04. הגנה מרדיקלים חופשיים - נוגדי חימצון


ניטרול הרדיקלים חופשיים – על ידי מערכת נוגדי החימצון

בתאי הגוף החי קיימת מערכת נוגדי חימצון מפותחת. היא מנטרלת רדיקלים חופשיים, ושומרת שריכוזיהם לא יעלו מעל המינימום הדרוש, אבל יוכלו להשמיד פולשים ביולוגיים בתוך תאים של מערכת החיסון, יעזרו להמסת מזהמים כימיים שחדרו לגוף, ועוד. נוגדי חימצון כוללים מוליקולות של ויטמינים, במאגרים תאיים, וכן הורמון  השינה ואפילו חומרי פסולת כגון בילירובין (מוצר פירוק של המוגלובין), וחומצת שתן (מוצר פירוק של DNA), שיכולים לצוד ולנטרל רדיקלים חופשיים, וכן אנזימים המסוגלים לנטרל אותם, על ידי כך שמוסרים להם אלקטרון(ים) בקלות. גם Myoglobin, CK, HDL, gammaGT. משמשים כנוגדי חימצון. נוגדי החימצון החשובים, אנזימטיים, ולא אנזימטיים , כוללים את המוצגים להלן: 

1. (Superoxide dismutases (SOD:

  • (Cu-Zn SOD (in cytosol, SOD1
  • (Mn-SOD (in mitochondria, SOD2
  • (EC-SOD (Cu-Zn SOD, SOD3
  • (glutathione peroxidase (GPX
  •  (glutathione reductase (GR
  •  (catalase (CAT
  •  glucose-6-phosphate dehydrogenase
  •  GSSG-S transferase
  •  proteindisulphide isomerase
  •  thioredoxin
  •  thioredoxin reductase
  • glutaredoxin
  •  peroxiredoxin
  • heme oxygenase
  • methionine sulphoxide reductase
  •  (paroxonase (PON-1
  •  thiol-disulphide oxidoreductase 
2. אל נוגדי חימצון אלה ניתן לצרף נוגדי חימצון המתקבלים במזון, כגון: 
  • (Vitamin C (ascorbate
  •  (vitamin A (α, β, γ carotenes
  •  (vitamin E (8 different isomers
  • α lipoic acid
  • (phytochemicals (flavonoids, ignans, phenols
  • (selenium (for GPX activity
  • (Copper (for Cu-Zn SOD activity
  • (Zinc (for Cu-Zn SOD activity and protection of SH groups
  • (manganese (for Mn-Zn SOD activity

בתנאים נורמליים נוגדי החימצון נמצאים במאגרים תאיים, המכילים עד עשרות אלפי מוליקולות. נוגדי החימצון במאגר, מופעלים כדי לנטרל את הרדיקלים החופשיים שנוצרים, ומונעים (כמעט) את כל נזקיהם. בזמן שיש עלייה בפעילות הגופנית, והמוחית, יש עליה בצריכת החמצן, וביצירת רדיקלים חופשיים. גם חשיפה למזהמים כימיים ולקרינות, מוסיפים רדיקלים, ויוצרים עודפים, עד שעוברים את יכולת הבלימה של מערכת נוגדי החימצון. הרדיקלים מכלים את מאגר נוגדי החימצון התאי, גורמים לדחק חימצוני, שמגדיל את הנזקים, הפגיעה בממברנות של התאים, פוגעת בתעליות היונים, ולשיבוש העברה של יונים פנימה או החוצה, וכך נוצרות פגיעות במערכות רבות. המוכרת בהן, הפגיעה בתאי שרירים הגורמת לעייפות, אולם, עם הזמן ניכרים נזקים בפרט במיפרקים, בפראוקסידציה של ליפידים, ומכך, האצת טרשת עורקים, בפגיעות בלבלב ניגרמת סוכרת, ופגיעות ב- DNA בתאים בכל הגוף, גורמות למוטציות (ואפילו לשברים ב- DNA). חלק מהמוטציות לא מתוקנות, ונישארות, מצטברות, וובכך מסייעות להקדמת מחלות הגיל הקשות, בעצבים, לפגיעות בתאי מערכת החיסון, לעליית המחלות הזיהומיות, למחלות סרטן, והאצת טרשת העורקים מתקדמת לעליית לחץ הדם, להתקפי לב, שבץ מוחי, שיתוק, ומוות. יש להדגיש, שבמחלות כרוניות, בפרט סוכרת, בהן יש פגיעה בכלי הדם, הגורמות לפגיעות בזרימת הדם, גורמות לעליה נוספת בעודפי הרדיקלים, לניצול כל המאגרים של נוגדי חימצון בתאים, והאצה מוגברת של התפתחות מחלות הגיל הניווניות. 

בפגיעה חימצונית בריקמה שרירית, אחד הצעדים המוקדמים של החלמה, היא תגובה דלקתית חריפה במקום הפגוע. רדיקלים חופשיים נחשבים כגורמים לתגובה דלקתית, ובהנחה שהם ברמה מירבית לאחר 24 שעות לאחר השלמת פעילות שרירית מאומצת. אם זה כך, עשויים נוגדי חימצון למנוע נזק זה. אולם אם הגנת נוגדי החימצון אינה מספיקה, או לא עולה במשך הזמן של ההסתננות לאחר הפעילות, יכולים הרדיקלים החופשיים להמשיך ולהזיק לשרירים, לאחר מה שמתקבל במשך הפעילות הנימרצת. זה מגדיל את הזמן הנידרש להישתקם מאותה תקופת פעילות. 

כאשר רדיקל חופשי מקבל אלקטרון מנוגד חימצון, אינו צריך לתקוף את התא ומרכיביו, וריאקציית השרשרת מופסקת. כל נוגד חימצון שניטרל רדיקל חופשי, זקוק לחידוש=חיזור, כדי לפעול מחדש. למעשה, נוגד החימצון שתרם אלקטרון, הופך עצמו לרדיקל חופשי לפי ההגדרה. אולם אינו מזיק לתא כי יש לו יכולת להתאים את שינוי האלקטרונים מבלי להפוך לפעיל. נוגדי חימצון נוצרים בתאי הגוף, וגם מיתקבלים במזונות, בעיקר, ירקות, פירות, גרעינים לסוגיהם, בשרים, ושמנים. יש שני קווים של הגנת נוגדי החימצון בתאים: קו ראשון נמצא בממברנות התאים, שהן המסיסות בשומן, כולל ויטמין E,  ויטמין A, וקואנזים-Q10. מאלה, ויטמין E נחשב כנוגד חימצון החזק ביותר כשובר שרשרת החימצון. הקו השני נמצא בתוך התא, צדים את הרדיקלים נוגדי החימצון המסיסים במים. הם כוללים ויטמין C, גלוטתיון ואחרים, והאנזימים גלוטתיון-פראוקסידאז, סופראוקסיד דיסמוטאז (SD), וקאטאלאז. נוגדי החימצון שכרגיל מקבל הגוף במזונות או כתוספים, הם ויטמין A, C, E, גלוטתיון, רסבראטרול, קואנזים Q10, והמינרל סלניום ואחרים המשמשים באתר הפעיל של אנזימים נוגדי החימצון, כמפורט להלן. 


נוגדי החימצון שאינם אנזימים

נוגדי החימצון החשובים, כוללים ויטמין E, המסיס בשומן, המשמש מלכודת עיקרית לרדיקלים החופשיים בממברנות הליפידות של התאים בגוף החי. ויטמין C (חומצה אסקורבית), אינו מסיס בשומן אלא במים, ונמצא בציטופלזמה של התאים, וכן בזרם הדם. מלאטונין (הורמון השינה), נוצר על ידי בלוטת האיצטרובל, וייצורו פוחת עם הגיל. הוא חוצה ממברנות של תאים ביעילות, כולל גרעיני התאים, ופועל ביעילות כנגד רדיקלי ההידרוקסיל (Reiter et al 2000). ויטמין E כולל משפחה של 8 מוליקולות, מהן 4 טוקופרולים, ו- 4 טוקוטריאנולים. לכולן בעלות כרומאנול (טבעת כרומאן עם קבוצה אלכוהולית הידרוקסילית), ושרשרת צדדית אליפאטית של 12 פחמנים, המכילה 2 קבוצות מתיליות במרכז, ועוד 2 בקצה. ב- 4 הטוקופרולים, השרשרת הצדדית רוויה, בעוד שבטוקוטריאנולים כל אחד מה- 4 מכיל 3 קשרים כפולים, שכולם לייד קבוצה מתילית. גם הטוקופרולים, וגם הטוקוטריאנולים יכולים להופיע בצורות α, β, γ, או δ, לפי הבסיס של המספר והמצב של הקבוצות המתיליות על טבעת הכרומאנול. צורת ה- α, בעלת 3 קבוצות מתיליות, ה- β, וה- γ, בעלות 2 קבוצות, וה- δ, בעלת קבוצה אחת. הטוקוטריאנולים (הנמצאים בריכוז גבוה בשמן תמרים) פעילים כנוגדי חימצון הרבה יותר פי כמה, מהטוקופרולים, אולם הם ניספגים מעט במערכת העיכול, ומעט מופצים לרקמות בזרם הדם, והם עוברים שינויים במטבוליזם, ומסולקים מהגוף. לעומת זאת הטוקוטריאנולים ניספגים היטב דרך העור, ובכך מתאימים יותר לשימוש בקרמים של ויטמין E  (במחקר  Packer 2001 )  צורת ה- α של הטוקופרול מרכיבה כ- 90% של הטוקופרול ברקמות הגוף החי. בעבר נקראה צורה זו d-alpha-tocopherol לפי הפעילות האופטית שלה בסיבוב אור מקוטב (ימינה). בטוקופרול ישנם 3 אטומי פחמן אסימטריים, בהם 1 בעמדה 2 של הטבעת הכרומאנולית, ויתר ה- 2 על השרשרת האליפאטית, בעמדות '2 ו- '8 שכולן במיקומים של קבוצות המתיל. דהיינו לפי הגדרת השמות של IUPAC , מערכת R&S של כינוי איזומר סטרי, יותר מאשר קידומות d&l (המגדירות לפי פעילות אופטית של סיבוב אור מקוטב). לכן הצורה הטבעית המקובלת של α-tokopherol קיבלה לפי IUPAC את השם 2R,4'R,8'R-alpha-tocopherol, (בקיצור RRR-alpha-tocopherol ) כאשר כיום השם שהיה לו "d-alpha-tocopherol" כבר אינו בשימוש. 

נוגד חימצון נוסף הוא חומר הפסולת חומצת שתן ( Uric acid), שנוצר בפירוק purine שהוא אחד מ- 4 בסיסי ה- DNA. נוגד חימצון זה מגן על ויטמין C מחימצון על ידי יונים דו-ערכיים, ויכול לפעול כנוגד חימצון. באדם יש רמות גבוהות יותר של חומצת שתן מאשר בקוף, וביונקים אחרים, כי בתאי גוף האדם חסר האנזים uricase המפרק חומצת שתן. בעופות יש רמות של אנזים זה גבוהות פי 2 מאשר באדם. עופות רבים חיים פי כמה יותר מאשר יונקים בגודל דומה, למרות שיעור המטבוליזם שלהם הגבוה יותר, וגם שיש בפלזמה של הדם שלהם פי 2-6 יותר גלוקוז, וטמפרטורת הגוף שלהם גבוהה ב- 3ºC .


נוגד חימצון נוסף הגלוטתיון: מורכב מ- 3 חומצות אמינו: L-glutamic acid, L-cystein, ו-glycine, כלומר הוא טריפפטיד, אבל הקשר בין קבוצת האמינו של הציסטאין, והקבוצה הקרבוקסילית של השרשרת הצדדית של החומצה הגלוטאמית, שונה מהמקובל, כמתואר בתרשים הבא:

איור - מולקולת הגלוטתין

הקבוצה התיולית בציסטאין (מכילת גפרית, SH) נשמרת במצב מחוזר (GSH), גם בריכוז גבוה למדי (5mM), בתאי הגוף, וכך, למעשה הגלוטתיון מחזרת כל קשר דו-גפריתי הנוצר בתוך חלבוני הציטופלזמה של התא, לציסטאינים, על ידי פעולתה כתורם אלקטרונים. גלוטתיון נמצא בתאים כמעט רק (>90%) בצורתו המחוזרת, כי האנזים גלוטתיון רדוקטאז שמחזיר אותו מצורה מחומצנת (GSSG), פעיל כל הזמן (קונסטיטוטיבי), וגם מושרה לפעולה (אינדוקטיבי) בזמן דחק חימצוני. היחס בין הצורה המחוזרת למחומצנת בתאים, משמש מדד מדעי לרעילות שיש בתאים. הגלוטתיו משווק כתוסף מזון, נוגד חימצון: בחלק קטן מהמוליקולות שלו, הקבוצה התיולית SH, משתחררת כמימן גפריתי H2S, הגורם לריח קל של ביצים סרוחות, ומעיד שהגלוטתיון תקין. גלוטתיון הוא נוגד החימצון העיקרי בחלק הלא-ליפידי של התאים, דהיינו ברוב הציטופלזמה. שם הוא נמצא בצורה המחוזרת, GSH, ובצורה המחומצנת, GSSG. הגלוטתיון המחוזר תורם מימן היכול לנטרל רדיקל הידרוקסיל, אבל נוצר רדיקל גלוטתיון, לפי הנוסחא: 

GSH + .OH —> .GS + H2

נוצרו שני רדיקל גלוטתיון, שיכולים לנטרל אחד את השני, לגלוטתיון מחומצן, לפי הנוסחא: 


GS +  .GS —> GSSG. 

הגלוטתיון פראוסידאז, לוקח כאמור, מימנים משני GSH וכך יוצר מים וגלוטתיון מחומצן (GSSG), כאשר NADPH משמש מקור למימן. סילוק מימן פראוקסיד על ידי גלוטתיון ניתן לכתוב לפי הנוסחא הבאה: 

2GSH + H2O2 => GSSG + 2 H2

במחקר בזן טרנסגני של זבוב הפירות, בעל אורך חיים מוגדל, בו האנזים המסתנז GSH היה בעל ביטוי יתר, גדל אורך בחיים קרוב ל- 50% (Orr et al 2005). 


הגלוטתיון מחזק את פעילות התאים במערכת החיסון, שתיפקודיה יורדים עם הגיל (כי נכנסות מוטציות בגנים של תאיה), עם אכילת סוכרים, בחולי סוכרת, באוכלי מזון "זבל", ובנחשפים למזהמים כימיים וקרינות. גלוטתיון משתתף בריאקציות הכוללות התחברות לשומנים ואחרים, ובתגובות חיזור, בתוך איברונים תאיים כגון, מיטוכונדריות ומיקרוזומים. עוזר ביצירת אנרגיה במיטוכונדריות, ומשפר פעילויות מערכת החיסון. באנשים הסובלים מסינדרום עייפות כרונית יש ברוב המקרים מחסור בגלוטתיון. ניתן להעלות את ריכוזו על ידי נטילת מרכיביו (NAC), או ציסטאין הנמצא בחלבון מי גבינה (whey), בתוך פפטידים הניספגים בקלות המעיים). NAC שניתן לזבובי התסיסה האריך את משך חייהם, כמעט ברבע, אולם מתן מנות גבוהות, היתה רעילה (Brack C. et al 1997). 

הגלוטתיון עוזר לתאי הכבד לסלק רעלים מהגוף, כולל אלכוהול, מתכות כבדות, חומרי הדברה, ושאר מסרטנים. גלוטתיון מבטל השפעה רעילה של אצטואמינופן (ראה להלן), ואם חסר גלוטתיון, יש תמותה ניכרת של תאים בכבד
(Flanagan et al 1991). 

גלוטתיון מחוזר ( GSH) יכול לצוד רדיקלי פראוקסיניטריט, וגם הידרוקסיל, וכן, להפוך מימן פראוקסיד למים. למרות שנוצר ממנו רדיקל גלוטתיון (.GS), הוא מייד מנוטרל על ידי שמתחבר לרדיקל גלוטתיון אחר, ויוצרים GSSG. הוא יכול להיות מחוזר בחזרה ל- GSH על ידי האנזים glutathione reductase, התלוי ב- NADPH, דהיינו תלוי ביצירת המוליקולה NADPH עתירת האנרגייה. ויטמין C יכול למחזר רדיקל ויטמין E, וגלוטתיון מחוזר ( GSH) יכול למחזר רדיקל ויטמין C לתנאי ויטמין C כנוגד חימצון – ביצרו שרשרת של תלות של נוגד חימצון, כמתואר בסכימה הבאה.
 
איור - הגנת נוגדי חימצון על ידי זוג רדוקס (GSH/GSH (Best 2009.

במחקר בעכברים, נמצא, שפגם ביצירת הגלוטתיון גרם להם להיות רגישים מאד לרעלים, ועכברים שניגרם בהם חוסר תורשתי ליצור גלוטתיון, לא חיו יותר מחודש. גלוטתיון נקשר (בקוניוגציה) ל- N-acetyl-p-benzoquinone imine, שהוא מטבוליט של תרופות על בסיס אצטואמינופן, המשככות כאבים ומורידות חום (כגון Tylenol, או Acamol). חולי AIDS, עלולים לסבול נזק חמור לכבד ולכליות, בגלל שימוש רב במשככי כאבים אלה, או אלכוהול, שגורמים לחוסר חמור בגלוטתיון (Herzenberg et ak 1997) . בנטילה מופרזת של משככי כאבים נפוצים אלה, נוצרת הרעלה ממש בתאי הכבד, כי ריכוז הגלוטתיון אינו מספיק לנטרל את הרעל. כשמזוהים מקרים כאלה, מזריקים לחולה
 (N-acetyl-L-cystein (NAC שמשמש ליצירת גלוטתיון (ראה להלן), כדי להגדיל במהירות את ריכוז הגלוטתיון, כדי שינטרל את המטבוליט הרעיל של התרופה משככת הכאבים. דהיינו ה- NAC משמש כאנטידוט באדם שהשתמש במנת יתר של תרופה נגד כאבים כגון זו. ההסבר לכך שגלוטתיון משמש גם כקופקטור ליצירת האנזים גלוטתיון-פראוקסידאז, המנטרל רדיקלים חופשיים. בנוסף לכך, לגלוטתיון יש חלק מסיס במים, המתחבר בכבד לרעלים מסיסים בשומן (מזיהום חיצוני, או כמוצרי בינים בחילוף החומרים), וכך הם מופרשים במיץ המרה (אל המעי), ומסולקים מהגוף בצואה. 

סינדרום עייפות כרונית (CFS), ממנו סובלים אנשים רבים, בולט בעת מחסור בגלוטתיון, כי תירכובת זו מסייעת ליצירת אנרגייה במיטוכונדריות (איברונים תוך תאיים), עוזרת לסילוק רעלים מהגוף, וגם משפרת באופן ניכר את תיפקוד מערכת החיסון. לסינדרום העייפות הכרונית יש גם גורמים נוספים, אולם ברבים מהסובלים מסינדרום זה, ניתגלה זיהום קשה במתכות כבדות ומזהמים אחרים (ראה בסוף), או נמצאו זיהומים, בנגיף הרפס האדם (HHV6), או בנגיף אפשטיין-בר (EBV), נגיף ציטומגלווירוס (CMV), וחיידקים, כולל Mycoplasma, Chlamidia, Diplococcus (הגורם לדלקת הריאות), ו- Borrelia burgdorfii (הגורמת למחלת Lyme). בארץ עדיין לא אובחנה מחלה זו, אולם לא מן הנמנע שחיידק קרוב לו, הגורם בארץ לקדחת המערות (מחלת חום טורדנית), נמצא גם הוא כאן. כנראה שהגלוטתיון מעכב היתרבות מיקרואורגניזמים טפילים אלה בגוף המאכסן, על ידי חיזוק מערכת החיסון, ורק כאשר ריכוזו יורד, הם יכולים להיתרבות ולגרום להופעת המחלה. 

מחקר בעכברים שבוצע ביפן, הראה שריכוז הגלוטתיון בעדשות העיניים יורד עם הגיל, והפגיעה היתה שונה בזנים שונים, לעומת זאת רמת גלוטתיון מחומצן עלתה באופן ניכר עם הגיל, עם שינויים בעיניים, בעיקר ביצירת קטרקט
 (Best 2009). 

כשיורד יצור הגלוטתיון עם הגיל, ניתן ליטול אותו כתוסף מזון דרך הפה, אולם, הגלוטתיון אינו נספג היטב במעי, והעלאת ריכוזו בדם היא בכ- 10% בלבד, כך שיעילותו מפוקפקת. ישנה אפשרות גם ליטול את הגלוטתיון במדבקה דרך העור. זו אמורה להעלות את ריכוזו בדם עד 24 שעות בערך בכ- 300% מהריכוז הרגיל (מכ- 2mM/L עד כ- 7.3mM/L) , אולם, מחיר המדבקות יקר מאד, ומרכיבים מסויימים במדבקה עלולים להיות רעילים, לכן לא מומלץ להשתמש בהן. נשארות עדיין כמה אופציות אחרות (ראה במאמר: ירוק גם מבפנים, באתר זה). בנסיונות בחולדות שעברו ischemic-reperfusion injury שיפר מתן NAC (שניתן לפני או אחרי הפגיעה) את שרידות תאי העצב באיזור 1CA של ההיפוקמפוס (Knuckey et al 1995) הקטנת נזק כזאת, היתה מלווה בהקטנה מובהקת של רמות הומוציסטאין בפלזמה של תאי אנדותליום (Sochman 2002) 

NAC גם עיכב ביטוי של מוליקולות אדהזיה של אנדותליום, ונזק מרדיקלים חופשיים מסוג פראוקסיניטריט, בפגיעה מסוג  . Cuzzocrea et al 2000) ischemic-reperfusion). 

בנסיון בחולדות, הגן NAC, כנגד התפתחות endothelial dysfunction בהיפרגליצמיה בסוכרת (במחקר Pieper et al 1998. NAC) גם הציל תאי עצבים ממוות אפופטוטי (מוות מתוכנן של תאים פגועים) בהיעדר גורמי גידול, על ידי כך שגרם לאקטיבציה של המסלול Ras-Extracellular signal Regulated Kinase (ERK). אפקט זה ניגרם בגלל פעולה ישירה על גורמי טרנקריפציה (שיעתוק – יצירת RNA לפי הרצף של ה- DNA) על ידי הקבוצה התיולית, יותר מאשר אפקטים של נוגד חימצון (Yan et al 1998) 

גלוטתיון מחוזר (GSH), או אפילו NAC או whey (חלבון מי גבינה המכיל ציסטאין), עודדו התפשטות שבטים של תאי מערכת החיסון, שיקמו פעילות תאים הורגים-טבעיים, והישרו מוות מתוכנן (אפופטוזיס) של תאים, התלוי בגן p53 (של המערכת מדכאת הגידולים) ( Best 2009) .

NAC מנע תינגודת לאינסולין הניגרמת בגלל רמות גבוהות של גלוקוז בדם, אפקט, שיוחס לתכונתו כנוגד חימצון (Haber et al 2003) . 

בעכברים טרנסגניים שחסרים חלבון שמקודד על ידי הגן p53 (שמוטציות בו נמצאו בכמחצית מחולי הסרטן), נבלמו הגדלת מספר המוטציות, ואי יציבות כרומוזומים על ידי מתן (NAC (Sablina et al 2005. מתן מנה יומית של 1,200 מ"ג NAC, הוריד באופן ניכר (25% לעומת 79%) את הסימפטומים של שפעת בניבדקים זקנים שסבלו ממחלות שאינן מחלות נשימה (De Flora 1997).

NAC גם הקטינה סימפטומים של חסימה כרונית של הריאות, על ידי עיכוב ישיר של pro-inflammatory transcription factor NF-κB, בנוסף לפעילותו כמאיץ  ה- (GSH   (Dekhuijzen et al 2004. 

ה- NAC גם בלם את הצורה המושרית של האנזים Nitric Oxide (NO) synthetase מלייצר ציטוקינים דלקתיים, על ידי עיכוב הפעלת (NF-κB  ( Best 2009.

רדיקלים חופשיים פועלים על ליפידים ויוצרים פראוקסידים (קשרי −O−O− ) וכתוצאה מכך, נוצרים אפוקסידים מוטגניים, ופיגמנטים של גיל שהם בלתי מסיסים, ובלתי ניתנים לעיכול, כגון lipofuscin. גלוטתיון פראוקסידאז \ גלוטתיון, הורס פראוקסידים ליפידיים באותה דרך שהוא מסלק מימן פראוקסיד, לפי הנוסחא: 

2GSH + ROOH => GSSG + ROH + H2O

נוגדי החימצון האנזימטיים

בתאי הגוף ישנם 3 אנזימים חשובים המטפלים ברדיקל העל-חמצני, ובמימן פראוקסיד: ה- (SuperOxide Dismutase (SOD, ה- glutathione peroxidase, ןה- (CATalase (CAT. ה- סופראוקסיד דיסמוטאז מופיע ב- 3 צורות (ראה לעיל) והוא אנזים שמזרז את הריאקציה של שתי מוליקולות על-חמצן ליצור מימן פראוקסיד וחמצן שלשתי. דהיינו, האנזים מזרז הפיכת שתי מוליקולות זהות, למוליקולות בעלות מצב חימצוני שונה. הגלוטתיון פראוסידאז, מנטרל מימן פראוקסיד על ידי כך שלוקח מימנים משתי מוליקולות GSH (גלוטתיון מחוזר, כמפורט לעיל), כך שנוצרות שתי מוליקולות מים (H2O) ואחת GSSG (גלוטתיון מחומצן), כאשר NADPH משמש מקור למימן. הקאטאלאז (הנמצא בממברנות של איברונים בתא, הניקראים פראוקסיזומים, והוא מזרז הפיכת מימן פראוקסיד למים וחמצן חופשי. בפראוקסיזומים יש גם אנזימים המפרקים חומצות אמינו וחומצות שומניות, ומייצרים מהן מימן פראוקסיד כמוצר לוואי, לפי הסכימה הבאה:

איור - יצירת מימן פראוקסיד על ידי פירוק אנזימטי של חומצות אמינו, וחומצות שומניות

הסופראוקסיד דיסמוטאז ( SOD ) הוא האנזים נוגד החימצון הנפוץ ביותר בגוף החי. בכבד באופן מיוחד יש ריכוז גבוה של SOD. הריכוז התאי של SOD יחסית לפעילות המטבולית, מאפשר הערכה טובה של אריכות הימים במיני החיות השונים. רוב היונקים מוציאים במשך חייהם אנרגיה כ- 200,000 קלוריות לגרם, אולם באדם זה הכי גבוה, כ- 800,000 קלוריות לגרם. באדם יש רמות גבוהות ביותר של האנזים SOD יחסית לקצב חילוף החומרים, יותר מכל המינים שנחקרו. נזק חימצוני ל- DNA גבוה פי 10 בחולדות (כ- 100,000 פגיעות חימצוניות, בממוצע בתא, במשך 24 שעות) מאשר באדם (כ- 10,000 בלבד). מקסימום תוחלת חיים נמצא בקורלציה טובה עם קצב נמוך ביותר של יצירת רדיקלים חופשיים, ושיעור גבוה יותר של תיקון ה-(DNA  (Best 2009.

מוליקולת ה- SOD בציטופלזמה מכילה אטומי נחושת ואבץ (Cu/Zn−SOD), בעוד ה- SOD במיטוכונדריות מכיל מנגן באתר הפעיל (Mn−SOD) בסילוק מימן פראוקסיד, הסופראוקסיד דיסמוטאז, ללא גלוטתיון פראוקסידאז, או קאטאלאז ( CAT ) הוא בעל ערך מוגבל. בחרקים אין גלוטתיון פראוקסידאז, אולם נסיונות בזבוב התסיסה (דרוזופילה) בהם יצרו זבובים טרנסגניים, להם היו גנים נוספים ל- SOD או CAT או לשניהם. הזבובים בעלי גנים נוספים ל- SOD או CAT (אולם לא שניהם) הראו לא יותר מתוספת של 10% לאריכות ימיהם הממוצעת, אולם לא היתה בהם הגדלה של אריכות החיים המקסימלית. אולם בזבובים שלא היו להם גנים נוספים גם ל- SOD וגם ל- CAT, היתה הגדלת אריכות הימים בערך בשליש, בעוד שנמצא בהם פחות נזק חימצוני בחלבונים, וביצועיהם הפיזיקליים היו משופרים (Best 2009) אולם ביקורת שנסיונות אלה בוצעו בזני זבובים שאורך ימיהם קצר, הוביל אחר כך, לנסיונות על זנים שאורך ימיהם גדול יותר, שבהם לא נמצאה הגדלה של אריכות הימים, בהקשר לביטוי יתר של Cu/Zn−SOD, Mn−SOD, קאטאלאז, ו- thioredoxin (במחקר Orr et al 2003 ).


למרות זאת, נסיון לחקות את הניסוי ב- SOD/CAT, גם בתולעים עגולות (נמטודות), הגדיל את משך חייהן בממוצע ב- 44% (Best 2009). הכלאות שארים בפטריית עובש של לחם, הניבו זנים שאריכות ימיהם גדלה יותר מפי 6 מאשר טיפוס הבר – שינוי כנראה ניגרם בגלל הגדלת הביטוי של אנזימים נוגדי חימצון. בנקבות נמצא ביטוי טוב יותר של Mn−SOD, ושל גלוטתיון פראוקסידאז מאשר בזכרים. זה הצביע על הסיבה שנקבות היונקים חיות יותר מאשר הזכרים (Best 2009) . תוחלת חיים מקסימלית נמצאה בעכברים טרנסגניים, יותר מ- 20%, על ידי ביטוי יתר של קאטאלטז של אדם, שכוון למיטוכונדריות (Best 2009). 

קרינה גרמה ליצירת רדיקלי הידרוקסיל, אולם רוב הרדיקלים החופשיים של חמצן הם מוצרי לוואי של חילוף החומרים בתאי הגוף החי – בפרט במיטוכונדריות, בליזוזומים, ובפראוקסיזומים. אחת הסיבות שאורגנלים (איברונים תאיים) אלה מוקפים בממברנות, כנראה להגן על פנים התא מהרדיקלים החפשיים שהם מייצרים. ה- DNA מבודד בחלקו בגרעין התא, כהגנה נוספת כנגד הרדיקלים החופשיים. למרות זאת, רדיקלים חופשיים גורמים את חלקם לנזק ל- DNA, וגורמים בו למוטציות, שברים, וכיוב'. 


הגדלת תוחלת החיים ביונקים

יונקים שמקבלי במזון נוגדי חימצון, הראו תוספת כ- 33% באריכות הימים הממוצעת, אולם, לא באריכות החיים המקסימלית. נוגדי חימצון בעלי ערך הרב ביותר לאדם או לחי המועדים ללקות בסרטן, או נתונים לקרינות או לרעלים כימיים. קיימים מנגנונים הומאוסטטיים מוכחים בתאי הגוף השולטים בכמות של פעילות נוגדת חימצון המותרת. לדוגמא, הגדלת הרמה של ויטמין E בתזונה, נמצאת בקורליציה עם רמות מוקטנות של פעילות גלוטתיון פראוקסידאז, וכן ההיפך. ויטמין E היגדיל רמת קאטאלאז בזבובי תסיסה שגדלו על בננות, כאשר מנות מוגדלות של הויטמין האריכו תוחלת חיים עד למנה של 5 מק"ג\מ"ל, שמעל לה מנות הולכות וגדלות, הקטינו תוחלת חיים (Best 2009) .


מנגנוני תיקון ה- DNA 

תהליכי התיקון נילמדו רק לגבי חלק קטן ממיגגון המודיפיקציות שעוברים הבסיסים. גם לגבי אלה עדיין יש שאלות בסיסיות שלא ניתן עליהן מענה. סילוק מקומות פגועי חימצון ב- DNA חשוב להגבלת המוטגניות, והציטוטוקסיות לתאים, וברוב המקרים פגיעות אלו נתונות לחפיפה של מנגנוני תיקון מרובים. כפילות זו מכניסה יסוד של אבטחה מפני שגיאות, בתיקון ה- DNA, כך שהחלשה או סילוק תהליך תיקון אחד, לא מונעים תיקון של מקום פגיעה מסויים. בסיסי DNA פגועי חימצון מוצאים בשני אופנים:

  1. (BER (base excision repair, הכולל סילוק מקומות של פגיעה יחידה, על ידי פעולת גליקוזילאז. 
  2. ובתהליך מורכב יותר-  Nucleotide Excision Repair) NER), הכולל סילוק קטע של כמה נוקלאוטידים הכולל מקום פגוע.
 זיהוי המוצרים של תהליכים אלה חשוב, היות וגילויים בנוזלים חוץ תאיים, יכול להצביע על מסלול(י) התיקון הפועלים לתיקון פגיעה מסויימת. כמובן, בשלבים מוקדמים אלה, גילוי פעילויות שמניחים שהן של תיקון, נישענות על אנליזה של שיחרור בסיס מחומצן או מוצרים מדאוקסינוקלאוזיד שמקורם או בתאים שעברו דחק חימצוני או של הדגרה של DNA שניפגע מחימצון, עם ליזאטים (תוכן תאים שהממברנות שלהם פורקו). אומנם זוהו תהליכי תיקון לגבי כמה מהפגיעות בתאי אדם, רבים מתהליכים אלה עדיין לא הובהרו. 


תיקון פגיעות חימצון בבסיסים פורינים ב- DNA 

תיקון , בהקשרים מוליקולריים רבים, כגון ב- DNA,ויותר מאוחר ב- RNA, עוררו עיניין למחקר. למרות שמנגנוני התיקון העיקריים ניתגלו, עדיין יש פערים רציניים בספרות, בפרט במחקרים המפרטים תהליכי תיקון שאינם גליקוליטיים. נמצא שתאי יונקים מתמודדים עם הופעת באירוע הבלתי סביר בכך שסילוקי המקומות הפגועים מה- DNA, או ממאגר דאוקסינוקלאוטידים הם משניים לפונקציה שעדיין בלתי ידועה. זה עשוי להצביע על כך שה- , מייצג איום אמיתי לשלמות הגנום. יצירת , במקום מסויים, גורמת ליצירת זיווג עם ציטוזין ( )שהוא עכשיו סובסטרט לחלבון שאופיין כבר היטב, ה- OGG1 (),  (במחקר Boiteux and Radicella 2000), וכפי שהשם מרמז, משחרר , באמצעות מנגנון גליקוליטי, מסובסטרטים דו-גדיליים, המיסתמכים על שיירי Lys פנימיים. גליקוזילאז אחר הפועל על , הוא ה- OGG2, שגם הוא מתקן פגיעה זו, אבל באמצעות OGG1 השונה מבחינה אנטיגנית, דהיינו חלבון אחר, ובאופן מועדף, מסלק מזה המזווג עם אדנין, כ-. זיווג כזה עלול לקרות על ידי הכנסה מוטעית של  לתוך DNA בעת יצירתו. 

זוהי דרך אחת לטיפול ב- , שזווג בטעות לתוך ה- DNA. שני אנזימים אחרים, (MutY Homologue (MYH וה - (MutT Homologue 1 (MTH1 עשויים להיות מעורבים גם כן. האנזים ראשון מסלק את את הבסיס אדנין, שזווג בטעות ממול ל-. זה מתקבל או מהכנסה מוטעית של ממול לאדנין בגדיל התבנית, או מהכנסה מוטעית של dATP ממול . שלא תוקן, בגדיל התבנית, שכוון בתוך סינתיזת ה- DNA. סילוק אדנין שזווג בטעות , מאפשר שיותר יוחלף על ידי ציטוזין, כשזה מציע ל- OGG1 היזדמנות נוספת לתקן את מקום הפגיעה. סילוק בלתי מסודר של אדנין מגדיל את התבנית, ויכנסו מוטציות, לכן, דרוש סילוק אדנין שהוכנס בטעות. הכרה מועדפת של מקום פגוע בזוגות מוטעים  על ידי רכיבים של מערכת תיקון זיווגים מוטעים ב- DNA ,  MutSa (סימון: MSH2-MSH6 heterodimer). הגברת פעילות MYH על ידי האחרון, ופעילות גומלין ביניהם, ושיגשוג אנטיגן של גרעין התא (PCNA), מאפשרים יותר הבנה כיצד מתכוונת פעילות ה- MYH לגדיל התבנית במוקדי הרפליקציה של ה- DNA. בניגוד לכך, ה- MTH1, פועל בשלב מוקדם, כדי לעכב הכנסה מוטעית של  לתוך ה- DNA, על ידי פירוק של , ל-  ופירופוספט. התירכובת הראשונה מתפרקת לבסוף ל-

, לקראת הפרשתה מהגוף. בדרך זו נוצר לכיוון כגון שתן, כמוצר המשוייך לתיקון DNA. אולם יש רק מעט הוכחות לכך ש- , נוצר בתיקון DNA, דהיינו, משתחרר מהדאוקסינוקלאוזיד, יותר מאשר הבסיס, מה- DNA. רק מחקר אחד מרמז באופן בלתי ישיר, ליצירתו כמוצר של תיקון. זה מביא למיקוד השאלה, מהיכן מגיע ה-  לדם ולשתן, האם מתיקון ה- DNA, ממרכיבי המזון, או ממות תאים. זה עד היום לא ברור. 

התגלית האחרונה של שתי DNA-גליקוזילאזות חדשות, מהן אחת היא (Nei-like glycosylase 1 (NEIL1, שבאופן מועדף מסירה מזיווגים מוטעים עם גואנין, ואדנין, עשוייה להצביע עדיין על נתיב אחר, בו פגיעה בה יש בסיס שהוכנס בטעות, מסולק מה- DNA, במסלול תיקון שצמוד לטרנסקריפציה (שיעתוק = סינתיזת RNA לפי ה- DNA), או לרפליקציה (הכפלת ה- DNA). 

שלא כחלבוני OGG, המישתמשים שיירי ליזיל פנימיים חיוניים לפעולת הגליקוזילאז, ה-1NEIL משתמש בשייר פרוליל הנמצא בקצה האמינו שלו באופן דומה לזה שנמצא בשימוש בחיידקים בחלבונים MutM (חלבון FPG ), או Nei. בניגוד ל- , התיקון של ה- , עדיין כמעט שלא מובן. למרות שעל פגיעה זו דווח שהיא פחות מוטגנית (פי 3-4 ) מאשר  , כאשר ניקבע במערכת תאי יונקים, נימצא שהיא מטרה פוטנציאלית לתיקון. כנראה, ה- OGG1 מסלק , מזוגות בסיסים שהם בזיווג מוטעה  ,וזה גורם להכנסה מוטעית של, ל- DNA ביצירתו. למרות שפעילות OGG1 בהקשר זה עדיין לא ברורה, לא ניראה ש-  משתחרר כמוצר תיקון של DNA בתאים בתרבית שסובלים מדחק חימצוני, לפחות, זה מצביע על פעולת הגליקוזילאז בפגיעה זו. באופן דומה ל- , יכול ה- MTH1 גם לפרק  , כדי להגביל הכנסה מוטעית לתוך ה- DNA. מחקר חדיש הראה שחלבון (סימון Cockayne syndrome B (CSB, חשוב לתיקון של , אולם חשיבות זו, לא מתרחבת לסילוק גליקוליטי של הפגיעה על ידי חלבון CSB, כי פעילות זו לא ידועה לגבי חלבון זה. הפעילות של גליקוזילאז, או אחרת, לגבי  עדיין בלתי ידועה. אירועי פגיעה כגון , כנראה די מעטים (1/107 מנוקלאוטידים נורמליים). התיקון של פגיעה כזאת שקרה במקום (דהיינו כזיווג  , עדיין לא דווח. אולם יש סימנים שיתכן שקורים מניעה, או תיקון של הכנסה מוטעית של  עלולה לקרות. לדוגמא, MYH יכול לסלק, מזוג מוטעה עם גואנין, וה- MTH1 יכול להישתמש ב-  כסובסטרט. מוצרי פירוק של טבעת פורינית שניגזרים מתקיפה חימצונית של בסיסי DNA, גואנין או אדנין, ליצור formamidopyrimidines, הינן פגיעות חשובות שעלולות לבלוט בתנאי חיזור. ה- FapyAde, וה- FapyGua, משמשים כסובסטרטים ל-NTH1 (או בשמו המלא Nth or endonuclease III homologue) , המתקן מוצרי חימצון רבים שניגזרו מפירימידין על ידי פעילות גליקוזילאז. ה- FapyGua, מתוקן על ידי OGG1. שני סוגי הפגיעות דווחו כמשמשים כסובסטרטים עיקריים ל- NEIL1, אשר ניראים כמתאימים כסובסטרט מועדף ל- formamidopyrimidine glycosylase (חלבון FPG ) חיידקי הומולוגי. ה- cyclo-dA ההוא משמש סובסטרט ל- NER, שמקושר זה מכבר עם התיקון של רדיקלי קירוב גדולים המעוותים את הסליל הכפול של ה- DNA, זה כנראה לא צפוי. פגיעות אלו נוצרות ב- , ו- . של צורות diasteromeric, בהיקף שונה, אולם גם נימצא ש- , מתוקן ביתר יעילות על ידי NER מה-  diastereoisomer. אמנם עדיין לא הודגם נסיונית, ניראה ש- cyclo-dG , יכול גם הוא לשמש סובסטרט ל- NER. יש גם הוכחה לתיקון של פגיעות חימצון פחות גדולות, כגון ה-  ו- Tg, על ידי NER. תהליך זה יתכן מבחינה פיזיולוגית: הוצאת  על ידי NER, במיצויים של תאים (cell-free extracts), ושימוש ב סובסטרט שהוא DNA דו גדילי, קרה בקצב שניתן להשוואה לאלה של cyclobutane thymine dimers, שזה סובסטרט קלסי של NER. זה כנראה משליך על טווח רחב בהרבה של סובסטרטים למסלול תיקון זה, מאשר נחזה במקורו. אולם, במצב בו יש תחרות חופשית על הסובסטרט בין BER ו- NER, מותרת לקרות, טלאי BER קצרים מהווים את רוב תיקוני  בתרביות תאי אדם, עם התיזכורת, שבגלל טלאי BER ארוכים, וכל יתר תרומה עלנ ידי NER דווחה כזניחה. אם NER מהווה מסלול תיקון שולי ל-  בכל התנאים, הוא מסופק, הוא יכול לפעול בעדיפות בכמה טיפוסי תאים, ובתנאים מיוחדים, כנראה כאשר מתפשרים על מנגנונים אחרים. נראה הגיוני, אולם פגיעות אלו כגון  ו- Tg שהם ציטוטוקסיים פוטנציאליים, או מוטגניים, חייבים להיות סוסטרטים למסלולים מרובים של תיקון ה- DNA. מה שבטוח, זה שהמוצרים הפוטנציאליים של NER מנזק חימצוני ל- DNA, יהיו אוליגומרים מכילי פגיעה, באורך של כ- 24-32 נוקלאוטידים, עם אלה שנוצרו עבור פגיעות חימצוניות קטנות ב- DNA, בקצה הנמוך של טווח זה. אוליגומרים אלה, עלולים באופן פוטנציאלי, לעבור עיכול פנימי \ חיצוני, אקסונוקלאוליטי 3'-5', ליצור בסופו של דבר אוליגומרים הכוללים פגיעה, באורך 6-7 נוקלאוטידים. תהליך זה של חיתוך חיצוני מאוחר, לא נמצא לגבי אוליגומרים שכללו , למרות שהוכחה מסויימת מרמזת, שאוליגומרים הכוללים  כנראה נמצאו בשתן, אולם אם הם משליכים על פעילות NER זה עדיין בויכוח. 

תיקון הצמוד לטרנסקריפציה (TCR), מכוון תהליכי תיקון לאיזורים פעילי טרנסקריפציה של הגנום, ועשוי לתפקד בסילוק פגיעות חימצוניות קטנות של בסיסי ה- DNA, כגון ב-  ו- Tg. כללית, TCR מנצל את היכולת של פגיעות DNA מסויימות, כדי לעצור את מהלך ה- RNA polymerase II, למרות שה- TCR משתמש בכמה מאותם חלבונים כמו NER, כדי למלא את הפונקציה שלו, ה- TCR אינו תת-מסלול של NER , כי האופי של הפגיעה מכתיב את תהליך התיקון למעשה. התפקיד המדוייק של TCR בתיקון הנזק החימצוני ל- DNA, עלול להיות תלוי במערכת הניסויית בה משתמשים לבחון את התופעה. אולם, נראה שכיוון התיקון של ה- DNA, הוא לאיזורים של הגנום, הפעילים בטרנסקריפציה, יהיה נבון להניח שזה המצב בפגיעות חימצון ב-DNA, כמו בכל טיפוס אחר של פגיעה ב- DNA.


תיקון פגיעות בפירימידינים ב- DNA 

כמה מסלולי תיקון של פגיעות חימצון ב- DNA, שניגזרו מפירימידינים, נבדקו לפירטיהם, בגישה או השוואה לזה של . אנזים חשוב בתיקון פגיעות אלו הוא NTH1. מחקרים הראו שה- NTH1  פועל על טווח רחב של סובסטרטים, שכמה מהם ניזכרו לעיל. כמובן Tg, הוא סובסטרט חשוב ל-NTH1. בגלל של- Tg יש תכונות שבאופן פוטנציאלי עלולות לגרום לעיוות הסליל הכפול של ה- DNA, נחשב ה- Tg כמושפע מה- NER, והתיקון שלו ניבחן בהקשר זה. כמו שהיה עם 8-OH-, מחקר מאוחר יותר הצביע על כך, ש- 80% מה- Tg מסולק על ידי BER של טלאי קצר, והנותר, על ידי BER של טלאי ארוך, כנראה NER של Tg, אם הוא קורה, הוא זניח, או עלול שוב לתפקד כגיבוי לתהליך התיקון. ה- thymine glycol, דווח גם שהוא סובסטרט לחלבון שתואר לאחרונה NEIL1, פעילות שבעיקר ניתגלתה על ידי היכולת של Nth1, בעכברים בהם היה חסר האנזים המתקן פגיעה זו, בהיעדר NTH1. מוצר חימצון אחר שגם הוא ניגזר מתימין, הוא  ,שהוא סובסטרט ל- NTH1, וכנראה גם NEIL1, למרות שהמימצא האחרון, עדיין לא אושר במחקר נוסף. סובסטרטים נוספים ל- NTH1 הניגזרים מחימצון ציטוזין הם   (המתוקן באופן מועדף כאשר מזווג ממול גואנין) וכן ה-  . הפגיעה הראשונה דווחה, שהיא מתוקנת על ידי NEIL2. תיקון הפירימידינים המחומצנים נישלט עד לאחרונה על ידי NTH1, אולם, גילוי 3 חלבונים דמויי NEIL  (בסימון NEIL1-3) מצביע על אלמנט של כפילות בתיקון הפירימידינים, הדומה לזה שניתקלים בו בפורינים מחומצנים. רעיון זה של קיום גיבוי מסלולי תיקון ה- DNA, בא בחלקו מנוכחות מנגנוני תיקון לפגיעות מיוחדות גם בהיעדר האנזים הנחשב שולט כפי שנמצא בעכברים בהם היה חסר אנזים זה  (במחקר Takao et al 2002). למרות שהספציפיות של ה- NEIL1 ו- NEIL2, נחקרו יותר, עדיין לא הוגדרו במלואן הספציפיות שלהם לגבי סובסטרטים, וההעדפה של חלבונים אלה. דאמינציה של  נותנת  ב- DNA , דווחה כסובסטרט עיקרי ל- NEIL2, כאשר הזיווג  , משמש כסובסטרט מועדף שלו. בניגוד לכך, כנראה האנזים המעורב בהסרת פגיעה של הכנסת בסיס מוטעית. לכן NEIL1, ו- NEIL2 כנראה פועלים בשיתוף פעולה כדי להגביל הישארות  בגנום, באופן דומה לפעולות של OGG1, ו- OGG2. בניגוד לפגיעות חימצון רבות שהושרו ב- DNA, שיכלו להשפיע על הרצפים המקודדים, מבנה ה- DNA, פעילות RNA-פולימראז, , כפי הנראה, יש להם השפעה מועטת ביחס לפונקציות מיוחדות אלו. ה-  ידוע כבר כמה שנים כמתקן פגיעה זו ב- DNA חד או דו גדילי, באורגניזמים גבוהים, במיוחד באלה שמשתמשים ב-   ברגולציה של ביטוי גנים. התיקון של זוגות בסיסים , הוא השולט בתאי יונקים, וזה מראה ש-  הוא מקור עיקרי לפגיעה זו יותר מאשר דרך חימצון התימין. כנראה שהקודם לפגיעה זו הוא ה-  שגם הוא דווח ככזה שתוקן על ידי פעילות של גליקוזילאז אחר. הזהות של ה-  5-OHMUra DNA glycosylase נבדקה לאחרונה מחדש: במקרה אחד, האנזים נמצא זהה לזה שאופיין לאחרונה,  , ומחקר אחר לא הצליח לאשש זהות זאת, למרות שהחלבון בודד משני מקורות שונים. דיאמינציה של ציטוזין לאוראציל, זה שלב קדם-סרטני חשוב ב- DNA, עם הפוטנציאל ליצור מוטציות מעבר G:C3T:A, אם לא תוקנו לפני רפליקציה של ה- DNA. ה- אוראציל, כמו פגיעות חימצוניות אחרות, עלול להיווצר מדיאמינציה מקומית של ציטוזין, וליצור זיווג U:G, או בטעות להיות מוכנס על ידי DNA-פולימראז לתוך רצף ה- DNA, ממול אדנין, על ידי שימוש ב- dUTP. לתסריט האחרון ניגשים דרך פעילות dUTPase, שביטוייה\פעילותה עוברת מודולציה בהתאמה למחזור חיי התא, ומצב השיגשוג של הרקמות. אחת מהגליקוזילאזות המוקדמות של DNA, זוהתה כמסירה אוראציל,  . על ה- UNG דווח שמתקנת כמה מוצרי חימצון של ציטוזין, כגון,  . חוסר מוטנט פנוטיפ בעכברי -/-ung גרם לחשוב שזה גם כן מסלול תיקון גיבוי לאוראציל ב- DNA. שני מחקרים, אחד שהתבסס על מודל עכברי -/-ung , זיהה אנזים סלקטיבי ל-DNA חד גדילי, מונופונקציונלי   כגלוקוזילאז שני. מחקרים מאוחרים יותר, הראו שה- UNG הוא כנראה גליקוזילאז, שמוריד אוראציל שהוכנס בטעות, וציטוזין שעבר דיאמינציה, ב- DNA חד ודו גדילי, באופן מיוחד בגרעין התא. בניגוד לכך, ל- SMUG1 עלול להיות תפקיד גדול יותר בהורדה של
 מזיווגים עם גואנין או עם אדנין. בעוד המאזן העדין בין מודיפיקציות של בסיסי ה- DNA על ידי ה- ROS לבין התיקון שלהן (ראה טבלא 1) זה מובן שיש לקבוע את הרמה הכללית של הנזק, תהליכים אלה צריכים להיות מתורגמים בהקשר התאי, כדי למסד את הבסיס לפיו נזק חימצוני ל- DNA מייצג פוטנציאל לנזק in vivo. זוהו כבר כמה תהליכים, שאינם כלולים בחילוף החומרים הנורמלי, ואותם יש לקחת בחשבון לגבי רמות גבוהות יותר של ROS בתוך התאים, ונזק חימצוני ל-DNA. 


 

 תיקון DNA מופסק או פגום 

רמות הבסיסים המחומצנים ב- DNA הן תוצאה של מאזן בין תהליכי השראת פגיעה מרדיקלים, והתיקון. ברור שתיקון מופחת, יתבטא בהעלאת הפגיעות, ובהגדלת הסיכון להתפתחות חולי. לפיכך, היכולת לתקן DNA, נראית כסמן פוטנציאלי לרגישות לסרטן. 

יש הוכחות המצביעות על כך שחשיפת תאים ל- H2O2, וכנראה גם למחמצנים אחרים, עלול למעעשה, לדכא תיקון DNA, בנוסף להשראת הנזק. כאמצעי חשוב המשתמע מזה ש-   מסולק מה-DNA, לגליקוזילאז OGG1 של האדם (hOGG1), יש תפקיד עיקרי במניעת סירטון המושרה על ידי ROS. לכן, אינאקטיבציה של הגן hOGG1, יכול להגדיל את הסבירות להתמרה סרטנית. מיפוי הגן hOGG1, בכרומוזום 3p25, וזיהוי הכרומוזום 3p, כאתר תדיר ל- LOH (הטרוזיגוטיות), או בחוסרים בסרטני ריאה או כלייה, הראו לחוקרים שיש לחקור מוטציות ב- hOGG1, ובפעילותו \ ביטויו בגידולים. למרות שרמות ה- mRNA של hOGG1 היו נורמליות בכל הגידולים שנבדקו, אנליזות רצף ה- DNA, גילו שב- 3 עד 40 גידולים היו מוטציות הומוזיגוטיות, שכולן, התבטאו גם בשינויים ברצף חומצות האמינו בחלבון ה- hOGG1. היות ובמחקר זה (1998 Chevillard et al) לא בדקו אם מוטציות אליו גרמו לשינויים פונקציונליים בפעילות האנזים, בדקו קוהנו עמיתיו ומצאו שם פולימורפיזם גנטי (1998 , Kohno et al ) בקודון 326 בגן hOGG1, שהוביל להבחנת הפעילויות בין הצורות האיזופורמיות. החוקרים מניחים ששוני תוך אינדיבידואלי בתיקון ה- , נובעים כנראה מגנוטיפוס hOGG1 פולימורפי. הנחה זו ניתמכת בדו"ח על פולימורפיזם וחיתוך הגן hOGG1 בדרך אלטרנטיבית, שנמצא בקרצינומה של תאים בהירים בכליית אדם, שבחלקם גרמה להופעת צורה מוחלשת או בלתי פעילה של חלבון (hOGG1 (Audebert et al 2000. אולם השוואת הגנוטיפוס hOGG1 ורמות  שנימצאו ב- 34 דגימות סרטן ריאות, לא הצליחו להראות ששוני פולימורפי זה היה יכול להשפיע על ריכוז  הריקמתי, מימצא שדמה לזה שדווח יותר מאוחר (2001 Hanaoka et al) בבדיקת תאי סרטן הקיבה. מימצאים אלה עשויים להסביר את הבעיות המתודולוגיות שעלולות להגביל מדידה עדינה של רדיקלי קירבה ו\או שה- hOGG1 אינו המסלול היחיד לסילוק. הואיל והפולימורפיזם בגנים לתיקון DNA גורם לסינתוז של הבדלים פנוטיפיים מורכבים בין האיזופורמים, פגמים במסלולי NER יכולים להשפיע באופן בולט כפי שניתגלה בחולאים: xeroderma pigmentosum, Cockayne syndrome, trichothiodystrophy. מהם הראשון לפחות, קשור בנטייה ללקות בסרטן עור (de Boer and Hoeijmakers 2000) . כמובן, ירידה בביטוי כמה מהגנים NER, נראית קשורה בהגדלת הסיכון לסרטן ריאות, (Cheng et al 2000) , וחלק מהפולימורפיזם של הגנים NER מתייחס לעלייה ברדיקלי קירבה(Duell et al 2000) . המעורבות של ה- NER בסילוק נזק חימצוני ב- DNA ממוסדת, אולם, כמו בתיקון על ידי הוצאת בסיסים, האפקט של הפולימורפיזם של NER על רמות הפגיעה החימצונית, והסיכון לחלות נשאר בלתי ברור. 


הירידה בקיבולת נוגדי חימצון 

ירידת הפעילויות של האנזימים נוגדי החימצון, קאטאלאז, גלוטתיון פראוקסידאז, וסופראוקסיד דיסמוטאז, עם עליית הרמות של נזקי חימצון ל- DNA, דווחו בהקשר למחלות כגון לאוקמיה לימפובלסטית חריפה (ALL ), ונראות כמסכימות עם דיווח אחר (Honda et al 2000), לפיו נמצאו בשתן חולי לאוקמיה, רמות גבוהות יותר של . האפקט של רמות נמוכות יותר של נוגדי חימצון על הנזק החימצוני ל- DNA בגוף החי הודגם לראשונה במחקר בו רמות ויטמין C ב- 10 מתנדבים, היו מרוקנות, או בתוספות. הוא הוכיח שהפחתת מתן ויטמין C, מ- 250mg/day , עד ל-  5mg/day , גרמה לעלייה תואמת של 50% ברמות  ב- DNA, בתאי זרע.  (  ), למרות שחוסר מתמשך גרם לעליית 248%. תוספת 250mg/day במשך 28 ימים, גרם לרק 36% הפחתה ברמות . תיכנון מחקר דומה, באותה קבוצה, הראה עלייה ברמות של בזרע, למרות שלדילדול ויטמין C לא היתה השפעה על כמות , בתאי PBMC, או  בשתן. החוקרים לא יכלו להסביר את אי ההתאמה בין שני הסוגים של התאים, למרות שזה יכול להישתקף בהבדל בין הדרישות של התאים לויטמין C. מימצא כזה, מבהיר את הצורך במדידות פונדקאיות, דהיינו למדוד בתא מטיפוס אחד, כגון PBMC, ולבצע אקסטראפולציה לגבי תא מטרה אחר, פחות נגיש (Griffiths et al 2002). אתר על כרומוזום 3p שנתון תכופות לאיבוד הטרוזיגוטיות (LOH) הוא גן הגלוטתיון פראוקסידאז (GPX1), המקודד לחלבון הצד פראוקסיד. בתאים של סרטני ריאות עם LOH בתוך ה- GPX1, פעילות האנזים היתה קטנה יותר, למרות שזה לא היה בקורלציה עם רמת ה-  בריקמה. זאת כנראה, בגלל נוכחות מערכות הגנה אחרות של נוגדי חימצון שעשויות לפצות, מצב דומה לזה שתואר לעיל, עבור תיקון . סקר שפורסם לאחרונה גילה נוכחות מספר ניכר של מקרי פולימורפיזם בגנים המקודדים לאנזימים נוגדי חימצון, שהשפעותיהם על הפנוטיפוס נמצאות החל מחוסר אפקט על פעילות האנזים, עד לחוסר מלא של מוצר הגן. מסקר זה, ברור, שכגורם יחיד המשפיע על דחק חימצוני, לפולימורפיזם בגנים של ההגנה נוגדת החימצון יש פוטנציאל למלא תפקיד ניכר בסיכון להתפתחות חולאים  (Forsberg et al 2001 ). 

 

ההשפעה התאית על נזק חימצוני ל- DNA 

נוכחות בסיסים מחומצנים ב- DNA, כבר מוסדה היטב, ומספר הפגיעות שזוהו, הולך ועולה. תוארו אפקטים רבים של בסיסים אלה על רפליקציה (הכפלת ה- DNA), ועל טרנסקריפציה (שיעתוק, יצירת mRNA לפי רצף ה- DNA). כמה גורמים משפיעים על אפקטים של פגיעות מסוימות על הרפליקציה והטרנסקריפציה. לא מפתיע שה- נחקר יותר מאחרים, ובמקרים רבים מובא כדוגמא לאופן בו פגיעות חימצוניות מפעילות את האפקטים שלהן. 

 

האם הפגיעה נוצרה במקום, או הוכנסה ל- DNA ? 

פגיעות חימצוניות רבות של בסיסי DNA, הן מוטגניות, ללא קשר אם נוצרו במקום,או נתקבלו מהמאגר של דאוקסינוקלאוטידים (בסיסי DNA), שהוכנסו ל- DNA. ברובן,  שנוצר במקום, גורם להתמרות G3T, או באופן אחר, עלול להיות מוכנס בטעות ממול dA, שיוצר התמרה (A3C (Cheng et al 1992. אולם, הסבירות היא, שהצורה הטבעית, או ב- DNA, או במאגר הדאוקסינוקלאוטידים, תתחמצן ותשפיע איזה מוטציות ישלטו בסוף. לדוגמא, היות וה- dATP בתוך מאגר הנוקלאוטידים, מתחמצנים פי 67 יותר בקלות מה- dA, הנמצא במקומו בתוך ה- DNA הדו גדילי, יתכן שרוב ה- ב- DNA, נוצר מהכנסה מוטעית של 


שינויי סידור ב- DNA 

לפגיעות חימצון המשרות שינויי סידור ב- DNA, בנוסף לשינויי המבנה, לבסיס הטבעי עצמו, קיים פוטנציאל להגביר מוטגניות. מבהיר זאת החימצון של dG, ל-, ב- DNA. האנטי-סידור של dG נישמר, אולם כאשר נוצרים קטעים בהם גדילי ה- DNA מופרדים, והוא נעשה חד גדילי, אם ברפליקציה או בטרנסקריפציה, ה-  יכול אז לאמץ לו צורת syn, שהיא יותר מתאימה מבחינה אנרגטית. זה מונע זיווג עם dC, וניגמר בזיווג מוטעה עם dA או עם T. 

הזמינות לתיקון ה- DNA גורם המשפיע יותר על המוטגניות או חוץ מזה, של פגיעה, הוא הקלות בה הפגיעה מתוקנת. יותר ויותר מסתבר, שלאנזימי התיקון, יש העדפה לפגיעה מיוחדת: זוגות טבעיים של הבסיסים (GC, או AT). בתאי יונקים בתרבית, זוג הבסיסים , מתוקן ביעילות (על ידי OGG1) בעוד הזוג  מתוקן אך מעט, למרות המנגנונים שמוסדו, כדי להסביר זיווג מוטעה זה.


הזמינות לתיקון ה- DNA 

גורם המשפיע יותר על המוטגניות או חוץ מזה, של פגיעה, הוא הקלות בה הפגיעה מתוקנת. יותר ויותר מסתבר, שלאנזימי התיקון, יש העדפה לפגיעה מיוחדת: זוגות טבעיים של הבסיסים (GC, או AT). בתאי יונקים בתרבית, זוג הבסיסים , מתוקן ביעילות (על ידי OGG1) בעוד הזוג  מתוקן אך מעט, למרות המנגנונים שמוסדו, כדי להסביר זיווג מוטעה זה. 

איור - החלבונים העיקריים המשתתפים בתיקון נזקי חימצון ב- DNA, ומסלולי התיקון החשובים


השפעת שורה של התאים והפולימראז על תיקון ה- DNA. 

בניסויים במבחנה, הושפעה המוטגניות גם על ידי שורת התאים בה הישתמשו, או הפולימראז שניבחר במערכת המודל. הנקודה הראשונה מודגמת היטב על ידי. למרות שהמוטגניות של בתאי חיידקים תוארה כזניחה, בתאי מכרסמים ה- polα, ו- polβ, יכולים שניהם להכניס לזיווג מוטעה dATP, ו- dGTP, ממול . הנקודה האחרונה מודגמת גם על ידי oxazolone, שהוא המוצר העיקרי של חימצון גואנין על ידי אלקטרון אחד, והידרוקסיל רדיקל. בעוד הכנסת dAMP על ידי Klenow fragment exo- ו- Taq polymerase קורית ממול oxazolone (גואנין מחומצן), באופן פוטנציאלי ליצירת היפוך G→T, ה- polβ, לא הצליח להכניס שום נוקלאוטיד שגורם לסיום

(Duarte et al 2000). אפקטים אלה של פגיעות רבות, לא נחקרו בתאי יונקים, בהתבסס על כך שהפולימראזות השונות מגיבות באופן שונה לפגיעות שונות, הספקטרום או התדירות של המוטציות יכולים ליגרום לשינויים שניצפו בין תאי חיידקים לתאי יונקים. 


השפעת רצף הבסיסים על יצירת המוטציות 

ה- formamidopyrimidines הם המוצרים העיקריים של תקיפת ה- DNA על ידי רדיקל ההידרוקסיל. למרות שרק מעט ידוע עדיין על המשמעות הביולוגית, שלמרות שעוכבו בתדירות קטנה יותר על ידי פורינים מחומצנים, מאשר על ידי פירימידינים מחומצנים, סינתיזת ה- DNA על ידי פולימראזות פרוקריוטיות (של חיידקים) עברו סיום הן על ידי FapyAde והן על ידי FapyGua  (במחקר Graziewicz et al 2000). אולם אפקט זה היה מתון בלבד, ותלוי ברצף. במבט כללי, נראה שפגיעות DNA תוארו הכי טוב כמוטגניות חלשות, לדוגמא, , גרם לתדירות מוטציות של 2.5 עד 4.8% בתאי יונקים, למרות שיצירת פגיעות, מישכן, והיצטברותן בתאי הגוף החי יוכלו לתת לערך זה משמעות יותר גדולה. כמובן, אירועי חימצון, דווחו כאחראים בעיקר למוטגנזה ספונטנית. אולם מוטציות אינן האפקט היחידי של נזק חימצוני ל- DNA. 


Comments