düzenleme, ekzojen tipler için diyet alımını ve endojen tipler için biyosentetik yolları içerir; hafif stres altında üretimi artıran Nrf2 aktivasyonu yoluyla geri bildirim sağlanır.^[48]^[56]

Kimyasal Katalizörler

Katalizde Metal İyonları

Demir ve bakır gibi geçiş metali iyonları, redoks döngüsü yoluyla reaktif oksijen türlerinin (ROS) üretimini katalize etmede çok önemli bir rol oynar; bu, oldukça reaktif hidroksil radikallerinin (•OH) oluşumunu kolaylaştırarak oksidatif stresi şiddetlendirir. Bu metaller oksitlenmiş ve indirgenmiş durumlar arasında geçiş yaparak hidrojen peroksit (H₂O₂) ve süperoksit anyonu (O₂⁻•) ile reaksiyona girmelerini sağlar, böylece ROS üretimini kendiliğinden oluşacak olanın ötesinde artıran zincirleme reaksiyonları teşvik eder.^[57]^[10]

Önemli bir mekanizma, demir(II) (Fe²⁺) veya bakır(I)’in (Cu⁺) H₂O₂’yi biyolojik sistemlerdeki en güçlü oksidanlardan biri olan hidroksil radikaline indirgediği Fenton reaksiyonudur. Demir için reaksiyon şu şekilde temsil edilir:

$$ text{Fe}^{2+} + text{H}_2text{O}_2 rightarrow text{Fe}^{3+} + cdottext{OH} + text{OH}^- $$

Bu süreç Fe³⁺’ü yeniler, bu da askorbat veya süperoksit gibi biyolojik indirgeyiciler tarafından tekrar Fe²⁺’ye indirgenebilir, döngüyü sürdürür ve ROS üretimini devam ettirir. Benzer şekilde, Cu⁺ da benzer bir Fenton benzeri reaksiyona katılarak, serbest metal iyonlarının mevcut olduğu hücresel ortamlarda oksidatif hasara katkıda bulunur.^[57]^[10]^[58]

Haber-Weiss reaksiyonu, süperoksit ve H₂O₂’nin hidroksil radikali vermek üzere etkileşime girdiği metal katalizini daha da örneklendirir, ancak bu net reaksiyon metal iyonları olmadan verimsiz ilerler:

$$ text{O}_2^{bullet-} + text{H}_2text{O}_2 rightarrow text{O}_2 + cdottext{OH} + text{OH}^- $$

Biyolojik bağlamlarda, demir veya bakır iyonları bu süreci Fenton kimyasına bağlayarak hızlandırır, süperoksit dismutasyon yan ürünlerini hidroksil radikali oluşumuna etkili bir şekilde bağlar ve oksidatif stresi yoğunlaştırır.^[59]^[60]

Fizyolojik ortamlarda, hemoglobine bağlı demir temel oksijen taşıma işlevlerini yerine getirir ancak serbest kararsız demir olarak salınırsa, özellikle hemoliz veya hemokromatozis gibi düzensiz homeostazın Fenton aracılı hasarı artırdığı demir yüklenmesi durumlarında ROS’u katalize edebilir. Bakır-çinko süperoksit dismutazın (Cu/Zn-SOD) aktif bölgesinin ayrılmaz bir parçası olan bakır, normalde süperoksiti H₂O₂’ye dönüştürerek oksidatif stresi hafifletir; ancak aşırı serbest bakıra yol açan düzensizlik, rolünü Fenton benzeri reaksiyonlar yoluyla pro-oksidan katalize kaydırabilir. Bu etkilere karşı koymak için şelasyon stratejileri, ferrik demiri yüksek afiniteyle bağlayan, indirgenmesini ve ardından ROS üreten döngülere katılımını önleyen, böylece demir yüklenmiş durumlarda oksidatif hasarı azaltan desferrioksamin gibi ajanlar kullanır.^[61]^[62]^[63]

Metal Olmayan Redoks Sistemleri

Metal olmayan redoks sistemleri, kükürt, nitrojen ve halojenler gibi elementler ve tekli oksijen gibi elemental olmayan türler aracılığıyla reaktif türlerin üretimini ve yayılmasını kolaylaştırarak oksidatif streste kritik bir rol oynar. Bu sistemler genellikle tiyollerin oksidasyonunu veya biyomoleküllere zarar veren güçlü oksidanların oluşumunu içerir ve hücresel redoks dengesizliğine katkıda bulunur.^[64]

Kükürt bazlı redoks reaksiyonları, özellikle proteinlerdeki sistein (Cys) kalıntılarının oksidasyonu yoluyla oksidatif streste belirgindir. Protein tiyolleri (Cys üzerindeki -SH grupları), reaktif oksijen türleri (ROS) tarafından oksidasyona karşı oldukça hassastır ve başlangıçta geçici ara maddeler olarak sülfenik asitler (-SOH) oluşturur. Bu sülfenik asitler, uzun süreli oksidatif koşullar altında sülfinik (-SO₂H) veya sülfonik (-SO₃H) asitlere daha da oksitlenebilir ve geri dönüşü olmayan protein modifikasyonlarına ve işlev kaybına yol açabilir. Örneğin, sülfenilasyon sinyallemede tersinir bir redoks anahtarı olarak hizmet eder ancak kontrol edilmediğinde hasara katkıda bulunur.^[65]^[64]

Glutatyon (GSH) redoks döngüsü, kükürdün oksidatif stresi hafifletmede ve aynı zamanda artırmada rol almasını örnekler. Bir tiyol grubu içeren bir tripeptit olan GSH, önemli bir hücresel indirgeyici olarak hareket eder; ROS veya peroksitler tarafından glutatyon disülfide (GSSG) oksitlenmesi döngünün merkezindedir. GSSG’nin glutatyon redüktaz tarafından tekrar GSH’ye enzimatik olarak indirgenmesi, hücresel redoks durumunun önemli bir göstergesi olan GSH/GSSG oranını korur, ancak stres sırasında tükenme proteinlerdeki tiyol oksidasyonunu şiddetlendirir. Yüksek ROS ortamlarında olduğu gibi bu döngünün düzensizliği, GSH’nin Cys sülfenik asitlerine konjuge olduğu, protein aktivitesini değiştirdiği ve oksidatif hasara katkıda bulunduğu protein S-glutatyonilasyonunu teşvik eder.^[66]^[67]

Nitrojen merkezli redoks sistemleri, nitrik oksit (•NO) ve süperoksitin (O₂⁻•) difüzyon kontrollü reaksiyonuyla oluşan güçlü bir oksidan olan peroksinitrit (ONOO⁻) yoluyla oksidatif strese katkıda bulunur:

$$ ce{•NO + O2^{•-} -> ONOO^-} $$

Bu reaksiyon, inflamasyonda olduğu gibi yüksek •NO ve O₂⁻• üretimi koşulları altında süperoksit dismutaz ile rekabet eder. Peroksinitrit, tirozin kalıntılarının 3-nitrotirozin’e (3-NT) nitrasyonu da dahil olmak üzere oksidatif ve nitratif hasara neden olur; bu, protein fonksiyonunu, enzim aktivitesini ve tirozin kinazları içerenler gibi sinyal yollarını bozar. 3-NT, peroksinitrit aracılı stresin bir biyobelirteci olarak hizmet eder ve nitrojen redoksunu nitro-oksidatif hasarı içeren patolojilere bağlar.^[68]^[69]^[70]

Halojen bazlı redoks sistemleri, özellikle klor içerenler, bağışıklık tepkilerinde oksidatif strese önemli bir katkıda bulunan hipokloröz asit (HOCl) üretir. Aktive edilmiş nötrofillerde, miyeloperoksidaz (MPO), hidrojen peroksitin (H₂O₂) klorür iyonları (Cl⁻) ile reaksiyonunu katalize eder:

$$ ce{H2O2 + Cl^- -> HOCl + H2O} $$

HOCl, proteinler, lipitler ve DNA dahil olmak üzere biyomolekülleri klorlayan ve oksitleyen güçlü, radikal olmayan bir oksidandır ve aşırı iltihaplanma sırasında doku hasarını teşvik eder. Mikrobiyal öldürme için gerekli olsa da, kontrolsüz HOCl üretimi konakçı hücre hasarına yol açar ve MPO kaynaklı oksidanlar ROS aracılı stresi artırmada rol oynar.^[71]^[72]

Moleküler oksijenin uyarılmış bir formu olan tekli oksijen (¹O₂), temel haldeki oksijenin ışık emici fotosensitizörler tarafından enerjilendirildiği fotosensitizasyon yoluyla metal olmayan redoks bağlamlarında ortaya çıkar. Bunlar arasında porfirinler gibi endojen kromoforlar veya ekzojen ajanlar bulunur; enerjiyi ¹O₂ oluşturmak üzere aktarırlar. ¹O₂, doymamış lipitler, proteinler ve nükleik asitlerle [2+2] siklo katılım veya ene reaksiyonları yoluyla hızla reaksiyona girerek oksidatif lezyonlara neden olur. ¹O₂’nin antioksidanlar (örneğin karotenoidler veya α-tokoferol) tarafından söndürülmesi, fiziksel enerji transferi veya kimyasal tuzaklama yoluyla gerçekleşir ve foto-oksidatif stresteki rolünü azaltır; ancak verimsiz söndürme ışığa maruz kalan dokularda hücresel hasarı artırır.^[73]^[74]

Biyolojik Roller ve Etkiler

Hücresel ve Doku Hasarı

Oksidatif stres, reaktif oksijen türleri (ROS) hücresel antioksidan savunmaları aştığında ortaya çıkar ve hücresel bütünlüğü ve işlevi tehlikeye atan doğrudan moleküler hasara yol açar. Bu hasar öncelikle biyomoleküllerdeki oksidatif modifikasyonlar yoluyla kendini gösterir; zar yapısını, protein konformasyonunu, nükleik asit sadakatini ve organel homeostazını bozarak nihayetinde hücre ölümüne ve doku yaralanmasına katkıda bulunur.^[75]^[76]

Lipit peroksidasyonu, hücresel hasarın önemli bir yolunu temsil eder. Hidroksil radikalleri gibi ROS’lar tarafından başlatılır ve hücre zarlarındaki çoklu doymamış yağ asitlerinden (PUFA) alilik hidrojen atomlarını soyutlayarak karbon merkezli lipit radikalleri oluşturur. Bu, bir zincirleme reaksiyonu tetikler: lipit radikalleri oksijenle reaksiyona girerek lipit peroksi radikalleri üretir, bunlar da bitişik lipitlerden hidrojeni soyutlayarak süreci yayar, lipit hidroperoksitleri verir ve radikal rekombinasyonu veya antioksidanlarla sonlandırılana kadar radikal oluşumunu sürdürür. Bu hidroperoksitlerin ayrışması, proteinleri ve DNA’yı çapraz bağlayan mutajenik bir biyobelirteç olan malondialdehit (MDA) ve biyomoleküllere eklenen reaktif bir tür olan 4-hidroksinonenal (4-HNE) dahil olmak üzere toksik aldehitler üretir. Bu ürünler, lipit paketlenmesini ve bütünlüğünü değiştirerek zar akışkanlığını bozar, iyon taşınmasını, reseptör işlevini ve genel zar bariyeri özelliklerini bozar; bu da hücresel savunmasızlığı daha fazla oksidatif hakarete karşı şiddetlendirir.^[75]

Protein oksidasyonu hasarı daha da artırır; ROS, lizin, prolin ve arjinin gibi amino asit yan zincirlerinin doğrudan oksidasyonu veya lipit peroksidasyon ürünlerinden gelen ikincil reaksiyonlar yoluyla kararlı, geri dönüşü olmayan bir modifikasyon olan karbonilasyonu indükler. Karbonilasyon protein yapısını değiştirir, yanlış katlanmayı, agregasyonu ve enzimatik aktivite kaybını teşvik eder (örneğin prolinden glutamik semialdehit oluşumunda görüldüğü gibi). Eş zamanlı olarak, sülfhidril oksidasyonu sistein kalıntılarını hedefler, sülfhidril gruplarını hidrojen peroksit veya tek elektron transferleri yoluyla sülfenik aside veya disülfitlere dönüştürür; bu da tiyol bağımlı fonksiyonları bozar ve protein açılmasını veya anormal çapraz bağlanmayı teşvik eder. Bu modifikasyonlar toplu olarak proteotoksik strese yol açar, hücresel proteostazı bozar ve organel disfonksiyonuna katkıda bulunur.^[76]

ROS tarafından DNA hasarı, guanin C8 pozisyonunda hidroksil radikali saldırısından kaynaklanan en yaygın oksidatif baz modifikasyonu olan 8-oksoguanin (8-oxoG) lezyonlarının oluşumunu içerir. Bu, replikasyon sırasında adenin ile yanlış eşleşen oldukça mutajenik bir eklenti verir. Bu G:C’den A:T’ye transversiyonu mutajenez riskini artırır, potansiyel olarak genomik kararsızlığı ve onkojenik dönüşümleri yönlendirir. Ek olarak, ROS, şeker hidrojenlerinin veya baz eksizyon onarımı ara maddelerinin doğrudan soyutlanması yoluyla tek ve çift zincir kırılmalarını indükler, DNA omurgasını parçalar ve replikasyon ve transkripsiyon sadakatini engeller.^[77]

Mitokondriyal disfonksiyon, oksidatif hasarın kritik bir yükselticisini oluşturur; elektron taşıma zinciri kompleksleri I ve III’te üretilen ROS, önemli bir iç zar fosfolipidi olan kardiyolipini oksitleyerek geçirgenleşmeye ve pro-apoptotik faktörlerin salınmasına yol açar. Bu kısır döngü ROS üretimini artırır, ATP’yi tüketir ve biyoenerjetik başarısızlığa neden olurken, sitokrom c’nin sitozole translokasyonu apoptozomu aktive ederek kaspaz bağımlı apoptozu başlatır. Bu organele özgü hasar, etkilenen bölgelerde iltihaplanma ve nekroz dahil olmak üzere doku çapında etkiler yayar.^[78]

Redoks Sinyali

Redoks sinyali, reaktif oksijen türlerinin (ROS), özellikle hidrojen peroksitin (H₂O₂), fizyolojik koşullar altında hücresel fonksiyonları modüle etmek için ikincil haberciler olarak hareket ettiği süreci ifade eder. Oksidatif hasara neden olan yüksek ROS seviyelerinin aksine, düşük H₂O₂ konsantrasyonları, protein tiyollerini tersinir bir şekilde değiştirerek hücre çoğalması, göçü ve çevresel ipuçlarına adaptasyon gibi süreçleri etkileyerek sinyal yollarının hassas kontrolünü sağlar. Bu sinyalleme, hücresel homeostazı sürdürmek için sıkı bir şekilde düzenlenir; H₂O₂, NADPH oksidazlar (NOX) gibi enzimler tarafından yerel olarak üretilir ve belirli proteinleri hedeflemek için akuaporinler yoluyla yayılır.^[79]^[29]

Redoks sinyalinde birincil mekanizma, sensör proteinlerindeki sistein tiyol gruplarının H₂O₂ aracılı oksidasyonunu içerir; bu, enzimatik aktiviteyi değiştiren tersinir sülfenik asitler veya disülfitler oluşturur. Örneğin, tümör baskılayıcı PTEN’de (fosfataz ve tensin homologu), H₂O₂ aktif bölge sisteini (Cys124) oksitleyerek lipit fosfataz işlevini etkisiz hale getirir ve böylece hücre sağkalımı ve büyümesi için akış aşağı PI3K/Akt sinyalini aktive eder. Benzer şekilde, Nrf2 yolağında, Keap1’in sistein kalıntılarının oksidatif modifikasyonu Nrf2’yi serbest bırakır, çekirdeğe translokasyonuna izin verir ve antioksidan genleri transkribe ederek hücresel dayanıklılığı hafif oksidatif zorluklara karşı artırır. Bu tiyol bazlı anahtarlar, H₂O₂’nin sinyallemede özgüllüğü nasıl sağladığını, tiyoredoksin veya glutatyon gibi indirgeyiciler tarafından kolaylaştırılan iyileşmeyi örneklendirir.^[80]^[81]^[79]

Redoks sinyali ile düzenlenen önemli yollar arasında, düşük H₂O₂ seviyelerinin hücre çoğalmasını sağlamak için ERK fosforilasyonunu teşvik ettiği MAPK/ERK kaskadı ve bağışıklık hazırlığı için inflamatuar gen ekspresyonunu indüklemek üzere IκB kinaz oksidasyonu yoluyla aktive edilen NF-κB yolu bulunur. Fizyolojik bağlamlarda ROS, nitrik oksit (•NO) ile etkileşimler yoluyla vasküler tonu ince ayarlar; burada H₂O₂, vazodilatasyonu ve kan basıncını düzenlemek için endotelyal nitrik oksit sentaz (eNOS) aktivitesini modüle eder. Ek olarak, kontrollü ROS patlamaları, Rho GTPazları ve matris metalloproteinazları aktive ederek hücre göçünü ve yara iyileşmesini kolaylaştırır ve aşırı iltihaplanma olmadan doku onarımını sağlar.^[82]^[29]^[83]

Eşik kavramı, ROS’un iki fazlı doğasını vurgular: 100 nM’nin altındaki konsantrasyonlar tipik olarak hassas tiyolleri seçici olarak oksitleyerek sinyallemeyi desteklerken, bu eşiğin aşılması oksidatif strese geçer, antioksidan savunmaları bunaltır ve ayrım gözetmeyen hasara neden olur. Bu doza bağımlı ikilik, redoks sinyalinin, vasküler homeostaz veya yara kapanması gibi adaptif tepkileri, yalnızca ROS seviyeleri fizyolojik sınırlar içinde kaldığında teşvik etmesini sağlar.^[29]^[84]

Sağlık ve Hastalık İlişkileri

Kronik Hastalıklardaki Rolü

Oksidatif stres, hücresel homeostazı bozarak ve inflamatuar tepkileri artırarak kronik hastalıkların gelişimine ve ilerlemesine önemli ölçüde katkıda bulunur. Çoğu durumda, antioksidan savunmaları aşan, makromoleküler hasara ve patolojik sinyale yol açan reaktif oksijen türlerinin (ROS) aşırı üretimi yoluyla hareket eder. Önemli bir mekanistik bağlantı kronik inflamasyondur; burada TNF-α ve IL-1β gibi sitokinler, inflamatuar hücrelerde NADPH oksidaz aktivasyonu yoluyla ROS üretimini indükler ve kardiyovasküler bozukluklar, nörodejenerasyon, kanser ve diyabet gibi durumlarda hastalık ilerlemesini yönlendiren bir döngüyü sürdürür.^[82] Bu etkileşim, oksidatif stresi çok faktörlü kronik patolojilerde merkezi bir aracı olarak konumlandırır.

Kardiyovasküler hastalıklarda, oksidatif stres öncelikle düşük yoğunluklu lipoproteinin (LDL) oksidasyonu yoluyla aterosklerozu teşvik eder; bu, monositleri toplayan ve köpük hücresi oluşumunu destekleyen oksitlenmiş LDL üretir, böylece plak gelişimini hızlandırır.^[85] Ek olarak, nitrik oksit biyoyararlanımını azaltarak endotel disfonksiyonunu indükler; NADPH oksidaz gibi kaynaklardan gelen ROS, endotelyal nitrik oksit sentazı çözerek vazokonstriksiyona, vasküler inflamasyona ve artan trombotik riske yol açar.^[85]

Nörodejeneratif bozukluklar için, oksidatif stres, α-sinüklein oksidasyonu yoluyla Parkinson hastalığını şiddetlendirir; bu süreç, α-sinüklein’in Lewy cisimciklerine toplanmasını ve nöron kaybını teşvik eden demir açısından zengin ortamları ve dopamin türevli hidroksil radikallerini içerir.^[86] Alzheimer hastalığında, özellikle Aβ42’deki metiyonin-35 kalıntısının oksidasyonu yoluyla amiloid-β peptit agregasyonunu kolaylaştırır, nörotoksisiteyi ve mitokondriyal hasarı artıran hidrojen peroksit ve serbest radikaller üretir.^[86]

Oksidatif stres ayrıca astım ve kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH) gibi kronik solunum yolu hastalıklarına da katkıda bulunur. Astımda, eozinofiller ve makrofajlar gibi hava yolu inflamatuar hücrelerinden gelen yüksek ROS, NF-κB gibi yolların aktivasyonu yoluyla bronkokonstriksiyonu, mukus hipersekresyonunu ve hava yolu yeniden şekillenmesini destekler.^[2] KOAH’ta, sigara dumanının neden olduğu oksidatif stres antioksidan savunmaları bozar, proteinaz-antiproteinaz dengesizliği ve kalıcı inflamasyon yoluyla amfizem ve kronik bronşite yol açar.^[2]

Oksidatif stres kanserde ikili bir rol sergiler; orta düzeyde ROS seviyeleri, PTEN gibi fosfatazları inhibe ederek ve NRF2 aracılığıyla antioksidan yollarını yukarı düzenleyerek RAS gibi onkogenleri aktive eder, böylece tümör hücresi çoğalmasını ve hayatta kalmasını destekler.^[87] Ayrıca DNA hasarı ve epitelyal-mezenkimal geçiş yoluyla tümör oluşumunu destekler, ancak aşırı ROS, apoptozu veya glutatyon peroksidaz 4 (GPX4) tarafından inhibe edilen düzenlenmiş bir hücre ölümü yolu olan ferroptozu tetikleyerek anti-tümör etkilerini indükleyebilir.^[87]

Diyabette oksidatif stres, hücrelerin sınırlı antioksidan kapasitesini (süperoksit dismutaz ve katalazın düşük seviyeleri gibi) aşarak beta hücre hasarını yönlendirir ve glukotoksik koşullar altında ROS aracılı apoptoz, nekroz ve bozulmuş insülin sekresyonuyla sonuçlanır.^[88] Hiperglisemi sırasında oluşan ileri glikasyon son ürünleri (AGE’ler), glikoz otooksidasyonu ve NAD(P)H oksidaz aktivasyonu yoluyla ROS üretimini daha da artırır, beta hücre disfonksiyonunu şiddetlendirir ve NF-κB gibi proinflamatuar yollar aracılığıyla insülin direncine katkıda bulunur.^[88]

Yaşlanma ve Üreme Üzerindeki Etkisi

Oksidatif stres, yaşlanmanın serbest radikal teorisinde merkezi bir rol oynar; bu teori, normal metabolizma sırasında üretilen endojen serbest radikallerin zamanla biriktiğini ve yaşlanmayla ilişkili ilerleyici hücresel hasara ve dejeneratif değişikliklere yol açtığını öne sürer.^[89] İlk olarak 1956’da Denham Harman tarafından önerilen bu teori, reaktif oksijen türlerini (ROS) türler arasında yaşam süresi sınırlamalarına önemli katkıda bulunanlar olarak vurgular.^[90] Bunu destekler nitelikte, mitokondriyal ROS üretimi yaşlanma sırasında istikrarlı bir şekilde artar, bu da mitokondriyal hasara, azalan enerji üretimine ve hızlandırılmış hücresel yaşlanmaya (senescence) neden olur.^[91] Örneğin, yaşa bağlı mitokondriyal disfonksiyon ROS seviyelerini yükseltir, bu da mitokondriyal DNA bütünlüğünü bozar ve dokulardaki oksidatif hasarı şiddetlendirir.^[92] Ek olarak, oksidatif stres, telomerik DNA’ya oksidatif hasarı teşvik ederek ve telomeraz aktivitesini inhibe ederek hücresel yaşlanmanın ayırt edici bir özelliği olan telomer kısalmasına katkıda bulunur, böylece replikatif yaşlanmayı hızlandırır.^[93] Meta-analizler, daha yüksek oksidatif stres belirteçlerinin in vivo olarak daha kısa telomerlerle ilişkili olduğunu doğrulamakta ve bu mekanizmanın yaşa bağlı gerilemedeki rolünün altını çizmektedir.^[94]

Üremede, oksidatif stres gamet kalitesini ve doğurganlık sonuçlarını önemli ölçüde bozar. Büyük ölçüde ROS aracılı baz oksidasyonu ve zincir kırılmaları tarafından indüklenen sperm DNA parçalanması, erkek kısırlığının birincil nedenidir; yüksek seminal ROS seviyeleri doğrudan parçalanmış DNA ve azalmış döllenme potansiyeli ile ilişkilidir.^[95] Kadınlarda oksidatif stres, ilerleyen yaşla birlikte oosit kalitesinin düşmesini hızlandırır, oositlerdeki mitokondriyal işlevi bozar ve mayotik hatalara, kromozomal anormalliklere ve daha düşük embriyonik canlılığa yol açar.^[96] Bu durum, artan ROS’un foliküler atreziye ve azalmış oosit gelişimsel yetkinliğine katkıda bulunduğu yaşlı kadınların foliküler sıvısında belirgindir.^[97] Endometriozis, ROS kaynaklı hücresel hasar yoluyla ektopik lezyon büyümesini, iltihaplanmayı ve kısırlığı destekleyen peritoneal oksidatif stres ile ilişkili olduğu için bu bağlantıyı daha da örneklendirir.^[98] Özellikle erkek kısırlığında, seminal ROS genellikle spermatozoadan 1000 kat daha fazla ROS üreten, antioksidan savunmaları aşan ve sperm zarlarında lipit peroksidasyonuna neden olan aktive edilmiş lökositlerden kaynaklanır.^[99] Bu peroksidasyon, zar akışkanlığını ve mitokondriyal işlevi değiştirerek sperm hareketliliğini bozar, astenozoospermi ve bozulmuş kapasitasyon ile sonuçlanır.^[100]

Oksidatif stresi hedefleyen müdahaleler, yaşlanma ve üreme üzerindeki bu etkileri hafifletmede umut vaat etmektedir. Mitokondriyal bir antioksidan olarak hareket eden Koenzim Q10 (CoQ10) takviyesi, kısır erkeklerde sperm parametrelerini iyileştirir ve DNA parçalanmasını azaltır.^[101] Yardımcı üreme tedavisi gören kadınlarda ise, ROS kaynaklı mitokondriyal disfonksiyonu azaltarak oosit kalitesini ve klinik gebelik oranlarını artırır.^[102] Benzer şekilde, yaşlanma modellerinde kalori kısıtlaması, mitokondriyal ROS üretimini ve oksidatif hasarı azaltır, gelişmiş antioksidan savunmalar ve metabolik yeniden programlama yoluyla yaşam süresini uzatır ve üreme fonksiyonunu korur.^[103]^[104] Örneğin, %40 kalori kısıtlaması kemirgenlerde ROS üretim oranlarını düşürür ve genel sağlıktan ödün vermeden yaşa bağlı doğurganlık düşüşünü geciktirir.^[105]^[104]

Özel Bağlamlar

Bağışıklık Sistemi Katılımı

Doğal bağışıklık tepkisinde, reaktif oksijen türleri (ROS), solunum patlaması sırasında süperoksit anyonu (O₂•⁻) üreten NADPH oksidaz 2’nin (NOX2) aktivasyonu yoluyla nötrofiller ve makrofajlar gibi fagositik hücrelerde merkezi bir rol oynar. Bu süreç, patojen tanıma üzerine fagozomal zarda NOX2 alt birimlerinin toplanmasını, NADPH’den oksijene hızlı elektron transferine yol açarak birincil ROS olarak O₂•⁻ üretilmesini içerir. Süperoksit daha sonra hidrojen peroksit ve diğer alt akış oksidanlarına dönüşür; bunlar proteinler, lipitler ve DNA gibi mikrobiyal bileşenlere doğrudan zarar vererek fagolizozom içinde patojenin öldürülmesini kolaylaştırır.^[106]^[107]

Edinilmiş bağışıklıkta ROS, T hücresi reseptörünün (TCR) aşağısındaki sinyal yollarını modüle ederek T hücresi aktivasyonuna katkıda bulunur. Genellikle mitokondriyal kaynaklardan veya NOX ailesi enzimlerinden türetilen düşük ila orta düzeydeki ROS seviyeleri, kritik sistein kalıntılarının oksidasyonu yoluyla PTEN gibi fosfatazları etkisiz hale getirerek T hücresi çoğalmasını ve farklılaşmasını destekler, böylece PI3K/AKT sinyalini artırır. Ek olarak, ROS, düzenleyici T hücresi (Treg) fonksiyonunu etkileyerek bağışıklık toleransını düzenler; örneğin, makrofaj kaynaklı ROS, Treg’lerde Foxp3 ekspresyonunu indükleyerek baskılayıcı aktivitelerini destekler ve aşırı bağışıklık tepkilerini önler.^[108]^[109]^[110]

Bağışıklık sisteminde ROS üretiminin düzensizliği, otoimmünite ve immün yetmezlik dahil olmak üzere patolojik durumlara yol açabilir. Romatoid artritte, aktive edilmiş sinovyal hücrelerden ve nötrofillerden gelen yüksek ROS, sitokin salınımını ve osteoklast aktivasyonunu teşvik ederek iltihaplanmayı şiddetlendirir ve eklem yıkımına katkıda bulunur. Tersine, kronik granülomatöz hastalık (CGD), NOX2 veya alt birimlerindeki genetik kusurlardan kaynaklanır, solunum patlamasını bozar ve kusurlu mikrobiyal öldürme nedeniyle tekrarlayan enfeksiyonlara yol açar.^[111]^[112]

Glutatyon (GSH) gibi antioksidanlar, lenfosit fonksiyonunu destekleyerek bağışıklık homeostazını sürdürmek için esastır. Birincil hücresel tiyol olan GSH, T hücrelerini aşırı ROS kaynaklı apoptozdan korur ve aktivasyon sırasında çoğalmalarını ve sitokin üretimini kolaylaştırarak dengeli adaptif tepkiler sağlar. GSH’nin tükenmesi T-lenfosit tepkilerini bozar ve bağışıklık yetkinliğini sürdürmedeki rolünü vurgular.^[113]^[114]

Evrimsel ve Bulaşıcı Hastalık Bağlantıları

Mitokondrinin endosimbiyoz yoluyla edinilmesi ökaryotik evrimde çok önemli bir rol oynamıştır; bakteriyel endosimbiyont tarafından üretilen reaktif oksijen türleri (ROS), konakçı hücre karmaşıklığını etkileyen seçici baskılar uygulamıştır. Bu alfaproteobakteriyel ata yoluyla oksijen akışı, artan ROS üretimine yol açmış, DNA hasarına ve konakçı genomunda artan mutasyon oranlarına neden olmuştur; bu da genetik kararsızlığı hafifletmek için cinsel üreme gibi ökaryotik özelliklerin evrimini yönlendirmiş olabilir.^[115] Bu endosimbiyotik olay, antioksidan savunmaların ve mitokondriyal entegrasyonun gelişimini destekleyen enerjik ve oksidatif zorlukları sağlamış, sonuçta arkeal ve bakteriyel soylardan ökaryotların kimerik kökenini şekillendirmiştir.^[116] Ayrıca, mitokondriden gelen ROS aracılı seçici baskıların, erken çok hücreli geçişler sırasında enerji metabolizması ve stres tepkilerinde adaptasyonları gerektirerek ökaryotik hücre karmaşıklığını sürdürdüğü düşünülmektedir.^[117]

Bulaşıcı hastalıklarda, oksidatif stres, özellikle viral ve bakteriyel bağlamlarda patojenler ve konakçı tepkileri arasındaki etkileşimler yoluyla patolojiyi güçlendirir. Şiddetli COVID-19 sırasında, SARS-CoV-2 enfeksiyonu tarafından tetiklenen sitokin fırtınası ROS üretimini şiddetlendirir ve bağışıklık hücrelerinin aşırı aktivasyonu ve mitokondriyal disfonksiyon yoluyla iltihaplanmayı ve doku hasarını kötüleştiren bir dengesizliğe yol açar.^[118] Bu ROS amplifikasyonu, endotel hücre hasarına katkıda bulunur, 2020 ile 2023 yılları arasındaki çalışmalarda kanıtlandığı üzere, azalan nitrik oksit biyoyararlanımı ve vasküler duvarlara doğrudan oksidatif hasar yoluyla tromboz ve vasküler geçirgenlik gibi kardiyovasküler komplikasyonları teşvik eder.^[119] Benzer şekilde, HIV enfeksiyonunda Tat proteini, öncelikle mitokondriyal yollar ve NADPH oksidaz aktivasyonu yoluyla ROS üretimini indükler, bu da oksidatif DNA hasarı, hücresel yaşlanma ve nörobilişsel bozukluklarla sonuçlanır.^[120] Sepsiste, kalıcı inflamatuar tepkiler ROS aşırı yüklemesi yoluyla mitokondriyal hasara neden olur, biyoenerjetiği bozar, geçirgenlik geçiş gözenek açıklığını artırır ve çoklu organ yetmezliğine katkıda bulunur.^[121]

2023’ten 2025’e kadar yapılan son araştırmalar, akut sonrası sekelleri anlamadaki boşlukları ele alarak oksidatif stres belirteçlerini uzun COVID’de temel göstergeler olarak vurgulamıştır. Malondialdehit gibi lipit peroksidasyon ürünlerinin yüksek seviyeleri ve süperoksit dismutaz gibi azalmış antioksidan enzimler uzun COVID hastalarında devam etmekte, yorgunluk, bilişsel bozukluk ve sistemik inflamasyonla ilişkilendirilmektedir.^[122] Tiyol seviyeleri ve süperoksit anyonu oluşumu dahil olmak üzere bu belirteçler, uzun COVID’i çözülmüş enfeksiyonlardan ayırır ve semptomların itici güçleri olarak devam eden endotelyal ve mitokondriyal disfonksiyonu önerir.^[123] Çalışmalar ayrıca bu oksidatif dengesizlikleri miyaljik ensefalomiyelit/kronik yorgunluk sendromu ile paylaşılan yollara bağlayarak ROS’u ortaya çıkan enfeksiyon sonrası durumlar için terapötik bir hedef olarak vurgulamaktadır.^[124]