WOLNE RODNIKI Wprowadzenie Terminem wolne rodniki określa się atomy lub cząsteczki zdolne do samodzielnego istnienia (przynajmniej przez krótki czas) posiadające na swych orbitalach jeden lub więcej niesparowanych elektronów. Obecność niesparowanych elektronów sprawia, że wolne rodniki są często bardzo reaktywne. Wiele z nich to silne utleniacze. Od dawna specjaliści zdawali sobie sprawę z istotnej roli jaką wolne rodniki odgrywają w wielu procesach np. w wyniku działania promieniowania jonizującego, podczas spalania, przy produkcji gumy, farb czy tworzyw sztucznych. Stosunkowo niedawno natomiast wolne rodniki stały się obiektem żywego zainteresowania biologów i lekarzy. Spowodowały to przede wszystkim odkrycia procesów wolnorodnikowych zachodzących w żywych organizmach w trakcie ich normalnego funkcjonowania oraz faktu, iż działaniu wielu toksyn towarzyszy generowanie wolnych rodników. Obecnie na całym świecie prowadzone są intensywne badania nad udziałem wolnych rodników w procesach metabolicznych, przekazywaniu sygnałów i powstawaniu różnych chorób. Od dawna wiadomo było, że tlen (cząsteczka tlenu jest wolnym rodnikiem - posiada dwa niesparowane elektrony), pierwiastek niezbędny do życia dla organizmów aerobowych, może być również dla tych organizmów szkodliwy. Stosunkowo niedawno jednak wyjaśniono, że za toksyczność tlenu odpowiedzialne są produkty jego wieloetapowej redukcji, tzw. reaktywne formy tlenu. Są to: anionorodnik ponadtlenkowy (O*), nadtlenek 2 wodoru (H2O2) i rodnik hydroksylowy (*OH-). Mogą one reagować z ważnymi składnikami komórki (lipidami błon bilogicznych, białkami, kwasami nukleinowymi) i modyfikować je w rozmaity sposób. W zależności od rodzaju, i miejsca modyfikacji może to prowadzić do różnych zaburzeń w funkcjonowaniu komórek, a niekiedy do ich śmierci. Charakterystycznym procesem w chemii wolnych rodników jest reakcja łańcuchowa, z trzema etapami: inicjacją, propagacją i terminacją. W wyniku takiej reakcji wiele cząsteczek może ulec modyfikacji wskutek jednego aktu zapoczątkowującego proces. Przykładem wolnorodnikowej reakcji łańcuchowej zachodzącej w komórkach jest proces peroksydacji lipidów wchodzących w skład błon biologicznych. Peroksydacja lipidów prowadzi do uszkodzenia wielu cząsteczek fosfolipidów i białek, co powoduje między innymi zmiany płynności i przepuszczalności błon. Istotną rolę w procesach wolnorodnikowych zachodzących w przyrodzie odgrywają jony metali przejściowych, przy czym ze względu na rozpowszechnienie w żywych organizmach najważniejsze są pod tym względem żelazo i miedz. Zredukowane jony tych metali (Fe2+, Cu+) mogą reagować z nadtlenkiem wodoru, w wyniku czego powstają rodniki hydroksylowe, jedne z najbardziej reaktywnych cząsteczek generowanych w układach biologicznych. Gospodarka jonami żelaza i miedzi w komórkach i całym organizmie musi zatem pozostawać pod ścisłą kontrolą. Organizmy dysponują szeregiem mechanizmów chroniących je przed działaniem wolnych rodników i innych reaktywnych form tlenu. Można wśród nich znalezć zarówno drobnocząsteczkowe antyutleniacze o stosunkowo prostej strukturze, których rola polega głównie na zmiataniu wolnych rodników, jak i białka enzymatyczne wyspecjalizowane w usuwaniu reaktywnych form tlenu. Znane są także enzymy, których zadaniem jest naprawa uszkodzeń wywołanych działaniem wolnych rodników i innych reaktywnych form tlenu. Wolne rodniki mogą również spełniać "pozytywną" rolę w żywych organizmach. Na przykład komórki fagocytujące wykorzystują reaktywne formy tlenu, takie jak tlen sinletowy czy nadtlenek wodoru, do niszczenia mikroorganizmów. Wolne rodniki mogą także funkcjonować jako przekazniki sygnałów. Najbardziej znanym i najlepiej poznanym z nich jest tlenek azotu (*NO), który między innymi reguluje ciśnienie krwi powodując rozkurcz naczyń krwionośnych. Wolne rodniki i reaktywne formy tlenu są stale produkowane w organizmie. Duże ich ilości powstają w mitochondriach jako efekt "nieszczelności" łańcucha oddechowego, oraz na skutek działania niektórych enzymów, głównie oksydaz. Jednocześnie mechanizmy obronne i naprawcze zapewniają kontrolę nad tymi procesami i utrzymują stan równowagi. Zaburzenie tej równowagi może być wywołane niekontrolowanym wzrostem ilości reaktywnych form tlenu, lub też zaburzeniami mechanizmów obronnych. Stan taki może wystąpić lokalnie lub też dotyczyć całego organizmu. Nazywamy go stresem oksydatywnym. W wyniku stresu oksydatywnego dochodzi do zaburzeń w funkcjonowaniu komórki, fragmentu tkanki, bądz narządu; często jest to wstęp do rozwoju choroby. Współczesna medycyna i biologia próbują określić, które choroby są wywołane przez niekontrolowany wzrost poziomu wolnych rodników i reaktywnych form tlenu. Być może pozwoli to na opracowanie skutecznych metod profilaktyki i leczenia. W trakcie seminariów przedstawianę będą zarówno pewne ogólne informacje dotyczące wybranych procesów wolnorodnikowych zachodzących w organizmie (peroksydacja lipidów, toksyczność jonów metali przejściowych, działanie enzymów rozkładających reaktywne formy tlenu, inne mechanizmy obrony itp.), jak też wyniki aktualnych badań dotyczących roli wolnych rodników w układach biologicznych (np. udział wolnych rodników w starzeniu, apoptozie, przekazywaniu sygnałów w komórkach itp.). Literatura 1. Grzegorz Bartosz "Druga Twarz Tlenu" Wydawictwo Naukowe PWN, Warszawa 1995. UWAGA: Wszyscy uczestnicy seminarium proszeni są o zapoznanie się z podstawowymi informacjami na temat wolnych rodników i reaktywnych form tlenu zawartymi w wyżej wymienionej pozycji w rozdziałach 1.1 do 1.6. 2. B. Halliwell "Oxidative stress, nutrition and health. Experimental strategies for optimization of nutritional antioxidant intake in humans" Free Radic Res 25(1),1996, str.57-74 3. B. Halliwell, J.M. Gutteridge "Role of free radicals and catalytic metal ions in human disease: an overview" Methods Enzymol 186, 1990, str.1-85 4. S. Hercberg ,P. Galan ,P. Preziosi ,M.J. Alfarez ,C. Vazquez "The potential role of antioxidant vitamins in preventing cardiovascular diseases and cancers" Nutrition 14(6), 1998, str.513-20 5. R. Meneghini "Iron homeostasis, oxidative stress, and DNA damage" Free Radic Biol Med 23(5),1997, str.783-92 6. F. Visioli , G. Bellomo,C. Galli "Free radical-scavenging properties of olive oil polyphenols" Biochem Biophys Res Commun 247(1), 1998, str.60-4 7. D.A.Wink , J.B. Mitchell "Chemical biology of nitric oxide: Insights into regulatory, cytotoxic, and cytoprotective mechanisms of nitric oxide" Free Radic Biol Med 25(4- 5),1998, str.434-56