Znaczenie reaktywnych form tlenu i azotu w patomechanizmie procesu zapalnego

131

Reactive oxygen and nitrogen species in inflammatory
process

Rutkowski R.

1

, Pancewicz S.A

2

, Rutkowski K.

3

, Rutkowska J.

4

Medical University of Bialystok, Poland:

1

Laboratory of Respiratory

Diagnostics and Bronchoscopy, e-mail: [e-mail],

2

Depart-

ment of Infectious Diseases and Neuroinfections;

3

Queen Mary’s

Sidcup NHS Trust, United Kingdom;

4

Nursing and Environment

Protection Division

Reactive oxygen species (ROS ) are generated in every cell during
normal oxidation. The most important ROS include: superoxide anion
(O

2

·–

), hydroxyl radical (OH

·

), hydroperoxyl radical (HO

2

·

), hydrogen

peroxide (H

2

O

2

) and singlet oxygen (

1

O

2

·–

). Reactive oxygen spe-

cies can react with key cellular structures and molecules altering
their biological function. Similarly reactive nitrogen species (RNS)
such as nitric oxide (NO) or peroxinitrite anion (ONOO

–

) have phy-

siological activity or reacts with different types of molecules to form
toxic products. ROS and RNS are important in process of energy
generation, lipids peroxidation, protein and DNA oxidation, nitration,
nitrosation or nitrosylation and catecholamine response. Reactive
oxygen/nitrogen species are neutralized by enzymatic activity or
natural antioxidants that stop the initial formation of radicals. Over-
production of ROS or RNS results in “oxidative” or “nitrosative” stress
which contributes to variety of pathological processes typical for dif-
ferent cancer, neurodegenerative, viral, toxic or inflammatory dise-
ases.

Key words: reactive oxygen species, reactive nitrogen species,
oxidative stress, pathological changes

Pol. Merk. Lek., 2007, XXIII, 134, 131

Znaczenie reaktywnych form tlenu i azotu
w patomechanizmie procesu zapalnego

RYSZARD RUTKOWSKI

1

, SŁAWOMIR A. PANCEWICZ

2

, KRZYSZTOF RUTKOWSKI

3

, JOANNA RUTKOWSKA

4

Akademia Medyczna w Białymstoku:

1

Samodzielna Pracownia Diagnostyki Oddechowej i Bronchoskopii, kierownik: dr hab. med. Z. Siergiejko,

2

Klinika Chorób Zakaźnych i Neuroinfekcji, kierownik: dr hab. med. S.A. Pancewicz,

3

Queen Mary’s Sidcup NHS Trust, kierownik:

A.G. Jariwalla MD, FRCP,

4

Wydział Pielęgniarstwa i Ochrony Środowiska

Znaczenie reaktywnych form tlenu i azotu w patomechanizmie
procesu zapalnego

Rutkowski R.

1

, Pancewicz S.A

2

, Rutkowski K.

3

, Rutkowska J.

4

Akademia Medyczna w Białymstoku:

1

Samodzielna Pracownia Dia-

gnostyki Oddechowej i Bronchoskopii, e-mail: [e-mail];

2

Klinika Chorób Zakaźnych i Neuroinfekcji;

3

Queen Mary’s Sidcup

NHS Trust;

4

Wydział Pielęgniarstwa i Ochrony Środowiska

Reaktywne formy tlenu – ROS powstają w każdej żywej komórce
organizmu podczas fizjologicznego procesu oddychania. Do najważ-
niejszych ROS zaliczamy: aniorodnik ponadtlenkowy (O

2

·–

), rodnik

hydroksylowy (OH

·

), rodnik wodoronatlenkowy (HO

2

·

), nadtlenek

wodoru (H

2

O

2

) oraz tlen singletowy (

1

O

2

·–

). Reaktywne formy tleno-

we reagują z najważniejszymi strukturami i cząsteczkami komórko-
wymi zmieniając ich biologiczne funkcje. Podobnie, reaktywne for-
my azotowe – RNS (ang. reactive nitrogen species), takie jak: tle-
nek azotu (NO) czy nadtlenoazotyn (ONOO

–

) działają na komórki

fizjologicznie lub wytwarzają różnorodne produkty toksyczne. ROS i
RNS spełniają ważną role w procesie wytwarzania energii, peroksy-
dacji lipidów, utleniania, nitracji, nitrozowania, nitrozylacji białek i DNA
oraz w odpowiedzi organizmu na katecholaminy. Reaktywne formy
tlenowe oraz reaktywne formy azotu są inaktywowane enzymatycz-
nie lub przez naturalne związki antyoksydacyjne. Nadmierne wytwa-
rzanie ROS i/lub RNS prowadzi do stresu „oksydacyjnego” lub „azo-
towego”, które odgrywają istotną rolę w wielu procesach patologicz-
nych, typowych dla choroby nowotworowej, schorzeń neurodegene-
racyjnych, czy chorób o etiologii wirusowej, toksycznej lub zapalnej.

Słowa kluczowe: reaktywne formy tlenu, reaktywne pochodne azo-
towe, stres oksydacyjny, zmiany patologiczne

Pol. Merk. Lek., 2007, XXIII, 134, 131

Reaktywne formy tlenu – ROS (ang. reactive oxygen spe-
cies) są produktami wzbudzenia lub redukcji tlenu cząstecz-
kowego. Powstają one m.in. w wyniku przyłączenia do czą-
steczki tlenu mniejszej niż cztery liczby elektronów (ryc. 1).
Do reaktywnych form tlenu należą zarówno rodniki tleno-
we, które mają niesparowane elektrony na atomie tlenu, np.
rodnik wodorotlenowy, jak i te pochodne tlenowe, które nie-
sparowanych elektronów nie mają, np. nadtlenek wodoru.
Związki te są bardziej aktywne niż tlen w stanie podstawo-
wym [6, 19, 33].

WŁAŚCIWOŚCI BIOLOGICZNE REAKTYWNYCH
FORM TLENU

W organizmie reaktywne formy tlenu (tab. 1) mogą powstawać
w wyniku działania zewnętrznych czynników fizycznych, takich
jak promieniowanie jonizujące lub nadfioletowe, które mają jed-
nak niewielkie znaczenie biologiczne [10, 12, 19, 20]. Ze wzglę-
du na ciągłość działania znacznie bardziej istotna jest wewnątrz-
komórkowa generacja ROS, wynikająca z jednoelektronowego

utleniania zredukowanych form wielu związków zarówno endo-
jak i egzogennych przez tlen cząsteczkowy oraz reakcje enzy-
matyczne. Źródła powstania ROS w komórce zostały dokładnie
poznane. Należą do nich m.in.: aktywowane fagocyty, mitochon-
drialny i mikrosomalny łańcuch oddechowy, autooksydacja
związków endo- i egzogennych, reakcje katalizowane przez
oksydazy oraz przez jony metali przejściowych. W większości
przemian biologicznych jako pierwszy wytwarzany jest aniono-
rodnik ponadtlenkowy, którego pojawienie się pociąga za sobą
powstawanie następnych ROS, np. nadtlenku wodoru czy rod-
nika hydroksylowego [7, 12, 14, 20].

ANIONORODNIK PONADTLENKOWY (O

2

·····–

)

Anionorodnik ponadtlenkowy jest produktem jednoelektrono-
wej redukcji tlenu cząsteczkowego. Powstaje on głównie na
skutek przecieku elektronów w mitochondrialnym łańcuchu
oddechowym. Ponadto anionorodnik ponadtlenkowy powstaje
w organizmie w reakcji utleniania ksantyny do kwasu moczo-
wego katalizowanej przez oksydazę ksantynową przy udzia-

R. Rutkowski i wsp.

132

le reduktazy NADPH i cytochromu P-450 podczas metaboli-
zmu ksenobiotyków w mikrosomach [12, 18, 20, 21]. Aniono-
rodnik ponadtlenkowy jest również wytwarzany przez akty-
wowane fagocyty. Ze względu na ładunek elektryczny, anio-
norodnik ponadtlenkowy nie może przenikać przez błony
komórkowe dlatego w czasie transportu przez błony ulega
on protonacji do rodnika wodoronadtlenkowego, który po
przejściu przez błonę dysocjuje tworząć ponownie aniono-
rodnik ponadtlenkowy [12, 14, 18, 20].

NADTLENEK WODORU

Nadtlenek wodoru (H

2

O

2

), będący produktem dwuelektro-

nowej redukcji tlenu, powstaje w wyniku reakcji dysmutacji
anionorodnika ponadtlenkowego lub podczas dwuelektro-
nowej redukcji tlenu cząsteczkowego pod wpływem takich
enzymów, jak oksydaza ksantynowa lub oksydaza mocza-
nowa. W obecności jonów metali przejściowych ulega roz-

padowi do rodnika wodorotlenowego i anionu wodorotleno-
wego (reakcja Fentona).

H

2

O

2

OH

–

+

·

OH

Nadtlenek wodoru z łatwością dyfunduje przez błony ko-

mórkowe i dlatego może przemieszczać się do komórek
znacznie odległych od miejsca swego powstania. Niewyko-
rzystany przez komórkę jest w niej rozkładany przez katala-
zę oraz peroksydazy [10, 12, 14, 20].

RODNIK HYDROKSYLOWY

Najbardziej reaktywnym z ROS jest rodnik hydroksylowy
(OH

·

), który powstaje w wyniku reakcji Fentona. Nie ma on

zdolności przenikania przez błony komórkowe [7, 10, 18, 21].
Anionorodnik ponadtlenkowy i nadtlenek wodoru wykazują
długi okres półtrwania, ale są stosunkowo mało reaktywne.
W reakcji Habera-Wiessa mogą się przekształcać w bardzo
reaktywne rodniki hydroksylowe. Reakcja ta, opisana przez
Fentona, zachodzi tylko w obecności jonów związków orga-
nicznych zawierających metale. Reakcja Habera-Weissa
obejmuje reakcję redukcji jonów Fe

3+

przez O

2

–

·

i reakcję

Fentona:

Fe

3+

+ O

2

–

·

® Fe

2+

+ O

2

Fe

2+

+ H

2

O

2

® Fe

3+

+ OH

–

+

·

OH

Jej sumaryczny zapis jest następujący:

O

2

–

·

+ H

2

O

2

·

OH + OH

–

+ O

2

Rodnik hydroksylowy jest jednym z najbardziej reaktyw-

nych utleniaczy. Może on utleniać praktycznie wszystkie waż-
ne biologicznie związki występujące w organizmie, zależnie
jedynie od szybkości dyfuzji [7, 10, 12, 14, 40].

REAKTYWNE FORMY AZOTU

Drugą grupą związków o niesparowanych elektronach i/lub
charakteryzujących się dużą reaktywnością chemiczną są

Reaktywne formy tlenu

Nadtlenek wodoru H

2

O

2

Anionorodnik

ponadlenkowy O

2

•–

Rodnik

hydroksylowy OH

•

Tlen singletowy

1

O

2

•–

H

H

Ryc. 1. Rozmieszczenie elektronów w ROS [19] – w modyfikacji własnej
Fig. 1. Model of electron position of ROS, modified from [19]

Tabela 1. Reaktywne formy tlenu [6, 7, 12, 13, 18-21, 31, 33]
Table 1. Reactive oxygen species [6, 7, 12, 13, 18-21, 31, 33]

Nazwa

Rodnik ponadtlenkowy,
aniorodnik ponadtlenkowy
Superoxide anion

Rodnik hydroksylowy, rodnik
wodorotlenowy
Hydroxyl radical

Rodnik wodoronadtlenkowy
Hydroperoxyl radical

Nadtlenek wodoru
Hydrogen peroxide

Tlen singletowy
Oxygen singlet

Symbol

O

2

·–

OH

·

HO

2

·

H

2

O

2

1

O

2

·–

Właściwości

Powstaje w wyniku jednoelektronowej redukcji tlenu cząsteczkowego: O

2

+ e

–

= O

2

·–

. Głównym jego

źródłem w komórkach jest wyciek elektronów z łańcucha oddechowego

Powstaje w wyniku rozpadu wiązania O-O w cząsteczce H

2

O

2

pod wpływem wysokiej temperatury,

promieniowania jonizującego lub w reakcjach H

2

O

2

z metalami, np. żelazem lub miedzią (reakcja

Fentona): H

2

O

2

+ Fe

+2

= OH

·

+ OH

·

+ Fe

+3

Może również powstawać w reakcjach O

2

·–

i H

2

O

2

z jonami żelazawymi Fe

3+

(reakcja Habera-Weissa):

O

2

·–

+ H

2

O

2

= O

2

+ OH

·

+ OH

·

Jest jednym z najgroźniejszych czynników utleniających, reaguje z każdą napotkaną cząsteczką
organiczną

Tlen ze stanu podstawowego poprzez pozyskanie jednego elektronu przekształca się w rodnik
ponadtlenkowy O

2

·–

+ H

+

= HO

2

·

lub O

2

·–

+ H

2

O = HO

2

·

Rodnik wodoronadtlenkowy (HO

2

·

) jest o wiele bardziej reaktywny niż rodnik nadtlenkowy. Może

zostać przekształcony w nadtlenek wodoru przez dysmutację

Powstaje w wyniku redukcji tlenu cząsteczkowego lub dysmutacji rodnika ponadtlenkowego przez
dysmutazę ponadtlenkową SOD: HO

2

·

+ e

–

+ H = H

2

O

2

Przez katalazę redukowany jest do tlenu i wody. Mimo że nie jest wolnym rodnikiem odgrywa ważną
role w procesach oksydacyjnych. Może przenikać przez błony komórkowe. Jest głównym substratem
reakcji wytwarzających silnie toksyczny rodnik hydroksylowy OH

·

Forma singletowa, czyli forma bez niesparowanych elektronów jest w przypadku tlenu O

2

formą

wzbudzoną, o wyższej energii. Jest jedną z głównych toksycznych form tlenu w żywych organizmach

ROS – rodnikowe i nierodnikowe pochodne tlenu

Rodnikowe pochodne tlenu

Toksyczne formy tlenu – nierodnikowe pochodne tlenu

M

n

/ M

n+1

Fe

2+

/ Fe

3+

Znaczenie reaktywnych form tlenu i azotu w patomechanizmie procesu zapalnego

133

reaktywne formy azotu – RNS (ang. reactive nitrogen spe-
cies). Do reaktywnych form azotu należy tlenek azotu (NO)
oraz powstające z niego w wyniku przemian metabolicznych:
kation nitrozoniowy (NO

+

), anion nitroksylowy (NO

–

) i nadtle-

noazotyn (ONOO

–

) [1, 23, 33, 41]. Synteza tlenku azotu na-

stępuje przy udziale specyficznej rodziny enzymów – syntaz
tlenku azotu (NOS). Obecnie wyróżnia się trzy podstawowe
typy syntaz NO:
– e-NOS lub NOS typu 3, występującą konstytutywnie w

komórkach śródbłonka i syntetyzującą tlenek azotu po-
trzebny do regulacji ciśnienia krwi,

– n-NOS lub NOS typu 1, występującą w neuronach i za-

leżną od wapnia i kalmoduliny,

– i-NOS lub NOS typu 2 – indukowalną, silnie wiążącą kal-

modulinę i niezależną od jonów wapnia, stwierdzaną m.in.
w makrofagach, monocytach, neutrofilach, hepatocytach,
komórkach nabłonka oddechowego [1, 8, 12, 37].
Wszystkie typy syntazy tlenku azotu są zależne od

NADPH. Inhibitorami syntazy NO są różne związki m.in.: gli-
kokortykosteroidy, L-glutamina, cytokiny (TGF-

b, IL-4, IL-10,

IL-13), lecz mechanizmy odpowiedzialne za ich działanie są
słabo poznane. Konstytutywny izoenzym NOS pod wpływem
działania aktywatorów: acetylocholiny, bradykininy i H

2

O

2

wytwarza NO w śródbłonku naczyń krwionośnych, kolagenu
w płytkach krwi, glutaminianu w komórkach mózgu. Nato-
miast iNOS, pojawia się po indukcji IFN-

g, IL-1, IL-2, IL-6,

czynnikiem martwicy nowotworów – TNF-

a (ang. tumor ne-

crosis factor) czynnikiem hamującym migrację makrofagów,
jak również mikroorganizmami lub ich produktami, np. LPS
[1, 23, 28, 39]. Indukcja iNOS w komórkach śródbłonka jest
przyczyną uszkodzenia śródbłonka, a w makrofagach i ko-
mórkach mięśni gładkich naczyń prowadzi do zahamowania
oddychania komórkowego i w konsekwencji do ich dysfunk-
cji, a następnie śmierci. Natomiast ekspresja iNOS w komór-
kach wątroby hamuje toksyczne efekty działania endotoksyn
[12, 24, 28, 39].

Tlenek azotu jest związkiem silnie toksycznym, działają-

cym nieswoiście. Charakteryzuje się powinowactwem do
metaloprotein i powoduje aktywację czynników transkrypcyj-
nych. Dokładne poznanie mechanizmów działania NO w ko-
mórkach jest trudne ze względu na dużą reaktywność NO i
jego metabolitów. Obniżenie za pośrednictwem NO stężenia
wewnątrzkomórkowego wapnia prowadzi do relaksacji naczyń
i mięśni gładkich, zahamowania agregacji i adherencji płytek
krwi, chemotaksji neutrofilii i transdukcji sygnału w obwodo-
wym i ośrodkowym układzie nerwowym [12, 23, 39-41].

MECHANIZMY „PIERWSZEJ LINII OBRONY
ORGANIZMU” PRZED ZAKAŻENIEM

Pierwszą linią obrony organizmu przed zakażeniem stano-
wią granulocyty obojętnochłonne i makrofagi [11, 22]. Wyka-
zują one podobne funkcje kontrolujące, takie jak: agregacja,
chemotaksja, zdolność do rozpoznania obcych cząsteczek
poprzez lektyny i receptory oraz wchłonięcia ich do fagoso-
mów i degradacji, a także wytwarzanie ROS przy udziale
kompleksu enzymatycznego (oksydazy NADPH) zlokalizo-
wanego w błonie fagocytów oraz RNS poprzez aktywację
iNOS, co w konsekwencji prowadzi do zabicia i rozkładu po-
chłoniętych mikroorganizmów w środowisku fagolisozomów
[7, 12, 22, 39].

„WYBUCH TLENOWY”

Aktywacja makrofagów i granulocytów obojetnochłonnych
prowadzi do wytwarzania dużej ilości anionorodnika ponad-
tlenkowego i jego pochodnych za pośrednictwem oksydazy
NADPH. Nasilone wytwarzanie ROS nazywane „wybuchem
tlenowym”, zostało opisane po raz pierwszy w 1933 r. przez
Baldridge’a i Gerarda [22]. W procesie tym najistotniejszą

rolę odgrywa zwiększenie aktywności kompleksu oksydazy
NADPH, którego składowymi są: cytochrom b558 znajdu-
jący się w błonie, a składający się z dwóch podjednostek
gp-91

phox

(phox-phagocyte oxydase) i p-22

phox

oraz trzy skład-

niki obecne w cytozolu p47

phox

, p67

phox

, p40

phox

. Ponadto ist-

nieją dwa niskocząsteczkowe kofaktory – Rac-2 obecny w
cytozolu i Rap-1A zlokalizowany w błonie plazmatycznej i
cytozolu [6, 37, 40, 42]. Kompleks ten po aktywacji katalizuje
wytwarzanie anionorodnika ponadtlenkowego w reakcji jed-
noelekrotnowej redukcji tlenu, w której NADPH jest donorem
elektronu:

2O

2

+ NADPH

® 2O

2

–

+ NADP

+

+ H

+

Anionorodnik ponadtlenkowy podlega następnie dysmu-

tacji do nadtlenku wodoru, który pod wpływem mieloperok-
sydazy, znajdującej się w ziarnistościach azurochłonnych
(pierwotnych), w obecności jonów halogenkowych (np. Cl

–

)

generuje powstawanie bardzo aktywnych, utleniających
związków, takich jak kwas chlorowy (I) (HOCl) i inne [12, 14,
22, 42].

HOCl jest jednym z najsilniejszych fizjologicznych, nie-

rodnikowych utleniaczy i jednocześnie związkiem działają-
cym antybakteryjnie [14, 21]. Ponadto w wyniku reakcji kwa-
su podchlorawego z tauryną powstają chloroaminy, które
mogą inaktywować elastazę i inne proteazy granulocytów
obojętnochłonnych. Pobudzone granulocyty i makrofagi mogą
generować także inne ROS wykazujące aktywność bakterio-
bójczą m.in.: tlen cząsteczkowy, rodnik hydroksylowy oraz
RNS [7, 10, 12, 39]. Jak istotną rolę w obronie organizmu
pełni oksydaza NADPH potwierdzają obserwacje wykazują-
ce u myszy pozbawionych składników gp-91

phox

lub p47

phox

zmniejszoną odporność na zakażenie [12, 16]. Wytwarzanie
anionorodnika ponadtlenkowego i rodnika hydroksylowego
następuje ponadto w błonach komórkowych. Zawarte w nich
nienasycone kwasy tłuszczowe zwiększają ich wrażliwość na
działanie ROS [11, 12, 14, 39].

REAKTYWNE FORMY TLENU W PROCESIE
FAGOCYTOZY

Fizjologiczne stężenia ROS w komórkach fagocytujących
mogą także modulować kaskadę przenoszenia sygnałów oraz
nasilać immunologiczne funkcje limfocytów [12, 39]. Bada-
nia przeprowadzone przez Hamuro i wsp. wykazały, że wy-
twarzanie przez makrofagi prostaglandyn, cytokin: IL-6 i IL-12
jest zależne od zawartości wewnątrzkomórkowego glutatio-
nu. Autorzy uważają, że wewnątrzkomórkowy stan redoks
wpływa na funkcje immunologiczne makrofagów [15]. Akty-
wacja fagocytarnej oksydazy NADPH może być indukowana
przez cytokiny: IFN-

g, IL-1, IL-8, a także przez produkty ko-

mórki bakteryjnej głównie lipopolisacharydy czy lipoproteiny
[7, 10, 12, 39]. Również wytwarzanie ROS przez niefagocy-
tarną oksydazę NADPH odgrywa ważną rolę w regulacji ka-
skady przenoszenia sygnału w różnych komórkach niefago-
cytujących: fibroblastach, komórkach śródbłonka, komórkach
mięśni gładkich naczyń, miocytach mięśnia serca [10, 12,
39]. Wykazano, że generacja anionorodnika ponadtlenkowe-
go w komórkach niefagocytujących jest około trzykrotnie
mniejsza niż jego wytwarzanie w neutrofilach. Komórki mię-
śni gładkich naczyń, w przeciwieństwie do granulocytów,
komórek śródbłonka czy fibroblastów wytwarzają anionorod-
nik ponadtlenkowy i nadtlenek wodoru tylko wewnątrzkomór-
kowo [10, 12, 39].

KONTROLA ADHEZJI KOMÓRKOWEJ

W procesach biologicznych ważną rolę odgrywa również kon-
trola zmian adhezyjnych właściwości komórek [40, 43]. Ad-
hezja leukocytów do komórek śródbłonka w żyłach postkapi-
larnych jest najwcześniejszym krokiem w kierunku przewle-

R. Rutkowski i wsp.

134

kłego stanu zapalnego i zależy od ekspresji receptora czą-
steczek adhezyjnych na powierzchni komórek. Śródbłonek
naczyń jest nie tylko fizjologiczną barierą oddzielająca ścia-
nę naczyniową od strumienia krwi [43]. Ma on własną aktyw-
ność metaboliczną i wydzielniczą, ponadto syntetyzuje wiele
czynników mogących zwrotnie pobudzać komórki śródbłon-
ka, utrzymując stan przewlekłej ich aktywacji. Wywiera także
regulacyjny wpływ na przebieg adhezji leukocytów (granulo-
cytów i monocytów), płytek krwi oraz przepuszczalność na-
czyń i odpowiedź zapalną. Wyrazem dysfunkcji śródbłonka
jest m.in. zwiększenie ekspresji cząsteczek adhezyjnych
ICAM-1, VCAM-1, L-selektyny i integryn CD11b/CD18. Ich
ekspresję indukują bakteryjne lipopolisacharydy i cytokiny:
TNF-

a, IL-1a i IL-1b. Adhezję leukocytów do komórek śród-

błonka indukują również ROS, natomiast zmniejszają ją: ka-
talaza, zmiatacze rodnika hydroksylowego, lecz bez udziału
SOD, co sugeruje, że tę rolę spełnia nadtlenek wodoru i rod-
nik wodorotlenowy generowany w komórkach z nadtlenku
wodoru [7, 10, 12, 18, 39].

ODDZIAŁYWANIE REAKTYWNYCH FORM TLENU
NA LIMFOCYTY

Ważnymi czynnikami specyficznej odpowiedzi immunologicz-
nej na działanie czynników chorobotwórczych są limfocyty.
Ich odpowiedź immunologiczna jest regulowana przez cyto-
kiny, receptory antygenu i cząsteczki kostymulujące na lim-
focytach. Jest ona także zależna od stanu redoks w komórce
[12, 40]. Aktywacja funkcji limfocytów T jest nasilana przez
ROS albo przez zmianę stężenia wewnątrzkomórkowego glu-
tationu. Fizjologiczne stężenie anionorodnika ponadtlenko-
wego i/albo nadtlenku wodoru powodują zwiększenie wytwa-
rzania IL-2 przez limfocyty T, zaś niskie stężenie nadtlenku
wodoru indukuje ekspresję receptora IL-2 [26, 27]. Sugeruje
się, że nadtlenek wodoru może zmniejszać próg pobudzenia
kaskady przenoszenia sygnału, co może często odgrywać
krytyczną rolę w indukowaniu odpowiedzi immunologicznej
[7, 10, 39]. Źródłem generacji ROS w limfocytach jest 5-lipo-
oksygenaza (5-LO). Odgrywa ona istotną rolę w biosyntezie
leukotrienów A

4

, B

4

, C

4

i D

4

. Metabolity generowane przez

5-LO zmieniają wewnątrzkomórkowy stan równowagi redoks
i w ten sposób indukują transdukcję sygnału i ekspresję ge-
nów. 5-LO bierze również udział w wytwarzaniu nadtlenku
wodoru w limfocytach T po stymulacji przez IL-1

b i równo-

czesnej aktywacji cząsteczek kostymulujących CD28 [7, 10,
12, 27].

REGULACJA FUNKCJI KOMÓRKOWYCH PRZEZ
REAKTYWNE FORMY TLENU

Paradoksem jest, że ROS, będące produktami metabolizmu
komórkowego, wykazują nie tylko właściwości przyczyniają-
ce się do uszkodzenia komórek, ale także spełniają ważną
rolę jako cząsteczki zaangażowane w regulowanie funkcji
komórki. Rola ta uwarunkowana jest przynajmniej w części
stężeniem ROS, np. NO wytwarzany w małych stężeniach
przez konstytutywną NOS w komórkach śródbłonka naczyń
pełni funkcję cząsteczki sygnalizującej zaangażowanej w
regulację napięcia ściany naczyń, natomiast generowany w
dużych stężeniach przez iNOS w makrofagach, wykazuje
bardzo silne właściwości niszczące w stosunku do różnych
mikroorganizmów [8, 12, 24, 28].

Reaktywne formy tlenu pełniąc rolę cząsteczek sygna-

lizujących w komórkach wzmagają transdukcję sygnału róż-
nych receptorów błonowych. Indukcja transdukcji sygnału
od receptorów błonowych, czynników wzrostu, cytokin lub
innych ligandów następuje przy współistniejącej aktywacji
oksydazy NADPH. Udział ROS w aktywacji kaskady prze-
noszenia sygnału z udziałem kinaz JAK, p38 MAPK i czyn-
nika transkrypcyjnego AP-1 powoduje, że proces przeno-

szenia sygnału w komórce jest bardzo wrażliwy na regula-
cję przez stan komórkowego redoks. W wielu typach ko-
mórek czynniki wzrostu i cytokiny powodują wytwarzanie
ROS, natomiast antyoksydanty i inhibitory enzymów ge-
nerujących ROS specyficznie blokują aktywację cząsteczek
sygnalizacyjnych przez czynniki wzrostu i/lub cytokiny. Tak-
że egzogenne antyoksydanty mogą aktywować zarówno
wytwarzanie samych cytokin, jak i/lub czynników wzrostu
oraz wpływać na funkcjonowanie dróg przenoszenia sy-
gnału [7, 12, 18, 39].

Reaktywne formy tlenu występują w warunkach fizjolo-

gicznych w komórkach i tkankach w małych, ale oznaczal-
nych stężeniach. Ich ilość zależy od równowagi pomiędzy
wytwarzaniem ROS, a ich usuwaniem przez różne enzy-
my i substancje nieenzymatyczne wykazujące właściwo-
ści antyoksydacyjne [12, 31]. Obrona antyoksydacyjna to
wiele składników ułożonych w kilka poziomów. Pierwszą
linią obrony są związki organiczne zawierające metale (fer-
rytyna, transferyna, ceruloplasmina, melatotionina) zapo-
biegające powstawaniu ROS. Drugą linię obrony stanowią
antyoksydanty drobnocząsteczkowe (

a-tokoferol, b-karo-

ten, witamina C i glutation), i enzymy antyoksydacyjne (dys-
mutaza ponadtlenkowa – SOD, peroksydaza glutationowa
– GSH-Px, katalaza) powodujące inaktywację ROS. Trze-
cią linią obrony są systemy naprawcze cząsteczek uszko-
dzonych przez ROS [2, 12, 36, 40]. Także inne związki o
względnie małej aktywności antyoksydacyjnej, ale wystę-
pujące w dużych stężeniach charakteryzują się znaczącą
aktywnością antyoksydacyjną. Należą do nich aminokwa-
sy, peptydy i białka [10, 12, 38].

ZNACZENIE STRESU OKSYDACYJNEGO
W PATOMECHANIZMIE WYBRANYCH
PROCESÓW CHOROBOWYCH

Brak równowagi pomiędzy generacją ROS a zdolnościami
antyoksydacyjnymi organizmu określany jest jako stres oksy-
dacyjny. Konsekwencją tego jest m.in. peroksydacja lipidów
błonowych, oksydacyjne modyfikacje białek i DNA (ryc. 2).
Proces peroksydacji lipidów, mający charakter reakcji łańcu-
chowej, jest przyczyną zmian we właściwościach fizykoche-
micznych błon komórkowych. Prowadzi to do zaburzeń trans-
portu przez błony, aktywności łańcucha oddechowego, jak rów-
nież przewodzenia sygnałów. W przebiegu stresu oksydacyj-
nego dochodzi również do zmiany struktury i funkcji enzymów,
czynników transkrypcyjnych, białek cytoszkieletu komórki oraz
utleniania głównie zasad DNA [10, 12, 36, 38, 39].

Uważa się, że stres oksydacyjny spełnia istotną rolę w

procesie starzenia się organizmów jak również w patogene-
zie wielu chorób [3]. Zaburzenie równowagi oksydacyjno-re-
dukcyjnej objawiające się obniżeniem stężenia całkowitego
glutationu (GSH+GSSG), GSH i/lub obniżeniem stosunku
GSH/GSSG obserwuje się w chorobach:
– neurodegeneracyjnych [4, 5]: choroba Parkinsona, cho-

roba Alzheimera,

– zakażeniach wirusowych [17, 30, 35]: HIV i HIV/AIDS, wiru-

sowe zapalenie wątroby typu B, zakażenie wirusem grypy,

– zakażeniach bakteryjnych [29, 34]: posocznica, zakaże-

nie Helicobacter pylori

– zaburzeniach metabolicznych [13, 30, 37]: cukrzyca,

miażdżyca naczyń.
Proces niedokrwienia i reperfuzji, w czasie którego do-

chodzi do wzmożonego wytwarzania ROS, prowadzi do
uszkodzenia tkanek i wielu powikłań w przebiegu wstrząsu,
udaru mózgu, przewlekłej niewydolności krążenia, nadciśnie-
nia tętniczego, wirusowego lub poalkoholowego uszkodze-
niu wątroby [25, 30, 34, 42]. W przebiegu posocznicy nad-
mierna generacja ROS przez komórki fagocytujące i uwal-
nianie ich poza komórkę ma istotne znaczenie w rozwoju
uszkodzenia tkanek i dysfunkcji wielonarządowej często de-
cydującej o ciężkości przebiegu choroby [9, 34].

Znaczenie reaktywnych form tlenu i azotu w patomechanizmie procesu zapalnego

135

Reaktywne pochodne tlenowe mają szczególną rolę

w rozwoju zapalenia żołądka spowodowanego przez H.
pylori, toksycznego poalkoholowego zapalenia wątroby
oraz marskości wątroby [25, 29, 35]. Stres oksydacyjny
ma także istotne znaczenie w patomechanizmie astmy
oskrzelowej i przewlekłej obturacyjnej choroby płuc [2, 8,
18, 31, 33].

Wiele doniesień wskazuje na szczególną rolę stresu oksy-

dacyjnego w patogenezie AIDS. Zarówno u nosicieli HIV, jak
i u chorych na AIDS obserwowano nieprawidłowo niskie stę-
żenie cysteiny i glutationu w surowicy, jak również niskie stę-
żenie wewnątrzkomórkowego glutationu w limfocytach krwi
obwodowej. Obniżonemu stężeniu GSH towarzyszy zwięk-
szona zawartość GSSG. U zakażonych HIV dochodzi rów-
nież do zaburzeń enzymatycznego układu antyoksydacyjne-
go polegających na obniżeniu aktywności SOD i GSH-Px oraz
zwiększeniu aktywności katalazy. Może to świadczyć o osła-
bieniu zdolności do inaktywacji ROS, co w konsekwencji pro-
wadzi do zwiększenia ich stężenia i aktywności u tych cho-
rych [12, 17, 30, 35].

Zaburzenia układu antyoksydacyjnego, aktywności SOD

i innych białek antyoksydacyjnych, wykazano u chorych z
zakażeniem wirusem Dengue: w gorączce krwotocznej i ze-
spole wstrząsowym [32].

Reaktywne formy tlenu są potencjalnymi czynnikami ra-

kotwórczymi z powodu ich właściwości mutagennych i pro-
mujących postęp choroby nowotworowej [12, 30]. Stres
oksydacyjny i/lub zaburzenie funkcji mitochodriów mają też
decydujące znaczenie w etiologii chorób neurodegenera-
cyjnych [4, 5]. Uważa się, że gromadzenie w komórkach
nerwowych złogów białka

b-amyloidu może być przyczy-

ną stresu oksydacyjnego. W chorobie Alzheimera u cho-
rych obserwowano również obniżoną aktywność SOD. Wy-

kazano, że zakażone prionami komórki neuronalne są bar-
dzo wrażliwe na stres oksydacyjny, wykazują zwiększenie
peroksydacji lipidów i znaczne obniżenie aktywności en-
zymów antyoksydacyjnych, takich jak: GSH-Px , GSSG-R
i Mn-SOD [4, 12].

PODSUMOWANIE

Jak wykazaliśmy w naszej z pracy, stres oksydacyjny może
być jednym z mechanizmów obronnych, a jednocześnie może
przyczyniać się do powstania wielu różnorodnych zmian cho-
robowych. Szczegółowa znajomość właściwości biologicznych
reaktywnych pochodnych tlenu i azotu pozwala przewidzieć
potencjalne zagrożenia w określonych stanach chorobowych.
Z drugiej strony wykorzystanie naturalnych mechanizmów an-
tyoksydacyjnych oraz wspomaganie ich przez różnorodne sub-
stancje farmakologiczne neutralizujące reaktywne pochodne
tlenu lub azotu może być skutecznym działaniem terapeutycz-
nym w różnorodnych chorobach zakaźnych, neurodegenera-
cyjnych, wewnętrznych czy schorzeniach onkologicznych.

PIŚMIENNICTWO

1. Alderton W.K., Cooper C.E., Knowles R.G.: Nitric oxide synthases: struc-

ture, function and inhibition. Biochem. J., 2001, 357, Pt 3, 593-615.

2. Andreadis A.A., Hazen S.L., Comhair S.A. i wsp.: Oxidative and nitrosa-

tive events in asthma. Free Radic. Biol. Med., 2003, 35, 213-225.

3. Augustyniak A., Skrzydlewska E.: Zdolności antyoksydacyjne w starzeją-

cym się organizmie. Post. Hig. Med. Dośw., 2004, 58, 184-201.

4. Barnham K.J., Masters C.L., Bush A.I.: Neurodegenerative diseases and

oxidative stress. Nat. Rev. Drug Discov., 2004, 3, 205-214.

5. Behl C.: Alzheimer’s disease and oxidative stress: implication for novel

therapeutic approaches. Prog. Neurobiol.,1999, 57, 301-323.

Ryc. 2. Zmiany biologiczne wywoływane przez reaktywne formy tlenu [20, 31] – w modyfikacji własnej
Fig. 2. The biological effects of reactive oxygen species, [20, 31] – own modification

R. Rutkowski i wsp.

136

6. Bergendi L., Benes L., Durackova Z. i wsp.: Chemistry, physiology and

pathology of free radicals. Life Sci., 1999, 65, 1865-1874.

7. Bogdan Ch., Röllinghoff M., Diefenbach A.: Reactive oxygen and reacti-

ve nitrogen intermediates in innate and specific immunity. Curr. Opin.
Immunol., 2000, 12, 64-76.

8. Bove P.F., van der Vliet A.: Nitric oxide and reactive nitrogen species in

airway epithelial signaling and inflammation. Free Radic. Biol. Med., 2006,
41, 515-527.

9. Crimi E., Sica V., Williams-Ignarro S. i wsp.: The role of oxidative stress

in adult critical cares. Free Radic. Biol. Med., 2006, 40, 398-406.

10. Cuzzocrea S., Riley D.P., Caputi A.P. i wsp.: Antioxidant therapy: a new

pharmacological approach in shock, inflammation, and ischemia/reper-
fusion injury. Pharmacol. Rev., 2001, 53, 135-159.

11. Dahlgren C., Karlsson A.: Respiratory burst in human neutrophils. J. Im-

munol. Meth., 1999, 232, 3-14.

12. Dröge W.: Free radicals in the physiological control of cell function. Phy-

siol. Rev., 2002, 82, 47-95.

13. Evans J.L., Goldfine I.D., Maddux B.A. i wsp.: Oxidative stress and stress-

activated signaling pathways: a unifying hypothesis of type 2 diabetes.
Endocr. Rev., 2002, 23, 599-622.

14. Hampton M.B., Kettle A.J., Winterbourn Ch.C.: Inside the neutrophil pha-

gosome: oxidants, myeloperoxidase and bacterial killing. Blood, 1998,
92, 3007-30017.

15. Hamuro J., Murata Y., Suzuki M. i wsp.: The triggering and healing of

tumor stromal inflammatory reactions regulated by oxidative and reducti-
ve macrophages. Cancer Res., 1999, 48,153-164.

16. Jackson S.H., Gallin J.I., Holland S.M.: The gp91

phox

mouse knock-out mo-

del of chronic granulomatous disease. J. Exp. Med., 1995, 182, 751-758.

17. Jaruga P.: Mechanizmy oksydacyjne i antyoksydacyjne u nosicieli HIV –

wpływ na progresję choroby. Post. Hig. Med. Dośw., 1999, 53, 43-54.

18. Kehrer J.P.: Free radicals as mediators of tissue injury and disease. Crit,

Rev, Toxicol., 1993, 23, 21-48.

19. Kerr M.E., Bender C.M., Monti E.J.: An introduction to oxygen free radi-

cals. Heart Lung, 1996, 25, 200-209.

20. Kirkham P., Rahman I.: Oxidative stress in asthma and COPD: antioxi-

dants as a therapeutic strategy. Pharmacol. Ther., 2006, 111, 476-494.

21. Komosińska K., Olczyk K., Winsz K.: Rola wolnych rodników w etiopato-

genezie twardziny układowej. Post. Hig. Med. Dośw., 1997, 51, 285-303.

22. Labro M.T.: Interference of antibacterial agents with phagocyte functions:

immunomodulation or „Immuno-Fairy tales” ? Clin. Microbiol. Rev., 2000,
13, 615-650.

23. Lirk P., Hoffmann G., Rieder J.: Inducible nitric oxide synthase – time for

reappraisal. Curr. Drug Targets Inflamm. Allergy, 2002, 1, 89-108.

24. Lloyd-Jones D.M., Bloch K.D.: The vascular biology of nitric oxide and its

role in atherogenesis. Ann. Rev. Med., 1996, 47, 365-375.

25. Loguercio C., Federico A.: Oxidative stress in viral and alcoholic hepati-

tis. Free Radic. Biol. Med., 2003, 34, 1-10.

26. Los M., Dröge W., Stricker K. i wsp.: Hydrogen peroxide as a potent acti-

vator of T lymphocyte functions. Eur. J. Immunol., 1995, 25, 159-165.

27. Los M., Schenk H., Hexel K. i wsp.: IL-2 gene expression and NF-

kB

activation through CD28 requires reactive oxygen production by 5-lipo-
xygenase. EMBO J., 1995, 14, 3731-3740.

28. MacMicking J., Xie Q.W., Nathan C.: Nitric oxide and macrophage func-

tion. Ann. Rev. Immunol., 1997, 15, 323-350.

29. Naito Y., Yoshikawa T.: Molecular and cellular mechanisms involved in

Helicobacter pylori-induced inflammation and oxidative stress. Free Ra-
dic. Biol. Med., 2002, 33, 323-336.

30. Olinski R., Gackowski D., Foksinski M. i wsp.: Oxidative DNA damage:

assessment of the role in carcinogenesis, atherosclerosis, and acquired
immunodeficiency syndrome. Free Radic. Biol. Med., 2002, 33, 192-200.

31. Rahman I., Biswas S.K., Kode A.: Oxidant and antioxidant balance in the

airways and airway diseases. Eur. J. Pharmacol., 2006, 533, 222-239.

32. Ray G., Kumar V., Kapoor AV. i wsp.: Status of antioxidants and other

biochemical abnormalities in children with Dengue fever. J. Trop. Pediatr.,
1999, 45, 4-7.

33. Ricciardolo F.L, Di Stefano A., Sabatini F., Folkerts G.: Reactive nitrogen

species in the respiratory tract. Eur. J. Pharmacol., 2006, 533, 240-252.

34. Salvemini D., Cuzzocrea S.: Oxidative stress in septic shock and disse-

minated intravascular coagulation. Free Radic. Biol. Med., 2002, 33,
1173-1185.

35. Schwarz K.B.: Oxidative stress during viral infection: a review. Free Ra-

dic. Biol. Med., 1996, 21, 641-649.

36. Skrzydlewska E., Farbiszewski R.: Interakcje wolnych rodników z białka-

mi. Post. Hig. Med. Dośw., 1995, 49, 747-766.

37. Stocker R., Keaney J.F. Jr.: Role of oxidative modifications in atheroscle-

rosis. Physiol. Rev., 2004, 84, 1381-1478.

38. Teixeira H.D., Schumacher R.I., Meneghini R.: Lower intracellular hydro-

gen peroxide levels in cells overexpressing CuZn-superoxide dismutase.
Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 1998, 95, 7872-7875.

39. Thannickal V.J., Fanburg B.L.: Reactive oxygen species in cell signaling.

Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol., 2000, 279, L1005-L1028.

40. Valko M., Leibfritz D., Moncol J.I. wsp.: Free radicals and antioxidants in

normal physiological functions and human disease. Int. J. Biochem. Cell
Biol., 2007, 39, 44-84.

41. Vallance P., Leiper J.: Blocking NO synthesis: how, where and why? Nat.

Rev. Drug Discov., 2002, 1, 939-950.

42. Wójcicka G., Bełtowski J., Jamroz A.: Stres oksydacyjny w nadciśnieniu

tętniczym. Post. Hig. Med. Dośw., 2004, 58, 183-193.

43. Wu K.K., Thiagarajan P.: Role of endothelium in thrombosis and hemo-

stasis. Annu. Rev. Med., 1996, 47, 315-331.

Otrzymano: 18 marca 2007 r.
Adres: Ryszard Rutkowski, 15-073 Białystok, ul. Starobojarska 20 m 6, tel.:
0 608 255 565, fax: [phone], e-mail: [e-mail]