Review article
Reactive oxygen species – physiological and pathological function in the human body

Tlen, którym oddychamy, ulega w organizmie czteroetapowej redukcji, w wyniku której powstaje cząsteczka wody. Produkty niecałkowitej redukcji cząsteczki tlenu nazwano reaktywnymi formami tlenu, – RFT (tab. I). Mogą być to neutralne cząsteczki lub jony oraz wolne rodniki tlenowe. Wolne rodniki tlenowe są bardzo reaktywne, szybko wchodzą w reakcje, w tym łańcuchowe. Reagują z białkami, lipidami, cukrami i kwasami nukleinowymi obecnymi w komórkach, prowadząc do powstania kolejnych produktów wolnorodnikowych. Jednym z najbardziej reaktywnych wolnych rodników jest rodnik hydroksylowy (OH^•) [1].
Źródła reaktywnych form tlenu w organizmie
Organizmy żywe wytwarzają RFT w wielu podstawowych procesach biochemicznych, takich jak łańcuch oddechowy, metabolizm nukleotydów purynowych, mikrosomalny cykl hydroksylacyjny (cytochrom P-450), reakcje zachodzące z udziałem oksydoreduktaz. Produktem tych reakcji jest najczęściej anionorodnik ponadtlenkowy lub nadtlenek wodoru. Powstające RFT są produktami pośrednimi, które powinny ulec dalszej redukcji w kolejnych etapach reakcji biochemicznych, jednak z różnych przyczyn nie zawsze tak się dzieje.
Metaboliczne działania reaktywnych form tlenu
W warunkach homeostazy RFT pełnią funkcje mediatorów i regulatorów metabolizmu – indukują różnicowanie komórek, aktywują wiele genów, m.in. onkogen c-fos, indukują apoptozę, wpływając na syntezę, uwalnianie lub inaktywację śródbłonkowego czynnika rozszerzającego naczynia (EDRF), działają rozszerzająco bądź kurcząco na ścianę naczyń krwionośnych, zwiększają przepuszczalność ścian naczyń włosowatych, stymulują transport glukozy do komórek, serotoniny do płytek krwi. Wpływają na przekazywanie sygnałów do komórek i wewnątrz komórek, regulują ekspresję genów. Mogą stawać się wtórnymi przekaźnikami zarówno w procesie wzrostu, jak i śmierci komórki. Aktywują białka kierujące podziałami komórkowymi (mitogenic activated protein). Biorą udział w procesach obronnych organizmu. Nadtlenki regulują ponadto syntezę prostanoidów.
Toksyczne działanie reaktywnych form tlenu – stres oksydacyjny
Nadmierna produkcja RFT oraz wyczerpanie przez organizm rezerw antyoksydacyjnych jest zjawiskiem nazywanym „stresem oksydacyjnym”. Stres oksydacyjny prowadzi do utleniania białek, co powoduje modyfikację ich struktury i zaburzenie funkcji. Następuje też utlenianie lipidów, uszkodzenia kwasów nukleinowych, depolimeryzacja kwasu hialuronowego i gromadzenie IgG. Reaktywne formy tlenu inaktywują ponadto inhibitory proteaz, co nasila działanie proteolityczne tych enzymów na tkanki. Wysokie stężenia RFT wyzwalają reakcje łańcuchowe, nasilające procesy uszkadzania biocząsteczek. Utlenianiu ulegają reszty wielonienasyconych kwasów tłuszczowych wchodzące w skład fosfolipidów, które są głównym składnikiem budulcowym błon komórkowych. Produkty takiej nieenzymatycznej peroksydacji lipidów zmieniają właściwości fizyczne błon komórkowych, co może prowadzić do ich uszkodzenia. Na poziomie molekularnym RFT powodują degradację kolagenu, zaburzenia syntezy i inaktywację proteoglikanów, inaktywację enzymów, pęknięcia nici DNA, uszkodzenie chromosomów, powstawanie mutacji prowadzących do zmian nowotworowych, inhibicję fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach, zaburzenia struktury cytoszkieletu (polimeryzację aktyny, rozerwanie mikrofilamentów), modyfikację właściwości antygenowych komórek oraz zaburzenie wewnątrzkomórkowej homeostazy wapnia.
Mechanizmy obronne komórek przed reaktywnymi formami tlenu
W komórkach istnieje wiele skutecznych mechanizmów chroniących przed toksycznym działaniem RFT. W warunkach homeostazy, dzięki działaniu enzymatycznych i nieenzymatycznych antyoksydantów, nadmiar RFT jest likwidowany i uszkodzenia biomolekuł są naprawiane (tab. II) [2, 3]. W miejscu lokalnego pojawienia się nadmiaru RFT są uruchamiane mechanizmy obronne. To, który antyoksydant zostanie użyty w reakcji z rodnikiem lub inną reaktywną formą tlenu, zależy od jej właściwości i miejsca powstania oraz od tego, jakie struktury mogą potencjalnie stać się jej celem. Kwas askorbinowy jest najskuteczniejszym antyoksydantem rodników rozpuszczalnych w wodzie. Kwas moczowy najlepiej neutralizuje działanie dwutlenku azotu. W walce z żelazozależną peroksydacją lipidów najbardziej skutecznymi antyoksydantami są transferyna i ceruloplazmina [2, 4, 5]. Warto zauważyć, że w odpowiedzi na stres oksydacyjny bierze udział nie pojedynczy antyoksydant, lecz cała grupa antyoksydantów, ponieważ ten sam rodnik (RFT) może uszkadzać różne struktury docelowe. Dobrym przykładem jest kwas askorbinowy, który przeciwdziała peroksydacji lipidów wywołanej przez RFT z dymu tytoniowego, ale nie ma wpływu na oksydacyjne uszkodzenia białek osocza [6]. Można wyróżnić 3 podstawowe systemy obrony organizmu przed RFT: • pierwszą linię obrony – zapobieganie powstawaniu rodnika wodorotlenowego; biorą w niej udział takie enzymy antyoksydacyjne, jak dysmutaza ponadtlenkowa (SOD), katalaza, peroksydaza glutationowa (GPx), • drugą linię obrony polegającą na skierowaniu reakcji wolnorodnikowych na tory terminacji; najważniejszą rolę odgrywają w niej antyoksydanty małocząsteczkowe, • trzecią linię obrony, którą stanowi naprawa uszkodzeń już powstałych w wyniku działania RFT; do tej linii obrony należą enzymy antyoksydacyjne o aktywności oksydoreduktaz, które potrafią zredukować produkty peroksydacji lipidów (paraoksonaza) lub mostki disulfidowe powstałe w wyniku peroksydacji DNA (tioredoksyna – TRX, peroksydaza glutationowa). Pierwsza linia obrony Wśród antyoksydantów enzymatycznych pierwszej linii obrony największe znaczenie ma dysmutaza ponadtlenkowa, która katalizuje reakcję dysproporcjonowania anionorodnika ponadtlenkowego do nadtlenku wodoru i tlenu cząsteczkowego. O2^–• + O₂^–• +2 H⁺H₂O₂ + O₂ Szkodliwy nadtlenek wodoru jest następnie neutralizowany w organizmach przez 2 równie ważne enzymy antyoksydacyjne – katalazę i peroksydazę glutationową. Końcowym produktem obu enzymów jest woda, a w przypadku katalazy również cząsteczka tlenu. Peroksydaza glutationowa wymaga do swojego działania obecności zredukowanej formy glutationu (GSH). Stosunek stężeń zredukowanej postaci glutationu (GSH) do jego formy utlenionej (GSSG) w organizmach żywych w homeostazie procesów redukcyjno-oksydacyjnych wynosi od 1:10 do 1:100 i gwałtownie się zmniejsza w przypadku nasilania się procesów oksydacyjnych, szczególnie podczas stresu oksydacyjnego [7]. Ważną funkcję w walce z RFT pełnią również białka enzymatyczne, takie jak ceruloplazmina i białka hemowe.
Druga linia obrony
Drugą linię obrony stanowią antyoksydanty małocząsteczkowe, takie jak witaminy C czy E. Antyoksydanty małocząsteczkowe konkurują z innymi związkami chemicznymi, które mogłyby zostać utlenione przez RFT (np. O2^–•, H₂O₂, ^•OH, HOCl). W wyniku reakcji RFT z antyoksydantem powstaje wolny rodnik, który jest znacznie mniej reaktywny niż rodnik, który powstałby np. w wyniku peroksydacji lipidów. Następuje wtedy przerwanie łańcuchowej reakcji wolnorodnikowej i zahamowanie peroksydacji kolejnych związków biologicznie czynnych. W ten sposób działa a-tokoferol (a-TOH). Ze względu na swoje właściwości lipofilowe i obecność w błonach komórkowych przerywa on łańcuch reakcji wolnorodnikowych będących następstwem peroksydacji lipidów: a-TOH + ROO^• a-TO^• + ROOH Produkt utlenienia – rodnik a-tokoferolowy (a-TO^•) – dzięki reakcji z kwasem askorbinowym może zostać następnie zredukowany znowu do witaminy E. a-TO^• + AH₂ a-TOH + AH^•
Trzecia linia obrony
Mechanizmem „ostatniej szansy” obrony przed RFT są enzymy naprawcze. Tioredoksyna jest polipeptydem zdolnym do redukcji mostków disulfidowych, powstałych w wyniku utlenienia grup tiolowych – SH, m.in. białek. W podobny sposób działa glutation i GPx, jednak redukcja przez TRX jest wielokrotnie szybsza. Utleniona tioredoksyna jest redukowana przez NADPH w reakcji katalizowanej przez reduktazę tioredoksyny.
Jednostki chorobowe związane ze szkodliwym działaniem reaktywnych form tlenu
Lista chorób, w patogenezie których RFT odgrywają ważną bądź kluczową rolę, jest obecnie dość długa. Do najważniejszych z nich można zaliczyć miażdżycę, nadciśnienie tętnicze, cukrzycę, nowotwory, stany zapalne wywołane bakteriami czy innymi czynnikami patogennymi, a więc choroby występujące w populacji powszechnie.
Miażdżyca
Obecnie wymienia się wiele czynników ryzyka miażdżycy, ale rozwój zmian miażdżycowych jest przede wszystkim związany z zaburzoną funkcją śródbłonka naczyń, aktywacją płytek krwi i zmianami oksydacyjnymi lipoprotein zawartych w osoczu. Głównym zaburzeniem odpowiedzialnym za rozwój zmian miażdżycowych jest akumulacja utlenionych lipoprotein o niskiej gęstości. Modyfikacje struktury LDL przebiegają z udziałem wolnych rodników tlenowych [8]. Rola RFT w patogenezie miażdżycy nie ogranicza się do oksydacji lipoprotein. Powodują one również uszkodzenia śródbłonka naczyniowego, co potwierdziły liczne badania. Zapoczątkowują w ten sposób cały proces prowadzący do rozwoju blaszki miażdżycowej. Śródbłonek naczyniowy jest wrażliwy na działanie wolnych rodników. Jego uszkodzenie jest następstwem utleniania przez wolne rodniki białek, lipidów, DNA oraz aktywacji wapniowozależnych układów enzymatycznych – fosfolipaz, endonukleaz i proteaz. Procesy te zubożają komórki śródbłonka w ATP i NADPH, a następnie powstaje ich uszkodzenie. Przewaga procesów wykrzepiania i czynników naczyniozwężających prowadzi do narastającej dysfunkcji śródbłonka [6, 8, 9].
Nadciśnienie tętnicze
Ostatnio wiele uwagi poświęcono hipotezie, że rozwój nadciśnienia tętniczego jest związany z zaburzeniem równowagi między czynnikami zwężającymi i rozszerzającymi naczynia, w szczególności wytwarzanymi przez komórki śródbłonka naczyniowego. Uważa się, że jedną z substancji endogennych, najsilniej działających kurcząco na naczynia jest endotelina. Silnie rozkurczająco działa natomiast śródbłonkowy czynnik rozszerzający naczynia (endothelium-derived relaxing factor – EDRF), który zidentyfikowano jako tlenek azotu (NO). Tlenek azotu działa silnie, ale krótkotrwale, jest szybko unieczynniany przez reakcję z anionorodnikiem tlenowym lub tlenem. W warunkach stresu oksydacyjnego nadmierne unieczynnianie EDRF może być jedną z głównych przyczyn przewagi czynników kurczących naczynia i rozwoju nadciśnienia tętniczego. Możliwe jest, że u osób z nadciśnieniem tętniczym następuje nasilenie syntezy anionorodnika ponadtlenkowego przez granulocyty obojętnochłonne. Wykazano ponadto dodatnią korelację między syntezą tego rodnika tlenowego a ciśnieniem skurczowym i rozkurczowym [11, 12]. Coraz więcej dowodów wskazuje na to, że angiotensyna II wywiera działanie plejotropowe na ścianę naczyń poprzez NADPH–zależną syntezę RFT [12].
Cukrzyca
U chorych na cukrzycę zjawisko stresu oksydacyjnego występuje przypuszczalnie na poziomie wielu komórek rozmieszczonych w różnych tkankach. Może przemawiać za tym stwierdzana w większości badań niższa (niż u osób zdrowych) zawartość naturalnych antyoksydantów – witaminy C, witaminy E, glutationu oraz kwasu moczowego w osoczu lub komórkach krwi [13–16]. Wydaje się, że za powstawanie stresu oksydacyjnego odpowiedzialne jest przede wszystkim podwyższenie stężenia glukozy. Glukoza, jako związek aldehydowy, reaguje z grupami aminowymi białek, prowadząc do ich nieenzymatycznej glikozylacji (glikacji). W trakcie tej reakcji uwalniane są wolne rodniki tlenowe, dlatego proces ten nazwano glikoksydacją.
Nowotwory
Powszechnie panuje pogląd, że złośliwe transformacje komórkowe i rozwój nowotworów są związane z uszkodzeniem genomu. Ostatnio wiele uwagi poświęcono działaniu reaktywnych form tlenu, w szczególności rodnika wodorotlenowego, który uszkadza DNA. Uszkodzenia DNA obserwowane w komórkach poddanych stresowi oksydacyjnemu mogą prowadzić do mutacji [17].
Stany zapalne
W stanach zapalnych wywołanych bakteriami czy innymi czynnikami patogennymi ważną funkcję obronną pełnią granulocyty obojętnochłonne. Jest to możliwe dzięki zdolności tych komórek do fagocytozy. Wiele badań wykazało, że bakteriobójcza aktywność neutrofili związana z procesem fagocytozy jest połączona z gwałtownym zużyciem tlenu przez te komórki, co jest określane jako „wybuch oddechowy” (respiratory burst) [18]. Pochłonięty tlen jest przekształcany w nadtlenek wodoru, który ma właściwości bakteriobójcze. W badaniach in vitro wykazano, że nie tylko bakterie wywołują gwałtowne zużycie tlenu przez granulocyty, ale również immunoglobuliny, kompleksy immunologiczne, fragmenty C5a dopełniacza, substancje kancerogenne, kwas arachidonowy.
Markery stresu oksydacyjnego
W wyniku reakcji lipidów z RFT i dalszych przemian powstaje wiele małocząsteczkowych produktów rozpadu, m.in. dialdehyd malonowy (MDA). Jest on obecnie najpowszechniej stosowanym markerem peroksydacji lipidów. Innym dobrym markerem peroksydacji lipidów może być oznaczanie w surowicy przeciwciał przeciw utlenionej postaci LDL (Ab oxLDL). Użytecznym markerem uszkodzenia białek powodowanego przez RFT wydaje się oznaczenie grup karbonylowych białek. W komórkach poddanych stresowi oksydacyjnemu obserwowano uszkodzenia kwasu deoksyrybonukleinowego. Przypuszcza się, że prooksydacyjny stan komórek zmienia wewnątrzkomórkową homeostazę żelaza i miedzi, a reakcje Fentona odgrywają istotną rolę w procesach uszkodzenia materiału genetycznego. Z badań radiobiologicznych wynika, że rodniki wodorotlenowe mogą powodować kilka typów uszkodzeń DNA [20]. Dobrym markerem uszkodzeń DNA jest 8-hydroksy-2’-deoksyguanozyna (8-OHdG) [20]. Markerem procesu zapalnego zachodzącego z udziałem RFT może być również podwyższone stężenie jonów żelaza. Żelazo, w szczególności na II stopniu utlenienia, jest katalizatorem reakcji Fentona, w wyniku której powstaje najbardziej toksyczny z RFT – rodnik wodorotlenowy (tab. III).
Podsumowanie
Reaktywne formy tlenu stanowią istotny element wielu procesów biologicznych kluczowych dla prawidłowego funkcjonowania organizmu. Zaburzenie równowagi metabolicznej, skutkujące nasileniem reakcji oksydacji kwasów tłuszczowych, białek, cukrów i DNA, jest nazywane stresem oksydacyjnym i towarzyszy wielu powszechnie występującym i częstokroć groźnym dla życia jednostkom chorobowym. Znajomość znaczenia RFT dla prawidłowego funkcjonowania organizmu oraz mechanizmów towarzyszących zjawisku stresu oksydacyjnego, pozwala lepiej zrozumieć patofizjologię wielu stanów chorobowych, w których nasilone działanie RFT odgrywa istotną, a nawet kluczową rolę. W niniejszej pracy zaprezentowano przykłady jednostek chorobowych często spotykanych w praktyce klinicznej. Użytecznym narzędziem do jakościowego i ilościowego określenia zjawiska stresu oksydacyjnego oraz kontrolowania przebiegu leczenia chorób o etiologii wolnorodnikowej mogą okazać się markery stresu oksydacyjnego.
Piśmiennictwo
1. Boveris A. Biochemistry of free radicals: from electron to tissues. Medicina (B Aires) 1998; 58: 350-356. 2. Halliwell B. Gutteridge JM. The antioxidants of human extracellular fluids. Arch Biochem Biophys 1990; 280: 1-8. 3. Halliwell B. Gutteridge JM. The definition and measurement of antioxidants in biological systems. Free Radic Biol Med 1995; 18: 125-126. 4. Gutteridge JM, Quinlan GJ. Antioxidant protection against organic and inorganic oxygen radicals by normal human plasma: the important primary role for iron-binding and iron-oxidising proteins. Biochim Biophys Acta 1993; 1156: 144-150. 5. Hu ML, Louie S, Cross CE, et al. Antioxidant protection against hypochlorous acid in human plasma. J Lab Clin Med 1993; 121: 257-262. 6. Sugden PH, Clerk A. Oxidative stress and growth-regulating intracellular signaling pathways in cardiac myocytes. Antioxid Redox Signal 2006; 8: 2111-2124. 7. Gohil K, Viguie C, Stanley WC, et al. Blood glutathione oxidation during human exercise. J Appl Physiol 1988; 64: 115-119. 8. Sattler W, Kostner GM, Waeg G, Esterbauer H. Oxidation of lipoprotein Lp (a). A comparison with low-density lipoproteins. Biochim Biophys Acta 1991; 1081: 65-74. 9. Valko M, Leibfritz D, Moncol J, et al. Free radicals and antioxidants in normal physiological functions and human disease. Int J Biochem Cell Biol 2006; 39: 44-84. 10. Touyz RM. Reactive oxygen species as mediators of calcium signaling by angiotensin II: implications in vascular physiology and pathophysiology. Antioxid Redox Signal 2005; 7: 1302-1314. 11. Paravicini TM, Touyz RM. Redox signaling in hypertension. Cardiovasc Res 2006; 71: 247-258. 12. Touyz RM. Reactive oxygen species and angiotensin II signaling in vascular cells – implications in cardiovascular disease. Braz J Med Biol Res 2004; 37: 1263-1273. 13. Packer L. The role of antioxidative treatment in diabetes mellitus. Diabetologia 1993; 36: 1212-1213. 14. Maxwell SR. Prospects for the use of antioxidant therapies. Drugs 1995; 49: 345-361. 15. Łącka B, Grzeszczak W. Rola wolnych rodników tlenowych w patogenezie nadciśnienia samoistnego. Pol Arch Med Wewn 1997; 98: 67-75. 16. Kinalska J, Gosiewska A. Plasma ascorbic acid concentration in type I and II diabetic patients with and without microangiopathy. Diabetes 1991; 40: 474-475. 17. Badwey JA, Curnutte JT, Karnovsky ML. cis-Polyunsaturated fatty acids induce high levels of superoxide production by human neutrophils. J Biol Chem 1981; 256: 12640-12643. 18. Mikkelsen RB, Wardman P. Biological chemistry of reactive oxygen and nitrogen and radiation-induced signal transduction mechanisms. Oncogene 2003; 22: 5734-5754. 19. Martins EA, Robalinho RL, Meneghini R. Oxidative stress induces activation of a cytosolic protein responsible for control of iron uptake. Arch Biochem Biophys 1995; 316: 128-134. 20. Rall LC, Roubenoff R, Meydani SN, et al. Urinary 8-hydroxy-2’-deoxyguanosine (8-OHdG) as a marker of oxidative stress in rheumatoid arthritis and aging: effect of progressive resistance training. Nutr Biochem 2000; 11: 581-584.