Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Signální funkce volných radikálů

Nejen škodlivé, ale i nepostradatelné
 |  15. 3. 2004
 |  Vesmír 83, 170, 2004/3

O škodlivosti volných radikálů se píše mnoho let, na pojednání o tom, že se podílejí na vzniku různých chorob, už padlo několik lesů. V každé lékárně i drogerii jsou regály plné výrobků potírajících nepříznivý účinek radikálů. Vitaminy A a E i další antioxidanty se přidávají do šamponů na vlasy, krémů na opalování, balzámů na rty, tekutých mýdel a další kosmetiky. Zinek a selen coby stavební prvky antioxidačních enzymů se najdou v mnoha multivitaminových přípravcích. Zkrátka dnes nikdo nepochybuje o tom, jak jsou radikály zlé a jak je třeba proti nim bojovat. Co ještě napsat nového?

Jak už to bývá, volné radikály zdaleka nejsou jen špatné. V imunitním systému umožňují bílým krvinkám a makrofágům obranu proti infekci, podílejí se také na reakcích, které vytvářejí některé důležité látky či zneškodňují látky jedovaté. Pozitivních úloh volných radikálů bylo nalezeno více, a vynořují se další. V nízkých koncentracích, které nejsou toxické, mohou volné radikály plnit úlohu druhých poslů při přenosu informace.

NADPH-oxidáza, enzym užitečný i nebezpečný

Jednou z fyziologických funkcí volných radikálů je zneškodnění patogenů fagocyty. Reaktivní formy kyslíku v nich tvoří NADPH-oxidáza, enzym usnadňující jednoelektronovou redukci molekulárního kyslíku na superoxid. Ze superoxidu snadno vznikne peroxid vodíku, navazuje reakce urychlovaná myeloperoxidázou, která tvoří málo stabilní kyselinu chlornou, a z ní se pak znovu odštěpují reaktivní formy kyslíku. Celá mašinérie se rozběhne po imunitním povzbuzení fagocytu. Říká se tomu respirační vzplanutí fágů (fagocyty začnou spotřebovávat mnohem více kyslíku). Účelem je vyprodukovat velké množství radikálů, jež zničí patogen, který imunitní reakci vyvolal.

Část volných radikálů ovšem během respiračního vzplanutí uniká do okolí a podílí se na poškození tkání. Kromě toho vznikají v nepřehledné spleti reakcí všelijaké látky – jedny svolávají na pomoc další bílé krvinky, jiné třeba regulují zásobování tkáně krví.

Fagocytární NADPH-oxidáza coby enzym produkující množství radikálů představuje pro organizmus nebezpečí. Kdyby nebyly k dispozici dostatečně výkonné ochranné mechanizmy, hrozilo by poškození tkání při sebemenším povzbuzení imunity. Jak se tento nebezpečný enzym dostal do přírody? Málo pravděpodobná je možnost, že by vznikl „naráz“, spíš se zdá, že byla zesílena aktivita jiné, univerzálnější NADPH-oxidázy, která nejspíš původně sloužila k něčemu jinému. Stavební součásti fagocytární NADPH-oxidázy lze vskutku najít i v „nefagocytárních“ buňkách téměř u všech savců, ale i u hmyzu nebo rostlin.

Superoxid jako druhý posel

NADPH-oxidáza není jediným zdrojem superoxidu, dalším enzymem je NADH-oxidáza a ve hře zůstávají xantinoxidáza, lipoxygenáza, NO-syntáza ad. Který z enzymů je nejdůležitější, to se asi dozvíme teprve časem.

Jisté je, že řada buněk reaguje na některé podněty zvýšenou produkcí volných radikálů, a prvotně nejspíš superoxidu. Podnět vyvolávají hlavně cytokiny (viz Vesmír 71, 511, 1992/9), růstové faktory, inzulin či angiotenzin II. Ani přidání reaktivních forem kyslíku v nízkých koncentracích k buňkám nezůstává bez efektu, např. aktivuje transkripční faktory. A jestliže se buňky ošetří vhodnými látkami odstraňujícími volné radikály, účinek některých signálů se zablokuje. Superoxid má tedy dosud netušenou roli – funguje v buněčné signalizaci jako druhý posel.

A proč ne?

Možnost, že by „ošklivý“ superoxid mohl mít „bohulibou“ úlohu přenašeče signálu, je sice překvapivá, ale jen na první pohled. Dnes už není pochyb o tom, že jako druhý posel funguje třeba oxid dusnatý – a NO je také radikál! Nemluvě o tom, že si lze snadno představit hned několik mechanizmů, kterými může superoxid působit na molekuly, jež na něj navazují v signální kaskádě.

Některé receptory a nitrobuněčné bílkoviny spolu musejí vytvořit dimer (sloučeninu složenou ze dvou jednotek), aby se aktivovaly. K tomu zpravidla potřebují disulfidové můstky, a právě oxidace sulfhydrylových skupin potřebná k tvorbě můstků závisí na redoxním stavu buňky (tj. poměru redukovaných a oxidovaných látek uvnitř buňky). Může být oboustranně regulována právě hladinou superoxidu a peroxidu vodíku. Podobným mechanizmem může mít změna redoxního stavu buňky vliv na vzájemné působení mezi různými bílkovinami. Změna koncentrace volných radikálů ovlivňuje přenos informace také prostřednictvím dalších signálních cest, např. zvýšení produkce superoxidu vede k větší fosforylaci proteinů. Zdá se tedy, že by změna místního redoxního stavu mohla mít signální funkci podobně jako třeba změna pH.

Porucha signalizace, nádorové bujení a biologické hodiny

Reaktivní formy kyslíku jsou součástí signálních cest pro řadu růstových faktorů a podílejí se na řízení buněčného růstu, dělení a transformace. Nabízí se otázka, jestli by porucha redoxní signalizace nemohla souviset se zhoubným nádorovým bujením. A skutečně – na povrchu nádorových buněk byla zaznamenána NADH- -oxidázová aktivita. Ještě není jasné, jestli jde o výše zmíněnou NADH-oxidázu nebo o nějaký podobný enzym. Tato „tumorová NADH-oxidáza“ (tNOX) se uvolňuje z povrchu zhoubných buněk a dostává se do krve. Její průkaz v séru by – podle dosavadních výsledků – mohl rozšířit soubor vyšetření, kterými se nádorová onemocnění vyhledávají a sledují.

Tato tumorová oxidáza má ovšem další zvláštnosti. Je to enzym neobyčejně houževnatý, skoro nezničitelný. Odolává i proteázám takového kalibru, jako jsou trypsin a proteináza K, přežije sedmdesátistupňové teploty, nelze jej denaturovat běžnými činidly ani extrémními hodnotami pH. A aby toho nebylo málo, nejenže je zmíněná oxidáza odolná sama o sobě, ale dokáže vytvářet komplexy s dalšími proteiny, které tím ochrání a poskytne jim stejnou odolnost. Takové vlastnosti má jen málo známých bílkovin – např. prion, který vyvolává známou nemoc šílených krav.

Nádorová oxidáza má i svou nenádorovou obdobu, enzym neméně zajímavý, jemuž se říká konstitutivní NADH-oxidáza. Kromě toho, že umí oxidovat NADH (ale i NADPH) proti molekulárnímu kyslíku, má i další aktivitu – disulfidizomerázovou. NADH-oxidázová a disulfidizomerázová aktivita se cyklicky zvyšují a snižují, střídají se, s cyklem 24 minut. V literatuře se proto objevuje nové označení – cyklující oxidáza (CLOX). Zmíněné cyklování je velmi přesné, téměř nezávisí na teplotě a zdá se, že by mohlo plnit funkci biologických hodin. Záhadou zůstává, jak je možné, že cyklující oxidázy buněk v organizmu jsou spolu synchronizovány. Dokonce i ve vzorku, který vznikne smícháním enzymů izolovaných ze dvou jedinců, lze prokázat vzájemně fázově posunuté rytmy.

Superoxid v cévní stěně, vysoký tlak a ateroskleróza

Zhoubné nádory nejsou jedinou z temných kapitol současné medicíny, kterou by mohlo osvítit lepší poznání signální funkce volných radikálů. Problémem, který celosvětově moří ohromné množství lidí, je vysoký krevní tlak. Jeho příčina není dodnes pořádně vysvětlena. Už na začátku jsem se zmínil, že jedním z peptidů podporujících tvorbu superoxidu je angiotenzin II, který tělo tvoří na žádost ledvin o větší dodávku krve a který způsobuje zúžení cév, a tedy zvýšení arteriálního tlaku. Čím přesně je stažení hladkých svalových buněk v cévách vyvoláno, není zatím jasné. Je ale zajímavé si uvědomit, že hlavním faktorem rozšiřujícím cévy je oxid dusnatý. Ten může velmi rychle reagovat se superoxidem, a tím je zbaven aktivity. Vysoký tlak by tedy docela dobře mohl být způsoben nějakou poruchou v regulaci tvorby radikálů, která by vedla k nadprodukci superoxidu. A skutečně, na několika různých modelech hypertenzních zvířat se podařilo prokázat vyšší tvorbu superoxidu cévní stěnou – a výraznější byla také odpověď cévní NADPH-oxidázy na angiotenzin.

Cévní NADPH-oxidáza se ovšem podílí i na dalším běžném onemocnění – ateroskleróze. LDL (liporptein nízké hustoty, přenáší v krvi tuky, zejména cholesterol) stimuluje NADPH-oxidázu v cévní stěně. Tím se zvýší produkce reaktivních forem kyslíku, které tento liporpotien oxidují na ox-LDL. Oxidovaný lipoprotein může být (na rozdíl od původního) nekontrolovaně vychytáván do stěny tepen, a jeho vznik tedy vede k ukládání cholesterolu v cévách. Kromě toho radikály dále stimulují NADPH-oxidázu a vzniká kladná zpětná vazba. Podávání látek potlačujících působení NADPH-oxidázy v pokusech zpomalovalo vznik aterosklerózy.

Jak je vidět, volné radikály dosud nejsou vyčpělé téma, otázek je víc než odpovědí. Poznatků kvapem přibývá, nejasností neubývá – a nám nezbývá než počkat, co se z toho vyklube.

VOLNÝ RADIKÁL

Volný radikál je látka (prvek, sloučenina, ion) s nepárovým elektronem. Většinou jej lze považovat za fragment „normální“ molekuly, ve které jsou elektrony na jednotlivých energetických hladinách (v orbitalech a chemických vazbách) uspořádány ve dvojicích. Radikál se obvykle označuje tečkou symbolizující nepárový elektron (např. O2 . ). Volný radikál může z „neradikálu“ vzniknout trojím způsobem:

  • Homolytickým štěpením kovalentní vazby, tj. roztržením vazebných elektronů. K tomu je třeba hodně energie, kterou může dodat např. ionizační záření nebo velmi vysoká teplota.

  • Oxidací.

  • Redukcí.

Volné radikály bývají velice reaktivní, což je způsobeno tím, že se snaží zbavit svého nepárového elektronu. V zásadě mají dvě možnosti: Buď nepárový elektron předají nějaké jiné látce, nebo jej z nějaké jiné látky vytrhnou. A pokud tou jinou látkou není také radikál, vznikne nová látka s nepárovým elektronem.

Jestliže se v organizmu objeví volný radikál, způsobí řetězovou reakci, při níž vznikají stále nové radikály až do chvíle, kdy je radikál zbaven aktivity jiným radikálem nebo nějakým „vychytávačem“ (např. vitaminem E). Co pak z radikálu zbaveného aktivity vznikne? Buď zas původní látka, ze které byl radikál vytvořen, nebo něco docela jiného. Vysoká reaktivita volných radikálů spolu s řetězovitostí jejich reakcí mohou natropit spoustu škody. Jestliže někde v organizmu vznikne radikál, který se vymkne kontrole, může řadu biomolekul plujících kolem něj poškodit dříve, než se podaří jeho volný elektron umravnit a znovu spárovat.

Mezi biologicky nejvýznamnější radikály patří některé sloučeniny kyslíku. Vznikají například postupnou redukcí molekulárního kyslíku O2 přes superoxid O2., peroxid vodíku H2O2 (ten sice nemá nepárový elektron, ale je velmi reaktivní a má k radikálům blízko) až po nejagresivnější hydroxylový radikál .OH.

Ke stažení

O autorovi

Martin Vejražka

MUDr. Martin Vejražka (*1974) vystudoval 1. Lékařskou fakultu UK v Praze. Na této fakultě se v Ústavu lékařské biochemie zabývá zejména biochemií reaktivních forem kyslíku. (e-mail: martin.vejrazka@lf1.cuni.cz)

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné