[ Pobierz całość w formacie PDF ]
z zagadnieƒ wspó∏czesnej biologii
˚yciodajny
– czy mo˝e byç
niebezpieczny
tlen
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
dzia∏anie tlenu i ozonu ma dla ˝ycia na Zie-
mi pierwszorz´dne znaczenie.
W atmosferze ozon powstaje w wyniku
dzia∏ania wysokoenergetycznego promienio-
wania UV na dwuatomowy tlen:
szechniej wyst´pujàcy we Wszech-
Êwiecie i przyrodzie pierwiastek.
Wagowo to najwa˝niejszy sk∏adnik litos-
fery, hydrosfery i organizmów ˝ywych. W ze-
tkni´ciu z metalami tworzy tlenki i spora je-
go iloÊç jest uwi´ziona w tej formie w skoru-
pie ziemskiej.
O+ O
O+ O
2
➝
O
3
JednoczeÊnie odbywa si´ proces odwrot-
ny, prowadzàc do dysocjacji ozonu:
➝
˚yciodajny tlen.
Ziemia powsta∏a 4,5-5 mi-
liardów lat temu. Pierwotnym êród∏em tlenu
czàsteczkowego na Ziemi by∏a woda. Czà-
steczki wody naÊwietlane promieniowaniem
o d∏ugoÊci fali poni˝ej 250 nm ulegajà fotoli-
zie, to znaczy rozpadowi na wodór i tlen.
Gdy st´˝enie tlenu osiàgn´∏o w atmosferze
1/1000 wartoÊci obecnego st´˝enia, wytwa-
rza∏ on warstw´ ochronnà. Przy tak ma∏ym
st´˝eniu tlenu powstawa∏y jednak tylko Êla-
dowe iloÊci ozonu (O
3
, ozon to alotropowa
odmiana tlenu w postaci czàsteczek trójato-
mowych). Zatem ówczesna atmosfera by∏a
jeszcze poddana silnemu naÊwietlaniu pro-
mieniami 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. Po-
niewa˝ promieniowanie UV jest szkodliwe,
a nawet zabójcze dla ˝ywych organizmów
(jest czynnikiem mutagennym) – ochronne
O
2
+ O
O+ O
3
➝
2O
2
Ustala si´ stan równowagi, od którego za-
le˝y iloÊç atmosferycznego ozonu oraz sto-
pieƒ poch∏aniania promieniowania UV.
➝
Konsekwencje koncentracji tlenu.
Po 2-2,5
miliardach lat historii Ziemi, dzi´ki fotosyn-
tetycznej dzia∏alnoÊci sinic wzros∏a koncen-
tracja tlenu w atmosferze. Konsekwencjà te-
go by∏o utworzenie w górnych partiach at-
mosfery warstwy ozonu i odci´cie dop∏ywu
promieni UV. Dalszà konsekwencjà by∏o
stworzenie warunków sprzyjajàcych tlenowe-
mu oddychaniu.
Wi´kszoÊç organizmów – w tym cz∏owiek –
potrzebuje tlenu dla podtrzymania procesów
˝yciowych, sà to organizmy tlenowe (aerobo-
we). W procesie oddychania komórkowego
mitochondria organizmów eukariotycznych
12
12
biologia w szkole
T
len (O
2
), to po wodorze i helu najpow-
UV
O
2
UV
O
3
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 jednoelektro-
nowej redukcji w wyniku czego powstaje ak-
tywna forma tlenu – anionorodnik ponadtlen-
kowy. 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 toksycz-
noÊci tlenu.
Powsta∏y w powy˝szej reakcji anionorod-
nik ponadtlenkowy jest wolnym rodnikiem
tlenowym (du˝e iloÊci tych czàsteczek po-
wstajà w mitochondriach komórek aerobo-
wych). Wolny rodnik posiada jeden niespa-
rowany 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 – po-
chodne metabolizmu tlenu o du˝ej reaktyw-
noÊci stanowià o takich w∏aÊciwoÊciach. Dà-
˝àc do sparowania elektronów, wolne rodniki
szybko i ∏atwo reagujà z ró˝nymi czàsteczka-
mi. JeÊli tymi czàsteczkami sà sk∏adniki komó-
rek, takie jak DNA, bia∏ka czy lipidy, wolne
rodniki mogà prowadziç do ich uszkodzenia.
Produktem tlenowych uszkodzeƒ DNA
jest np. 8-OHGua czyli tlenowo zmodyfiko-
wana zasada azotowa (8-hydroksyguanina).
Taka zmodyfikowana zasada, jeÊli nie zosta-
nie usuni´ta z DNA (dzi´ki enzymatycznym
mechanizmom naprawy), ma znaczenie mu-
tagenne i mo˝e byç przyczynà rozwoju ró˝-
nych stanów patologicznych. Podobnie, utle-
nianie bia∏ek prowadzi do powstawania grup
ToksycznoÊç tlenu jest znana.
Czysty tlen
o ciÊnieniu 0,3 atmosfery skraca d∏ugoÊç ˝y-
cia muszki owocowej
Drosophila melanoga-
ster
, a ciÊnienie 1 atmosfery tlenu jest dla niej
zabójcze (letalne). U cz∏owieka narzàdem
najbardziej wra˝liwym na tlen sà p∏uca (po-
mimo, ˝e jest to narzàd najbardziej natleno-
wany). Udowodniono ju˝ doÊç dawno, ˝e od-
dychanie czystym tlenem (6 godzin) pod ci-
Ênieniem 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 pozasoczewko-
we, prowadzàce do Êlepoty. Nast´pnie wyka-
zano, ˝e by∏ to rezultat nadmiaru tlenu w in-
kubatorach, w których przetrzymywano
przedwczeÊnie urodzone dzieci (wczeÊniaki).
Dziesi´ciodobowy kontakt wczeÊniaków z at-
mosferà zawierajàcà 35-40% tlenu prowadzi
do Êlepoty. Jest to wynik zwyrodnienia na-
czyƒ krwionoÊnych, a nowopowstajàce na-
czynia wrastajà w cia∏ko szkliste oka prowa-
dzàc do odrywania si´ siatkówki.
Organizmy posiadajà z∏o˝one sys-
temy chroniàce przed dzia∏aniem
agresywnych rodników tleno-
wych. Sà to enzymy (dysmutaza
ponadtlenkowa, katalaza, perok-
sydaza glutationowa) a tak˝e nie-
enzymatyczne antyoksydanty jak
kwas moczowy, glutation, witami-
ny A, C, E oraz z∏o˝one systemy
naprawy ju˝ uszkodzonych czàste-
czek, g∏ównie naprawy DNA.
Pomimo dzia∏ania tych systemów
ochronnych nieuniknionym efek-
tem ˝ycia w warunkach tlenowych
sà wolnorodnikowe uszkodzenia
sk∏adników komórek.
Dlaczego tlen mo˝e byç toksyczny?
Tlen
czàsteczkowy jest utleniaczem. Reagujàc ze
zwiàzkami organicznymi utlenia je pobiera-
jàc od nich elektrony – a sam ulega redukcji.
Tlen reaguje z wieloma zwiàzkami jedno-
elektronowo przyjmujàc od nich elektron.
Produktem tej reakcji jest anionorodnik po-
nadtlenkowy O
2
.-
:
O
2
+ e
➝
O
2
.-
1/2004
13
13
z zagadnieƒ wspó∏czesnej biologii
karbonylowych. Utlenianie lipidów skutkuje
powstawaniem produktów peroksydacji ta-
kich, jak np. dialdehyd malonowy. Produkty
utleniania makroczàsteczek mogà stanowiç
dobre markery (znaczniki) wolnorodniko-
wych uszkodzeƒ sk∏adników komórkowych.
OczywiÊcie organizmy posiadajà z∏o˝one
systemy chroniàce przed dzia∏aniem agre-
sywnych rodników tlenowych (patrz s.13).
w metabolizm komórkowy (sà produktem
przemian komórkowych nie tylko ubocznym,
sà te˝ wytwarzane przez z∏o˝one systemy ge-
nerujàce rodniki w celach fizjologicznych),
to zapewne pe∏nià tak˝e istotne funkcje w ˝y-
wych organizmach.
Obecnie wiemy, ˝e wolne rodniki tlenowe
sà wytwarzane przez komórki fagocytujàce,
a przez to chronià nasz organizm przed mi-
kroorganizmami chorobotwórczymi. Sà te˝
znaczàcym mediatorem w procesach przeka-
zywania sygna∏u pomi´dzy komórkami.
ZnajomoÊç biologii wolnych rodników
skutkuje zastosowaniem ich w terapii
chorób cz∏owieka. Nale˝y tu wska-
zaç na terapi´ przeciwnowotworo-
wà, leczenie chorób sercowo-na-
czyniowych (nitrogliceryna sto-
sowana w leczeniu dusznicy bo-
lesnej generuje tlenek azotu
NO
.
, wolny rodnik naturalnie re-
gulujàcy napi´cie mi´-
Êniówki naczyƒ krwiono-
Ênych). Podobnie, mod-
na ostatnio niebieska
kapsu∏ka – Viagra – dzia-
∏a poprzez generowanie
tlenku azotu. Leczenie
ozonem to równie˝ przyk∏ad stosowania ak-
tywnych form tlenu w terapii, uznawane wcià˝
za niekonwencjonalnà form´ leczenia.
Teoria starzenia si´ organizmów.
Obecnie nie mamy ju˝ wàtpliwo-
Êci, ˝e uszkodzenia makro-
czàsteczek powodowane
przez wolne rodniki le˝à
u pod∏o˝a wielu chorób
cz∏owieka, do których
zalicza si´ np. nowo-
twory, choroby serco-
wo naczyniowe, czy
choroby neurodegene-
racyjne (choroba Al-
zheimera, Parkinsona).
Wiadomo równie˝, ˝e ku-
mulujàce si´ w trakcie ˝ycia
wolnorodnikowe uszkodzenia
sà przyczynà starzenia si´ organi-
zmów. Zatem paradoksalnie – tlen warun-
kujàcy ˝ycie organizmów aerobowych by∏by
równie˝ czynnikiem limitujàcym czas ich ˝y-
cia. Znajduje to odbicie w tzw. wolnorodni-
kowej teorii starzenia si´, która prze˝ywa
ostatnio swój renesans (og∏oszona przez D.
Harmana w roku 1956, aktualnie znajduje
potwierdzenie w coraz wi´kszej liczbie pro-
wadzonych badaƒ). Przy czym to w∏aÊnie mi-
tochondria okreÊlane sà jako swoisty zegar
biologiczny odmierzajàcy czas ˝ycia organi-
zmu. Na przyk∏ad, okres ˝ycia myszy wynosi
oko∏o 2 lat, co wyjaÊnia si´ faktem, ˝e mito-
chondria tych zwierzàt pracujà (zu˝ywajà
tlen) 40-krotnie intensywniej w porównaniu
do mitochondriów cz∏owieka, wytwarzajàc
jednoczeÊnie du˝e iloÊci O
2
.-
.
Brak
tlenu unie-
mo˝liwia∏by ist-
nienie ˝ycia w takiej
postaci, w jakiej wyst´-
puje na Ziemi. Równo-
czeÊnie O
2
mo˝e te˝ byç
niebezpieczny i poprzez
wolne rodniki tlenowe
mo˝e uczestniczyç w pato-
genezie chorób a tak˝e
byç czynnikiem limitu-
jàcym d∏ugoÊç ˝ycia
organizmów.
2
Bartosz G. –
Druga twarz tlenu. Wolne rodniki
w przyrodzie.
Warszawa 2003, PWN
Jurgowiak M., Oliƒski R. –
Uszkodzenia jàdrowego
i mitochondrialnego DNA w procesach starzenia.
Kosmos 48 (2), 235-244, 1999
Oliƒski R., Jurgowiak M. –
Oksydacyjne uszkodze-
nia DNA (8-oksodG) – biomarkerem niektórych
chorób cz∏owieka.
Kosmos 48 (3), 329-338, 1999
dr n. med.
MAREK JURGOWIAK
Wolne rodniki – funkcje pozytywne.
Nie na-
le˝y przy tym zapominaç, ˝e skoro w trakcie
trwajàcej miliony lat ewolucji biochemicznej
wolne rodniki tlenowe zosta∏y w∏àczone
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
14
14
biologia w szkole
P
IÂMIENNICTWO
[ Pobierz całość w formacie PDF ]