11.2014 – „Odżywianie prozdrowotne. Cz. I. Wolne rodniki tlenowe a metabolizm komórkowy.”

"Niech pokarm będzie twoim lekiem,

a lekarstwo twoim pokarmem"
Hipokrates  (460-370 p.n.e.)

    „Zdrowie” według definicji Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) rozumie się jako subiektywnie odczuwaną pełnię sprawności fizycznej, psychicznej i społecznej w wyniku odpowiedniego przystosowania się do warunków środowiska. Rozumiane w ten sposób zdrowie jest warunkowane m.in. prawidłowym składem biochemicznym oraz harmonią i równowagą zarówno środowiska wewnętrznego organizmu jak i otaczającego go środowiska zewnętrznego. Środowisko wewnętrzne jest w swym składzie i przebiegu reakcji w zasadniczy sposób modelowane przez otaczające człowieka środowisko zewnętrzne. Każdy z podstawowych komponentów otaczającego środowiska, a więc zarówno gleba, woda, powietrze jak i rośliny, zwierzęta czy ludzie, zapewnia bezpośrednio lub pośrednio wspomnianą sprawność psychiczną, fizyczną i społeczną człowieka, a więc to, co nazywamy zdrowiem.

    W środowisku wewnętrznym organizmu człowieka toczą się nieprzerwanie podstawowe dla zdrowia biochemiczne procesy wzrostu, namnażania oraz kształtowania czynności poszczególnych komórek, tkanek i narządów, jak również mechanizmy osobniczej obronności i immunologicznej reaktywności organizmu. Aby reakcje te mogły zachodzić, niezbędne jest dostarczanie organizmowi energii, która pochodzi z przetwarzania tlenu. Naturalną konsekwencją metabolizmu tlenowego i komórkowych reakcji chemicznych jest powstawanie wolnych rodników tlenowych. Wolne rodniki tlenowe to związki tlenowe zawierające niesparowany elektron. Reaktywne formy tlenu (RFT) to pojęcie szersze niż wolne rodniki tlenowe. Obejmuje ono także wzbudzony tlen singletowy i nadtlenek wodoru.

 

 

   W warunkach homeostazy RFT uwalniane w ilościach bezpiecznych, odgrywają ważną rolę w wielu procesach komórkowych. Są one między innymi mediatorami i regulatorami metabolizmu, indukują apoptozę, stymulują transport glukozy do komórek, serotoniny do płytek krwi, wpływają na przekazywanie sygnałów do komórek i wewnątrz komórek, regulują ekspresję genów, aktywują białka kierujące podziałami komórkowymi oraz biorą udział w procesach obronnych organizmu. Z biologicznego punktu widzenia najbardziej reaktywnymi formami tlenu są:

 

 

• wolne rodniki tlenowe (WRT): anionorodnik ponadtlenkowy, rodnik hydroksylowy, rodnik wodoronadtlenkowy, rodnik nadtlenkowy, rodnik alkoksylowy;
• związki niebędące wolnymi rodnikami: nadtlenek wodoru H2O2, kwas podchlorawy (HOCl), kwas podbromawy (HOBr).

 

 

    Głównymi przekaźnikami informacji są jon ponadtlenkowy oraz nadtlenek wodoru. Cechuje je mała reaktywność, selektywność oraz stała dostępność w komórce. Pełnią one funkcję przekaźnika bądź modulatora przekazywania informacji w szlaku cyklazy adenylowej i w szlaku fosfolipazy C. Ich działanie wydaje się również podstawowe w hamowaniu funkcji receptorów, głownie tych zawierających grupy -SH. Większość białek zawierających grupy tiolowe jest inaktywowana przez RFT, są też białka, których aktywność w ich obecności wzrasta. Zalicza się do nich m.in. cyklazę guanylową, enzym wytwarzający cGMP oraz wybrane białka transportowe np. 5-lipooksygenazę. 5-lipooksygenaza utlenia wielonienasycone kwasy tłuszczowe, a powstające metabolity utrzymują wewnątrzkomórkową równowagę oksydacyjną aktywując szlaki przekazywania sygnału i ekspresję genów .

    Komorki fagocytujące (granulocyty, monocyty, makrofagi) wykorzystują RFT do eliminacji patogenów. Proces ten wiąże się z kilkudziesięciokrotnym wzrostem zużycia tlenu i nazywany jest „wybuchem tlenowym”. Nazwa ta wiąże się z wykorzystaniem tlenu do wytworzenia i uwolnienia dużych ilości anionorodnika ponadtlenkowego – prekursora jonu hydroksylowego. RFT uczestniczą również w eliminacji pasożytów oraz czynników potencjalnie chorobotwórczych, pojawiających się w jamie ustnej, gdzie w ślinie stwierdza się obecność peroksydazy i mieloperoksydazy.

    Reaktywne formy tlenu uczestniczą też w regulacji procesów odpornościowych. Wykazano, iż RFT nasilają aktywację limfocytów T oraz indukują adhezję komórek leukocytarnych do śródbłonka, co umożliwia ich przenikanie z układu krążenia do miejsca reakcji zapalnej. Regulatorowe działanie niskich stężeń H2O2 przejawia się ponadto w aktywacji czynnika jądrowego NF-ƙB, będącego aktywatorem ekspresji wielu genów w komórce. Geny znajdujące się pod kontrolą NF-ƙB kodują m.in. cytokiny, białka odpornościowe, tioredoksynę oraz dysmutazę ponadtlenkową (SOD).

    Jednym z najbardziej istotnych zadań RFT jest udział w procesach starzenia. Cząsteczki te nie tylko wpływają na starzenie się komórek, ale decydują również o ich śmierci lub przeżyciu. Aktywacja czynników transkrypcyjnych przez niskie stężenia RFT pobudza procesy różnicowania się komórek i umożliwia ich przystosowanie się do zmienionych warunków. Ekspozycja na wyższe stężenia wolnych rodników powoduje natomiast kierowanie komórki na drogę apoptozy, co pozwala eliminować te komórki, które uległy dużym uszkodzeniom i mogłyby stanowić zagrożenie dla organizmu (np. prowadząc do rozwoju choroby nowotworowej).

 

    Wpływ wolnych rodników na komórki zależy w dużym stopniu od ich stężenia i czasu działania. Małe stężenie RFT spełnia funkcje fizjologiczne, wyższe stężenia tych cząsteczek wywołują stres oksydacyjny, powodujący toksyczne uszkodzenia komórek, prowadzące do ich destrukcji.

    Szkodliwe działanie RFT przejawia się m.in. w ich zdolności do utleniania białek. Białka, które uległy nieodwracalnym zmianom, są selektywnie usuwane przez proteazy, jednak w miarę starzenia się komórek, gdy aktywność proteolityczna ulega obniżeniu, mogą gromadzić się w komórce. Utlenianie białek może prowadzić do rozerwania łańcucha polipeptydowego, pojawienia się zmienionych reszt aminokwasowych oraz tworzenia się dimerów bądź agregatów białkowych. Zmiany te w konsekwencji powodują utratę aktywności funkcjonalnej enzymów, białek regulatorowych czy transporterów błonowych.  Mediatorem oksydacyjnego uszkadzania białek jest najczęściej rodnik hydroksylowy. Anionorodnik ponadtlenkowy oraz nadtlenek wodoru mogą wywoływać takie modyfikacje, jak utlenianie grup –SH. Oddziaływanie RFT z białkami może powodować nie tylko ich utlenianie, ale również tworzenie się w białkach grup redukujących, zdolnych m.in. do redukcji cytochromu C i jonów metali. Za oksydacyjne uszkadzanie aminokwasów występujących w białkach jest odpowiedzialny również nadtlenoazotyn, powstający w wyniku reakcji tlenku azotu z jonem ponadtlenkowym. Wykazano, iż w wyniku oksydacyjnego działania nadtlenoazotynu zahamowaniu ulega aktywność takich białek, jak fibrynogen czy czynnik tkankowy.

    Kwasy nukleinowe, w przeciwieństwie do białek i lipidów charakteryzują się większą stabilnością. Nadtlenek wodoru i anionorodnik ponadtlenkowy nie powodują ich uszkodzeń natomiast reakcje rodnika hydroksylowego oraz tlenu singletowego z kwasami nukleinowymi mogą prowadzić do uszkodzenia zasad purynowych i pirymidynowych, reszt cukrowych lub do rozerwania wiązań fosfodiestrowych łączących nukleotydy. Prowadzi to do pęknięć nici kwasów nukleinowych. Jednym z produktów oksydacyjnej modyfikacji kwasów nukleinowych jest 8-hydroksy-2'-deoksyguanozyna.

    Kolejne niebezpieczeństwo ze strony RFT wiąże się z procesem peroksydacji lipidów. W procesie tym wyróżnia się trzy fazy: inicjacji, propagacji i terminacji. Inicjacja peroksydacji lipidów polega na oderwaniu cząsteczki wodoru od cząsteczki nienasyconego kwasu tłuszczowego wchodzącego w skład fosfolipidów – głównych składników budulcowych błony komórkowej. W reakcjach propagacji wolne rodniki alkilowe reagują z tlenem dając wolne rodniki nadtlenkowe (LOO‘), a w końcu nadtlenek kwasu tłuszczowego. Reakcja terminacji może zachodzić między dwoma rodnikami alkilowymi, nadtlenkowymi lub dwoma różnymi rodnikami występującymi w układzie. Produktami tej reakcji są zmodyfikowane, uszkodzone cząsteczki lipidów. Wolne rodniki powstające w procesach peroksydacji lipidów mogą reagować również z białkami, dając wolne rodniki białek.

    Dalsze przemiany produktów peroksydacji lipidów prowadzą do rozpadu reszt wielonienasyconych kwasów tłuszczowych i powstania kilku- lub kilkunastowęglowych fragmentów, takich jak dwualdehyd malonowy czy 4-hydroksynonenal. Wiele białek wykazuje zdolność wiązania się z 4-hydroksynonenalem. Nie jest to jednak zjawisko korzystne dla komórki, gdyż białka występujące w kompleksie z tym związkiem (np. transferaza GSH czy białko oporności wielolekowej MRP1) zmieniają się konformacyjnie oraz funkcjonalnie. Produkty peroksydacji lipidów (LPO) zmieniają właściwości fizyczne błon komórkowych powodując m.in. zahamowanie aktywności enzymów błonowych i białek transportujących. Ponadto mogą one indukować ekspresję cyklooksygenazy typu 2 (COX-2) w makrofagach i aktywować potencjał zapalny tych komórek.

Stres oksydacyjny w organizmie najczęściej wywoływany jest przez:
•    życie w ciągłym napięciu nerwowym;
•    intensywny wysiłek fizyczny;
•    przebywanie w zanieczyszczonym środowisku;
•    nadmierną ekspozycję na promienie słoneczne;  
•    palenia papierosów;
•    kontakt z metalami ciężkimi oraz tlenkami azotu;
•    zażywanie niektórych leków np. antykoncepcyjnych, antydepresyjnych, sterydów, antykoagulantów;
•    niewłaściwą dietę np. żywność wysoko przetworzoną, wędzoną, peklowaną, nie odpowiednio smażoną;
•    picie alkoholu w ilościach większych niż umiarkowane.

 

 

   Sprawność potencjału antyoksydacyjnego organizmu można oceniać metodami analitycznymi. Parametrami określającymi całościowo status antyoksydacyjny ustroju są całkowita zdolność zmiatania wolnych rodników – TRAP (Total Radical-trapping Antioxidant Parameter) oraz całkowity potencjał antyoksydacyjny osocza – TAS (Total Antioxidant Status). Określa się także stężenie w surowicy witamin E, A, C i koenzymu Q10 oraz aktywność peroksydazy glutationu oraz dysmutazy nadtlenkowej. Do głównych  markerów stresu oksydacyjnego zaliczany jest końcowy produkt peroksydacji lipidów – dwualdehyd malonowy (MDA) oraz jeden z produktów powstających podczas procesów uszkadzania DNA t.j. 8-hydroksy-2-deoksyguanozyna (8-OHdG).

 

 

 

 

    Reaktywne formy tlenu powstają podczas przebiegu wielu procesów metabolicznych. Ich stężenia w komórce są zbyt małe, żeby je wykryć, ale wystarczająco duże, by stanowić zagrożenie. Są one bowiem wysoce reaktywne i z łatwością wchodzą w reakcje ze składnikami komórki. W związku z tym organizm zaopatrzony jest w system obronny, mający na celu ochronę komórek przed atakiem wolnych rodników tlenowych. W skład tego systemu wchodzą enzymy rozkładające RFT, a także nieenzymatyczne związki niskocząsteczkowe, które podlegając działaniu reaktywnego tlenu stanowią tym samym tarczę obronną dla cząsteczek ważnych dla komórki. Związki te nazywa się antyoksydantami. Występują one w małych stężeniach i mogą znacząco opóźniać lub zapobiegać utlenianiu substratu. Organizm broni się przed wolnymi rodnikami także w sposób pośredni, poprzez naprawę bądź eliminację tych składników komórki, które zostały uszkodzone.

 

 

   Strategia obrony przed prekursorami rodnika hydroksylowego, tj. anionorodnikiem ponadtlenkowym i nadtlenkiem wodoru skierowana została w stronę ich słabego punktu: oba ulegają reakcji dysmutacji czyli dysproporcjonowania. Do systemu tego zalicza się dysmutazę ponadtlenkową oraz katalazę. Dysmutaza ponadtlenkowa jest głównym enzymem o działaniu antyoksydacyjnym, katalizującym reakcję dysmutacji anionorodnika ponadtlenkowego. W wyniku tej reakcji powstaje nadtlenek wodoru, który z kolei jest rozkładany do wody i tlenu z udziałem katalazy lub peroksydazy glutationu.

 

   Z dysmutazą ponadtlenkową ściśle współdziała katalaza. Katalaza występuje głownie w cytoplazmie oraz peroksysomach komórek ssaków. Jest enzymem charakteryzującym się szczególnie skutecznym działaniem, a jej największe stężenie stwierdza się w wątrobie, nerkach, erytrocytach i komórkach ośrodkowego układu nerwowego. Katalaza wykazuje dwie różne aktywności: przy dużym stężeniu nadtlenku wodoru w komórce przeprowadza reakcję dysproporcjonowania, gdzie produktem końcowym reakcji jest woda. Natomiast gdy stężenie tego rodnika jest stosunkowo małe, może ona wykazywać aktywność peroksydazową i usuwać H2O2  jednocześnie utleniając związek organiczny.

    Kolejny naturalny antyoksydant, peroksydaza glutationu (GSH-Px), występuje w wielu tkankach, przede wszystkim w wątrobie, erytrocytach i osoczu krwi. Jej obecność odnotowano także w komórkach ośrodkowego układu nerwowego: w neuronach i komórkach glejowych. Enzym ten katalizuje redukcję nadtlenku wodoru i nadtlenków organicznych przez zredukowany glutation. Unikalną cechą tego enzymu jest występowanie w jego centrum aktywnym reszty selenocysteiny – analogu cysteiny, w którym atom siarki został zastąpiony atomem selenu. Dzięki temu enzym ten może przeprowadzać dwuelektronowe utlenianie glutationu bez uwalniania wolnego rodnika tiolowego glutationu. Najlepiej poznaną postacią GSHPx jest postać klasyczna, występująca wewnątrzkomórkowo m.in. w erytrocytach. Głównym jej zadaniem jest ochrona komórek przed stresem oksydacyjnym, a zwłaszcza przed nadtlenkiem wodoru. Enzym ten ponadto reaguje bardzo szybko z nadtlenoazotynem, chroniąc komórki przed jego toksycznym działaniem. Produktem końcowym reakcji glutationu z nadtlenkiem wodoru jest dwusulfid glutationu (GSSG) . Dwusulfid glutationu jest związkiem szkodliwym dla komórki ze względu na jego zdolność tworzenia z białkami mieszanych dwusulfidów oraz utleniania grup tiolowych białek prowadzącego do ich inaktywacji. Aby nie dopuścić do gromadzenia się GSSG w komórce, peroksydaza glutationu pozostaje w ścisłym związku z reduktazą glutationu (GSHR) – enzymem zdolnym do odtwarzania zredukowanej postaci glutationu kosztem utleniania NADPH. Jeśli w komórce powstaje dużo dwusulfidu glutationu, a reduktaza GSH nie nadąża z jego redukcją, do akcji włączają się białka oporności wielolekowej, usuwające groźny dwusulfid na zewnątrz komórki.

 

 

   Inaktywacja wolnych rodników tlenowych jest związana z obecnością w komórce bądź w przestrzeni zewnątrzkomórkowej substancji o małej masie cząsteczkowej – antyoksydantów drobnocząsteczkowych. Zalicza się do nich m.in. glutation, kwas moczowy oraz pochodne estradiolu. Reakcje antyoksydantów drobnocząsteczkowych z RFT są mniej swoiste niż działanie enzymów antyoksydacyjnych, co sprawia, iż związki te stają się bardziej uniwersalnymi obrońcami i mogą pełnić kilka funkcji. Działają one jako druga linia obrony degradując wolne rodniki, które nie zostały zinaktywowane przez dysmutazę ponadtlenkową czy katalazę.

   Potencjał antyoksydacyjny organizmu jest zależny także od poziomu antyoksydantów egzogennych, dostarczanych głownie wraz z pożywieniem. Ważną rolę odgrywa witamina E. Dzięki swym lipofilnym właściwościom może wykazywać ochronne działanie w stosunku do fosfolipidów błonowych, chroniąc je przed peroksydacją. Jest ona również antyutleniaczem lipoprotein o małej gęstości (LDL) oraz ważnym źródłem elektronów potrzebnych do redukcji nadtlenoazotynu. Działanie witaminy E uzupełnia ß-karoten oraz jego metabolit – witamina A. Witamina C z kolei wymiata rodnik hydroksylowy i tlen singletowy. Uważana jest za główny antyoksydant fazy wodnej.

   Szczególną rolę w wychwytywaniu reaktywnych form tlenu odgrywają białka osocza, takie jak albumina czy ceruloplazmina. Ceruloplazmina zdolna jest do wiązania jonów miedzi, przez co zapobiega powstawaniu rodnika hydroksylowego z nadtlenku wodoru. Istotną rolę odgrywają również białka wiążące jony żelaza, takie jak transferryna czy ferrytyna. Zdolność do wiązania jonów metali przejściowych oraz wychwytywania rodnika hydroksylowego ma również kwas moczowy.

   Jednym z głównych antyoksydantów drobnocząsteczkowych, cieszących się dużym zainteresowaniem, jest glutation (GSH). Jego biosynteza zachodzi w cytoplazmie z wykorzystaniem trzech aminokwasów: kwasu glutaminowego, cysteiny i glicyny, bez udziału matrycy RNA. W organizmie glutation występuje w większości w formie zredukowanej, a stosunek glutationu zredukowanego do utlenionego świadczy o poziomie stresu oksydacyjnego w komórce. Glutation jest niezbędnym elementem systemu odtruwania komórkowego. Jest on również substratem szeregu enzymów. Glutation, oprócz neutralizowania wolnych rodników, odpowiada także za utrzymywanie aktywności antyoksydacyjnej innych przeciwutleniaczy, stabilizując ich formę zredukowaną. Ochronne działanie glutationu wynika z utrzymywania grup -SH w formie zredukowanej oraz hamowania ich utleniania przez nadtlenek wodoru.

 

 

 

 

   Pomimo tego, że organizm ludzki posiada rozbudowany system obronny przed nadmiarem wolnych rodników, w wielu wypadkach jest on niewydolny. Dzieje się tak, gdy organizm jest jednocześnie atakowany przez kilka czynników wywołujących stres oksydacyjny. W takich sytuacjach, bez odpowiedniego przeciwdziałania, człowiek podupada na zdrowiu. Na szczęście w powszechnie dostępnej żywności znajduje się znaczna ilość antyoksydantów. Wystarczy wiedzieć co jeść i w jakich ilościach. Dlatego m.in tym zagadnieniom będą poświęcone kolejne artykuły.