Zastanawiasz się, jak wydać pracę doktorską, habilitacyjną lub monografie? Chcesz dokonać zmian w stylistyce i interpunkcji tekstu naukowego? Nic prostszego! Zaufaj Wydawnictwu Borgis - wydawcy renomowanych książek i czasopism medycznych. Zapewniamy przede wszystkim profesjonalne wsparcie w przygotowaniu pracy, opracowanie dokumentacji oraz druk pracy doktorskiej, magisterskiej, habilitacyjnej. Dzięki nam nie będziesz musiał zajmować się projektowaniem okładki oraz typografią książki.

© Borgis - Postępy Fitoterapii 1-2/2005, s. 53-57
Michał Gajewski1, Elżbieta Kamińska2, Szymon Szczepanik3, Łukasz Wysocki3, Sławomir Maśliński1,3
Czy zakłóceniami przepływu energii możemy opisać główne zjawiska patologii?
1Zakład Biochemii Instytutu Reumatologicznego w Warszawie
2Zakład Patofizjologii i Immunologii Instytutu Reumatologicznego w Warszawie
3Zakład i Katedra Patologii Ogólnej i Doświadczalnej Akademii Medycznej w Warszawie
NORMA FIZJOLOGICZNA
Założeniem wykładu było przeanalizowanie relacji zachodzących pomiędzy różnymi stanami patologicznymi, a narastającymi zaburzeniami przepływu energii w organizmie. Wykład ograniczono, w kontekście zakłóconego transferu energii, do opisania roli tlenu.
Kompleks enzymatyczny wytwarzający energię (znajdujący się w mitochondriach, które mogą zajmować nawet do 40% objętości komórek) nie jest w 100% sprawny. Około 3% tlenu w komórkach serca i do 10% tlenu w komórkach płucnych, nie dociera do końcowego enzymu redukującego tlen do wody (oksydaza cytochromowa), lecz w formie wolnych rodników tlenowych (WRT) przedostaje się przez błony mitochondriów. Przeciętna komórka ciała człowieka konsumuje dziennie 1013 atomów tlenu, tak więc wytworzy się w niej 1011-12 rodników tlenowych. W objętości 1 cm3 zmieści się 109 komórek przeciętnej wielkości, WRT wytworzy się zatem dziennie 1020-21, co odpowiada ilości WRT w wypalonych 104-5 papierosów.
Proces unieszkodliwiania toksycznych pochodnych tlenu jest absolutnie niezbędny dla przeżycia wszystkich organizmów żyjących w atmosferze 21% tlenu. Średni okres życia wszystkich przebadanych dotąd gatunków małp był ściśle uzależniony od średniej aktywności ich enzymów detoksykujących WRT. Już w roku 1928 Rubner zauważył, że wszystkie przebadane dotąd gatunki ssaków nienależących do naczelnych zużywają około 200±25 kcal na gram tkanki w ciągu całego swego życia. Rubner wykazał, że chociaż krowa, koń, kot, pies, czy świnka morska, różnią się prawie 5-krotnie średnią długością życia, to ich potencjał metaboliczny, czyli ilość energii zużywanej na gram tkanki ciała, a liczony w czasie całego życia, był właściwie identyczny. Różne filogenetyczne grupy mają różny potencjał metaboliczny. I tak, na przykład muchy mają potencjał wielkości 25 kcal, nienaczelne ssaki 200, ludzie 800, a ptaki 1000-1500 kcal.
Najogólniej rzecz ujmując, większe, dłużej żyjące zwierzęta, zużywają mniej kalorii na gram tkanki w danej jednostce czasowej, aniżeli mniejsze, krócej żyjące. Tak więc l gram przeciętnej tkanki ryjówki zużywa dziennie tyle samo kalorii, ile 1 gram porównywalnej tkanki słonia na miesiąc. Pearl podsumował to krótko: „generalnie czas trwania życia zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do szybkości wydatkowania energii”. Nazwano to „teorią szybkości życia”. Pomimo znacznych różnic tempa metabolizmu tlenowego, a co za tym idzie różnej długości życia, wykazano, że każdemu gatunkowi „przysługiwało około miliarda uderzeń serca”. We wszystkich omawianych przypadkach tempo wytwarzania WRT przez mitochondria było proporcjonalne do tempa metabolizmu i odwrotnie proporcjonalne do średniej długości życia danego gatunku.
DNA w każdej komórce szczura (szybki metabolizm) jest uszkadzane dziennie na skutek metabolizmu oksydacyjnego w 100 tys. miejsc (trwałych uszkodzeń jest 1 milion), DNA człowieka natomiast (wolny metabolizm), w 10 tys. miejsc (trwałych uszkodzeń jest 100 tys.). Człowiek dożyć może więc 120 lat, szczur natomiast tylko do lat 2. WRT uszkadzają również błony komórkowe poprzez peroksydację lipidów (LPO). LPO jest procesem lawinowej reakcji łańcuchowej, tzn. jedna nieprawidłowa cząsteczka w połączeniu z prawidłową daje dwie nieprawidłowe cząsteczki. Natychmiast po śmierci człowieka, wówczas gdy następuje zahamowanie wytwarzania zmiataczy WRT, dochodzi do przerwania ich blokady i masywnej LPO. Przez kilka dni po śmierci, ciało „zasysa”, przez skórę, z otoczenia tlen z intensywnością znacznie większą aniżeli podczas normalnego oddychania za życia organizmu. Śmierć, na poziomie molekularnym, wynika z gwałtownie nasilającego się i nieodwracalnego już procesu LPO.
Natężenie stresu oksydacyjnego jest odwrotnie proporcjonalne do długości życia. Opisany w roku 1998 roku gen zwany „methuselah” wydłuża życie jego posiadacza o 35%. Niedawno odkryto kolejny „gen długiego życia”, którego mutacja u muszki owocowej, wydłuża życie dwukrotnie. Obie mutacje polegają na spowolnieniu tempa metabolizmu. Komórki takie wymagają więc mniejszej ilości energii. Gen długowieczności otrzymał nazwę Indy („I am not dead yet”). Mutacja tego genu spowalnia transport składników odżywczych z komórek i do komórek organizmu, a zatem ogranicza przemianę materii. Zmutowane nicienie, o ograniczonej przemianie materii (bezpłodne i o przytępionych zmysłach – ślepota), żyją nawet sześcio- czy ośmiokrotnie dłużej. Przywrócenie tym organizmom zdolności do widzenia, czy rozmnażania się, natychmiast (i proporcjonalnie) skraca średni czas ich życia.
Można założyć, że gdyby szczurom żyjącym dwa lata spowolnić metabolizm do tempa metabolizmu ludzkiego (80-120 lat), ich życie mogłoby się wydłużyć przynajmniej o rząd wielkości, czyli nawet do 20 lat. Analogicznie spowolnienie tempa metabolizmu u człowieka wydłużyłoby jego życie do 1000 lat. Powszechnie dzisiaj akceptowana teoria starzenia się Harmana wyznacza granicę wieku człowieka na 120 lat. Pierwszym, znanym źródłem podającym tę granicę jest Księga Rodzaju (Rdz. 6.3) (ryc. 1). Następuje to jednak nie od razu, lecz po 22 pokoleniach ciągłego spadku, tak długości życia, jak i wieku płodzenia potomstwa. Obie wartości są wyjściowo bardzo wysokie. Można założyć, że wydłużenie życia mężczyzn nie wpłynęłoby na ich płodność, całe życie produkują oni bowiem plemniki. Cytowane źródło nie porusza natomiast problemu kobiet. O fakcie urodzenia syna przez 90-letnią Sarę, w Księdze Rodzaju wspomina się jak o ewenemencie (Rdz. 17.17). Wiadomo, że kobiety posiadają ukształtowane komórki jajowe już w wieku płodowym, więc nie mogłyby rodzić dzieci w tak ekstremalnie długim życiu. Brak danych o długo żyjących kobietach, rodzących dzieci w późnej starości, świadczyć może o wiarygodności przekazu. Krzywa jest ponadto bardzo „nowoczesna”, z nieoczekiwanymi spadkami i wzrostami, typowymi dla wszelkich pomiarów, dokonywanych przez naukę właściwie dopiero od epoki Oświecenia. Przed XVIII wiekiem nie wiedziano, że stałemu spadkowi jakiejś wartości, towarzyszą chwilowe ich wzrosty, i odwrotnie. Dlatego można założyć, iż zbyt wcześnie uznano zawarte w Księdze Rodzaju informacje jedynie za mityczno-etnograficzną ciekawostkę.
Ryc. 1. Dane dotyczące długości życia pokoleń biblijnych patriarchów (wg. Księgi Rodzaju). Podłużna linia na środku wykresu wyznacza granicę zdarzenia opisanego jako „potop”.
Organizmy oddychające tlenowo muszą ograniczać tempo metabolizmu tlenowego (a co za tym idzie stres oksydacyjny), jednak w pewnych sytuacjach muszą go generować (walka z patogenami). W całym Królestwie Zwierząt pierwszą i najważniejszą linią obrony są neutrofile. Są to komórki bardzo aktywne i nietrwałe, dziennie następuje 4-krotna wymiana całej ich puli, a prawie 60% masy szpiku kostnego (ważącego u dorosłego człowieka 2-3 kg) przeznaczone jest dla ich produkcji. Całkowity zanik aktywności neutrofilów oznacza śmierć organizmu na skutek zakażeń w ciągu zaledwie kilku dni. Aktywność neutrofilów polega, paradoksalnie, na miejscowym nasilaniu stresu oksydacyjnego. W przeciwieństwie do przeciętnych komórek tkanki, w których 5% tlenu ucieka w postaci WRT, a pozostałe 95% w normalnych procesach metabolizmu komórkowego, w neutrofilach sytuacja wydaje się odwrotna. Są one komórkami beztlenowymi, nieposiadającymi prawie mitochondriów, a proces powstawania WRT zachodzi w ich błonie komórkowej. Znajduje się w niej kompleks enzymatyczny, tak zwanej NADPH oksydazy, który z 95% pobieranego tlenu celowo wytwarza WRT.
OSTRY STRES OKSYDACYJNY
Neutrofile nie są jedynymi strukturami w organizmie biorącymi udział w celowym, miejscowym nasilaniu stresu oksydacyjnego. WRT wydzielane przez neutrofile są dalej przekształcane przez przeciwciała w trójatomową formę tlenu – ozon, silną substancję bakteriobójczą. Obecność ozonu wykazano w blaszkach miażdżycowych, jak się okazało jedynie utleniony przez ozon cholesterol jest fagocytowany przez makrofagi, tworzące w ten sposób blaszkę miażdżycową. Jeżeli występujący pod blaszką miażdżycową stres oksydacyjny jest wystarczająco silny, następuje jej oderwanie, zatkanie naczyń krwionośnych i niedotlenienie. Na obszarze niedotlenionym następuje zachwianie równowagi – tlen (zmniejszony już poziom):elektrony (niezmniejszony poziom). Dochodzi do masywnego łączenia się elektronów z pozostałym jeszcze tlenem, w efekcie czego nasila się produkcja WRT. Zmniejszenie o 40% tlenu w tkankach niedotlenionych powoduje wzrost powstawania WRT o 40%, a tym samym znaczne nasilenie stresu oksydacyjnego. Już po kilku sekundach niedotlenienia dochodzi do obniżenia aktywności oksydazy cytochromowej, której towarzyszy równoczesny wzrost jednoelektronowych redukcji z wytworzeniem WRT, co przypomina przyspieszony proces starzenia się.
Podczas reperfuzji (napływ normalnie utlenowanej krwi) stwierdza się nieoczekiwane dalsze zwiększenie stresu oksydacyjnego. Jest to najniebezpieczniejszy moment niedotlenienia powodujący najsilniejsze uszkodzenia tkanek. Zjawisko to zostało nazwane „paradoksem tlenowym”, którego mechanizm polega na tym, iż znaczna ilość napływającego tlenu zostaje przekształcona w WRT. Odpowiedzialna jest za to oksydaza ksantynowa powstająca w warunkach patologicznych z dehydrogenazy ksantynowej. W modelach doświadczalnych wykazano, że stosując allopurinol (będący inhibitorem oksydazy ksantynowej) ograniczyć można obszar martwicy o 60%. Dalsze ograniczenie martwicy serca obniżyć można stosując podczas reperfuzji krew o podwojonej ilości erytrocytów, zawierających duże ilości enzymów inaktywujących WRT.
Dopiero od roku 1983 wiadomo, że odczyn zapalny, towarzyszący niedotlenieniu, nie jest zjawiskiem późnym. Wykazano, że już po 45 minutach niedotlenienia serca mamy do czynienia z silnym, destrukcyjnym odczynem zapalnym. Neutropenia (znaczne obniżenie liczby neutrofilów) ograniczyła martwicę niedotlenionego serca u psów o prawie 43%. W tkankach dotkniętych niedotlenieniem neutrofile powodują poważne uszkodzenia, wydzielając duże ilości WRT. Ten pozorny paradoks wyjaśnić może fakt, iż neutrofile są komórkami niezwykle sprawnymi w wychwytywaniu tlenu i przekształcaniu ich w WRT. Badania in vitro wykazały, że 100-krotne obniżenie poziomu tlenu powodowało tylko dwukrotne obniżenie poziomu WRT, produkowanych przez neutrofile. Nawet jeśli, w warunkach doświadczalnych, stężenie tlenu wynosiło zero, produkcja WRT przez neutrofile wynosiła 10% wartości maksymalnej.
PRZEWLEKŁY STRES OKSYDACYJNY
Chociaż mózg stanowi jedynie 2% ciężaru ciała dorosłego człowieka, otrzymuje on aż 15% krwi z wyrzutu serca i zużywa do 20% tlenu i 25% glukozy pobieranych dla całego organizmu. Jest organem szczególnie wrażliwym na uszkodzenia oksydacyjne ze względu na intensywny metabolizm tlenowy, znaczną zawartość nienasyconych kwasów tłuszczowych (podatnych na proces LPO), a także stosunkowo niską aktywność enzymów antyoksydacyjnych w porównaniu z innymi tkankami.
Obniżeniu aktywności oksydazy cytochromowej towarzyszy stopniowa, ale jeszcze nieznaczna redukcja przepływu krwi oraz zużycia glukozy, które zachodzą od 4 dekady życia. U ludzi w podeszłym wieku występuje zmniejszenie zużycia glukozy bez równoczesnego zmniejszenia zużycia tlenu, które pozostaje na niezmienionym, wysokim poziomie (hyperoksja). Tak więc w tkankach ssaków starość skorelowana jest ze zmianą stosunku pro- i antyoksydantów na korzyść tych pierwszych. Podłożem starości jest więc zakłócenie relacji: ilość pobieranego tlenu – ilość tlenu potrzebnego do obniżonego metabolizmu (hyperoksja). Powoduje to, na zasadzie sprzężenia zwrotnego, dalsze osłabianie mechanizmów obronnych. Proces ten został nazwany „metabolicznym zegarem starzenia się”.
Nie jest w tej chwili jasne, gdzie rozciąga się granica pomiędzy tzw. zdrowymi starcami a ludźmi cierpiącymi na schorzenia neurodegeneracyjne. W mózgach pacjentów z chorobą Alzheimera (AD), już we wczesnym stadium choroby stwierdzono zmianę stosunku zużytego tlenu do zużycia glukozy, który u pacjentów wynosił 9,86 i tylko 5,63 u zdrowych osób z grupy kontrolnej. Zmiana ta jest przyczyną nasilonego stresu oksydacyjnego, ponieważ tlen nie jest całkowicie zużywany w procesie oddychania w mitochondriach, co prowadzi do hyperoksji (zbyt duża ilość tlenu, a tym samym WRT).
Ograniczeniu kalorii w pożywieniu (CR-caloric restriction), a tym samym obniżeniu tempa metabolizmu tlenowego, towarzyszy wzrost odporności neuronów na degenerację i ograniczenie zakłócenia ich funkcji. U zwierząt doświadczalnych, chorych na AD, powyższa dieta poprawia zdecydowanie ich funkcje behawioralne.
Wyniki badań nad transportem elektronów w łańcuchu oddechowym wskazują wyraźnie na zmniejszoną aktywność kompleksu IV w korze czołowej i skroniowej pacjentów z chorobą Alzheimera. W mózgach zmarłych pacjentów stwierdzono ogólnie zmniejszoną aktywność kompleksów I-IV łańcucha oddechowego, szczególnie silnie zredukowana jest aktywność oksydazy cytochromowej.
Chorobę Alzheimera można wywołać eksperymentalnie u zwierząt za pomocą podawania im 1-metylo-4-fenylo,l,2,3,4-tetrapirydynianu (MPTP), którego metaboliczny produkt 1-metylo-4-fenylopirydynian (MPP+) jest pobierany przez komórki dopaminergiczne, powodując w nich zahamowanie kompleksu I łańcucha oddechowego mitochondriów.
Sugestie, iż różne schorzenia neurodegeneracyjne wynikają przede wszystkim z nasilonego stresu oksydacyjnego, zostały potwierdzone w tzw. syndromie „zastygłych narkomanów” („the case of the frozen addicts”). Kilka osób po zażyciu narkotyku zanieczyszczonego substancją MPTP, uległo nagle całkowitemu paraliżowi. Wyglądało to tak, jakby w jednej chwili rozwinęła się u nich zaawansowana forma choroby Parkinsona, zwykle narastająca w ciągu wielu lat. Organellami komórkowymi, bezpośrednio uszkodzonymi w tych przypadkach, okazały się być mitochondria. Zahamowanie aktywności enzymów oddechowych (konkretnie kompleksu I), przez MPP+, spowodowało bardzo ostry deficyt energetyczny, któremu towarzyszył masywny wypływ WRT z mitochondriów (znacznie bardziej nasilony aniżeli podczas niedotlenienia). Równocześnie zaobserwowano bardzo poważny spadek aktywności enzymów detoksykujących WRT, co doprowadziło do oksydacyjnego uszkodzenia neuronów, dając w efekcie, objawy poważnie zaawansowanej choroby Parkinsona.
Fakt, że przy zastosowaniu substancji wywołującej u człowieka postać zaawansowanej choroby Parkinsona (MPTP), można wywołać u zwierząt chorobę Alzheimera, dobitnie świadczy o wspólnej, oksydacyjnej patogenezie tych chorób.
Degeneracja neuronów stratium, typowa dla choroby Huntingtona, jest również w znacznym stopniu spowodowana stresem oksydacyjnym; aktywność kompleksów II i III łańcucha oddechowego w mitochondriach jest znacznie obniżona. Podanie zwierzętom doświadczalnym kwasu 3-nitroproprionowego, inhibitora kompleksu II i III, wywołuje u nich właśnie objawy choroby Huntingtona.
Stres oksydacyjny i uszkodzenia spowodowane przez WRT wydają się być podłożem większości chorób neurodegeneracyjnych, takich jak padaczka, zespół Downa, choroba Huntingtona, Alzheimera czy Parkinsona. Niedobory energetyczne są również stałym objawem głównych psychoz, tj. schizofrenii i depresji.
PODSUMOWANIE
Każda cząsteczka AB (materii ożywionej lub nieożywionej) składa się z atomów A i B, które łącząc się ze sobą musiały oddać po jednym elektronie (będąc przez chwilę tak zwanym rodnikiem). Ten transfer energii jest więc przejściowym etapem każdej reakcji zachodzącej w naszym organizmie. Można więc założyć, że wszystkie stany biologiczne to relacje pomiędzy materią, a transferem energii. Z ryciny 2 wynikać może, iż nasilone stany patologiczne, to wzrost stanów przejściowych na jednostkę czasu. Gdyby istniała więc możliwość odwrócenia tej tendencji, w skutkach swych byłaby porównywalna do dobroczynnego wpływu energii Qi.
Ryc. 2. Próba opisania ważnych fizjologicznych i patologicznych procesów jako prostej relacji między nasileniem się oksydacyjnego stresu a czasem. 1 – narodziny (w tym czasie po dziewięciu miesiącach życia płodowego występują już oksydacyjne uszkodzenia), 2 – norma fizjologiczna, 3 – starzenie się, 4 – choroby neurodegeneracyjne, 5 – zapalenie, 6 – niedotlenienie, 7 – zespół „zastygłych narkomanów”, 8 – śmierć.
Rycina 2 pozwala nam również zrozumieć co uczeni Wschodu rozumieją przez powiedzenie, że „człowiek zaczyna umierać z chwilą narodzin”. Narodziny te liczą oni od momentu poczęcia, gdyż już w życiu płodowym zaczynają zachodzić procesy oksydacyjne prowadzące do starzenia się i śmierci. Dzisiaj rozumiemy, że punktem wyjścia starości (na poziomie molekularnym) jest hyperoksja (zbyt duża ilość tlenu w stosunku do zapotrzebowania organizmu). Można sugerować, że korzystne byłoby ograniczenie częstotliwości oddechu u ludzi starych, co od dawna jest znane w medycynie Wschodu jako powiedzenie „kto płytko oddycha ten długo żyje”. Z podrozdziału o przewlekłym stresie oksydacyjnym wynika, że przynajmniej w przypadku chorób neurodegeneracyjnych można zgodzić się ze stwierdzeniem, iż wszystkie choroby rozpoczynają się istotnie na poziomie zakłóconego przepływu energii, a dopiero potem znajdują odzwierciedlenie na poziomie tkanki lub narządu. Zatem różnica między normą a patologią, wynikałaby z różnego stopnia nasilenia zaburzeń przepływu energii, co jest niczym innym, jak odwiecznym postulatem medycyny Wschodu.

* Referat wygłoszony na Pierwszym Światowym Forum Naukowym nt. Etnomedycyna odpowiedzią na potrzeby XXI wieku, które odbyło się w Warszawie, 27 listopada 2004 roku.
Postępy Fitoterapii 1-2/2005
Strona internetowa czasopisma Postępy Fitoterapii