ChapterPDF Available

Stres oksydacyjny i antyoksydacyjna obrona w fizjologicznych i patologicznych stanach organizmu

Authors:
ArcvaruNeśmmuGffimWA
F
ffif śwlęTl_ffi
ffi&DAN
ffiN ruJOLOGHGru, HWYCffi
& PRONlCIcJe affiffiffiwffi&
REDAKCJA NAUKOWA
MAREK ZATON i ZBIGNIEW JETHON
{i
l
n
)-
ut
Aktywność ruchowa w świetle badań fizjologicznych i promocji zdrowia,27 _39
Eugenia Muralr'ska, Zbignie'"v Jethon
Katedra Fizjologii Wysilku i Higieni'' AWF we Wrocłarviu
STRES OKSYDACYJNY I ANTYOKSYDACY.INA OBRONA
W FIZJOT,OGICZI{YCH I PATOLOGICZNYCH
STAI{ACH ORGANIZMU
Tien jest nieodzownym składnikiemĄcia, bez niego większość organizmów
zamieszkujących Ziemtę nie mogłaby istnieć" Stanowiąc ZlYa polvtettza at-
mosfery.'cznego w toku ewolucji stał się jednyrn Z czynnlków mobilizujących
organizmy do wyksnałcania nrechanizmórv ułatwiającyclr przetrwanie w jego
atmosferze' utylizujących go i cluoniących komórki przed jego toksycznym
działaniem.
'V/ komórkach człowieka i innych ssaków tlen jest końcowym akceptorem
elektronów r,v łańcuchu oddechowym i rriezbędnym składnikięm do produkcji
energii gromadzonej w-formie ATP. W stanie podstawowym cząsteczka tlenu
jest mało aktywna. Ma strukturę podwójnego rodnika, z drł'oma nie sparowa-
nymi elektronami o równoległych spinach. umieszczonymi rra róznych orbi-
talach (Kehrer 1993). Biorąc udział w'reakcjach utleniania ulega aktywacji,
której efektem jest bardzo reakt1,wna jego forrna ' tlen singletowy iub cząs-
teczki pochoclne w pcsiaci wolnych rodników tlenowych (R.T) (Gille, Sigler
1995). Zwiększone ich nagromadzenie w komórce jest zjawiskiem niekorzyst-
nyln, prowaclzącym do istotnych zmian w strukturze makromolekuł, a tynr
Samym przyczyniająeynr się do powstawania wielu chorób (Aruoma 1994;
Baftosz 199_5; Farbiszerł,ski, Skrzydlewska 1'996; Gille, Sigier 1995; Kehrer
1993; Martinez-Cayuela 1995; Miiiler i in. 1996; Stadtman, Berlett 1997).
Wolne rodniki tlenowe r]efiniowane sąjako czpteczkl zawierające nie sparo-
wany elektron. Ich produkcja w organizmie powstaje w wyniku jednoelektro-
nowej redukcji tienu, której efektem jest anionorodnik ponadtlenkowy (oz' )
i jego forma sprotonolł,ana, rodnik wodoronadtlenkowy (Hoz'). Dwuelektro-
nowa redukcja cząsteczki tlenu prowadzi do tlvorzenia rradtlenku wodoru
(Hzoz), trójelektronowa natomiast jest Źrodłem najbardziej toksycznego i reak-
tyłvnego rodnika hydroksylowego (Ho.) (Aruoma 1994; Gille, Sigler 1995,
Jacob 1995; Kehrer 1993; Komosiriska i in. 1996; Sies 1993; Skrzydlewska,
Farbiszewski 1995). Zidentyfikowano około 25 reaktywnych pochodnych
tlenu. WiększoŚó z nich jest przedstawiona w tabeli 1.
ius
.o-
ve
du.
rdo-
jach
',1-j.
witli
Eugenia Murawska, Zbigniew Jethon
Nazwa polska Nazrva angielska Strulctura
Tlen singletowy singlet oxygen tot
o:
Ozon ozone
Rodnik wodoronadtlenkowy hydroperoxyl radical HO,
Anionorodnik ponadtlenkowY superoxide radical ąnion O2'-
Nadtlęnęk wodoru hydrogen peroxide Hzou
Rodnik wodorotlenowy hydroxyl rądicąl HO.
Tlenęk azotu nitric oxide NO'
Dwutlenęk azotu nitric dioxide Noz'
Kwas nadtlenoazotawy peroxynitrous acid o-N-ooH
NadtlenoazotYn peroxynitrite o-N-oo-
Kwas podchlorawY hypochlorus acid CIOH
Podclrłoryn hypochlorite clo-
Rodnik alkoksylowY alkoxyl radical RO'
Rodnik nadtlenkowY peroxyl radical ROO'
Nadtlenek (wodoronadtlenek) p e r o x i d e (hy d r o P er o x i d e) ROOH
Rodnik aryloksYlowY aryloxyl rądical ArO'
Rodnik arylonadtlenkowY atylperoxyl radical ArOO'
Tabela 1. Rodniki tlęnowe i reaktywne formy tlenu oraz formy im pokrewne
(wg: Barlosz 1995)
Istnieje kilka wewnątrzkomórkowych żródeł RT. Podstawowe Z nich to
mitochondrialny i mikrosomalny system transportu elektronów, lizosomy ko-
mórek fagoc1'tujących, procesy aut-ooksydacji zvłlryków e1d9- i egzogennych
oraz rea;ąe ;"i"li g'"p przej ściowych, głównie Żelaza i miedzi (Bartosz 1 995 ;
Gille, Sigler Ig95; clnar.o 1995, Jurgowiak, oliński 1997; Kehrer 1993;
Sies 1993). W waruŃach fizjologicznych w mitochondrialnym łańcuchu
oddechowym około 96-g9%tlenu u1ega czteroelektronowej redukcji do Hzo
prr:"rkońpleks oksydazy c}.tochlomowej (Gille, Sigler 1995; Gondko 1995)'
Pozostała iloŚó we *"'"ś''ió3'zej części
Łańcucha transpońu ęlektronów ulega
tzw. wyciekowi' głównie w postaci oz-. ot<oło 80% tego ,,wycieku'' przękształ-
cana jest do Hzoz pod wpływem występującej w T1cielzymitochondrialnej
Jvr'n"tu'v ,-ruJtt.''t o*ej (MnSoD). Pózostałe 20% (ok. 0,Żoń ,,wycieku'')
ńiu do c1,toplazmy i uiega transformacji pod \ĄpływęT miedziowo-cynko-
wej postacitego enz'mu (óondko 1995)' W mikrosomalnym łańcuchu trans-
poit" elektronów gł'owną rolę odgrywa flawoproteina - reduktaza NADPH
i cytochrom P-450, biorące iarłń w hydroksylacji ksenobiotyków, a także
r -:i Packinq List
Stres oksydacyjny i antyoksydacyjna obrona...
substratów rvłasnych komórek - kwasów tłuszczow1'ch czy steroidórv. W łań_
cuchu tym powstaje Zarów'no o2'-, jak i Hzoz. Głównym zródłern H2o2lv ko-
tnórce peroksysołny. Porł,staje w nich równiez o:'-, wytlł'aTzany przez
oksyclazę ksantynow ą oI aZ łańcuclr transportu elektronów obecny w' łrłonach
ti,ch organelii. Skłacla się on Z rcdlktazy NADPH i cytochrontu b; (Bartosz
1995; Kehrer 1993).
Nieoboj ętnym Źródłem RT pozo staj ą procesy autooksydacj i kclrntlrkowej .
W obecności
tlenu uiega im lł'ieie substancji endogennych, np. adrenalina lub
zwtązkl' tiolowe. Istotną reakcją autooks,vdacji jest utlenianie hemoglobiny
d o methemo globiny z tow aE "v szącym ur'valni aniem ani onoro dni ka ponadtlen-
kowego (Kehrer 1993).
Zbyl-dvŻe stężenie jonów-nretali grup przejściowych,
głównie ŻeIaza i miedzi
rorvniez ptzyczryruasię do obecności lł'olrr}ch rodników tlenowych w komórce.
.Torr-v te ułatlł,iają
przenoszenie elektronów na nrakromolekuły biologlczne.
Reakcja z ich udziałem, tzw. reakcja Haber-Weissa, jest istotnym elementem
ułatwiającym por,ł,stawanię rodnika hydroks,vlorł,ego (r\ruoma 1994; Barlosz
1995: Gondko l995; Skrzydlerł,ska. Farbiszewski 1995). Przebiega ona łlas-
tępująco:
Fe3n+ oz'- -+ Fe2* + 02
HrOz * Fe2* -+ OH + Fe3* + HO"
C:'- + H:O: -+ OH- + HO'+ Or
Rodniki tlenowe nie ty1ko produktami poŚrednimi lub koncowymi pro-
cesórv fizjoiogicznych. W pewnych sytuacjach icir obecność
jest wręcz nie-
zbędna. odgr1'wają orre istotną ro1ę w rriespecyficznej obronie komórkowej,
chroniąc organizm przed inwazją bakteryjną. Powstają rł' zakt}'wowanych
komórkach fagocytujących - neutrofiiaclr, eozynofilach, monocytach i makro-
iagaclr. Pobudzone przez bakterie komórki zeme ulegajątzw. eksplozji odde-
cl'iorł,ej, w}.twarzając o2"- w reakcji katalizowanej przez błonową oksydazę
\_\DPH. i Anionorodniki ponadtlenkowe samoistnie uiegaj ą przekształceniu
j6 lł,ody itlenionej i tlenu, ale reakcja ta moze zachodzić rór.l'nież pod wpły-
ir ellr dysnrutaąv nadtlenkowej' W grarruloc1tach woda utleniona ulega dalsz.ym
'Jrzl'mianom, głównie z udziałem mieloperoksydazy, która w obecności jonów-
.-łllorkowych katalizuje konwersję Hzo: do kwastl podchlorawego. Kw-as ten,
::agując Z glupami amino\ĄTmi białek, prowadzi do powstania toksycznych
":loranrjn__]W pH obojętnym reakcja ta przebiega z wy'tworzeniem tlenu sin-
*.etou'ego (Graczyk, Dunicz-Kullmann 1995).
30 Eugenia Murawska, Zbigniew Jethon
Jeśliukładimmunolog|cznyd7'iałasplawnie,wyworzoneakt}a,Vneutlęnia.
cze z:wa|czają infelcje tu-ti.ń"" i wirusowe' Same zaś
zostĄąunieczynniane
(Munay i in. 1995; Jń'vJr.*Jta, Farbiszewski 1995; Wysocka 1995)' Chorzy
z niedoborem xłppń'or.ryau'y cierpią na chroniczne-infekcje skóry' płuc'
wątroby i często p'';l;;;JŚ"i. umieiają(Bartosz 1995; Gil'e, Sigler 1995)'
Woda ut1eniona potrzebna jest w organ .u.mię takŻę do ut1eniania jonow jodko-
r,łychwprocesiepow.tawaniatetrajodotyroniny(tyroksyny)(Graczyk,Dunicz-
-Kullmann 1995).
Napodstawiew1nikowbadanmoŻnastwierdzić,żeniewielkieilościrod-
nikow tlenowych *" giuve czynnikiem stymuluj ąclm. pewne meclranizmy'
Zw ane adaptacyj ny*j :fu''. .,łat*i u.1 ą łonrórce przeĘ c\e w obecno Ści wyso-
kich stęŻeń RT i *;3i"ł''""*:i prr"a n r,"'ą'y^ działaniem stresu oksyda-
cyjnego. Tak więc *oin' rodniti prowokująpłodukcję białek Stresu cieplnego
grupy HSP 70, r.tor" *'i''' odpowiadają źu_iup'u*ęuszkodzęn spowodowa_
nych wysoką,"*p".uir,r| 1cru*ro.d, bavies iggł; r"tty i in. 1996; Liberek
1995; Puntschar1i i". ióqol W komorkach bakteryjnych indukrrjąbiosyntezę
około30białek'uvzbudzającekspresję',genówochronnychStIeSu''.np.genów
oxy R czy SoX R, ;;;j;":"r' ń 11 JysLutazę nadtlenkową (gen sodA), ka-
tażazę(gen kat cl i ."dŃiazę alkilonadtienkową:W komórkach ssaków RT
aktywująNF-r B - czyrrnik jł{rowy' ktory jest aktywatore* i':^g:_|1ł^"j::
g"Jo*tóa"lących białia ostĘ fary, w tyrn substancje regu'atorowe ZvnląZane
z zapalentem - p-interferon, inierleukiny 2 i 6 (Bartosz.1995; sies 1993)' Reak-
tywne formy u"no *'u'"dzająproonkóg""y c'-fos 1c-i1łlł'
ktore także chronią
komorki przed stresem oksy"daóyjnym (ćra-'"fórd, Davies 1994, F-arbiszewski'
Skrzydlewska 1996)'
Działanie p.ot"ii1ir'e wykazuje rowniez oksygenaza hemowa i ferrytyna'
silnie mobiri'o*'ur'" prr., ńt. Eón1,tyna moze źapobiegac por'vstawaniu rod_
nikahydroksylowego.Przypuszcza.Slę'Zewspołdziałanieobubiałekiichme-
chanizm o"r.*o*y-iol|u'r'u uwalnianiu pir", oksygenazę hemową j onów
Że|aza,ktore wyzr'v alajądziaiani" f'*yvny (Crawford' Davies 1994 Farbi-
szewski, SkrzYdlewska 1 996)'
Wolne rodniki;i;;;*" mogą pełnić ponadto ffi:j: mediatorów, będąc
przekamikanri infońacji w końórc'e..W iomorkach środbłonka
powstają dwa
czynniki istotne or" ńiii*o*ra 4uar.i"i naczyil.- EDRF (endothelium derived
r el axing fa.rori i ipóp, @ raoirn t iuń d e r ii e d c o ntr ac t ing fac t or)' Pierwszy
z nlchto tlenek azotu(No')' j eden z naj silniejsłch' mjej ;::*y:1 :iy:*::
r ozkurcza1ącv"n *ńs"i" giuón. taczy, krwiono Śnych, który w}ryvlera SwoJ
wpływ nu t o*o.t ;';;;:; "Wywa"ję;orpuszczalnej .cyk\azy guanylanowej
(Bode_BÓger i i'.lót'o;-ńu*rorri in.'L992;Moncada' ńig" 1993)' No' odgrywa
równieŻ istotnąro1ę w nieswoistej odpowiedzi immunologicznej organizmu'
chroniąc go pr'
i in.1992; Moi
neurony, uczes
Moncada, Higs
kontrolujący skl
Saran, Bors 19
Iluonker i ir
czynia krwion<
treningu' wpły
naczyń i obwo,
przeczny i dłup
(zwiększenie e1
pisywana jest
zwląZai7e Z po'
i chemotaksji r
ze tlenek azott
cule-I) i wpłył
w ten sposób i
NADPH (T'liet
W organizr
powstawania e
cljna (Bartosz
ri-łsokie stęzel
cljnego, zjawi
i lipidy błon k
Kovócs i in. 1
czonv schema
n ia r1'sunek 1 .
Jednl-in z n
jest łańcuchor'
Lrna utlenianie
ktore prorladz
oiaz aldelrr dó,
l:k -ł-hr droks1
:a'Sc |_Ąruonla
R,-.:::]'; reigu-j
: -:.. lcl-r. Ut
'. _:- - -.-.ł--
.1:- : i -.-'-LZ
a., a i"'a,.-a*o
-:- .. , - '1 .'JL
Stres oksydacyjny i antyoksydacyjna obrona...
chroniąc go przed ingerencją bakteryjną paso4/tniczą i wirusową (Dawson
t tn.I992; Moncada, Higss 1993; Snyder, Bredt 1992). Wy.twarzany przez
neurony' uczestniczy w procesach uczenia się i pamięci (Dawson i tn. 1992;
Moncada, Higss 1993; Snyder, Bredt f992). Drugi czynnlk, EDCF2, to O2'-
kontrolujący skurcze mięśni gładkich naczynkr'wionośnych (Gilie, Sigler 1995;
Saran, Bors 1990).
Huonker i in. (1996) stwierdzili, że zwiększony przepływ kr'wi przez na-
czynla krwionośne
mięśni
szkieletowych, występujący podczas regularnego
treningu, wpłyłva
nie tylko pozytywnie na zmianę podstawowego napięcia
naczyń i obwodorł'ego oporu naczyniowego, ale także zwiększa przekrój po-
ptzeczny i długość
średnich
i maĘch tętniczek. Ta strukturalna i funkcionalna
(zwiększerrie elastycmości i rozciąliwości
nacąłt) adaptacjado treningu przy-
pisyłvana jest m.in. EDRF. Poza tym No' może powstrzytnyrvać procesy
związane z powstawaniem mtaŻdżycy i restenozy p:zezhamowanie adhezji
i chemotaksji monocy.tów i adhezji oruz agregacji płytek krr.vi. Stwietdzono,
że tlenek azotu moduluje ekspresję VCAM-I (vascular cell ądhesion mole-
cule-l) i wpĘrva hamująco na lokalnie powstające rodniki tlenowe, redukując
w ten sposób ilośÓ o2'-,powstrzymuje bowięm akłwność
błonowej oksydazy
NADPH Q.Jiebauer, Coke 1996).
W organizmie utrzymywana jest wciąz równowaga między procesami
powstawania a uty|izacj i RT, tzw. homeostaza peroksydacyj no-anĘ-oksyda-
cyjna (Bartosz 1995; Gondko 1995). Jeżeli stan ten jest zabutzony przez zblt'
wysokie stęzenie rodników tlenowych, wówczas dochodzi do stresu oksyda-
cyjnego, zjawiska, w wyniku którego niszczane sąbiałka, kwasy nukleinowe
i lipidy błon komórkowych (Alessio 1993; Alessio, Goldfarb 1988; Ji 1995;
Kovócs iin. 1996; Mtiller 1996; Skrzydlewska, Farbiszewski 1995). Uprosz-
czony schemat zmian zachodzących podczas stresu oksydacyjnego przedsta-
wia rysunek 1.
Jednym z najbałdziej poznanych, niszczących efektów wolnych rodników
jest łańcuchowa reakcja peroksydacji lipidów błon komórkowych. Powoduje
ona utlenianie podwój ny ch wiązan w nienasyconych kwasach tłuszczowych,
które prowadzi do powstawania gazov,rych węglowodorów (etanu i pentanu)
oraz aldehydów, np. malonylodialdehydu (MDA) i nienasyconych aldehydów,
jak 4-hydroksy-2, 3-trans-nonena1u. Substancje te wykazu.ją duzą cytotoksycz-
nośó (Aruoma 1994; Ji 1995). obiektem utlęniania również białka błonowe.
Rodniki reagując zbiałkami, nadająim nowe właściwoŚci
biochemiczne (Dean
iin.1997). Utlenianie białek wiĘe się przeważnte z ich biologicznąinakty-
rracj ą a podczas ĆnuŻej trwaj ącej reakcj i - z denafuracj ą (Gondko 1 995). Białka
błon komórkowych niszczone równiez ptzez końcowe produkty peroksy-
dacji' powodujące ich kowalencyjne modyfikacje (Aruoma 1994: Stadtman,
31
aktywne utlenia-
rją unieczynniane
ka 1995). Chorzy
:kcje skóry, płuc,
Llle, Sigler 1995).
rnia jonow jodko-
Graczyk, Dunicz-
vielkie ilości
rod-
vne mechanizmy,
'obecnoŚci !\rySo-
em stresu oksyda-
k stresu cieplnego
lzeń spowodowa-
rt.1996; Liberek
dukrłją bios;mtezę
itresu'', np. genów
(gen sodA), ka-
lrkach ssaków RT
rem i regulatorem
latorowe Zwuązanę
; Sies 1993). Reak-
Iore także chronią
)94, Farbiszewski,
)mowa i ferrytyna,
powstawaniu rod-
bu białek i ich me-
hemową jonów
avięs 1994; Farbi-
nediatorów, będąc
onka powstajądwa
ndothelium derived
gfactor). PierwszY
cowych czynników
Ióry wywiera swój
lazy guatylanowej
t993). NO'odgrywa
gicznel organizmu,
Rodniki tlenowe
ReaktYwne formY tlenu
I
Eu genia Mu.1':ŁŁignł' Jd!9l
Uszkodzenie DNA
I
I
zmieniona I nx\*""j"
ekspresia I PolimerazY
_ oenów l pott
N:'t'
" "oela 2. Wazniejs
(u'g: Arut
\liejsce pows
-: .t,\.\TMKOIV{OR
. ::rsferyna
,:iroterl na
:::;it -slobiny
.i;:.opeksl na
:..::nina
--:::loplazmina
\ 'i li :l iLlCZO\\ )
- \.r Za
i" :r:ina C (ask
t.1: -.:cnina
-;. -:.::.':l I GSH)
l-,.:.;:aza naJtl
I :: : .s'. ::ze = lul
1,. : t,r::-:-\a l:.\'!:
-i..:=:::.:.:Eict-i
: ------
- _" .. - ;'::.
Niezdolność
do utzymanta.
normalnei róŹnicy stężeń jonow
I
I
+
Utrata ATP
i NAD(PXH)
Aktywacia/deakfYwacia
różnych systemow
enzYmatYcznYcn
Uszkodzenie komórki
Rysunek 1 M""t1:l'[ńH:i ffi:fffiilI,}ł:TŁ:T.iod wpływem RT
Berlett 1997). Peroksydacja iipidow błon komórkowych przyczyniasię do osła-
bienia ich płynno ści,
niszcząc'::1n'':;| ęnzy'yy'bŁon1we (Alessio 1993;
Alessio, Goldfarb 1 ;; d; ń;*u r q %l'o'' * up i śI"d'aj
ąc transpoń pierwiast-
ków, a tym samym metabolizm komórki'
" Homeostu"u .'t ładJw rędox jest możliwa dzięki istnieniu w orgarrlzillle
człowieka i i'"'y"r'liJt'o* u"tyot"yo*"ń'g" srst'1yu ob'ronv przed rodni-
kami tlenowymi, określanego
system "^',in,jrur"ćzy" (s.cassengers)' obejmują-
cym roŻne un':'ur'vaunł' óło*"ą rorąty'tl. układow jcst udzial w reakcjach
detoksykac3i, ..puiJii'l"ir*i"łv.l-, "l)'r."a';.: :::I]::.u tych cząsteczek'
ktorych naprawic j#.1; ;;.jlil ia)+cw przestrzeni wewnątrzkomórkowej'
chronią znajdujący się tam całr matf-i ["n"tycrny komorki' Generalnie
dzie|isię je na anryoksydanĘ "n'y^uqi'nJ i nió"n'ymatyczne (tab'Ż)'
Leno ',o Product Packino t iŚl
Stres oksydacyjny i antyoksydacyjna obrona... 33
Tabela 2. WaŻriejsze antyoksydanty i ich funkcje
(wg: Aruoma 1994; Sies 1993, w modylrkacji własnej)
Miejsce powstawania Funkcje
ZEWNĄTRZKoMORKoWE:
Transferyna
Laktoferyna
Haptoglobiny
Hemopekslma
Albumina
Ceruloplazmina
Kwas moczowy
Glukoza
Bilirubina
Mucyna
Witamina C (askorbinian)
Melatonina
Glutation (cSH)
Ęsmutaza nadtlęnkowa
Peroksydaza glutationowa
MEMBRANOWE:
Witamina E (0-tokoferol)
$karoten
Lykopen
Koenzym Q
BE\łNĄTRZKoMoRKoWE:
Ąnmutaza nadtlenkowa
KtuIeza
Peroksydaza glutationowa
WiĘe jony ŻeIaza
Wydzielana przez komórki fagocytujące, wiąże jony Fe3*
i zatrrymuje je w niskim pH
Wiązą hemoglobinę i chronią przed nadtlęnkami lipidów
WiąŻe hem i chroni go przed nadtlenkami lipidów
Wiąze silnie jony miedzi i hem oraz słabo jony ŻęIaza.
Zmiata kwas podchlorawy i chroni przed nim cr-antypro-
teinazy
Katalizuje oksydację jonów Fe2* do stabilnych Fe3*, wią-
zanych przez transfeiynę . Może reagować stechiomeĘcz_
nie z o'2' . Wiąże niespecyficznie miedŹ i hamuje reakcje
rodnikowe zależme od niej
Zmiata organiczne i nieorganicznę rodniki tlenowe,
wiąże jony Żęlazai miedzi, zatrzymuje lub spowalnia ich
reakcje z rodnikami
Reaguje zHO.. Stała szybkości
reakcji : 1,0 x l09 M_l S-1
Zmiata nadtlenki lipidów, chroni kwasy tłuszczowe
zw iązane z albuminą przed oksydacj ą
Zmiata rodnik HO.
Stała szybkości reakcji : 5,0 X 109M-1 s_l
Róznorodne fu nkcj e antyoksydacyj ne, współdział a z w ita-
miną E odfwarzając jej pierwotną postać
Zmiatacz rodnika Ho.. Moduluje ilość
wytwarzanęgo
NO'
RóŻnorodne funkcj e antyoksydacyjne. Substrat peroksy-
dazy glutationowej
Usuwa O2'- z powierzchni endothelium (SOD)
Selenozależny enrym usuwający Hzoz i nadtlenki lipidów
Rozpuszczalna w tłuszczach. Przerywa reakcję łańcu-
chowej peroksydacji, pełni funkcję ochronną w stosunku
do lipidów lipoprotein osocza
Zmiatacz tlenu singletowego i rodnika hydroksylowego,
w szczegóInych warunkach hamuje peroksydację lipidów
Zmiatacz tlenu singletowego
Zmiatacz rodników w formie zredukowanej
Katalizuje usuwanię o2'- z komórki(a:Zn i MnSoD)
Katalizuje usuwanie Hzozprzy je9o duąlm stęzeniu
Katalizuje usuwanie H2o2przy niskich stężeniach oraz
lipidowe hydronadtlenki
Utrata ATP
i NAD(PXH)
./
,t'
Uszkodzenie DNA
/l
/t
rp\łłem
RT
'czyilasię do osła-
we (Alessio 1993;
ranspofi Pierwiast-
:niu w organizmie
brony przed rodni-
,engerS), obejmują-
udział w reakcjach
u tych cz6;tęczek,
nmątrzkomórkowej,
mórki. Generalnie
yczł7e (tab. Ż).
Eugenia Mu.u'n'|ło'jĘ5ni"o J"tl-'9:
Mechanizmydetoks,vkacyjne,przeciwdziałająceRT,dz\ałaąwielokierun.
kowo. CzęśÓz nich jest oparta na'tworzeniu cńelatow metali' Jest to jeden
z waŻniĄszv.r' .rv','irół kontrolujących peroksydację lipidow i fragmen-
tacj ę DNA. tstotną roii oag'v*uj ątutaj białka wi łŻą2^e'1etale
: ferrytyna'
transferyna, ""*iopr-ioi'u, ń"oroiio""i,'u 1Euuoi i in' tgqo; Jethon i in' 1997;
Sies1993)'FrzedtoksycznoŚciąmetalir.o*o'r.urnożebycchroninarównieŻ
DrZeZ nęJro]rormon - *.tutoninę. ktorej_oprócz fy1kcji endokrynnej przypi-
suie się rolę zmiatacza rodnikoł, o .i.ity*nosci porow^nywainej z wtta-
minąE, (Dzięgiel ii". tg9l,Reitęr i in. rqós; Tarr i in. i993). Detoksykacja
jest oparta ponadto'nu ariuł'utności
enzymow antyoksydacyjnych' Do najważ-
niej szych natezą oysńtaza nadtlenko*"
o o), katalaza
.(CAT) i perok sy daza
glutationow" (GP-;' ;;;"jł"": 'u'g*"o wewnątrz-' jak i zewnątrzkomor-
kowo. Iclr akĘłvn"śe
#ilńirce jest duŻo ułyŻszan\Ż'poza^ntą co jest Zrazu-
miałebiorącpoduwagęfakt,Że'RTrównieŻ.wptzewaŻ1jłce.iczęŚcipowsta1ą
we\Ąnątrz struklrrr tońórr.o*vch (Bartosz 1995; Lewinl|lp:' 1994)' Głowną
funkcjątyct'",',y*o*jestniedopuszczeniedopowstaniarodnikahydroksy.
lorvego, * .rvr'ir.., -irł'.r'l"ari*i"nia" oz -. Pośrednio
działalnośÓ iclr polega
na wspierani., "''v*o* odtwarzająrych substancje' które mogą ponownle
uczestniczy. * nrl"*"r;;;; ń"x.'ńrzykładenr tego procesu jest działanie
reduktazy gr,rtutio'rro*ł.. odnawiającej zredukowan1|9rme glutationu oraz
wspieranie grupy ."'y*e* ,1un piuł S-g1utatio.nu, ktore eliminują i trans-
portują nu ,r*nołoio*orti ,"ukty*ń -składniki w formie S_koniugatow
glutationu tpopou, i"*"i" iĘ::"J'19ń) Jest to jeden z etapow detoksyka_
cji ksenobi"ty'to*in'uń " óg5)' tJwaźa się' ze ęnzymy antyoksydacyjne
stanowiąpierwszą linię obronną * pro...i. a.iot"yrucji dzięki zapobieganiu
p owstawani " ""dl''#;;'i; r,.''ń ie""t.: " nisko cząsteczkorłych antyoksy-
dantow błonowy'clr polega nuto*rori;ń';'y"1aniu łańcuchowej reakcji
peroksydacj i i ";''^".l;li'''::'t"łĄch uszkodzeń (Buettner 1 99 3 )'
oprócz u"'poi'"a"i"go oddziĄ*u*'iu antyoksydantów na RT i wyhamo-
wywaniu i.h *"J;il.| !r.ł"""" 1"i ao'"ur..j i'łanc"ci'owej, przeprow adza' ąc
je w formy *it#';;'" * :"*: szkodliwe' strategia detoksykacji polega
rownież nu pIZ"r1J.'"r'i, reakcji ' ;ń;; bańztęj.wrazliwych (Ędrofobo_
\^Ych _ błony #;;;ó J" 'o:"t ga'i. '',,i*v ,uóhod'ą"" pod iclr wpł5rulem
sąrnniejsze (ru'u *oa"u _ oyopt-*uj]"b ' lipoprotein krwi do osocza (Sies
1993). Najbardziej efektyłvnym "uoy^ ""t-19\yau"t'* fa4' lipidorł'ej jest
witamina E iłruoma ógą;surtor"'ióq5, reuy i iri' 1996; Maydani i in'
1993).Jejfunkcjąjestzmiatani.nn.t",ny.hrodnikóworganicznychitermi-
nacja reakcji p.rl[.va*;i. Witamina E ńspołdzi ała z witaminą C i z glutatio_
nem, antyorcya"]","'] i i-v wodnej, które odpowiadaj ą za o dtw atzanle cZąS-
tęczki o-'or.ot .or,, z ,odnika tokoferylokry1o*.go, powstałego w wyniku
jziałania rodnika
1994: Sies 1993
\\'przeciwień
:ilzr tnów drugie
::zebiega z regu
:rrZn&W&ile pfl
;iastazę. trawiąc1
_.:siępuje biosyn
',. re ikr fragment,
:- sVirtezie wstaw
.-,_ e lirninowane
. :lcll uŹy'ta jest
: lq{r: popov, Le\
_:'ałania fosfoli
-:rcjr łańcucho'
Podczas stresr
. -rleinor.ve. Do
:.:ko41azy. Dz
-.'.,.ei struktury ((
- -2,. ch uszkodz
:- -'.'.adzi do mu1
::.:j narazon.v j
-_-:J:e \\' poblizu '
, . -:re rodniki. or
:._ ihr.lniąc}'mi '
*-::ri: D\A jest
, .: .ii 1993. 1!
-."':--. $ fiIOCZU n
::-;z rodnik hr d
1\i\ \\ nośc e
. " -'.',:r3-irz knr int
: ' ': :rzestrzeń;
:: _ -'i:adaią za
'. ::.r3 ann oksl
'-:-..r-:.'Zenl RT
: : j: -_iest krł
S::es oksr dac
: :.:.:r'Ch. m.it
'.I -..:: i in. 199(
łają wielokierun-
ali. Jest to jeden
ridow i fragmen-
retale: ferrytYna,
Jethon iin.1991;
chronina również
tokrynnej przyPi-
nywalnej z wtta'
)3). Detoksykacja
nych. Do tajwaŻ-
\T) i peroksYdaza
t zewnąttzkomór-
nią co jest zronl-
e.| części
powstają
ov 1994). Główną
rodnika hydroksY-
Lłalnośó
ich polega
3 mogą ponownie
;esu jest działanię
glutationu oraz
eliminują i trans-
mie S-koniugatów
etapów detoksyka-
y antyoksydacYjne
zięki zapobieganiu
rkowych antyoksY-
ńcuchowej reakcji
ner 1993).
,r na RT i wyhamo-
j, przeprowadzĄąc
etoksykacji polega
iwych (hydrofobo-
'e pod ich wpĘrvem
rwi do osocza (Sies
fazy lipidowej jest
996; Maydani i in.
3anicznych i termi-
minąC izglutatio-
a odtwarzanie cząs-
vstałego w wyniku
Stres oksydacyjny i antyoksydacyjna obrona...
dział'niarodnika peroksylowego (Buettner 1993; Goldfarb 1993; Lewin, Popov
1994; Sies 1993; Stahl, Sies 1997).
W przeciwieństwie do enzymów pierwszej linii obrony pozostaje funkcja
enzymów drugiej linii, tzw. reparacyjnych' Naprawa powstałych zntszczen
przebiega z reguły w dwóch etapach. W pierwszym zniszczone białka roz-
poznawane sąptzez system ptoteaz - metalopr oteazy, ptoteazy serynowe lub
elastazę, trawiących potencjalnie toksyczne białka i peptydy. W drugim etapie
następuje biosynteza zniszczone1 cząsteczkt. JeŻe|t uszkodzeniu uległ nie-
wielki fragment, wówczas odcinek ten zostaje wycięty ptzez hydrolazy i po
resyntezie wstawiony w poprzednie miejsce. Aminokwasy białek utlenionych
eliminowane lub użyte jako żródło do syntezy ATP. Jędnak większość
z ntch uzyta jest ponownie do biosyrtezy białek (Farbiszewski, Skrzydlewska
1996; Popov' Lewin 1994). Rozkład utlenionych lipidów błonowych jest polem
działania fosfolipazy 42, która zapobtega ich udziałowi w kontynuowaniu
reakcji łańcuchowej peroksydacji (Popov, Lewin 1994).
Podczas stresu oksydacyjnego na zniszczęntę narazone również kwasy
nukleinowę. Do enzymów naprawiających DNA za|tczanę głównie ligazy
i gllkozylrazy. Działalność
tych enzymów prowadzi do odtworzenia jego właś-
ciwej struktury (Crarłford, Davies 1994; Saran, Bors 1990). W przypadku zbyt
duŹych uszkodzeń naprawa nię zawszejest dokładna' co w konsekwencji
prowadzi do mutacji (Bartosz 1995). Prrypuszcza się, ze na uszkodzenia bar-
dziej naruŻony jest DNA mitochondriaIny niŻ jądrowy z uwagi na lokali-
zację w poblizu wewnętrznej błony mitochondrialnej, gdzie produkowane
wolne rodniki, oTaZna brak połączeń z białkami histonowymi i niehistonowy-
mi chroniącymi DNA (Jurgowiak' oliński 1997). Markerem trwałego uszko-
dzenia DNA jest m.in. nukleozyd 8-hydroksy-2' deoksyguanozyna (Aruoma
1994 Ji 1993, 1995; Mtiller i in. 1996; Saran, Bors 1990) . oznaczanie jej stę-
Żeniaw moczu moze być łatwym sposobem oceny stopnia uszkodzenia DNA
przez rodnik hydroksylowy (Bartosz 1995).
AktywnoŚó enzymów antyoksydacyjnych jest dużo niższa u' osoczu niz
wewnątrz krwinek czerwonych. osocze zaultętajednak więle białek chronią;
cych prze str zei zewnątrzkomórko w ą pr zed rodnikami (wśród nich albuminy
odpowiadaj ąza I0-50oń zdo|ności antyoksydacyjnej krwi) oraz nieenzyma-
ty czne antyoksydanty: askorbinian, glukozę, pirogronian. Naj ważniej szym
zmiataczęm RT - mającym największy udzlał w antyoksydacjnej aktywności
osocza - jest kwas moczowy (Skrzydlewska, Farbiszewski 1995).
Stres oksydacyjny moŻe byc wyrvołany ptzez vnele c4rnników egzo- i en-
dogennych, m.in. uysiłek fizyczny (Alessio, Goldfarb 1988; Aruoma 1994;
Miiller i in. 1996).
Eugenia Nlurawskao Zbigniew Jethon
Wysiłek fizy czny 1 e st pr zy czyn ą mechani czny ch uS Zko dze ń mi ę śni.
Zmlany
,achódzące w nrięśniaci
z-a|eŻnę od obciązenia, intensywnoŚci wysiłku
i czasu jąo trwania, co prorł,adzi c1o utraty ciągłości
sarkolemmy i wypływu
.,-''y-óJ"1.toplaznratyóznych do krw'i. Zwiększone zapotrzeborvanie orga-
nizmu na tlenl zwiększone zuŻycie tlenu przez pracujące mięśnie
pociąga
za sobąwzrost produkcji RT, które dodatkowo przyczyniająsię do ich uszko-
dzęnia1Alessio, Goldfarb 1 988; Fielding' Meydani L991)'
Według Miillera i in. (1996) istnieje kilka altematyłmych wyjaŚnień powsta-
wania *'oinych rodników podczas wysiłku. Pietw'sze - to przyśpieszonę
oddy-
chanie kołnórkowe ze zwiększonym przepływem elektronów przez łancuch
oddechowy i powiększanie ,.wycieku'' elektronów. Innym zjawiskiem jest wy-
czerpanie 'ię p"tl ATP i podwyższenie wewnątrzkomorkowego poziomu ADP.
Wyźwala to katabolizm ADP i konwersję dehydrogenazy ksantynowej do
oksydazy ksantynowej, generującej powstawanie roclnika nadtlenkowego (Bar-
tos, tq9s; Laughlin ii''-. tggo; Skłodowska 1995). Mechanizm ten jest wyz-
rł,alany zarówno podczas wysiłku, jak i niedotlenienia pracujących mięśni'
W niedokrw'ionyóh mięśniach
w trakcię w1'siłku dochodzi do mikrourazów
i powstawania lokalnych procesów zapalnych, Ściągających do siebie pobu-
dłone granulocyty i makrofagi. Te wtórnie przyczryniają się do powiększenia
miejsca zapainego, rłyr'varzając oz'-, Hzoz, I-{o" enzymy lizosorrralne. atakŻę
proóukty pr""rniu.,y t*ur., arachidonowego' m.in. leukotrieny, ktore działają
.t .rootutiy cznre nagranulocyty (Granger, Kubes 1994; Wysocka 1995).
Po okresie niecloki,vienia w czasie reperfuzji moze dochodzió do obniŻenia
aktywno ści
enzymów antyoksydacyj n1,ch, poniewaz wzrasta stęŻenie wolnych
rodnikow, ktoreinaktywują ęBzymy (Choudhury i in- 1991;Laughlin i in' 1990)'
oksydaza ksantynowa po*sta.1. pod wpływem zmian środowiska,
którymi
w pizypadku mięsni óu''izo'." pH i ciśnienie
parcjalne tlenu. Reak.j'":1:ij
kaializorł,an aptzęzproteazę akrywowanąwzrastającym stęŻentem 3onor'ł- L'a-
(Skłodowska 1995).
Wzrost metaboiizmu beztlenowego w trakcie pfacy rnięśni
i lokalna kwa-
sica ułatwiająuwalnianie tlenu z hemoglobiny (efekt Bohra), atakŻe uwal-
nianie jonow Żelaza ztransferyny (Mtiller i in. 1996). Jony Że\aza reagując
z Oz'' i Hzoz, wytwarzanymi przezbłonową oksydazę NADPH pobudzonych
grariulocyo* i ot ryaazę ksantynową Żrodłemrodnika Ho' (Komosińska
ii". rqqo. o2-, wytwarzany przęZgranulocyty lub oksydazę ksant5mowąmoŻe
równiez i.ugo*uć z No. kómórek śródbłonka
naczyń, powodując powsta-
wanie nadtlenoazotynu - rodnika znanego ze swej dużej toksyczności' który
w obecności jonow metali dwuwańościowych
rozkłada się do Noz i Ho'
(Granger, Ku6es 1994; Skrzydlewska, Farbiszewski 1995)'
-.\
- 9'
Stres oksydacyjny i antyoksydacyjna obrona"'
Wzmozona produkcja wolnych rodników moŻe okazać się niebezpieczna
dla mięśni
szkióletowyih, gdyzakĘwność
enzymów anĘoksydacyjnych i glu_
tationulest w nich duŻo niŻszaniŻw Sercu czy wątrobie (Ji 1993)' Jt wykazaŁ,
Że aktywnośĆ
tych enzymów w sęrcu była większa o około 8-I0 razy ntŻ
w mięśniach
szkieletowych' podczas gdy w wątrobie około 30 ruzy. Wzg|ędna
obojęinoŚć enzymów antyoksydacyjnych na stres oksydacyjny w Sercu i wątro-
bie, w porownaniu z mięśniami
szkieletow1mi tłumaczona moze być faktem,
ze wnóst zuĘciatlenu podczas wysiłku ptzezwsrobę i serce jest stosunkowo
mały (około 4-5-krotny) w porównaniu z mięŚniami szkieletowymi (około
2O-krotny). Ponieważ produkcja rodników tlenorłych jest wprost proporcjo-
nalna do zuzycia tlenu, wątroba i serce mogąbyć naraŻonejed;nie na umiarko-
w-any stres oksydacyjny . Pozatym wątroba, podobnie jak serce' jest jednym
z narządów o nąwyzszej zawar1ości
enzymów antyoksydacyjnych. Rodniki
tlenowó podczas wysiłkumogą być zĘchnaruądow usuwane w sposób efek-
ty-ny, diatego indukcja enzymów antyoksydacyjnych nie jest tak konieczna.
' Mięśnie
szkieletowe mająjednak wyjątkowązdolnośĆ
adaptacji do stresu
oksydacyjnego. Wzrost stężenia RT wyzwala w nich obronę' której mechanizm,
jak dotąd, został dokładnie poznany (Ji 1993, 1995). W literaturze istnieje
wiele doniesień na temat badan doĘczących wysokości
zmian aktywności en-
zymow w wysiłku. Często wyniki tych badań sąjednak Sprzeczne. Niezgod_
ności
tłumaczy się róznorodnością wysiłku' czasem jego trwania tróŻnym
obciązeniem (Mtiller i in. i996).
Na podstawie analizy danych zawarLychw piśmiennictwie
dotyczącej wol-
nych ródników mozna stwierdzić, Że ichobecność w organizmie nie jest Ęlko
nlgatyłvnym zjawiskiem. Niektórzy autorzy probują doszukiwac się nawet
"yklióznosci ich powstawania (Gondko 1995). JeŻeli przy1ąć tęhipotezę za
fakt, pozostaje jeszcze p1.tanie, czy istnieje jakaś
nadrzędna struktura, która
nadzóruje te przemian1r Wie1ę przesłanek wskazuje na jej istnienie' Pyanie
jednak pozosiaje otwarte tak długo, aŻpojawiąsię pierwsze proby przekony_
wających odpowiedzi.
PIŚMIENNlCTWo
.Ąlessio H. M. (1993) Exercise _ induced oxidative stress. ,,Med. Sci. Sporls Exercise'', 25,
218-2Ż4.
Alessio H. M., Goldfarb A' (1988) Lipid peroxidation and scavengęr enzrymes during exercise:
^ adaptative responsę to training. ',J. Appl. Physiol'''' 64, 1333-1336'
ń";;b. I. (1994) ireę radicals and antioxidant strategies in sports. ,,J. Nutr. Biochem.'', 5,
->=:{Jo-381.
Bartosz G) (1995) Druga twarz tlenu. PWN, Warszawa.
37
leń mięśni.
Zmiany
rsywności wysiłku
olemmy i wypływu
otrzębowanie orga-
ce mięśnie
pociąga
'ją 'ię do ich uszko-
).
h wyjaśnień
powsta-
przyŚpieszone oddy_
onów przez łancuch
zjawiskiem jest wY-
wego poziomu ADP'
azy ksantYnowej do
nadtlenkowego (Bar-
hanizm ten jest wYz-
pracujących mięśni'
rdzi do mikrourazow
cych do siebie Pobu-
r 'ię do powiększenia
y lizosomalne. a takŻe
otrieny. ktore działają
; Wysocka 1995)'
lchodzić do obniŻenia
rasta stęŻenie wolnych
r1; Laughlin i in' 1990)'
r środowiska,
którymi
Le tlenu. Reakcja ta jest
' 'Gl."i.* jon-ów Ca2'
i mięśni
i lokalna kwa-
Bohra), a takŻe uwal-
). Jony Że|azareagując
,xłupH pobudzonych
nika Ho. (Komosińska
rdazę ksanĘmową może
vn. powodując powsta-
,z.i iot .y.zności,
który
łada się do Noz i Ho'
199s).