Jednymi z najważniejszych czynników biorących udział w regulacji fizjologii eukariotów są reaktywne formy tlenu ROS (ang. reactive oxygen species), które pełnią między innymi rolę mediatorów w procesach wzrostu, dojrzewania i apoptozy komórek, jak również odpowiadają za istnienie stanu zapalnego oraz regulują poziom energii w komórkach. Dowiedzmy się zatem czegoś o budowie i mechanizmach działania ROS w ciele człowieka.
Czym są reaktywne formy tlenu?
Najprostsza definicja ROS obejmuje wszelkie indywidua chemiczne, które posiadają w swojej strukturze atom tlenu z niesparowanym elektronem. Określane są one prościej jako wolne rodniki tlenu, których najpopularniejszym przykładem jest rodnik hydroksylowy. Pojęcie ROS zostało jednak rozszerzone o kilka wyjątków, wśród których można wymienić cząsteczki ozonu czy wody utlenionej. Nie są one wolnymi rodnikami, gdyż atom tlenu nie posiada tutaj żadnego niesparowanego elektronu. Charakteryzują się one za to wysoką reaktywnością i stanowią często produkty reakcji redoks, zachodzących w ramach metabolizmu i procesów starzenia się organizmów.
Mechanizmy powstawania ROS
Głównym organellum komórkowym odpowiedzialnym za syntezę ROS u eukariotów jest mitochondrium. Do uwalniania wolnych rodników dochodzi tam w procesie rozprzęgania mitochondriów, w następstwie pojawienia się stresu oksydacyjnego komórek. Rozprzęganie polega na zaburzaniu gradientu stężeń protonów po obu stronach błony mitochondrialnej. Gradient ten jest wyrównywany przez pompy protonowe, które wyrzucają ogromne ilości protonów z macierzy mitochondrialnej na zewnątrz. Zużyciu ulega wówczas znaczna część energii wytworzonej w łańcuchu oddechowym, co skutkuje spowolnieniem procesu oksydacyjnej fosforylacji i niedoborem ATP.
Reaktywne formy tlenu powstają w wyniku reakcji redoks prowadzonych przez kompleks I i III łańcucha oddechowego. W przypadku kompleksu I elektrony są przenoszone na tlen cząsteczkowy, przy jednoczesnym utlenieniu NADH. Przyspieszenie procesu oddychania prowadzi do akumulacji ROS i aktywacji wielu białek odpowiedzialnych za utrzymywanie odpowiedniego poziomu ATP w komórkach. Poniższy obrazek ilustruje przemiany zachodzące w ramach łańcucha oddechowego, z uwzględnieniem syntezy ROS.
U roślin z kolei synteza reaktywnych form tlenu ma miejsce w tylakoidach chloroplastów, podczas fazy jasnej fotosyntezy. W fotoukładzie I zachodzi reakcja fotoredukcji tlenu singletowego, oznaczanego symbolem 1O2, do wody, z wykorzystaniem elektronów pobranych z innych cząsteczek wody wewnątrz fotoukładu II. Mechanizm ten jest jednak aktywowany jedynie w przypadku wystąpienia stresu fotochemicznego, na przykład podczas ekspozycji roślin na bardzo intensywne światło słoneczne.
Wpływ reaktywnych form tlenu na organizm człowieka
Chociaż reaktywne formy tlenu obecne są w organizmie człowieka przez cały czas, niezależnie od stanu zdrowia, wiadomo, że ich synteza nasila się wraz z wystąpieniem tak zwanego stresu fizjologicznego, czyli w stanach zaburzenia równowagi fizjologicznej organizmu. Przykładem takiego stanu może być nadmierny wysiłek fizyczny, który skutkuje zaburzeniem gospodarki tlenowej, a w konsekwencji zaburzeniem gospodarki energetycznej ustroju. Nadmierne zużycie energii przez komórki mięśniowe, w połączeniu z niewystarczającym dopływem energii syntezowanej w łańcuchu oddechowym, prowadzi do niedotlenienia tkanek, co objawia się zakwasami, czyli odkładaniem się kwasu mlekowego będącego produktem oddychania komórek w warunkach beztlenowych. Krótkotrwałe przetrenowanie organizmu jest oczywiście nieszkodliwe, ale narażanie komórek na dłuższe okresy niedotlenienia może powodować ich apoptozę, co objawia się martwicą tkanek.
Innymi czynnika powodującymi przyspieszenie syntezy ROS są zatrucia związkami chemicznymi, takimi jak pestycydy, tlenek azotu, czy składniki dymu papierosowego. Do nadmiernej produkcji wolnych rodników dochodzi również podczas wystawiania organizmu na działanie wszelkich odmian promieniowania.
Nadmierna synteza związków toksycznych, w tym reaktywnych form tlenu, prowadzi do niszczenia niemal wszystkich składników komórek. Szczególnie podatne na uszkodzenia są elementy błon komórkowych – głównie reszty wielonienasyconych kwasów tłuszczowych, które ulegają zniszczeniu w procesie peroksydacji lipidowej, indukowanej właśnie przez ROS. Skutkuje to dezintegracją błon i cała zawartość komórek „wylewa się” na zewnątrz dając początek rozległym stanom zapalnym. Oprócz błon biologicznych, uszkodzeniom ulegają również białka (modyfikacja reszt cysteinowych skutkuje zrywaniem mostków disiarczkowych i rozpadem struktury trzeciorzędowej białka) i kwasy nukleinowe, co w przypadku komórek nerwowych wiąże się z doskonale znanymi schorzeniami – chorobą Alzheimera i chorobą Parkinsona.
Podwyższony poziom reaktywnych form tlenu może również prowadzić do chorób oczu. W przypadku jaskry dochodzi do nadmiernej syntezy związków neurotoksycznych w reakcji tlenku azotu z anionem ponadtlenkowym. U pacjentów z zaćmą wykazano z kolei obniżony poziom enzymu dysmutazy ponadtlenkowej (EC 1.15.1.1), odpowiedzialnej za przekształcanie tego anionu w cząsteczkę wody utlenionej, rozkładanej dalej przez katalazy lub peroksydazy. Podobne zjawiska mają miejsce u pacjentów z przewlekłymi chorobami układu oddechowego, w przypadku układu krwionośnego dezintegracja błon komórek wyściełających wnętrze naczyń krwionośnych skutkuje przedostawaniem się toksycznych składników komórek do krwi. Koniec końców uszkodzenia DNA prowadzą do mutacji, co wiąże się z indukcją nowych, bądź przyspieszeniem już istniejących procesów nowotworzenia.
Garść pozytywnych informacji
Rola reaktywnych form tlenu nie ogranicza się na szczęście tylko do niszczenia wszystkiego dookoła. Związki te pełnią rolę swego rodzaju wzmacniaczy, których praca polega na potęgowaniu niekorzystnych zmian w komórkach w celu zapewnienia szybszej odpowiedzi ze strony całego organizmu. Najlepszym przykładem jest aktywacja szeregu białek enzymatycznych, biorących udział w utrzymywaniu homeostazy energetycznej komórek. Jednym z najważniejszych enzymów tego typu jest kinaza AMPK (EC 2.7.11.31), która ulega aktywacji w stanach niedoboru energii i prowadzi fosforylację całej gamy enzymów metabolicznych, dzięki czemu jest w stanie spowalniać procesy anaboliczne, przyspieszając jednocześnie wydzielanie energii w przemianach katabolicznych.
Reaktywne formy tlenu stanowią również ważny element wielu szlaków sygnałowych, które ulegają aktywacji w stanach patologicznych i prowadzą do śmierci uszkodzonych bądź zainfekowanych komórek. Nie mniej jednak należy pamiętać, że spełniają one swoją rolę tylko wtedy, gdy ich poziom w organizmie jest odpowiedni. Każda reakcja ustroju na nadmierny stres prowadzi do syntezy wolnych rodników, co wiąże się z szeregiem niebezpiecznych dla zdrowia zmian, mających swoje odzwierciedlenie w chorobach niemal wszystkich najważniejszych narządów i układów.
Właśnie dlatego tak ważne jest stosowanie diety bogatej w substancje o właściwościach antyoksydacyjnych, czyli przeciwutleniacze. Antyoksydanty chronią przed utlenianiem wielu substancji i hamują negatywny wpływ ROS na nasz organizm. Do podstawowych źródeł przeciwutleniaczy należą rośliny – zawierają one substancje z rodziny polifenoli, flawonoidów, karotenoidów i antocyjanów, czyli najlepiej poznane od strony medycznej związki przeciwutleniające. Chociaż ich korzystny wpływ na organizm człowieka nadal nie został do końca poznany, wiadomo na pewno, że ich stosowanie w diecie obniża ryzyko chorób – w szczególności tych związanych z przemianami metabolicznymi i układem krążenia.
Opracował Michał Szewczuk
KOMENTARZE