Działanie wolnych rodników na struktury komórkowe

Przede wszystkim: termin „wolny rodnik” nie jest jednoznaczny z „wol-ny rodnik tlenowy”. Wol„wol-ny rodnik to dowolne indywiduum chemiczne (atom lub cząsteczka), o przynajmniej jednym niesparowanym elektronie, co powodu-je, że są to substancje bardzo reaktywne, ponieważ dążą do sparowania elektro-nów. W praktyce reagują one przy najbliższej sposobności z sąsiadującymi czą-steczkami, zmieniając ich właściwości fizykochemiczne i biologiczne. Wśród wolnych rodników można wyróżnić m.in. reaktywne formy tlenu – indywidua chemiczne zawierające atomy tlenu z niesparowanymi elektronami. Przypomi-namy, że cząsteczki O2 występować mogą w formie singletowej O::O (kropki symbolizują elektrony) lub trypletowej (·O··O·). Forma trypletowa jako posiada-jąca dwa niesparowane elektrony, jest podwójnym wolnym rodnikiem, jednak to forma singletowa, jako mniej stabilna, jest reaktywną formą tlenu. Do po-wszechnie występujących reaktywnych form tlenu (RFT) należą więc np.: tlen singletowy, ozon, nadtlenek wodoru, rodnik hydroksylowy, anionorodnik ponad-tlenkowy, rodnik wodoronadponad-tlenkowy, rodnik nadponad-tlenkowy, tlenek i dwutlenek azotu itd. Substancje te powstają w organizmie wskutek bodźców fizycznych pochodzących z zewnątrz lub dostarczane są do organizmu z zewnątrz, ale też powstają w organizmie w czasie normalnego metabolizmu. Szacuje się, że około 4% tlenu trafiającego do mitochondriów zamienia się w RFT. Oznacza to, że zwiększenie zużycia tlenu musi oznaczać jednocześnie zwiększenie poziomu wolnych rodników. Z tego punktu widzenia więc, np. aktywność fizyczna jest z pewnością czynnikiem przyspieszającym starzenie się tkanek. Niewątpliwie usprawnia funkcje układu sercowo-naczyniowego i oddechowego, poprawiając ogólną kondycję zdrowotną, ale powoduje generowanie nadmiaru wolnych rod-ników (poza tym zwiększa ekspozycję na takie czynniki środowiska jak UV, temperatura, suche powietrze, wiatr). Kiedy RFT znajdzie się w tkance – reaguje ze strukturami komórek czy pozakomórkowymi, niszcząc je. Najczęściej doty-czy to składników błon komórkowych: lipidów i białek.

Peroksydacja lipidów to powodowane przez wolne rodniki łańcuchowe

utlenianie lipidów do ich nadtlenków. Rozpoczyna się odłączeniem atomu wo-doru od cząsteczki lipidu. Reakcję tę najczęściej inicjuje rodnik hydroksylowy, ozon, tlenek lub dwutlenek azotu, rodnik nadtlenkowy, alkoksylowy lub alkilo-wy (trzy ostatnie to wolne rodniki powstałe z reszt kwasów tłuszczoalkilo-wych). Po oderwaniu atomu wodoru lipid staje się wolnym rodnikiem alkilowym (pozosta-je mu niesparowany elektron). Skutkiem tego (pozosta-jest przegrupowanie elektronów w łańcuchu węglowym kwasu tłuszczowego, co powoduje przesunięcie wiązania podwójnego i zmianę właściwości tej cząsteczki. W kolejnym etapie peroksyda-cji powstały rodnik alkilowy reaguje z tlenem, dając rodnik nadtlenkowy (z

przyłą-czonymi dwoma atomami tlenu). Rodnik ten może teraz oderwać atom wodoru od kolejnej cząsteczki lipidu, przekształcając ją w kolejną cząsteczkę wolnego rodnika – stąd reakcje te mają charakter łańcuchowy: raz zapoczątkowana pe-roksydacja może prowadzić do dużych zniszczeń, np. w błonie plazmatycznej. Dopiero reakcja, w której dwa wolne rodniki przereagują ze sobą, parując swoje elektrony, kończy łańcuchową peroksydację.

W komórkach mamy do czynienia również z peroksydacją lipidów jako elementem prawidłowego metabolizmu, na przykład kwasu arachidonowego. Reakcje te są jednak przeprowadzane pod kontrolą odpowiednich enzymów (lipooksygenaz).

Jednym z produktów peroksydacji lipidów jest barwnik starczy – lipofu-scyna. Jest to mieszanina produktów metabolizmu lipidów, których enzymy lizosomalne nie są w stanie rozłożyć. Wskutek tego z wiekiem ilość złogów tego barwnika rośnie, będąc wyznacznikiem wieku komórki.

Zmiany struktury lipidów błonowych prowadzą do zmiany np. przepusz-czalności błon plazmatycznych, potencjałów błonowych, aktywności enzymów błonowych itd. Są to bardzo istotne aspekty funkcjonowania komórek, więc ich zakłócanie może w istotnym stopniu upośledzać metabolizm tkanek.

Wolnorodnikowe uszkadzanie białek powodowane jest najczęściej

przez rodnik hydroksylowy, nadtlenek wodoru lub anionorodnik ponadtlenkowy. Podobnie jak w przypadku lipidów, również tu reakcja rozpoczyna się od ode-rwania atomu wodoru, w tym przypadku od aminokwasu. Powstaje wówczas rodnik białkowy, mogący ulegać dalszym przekształceniom, powodowanym przez przesuwanie niesparowanego elektronu w głąb cząsteczki bądź np. przyłą-czać cząsteczkę tlenu, tworząc nadtlenek białka. Modyfikacje mogą prowadzić do pękania cząsteczek białka, tworzenia dimerów białek połączonych mostkami cystynowymi lub bis-tyrozylowymi, tworzenia mostków disulfidowych itd. Utlenianie dotyczyć może nie tylko aminokwasów w białkach, ale również ich grup prostetycznych. Ponadto, RFT nie muszą białek utleniać – mogą prowoko-wać powstanie w nich grup o działaniu redukującym na np. cytochrom c. Doty-czy to w szczególności tyrozyny (aminokwasu, o którym była mowa w roz-dziale 2.5.).

Uszkadzanie kwasów nukleinowych możliwe jest tylko przez rodnik

hy-droksylowy i tlen singletowy. Polegać może na rozerwaniu wiązań fosfodie-strowych (rozrywaniu nici kwasu nukleinowego) lub modyfikacji nukleotydów (zasad azotowych lub reszt cukrowych). Najczęściej uszkodzenia dotyczą reszt tymidyny, powstają początkowo wolne rodniki reszt tymidynowych, które re-agując z tlenem tworzą nadtlenki tymidyny. Podobnie z wolnymi rodnikami reaguje cytozyna, utlenianiu mogą również ulegać adenina i guanina. Szacuje się, że liczba uszkodzeń DNA przez RFT w każdej komórce człowieka sięga 10 000 na dobę. Uszkodzenia DNA w jądrach komórkowych są bardzo szybko i sprawnie naprawiane przez odpowiednie układy enzymatyczne, mimo to, z bie-giem czasu się kumulują. U młodych szczurów stwierdzono około milion uszko-dzeń DNA na komórkę, u szczurów dwuletnich – dwa miliony.

Uszkadzanie węglowodanów przez RFT ma szczególne znaczenie w

ko-smetologii dla kwasu hialuronowego. Wykazano, że RFT rozrywają wiązania glikozydowe pomiędzy resztami cukrowymi, co prowadzi do depolimeryzacji glikozaminoglikanów, w tym kwasu hialuronowego. Biorąc pod uwagę, jaką rolę odgrywa on w tworzeniu prawidłowej struktury substancji międzykomór-kowej tkanki łącznej, nie można przecenić roli RFT w starzeniu się skóry.

Tlen długo uważano za pierwiastek wyłącznie dobroczynny, ratujący ży-cie. Był często i w dużych ilościach używany w medycynie, podawany w inha-lacjach, w inkubatorach, ponieważ w widoczny sposób poprawiał jakość życia pacjentów. Szybko jednak przekonano się, że jest to działanie doraźne, chwilo-we, a jednocześnie dokonywane są wielkie, często nieodwracalne uszkodzenia w narządach organizmu, od obrzęków i zwłóknienia płuc, ślepoty wskutek zwłóknienia pozasoczewkowego, uszkodzeń tkanki nerwowej, do subtelniejszej, trudniej uchwytnej degradacji struktur komórkowych i tkankowych. Obecnie wszelkich zabiegów z tlenem w medycynie używa się bardzo ostrożnie, ponie-waż spodziewane efekty często nie usprawiedliwiają ryzyka.

Dlatego też, kiedy firmy kosmetyczne promują swoje wyroby, twierdząc np. (i tak bez żadnego uzasadnienia), że „ekstrakt z pąków buku (lub losowo wybranego innego surowca) zwiększa dotlenienie komórek o 70%”, raczej dzia-łają na swoją niekorzyść. Wiedząc o działaniu tlenu i jego reaktywnych form nieco więcej, poszukuje się raczej ich antagonistów – substancji niszczących reaktywne formy tlenu czy wolne rodniki w ogóle. Substancje te, czyli przeci-wutleniacze (antyoksydanty), reagują z wolnymi rodnikami w taki sposób, że produkt reakcji nie jest reaktywny.

Do naturalnych mechanizmów obronnych przeciwko wolnym rodnikom należą przede wszystkim enzymy unieczynniające je: dysmutazy ponadtlenko-we, katalazy (enzymy te zawierają miedź i cynk, co tłumaczy wartość tych pier-wiastków w walce z wolnymi rodnikami, choć ich działanie nie jest jednoznacz-nie pozytywne), peroksydazy (w tym glutationowa, zawierająca selen oraz cyto-chromu c). Ponadto do białkowych układów chroniących przed reaktywnymi formami tlenu można zaliczyć część białek niebędących enzymami, jak albumi-nę krwi, wiążącą jony miedzi, mogące wywoływać peroksydację.

Poza enzymami do przeciwutleniaczy (antyoksydantów) należy wiele in-nych związków, które ze względu na ich charakter dzieli się na

przeciwutlenia-cze hydrofilowe i hydrofobowe. Najsilniejszymi przeciwutleniaczami

hydrofi-lowymi są: glutation (trójpeptyd zbudowany z glutaminianu, cysteiny i glicyny) i askorbinian (witamina C), ponadto cysteina, kwas moczowy, kreatynina, ptery-dyny, karnozyna, melatonina, melanina. Istnieje wiele antyoksydantów roślin-nych, które mogą również potencjalnie działać w tkankach ludzkich, po spoży-ciu pokarmu roślinnego, pod warunkiem, że zostaną wchłonięte w przewodzie pokarmowym: antocyjaniny, flawonoidy, kwas fitynowy.

Antyoksydantem hydrofobowym o zdecydowanie najsilniejszym działa-niu jest α-tokoferol, czyli witamina E. Ponadto zaliczyć tu należy roślinne karo-tenoidy, ksantofile, a także bilirubinę i ubihydrochinon (koenzym Q) oraz

żeń-skie hormony płciowe, pochodne estronu i estradiolu (być może jest to jeden z powodów, dla których kobiety żyją dłużej niż mężczyźni, poza tym, że kobie-tom z mężczyznami jest dużo łatwiej wytrzymać niż odwrotnie).

Często można się spotkać z określeniem np. kwasu moczowego, moczni-ka, alantoiny (powstającej w dalszym metabolizmie moczanu) czy bilirubiny (produkt rozpadu hemu – składnika hemoglobiny) jako „niepotrzebnych i szko-dliwych produktów przemiany materii” i z koniecznością ich „wypłukiwania z komórek i tkanek” (cokolwiek to znaczy). W rzeczywistości związki te speł-niają bardzo istotną biologicznie funkcję: są silnymi przeciwutleniaczami. Kwas moczowy wiąże jony żelaza, poza tym, może być utleniany przez RFT do mało aktywnego wolnego rodnika moczanowego. Jedna cząsteczka bilirubiny chroni przed peroksydacją ponad 100 cząsteczek kwasu linolenowego, dezaktywuje tlen singletowy i rodniki nadtlenkowe²⁸.