Biol1 - Edupress

z zagadnieƒ wspó∏czesnej biologii
˚yciodajny tlen
– czy mo˝e byç niebezpieczny
Uszkodzenia makroczàsteczek powodowane przez wolne rodniki le˝à
u pod∏o˝a wielu chorób cz∏owieka jak np. nowotwory, choroby sercowo
naczyniowe, czy neurodegeneracyjne (choroba Alzheimera, Parkinsona).
Wiadomo równie˝, ˝e kumulujàce si´ w trakcie ˝ycia wolnorodnikowe
uszkodzenia sà przyczynà starzenia si´ organizmów.
MAREK JURGOWIAK
T
len (O2), to po wodorze i helu najpowszechniej wyst´pujàcy we WszechÊwiecie i przyrodzie pierwiastek.
Wagowo to najwa˝niejszy sk∏adnik litosfery, hydrosfery i organizmów ˝ywych. W zetkni´ciu z metalami tworzy tlenki i spora jego iloÊç jest uwi´ziona w tej formie w skorupie ziemskiej.
dzia∏anie tlenu i ozonu ma dla ˝ycia na Ziemi pierwszorz´dne znaczenie.
W atmosferze ozon powstaje w wyniku
dzia∏ania wysokoenergetycznego promieniowania UV na dwuatomowy tlen:
UV
O2 ➝ O + O
O + O2 ➝ O3
JednoczeÊnie odbywa si´ proces odwrotny, prowadzàc do dysocjacji ozonu:
UV
˚yciodajny tlen. Ziemia powsta∏a 4,5-5 miliardów lat temu. Pierwotnym êród∏em tlenu
czàsteczkowego na Ziemi by∏a woda. Czàsteczki wody naÊwietlane promieniowaniem
o d∏ugoÊci fali poni˝ej 250 nm ulegajà fotolizie, to znaczy rozpadowi na wodór i tlen.
Gdy st´˝enie tlenu osiàgn´∏o w atmosferze
1/1000 wartoÊci obecnego st´˝enia, wytwarza∏ on warstw´ ochronnà. Przy tak ma∏ym
st´˝eniu tlenu powstawa∏y jednak tylko Êladowe iloÊci ozonu (O3, ozon to alotropowa
odmiana tlenu w postaci czàsteczek trójatomowych). Zatem ówczesna atmosfera by∏a
jeszcze poddana silnemu naÊwietlaniu promieniami UV o wysokiej energii fotonów.
Obecnie promienie takie sà poch∏aniane
przez ozon i tlen obecny w atmosferze i nie
docierajà prawie do powierzchni Ziemi. Poniewa˝ promieniowanie UV jest szkodliwe,
a nawet zabójcze dla ˝ywych organizmów
(jest czynnikiem mutagennym) – ochronne
12
12
O3 ➝ O2 + O
O + O3 ➝ 2O2
Ustala si´ stan równowagi, od którego zale˝y iloÊç atmosferycznego ozonu oraz stopieƒ poch∏aniania promieniowania UV.
Konsekwencje koncentracji tlenu. Po 2-2,5
miliardach lat historii Ziemi, dzi´ki fotosyntetycznej dzia∏alnoÊci sinic wzros∏a koncentracja tlenu w atmosferze. Konsekwencjà tego by∏o utworzenie w górnych partiach atmosfery warstwy ozonu i odci´cie dop∏ywu
promieni UV. Dalszà konsekwencjà by∏o
stworzenie warunków sprzyjajàcych tlenowemu oddychaniu.
Wi´kszoÊç organizmów – w tym cz∏owiek –
potrzebuje tlenu dla podtrzymania procesów
˝yciowych, sà to organizmy tlenowe (aerobowe). W procesie oddychania komórkowego
mitochondria organizmów eukariotycznych
biologia w szkole
z zagadnieƒ wspó∏czesnej biologii
konsumujà znaczne iloÊci tlenu – wykorzystujà
85-95% tlenu zu˝ywanego przez komórk´.
W mitochondrialnym ∏aƒcuchu oddechowym
tlen w wyniku czteroelektronowej redukcji
ulega konwersji do wody. Jednak oko∏o 4-5%
tlenu ulega w mitochondriach jednoelektronowej redukcji w wyniku czego powstaje aktywna forma tlenu – anionorodnik ponadtlenkowy. Ma to swoje dalsze konsekwencje.
Cz∏owiek ˝yje w atmosferze zawierajàcej
21% tlenu i wcale nie czuje si´ lepiej przy
wy˝szych jego st´˝eniach – wr´cz przeciwnie.
Zatem mo˝na mówiç o potencjalnej toksycznoÊci tlenu.
ToksycznoÊç tlenu jest znana. Czysty tlen
o ciÊnieniu 0,3 atmosfery skraca d∏ugoÊç ˝ycia muszki owocowej Drosophila melanogaster, a ciÊnienie 1 atmosfery tlenu jest dla niej
zabójcze (letalne). U cz∏owieka narzàdem
najbardziej wra˝liwym na tlen sà p∏uca (pomimo, ˝e jest to narzàd najbardziej natlenowany). Udowodniono ju˝ doÊç dawno, ˝e oddychanie czystym tlenem (6 godzin) pod ciÊnieniem 1 atmosfery prowadzi do zaburzeƒ
w funkcjonowaniu dróg oddechowych.
Równie wra˝liwe na dzia∏anie tlenu sà
oczy. W latach 40. ubieg∏ego stulecia opisano
chorob´ oczu – zw∏óknienie pozasoczewkowe, prowadzàce do Êlepoty. Nast´pnie wykazano, ˝e by∏ to rezultat nadmiaru tlenu w inkubatorach, w których przetrzymywano
przedwczeÊnie urodzone dzieci (wczeÊniaki).
Dziesi´ciodobowy kontakt wczeÊniaków z atmosferà zawierajàcà 35-40% tlenu prowadzi
do Êlepoty. Jest to wynik zwyrodnienia naczyƒ krwionoÊnych, a nowopowstajàce naczynia wrastajà w cia∏ko szkliste oka prowadzàc do odrywania si´ siatkówki.
Dlaczego tlen mo˝e byç toksyczny? Tlen
czàsteczkowy jest utleniaczem. Reagujàc ze
zwiàzkami organicznymi utlenia je pobierajàc od nich elektrony – a sam ulega redukcji.
Tlen reaguje z wieloma zwiàzkami jednoelektronowo przyjmujàc od nich elektron.
Produktem tej reakcji jest anionorodnik ponadtlenkowy O2.-:
O2 + e ➝ O2.-
1/2004
Powsta∏y w powy˝szej reakcji anionorodnik ponadtlenkowy jest wolnym rodnikiem
tlenowym (du˝e iloÊci tych czàsteczek powstajà w mitochondriach komórek aerobowych). Wolny rodnik posiada jeden niesparowany elektron na orbicie zewn´trznej i jest
to anion (∏adunek ujemny spowodowany jest
obecnoÊcià dodatkowego elektronu).
Wolne rodniki. W nich w∏aÊnie tkwi sedno
toksycznoÊci tlenu. To wolne rodniki – pochodne metabolizmu tlenu o du˝ej reaktywnoÊci stanowià o takich w∏aÊciwoÊciach. Dà˝àc do sparowania elektronów, wolne rodniki
szybko i ∏atwo reagujà z ró˝nymi czàsteczkami. JeÊli tymi czàsteczkami sà sk∏adniki komórek, takie jak DNA, bia∏ka czy lipidy, wolne
rodniki mogà prowadziç do ich uszkodzenia.
Produktem tlenowych uszkodzeƒ DNA
jest np. 8-OHGua czyli tlenowo zmodyfikowana zasada azotowa (8-hydroksyguanina).
Taka zmodyfikowana zasada, jeÊli nie zostanie usuni´ta z DNA (dzi´ki enzymatycznym
mechanizmom naprawy), ma znaczenie mutagenne i mo˝e byç przyczynà rozwoju ró˝nych stanów patologicznych. Podobnie, utlenianie bia∏ek prowadzi do powstawania grup
Organizmy posiadajà z∏o˝one systemy chroniàce przed dzia∏aniem
agresywnych rodników tlenowych. Sà to enzymy (dysmutaza
ponadtlenkowa, katalaza, peroksydaza glutationowa) a tak˝e nieenzymatyczne antyoksydanty jak
kwas moczowy, glutation, witaminy A, C, E oraz z∏o˝one systemy
naprawy ju˝ uszkodzonych czàsteczek, g∏ównie naprawy DNA.
Pomimo dzia∏ania tych systemów
ochronnych nieuniknionym efektem ˝ycia w warunkach tlenowych
sà wolnorodnikowe uszkodzenia
sk∏adników komórek.
13
13
z zagadnieƒ wspó∏czesnej biologii
w metabolizm komórkowy (sà produktem
przemian komórkowych nie tylko ubocznym,
sà te˝ wytwarzane przez z∏o˝one systemy generujàce rodniki w celach fizjologicznych),
to zapewne pe∏nià tak˝e istotne funkcje w ˝ywych organizmach.
Obecnie wiemy, ˝e wolne rodniki tlenowe
sà wytwarzane przez komórki fagocytujàce,
a przez to chronià nasz organizm przed mikroorganizmami chorobotwórczymi. Sà te˝
znaczàcym mediatorem w procesach przekaTeoria starzenia si´ organizmów.
zywania sygna∏u pomi´dzy komórkami.
Obecnie nie mamy ju˝ wàtpliwoZnajomoÊç biologii wolnych rodników
Êci, ˝e uszkodzenia makroBrak
skutkuje zastosowaniem ich w terapii
czàsteczek powodowane
tlenu uniechorób cz∏owieka. Nale˝y tu wskaprzez wolne rodniki le˝à
mo˝liwia∏by istzaç na terapi´ przeciwnowotworou pod∏o˝a wielu chorób
nienie ˝ycia w takiej
wà, leczenie chorób sercowo-napostaci, w jakiej wyst´cz∏owieka, do których
puje na Ziemi. Równoczyniowych (nitrogliceryna stozalicza si´ np. nowoczeÊnie O2 mo˝e te˝ byç
sowana w leczeniu dusznicy botwory, choroby serconiebezpieczny i poprzez
lesnej generuje tlenek azotu
wo naczyniowe, czy
wolne rodniki tlenowe
mo˝e uczestniczyç w patoNO., wolny rodnik naturalnie rechoroby neurodegenegenezie
chorób
a
tak˝e
gulujàcy napi´cie mi´racyjne (choroba Albyç czynnikiem limituÊniówki naczyƒ krwionozheimera, Parkinsona).
jàcym d∏ugoÊç ˝ycia
Ênych). Podobnie, modWiadomo równie˝, ˝e kuorganizmów.
na ostatnio niebieska
mulujàce si´ w trakcie ˝ycia
kapsu∏ka – Viagra – dziawolnorodnikowe uszkodzenia
∏a poprzez generowanie
sà przyczynà starzenia si´ organitlenku azotu. Leczenie
zmów. Zatem paradoksalnie – tlen warunozonem to równie˝ przyk∏ad stosowania akkujàcy ˝ycie organizmów aerobowych by∏by
tywnych form tlenu w terapii, uznawane wcià˝
równie˝ czynnikiem limitujàcym czas ich ˝yza niekonwencjonalnà form´ leczenia. cia. Znajduje to odbicie w tzw. wolnorodnikowej teorii starzenia si´, która prze˝ywa
ostatnio swój renesans (og∏oszona przez D.
P IÂMIENNICTWO
Harmana w roku 1956, aktualnie znajduje
Bartosz G. – Druga twarz tlenu. Wolne rodniki
potwierdzenie w coraz wi´kszej liczbie prow przyrodzie. Warszawa 2003, PWN
wadzonych badaƒ). Przy czym to w∏aÊnie mi Jurgowiak M., Oliƒski R. – Uszkodzenia jàdrowego
tochondria okreÊlane sà jako swoisty zegar
i mitochondrialnego DNA w procesach starzenia.
biologiczny odmierzajàcy czas ˝ycia organiKosmos 48 (2), 235-244, 1999
zmu. Na przyk∏ad, okres ˝ycia myszy wynosi
Oliƒski R., Jurgowiak M. – Oksydacyjne uszkodzeoko∏o 2 lat, co wyjaÊnia si´ faktem, ˝e mitonia DNA (8-oksodG) – biomarkerem niektórych
chondria tych zwierzàt pracujà (zu˝ywajà
chorób cz∏owieka. Kosmos 48 (3), 329-338, 1999
tlen) 40-krotnie intensywniej w porównaniu
do mitochondriów cz∏owieka, wytwarzajàc
dr n. med. MAREK JURGOWIAK
jednoczeÊnie du˝e iloÊci O2.-.
karbonylowych. Utlenianie lipidów skutkuje
powstawaniem produktów peroksydacji takich, jak np. dialdehyd malonowy. Produkty
utleniania makroczàsteczek mogà stanowiç
dobre markery (znaczniki) wolnorodnikowych uszkodzeƒ sk∏adników komórkowych.
OczywiÊcie organizmy posiadajà z∏o˝one
systemy chroniàce przed dzia∏aniem agresywnych rodników tlenowych (patrz s.13).
2
Wolne rodniki – funkcje pozytywne. Nie nale˝y przy tym zapominaç, ˝e skoro w trakcie
trwajàcej miliony lat ewolucji biochemicznej
wolne rodniki tlenowe zosta∏y w∏àczone
14
14
starszy wyk∏adowca w Katedrze i Zak∏adzie
Biochemii Klinicznej Akademii Medycznej
im. L. Rydygiera w Bydgoszczy
i nauczyciel biologii w Collegium Salesianum
w Bydgoszczy
biologia w szkole