STRES OKSYDACYJNY I USZKODZENIA SPOWODOWANE PRZEZ WOLNE RODNIKI

Transkrypt

1 Teorie starzenia się Krajowy Instytut Zdrowia uznaje teorii starzenia się. Ważne jest, abyśmy pamiętali, że wszystkie te mechanizmy są wciąż traktowane jako teorie. Wiele teorii starzenia się, np. Teoria zużycia" [ang. Wear and Tear Theory ], zostało odrzuconych jako błedne. Obecnie największą popularnością cieszą się dwie teorie, ponieważ zostały one poparte badaniami naukowymi. Są to: Teoria wolnych rodników [ang. Free Radical Theory ] oraz Teoria neurohumoralna [ang. Neurohumoral Theory ] Teoria wolnych rodników zakłada, że na skutek zwiększających się uszkodzeń spowodowanych przez wolne rodniki oraz stres oksydacyjny (bardziej szczegółowe wyjaśnienie poniżej) procesy biochemiczne i komórkowe zaczynają prowadzić do nieprawidłowych działań w momencie, gdy uszkodzeń związanych ze starzeniem się jest coraz więcej. Do większości uszkodzeń spowodowanych przez wolne rodniki dochodzi w okresie najbardziej intensywnej przemiany metabolicznej. U ludzi jest to początek okresu dojrzewania w przypadku mężczyzn i okres przed dojrzewaniem oraz początek okresu dojrzewania w przypadku kobiet. W tym okresie dysponujemy także największymi rezerwami fizjologicznymi, jednak wraz z kumulowaniem się uszkodzeń nasze rezerwy fizjologiczne wyczerpują się. W związku z tym narażony na traumę lub atak biochemiczny 20-latek jest w stanie szybciej dojść do siebie od 80-latka, którego rezerwa fizjologiczna jest mniejsza. Teorię wolnych rodników" po raz pierwszy przedstawił Denham Harman. Według Teorii neurohumoralnej nasze procesy biochemiczne, w szczególności procesy enzymatyczne oraz inne reakcje hormonalne, zaczynają wraz z procesem starzenia wysyłać błędne lub niekompletne komunikaty. Im jesteśmy starsi, tym częściej do tego dochodzi i tym więcej jest uszkodzeń. Wielu ekspertów zauważyło, że powodem tych biochemicznych problemów są uszkodzenia spowodowane przez wolne rodniki. W związku z powyższym, teorię tę można traktować jako część składową Teorii wolnych rodników. Kolejne badania nad procesem starzenia się wydają się potwierdzać Teorię wolnych rodników. Przyczyna choroby Choroba zaczyna się rozwijać, kiedy w jednym z organów zwiększa się stres oksydacyjny. Po wystąpieniu krytycznej ilości uszkodzeń możemy zdiagnozować konkretną chorobę, np. cukrzycę, miażdżycę tętnic, udar, nowotwór itp. Wszystkie z tych chorób określa się jako choroby wywoływane starzeniem się". Powodem niektórych chorób jest zwykły atak na organizm, np. infekcja, uraz spowodowany przez drapieżniki lub trauma. Infekcje i ataki drapieżników nie są skutkiem starzenia się, ale są zagrożeniami wynikającymi z życia w danym środowisku. Wraz z wydłużeniem się średniej długości życia naszego gatunku, pojawiły się choroby spowodowane starzeniem się. Choroby te występują u starszych członków naszej populacji i nie występują często u osób młodszych. Jednak wraz z wydłużeniem się średniej długości życia zaczęliśmy na choroby te zapadać, a wszystkie z nich wywoływane są uszkodzeniami spowodowanymi przez wolne rodniki. Prawdopodobnie najbardziej typowym przykładem choroby spowodowanej starzeniem się jest rak. Praktycznie wszystkie stare zwierzęta laboratoryjne, np. myszy i szczury żyjące w kontrolowanych środowiskach, umierają na raka. Zapalenia Obecnie w literaturze medycznej mamy do czynienia z dwoma gorącymi tematami dotyczącymi rozwoju choroby. Jeden z nich dotyczy uszkodzeń spowodowanych przez wolne rodniki. Drugi to zapalenia. W momencie gdy dochodzi do uszkodzeń spowodowanych przez wolne rodniki w komórkach i tkankach, organizm próbuje pozbyć się uszkodzonych komórek. W tym celu uaktywnione zostają liczne ścieżki zapalne. Na miejsce uszkodzeń organizm wysyła komórki, które mają uszkodzenia te uprzątnąć.

2 Komórki te wydzielają szereg substancji chemicznych, które wywołują zapalenie. Zapalenie jeszcze bardziej niszczy uszkodzoną tkankę i zamienia ją w ciecz, co umożliwia jej usunięcie. Jednak zapalenie nie ogranicza się nigdy do uszkodzonych komórek, ale ma także wpływ na sąsiadującą z nimi zdrową tkankę. Dlatego choć zapalenie ma na celu wykonanie określonego pożytecznego zadania, może ono w rzeczywistości samo wyrządzić szkody. W literaturze medycznej publikuje się coraz więcej badań na temat ograniczenia stresu oksydacyjnego oraz zapalenia jako sposobu ostatecznej ochrony zdrowej tkanki. Źródła uszkodzeń spowodowanych przez wolne rodniki Zdecydowanie najczęściej źródłem uszkodzeń spowodowanych przez wolne rodniki jest metabolizm samej komórki. Nasze komórki pobierają tlen, jaki wdychamy przez płuca, i wykorzystują go w reakcjach enzymatycznych do spalania określonych substancji (glukoza, tłuszcze a nawet białka) i uwalniania energii. Każda z komórek wykorzystuje swoją energię do wykonywania przypisanych jej funkcji. Jednak natura nie zapewniła nam pełnej skuteczności w zakresie wykorzystania uwolnionej energii. Każda komórka produkuje dodatkową energię, która ma umożliwić jej wykonywanie określonych funkcji. W trakcie produkowania energii tworzą się rodniki (cząsteczki o bardzo dużej energii). Tworzy się ich więcej niż organizm ich potrzebuje. Dodatkowe rodniki wślizgują się do wnętrza komórki i po uderzeniu w daną strukturę łączą się z nią powodując uszkodzenia. Te dodatkowe pakunki energii określane są mianem wolnych rodników, ponieważ nie biorą one udziału w tym momencie w żadnej konkretnej reakcji biochemicznej. Z uwagi na bardzo dużą energię, łączą się one z pierwszym elementem, który napotkają na swej drodze. Zatem uszkodzenia spowodowane prze wolne rodniki można uważać za skutki życia i oddychania w środowisku bogatym w tlen. Skóra, która jest pierwszym mechanizmem obronnym ciała, narażona jest także na inne źródła uszkodzeń spowodowanych przez wolne rodniki. Jednak źródłem znacznej większości uszkodzeń w danej komórce jest produkcja energii w wyniku wewnętrznego metabolizmu. Innymi źródłami uszkodzenia skóry, za które odpowiedzialne są wolne rodniki, są promienie słoneczne, ozon, zanieczyszczenia, stosowane substancje (np. niektóre filtry przeciwsłoneczne) oraz inne toksyny. Ogromne uszkodzenia w komórkach i tkankach powoduje także palenie. Każdy kłąb papierosowego dymu zawiera wystarczającą ilość wolnych rodników do wywołania ataku wolnych rodników" w każdej komórce ciała. Do stresu oksydacyjnego dochodzi wtedy, gdy pojawią się więcej wolnych rodników niż ilość, jaka może być zneutralizowana przez przeciwutleniacze. W rzeczywistości cały czas znajdujemy się w stanie stresu oksydacyjnego, gdyż liczba wolnych rodników nigdy nie odpowiada w pełni liczbie przeciwutleniaczy. Wolnych rodników, które powodują uszkodzenia i powolny proces podupadania na zdrowiu, określany także starzeniem się, jest zawsze więcej. Znaczenie przeciwutleniaczy Przedstawiona poniżej skrócona reakcja chemiczna ilustruje kumulację uszkodzeń spowodowanych przez wolne rodniki i stres oksydacyjny. Jako naszego pierwszego wolnego rodnika użyjemy rodnika tlenowego, który w zapisie opatrzymy gwiazdką (*) wskazującą, że zawiera on bardzo dużo energii. O* ma tak dużą energię, że natychmiast łączy się z pierwszą strukturą, jaką napotyka na swej drodze. Łącząc się z tą strukturą, uszkadza ją, a w wyniku tego procesu tworzy się kolejny wolny rodnik. Drugi wolny rodnik, który ma też bardzo dużą energię, także łączy się z pierwszą strukturą, której dotyka. Proces ten jest kontynuowany w sposób opisany poniżej. O* + błona komórkowa -> uszkodzona błona komórkowa + A* (błona komórkowa chroni integralność komórki) A* + mitochondria -> uszkodzone mitochondria + B* (mitochondria produkują energię dla komórki)

3 B* + DNA -> uszkodzone DNA + D* (DNA jest genetycznym mechanizmem komórki, który steruje wszyst kimi funkcjami komórkowymi i reprodukuje się, aby stworzyć kolejną komórkę). Uszkodzone DNA prowadzi do powstania komórki rakowej lub złośliwej) D* + białko komórkowe/kolagen/elastyna -> uszkodzona tkanka sprężysta (zmarszczki) + E* Proces ten trwa nieustannie, gdyż struktury komórkowe uszkadzane są przez wolne rodniki, w wyniku czego tworzy się jeszcze więcej tych rodników. Jednak przeciwutleniacz łączący się na początku tego procesu z O* zatrzymuje tę kaskadę i zapobiega dalszym uszkodzeniom. Właśnie dlatego przeciwutleniacze mają kluczowe znaczenie w utrzymywaniu funkcji komórkowych wraz z procesem starzenia się (a starzejemy się od momentu narodzin). Poniżej, na bardzo prostym rysunku komórki, przedstawiono lokalizację wspomnianych wyżej elementów w reakcji opisującej uszkodzenia spowodowane stresem oksydacyjnym. Do zilustrowania tych ogólnychzasad można by wykorzystać każdą komórkę ciała, ale w tym przypadku przedstawiono komórkę skóry. Należy pamiętać, że komórki skóry, które znajdują się blisko powierzchni ciała, są bombardowane z otoczenia dodatkowymi czynnikami powodującymi stres, które nie docierają do innych komórek znajdujących się w głębi organizmu. [opis rysunku zgodnie z ruchem wskazówek zegara przyp. tłumacza] KOMÓRKA SKÓRY O* - bardzo reaktywny wolny rodnik tlenowy w sąsiedztwie komórki mitochondria centrum produkcji energii dla komórki błona mitochondrialna jądro zawierające chromosomy z DNA genetyczne centrum kontroli komórki

4 kolagen - produkt tej komórki błona jądrowa błona komórkowa promienie słoneczne Należy zwrócić uwagę na kilka dodatkowych faktów dotyczących struktury komórki, gdyż dotyczy to uszkodzeń oksydacyjnych i przeciwutleniaczy: 1. Celem każdej z błon jest otoczenie części komórki (np. mitochondrium, jądra) lub całej komórki. Błony rozpuszczają się w tłuszczach. Jeżeli ulegną one uszkodzeniu, trudno im chronić znajdujące się wewnątrz struktury oraz wpuszczać do środka odpowiednie substancje a blokować dostęp do elementów komórki innym substancjom. Elementy te oraz inne struktury zawierające tłuszcze chronione są przez przeciwutleniacze rozpuszczalne w tłuszczach. Jednym z wielu przykładów takiego przeciwutleniacza rozpuszczalnego w tłuszczach jest witamina E. 2. Wnętrze struktur komórkowych, w tym wnętrze samej komórki, zawiera dużo wody. W związku z tym obszary te chronione są przez przeciwutleniacze rozpuszczalne w wodzie. Przykładem przeciwutleniacza rozpuszczalnego w wodzie jest witamina C. 3. DNA zawarte w znajdujących się w jądrze chromosomach nie tylko steruje funkcjami komórki, ale także odpowiedzialne jest za jej rozmnażanie, co umożliwia tworzenie podobnych komórek. W powyższym przykładzie celem komórki jest produkcja kolagenu. Uszkodzone DNA może prowadzić do produkcji kolagenu zawierającego błędy. Kolagen, który nie jest prawidłowy z biochemicznego punktu widzenia, nie byłby w stanie poprawnie działać; mógłby cechować się słabą sprężystością (prowadzić do powstania zmarszczek) lub mieć problemy z wiązaniem się z innymi łańcuchami kolagenu (co prowadzi do powstania zmarszczek, utraty elastyczności, nieprawidłowego zabliźniania się ran). 4. Jeżeli uszkodzone są mitochondria, komórka nie jest w stanie produkować odpowiednich ilości energii. Energia ta potrzebna jest do działania komórce oraz wszystkim jej częściom. Poza tym, produkując energię, mitochondria produkują rodniki będące źródłem energii. Natura stworzyła nas tak, że produkujemy dodatkową energię i ta niewykorzystana energia rozpoczyna proces uszkadzanie komórki w jej granicach. 5. W momencie dotknięcia komórki przez jakikolwiek wolny rodnik (np. promienie słoneczne, wolne rodniki tlenowe, rodniki z dymu papierosowego itp.) rozpoczyna się opisany na przykładzie powyższych reakcji proces uszkadzania komórki przez wolne rodniki. Przeciwutleniacze mogą zablokować wolne rodniki zanim te dotkną komórki lub już w jej wnętrzu. Ważne jest, aby komórka posiadała ochronę antyoksydacyjną na wszystkich poziomach, gdyż nie jest możliwe zatrzymanie wszystkich wolnych rodników na jej powierzchni. Wiele z nich przenika przez pierwszą barierę, jaką jest skóra, lub pojawia się wewnątrz komórki w wyniku metabolizmu komórkowego. Przeciwutleniacze można przyjmować doustnie lub stosować na powierzchni skóry. Do powierzchni skóry dociera zaledwie około 1% przeciwutleniaczy przyjętych doustnie. Chcąc zwiększyć ochronę antyoksydacyjną należy stosować też skuteczne przeciwutleniacze na powierzchni skóry. Dobre przeciwutleniacze stosowane na skórze muszą cechować się wysoką jakością, stabilnością, czystością i skutecznością. Z produkcją przeciwutleniaczy stosowanych na powierzchni skóry związane są także określone trudności. Należy pamiętać, że podstawową funkcją skóry jest przepuszczanie do wnętrza organizmu niektórych substancji i zatrzymywanie na niej innych czynników pochodzących z otoczenia. W związku z tym opracowywanie przeciwutleniaczy stosowanych na powierzchni skóry jest szczególnym wyzwaniem. Skóra ze swojej natury nie pozwala tego typu przeciwutleniaczom przenikać do wnętrza komórek, gdzie byłyby najskuteczniejsze.

5 Krzywa długości życia W roku 1900 średnia długość życia wynosiła około 45 lat. Dla osoby, która urodziła się dziś, wynosi ona około 85 lat. Występują pewne różnice między populacjami w różnych częściach świata oraz kobietami i mężczyznami. Największe wydłużenie średniej długości życia zawdzięczamy rozwojowi sieci kanalizacyjnych. Wynikiem wydłużenia średniej długości naszego życia były ogromne zmiany społeczne. Plan życia i poszczególne jego etapy wyglądają zupełnie inaczej w przypadku osoby, która ma dożyć wieku 85 lat, i osoby, która najprawdopodobniej umrze przed 45 rokiem życia. Wyzwania społeczne, przed jakimi stoimy w związku ze starzejącym się społeczeństwem, w którym wiele osób zachowa doskonałe zdrowie do późnej starości, są diametralnie inne. Każdy gatunek cechuje się maksymalną długością życia specyficzną dla tego gatunku. Maksymalna długość życia to wiek, w którym mitochondria znajdujące się w komórkach wyłączają się i przestają produkować energię. Choć zawsze ma miejsce jakieś zdarzenie ostateczne, osobniki osiągające maksymalną długość życia dla swojego gatunku umierają. W przypadku ludzi maksymalna długość życia wynosi 120 lat. W przypadku szympansów jest to około 45 lat, a w przypadku szczurów około 3 lat. Maksymalna długość życia niektórych papug wynosi około 105 lat. Opublikowano interesujące prace, w których opisano, dlaczego niektóre gatunki mogą żyć dłużej od innych. Co interesujące, istnieją gatunki, które w zasadzie się nie starzeją. Przykładami mogą być żółw z Galapagos i skorpena. Wydaje się, że przedstawiciele tych gatunków się nie starzeją; oni po prostu rosną. Oczywiście żyją oni w naturalnym środowisku, zatem wielu z nich zabijanych jest przez drapieżniki oraz ginie w wyniku wypadków. Przedłużenie maksymalnej długości życia specyficznej dla danego gatunku wymaga manipulacji genetycznych. Na przestrzeni kilku ostatnich lat Michael Rose z University of California w Irvine przedłużył maksymalną długość życia muszek owocowych, a Cynthia Kenyon z University of California w San Francisco dokonała tego samego w przypadku nicieni. Badaniom tym poświęca się bardzo dużo uwagi, ponieważ w przeszłości uważaliśmy, że maksymalnej długości życia gatunku nie da się przedłużyć. Zasady te zilustrowane są na zamieszczonej poniżej Krzywej długości życia/przeżycia. Krzywa ta dotyczy gatunku ludzkiego. Każdy gatunek cechuje się maksymalną długością życia specyficzną dla tego gatunku jest to najdłuższy okres, przez jaki może żyć którykolwiek z jego przedstawicieli, po zakończeniu którego wyłączają się mitochondria, ustaje produkcja energii komórkowej i organizm umiera. W przypadku ludzi maksymalna długość życia wynosi 120 lat.

6 KRZYWA DŁUGOŚCI ŻYCIA/PRZEŻYCIA [linia pionowa]: Wszyscy przedstawiciele gatunku żyją 50% przedstawiciel gatunku żyje (średnia długość życia) [linia pozioma]: 17 lat (człowiek prymitywny) 45 lat (1900) 83 lata (1995) 120 lat (maksymalna długość życia człowieka) Krzywa A dotyczy neandertalczyka, który żył średnio 17 lat. Wystarczało to, aby osiągnąć dojrzałość płciową, znaleźć partnera, spłodzić dzieci i tym samym przekazać materiał genetyczny gatunku. Umieralność noworodków była bardzo wysoka, podobnie jak zgony w wyniku ataków drapieżników, wypadków oraz infekcji. Natura stworzyła nas i pozostałe gatunki w taki sposób, abyśmy żyli wystarczająco długo, żeby przekazać nasze DNA w celu kontynuacji gatunku. Co dzieje się potem zależy od nas. W ogrodach zoologicznych, gdzie ataki drapieżników i wypadki zostały praktycznie wyeliminowane, średnia długość życia zwierząt natychmiast z łatwością wydłuża się dwukrotnie. Kanalizacja i domowe instalacje wodne pozwoliły przedłużyć średnią długość życia ludzi do 45 lat w 1900 r. Na wykresie pokazuje to krzywa B. Krzywa C pokazuje długość życia w dniu dzisiejszym. Od 1900 r. powszechne są antybiotyki, wykonujemy mniej niebezpieczne prace a nasze życie wydłużyło się także dzięki innym przejawom postępu społecznego. Krzywa D przedstawia idealną krzywą długości życia dla człowieka. W tym przypadku wszyscy przedstawiciele gatunku osiągaliby maksymalną długość życia wynoszącą 120 lat. Aby to osiągnąć, konieczne byłoby wyeliminowanie chorób. Chore zwierzęta (i ludzie) umierają; zdrowe żyją dłużej od swoich chorych odpowiedników. W wieku 120 lat wszyscy przedstawiciele gatunku umierają, ponieważ przestają działać ich mitochondria. Umożliwienie gatunkowi osiągnięcie długości życia przedstawionej na krzywej D pociąga za sobą szereg radykalnych zmian społecznych, będących produktem ubocznym takiej zmiany. Gdyby praktycznie wszystkie osoby osiągały wiek 120 lat miałyby one czas na kilka karier zawodowych, być może na założenie kilku rodzin, mogłyby żyć w wielu miejscach itp. Opracowanie leków przeciw wszystkich chorobom może być określone jako wyleczenie ze starości lub wyleczenie z chorób spowodowanych starzeniem się, takich jak cukrzyca, choroby serca, udary, nowotwory itp. Zmiana taka wymagałaby prawdopodobnie także modyfikacji stylu życia, np. zmian w diecie, większej ilości ruchu itp. Wydłużenie maksymalnej długości życia ponad to, co przedstawia krzywa D, wymagałoby manipulacji genetycznych. Michael Rose z University of California w Irvine przedłużył maksymalną długość życia muszek owocowych, a Cynthia Kenyon z University of California w San Francisco dokonała tego samego w przypadku nicieni. Nawet jeśli mogłoby się wydawać, że badania nad muszkami owocowymi lub nicieniami nie dotyczą ludzi, to w pewnym stopniu do wszystkich gatunków mają zastosowanie te same zasady. Inni badacze także manipulowali przy maksymalnej długości życia. Większość z tych badań skupia się na genetycznym wspomaganiu komórek organizmów w produkcji większej ilości wewnątrzkomórkowych przeciwutleniaczy, np. SOD (dysmutaza ponadtlenkowa).

7 B i b l i o g r a fi a Oxidants and Antioxidants in Cutaneous Biology, J Thiele and P Elsner (eds.), Current Problems in Dermatology, G. Burg (ed.), Tom 29, Karger: Basel, London, NY, The Biology of the Skin, RK Freinkel, DT Woodley (eds.), Parthenon Publishing: NY, London, Oxidative Stress and Aging, RG Cutler, L Packer, J Bertram, A Mori (eds.), Molecular Biology Aktualizacje, Birkhauser Verlag: Basel, Boston, Berlin, Biology of Aging, R Arking, Sinauer Associates, Inc: Sunderland, MA, 1998.