Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

Życiodajny tlen zabija!

obrazek: fot.nadesłana]
fot. nadesłana

Wśród organizmów żyjących na Ziemi większość, podobnie jak my sami, potrzebuje tlenu dla utrzymania się przy życiu. Jednak naprawdę tlen nie jest aż tak niezbędnym warunkiem życia, o czym świadczy obecność na Ziemi form, które określamy jako beztlenowe. Te zaś, a wśród nich wiele bakterii, radzą sobie lepiej w środowisku ubogim w tlen, lub wręcz całkowicie go pozbawionym.

Organizmy, które w przebiegu ewolucji włączyły jednak tlen w swoją przemianę materii, płacą za tę wygodę, bo efektywniej pozyskują energię, naprawdę wysoką cenę. Borykają się, bowiem z problemem toksyczności tlenu, a raczej powstających z niego wolnych rodników. W wyniku oddziaływania tych niezwykle reaktywnych cząsteczek powstają uszkodzenia w komórkach i będąc kumulowane, mogą być przyczyną rozwoju nowotworów, cukrzycy, miażdżycy czy choroby Alzheimera i są, jak się dziś powszechnie uważa, jednym z czynników starzenia. Jeśli do tego dodamy, że wolne rodniki są obecne wszędzie, bo w zanieczyszczonym powietrzu, dymie papierosowym, niezdrowych pokarmach i produkowane w ogromnych ilościach w nas samych, skala problemu wydaje się być znacząca.

Zatem życiodajny tlen, będąc źródłem rodników, jest jednocześnie czynnikiem limitującym jakość i długość naszego życia.

Tlen dla życia na Ziemi

Tlen powszechnie występuje w przyrodzie. Wiążąc się z innymi pierwiastkami tworzy tlenki, a wśród nich największe znaczenie dla życia ma tlenek wodoru, czyli woda. Bez wody też nam trudno wyobrazić sobie życie. Pierwotnym źródłem tlenu cząsteczkowego na Ziemi była właśnie woda. Cząsteczki wody naświetlane promieniowaniem o długości fali poniżej 250 nm ulegają fotolizie, to znaczy rozpadowi na wodór i tlen. Gdy w początkach istnienia Ziemi stężenie tlenu osiągnęło w atmosferze 1/1000 wartość obecnego stężenia wytwarzał on już, jednak dość skromną, warstwę ochronną dla naszej planety.

Przy tak małym stężeniu tlenu powstawały z niego bowiem tylko śladowe ilości ozonu, który dziś tworzy ochronną kołderkę nad Ziemią. Zatem nasza planeta wówczas była jeszcze poddana silnemu naświetlaniu promieniami UV. Po 2-2,5 miliardach lat historii Ziemi, dzięki fotosyntetycznej działalności sinic (proste organizmy zaopatrzone w aparat fotosyntezy – procesu, w którym powstają związki organiczne i tlen, z wody i dwutlenku węgla- podobnie jak u współczesnych roślin), wzrosła koncentracja tlenu w atmosferze. Konsekwencją tego, było utworzenie w górnych partiach atmosfery większej warstwy ozonu i odcięcie dopływu promieni UV.

Ponieważ promieniowanie UV jest szkodliwe, a nawet zabójcze dla żywych organizmów takie ochronne działanie tlenu i ozonu ma dla trwania życia na Ziemi pierwszorzędne znaczenie. Wraz ze wzrostem stężenia tlenu w atmosferze ziemskiej powstały warunki dla rozpowszechnienia się form życia, takich jak my, całkowicie uzależnionych od tlenu i to do takiego stopnia, że już kilkuminutowy brak tlenu sprowadza na nas śmierć. Okazuje się jednak że i jego nadmiar, wolniej, lecz równie skutecznie zabija.

Toksyczność tlenu została poznana

Człowiek żyje w atmosferze zawierającej 1/5 część tlenu i wcale nie czuje się lepiej przy wyższych stężeniach tlenu, a wręcz przeciwnie. U człowieka narządem najbardziej wrażliwym na tlen są płuca pomimo, że jest to narząd intensywnie natlenowany. Udowodniono już dość dawno, że oddychanie czystym tlenem (6 godzin) pod ciśnieniem 1 atmosfery prowadzi do zaburzeń w funkcjonowaniu dróg oddechowych.

W latach 40. ubiegłego stulecia opisano chorobę oczu - zwłóknienie pozasoczewkowe, prowadzącą do ślepoty. Następnie okazało się, że był to wynik nadmiaru tlenu w inkubatorach, w których przetrzymywano przedwcześnie urodzone dzieci (wcześniaki). Dziesięciodobowy kontakt wcześniaków z atmosferą zawierającą 35-40% tlenu prowadzi do ślepoty. Jest to wynik zanikania naczyń krwionośnych, a nowo powstające naczynia wrastają w ciało szkliste oka prowadząc do odklejania się siatkówki. Obecnie ściśle kontrolowane jest stężenie tlenu w inkubatorach, a i tak   słyszymy o przypadkach utraty wzroku u wcześniaków. Również w odniesieniu do innych organizmów tlen wykazuje toksyczne działanie. Czysty tlen o ciśnieniu 0,3 atmosfery  skraca długość życia muszki owocowej Drosophila melanogaster , a ciśnienie 1 atmosfery tlenu jest dla tych owadów zabójcze.

W tym aspekcie nie powinna nas dziwić krótka kariera tzw. barów tlenowych, jakie powstawały na całym świecie w latach 90 (w Polsce od 1998 roku). Okazało się bowiem, że ruch na świeżym powietrzu zawierającym 21% życiodajnego tlenu jest lepszym sposobem na jego szybszą wymianę w tkankach i poprawę krążenia niż wdychanie czystego tlenu. Zresztą nasz organizm dość skutecznie chroniony jest przed nadmiarem tlenu i jego metabolitów i nie da się na zapas wprowadzać jego nadmiaru do tkanek.

Dlaczego tlen może być toksyczny?

Każdy oddech jest równoznaczny z wprowadzeniem do płuc około 0,5 litra powietrza zawierającego około 100 ml tlenu. Podczas spokojnego oddychania przepuszczamy co minutę przez płuca 1,5 l tlenu. Wysiłek fizyczny oczywiście zwiększa tę ilość nawet dziesięciokrotnie. Z płuc tlen trafia do krwi i z nią rozprowadzany jest do wszystkich tkanek i komórek organizmu.

W komórkach wchodzi w serię skomplikowanych procesów biochemicznych gwarantujących pozyskiwanie życiodajnej energii. Zatem najwięcej tlenu trafia do komórkowych siłowni energetycznych – mitochondriów, produkujących energię wykorzystywaną następnie do przebiegu procesów życiowych. Większość tlenu ulega przy tym czteroelektronowej redukcji zamieniając się w wodę. Jednak część, nawet w ilości 4-5%,  dostaje tylko jeden electron, zamieniając się w niezwykle agresywną formę tlenu znaną jako anionorodnik ponadtlenkowy. Powstający w ten sposób anionorodnik ponadtlenkowy jest wolnym rodnikiem tlenowym.

Może go powstać w naszym ciele nawet 2 kg rocznie i więcej! Wolny rodnik posiada jeden niesparowany elektron na orbicie zewnętrznej. W tym właśnie tkwi sedno toksyczności tlenu. Cząsteczki takie dążą bowiem do sparowania elektronów i wchodzą w reakcje z każdą napotkaną na swojej drodze cząsteczką. Wiele z takich interakcji może być niekorzystnych prowadząc do uszkodzenia wielu ważnych dla życia molekuł w tym DNA, siedliska naszych genów.

Rodniki modyfikują co się da...

Rodzina wolnych rodników jest znacznie większa i powstają one jeszcze w wielu innych procesach zachodzących w organizmie. Są to tlenek azotu, rodnik hydroksylowy, czy nadtlenek wodoru (woda utleniona), który co prawda sam nie jest wolnym rodnikiem, ale bardzo łatwo w takie formy może być przekształcany np. w obecności nadmiernych ilości żelaza. Uwaga więc na preparaty i odżywki zawierające duże ilości tego metalu (żelazo dostępne jest w naturalnej żywności, a w organizmie magazynuje je np. hemoglobina, białko czerwonych krwinek).

Wolne rodniki szybko i chętnie reagują z różnymi cząsteczkami, często prowadząc do ich uszkodzeń. Jeśli są to składniki komórek, takie jak DNA, białka czy lipidy, wolne rodniki mogą prowadzić poprzez ich uszkodzenia do wielu powikłań w funkcjonowaniu komórek i całego organizmu. Produktem tlenowych uszkodzeń DNA jest np. zmodyfikowana zasada azotowa (8-oksyguanina). Taka zmodyfikowana zasada, jeśli nie zostanie usunięta z DNA (dzięki mechanizmom naprawczym), ma znaczenie mutagenne i może być przyczyną rozwoju różnych typów nowotworów.

Oczywiście organizmy posiadają złożone systemy chroniące przed działaniem agresywnych rodników tlenowych. Są to enzymy (dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza, peroksydaza glutationowa), nieenzymatyczne antyoksydanty, jak kwas moczowy, glutation, witaminy A, C, E, polifenole zawarte w pokarmach (słynny już rezweratrol w czerwonym winie i winogronach), oraz złożone systemy naprawy już uszkodzonych cząsteczek, głównie naprawy uszkodzonego DNA. Pomimo działania tych systemów ochronnych nieuniknionym efektem życia w warunkach tlenowych są  wolnorodnikowe uszkodzenia składników komórek.

Obecnie nie mamy już wątpliwości, że uszkodzenia siane w komórkach, i poza nimi, przez wolne rodniki leżą u podłoża chorób człowieka, do których zalicza się np. nowotwory, choroby sercowo-naczyniowe, czy choroby neurodegeneracyjne (choroba Alzheimera, Parkinsona). Także zespół Downa, zespoły przyspieszonego starzenia (progerie) czy choroby oczu (zaćma).

Wiadomo również, że kumulujące się w trakcie życia wolnorodnikowe uszkodzenia są przyczyną starzenia. Zatem paradoksalnie tlen warunkujący życie organizmów uzależnionych od jego dostępności byłby również czynnikiem limitującym czas ich życia. Znajduje to odbicie w tzw. wolnorodnikowej teorii starzenia się, która przeżywa swój renesans (ogłoszona przez D. Harmana w roku 1956, aktualnie znajduje potwierdzenie w coraz większej liczbie prowadzonych badań).  Przy czym to właśnie mitochondria określane są jako swoisty zegar biologiczny odmierzający czas życia organizmu.

Na przykład, okres życia myszy wynosi około 2 lat, co wyjaśnia się faktem, że mitochondria tych zwierząt pracują (zużywają tlen) 40-krotnie intensywniej w porównaniu do mitochondriów człowieka (żyjemy 40. krotnie dłużej od myszy), wytwarzając jednocześnie duże ilości wolnych rodników. Ciekawe są też wyniki badań ogłoszone w 1994 roku w czasopiśmie Science. Udowodniono w  nich, że genetycznie zmodyfikowane muszki owocowe, odporne na działanie wolnych rodników, żyją dłużej nawet o 30%.

 Szkodzą, ale i pomagają

W trwającej miliony lat ewolucji biochemicznej wolne rodniki tlenowe powstające w organizmach zostały zaprzęgnięte w metabolizm komórkowy pełniąc istotne dla trwania życia funkcje. Obecnie wiemy, że wolne rodniki tlenowe są wytwarzane przez komórki fagocytujące (układu odpornościowego), a przez to chronią nasz organizm przed mikroorganizmami chorobotwórczymi. Obliczono, że pobudzona komórka układu odpornościowego w ciągu sekundy produkuje 3,2 mln cząsteczek anionorodników ponadtlenkowych i 3,6 mln cząsteczek wody utlenionej. W tym przypadku stanowią one jednak broń obosieczną.

O ile wolne rodniki są bronią  skierowaną przeciw bakteriom, czy innym pasożytom, to przy przedłużających się infekcjach i ich nadprodukcji mogą jako efekt uboczny działania uszkadzać także nasze własne zdrowe tkanki. Na dłuższą metę takie oddziaływanie (np. przy przedłużającym się stanie zapalnym) może prowadzić nawet do indukcji zmian nowotworowych.

Wolne rodniki są też znaczącym mediatorem w procesach przekazywania sygnału pomiędzy komórkami i czynnikiem regulującym podziały komórkowe (mnożenie się komórek). Takie rodniki jak anionorodnik ponadtlenkowy i tlenek azotu są czynnikami produkowanymi przez komórki ściany naczyń krwionośnych. Regulują przy tym w warunkach fizjologicznych, skurcze i rozkurcze mięśniówki naczynia, tym samym regulując ciśnienie krwi. Anionorodnik ponadtlenkowy kurczy mięśnie naczynia i jego nadprodukcja wiązana jest obecnie z nadciśnieniem. Tlenek azotu rozkurcza mięśniówkę naczyń, co wiąże się z gwałtownym obniżeniem ciśnienia, jakie obserwowane jest w stanie zapaści.

Znajomość biologii wolnych rodników skutkuje zastosowaniem ich w terapii chorób człowieka. Należy tu wskazać na terapię przeciwnowotworową (wygenerowane naświetlaniem, czy chemioterapią rodniki zabijają komórki nowotworowe), czy leczenie chorób sercowo-naczyniowych (nitrogliceryna stosowana w leczeniu dusznicy bolesnej generuje  tlenek azotu, naturalnie regulujący napięcie mięśniówki naczyń krwionośnych). Podobnie modna od wielu lat niebieska kapsułka – Viagra – działa poprzez generowanie tlenku azotu. Relaksacja mięśniówki umożliwia, w tym przypadku, wypełnienie krwią ciał jamistych i usztywnienie prącia. Tlenek azotu odgrywa też rolę jako czynnik zwalczający infekcje i uczestniczy w przesyłaniu sygnałów nerwowych regulujących zachowanie.

Nie dziwi więc, że w roku 1998 trzech Amerykanów otrzymało Nagrodę Nobla właśnie za odkrycia dotyczące roli tlenku azotu, które miały też bezpośredni związek z opracowaniem viagry. Leczenie ozonem (ozonoterapia) to również przykład stosowania aktywnych form tlenu w terapii; wciąż jeszcze  ozonoterapia uznawana jest raczej za niekonwencjonalna formę leczenia. Chociaż ostatnio niektóre firmy oferują nawet sprzęt stomatologiczny do bezbolesnego leczenia zmian próchniczych zęba właśnie ozonem (np. metoda Healozone).

Brak tlenu uniemożliwiałby zatem rozwój i istnienie życia w takiej postaci, w jakiej  występuje ono na Ziemi, równocześnie ten sam czynnik może być niebezpiecznym i poprzez wolne rodniki tlenowe może uczestniczyć w patogenezie chorób i może być czynnikiem ograniczającym długość życia organizmów zależnych od tlenu.

Dr Marek Jurgowiak – popularyzator nauk biomedycznych, adiunkt w Katedrze Biochemii Klinicznej Collegium Medicum UMK, Rada Programowa TFNiS oraz Centrum Nowoczesności Młyn Wiedzy w Toruniu.

Słowniczek:

  • Wolne rodniki – atomy lub cząsteczki z niesparowanym elektronem na powłoce zewnętrznej, dążność do sparowania elektronu czyni je bardzo aktywnymi;
  • O2 ● –    – anionorodnik ponadtlenkowy (kropka to symbol rodnika), masowo produkowany podczas oddychania komórkowego;
  • NO – tlenek azotu, regulator ciśnienia krwi i czynnik sprawczy sukcesu Viagry;
  • H2O2 – nadtlenek wodoru (woda utleniona), powstaje w dużych ilościach w organizmie i może być zamieniany do form wolnych rodników, choć sam wolnym rodnikiem nie jest;
  • OH – rodnik hydroksylowy, najgroźniejszy z rodników tlenowych sieje spustoszenie w komórkach, łatwo powstaje w obecności żelaza;
  • O3 – ozon, trójatomowa postać tlenu, chroni Ziemię przed promieniowaniem UV, powstaje podczas burzy w wyniku wyładowań atmosferycznych- tlen zamieniany jest wówczas w ozon, znajduje zastosowania w terapii chorób i kosmetologii oraz w odnowie biologicznej;

Antyoksydanty – enzymy, witaminy, polifenole i inne substancje hamujące powstawanie lub neutralizujące wolne rodniki tlenowe.

pozostałe wiadomości

galeria zdjęć