Cykl naszego życia ściśle powiązany jest z chemicznymi i fizycznymi mechanizmami, które decydują o równowadze lub jej braku w naszych ustrojach. Tematem wciąż słabo przyswojonym są wolne rodniki tlenowe, które… no właśnie… są dla nas szkodliwe czy nie? I jaką rolę w tym wszystkim odgrywa miedź? 

Za sprawą miedzi powstają związki, które są niezbędne konkretnym enzymom do katalizowania określonych reakcji chemicznych. Jedną z nich jest dysmutaza ponadtlenkowa (o tym enzymie będzie mowa w dalszej części artykułu).

Ale od początku 

W warunkach homeostazy (kiedy organizm pracuje bez szwanku) istnieje równowaga między procesami oksydacyjnymi a systemem obrony antyoksydacyjnej. Krótko mówiąc: atak wolnych rodników jest odpierany każdego dnia przez różne mechanizmy oksydacyjne:

• enzymy antyoksydacyjne (np. dysmutaza ponadtlenkowa, peroksydaza glutationowa, katalaza lub oksygenaza hemowa)
• bilirubina
• kwas moczowy,
• glutation,
• witaminy C i E.
  
  

Do obrony antyoksydacyjnej należą jeszcze białka nośnikowe odpowiedzialne za oddzielanie metali przejściowych (np. miedzi czy żelaza) od innych cząsteczek. Pierwiastki śladowe w nadmiarze też wywołują powstanie wolnych rodników. Jeśli jest za dużo wolnego żelaza lub wolnej miedzi, to białka wiążą te pierwiastki i je blokują, dzięki czemu nie wytwarzają się wolne rodniki. Do takich związków chemicznych z jonami metali należą białka nośnikowe – transferryna (zdolna do wiązania jonów żelaza), metalotioneina (zdolna do wiązania jonów cynku), ceruloplazmina (zdolna jest do wiązania jonów miedzi).

Stres oksydacyjny i reaktywne formy tlenu

Znane jest nam dobrze pojęcie stresu oksydacyjnego, który kojarzymy ze starzeniem się komórek. Nadmiar wolnych rodników tlenowych jest przyczyną m.in. rozwoju chorób degeneracyjnych wieku starczego, takich jak np. choroba Alzheimera czy choroba Parkinsona.

Stres oksydacyjny można wyjaśnić jako: zaburzenie równowagi między natężeniem procesów oksydacyjnych, które indukują powstawanie reaktywnych form tlenu (RFT) i przeciwdziałającym systemem obronnym – antyoksydacyjnym.

Za przyczyny stresu oksydacyjnego uważa się: 

• promieniowanie jonizujące, ultrafioletowe (w nadmiarze),
• toksyny bakteryjne,
• wysoką temperaturę,
• nadmierny wysiłek,
• dietę uboga w antyoksydanty,
• wysoko przetworzoną dietę bogatą w cukier i tłuszcze trans, zjełczały tłuszcz, frytury,
• palenie tytoniu,
• nadmierne spożycie alkoholu,
• podjadanie w stanie stresu oraz objadanie się,
• czynniki wywołujące stres fizyczny i psychiczny,
• zaburzenia w pracy hormonów: tarczycy, wzrostu (HGH), prolaktyny. 

Za szkody w naszych komórkach odpowiadają reaktywne formy tlenu. 

Reaktywne formy tlenu (RTF) to metabolity, molekuły cząsteczkowe zawierające w swoim składzie atomy tlenu z niesparowanym elektronem (rodnikiem) lub wiązania O−O zdolne do uczestniczenia w reakcjach chemicznych, które odgrywają znaczącą rolę w metabolizmie i starzeniu się organizmów żywych.

Są to niezwykle reaktywne i agresywne substancje mające właściwości elektrofilowe, czyli  „lubiące elektrony”. To silne oksydanty wchodzące w reakcje oksydoredukcyjne chętnie reagujące z innymi substancjami. Mogą być wolnymi rodnikami, czyli mogą mieć jakiś niesparowany elektron na ostatniej orbicie. Gdy wchodzą w reakcję z inną substancją, ich celem jest pobranie jej elektronu, wywołując reakcję łańcuchową i niszcząc tę substancję, która staje się wolnym rodnikiem. 

Reaktywne formy tlenu z jednej strony przyczyniają się do sprawnego funkcjonowania naszych organów, odgrywają dużą rolę, wspierając pracę układu odpornościowego. Z drugiej strony odpowiadają za uszkodzenia na poziome komórkowym i są jedną z przyczyn procesów starzenia. 

Przyczyna – dobrze znana – nadmiarowość. Każda substancja w nadmiarze może wyrządzić szkody – dotyczy to także tlenu. Mimo iż tlen jest podstawową substancją niezbędną do życia, to podany w nadmiarze jest toksyczny. Nawet niewielkie „przetlenienie” doprowadzić może do spadku przepływu krwi przez mózg. 

Rodniki, wolne rodniki (radicals, free radicals) to indywidua chemiczne (atomy lub cząsteczki) zawierające niesparowane elektrony, czyli układy o spinie elektronowym różnym od zera. Najprostszym rodnikiem jest atom wodoru. Wyraz „rodnik”, wywodzi się z języka łacińskiego radix i oznacza „korzeń”. Rodniki wywierają duży wpływ na nasze życie i zdrowie. Są obecne w przyrodzie – powstają w atmosferze ziemskiej pod wpływem promieniowania słonecznego, podczas procesów spalania, znajdują się również w dymie papierosowym, w którym liczba rodników z jednego wydechu wynosi aż 1014!

Funkcje wolnych rodników 

Wolne rodniki w naszych organizmach odgrywają niezwykle ważną rolę. Ich niedobór może być przyczyną różnych chorób, może nawet skrócić życie. W każdej sekundzie naszego życia w żywych komórkach produkowane są wolne rodniki.

Funkcje wolnych rodników to:

• kaskady sygnałowe – komórki komunikują się ze sobą poprzez uwalnianie wolnych rodników tlenowych,
• syntezują hormony tarczycy,
• walczą z patogenami czy z komórkami nowotworowymi.

Zatem warto pamiętać, że wolne rodniki tlenowe pełnią strategiczne funkcje i bynajmniej nie są substancjami, z którymi powinniśmy za wszelką cenę walczyć. Zresztą, jeśli jest ich za dużo, organizm sam fizjologicznie wyrówna ich poziom. Z kolei przyswajając za dużo antyutleniaczy, możemy uzyskać efekt odwrotny od zamierzonego. W organizmie będzie za mało wolnych rodników, co spowoduje stres antyoksydacyjny. Nadmiar reaktywnych form tlenu w organizmie wywołuje stres oksydacyjny, a ten może prowadzić nawet do przedwczesnej śmierci. Równowaga to klucz do sukcesu.

Obrona organizmu przed negatywnym wpływem reaktywnych form tlenu

Mikroelementy stanowią fundament działania enzymów antyutleniających. W codziennym pożywieniu może ich brakować, ponieważ gleby są bardzo ubogie w pierwiastki śladowe. W drugiej części artykułu omówiony zostanie jeden z wielu mechanizmów obrony przed nadmiarem wolnych rodników. Jest nim dysmutaza ponadtlenkowa – ściśle powiązana z miedzią.

Ciemna i jasna strona… miedzi

Miedź jest metalem ciężkim, podobnie jak toksyczny ołów. Czy miedź może być toksyczna? Oczywiście, jeśli zostanie zaabsorbowana w nadmiarze. Jest to bardzo reaktywny pierwiastek wykazujący silne właściwości oksydoredukcyjne. Oznacza to, że w wolnym stanie wytwarza bardzo dużą ilość wolnych rodników, powodując uszkodzenie białek i DNA. Miedź spożywana w nadmiarze będzie wywoływać efekty oksydacyjne, dlatego powinna być odpowiednio dawkowana i dodatkowo łączona z cynkiem. Wszystkie pierwiastki śladowe stosowane w nadmiarze są toksyczne.

Z drugiej strony jest to mikroelement niezbędny do prawidłowego metabolizmu organizmów żywych. Miedź ma możliwość przyjmowania i oddawania elektronów, pozwalając enzymom brać udział w podstawowych reakcjach metabolicznych. Niedobór miedzi wywołuje wręcz zahamowanie procesów życiowych komórek. 

Nadmiar miedzi jest toksyczny dla komórek. Jednym z głównych następstw zaburzeń homeostazy miedzi w organizmie jest powstawanie reaktywnych form tlenu, dlatego też organizmy żywe wykształciły bardzo precyzyjnie działające mechanizmy regulacji stężenia tego pierwiastka w komórkach. Jednym z nich jest wspomniana już wcześniej dysmutaza ponadtlenkowa.

Dysmutaza ponadtlenkowa (SOD)

Miedź jest kofaktorem dysmutazy ponadtlenkowej  (SOD – SuperOxide Dismutase) jednego z kluczowych enzymów antyoksydacyjnych chroniących komórki przed niszczącym działaniem nadmiaru wolnych rodników. Enzymy antyoksydacyjne metabolizują wolne rodniki do mniej toksycznych lub nietoksycznych związków, chronią przed stresem oksydacyjnym, promieniowaniem jonizującym i cytokinami zapalnymi, przyspieszają rozkład rodnika ponadtlenkowego O2. Miedź jest niezbędnym pierwiastkiem śladowym niezbędnym do prawidłowego rozwoju organizmów żywych. Dzięki właściwościom oksydoredukcyjnym pierwiastek ten jest kofaktorem wielu reakcji enzymatycznych. Miedź znajduje się w centrach aktywnych enzymów biorących udział w podstawowych procesach metabolicznych w komórce. 

Dysmutaza ponadtlenkowa to pierwszy odkryty enzym, którego związkiem chemicznym jest wolny rodnik. Jest metaloproteiną zawierającą w swych centrach aktywnych jony metali (żelazo, miedź, cynk, mangan). Występuje we wszystkich tkankach metabolizujących tlen. 

Dysmutazy ponadtlenkowe należą do rodziny enzymów, których rola polega na przekształcaniu rodnika nadtlenowego (O2-) w cząsteczkę tlenu (O2)  i nadtlenek wodoru (H2O2), który następnie w obecności katalazy rozkładany jest na wodę i tlen. 

SOD stanowi ważną część obrony antyoksydacyjnej we wszystkich komórkach narażonych na działanie wolnych rodników, które jest w stanie neutralizować.

Istnieją trzy formy dysmutazy ponadtlenkowej:

• cynkowo-miedziowa (CuZnSOD) obecna w cytozolu i przestrzeni międzybłonowej mitochondriów,
• manganowa (MnSOD) prawie wyłącznie obecna w mitochondriach, 
• pozakomórkowa (ECSOD).

Aktywność dysmutazy ponadtlenkowej zwiększają ponadto: witamina B3, kwasy omega-3, galusan epigallokatechiny, fosfor, kurkumina, luteina, acetylocholina, resweratrol, miód, kwas elagowy, koper włoski, karnityna, likopen, kwas jabłkowy, histydyna, glicyna.

Dysmutaza ponadtlenkowa cynkowo-miedziowa to jeden z enzymatycznych systemów antyoksydacyjnych, którego głównym zadaniem jest neutralizacja wolnych rodników, hamowanie wolnorodnikowych reakcji łańcuchowych oraz ochrona komórki przed ich toksycznym działaniem.

Szczególną rolę w wychwytywaniu reaktywnych form tlenu odgrywają białka osocza, takie jak albumina czy ceruloplazmina. Ceruloplazmina zdolna jest do wiązania jonów miedzi, przez co zapobiega powstawaniu rodnika hydroksylowego z nadtlenku wodoru. 

Zakończenie

Organizm ludzki to fascynujący zespół wielu układów pracujący często bez udziału naszej świadomości. Już niewielka ilość pierwiastków śladowych wystarczy do tego, by utrzymać w ryzach niektóre mechanizmy. W niniejszym artykule został omówiony obronny wpływ miedzi w kontekście walki z wolnymi rodnikami, ale to nie wszystko, co potrafi ten pierwiastek śladowy. Zapraszam do śledzenia kolejnych artykułów. 

Opracowała Agata Majcher

Źródła:

www.czytelniamedyczna.pl, Rola dysmutazy ponadtlenkowej w powstawaniu nowotworów; M. Skrzycki, H. Czeczot

www.phmd.pl, Dwa oblicza wolnych rodników tlenowych; A. Zabłocka, M. Janusz

www.phmd.pl, Rola miedzi w procesie spermatogenezy, M. Ogórek, Ł. Gąsior, O. Pierzchała i inni

www.termedia.pl, Zmiatacze wolnych rodników; A. Lewiński, E. Sewerynek 

https://phmd.pl/resources/html/article/details?id=152530&language=pl