Přeskoč na menu

Oxidační stres- úvahy.

 

Volné radikály.Jde o látky, které pohotově reagují s různými biologickými strukturami

mastnými kyselinami,lipidy,aminokyselinami a proteiny, nukleovými kyselinami a řadou nízkomolekulárních metabolitů,koenzymů a jiných součástí živé hmoty. Díky tomu se staly významnými prostředníky přenosu energie, faktory imunitní ochrany signálními molekulami buněčné regulace.Částice se nazývá volný radikál, pokud alespoň jeden orbitál obsahuje nepárový elektron.Přidání jednoho elektronu k molekule je redukce a odebrání elektronu je oxidace. Radikály mohou být neutrální částice , či kladně nebo záporně nabité ionty

Reaktivita je však pojmem relativní mezi takové vyjímky patří i běžná dvouatomová molekula kyslíku, který dýcháme, ve fyzice známá jako tripletový dioxygen. Ve dvou orbitách má po jednom nepárovém elektronu, je to tedy biradikál a ve srovnání s jinými molekulami reaguje poměrně pomalu. Musí při tom totiž měnit spin, rotaci jednoho ze zmíněných elektronů, to je překonat spinovou restrikci. Tato maličkost dovolila živým organismům přežít v kyslíkové atmosféře, jinak by doslova pohořeli.Z normálního kyslíku však přijetím elektronu vznikají reaktivní formy kyslíku, volné radikály.Jde o postupnou čtyřelektronovou redukci molekuly atmosférického  tripletového kyslíku na dvě molekuly vody. Tato redukce je nezbytnou reakcí pro aerobní způsob života.Probíhá v dýchacím řetězci mitochondrie, v aktivním centru enzymu cytochromoxidázy a umožňuje známou transformaci energie chemických vazeb živin do adenozintrifosfátu ATP, což je univerzální forma energie pro biochemické procesy v organismu. Ani nejaktivnější forma kyslíku není ve vazbě s enzymem pro organismus škodlivá.

Z toho vyplívá, že kyslík atomární pouhým přidáním elektronu, kdy získal energii, která vyzdvihla jeho elektrony do jiné orbitálové pozice či změnila jeho spin se stává o hodně reaktivnější a označuje se jako singletový kyslík. Ten opět není volný radikál, ale je jen reaktivnější. Podobná situace  je u kyslíku O3 ozonu , ozon není volný radikál, má všechny elektrony párové ale je reaktivnější než atomární kyslík ten podobně  jako singletový kyslík se slučuje například s nenasycenými mastnými kyselinami na lipidové peroxidy. Peroxidy vznikají redukcí kyslíku jedním elektronem na superoxid a druhým elektronem  na peroxid vodíku. Je li k dispozici další elektron vznikne hydroxylový radikál HO. Poslední redukcí elektronu vznikne molekula vody.Superoxid má redukční i oxidační vlastnosti a proto stále vzniká bud peroxid nebo kyslík O2.

Tento proces  je urychlován enzymem superoxid dismutázou.Všechny tyto procesy probíhají nesmírně rychle a vyžadují velké množství volné energie. Právě  volná energie je nutná proto, aby vznikaly konečné neškodné produkty, nebo  radikály neškodné ,které jsou vázány na enzymy. Nejznámější je enzym supeoxiddismutáza -SOD.Při nedostatku volné energie se procesy které vyrovnávají tyto pochody mění ve prospěch vzniku volných nevázaných radikálů. Vzniká oxidační stres buňky. Oxidační stres  tak není nedostatek kyslíku , ale převážení oxidace ve prospěch vzniku volných nevázaných radikálů kyslíku. Nejvydatnějším ROS v buňce je respirační řetězec na mitochondriích. Asi 1-4 procenta kyslíku vstupujícího do dýchacího řetězce je redukováno neúplně, tedy na ROS, nikoliv na vodu. Je tedy zřejmé, že volné radikály jsou zcela obecným metabolitem v každé buňce. Tyto radikály jsou nutnou součástí baktericidního ochranného systému.

Je docela  dobře možná představa, že při miliardě bakterií na cm 2 třeba ve střevní buňce je vlastně nedostatek ROS v cytosolu buňky a  bakteriální ochrana selhává.Dodáním formou ozonidů a peroxidů se tato ochrana zvýší terapie peroxidem je nyní velmi moderní v Kanadě  a v USA.Volné radikály vznikají nejenom vazbou na enzymy ,ale i volně z různých dalších reduktáz.Takovými molekulami jsou např. chininová antibiotika vznikající v buňkách jako adryamycin,daunomycin a streptinigrin. Tato antibiotika třeba ničí nádorové buňky ale Ros není vázán na enzym  a proto zároveň poškozuje biomolekuly. Radikálové metabolity poškozují v organismu lipidy ,proteiny, nukleové kyseliny.Všechny tyto vztahy je možné poznat , podpořit ty užitečné pro organismus a ty škodlivé potlačit. Vliv O3 na metabolismus- kapitolka V poslední době  se hromadí údaje o tom, že funkci buněčné informační sítě ovlivňuje oxidoredukční stav buňky a že reaktivní formy kyslíku bude třeba považovat za sekundární posly informace. Je třeba odlišit indukci masivní produkce ROS, které jsou nástrojem imunitní ochrany a indukce změn nízkých koncentrací ROS, které jsou regulačním mechanismem.Všeobecně byla přijata zkušenost, že radikál oxid dusnatý NO je jednou z důležitých signálních molekul. Po spuštění tvorby ROS v buňce se tak objeví tumor nekrotisující faktor alfa, který se později ukázal jako významný regulátor zánětu. Pokud chceme tyto poznatky využít máme dvě cesty .Bránit se větší tvorbě ROS a zvýšit záchyt a odstranění ROS

Vzestup koncentrace kyslíku v zemské atmosféře způsobený zhruba před 2,5 miliardou let donutil živé formy  rozvinout oba tyto způsoby ochrany. Jinak by život v kyslíkové atmosféře nebyl vůbec možný.Jenom vyjmenuji důležité antioxidační systémy , které příroda vytvořila.Superoxiddismutáza, glutathionperoxidáza,glutathiontransferáza, kataláza vysokomolekulární endogenní antioxydanty-feritin, albumin,nízkomolekulární endogenní antioxydanty. Vit. C a koenzym Q10, beta karoten vit A, dále thioly a disulfidy.- glutathion, kyselina liopová, melatonin,kyselina močová, bilirubin a nakonec flavonoidy.Vztahy  mezi antioxydanty jsou takové, že funkce jednoho antioxydantu velmi často podmiňuje účinek jiného článku celé soustavy.

Z toho vyplívá, že empirické podání antioxydantů může být za zdánlivě stejných okolností někdy organismu prospěšné a jindy škodlivé.Ozonová terapie otevírá možnost diskuse při oxidační a antioxidační terapii.Domnívám se , že tím že zasahuje  do všech těchto dějů souběžně, neboť isolovaný efekt na živou tkám je naprostou iluzí. Zasahuje však díky uvolněnému množství volné energie, bez kterých všechny tyto děje nemohou správně proběhnout jako harmonizující prvek, který potlačí vliv volných nevázaných neenzymatických ROS a povzbudí nezbytnou roli ROS enzymatických.

 

Energie

 

Živé tvory  zázračně odlišuje od neživé hmoty jedna vlastnost: vytváří a udržují pořádek ve světě,který spěje k čím dál většímu chaosu./entropie/ Při tvorbě tohoto pořádku musí buňky v živém organismu provádět nikdy  nekončící proud chemických reakcí. K provádění chemických reakcí pro udržení své vlastní existence potřebuje živý organismus nejen zdroj atomů ve formě molekul živin,ale také zdroj energie. Jak atomy, tak energie  musí nakonec pocházet z neživého prostředí.Chemické reakce  prováděné buňkou by normálně probíhali jen při teplotách značně vyšších než uvnitř buňky.Protož každá reakce   vyžaduje specifické zvýšení chemické reaktivity. Buňka ovládá tyto reakce prostřednictvím enzymů. Biologický pořádek je umožněn uvolňováním tepelné energie z buněk

Množství nepořádku v soustavě  lze měřit veličinou, kterou používáme k měření této neuspořádanosti, je entropie soustavy. Čím vetší je neuspořádanost tím  větší je entropie.Každá buňka si bere energii z okolí a využívá tuto energii k vytváření pořádku uvnitř sebe samé. V průběhu chemických reakcí vedoucích k větší uspořádanosti se část energie používané buňkou mění v teplo. Toto teplo se rozptyluje do okolí buňky a zvyšuje vně, neuspořádanost, takže celková energie entropie buňky a okolí vzrůstá přesně tak, jak to vyžadují zákony fyziky.Základní energie , kterou máme k dispozici  získávají všechny organismy  ze Slunce.Všichni živočichové využívají k životu energii uloženou v chemických vazbách vytvořených jinými organismy, které pojídají

Sluneční energie  vstupuje  do živého světa prostřednictvím fotosyntézy v rostlinách a ve fotosyntetických bakteriích. Čistý výsledek celé fotosyntézy může být jednoduše shrnout rovnicíSvětelná energie+ CO2+H2O=cukry+ O2 + tepelná energie. Buňky získávají energii oxidací organických molekul. Zemská atmosféra obsahuje velký podíl kyslíku, v jehož přítomnosti je energeticky nejstálejší formou uhlíku CO2 a nejstálejší formou vodíku H2O. Buňka je proto schopna získávat energii z cukrů, či jiných organických molekul tak, že umožní slučování jejich atomů uhlíku a vodíku s kyslíkem za vzniku CO2 a  H2O

Tomuto ději se říká respirace- dýchání. Respirace je tak doplňující děj k fotosyntéze.Oxidace  je také poznamenaná ztrátou elektronů, protože se  nemůže  nic  nikde ztratit  musí souběžně  někde probíhat redukce čili nabírání elektronů.Proto se tyto  děje  nazývají také oxido- redukční a na jejich rovnováze závisí přenosy elektronů a  stabilita buněčného prostředí.Kdyby v buňce probíhaly  jen energeticky výhodné reakce, zvyšovala by se  neuspořádanost, entropie a buňka by rychle  zanikla

Podle druhé věty termodynamiky může volná reakce probíhat samovolně, jen pokud je jejím výsledkem čistý vzrůst neuspořádanosti vesmíru.

Neuspořádanost vzrůstá, je li užitečná energie, kterou lze získat a využít k práci, rozptýlena ve formě tepla. Měřítko pro takový vzrůst neuspořádanosti může být vyjádřeno veličinou zvanou volná energie soustavy. Podobnou definici jsme slyšeli při objasnění termínu entropie. Entropie je tedy závislá na stavu volné energie.Energeticky výhodné jsou  ty reakce při nichž se snižuje volná energie soustavy a zvyšuje neuspořádanost vesmíru.Jak jsme již řekli, buňka  resp. živá hmota  je  nadána tou vlastnosti, že se snaží jít proti těmto pravidlům, snaží se zvyšovat uspořádanost a tím si zajistit délku přežití. Proto musí zvyšovat svoji volnou energii a čím déle se jí to daří tím déle může  tuto těžkou práci proti smrti, neuspořádanosti vydržet. Dá se tedy odvodit úměra, aby  buňky žily potřebují dostatek volné energie k překonání entropie. Molekuly v živé buňce jsou vybaveny energií díky svým vibracím, rotacím a podélnému pohybu a díky energii uložené v jejich  chemických vazbách. Volná energie G představuje tak energii buňky, která by se dala využít pro užitečnou práci při konstantní teplotě, jakou lze u většiny buněk předpokládat. Volná energie G se měří v kilojoulech na mol dříve  kilokalorie.1kJ=0.239kcal1kcal=4,18kJ

Dokud je buňka schopna tvořit dosti volné energie  je schopna přežít.jakmile tvorba poklesne, blíží se její zánik.

Ve skutečnosti protože nemůže nic  zaniknout jde  jen o přeměnu atomů a molekul do stavu vyžadující  menší energii k životu.dalo by se říci do stavu prazákladu či zrodu, odkud  dodáním energie se může  živost znovu kdykoliv objevit  vytvořit. Jak buňky získávají energii z potravy. Energie v potravě pochází  z energie chemických vazeb, jež pro buňku představují základní pohonnou hmotu. V buňce  enzymy katalyzují oxidaci cestou malých kroků v nichž se volná energie přenáší v přiměřeně velkých dávkách na přenašečové molekuly- nejčastěji SATP a NADK. V každém kroku ovládá enzym reakci snížením bariery aktivační energie kterou musí reakce nejprve překonat. Kdyby  došlo k uvolnění energie najednou jako je tomu třeba  u hoření, veškerá energie by se uvolnila  formou tepla  a buňka by doslova pohořela. Někdy se tomu také říká oxidační vzplanutí. Třeba ve fagocytech se zvýši spotřeba O2 bez účasti mitochondrií. Tím se zvýší neenzymaticky množství ROS  a buňka tak může rozložit třeba pohlcenou bakterii

Mnohem lepší je postupné uvolnění a postupné předávání dávek energie dále ke zpracování.Na příkladu cukru si ukážeme toto postupné odebírání energií,ale u všech živin je to podobné

Fáze 1 Každá látka i cukr je napřed rozložen na  malé organické molekuly procesem ve střevech nebo v lysozomech buněk trávením.Fáze 2 proces  oxidace začíná v cytosolu buňky.,  dále pokračuje v mitochondriích kde je i dokončena fáze3 poslední.Fáze 1 je tedy rozklad velkých makromolekul na menší podjednotky

Fáze 2 je rozklad podjednotek na acetyl CoA doprovázený určitou tvorbou ATP a NADH

Fáze 3 je úplná oxidace acetyl Co a na H2Oa CO2 doprovázená tvorbou velkého množství ATP a NADH v mitochondriích.

Co je na tomto procesu velice  zajímavé je , že fáze1a2 probíhají jako glykolýza bez účasti kyslíku O2, teprve fáze 3 je  za účasti atmosférického kyslíku.Glykolýza to je fáze1a2 mohou probíhat bez přítomnosti kyslíku. Proces má ale tu nevýhody, že se získá jen malé množství energie z glukosy jen 2 jednotky ATP. teprve ve fázi 3 přistupuje kyslík, který volně prochází přes membrány až do mitochondrií a  zajistí tak úplnou oxidaci glukosy na CO2 a H2O ale zároveň přidá velké množství energie vázané na ATP takže celý počet jednotek je 36 ATP

Tady je si třeba uvědomit obrovskou až neskutečnou kontinuitu reakcí a života buněk.Dokud nebyl v atmosféře kyslík probíhaly jen méně výhodné energetické přeměny u bakterii a kvasinek. Fermentace to je neúplná glykolysa cukru kde vznikal  i meziprodukt alkohol. Tento proces znají hlavně vinaři. Pak se objevil kyslík vznikla symbiosa buněk které uměly použít kyslík a vznikla mitochondrie jako energetické centrum buňky. Teprve tady vstupuje kyslík a dokončuje oxidaci cukru na H2O a CO2 ale také vzniká 15X více ATP.

Energie kterou tyto buňky tkáně člověk využívání na  snížení své entropie, čili prodloužení života, než se vrátí do Chaosu s menším množství potřebné energie.Z toho vyplívá, že větší část naší hmoty vlastně stále žije  život  starší než 2.5 miliardy  let, život v éře země bez kyslíku a jen malá moderní a výkonnější část buňky mitochondrie zajišťuje život pomocí kyslíku.toto poznání, že buňka je schopna kontinuity reakcí v miliardách let je šokující a krásné zároveň.

Představa , že buňky používají pravidla a paměť miliardy let staré a člověk jen pár let je docela zajímavé srovnání. Platí proto dobře věta , že poznat sebe sama  je podstatná věc. Poznali bychom život v jeho základech i v jeho kontinuitě.Nejde jen o filozofii jde i po poznání např. nádorového bujení. V buňce se sníží dostatek volné energie dojde  k poruše replikace DNA. Buňka nemá sílu resp. energii poruchu opravit ani buňku odstranit, začne štěpení a růst deformovaných mutovaných buněk, obecně nádorové bujení. Buňky potřebují množství energie, mitochondrie jsou poškozené resp. DNA mitochondrii je jiné než DNA buňky, Buňky začnou získávat energii fermentací, čili starým anaerobním způsobem, vzpomenou si jak přežít s menší tvorbou energie. Méně energie je více entropie čili buňka se rychle blíží do stavu energeticky výhodného čili do stavu chaosu. Bohužel vyčerpá energii  i  zdravým buňkám a nakonec  skončí v chaosu vše i celý organismus atomy s se vrací do stavu energeticky nejvýhodnotnějšího, do stavu svého vzniku. Nádor tak zničí nakonec celý organismus i sám sebe

Existují práce které potvrzují že aby nádorové buňky mohly pokračovat v získávání energie  fermentací, tvoří kolem sebe síta v mikrocévách, která zabraňují přístupu kyslíku Buňky jsou doslova jako opilé, aby ne tvoří přece fermentací alkohol a zkáza tak pokračuje. Jakou roli v těchto procesech hraje   O3  ?

Země je stará asi 4,6 miliardy let na začátku vývoje se  nevyskytoval žádný kyslík.vzniklé organismy  získávaly energii kvašením fermentací. Postupně jak vznikal kyslík ze sinic a řas a uvolňoval se do ovzduší přidal se k získávání energie  buňkami další mechanismus, který je založen na transportu elektronů v membránách. Membrány vznikly jako ochrana vnitřního prostředí života ale byla také potřeba nějak komunikovat s okolím a získávat energii a informace.Elektronový membránový přenos zvítězil používá se do dneška.  Vývojem membránového procesu fotosyntézy se organismy stávaly nezávislými na již existujících organických látkách a mohly už vytvářet vlastní organické molekuly z plynného CO2.- Více než miliardu let od výskytu bakterií, které již při fotosyntéze štěpily vodu a uvolňovaly kyslík, se uvolněný kyslík spotřebovával na oxidaci železnatých iontů v ranných oceánech. Teprve potom začal kyslík v atmosféře postupně přibývat a ž dosáhl současné koncentrace. Železnaté ionty v mořích odčerpávaly při své oxidaci vzdušný kyslík a daly vznik ohromným zásobám oxidu železitého.Membránové aerobní dýchání podle všeho vzniklo jako odpověď na vzrůstající koncentraci kyslíku v ovzduší. Koncentrace kyslíku se postupně ustálila poté, co se objevily i organismy neznající fotosyntézu, které kyslík spotřebovávali.

Zde se chci chvíli zastavit u  hypotézy, jaká, že forma kyslíku to vlastně vznikala. Kyslík vznikal v době,  kdy naše ovzduší bylo plné bouřek a silných energetických výbojů.Pod vlivem silného záření z planety slunce i s jeho složkou UV záření a silným kosmickým zářením. Jak energetické výboje  tak složky záření mají schopnost z kyslíku O2  vytvořit kyslík O3 ozon. Dá se předpokládat že v ovzduší bylo o mnoho více ozonu než nyní. Ozon se rychle slučoval s vodou a rozpadal se na O2. Svůj přebytek energie získaný z blesků a UV záření tak uvolnil do vodného prostředí. Možná tento přebytek energie umožnil aby  vznikaly složitější vzorce atomů H,C, O2a N, aby vznikly větší molekuly  cukrů, lipidů a tuků. Tyto složitější struktury musely umět  bojovat proti entropii a to mohly jen získáním energie třeba z ozonu a pak vytvořením celého mechanismu který se odehrává na mitochondriích . jde o tvorbu ATP jako základní energetické formule.

Nevím, proč nikdo neuvažuje o roli 03  v tomto historickém vývoji.Přitom zjišťujeme , že vlastně mechanismy ověřené historii fungují na úrovni buňky stále. Jsem přesvědčen, že role ozonu je proto stále ve  hře. Svoji roli  hraje v atmosféře jako ochránce před UV zářením dodnes  a máme strach z jeho zmenšení. Svoji roli v pralesích které jsou plícemi planety hraje stále a máme strach z jejich zmenšení. Svoji roli při bouřce má stále jen  ji  nevnímáme. Buňky uměly vždy s ozonem zacházet.

Do  metabolismu počítáme , že vstupují 3 moO2,/tripletový dioxygen.Proč asi, protože byli zvyklé, že zpracovávají  kyslík vzniklý rozpadem dvou molekul ozonu O3, právě na tyto 3 molekuly O2, jde o energeticky slabší formu  ale stále dosti výraznou. Při nedostatku energie  se  pak  již  z kyslíku stává jed  oxid O.Organismy již zřejmě trpí jak nedostatkem O3 tak  dokonce O2 jak ubývá volné energie na jedné straně tak přibývá  entropie  na straně druhé  a složité soustavy je stále těžší a těžší udržet pohromadě, směřuji opět do chaosu.Buňky, které nebudou mít dost energie aby  udržely svoje enzymaticky spřažené chemioosmotické a  oxido redukční pochody uvolní svoji energii oxidačním vzplanutím a pohoří jak  neřízená jaderná reakce.Vesmíru se  nic nestane jen se  energie vyzáří formou tepla  bude vlastně zachována, jen zanikne její jedinečná uspořádanost života. Aby třeba vznikla někde jinde podobným procesem  jako u nás  před  miliardami let.

 

 MUDr.Milan Veselý