Artykuły

Artykuły

Dietetyka
Mikroelementy
Wiedza i Nauka
Zdrowie
Bariera antyoksydacyjna

 

Wolne rodniki to atomy lub cząsteczki zdolne do samodzielnego istnienia mające jeden lub więcej niesparowanych elektronów [G. Bartosz: Druga twarz tlenu, PWN, Warszawa 1995]. Dzięki temu rodniki są nietrwałe, ale bardzo aktywne chemicznie. W organizmach żywych mogą one powstawać w reakcjach enzymatycznych lub spontanicznie.

Do lat 70-tych w publikacjach medycznych nie było wielu doniesień o roli i znaczeniu wolnych rodników. Zmieniły tą sytuację wyniki badań opublikowane przez:

  • McCoda i Fridovitcha [Mc Cord, J. M. Fridowitch, J. Biol. Chem. 244, 6049, 1969] wskazujące na istnienie prawie we wszystkich komórkach ssaków dysmutazy ponadtlenkowej (SOD; EC 1.15.1.1), enzymu który katalizuje reakcję dysmutacji anionorodnika ponadtlenkowego;
  • Babiora [B. M. Babior, J. Clin, Inwest. 52, 741, 1973], który wykazał powiązane funkcje neutrofili z generacją wolnych rodników;
  • Grangera [D. N. Granger, Gastroenterology 81, 22, 1981], który wykazał, że wiele chorób jest związanych z brakiem równowagi pomiędzy mechanizmami wzbudzającymi generację wolnych rodników, a systemami unieszkodliwiającymi je.

Do reaktywnych form tlenu (RFT) należą: tlen singletowy, ozon, rodnik wodoronadtlenkowy, anionorodnik ponadtlenkowy, nadtlenek wodoru, rodnik wodorotlenowy, tlen azotu, dwutlenek azotu, kwas nadtlenoazotawy i jego anion.

Reaktywne formy tlenu mają następujące źródła powstawania:

  1. Neutrofile odpowiedzialne za zlokalizowanie procesu zapalnego w organizmie, rozpoznanie, zabicie i strawienie intruza. Neutrofile są wyposażone w dwa systemy zabijania: tlenowo-niezależny i tlenowy, który generuje O2-, OH, ONOO-. Reaktywne formy tlenu uwolnione z komórek fagocytujących mogą powodować uszkodzenia innych komórek.
  2. Łańcuch oddechowy – kilka procent tlenu zużytkowanego przez mitochondria ulega tylko częściowej redukcji, tworząc O2-. Ocenia się, że dziennie w normalnych warunkach metabolicznych każda komórka człowieka poddana jest ekspozycji 1010 cząsteczek O2-. Dla człowieka o masie około 70 kg oznacza to powstanie 0,15 moli O2- dziennie.
  3. Oksydazy – enzymy katalizujące reakcje, podczas których generowane są RFT, m.in. oksydaza monoaminowa (MAO) z błon retikulum endoplazmatycznego utleniająca ksenobiotyki.
  4. Autooksydacja związków endo- i egzogennych – np. autooksydacja adrenaliny generuje RFT.
  5. pH spadek kwasowości przyspiesza uwalnianie związanych z białkami metali grup przejściowych (Cu+2, Fe+2+), co zakłóca procesy łańcucha oddechowego na korzyść generacji O2-. Obniżenie ph w komórkach niedotlenionych zwiększa szansę przeżycia – paradoks pH).
  6. Metale grup przejściowych – kationy żelaza, miedzi i manganu mogą przenosić elektron na biologiczne ważne makrocząsteczki.
  7. Synteza eikozanoidów – fesfoliza A2 uwalnia z fosfolipidów kwas arachidonowy, który przez cyklo- i lipooksygenazy przekształcany jest w prostaglandyny, leukotrieny, tromboksany i prostacykliny. We wszystkich tych procesach generowane są RFT. RFT aktywują fosfolipazę A2.

Równie ważny jest nadtlenek wodoru, który mimo, że nie jest wolnym rodnikiem, odgrywa ważną rolę w procesach oksydacyjnych powstawania wolnych rodników (rys.1). (Ze względu na dużą reaktywność rodników ich czasy połowicznego rozpadu są bardzo krótkie, np. O2- w 37oC – 1*10-6 s, OH w 37oC – 1*10-9 s).

Reakcja Habera- Weissa - rys.1

Nadtlenek wodoru powstaje w wyniku redukcji tlenu cząsteczkowego lub w wyniku dysmutacji rodnika ponadtlenkowego przez SOD. Redukowany jest przez katalazę do wody i O2. Czas połowicznego rozpadu jest uzależniony od aktywności katalazy i peroksydazy gluationowej, dlatego jego czas trwania jest na tyle długi, że może przenikać przez błony komórkowe i „wędrować” po całym organizmie.

Największe niebezpieczeństwo dla organizmu stwarza rodnik wodorotlenowy, bowiem reaguje z każdą napotkaną cząsteczką organiczną. Reakcje te mogą mieć różne mechanizmy:

  • oddania atomu: OH + HR → H2O + R
  • przyłączenia rodnika: OH + R – CH = CH – R → R – CHOH – C H – R
  • addycji rodników: R + R → R – R

Wspólną cechą powyższych reakcji jest podtrzymywanie łańcucha reakcji wolnorodnikowych.

Głównym źródłem rodników hydroksylowych jest reakcja Fentona (rys. 1).

H2O2 + Fe+2 → OH• + OH- + Fe+3

Drugim źródłem rodników hydroksylowych jest reakcja Habera-Weissa, w której katalizatorami są kationy żelaza i miedzi.

O2- + H2O2 → O2 + OH + OH-

Anionorodnik ponadtlenkowy O2- powstaje w wyniku jednoelektronowej redukcji tlenu cząsteczkowego. Jest produktem końcowym lub pośrednim wieku reakcji enzymatycznych. Powstaje głównie w łańcuchu oddechowym (rys. 2), w przemianach enzymatycznych katalizowanych przez oksydoreduktazy (oksydazę ksantynową, aldehydową, dihydroorotanową, diaminową, oksydoreduktazę NADPH czyli cytochmom P-450, mieloperoksydazę z leukocytów, samoutlenianie zredukowanych form związków biochemicznych (flawin, chinonów nukleotydów, aminokwasów aromatycznych, pterydyn, ferredoksyny, związków tiolowych, m.in. glutationu, adrenaliny, dopaminy).

Produkcja energii i wolnych rodników - rys.2

Rodnik tlenu azotu powstaje podczas syntezy czynnika relaksacyjnego komórek śródbłonka, czyli tlenku azotu z argininy. W reakcji z anionorodnikiem ponadtlenkowym powstaje nietrwały kwas nadtlenoazotawy, ulegający homolitycznemu rozpadowi tworząc rodnik hydroksylowy.

Wolnorodnikowa teoria starzenia się opiera się na sprawności reakcji łańcucha oddechowego, którego wydajność wynosi około 40%. Z powodu złego odżywiania i z upływem lat jego sprawność jest coraz niższa, czego skutkiem jest wzmożona produkcja anionorodników ponadtlenkowych O2-, które same inicjują łańcuch reakcji wolnorodnikowych lub z których to powstają rodniki hydroksylowe. Pożywienie ubogie w witaminy B i witaminę K powoduje zaburzenia prowadzące do zahamowania reakcji fosforylacji łańcucha oddechowego określonych komórek. Podobne objawy występują przy braku żelaza stanowiącego składnik enzymów łańcucha oddechowego. Witamina K uczestniczy w syntezie łańcucha oddechowego komórek wątrobowych. W wątrobie przy użyciu rezerw energetycznych powstaje większość białek, w tym protrombina - białko mające wielkie znaczenie dla procesów krzepnięcia krwi.

Podobna sytuacja występuje w przypadku braku witamin B. Pelagra i beri-beri są skutkiem zaburzeń biologicznego utleniania w tkankach szczególnie wrażliwych, do których zalicza się komórki nerwowe i komórki nabłonków oraz gruczołów wydzielania wewnętrznego.

W wyniku reakcji wolnorodnikowych RFT ze związkami organicznymi powstają, związki chemiczne o nieznanej strukturze i własnościach biochemicznych, które mogą być przyczyną powstania wielu patologii. Skutki ich działania przedstawia poniższa tabela:

Schemat Reakcja Harisa - tab.1

W organizmach eukariotycznych istnieją mechanizmy ochronne neutralizujące niszczące działanie wszechobecnych RFT. Ich zadaniem jest ciągłe monitorowanie sprawności poszczególnych elementów bariery antyoksydacyjnej, czyli utrzymanie właściwej homeostazy procesów pro- i antyoksydacyjnych.

Poszczególne elementy bariery antyoksydacyjnej można podzielić na dwie grupy:

  1. główne:
    • enzymatyczne: dysmutaza ponadtlenkowa (CuZnSOD – cytozol, jądro, osocze, MnSOD – mitochondium), katalaza (FeCAT – peroksyzomy), peroksydaza glutationowa (SeGPX – cytozol, mitochondria), transferaza glutationowa (cytozol);
    • metaloproteiny zewnątrzkomórkowe (albumina-Fe, Cu, transferyna-Fe, ceruloplazmina-Cu) i wewnątrzkomórkowe (ferrytyna-Fe, metalotioneina-Cu);
    • ząsteczkowe: α-tokoferol, β-karoten, kwas askorbinowy, glutation, ubichinon, moczany, karnozyna, anseryna;
  2. pomocnicze:
    • enzymatyczne: dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa, reduktaza, disulfoglutationowa;
    • cząsteczkowe: bilirubina, biliwerdyna, cystein, adenozyna, histydyna, kwas liponowy, kwas linoleinowy.

Wszystkie elementy bariery antyoksydacyjnej stanowią o jej zdolności ochrony przed niszczącym działaniem RFT (rys. 3). W każdym z miejsc, gdzie istnieje możliwość powstania RFT są obecne antyoksydanty. W reakcjach enzymatycznych, w których powstają RFT, główne produkty mogą być antyoksydantami, np. w reakcji utlenienia ksantyny do kwasu moczowego. Organizm wytworzył bariery przestrzenne ograniczając propagację reakcji wolnorodnikowych poprzez specyficzne rozmieszczenie wszystkich elementów bariery antyoksydacyjnej w ten sposób aby się wzajemnie uzupełniły. Jeżeli aktywność enzymatycznych elementów bariery antyoksydacyjnej jest nie wystarczająca, a innych jej składników jest za mało pozostaje protekcyjne działanie związków endogennych, głównie witamin: A, E i C jak również flawonoidów.

Bariera antyoksydacyjna - rys.3

Witamina C, czyli kwas L-askorbinowy jest najsilniejszym rozpuszczalnym w wodzie antyoksydantem. Neutralizuje ona działanie RFT w płynach ustrojowych, we krwi i płynie poza komórkowym. Kwas askorbinowy jest uważany za najistotniejszy antyoksydant hydrofilowy. Najważniejszym fizjologicznie antyoksydantem hydrofobowym, czyli fazy lipidowej jest α-tokoferol, czyli witamina E. Działanie witamin E i C ma charakter synergistyczny. Askorbinian redukuje rodnik α-tokoferolowy, regenerując witaminę E, sam tworząc rodnik askorbylowy, ulegający dalszej redukcji do kwasu dehydroaskorbinowego. Przy udziale glutationu reduktaza dehydroaskorbinianowa odtwarza pierwotną formę witaminy C.

Pomiędzy witaminami E i A występuje synergizm działania podczas inhibicji mikrosomalnej peroksydacji w hepatocytach. Witamina A jest skutecznym antyoksydantem w sytuacjach dobrego dotlenienia organizmu, natomiast w chwilach niedotlenienia wysoką sprawność antyoksydacyjną wykazuje witamina E. Witamina A zapobiega oksydacji frakcji lipidowych osocza oraz lipidów błon komórkowych. Peroksydacja lipidów prowadzi do uszkodzenia błon komórkowych.

Szybkość utlenienia lipidów zależy od rodzaju tkanki, obecności antyoksydantów i jonów metali grup przejściowych oraz od stężenia tlenu. Przebiega ona przez trzy kolejne etapy: inicjacji, propagacji i terminacji. Proces inicjacji jest atakiem rodnika na trzeciorzędowy atom węgla, (bowiem wiązanie C-H posiada niską energię dysocjacji). Proces ten może być inicjowany np.: przez rodnik wodorotlenowy, szczególnie przy udziale metali przejściowych. Anionorodnik ponadtlenkowy nie jest zdolny do inicjowania procesu utleniania lipidów, bowiem jest nierozpuszczalny w fazie lipidowej. Rodniki z niesparowanym elektronem na atomie węgla reaguje z tlenem tworząc rodniki nadtlenkowe, które biorą udział w dalszych reakcjach (reakcje propagacji) reagując z sąsiednimi cząsteczkami nienasyconych lipidów (rys.4).

Peroksydacja lipidów - rys.4

Jony metali przejściowych katalizują także rozpad nadtlenków lipidowych:

LOOH + Fe2+ → LO + OH-Fe3+

LOOH + Fe3+ → LOO + H+Fe2+

Etap propagacji jest hamowany przez konkurujący z nim etap terminacji zachodzący między reaktywnymi formami rodnikowymi:

LOO + L1 OO → LOOL1 + O2

LOO + L1OO → LOOL1

L + L1 → L – L1

Efektem tego procesu jest powstawanie lipidów o rozgałęzionych łańcuchach alifatycznych lub kompleksów białkowo-lipidowych. Rozkład nadtlenków lipidowych prowadzi do powstawania licznych związków, takich jak węglowodory nasycone (etan, pentan, heksan) i nienasycone, aldehydy (nasycone i nienasycone, hydroksyaldehydy), dialdehydy (np. dialdechyd malonowy – MDA). Niektóre z tych związków mogą być przyczyną wystąpienia patologii lub mogą być metabolizowane do innych potencjalnych toksyn endogennych.

Na szczególną uwagę zasługują γ-diketowy, które mogą powodować „sieciowanie” lipidów i białek. Usieciowane przez MDA lipidy znaleziono w błonach krwinek w anemii sierpowatej. Generalnie utlenianie lipidów prowadzi do degradacji lipidów błonowych, co może być wykorzystywane przez organizm jako mechanizm ochronny. U ludzi chorych na nowotwory złośliwe zauważono, szczególnie podczas przerzutów, zwiększone stężenie MDA zarówno w surowicy jak i w moczu, co może wskazywać na wzmożoną działalność obronną neutrofili.

Wolne rodniki prowadzą do powstawania obcych struktur biochemicznych w organizmie. Badania wielu ośrodków naukowych na świecie ukierunkowane są na określanie stopnia uszkodzeń kwasów nukleinowych (np. przez oznaczenie 8-hydroksydeoksyguanozyny) białek (przez oznaczanie bityrozyny) i kwasów tłuszczowych (przez oznaczanie MDA, węglowodorów, diketonów i ich metabolitów). Szczególnie ciekawym kierunkiem badań jest poszukiwanie endogennych toksyn powstających w wyniku przemian biochemicznych, którym ulegają produkty łańcucha reakcji wolnorodnikowych.