Mit przeciwutleniaczy

Przez lata naukowcy zakładali, że wysoce reaktywne cząstki – tzw. rodniki – wywołują starzenie poprzez uszkadzanie komórek, co prowadzi do upośledzenia funkcjonowania tkanek i narządów. Ostatnie eksperymenty wykazują, że podwyższony poziom określonych rodników u myszy i robaków koreluje z dłuższym okresem przeżycia ponieważ niekiedy rodniki przekazują sygnały w sieciach naprawy komórek. Jeśli te wyniki się potwierdzą mogą sugerować, że przyjmowanie antyoksydantów w postaci witamin lub innych suplementów czyni więcej złego niż dobrego u ogólnie zdrowych osób.

Oksydacja

Życie Davida Gemsa w roku 2006 stanęło na głowie – przez grupę robaków, które żyły, chociaż powinny umrzeć. Gems, zastępca dyrektora Institute of Healthy Aging na University College London, prowadzi badania Caenorhabditis elegans, obleńca często wykorzystywanego do studiów nad biologicznym podłożem starzenia. Tym razem zajmował się teorią, zgodnie z którą nagromadzenie uszkodzeń komórek spowodowanych utlenianiem (oksydacją) – czyli odbieraniem elektronów przez inne aktywne chemicznie cząstki, jak np. rodniki – jest głównym mechanizmem leżącym u podstaw starzenia.

Wg tej koncepcji gwałtowna, niekontrolowana oksydacja prowadzi z czasem do niszczenia coraz większych ilości lipidów, białek, fragmentów DNA i innych kluczowych składowych komórki, co po pewnym czasie prowadzi do uszkodzenia tkanek i narządów, w rezultacie upośledzając funkcjonowanie całego organizmu.

Gems, stosując narzędzia inżynierii genetycznej, modyfikował robaki tak, aby przestały wytwarzać określone enzymy, które zachowują się jak naturalne przeciwutleniacze, dezaktywując rodniki. Oczywiście w sytuacji braku antyoksydantów poziom rodników w ciałach obleńców gwałtownie wzrastał, wywołując potencjalnie szkodliwe reakcje oksydacji. Jednak, wbrew oczekiwaniom Gemsa, zmutowane robaki nie umierały przedwcześnie. Żyły tak długo jak zwykle. Naukowiec był zaskoczony: „tłumaczyłem sobie, że coś musi być nie tak – wspomina – coś musiało pójść źle.”
Poprosił innego badacza z laboratorium aby sprawdził wyniki i powtórzył eksperyment. Nic się nie zmieniło. Doświadczalne obleńce nie wytwarzały przeciwutleniaczy, i w ich ciałach – zgodnie z oczekiwaniami – dochodziło do gromadzenia rodników. A mimo to, że doznawały poważnych uszkodzeń spowodowanych utlenieniem, wcale przedwcześnie nie umierały.

Inni naukowcy uzyskali równie zaskakujące wyniki badając różne zwierzęta laboratoryjne. W Stanach Zjednoczonych Arlan Richardson, dyrektor Barshop Institute For Longevity And Aging Studies w University Of Texas Health Science Centre w San Antonio uzyskał metodami inżynierii genetycznej 18 różnych szczepów myszy. Niektóre z nich wytwarzały więcej określonych enzymów antyoksydacyjnych niż normalnie, inne – mniej. Gdyby uszkodzenia wywołane wytwarzaniem rodników, i następującą potem oksydację miały odpowiadać za starzenie – wówczas myszy o podwyższonym poziomie przeciwutleniaczy żyły by dłużej. Tymczasem „między tymi przeklętymi wykresami przeżycia nie było żadnej różnicy” – mówi Richardson. Wyniki swoich coraz bardziej zdumiewających badań przedstawił w serii artykułów, opublikowanych w latach 2001-2009.

Tymczasem pracujący kilka drzwi dalej fizjolog Rochelle Buffenstein od 11 lat próbował wyjaśnić dlaczego najbardziej długowieczny gryzoń, golec (Heterocephalus glaber) osiąga nawet 25 do 30 lat – czyli żyje średnio ok. 8 razy dłużej niż podobnej wielkości mysz. Eksperymenty Buffensteina wykazały, że golce mają niższy poziom naturalnych antyoksydantów niż myszy, a uszkodzenie oksydacyjne tkanek następuje u nich wcześniej i w większym stopniu niż u innych gryzoni. Jednak paradoksalnie, do samej chwili zgonu w bardzo zaawansowanym wieku żyją niemal w pełnym zdrowiu.

Dla zwolenników funkcjonującej od dawna teorii oksydacyjnych jako mechanizmu starzenia, te wyniki to niemal herezja. Jednak z wyjątku stają się regułą. W ciągu ostatniej dekady wiele eksperymentów, które miały dodatkowo potwierdzić hipotezę, że rodniki i inne reaktywne cząstki przyspieszają starzenie – ewidentnie jej zaprzeczało. Co więcej – wydaje się, że w określonych ilościach i warunkach, te wysokoenergetyczne cząstki mogą nie tylko nie być niebezpieczne, ale wręcz mieć korzystne i prozdrowotne działanie, poprzez wyzwalanie wewnętrznych mechanizmów obronnych, które utrzymują nasze ciała w dobrej formie. Ta hipoteza miałaby nie tylko drastyczne implikacje dla przyszłych działań przeciwdziałających starzeniu, ale być może prowadziłaby także do zakwestionowania powszechnego przekonania o słuszności przyjmowania wysokich dawek witamin o działaniu antyoksydacyjnym. Jeśli teoria uszkodzeń oksydacyjnych jest błędna, starzenie jest procesem znacznie bardziej skomplikowanym, niż dotychczas sądzono. Nie wykluczone, że naukowcy będą musieli zweryfikować swoje poglądy na temat zdrowego starzenia na poziomie molekularnym.

Nauka o starzeniu opierała się na kilku paradygmatach, wyobrażeniach na temat starzenia, które po części wzięły się z powietrza. – mówi Gems. – Powinniśmy być może przyjrzeć się także innym teoriom, i przyjąć, że konieczna może być całkowita zmiana spojrzenia na biologię.

Narodziny teorii rodników

Teoria starzenia oparta na uszkodzeniach oksydacyjnych, czyli wywołanych przez rodniki – pochodzi od Denhama Harmana. Swoje powołanie odkrył w grudniu 1945 r. dzięki Ladies Home Journal. Czasopismo to przyniosła do domu jego żona – Hellen – i dała Harmanowi do przeczytania artykuł dot. potencjalnych przyczyn starzenia. Tekst go zafascynował.

Ten 29-letni chemik pracował wtedy w Shell Developement, oddziale badawczym Shell Oil, i nie miał zbyt wiele czasu, aby zastanawiać się nad tym problemem. Jednak 9 lat później, ukończywszy studia medyczne rozpoczął pracę naukową na University of California w Berklee. Zaczął wtedy poważnie zajmować się nauką o starzeniu. Pewnego ranka siedząc w biurze doznał olśnienia. „Ta myśl pojawiła się po prostu znikąd – wspominał w wywiadzie przeprowadzonym w 2003 roku. – Starzenie muszą wywoływać rodniki.”

Wprawdzie nigdy wcześniej nie wiązano rodników ze starzeniem, ale zdaniem Harmana było logiczne, że to one ponoszą winę. Po pierwsze wiedział, że promieniowanie jonizujące powstałe np. w wyniku wybuchu bomb jądrowych, które może być zabójcze – pobudza w organizmie wytwarzanie rodników. Po drugie – w tamtym okresie wyniki badań sugerowały, że dieta bogata w antyoksydanty pochodzące z żywności łagodziła niekorzystne skutki działania promieniowania, co sugerowało – zgodnie zresztą z prawdą – że to rodniki są przyczyną obserwowanych skutków promieniowania. Ponadto, rodniki są typowymi produktami ubocznymi procesów oddychania i metabolizmu, które z czasem kumulują się w organizmie. Harman wywnioskował stąd, że skoro zarówno uszkodzenia komórek, jak i poziom rodników zwiększają się z wiekiem – prawdopodobnie to właśnie rodniki wywołują uszkodzenia odpowiedzialne za starzenie. Zaś antyoksydanty powinny ten proces spowalniać.

Zaczął badać tę hipotezę. W jednym z pierwszych doświadczeń karmił myszy antyoksydantami i zaobserwował, że żyły dłużej. (Jakkolwiek w wyższych stężeniach, przeciwutleniacze miały niekorzystne działanie.) Wkrótce również inni naukowcy podjęli badania w tym obszarze. W roku 1969 badacze z Duke University odkryli pierwszy enzym o działaniu antyoksydacyjnym wytwarzany przez organizm – dysmutazę ponadtlenkową. Wysunęli hipotezę, że powstała ona w celu znoszenia niekorzystnych efektów gromadzenia rodników. Wobec tych nowych danych większość biologów zaczęła akceptować ten model.

Jeśli zajmujesz się starzeniem, teoria rodników jest wszechobecna jak powietrze – mówi Gems. – Znajdziesz ją w każdej książce. Każdy artykuł bezpośrednio lub pośrednio do niej nawiązuje.

Czas jednak pokazał, że naukowcy mięli trudności z powtórzeniem niektórych rezultatów badań doświadczalnych Harmana. „Do lat 70. nie pojawiły się jednoznaczne dowody, że karmienie zwierząt antyoksydantami rzeczywiście wpływa na długość ich życia” – mówi Richardson. Założył, że sprzeczne wyniki badań prowadzonych przez innych naukowców po prostu nie były dostatecznie dobrze kontrolowane. Być może zwierzęta nie przyswajały antyoksydantów, które dostawały w diecie tak, że ogólny poziom rodników w ich krwi nie ulegał zmianie. Jednak na początku lat 90. postępy genetyki pozwalały już naukowcom oceniać działanie antyoksydantów precyzyjniej – umożliwiając bezpośrednią modyfikację genomu w celu zmiany ilości enzymów antyoksydacyjnych wytwarzanych przez zwierzęta. Kolejne badania doświadczalne prowadzone przez Richardsona na genetycznie zmodyfikowanych myszach wskazywały, że stężenie cząsteczek rodników krążących w organizmach zwierząt, a także poziom uszkodzeń oksydacyjnych przez nie wywoływanych – nie miał wpływu na czas ich życia.

W późniejszym czasie Siegfried Hekimi, biolog z McGill University wyhodował obleńce, które wytwarzały nadmierne ilości rodnika ponadtlenkowego. „Myślałem że pomogą nam one udowodnić teorię, że stres oksydacyjny wywołuje starzenie” – mówi Hekimi, który oczekiwał, że zmodyfikowane robaki będą przedwcześnie umierać. Tymczasem jak opisywał w artykule, który ukazał się w roku 2010 w czasopiśmie PLOS Biology – uzyskane metodami genetycznej zwierzęta nie podlegały w większym stopniu uszkodzeniom oksydacyjnym i żyły średnio o 32% dłużej, niż osobniki niezmodyfikowane. Ponadto podawanie tym zmodyfikowanym genetycznie obleńcom antyoksydantu (witaminy C) znosiło efekt wydłużania życia. Heikimi postawił hipotezę, że rodnik ponadtlenkowy zachowuje się nie w sposób destrukcyjny, ale stanowi sygnał ochronny przekazywany przez organizm robaka, który uruchamia ekspresję genów prowadzących do naprawy uszkodzeń komórkowych.

W kolejnym doświadczeniu Hekimi poddawał normalne robaki ekspozycji na popularny herbicyd, stosowany do ograniczania wzrostu chwastów, który w organizmach zwierzęcych i roślinnych pobudza produkcję rodników. W tym samym artykule z 2010 r. opisał wyniki przeczące oczekiwaniom: robaki poddawane kąpieli w toksycznym roztworze żyły o 58% dłużej, niż poddane jego działaniu, tak, że w tym przypadku podawanie robakom w karmie antyoksydantów znosiło korzystne efekty działania toksyny. Wreszcie w kwietniu 2012 r. wraz ze współpracownikami wykazał, że dezaktywacja (wyłączenie) u robaków wszystkich pięciu genów kodujących dysmutazę ponadtlenkową praktycznie nie miało żadnego wpływu na czas życia robaków.

Czy te odkrycia oznaczają, że teoria rodników jest całkowicie błędna? Simon Melov, biochemik z Buck Institue for Research on Aging w Novato w stanie California uważa, że sytuacja nie może być aż tak prosta. Rodniki mogą mieć korzystne działanie pod pewnymi względami, ale być niebezpieczne pod innymi. Znaczny poziom uszkodzeń oksydacyjnych bez wątpienia wywołuje nowotwory i uszkodzenie narządów. Istnieją liczne dowody na to, że uszkodzenia oksydacyjne odgrywają istotną rolę w rozwoju niektórych chorób przewlekłych, np. serca. Ponadto naukowcy z University of Washington wykazali, że myszy żyją dłużej, jeśli zostaną poddane modyfikacji genetycznej prowadzącej do wytwarzania dużej ilości antyoksydantu znanego pod nazwą katalaza. Wg Melova jednak stwierdzenie, że pewne zjawisko, np. uszkodzenia oksydacyjne – przyczynia się do starzenia w pewnych okolicznościach. „To zupełnie co innego, niż utrzymywanie, że prowadzi ono do patologii”. Uważa on, że starzenie prawdopodobnie nie jest jednorodnym zjawiskiem o jednej przyczynie i jednym antidotum. Takie hipotezy to myślenie życzeniowe.

Zmiana perspektywy

Jeśli założyć, że rodniki kumulują się wraz ze starzeniem się organizmu, ale niekoniecznie je wywołują – jaki skutek rzeczywiście wywierają? Dotychczas to pytanie prowadziło raczej do spekulacji niż faktów.

W rzeczywistości stanowią element mechanizmu obronnego. Rodniki mogą być w niektórych przypadkach produkowane w odpowiedzi na uszkodzenie komórek – np. jako sposób przekazywania sygnału pobudzającego mechanizmy naprawcze organizmu.

Zgodnie z tym założeniem rodniki powstają w konsekwencji uszkodzeń związanych z wiekiem, a nie stanowią ich przyczynę. Jednak jak twierdzi Hekimi – jeśli są obecne w dużych ilościach – mogą także prowadzić do uszkodzeń.

Teoria, że niewielkie problemy mogą ułatwiać organizmowi pokonywanie dużych nie jest nowa. W taki sposób np. mięśnie wzmacniają się w odpowiedzi na stały wzrost obciążeń, którym są poddawane. Natomiast wiele osób okazjonalnie uprawiających sport na własnej skórze boleśnie odczuło, że nagły wzrost aktywności fizycznej po całym tygodniu spędzonym za biurkiem niemal zawsze prowadzi do naciągniętych mięśni, ścięgien lub innych poważnych uszkodzeń.

W roku 2002 naukowcy w University of Colorado w Boulder przeprowadzili badanie, w którym poddawali robaki krótkotrwałej ekspozycji na działanie ciepła lub związków chemicznych, które pobudzały produkcję rodników. Wykazali w ten sposób, że środowiskowe czynniki stresogenne zwiększają odporność na większe zagrożenia w późniejszym czasie. Interwencja ta zwiększała również oczekiwaną długość życia robaków o 20%. Nie zostało jednak do końca wyjaśnione jak te działania wpływały na całkowity poziom uszkodzeń oksydacyjnych, ponieważ badacze nie oceniali tych zmian. W roku 2010 naukowcy z University of California w San Francisco oraz z uniwersytetu w Pohang w Korei Południowej opisali w czasopiśmie Current Biology, że niektóre rodniki powodują wyłączenie genu nazwanego HIF-1, który z kolei odpowiada za aktywację genów biorących udział w naprawie komórek, w tym genu uczestniczącego w naprawie zmutowanego DNA.

Rodniki mogą także częściowo tłumaczyć korzystny wpływ ćwiczeń. Przez lata naukowcy uważali, że ćwiczenia są dla nas dobre, pomimo, że prowadzą do wytwarzania rodników, a nie dzięki temu. Jednak w roku 2009, w czasopiśmie Proceeding of the National Academy of Science USA ukazały się wyniki badania, które przeprowadził wraz ze współpracownikami Michael Ristow, profesor żywienia na Friedrich-Schiller-Universitat Jena. Porównywali oni profil fizjologiczny osób ćwiczących, które dodatkowo przyjmowały antyoksydanty, oraz osób ćwiczących, które ich nie przyjmowały. Wyniki Ristowa były analogiczne do tych, które Richardson uzyskał u myszy. Osoby, które ćwiczyły i nie przyjmowały witamin były zdrowsze, niż te, które witaminy otrzymywały. M.in. wśród sportowców nie stosujących suplementów rzadziej występowały objawy sugerujące możliwość rozwoju cukrzycy typu II. Badanie, które przeprowadziła Beth Levine, mikrobiolog z University of Texas w South-Western Medical Centre wykazało, że ćwiczenia fizyczne pobudzają także proces biologiczny określany jako autofagia, w którego przebiegu komórki przetwarzają zużyte fragmenty białek i inne struktury wewnątrzkomórkowe. Trawienie i niszczenie starych cząsteczek odbywa się z użyciem znanego nam już narzędzia: rodników. Jednak sytuację komplikują dodatkowo badania Levine’a, z których wynika, że autofagia prowadzi także do zmniejszenia ogólnego poziomu rodników. Sugeruje to, że różne rodzaje rodników w różnych stężeniach i częściach komórki mogą odgrywać różne role w zależności od okoliczności.

Zdrowy ferment

Skoro rodniki nie zawsze są złe, to antidotum na ich działanie – przeciwutleniacze – mogą nie zawsze być dobre. To niepokojąca opcja, jeśli wziąć pod uwagę, że 52% amerykanów przyjmuje codziennie znaczące ilości antyoksydantów tj. witamina E i beta-karoten w postaci suplementów multiwitaminowych. W roku 2007 w czasopiśmie Journal of the American Medical Association, opublikowano systematyczny przegląd 68 badań klinicznych, z którego wynikało, że suplementy zawierające antyoksydanty nie obniżają ryzyka zgonu. Kiedy autorzy ograniczyli swoją analizę do badań dla których najmniejsze ryzyko błędu systematycznego było najmniejsze – czyli tych, w których przydział uczestników do poszczególnych grup badanych był całkowicie losowy, i w których ani badacze, ani uczestnicy nie wiedzieli kto przyjmuje jakie pigułki – stwierdzili, że niektóre antyoksydanty wiążą się ze zwiększonym ryzykiem zgonu, sięgającym w pewnych przypadkach nawet 16%.

Liczne stowarzyszenia amerykańskie, w tym American Heart Association oraz American Diabetes Association odradzają obecnie przyjmowanie suplementów zawierających przeciwutleniacze z wyjątkiem leczenia rozpoznanych niedoborów witaminowych.

W piśmiennictwie coraz więcej jest dowodów na to, że te suplementy – szczególnie w wysokich dawkach – niekoniecznie mają korzystne działanie, którego po nich oczekiwano – mówi Demetrius Albanes, starszy badacz z Nutritional Epidemiology Branch w National Cancer Institute. – Staliśmy się za to bardziej świadomi ich potencjalnych wad.

Trudno jednak wyobrazić sobie, że antyoksydanty kiedykolwiek całkowicie zostaną zdezawuowane – albo że większość naukowców zajmujących się problemem starzenia pogodzi się po prostu z hipotezą o korzystnym wpływie rodników zanim pojawi się więcej dowodów na jej prawdziwość. Jednak stopniowo coraz więcej badań wskazuje na to, że proces starzenia jest znacznie bardziej złożony niż to sobie wyobrażał Harman prawie 60 lat temu. Gems np. wierzy, że dotychczasowe obserwacje przemawiają za nową teorią, zgodnie z którą starzenie wynika z nadmiernej aktywności określonych procesów biologicznych biorących udział we wzroście i rozmnażaniu. Jednak jak mówi niezależnie od tego, jaką teorię (lub teorie) będą badać naukowcy – kontynuacja tych prac „zmienia tę dziedzinę prowadząc ją w kierunku nieco dziwnym, ale coraz bardziej właściwym. To jest jak nagły powiew świeżego powietrza.”

Źródło: Świat Nauki 3/2013.

Powrót do listy wykładów >

Brak komentarzy
Napisz komentarz