Poniższy artykuł jest zapisem webinaru (część 1), który odbył się 5.03.2020 r.
Stres oksydacyjny nie jest obecnie szeroko omawiany w medycynie, ale zasługuje na uwagę. Artykuł ten będzie wprowadzeniem do tematu i będzie dotyczył reakcji redoks w organizmach żywych, które stanowią podstawę wielu reakcji biochemicznych. Przyjrzymy się w nim bliżej istocie tych reakcji oraz roli, jaką odgrywają utleniacze i reduktory w tym kontekście.
Spis treści
- Mitygacja stresu oksydacyjnego
- Utlenianie i redukcja w reakcjach redoks
- Przykład reakcji redoks – transport tlenu przez hemoglobinę
- Substancje potrzebne do przebiegu procesu redoks
- Procesy metaboliczne zachodzące w mitochondriach
- Reaktywne formy tlenu (RFT)
- Co to jest stres oksydacyjny?
- Przyczyny zwiększonego wycieku wolnych rodników
- Rola nadtlenku wodoru w organizmie
Mitygacja stresu oksydacyjnego
Mitygacja stresu oksydacyjnego to termin opisujący strategie radzenia sobie ze stresem oksydacyjnym. W przeciwieństwie do agresywnych metafor walki mitygacja podkreśla możliwość zmniejszenia szkód i ryzyka niepożądanych skutków stresu oksydacyjnego, który jest nieuniknionym elementem procesów metabolicznych.
Utlenianie i redukcja w reakcjach redoks
Reakcje redoks są siłą napędową przyrody, zarówno ożywionej, jak i nieożywionej. Przykładem takiej reakcji jest rdzewienie żelaza, które jest wynikiem reakcji utleniania i redukcji. W przyrodzie obserwujemy ciągłą grę między ładunkami dodatnimi i ujemnymi, gdzie dążenie do równowagi jest kluczowe. Reakcje redoks to transfery elektronów i protonów, które można zobaczyć na przykładzie utleniania żelaza przez tlen, prowadzącego do powstania tlenku żelaza.
W kontekście reakcji redoks należy zrozumieć pojęcie stopnia utlenienia, które odnosi się do ilości elektronów i protonów w atomie. Utlenianie to proces, w którym elektron jest zabierany, a związek chemiczny, na przykład żelazo, przechodzi na wyższy stopień utlenienia. Redukcja jest procesem przeciwnym, gdzie atom lub cząsteczka przechodzi na niższy stopień utlenienia, co można porównać do redukcji biegów w samochodzie.
Warto zauważyć, że termin „utlenianie” niekoniecznie musi wiązać się z obecnością tlenu. Historia tego terminu sięga odkrycia rdzewienia żelaza, ale w rzeczywistości utlenianie może zachodzić bez udziału tlenu.
W kontekście chemii oksydacja i redukcja są często mylone z oksygenacją, jednak to ostatnie odnosi się do procesu nasycania wody tlenem, bez wymiany elektronów. Ciekawostką historyczną jest fakt, że odkrywcą tlenu był Polak, Michał Sędziwój, znany w literaturze anglojęzycznej jako Michael Sendivogius.
Podsumowując, reakcje redoks są nieodłącznym elementem życia na Ziemi. Odgrywają one kluczową rolę w procesach metabolicznych i energetycznych organizmów żywych. Reakcje te są niezwykle szybkie, zachodzą w nanosekundach, i zawsze obejmują równoczesne utlenianie i redukcję.
Przykład reakcji redoks – transport tlenu przez hemoglobinę
Transport tlenu przez hemoglobinę w krwi jest jednym z najbardziej znaczących przykładów reakcji redoks w organizmie człowieka. Zachodzi ona każdorazowo, gdy oddychamy. Tlen, który pobieramy podczas wdechu, przenika z płuc do krwi, a następnie jest transportowany do komórek naszego ciała. Proces ten jest niezbędny dla organizmu, ponieważ tlen wykorzystywany jest do procesów spalania związków chemicznych, z których czerpiemy energię.
Utlenianie żelaza w hemoglobinie
Aż 97% tlenu pobranego w płucach wiąże się z żelazem zawartym w hemoglobinie – to właśnie z tą cząsteczką zachodzi reakcja redoks, podczas której żelazo w hemoglobinie ulega utlenieniu. Pozostałe 3% tlenu rozpuszcza się w osoczu krwi. Proces wiązania tlenu z hemoglobiną jest skomplikowany i wymaga przejścia tlenu przez kilka barier, w tym ścianę pęcherzyka płucnego oraz błonę erytrocytu, aby ostatecznie przyłączyć się do żelaza w hemoglobinie.
Hemoglobina, która przyłącza tlen, zmienia swój kształt, co pozwala na bezpieczny transport tlenu przez czerwone krwinki. Tlen w tym stanie nie jest reaktywny, co zapobiega uszkodzeniu komórek i tkanek. Gdy krew dociera do komórek, które wymagają odżywienia, tlen jest uwalniany, a hemoglobina ponownie zmienia swój kształt, co umożliwia oddanie tlenu.
W naszym organizmie znajduje się znaczna ilość hemoglobiny – około 35% masy erytrocytu stanowi czysta hemoglobina. Przy średniej objętości krwi w ludzkim ciele wynoszącej 5-6 litrów, oznacza to, że posiadamy od 500 do 700 gramów czystej hemoglobiny, która jest niezbędna do transportu tlenu.
Reakcja wiązania tlenu z żelazem w hemoglobinie jest zatem jedną z najistotniejszych reakcji redoks zachodzących w naszym organizmie.
W procesie chemicznym zachodzącym w naszym organizmie tlen łączy się z żelazem zawartym w hemoglobinie. To zjawisko jest przykładem reakcji redoks, w której żelazo dwuwartościowe po przyłączeniu tlenu przekształca się w formę trójwartościową. W wyniku tej reakcji, krew nasycona tlenem nabiera jaśniejszego, żywego odcienia czerwieni w porównaniu do krwi żylnej, która jest uboższa w tlen. Kiedy żelazo trójwartościowe oddaje tlen, powraca do formy dwuwartościowej, co jest odwrotnością procesu zachodzącego w płucach. Ta ciągła wymiana elektronów jest fundamentalna dla życia, ponieważ umożliwia transport tlenu do każdej komórki ciała, w tym do mitochondriów, które są odpowiedzialne za produkcję energii.
Rola erytrocytów w transporcie tlenu
Erytrocyty, czyli czerwone krwinki, są unikalne w tym sensie, że nie posiadają mitochondriów. Jest to adaptacja ewolucyjna, która pozwala im efektywnie transportować tlen do innych komórek ciała bez ryzyka jego zużycia na własne potrzeby metaboliczne. Gdyby erytrocyty miały mitochondria, mogłyby one zużywać tlen przeznaczony dla innych komórek, co zakłóciłoby proces dostarczania tlenu. Dzięki tej specjalizacji erytrocyty mogą spełniać swoją rolę w transporcie tlenu do około 39,5 biliona komórek w ludzkim ciele, z których każda potrzebuje tlenu do produkcji energii w mitochondriach – organellach komórkowych odpowiedzialnych za wytwarzanie energii.
Proces spalania w komórkach
Mitochondria są kluczowymi organellami komórkowymi odpowiedzialnymi za produkcję energii. Używają one tlenu do spalania różnych substancji energetycznych, takich jak tłuszcze, glukoza i czasami aminokwasy. Liczba mitochondriów w komórce może się różnić w zależności od typu komórki i jej zapotrzebowania na energię. Na przykład, komórki wątrobowe mogą zawierać aż 1500 mitochondriów, podczas gdy komórki mięśniowe osoby niećwiczącej mają ich około 400-600. U sportowców lub osób pracujących fizycznie liczba ta może wzrosnąć nawet do 2000, co jest odpowiedzią na zwiększone zapotrzebowanie na energię.
Mitochondria posiadają własne DNA i mogą się namnażać w odpowiedzi na bodźce, takie jak trening fizyczny. Jeśli aktywność fizyczna zostanie zredukowana, liczba mitochondriów w komórkach mięśniowych może się zmniejszyć, co jest adaptacją do zmniejszonego zapotrzebowania na energię. Wzrost aktywności fizycznej z kolei stymuluje namnażanie się mitochondriów w celu zwiększenia zdolności komórek do produkcji energii.
Warto zauważyć, że erytrocyty, które nie posiadają mitochondriów, uzyskują energię poprzez proces glikolizy beztlenowej, który zachodzi w cytoplazmie. Jest to mniej wydajny sposób produkcji energii, ale wystarczający dla potrzeb erytrocytów. W przeciwieństwie do nich większość innych komórek w organizmie posiada mitochondria, które efektywnie spalają substraty energetyczne, zapewniając komórkom niezbędną energię do funkcjonowania.
Spalanie w komórkach to proces, w którym tlen jest wykorzystywany do przekształcenia substratów energetycznych w dwutlenek węgla i wodę, co jest klasycznym przykładem reakcji REDOX. Proces ten zachodzi w mitochondriach, które można porównać do małych fabryk energetycznych w komórce. W cytoplazmie komórki zachodzi mniej wydajna glikoliza beztlenowa, która generuje tylko 4 cząsteczki ATP, a pozostałe produkty tej reakcji, takie jak kwas pirogronowy, są transportowane do mitochondriów, gdzie są dalej przetwarzane w cyklu Krebsa i łańcuchu oddechowym.
Oksydacja substratów i produkcja wolnych rodników
Mitochondria zajmują znaczną część komórki, zwłaszcza w komórkach o wysokim zapotrzebowaniu energetycznym, jak komórki mięśniowe sportowców, gdzie ich liczba może sięgać 2000 na komórkę. W tych „fabrykach energii” zachodzi oksydacja substratów, co prowadzi do produkcji ATP – głównego nośnika energii w komórce.
Jednak proces ten ma również swoje konsekwencje w postaci powstawania wolnych rodników – cząsteczek o nieparzystej liczbie elektronów, które mogą przyczyniać się do uszkodzenia komórek. Wolne rodniki są nieodłącznym produktem ubocznym metabolizmu komórkowego i odgrywają swoją rolę w procesach oksydacyjnych w organizmie.
Substancje potrzebne do przebiegu procesu redoks
Aby procesy redoks przebiegały sprawnie, konieczne są różnorodne substancje pomocnicze, takie jak witaminy, enzymy i inne składniki, które są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania mitochondriów. Bez tych substancji mitochondria nie będą w stanie efektywnie przetwarzać cząsteczek bogato-energetycznych.
Mitygacja stresu oksydacyjnego nie polega jedynie na dostarczaniu antyoksydantów, które neutralizują wolne rodniki, ale przede wszystkim na regulacji pracy mitochondriów, co wymaga kompleksowego podejścia, w tym uzupełnienia witamin, mikroelementów i minerałów.
Procesy metaboliczne zachodzące w mitochondriach
W mitochondriach zachodzą kluczowe procesy metaboliczne, takie jak cykl Krebsa i beta-oksydacja. Beta-oksydacja to proces, w którym enzymy rozkładają związki węgla i wodoru, co prowadzi do produkcji energii, dwutlenku węgla i wody, z udziałem tlenu jako utleniacza. Jednakże, około 1 do 3% tlenu nie jest wykorzystywane efektywnie i ucieka z mitochondriów w postaci reaktywnych form tlenu, czyli wolnych rodników tlenowych. To właśnie te uciekające cząsteczki tlenu mogą przyczyniać się do uszkodzeń komórkowych, jeśli mitochondria są nieszczelne lub uszkodzone z jakiegoś powodu.
Reaktywne formy tlenu (RFT)
Reaktywne formy tlenu (RFT), które powstają w mitochondriach, mogą powodować znaczne szkody w komórkach i cytozolu, uszkadzając struktury komórkowe i biomolekuły. Jeśli liczba uszkodzonych komórek wzrasta, może to prowadzić do uszkodzenia narządów i całego organizmu, co jest zjawiskiem znanym jako stres oksydacyjny. Większość RFT w organizmie pochodzi z niewłaściwie funkcjonujących mitochondriów, a tylko mniejsza część jest wynikiem czynników zewnętrznych, takich jak palenie papierosów, promieniowanie UV czy opalanie w solarium.
Reaktywne formy tlenu a stres oksydacyjny
RFT mają bardzo krótki czas życia, mierzący w mikrosekundach, co oznacza, że działają bardzo szybko. Stres oksydacyjny występuje, gdy produkcja RFT przekracza zdolność organizmu do ich neutralizacji. Zazwyczaj 1 do 3% tlenu przekształca się w RFT, ale jeśli z mitochondriów ucieka więcej niż ta ilość, lub jeśli system antyoksydacyjny organizmu nie jest w stanie zrównoważyć nadmiaru RFT, wówczas dochodzi do uszkodzeń komórkowych. To nierównowaga między produkcją RFT a zdolnością organizmu do ich detoksykacji definiuje stres oksydacyjny, który może prowadzić do wielu chorób i stanów patologicznych.
Źródła produkcji wolnych rodników tlenowych
W organizmach zwierzęcych mitochondria są głównym źródłem produkcji wolnych rodników tlenowych, które są produktami ubocznymi procesów metabolicznych zachodzących w tych organellach komórkowych. Dodatkowo pewna ilość wolnych rodników może być generowana przez peroksysomy – komórkowe organella zajmujące się m.in. rozkładem kwasów tłuszczowych.
W przypadku roślin głównym źródłem wolnych rodników tlenowych są chloroplasty, czyli organella odpowiedzialne za fotosyntezę. W zielonych częściach roślin, gdzie chloroplasty są obecne, produkcja wolnych rodników może być nawet większa niż w mitochondriach zwierząt.
Co to jest stres oksydacyjny?
Stres oksydacyjny to stan, w którym organizm nie radzi sobie z nadmiarem wolnych rodników tlenowych, które są nieuchronnym produktem ubocznym procesów metabolicznych w mitochondriach. Te reaktywne formy tlenu, nazywane „wampirami elektronowymi”, są niezwykle reaktywne i w poszukiwaniu elektronów mogą uszkadzać białka, DNA i lipidy komórkowe. Normalnie, 1 do 3% tlenu przetwarzanego przez mitochondria przekształca się w wolne rodniki, ale system antyoksydacyjny komórki zazwyczaj radzi sobie z ich neutralizacją.
Stres oksydacyjny a wysiłek fizyczny
Nadmierny wysiłek fizyczny może zwiększać produkcję wolnych rodników powyżej tego bezpiecznego progu 3%, co prowadzi do większego stresu oksydacyjnego. Dlatego ważne jest, aby podejście do treningu było rozsądne i stopniowe, szczególnie w przypadku sportu wyczynowego. Zbyt intensywny wysiłek bez odpowiedniej liczby mitochondriów (idealnie około 2000 w komórce mięśniowej sportowca) może prowadzić do niewłaściwego funkcjonowania tych organelli i zwiększonego ryzyka uszkodzeń komórkowych spowodowanych przez wolne rodniki.
Przyczyny zwiększonego wycieku wolnych rodników
Zwiększony wyciek wolnych rodników z mitochondriów może być spowodowany przez różne czynniki, w tym wady genetyczne DNA mitochondriów, ekspozycję na toksyny, uszkodzenia błony mitochondriów, a także niedobory witamin, szczególnie z grupy B. Dla osób aktywnie uprawiających sport, odpowiedni poziom witamin z grupy B jest kluczowy dla prawidłowego funkcjonowania mitochondriów.
Wolne rodniki generują też takie czynniki jak palenie tytoniu czy ekspozycja na promieniowanie UV, ale działają one w inny sposób niż te produkowane przez mitochondria – mogą one bezpośrednio uszkadzać komórki lub wybijać elektrony z innych związków chemicznych.
Podsumowując, wolne rodniki to reaktywne związki chemiczne, które poszukują elektronów w celu sparowania swoich niesparowanych elektronów. Mogą one pochodzić z różnych źródeł, nie tylko z tlenu. Przykłady innych rodników to chlor, fluor i brom. Warto zwrócić uwagę, że brom jest czasami dodawany do mąki jako antyzbrylacz, co może być szkodliwe dla zdrowia. Dlatego lepiej jest wybierać mąkę bez dodatków, taką jak ta sprzedawana bezpośrednio przez młynarzy, chociaż może być trudniej dostępna w zwykłych sklepach.
Rola nadtlenku wodoru w organizmie
Nadtlenek wodoru (H2O2), znany powszechnie jako woda utleniona, jest jednym z głównych „robotników” w naszym organizmie odpowiedzialnych za reakcje oksydacyjne. W środowisku zewnętrznym H2O2 jest wykorzystywany jako wybielacz i jest składnikiem wielu produktów czyszczących. W stężeniu 30-35% może powodować utlenienie i uszkodzenie żywych tkanek, co demonstruje jego silne właściwości utleniające.
W organizmie nadtlenek wodoru występuje w znacznie niższych stężeniach i odgrywa rolę w procesach obronnych, pomagając w zwalczaniu patogenów. Jest również produktem ubocznym różnych reakcji biochemicznych i może przyczyniać się do uszkodzeń komórkowych, jeśli nie zostanie szybko zneutralizowany przez systemy antyoksydacyjne organizmu.
Reaktywne formy tlenu (ROS), do których należy H2O2, są molekułami zawierającymi tlen, które stały się reaktywne przez zmianę w ich elektronach. Te zmiany mogą nastąpić przez utratę lub przyłączenie elektronu, co sprawia, że stają się one bardzo reaktywne i mogą uszkadzać różne komponenty komórkowe, takie jak DNA, białka czy lipidy.
Anionorodnik ponadtlenkowy
Anionorodnik ponadtlenkowy (O2•-) jest jednym z pierwotnych reaktywnych form tlenu (ROS) powstających w mitochondriach. Jest to cząsteczka tlenu z dodatkowym elektronem, co nadaje jej ładunek ujemny i sprawia, że jest bardzo reaktywna. Z anionorodnika ponadtlenkowego mogą powstać wtórne rodniki tlenowe, które również są szkodliwe dla komórek.
Rodnik hydroksylowy
Rodnik hydroksylowy (•OH) jest kolejnym przykładem reaktywnej formy tlenu, która może powodować znaczne uszkodzenia komórkowe. Powstaje on z anionorodnika ponadtlenkowego w obecności jonów metali przejściowych, takich jak żelazo lub miedź, w reakcji zwaną reakcją Fentona.
Rodnik hydroperoksylowy (HO2•) jest mniej reaktywny niż rodnik hydroksylowy, ale nadal może przyczyniać się do uszkodzeń komórkowych i jest jednym z produktów przemiany anionorodnika ponadtlenkowego.
Reaktywne formy azotu (RNS)
Inna kategoria reaktywnych cząsteczek, które mogą powodować uszkodzenia komórkowe to reaktywne formy azotu (RNS). Tlenek azotu (NO•) jest jednym z RNS i pełni wiele funkcji w organizmie. Działa między innymi jako sygnał molekularny w układzie odpornościowym i układzie krążenia. Może on również przekształcić się w bardziej reaktywne i szkodliwe formy, takie jak nadtlenoazotyn (ONOO-), który może uszkadzać różne komponenty komórkowe.
W wyniku uszkodzeń komórkowych spowodowanych przez nadmiar reaktywnych form azotu powstaje stres nitrozacyjny. Jest to równie ważny, choć mniej znany mechanizm uszkodzeń komórkowych.
Warto zauważyć, że tlenek azotu ma również pozytywne działanie w organizmie, takie jak rozszerzanie naczyń krwionośnych, co jest wykorzystywane w terapii niektórych schorzeń sercowo-naczyniowych. Za odkrycie tej roli tlenku azotu przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny w 1998 roku.
