Stres oksydacyjny – co to jest i jak się objawia?

Reakcje chemiczne polegające na utlenieniu i redukcji cząsteczek zachodzą nieustannie w każdej komórce organizmu. Produktem ubocznym tych procesów są wolne rodniki (w tym reaktywne formy tlenu), które w odpowiedniej ilości niezbędne są do prawidłowego funkcjonowania ustroju. Fizjologicznie powstają one gównie w mitochondrialnym łańcuchu oddechowym oraz wybuchu tlenowym w fagocytach. W przypadku ich nadmiernej akumulacji dochodzi do zachwiania równowagi metabolicznej, która w konsekwencji doprowadza do rozwoju niekorzystnego i wysoce toksycznego stresu oksydacyjnego. Reaktywne formy tlenu powstające w mitochondriach mogą powodować liczne szkody poprzez uszkadzanie struktur komórkowych i biomolekuł. Zanieczyszczenia środowiska, narażenie na promieniowanie UV, a także spożywanie wysoko przetworzonej żywności, to tylko wybrane czynniki przyczyniające się do rozwoju stresu oksydacyjnego. Wiedza na temat mechanizmów powstawania wolnych rodników pozwala na wprowadzenie odpowiednich środków profilaktycznych i terapeutycznych w celu zminimalizowania uszkodzeń komórkowych i zapobiegania konsekwencjom zdrowotnym.

Co to jest stres oksydacyjny?

Stres oksydacyjny to zaburzenie równowagi pomiędzy wytwarzaniem reaktywnych form tlenu, a zdolnościami antyoksydacyjnymi organizmu do ich usuwania. Wynika on najczęściej z nagromadzenia nadmiaru wolnych rodników oraz wyczerpania rezerw antyoksydacyjnych. Reaktywne formy tlenu to określenie wysoko niestabilnych molekuł będących pochodnymi niecałkowitej redukcji tlenu cząsteczkowego. Na powłoce walencyjnej posiadają one co najmniej jeden niesparowany elektron i dzięki takiej budowie bez przeszkód mogą wchodzić w liczne reakcje chemiczne z wieloma związkami organicznymi. Do reaktywnych form tlenu zalicza się między innymi: 

• anionorodnik ponadtlenkowy (O₂^∙);
• rodnik hydroksylowy (OH^∙);
• rodnik wodoronadtlenkowy (OH₂^∙);
•  rodnik nadtlenkowy (ROO^∙);
• rodnik alkoksylowy (RO^∙);

Wolne rodniki doprowadzają do utlenienia składników komórkowych, a tym samym do uszkodzenia oksydacyjnego tkanek i utraty ich funkcji fizjologicznych. Modyfikują strukturę kwasów nukleinowych, a także wchodzą w reakcje z lipidami, węglowodanami oraz białkami, doprowadzając do powstawania kolejnych produktów wolnorodnikowych. Poprzez uszkadzanie struktur molekularnych przyczyniają się do rozwoju wielu stanów chorobowych.

Stres oksydacyjny a stres nitrozacyjny 

Równie istotnym, lecz zdecydowanie mniej rozpoznawalnym zjawiskiem jest stres nitrozacyjny. Obejmuje on procesy biochemiczne prowadzące do nadmiernej produkcji i akumulacji reaktywnych związków azotowych. Podobnie jak stres oksydacyjny, przyczynia się do rozwoju wielu stanów chorobowych i patologicznych. Tlenek azotu (NO) produkowany jest naturalnie w obrębie komórek nerwowych, mitochondriów, a także podczas przebiegających infekcji bakteryjnych lub wirusowych. Fizjologicznie odpowiada między innymi za regulację napięcia ścian naczyń krwionośnych, hamuje agregacje komórkowych składników krwi, a także stymuluje reakcje zapalne.

Obydwa mechanizmy posiadają wiele cech wspólnych i są ze sobą ściśle powiązane. Jednoczesne występowanie stresu oksydacyjnego i nitrozacyjnego, a tym samym obecność nadmiernej ilości wolnych rodników tlenowych, doprowadza do przekształcenia tlenku azotu w wysokotoksyczny związek – nadtlenoazotyn. Stanowi on główny czynnik przyczyniający się do uszkodzenia mitochondriów, a dodatkowo posiada zdolność nieodwracalnego wiązania metali niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania enzymów komórkowych. Dysfunkcja mitochondriów może doprowadzić do zmniejszenia produkcji ATP i zwiększania wytwarzania reaktywnych form tlenu. Podobnie jak stres oksydacyjny doprowadza do uszkodzenia struktur komórkowych, białek, lipidów oraz DNA.

Stres oksydacyjny – przyczyny 

W warunkach fizjologicznych wolne rodniki powstają jako naturalny produkt uboczny wielu reakcji chemicznych zachodzących w komórkach. Produkowane są one w przebiegu podstawowych szlaków metabolicznych, takich jak: łańcuch oddechowy, metabolizm nukleotydów purynowych oraz reakcji z udziałem oksydoreduktaz. Pełnią funkcje mediatorów i regulatorów metabolizmu poprzez różnicowanie komórek, aktywację genów, stymulację transportu glukozy czy wpływ na przekazywanie sygnałów komórkowych. W warunkach prawidłowych, pozostają one pod ścisłą kontrolą enzymatycznych i nieenzymatycznych mechanizmów obronnych organizmu. Stres oksydacyjny może zostać wywołany przez różnorodne czynniki wewnętrzne lub zewnętrzne, które prowadzą do zaburzenia równowagi pomiędzy produkcją wolnych rodników a zdolnościami organizmu do ich neutralizacji za pomocą przeciwutleniaczy. Najczęstszymi czynnikami zwiększającymi prawdopodobieństwo wystąpienia toksycznego stresu oksydacyjnego są między innymi: 

• Niewłaściwa dieta – spożywanie zbyt dużej ilości nasyconych kwasów tłuszczowych, żywności wysoko przetworzonej, produktów wędzonych i smażonych, a także niezdatnych do spożycia (spleśniałych);

• Wiek – zmniejszenie wraz z wiekiem efektywności mechanizmów obronnych umożliwiających ochronę przed stresem oksydacyjnym; 

• Nieprawidłowo wykonywana aktywność fizyczna – zbyt intensywne, długotrwałe i przeciążające organizm ćwiczenia fizyczne;

• Stres – przewlekłe napięcie nerwowe prowadzące do syntezy prozapalnych cytokin; 

• Używki – palenie papierosów oraz spożywanie alkoholu, a także przyjmowanie niektórych leków, np. antykoncepcyjnych, sterydów;

• Niewłaściwa higiena snu – niewystarczająca ilość spoczynku nocnego względem zapotrzebowania organizmu, a także zaburzenia cyklu okołodobowego;

• Choroby układowe – przyczyniające się do zwiększonego narażenia na stres oksydacyjny; 

• Zanieczyszczenia środowiskowe – metale ciężkie np. ołów, nikiel, kadm, arsen, rtęć, żelazo;

• Nadmierna ekspozycja na promieniowanie – zbyt długie narażenie na promieniowanie słoneczne bez odpowiedniej ochrony, a także promieniowanie rentgenowskie, jonizujące oraz kosmiczne. 

• Nieprawidłowości w funkcjonowaniu enzymów antyoksydacyjnych – mutacje genetyczne lub uszkodzenia enzymów, takich jak: dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza czy glutation, doprowadzają do nieskutecznego zwalczania wolnych rodników. 

Stres oksydacyjny – objawy i skutki 

Niektóre układy i/lub narządy są szczególnie wrażliwe na oddziaływanie wolnych rodników
i wykazują większą podatność na działanie stresu oksydacyjnego i nitrozacyjnego. Należą do nich przede wszystkim:

• układ oddechowy – narażony nieustannie na wysokie stężenia tlenu;
• mózg – wykazujący intensywną aktywność metaboliczną przy niskim poziomie endogennych antyoksydantów; 
• oczy – narażone na wysokie dawki promieniowania UV; 
• układ krążenia – narażony na zmieniającą się ilość tlenu oraz tlenku azotu;
• układ rozrodczy – narażony na intensywną aktywność metaboliczną plemników.

Niestety stres oksydacyjny nie posiada ściśle określonych i charakterystycznych dla siebie objawów. Zaburzenie równowagi prooksydacyjno-antyoksydacyjnej prowadzi do rozwoju różnorodnych reakcji patologicznych uszkadzających komórki oraz tkanki. Stres oksydacyjny może w różnym zakresie odpowiadać za zwiększone ryzyko wystąpienia niektórych chorób,
a dodatkowo nasilać istniejące już schorzenia. Niezaprzeczalnie doprowadza on do szybszego starzenia się organizmu oraz do rozwoju chorób cywilizacyjnych, takich jak:

• cukrzyca,
• miażdżyca,
• astma,
• choroby sercowo-naczyniowe,
• choroby nowotworowe,
• choroby neurodegeneracyjne, np. choroby Alzheimera oraz Parkinsona;
• reumatoidalne zapalenie stawów.

Stres oksydacyjny – mechanizmy obronne organizmu 

W komórkach organizmu istnieje wiele mechanizmów pozwalających na ochronę przed toksycznym wpływem wolnych rodników. Umożliwiają one utrzymanie wewnętrznej homeostazy, a także odpowiadają za naprawę uszkodzonych struktur biologicznych.

• Pierwszą naturalną linią obrony organizmu są przeciwutleniacze pochodzenia endogennego. Do tej grupy zaliczane są enzymy: dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza i peroksydaza glutationowa.

• Drugą linię obrony stanowią małocząsteczkowe antyoksydanty, np. witamina C lub E. Konkurują one z innymi związkami chemicznymi, które mogłyby zostać utlenione przez reaktywne formy tlenu, doprowadzając do przerwania łańcuchowej reakcji wolnorodnikowej.

• Trzecią linią obrony są zaawansowane mechanizmy „ostatniej szansy”. Ich funkcjonowanie odbywa się na poziomie komórkowym i ma na celu eliminację niepożądanych uszkodzeń wywołanych przez toksyczne działanie wolnych rodników.

Stres oksydacyjny – jak leczyć i zapobiegać?

Leczenie stresu oksydacyjnego polega głównie na eliminacji czynników predysponujących do jego wystąpienia, a także zwiększeniu ilości antyoksydantów w diecie. Zdolności neutralizacyjne organizmu do eliminacji wolnych rodników zmniejszają się wraz z wiekiem, co, w konsekwencji, przyczynia się do większego narażenia starzejącego się organizmu na stres oksydacyjny. Działania profilaktyczne umożliwiające zachowanie równowagi prooksydacyjno-antyoksydacyjnej mają istotne znaczenie w opóźnieniu procesów starzeniowych oraz neurodegeneracyjnych. Wprowadzenie zdrowych nawyków żywieniowych, dbałość o odpowiednią jakość snu, unikanie toksyn, ograniczenie stresu i używek, a w niektórych przypadkach suplementacja i odpowiednie leczenie chorób przewlekłych, mogą pomóc
w eliminacji tego niekorzystnego zjawiska.

Prawidłowo skomponowana dieta pozwalająca ograniczyć wpływ wolnych rodników na organizm powinna być bogata w produkty o wysokiej zawartości przeciwutleniaczy takich jak: witaminy (A, C, E), składniki mineralne, polifenole oraz karotenoidy. Wśród takich produktów wymienić można: 

Wyszczególnienie	Przykładowe produkty spożywcze
Warzywa	Szpinak, brokuły, buraki, pomidory, szaragi, papryka czerwona, marchew, oliwki
Owoce	Jagody, jeżyny, truskawki, maliny, śliwki, morele, wiśnie, winogrona, cytrusy
Orzechy i nasiona	Orzechy włoskie, migdały, siemię lniane, nasiona słonecznika
Zioła i przyprawy	Kurkuma, imbir, czosnek, oregano, goździki, cynamon, bazylia, kolendra, tymianek
Pełne ziarna	Owies, otręby, jęczmień, kukurydza
Ryby i owoce morza	Łosoś, sardynki, krewetki

Równocześnie z wprowadzeniem odpowiedniej diety należy ograniczyć spożywanie alkoholu, palenie wyrobów tytoniowych, a także ekspozycję na promienie słoneczne. Treningi relaksacyjne, medytacja oraz joga mogą pomóc w złagodzeniu przewlekłego stresu, co również przyczynia się do zminimalizowania toksycznego wpływu wolnych rodników. W niektórych przypadkach konieczna okazać się może suplementacja antyoksydantami, które skutecznie ograniczają działanie stresu oksydacyjnego. Ich stosowanie powinno być starannie przemyślane i dostosowane do indywidualnych potrzeb organizmu. Przed rozpoczęciem przyjmowania antyoksydantów należy skonsultować się z lekarzem lub dietetykiem, w celu dobrania odpowiedniej dawki oraz uniknięcia potencjalnych interakcji z innymi lekami.

Do najczęściej polecanych suplementów o działaniu antyoksydacyjnym należą: 

• Witamina C,
• Witamina E,
• Koenzym Q10,
• Glutation,
• Resweratrol,
• Selen,
• Cynk.

Regularne badania laboratoryjne mogą być przydatne w monitorowaniu poziomu stresu oksydacyjnego i ogólnego stanu zdrowia. Charakterystycznym markerem pozwalającym na oszacowanie ryzyka oksydacyjnego uszkodzenia DNA oraz mutacji materiału genetycznego spowodowanego działaniem wolnych rodników jest 8-hydroksy-2-deoksyguanozyna. Wartość tego parametru wzrasta przy ekspozycji na czynniki szkodliwe takie jak dym papierosowy, promieniowanie UV, zanieczyszczenia środowiska, a także w przypadku występowania niektórych stanów chorobowych.

Innymi testami wykorzystywanymi w ocenie stresu oksydacyjnego są oznaczenia stężenia glutationu, koenzymu Q10, witaminy C oraz E. Diagnostykę tego stanu poszerzyć można również o określenie długości telomerów, oznaczenie aktywności enzymów antyoksydacyjnych, poziomu peroksydacji lipidów oraz pierwiastków i metali ciężkich w erytrocytach. 

Mgr Karolina Hejnar