Oksygen – venn eller fiende?

FAG Oversiktsartikkel

Oksygen – venn eller fiende?

Publisert

Endret

Oksygen – venn eller fiende.PDF (432 KB)

Alle aerobe organismer er avhengig av oksygen for effektiv energiproduksjon. Samtidig gir oksygen opphav til reaktive oksygensubstanser (ROS) som er potensielt skadelige for organismen. Dette blir ofte omtalt som oksygenparadokset (1). ROS er en samlebetegnelse for oksygenradikaler (”frie radikaler”) og enkelte ikke-radikale oksygensubstanser. Frie radikaler og oksidativt stress har vært vanlige begreper i medisinsk litteratur i mer enn 40 år. Et søk på PubMed (010210) viser nesten 180 000 publikasjoner når en søker på ”free radicals”, mens ”oxidative stress” gir 12 810 publikasjoner. Allerede i artikkelen ”Experimental liver necrosis. v. the fats and lipoids”, som ble publisert i The Journal of Experimental Medicine i 1907, brukes begrepet radikal om et fettderivat som mulig årsak til levernekrose (2).

Oksidativt stress kan føre til molekylære skader som DNA-mutasjoner og lipid- og proteinoksidering. Dette kan igjen bidra til aldring og aldersrelaterte degenerative sykdommer, fremme kreftutvikling og bidra til inflammatoriske sykdommer (3).

Populærlitteratur og helseprogrammer forteller om ”frie radikaler” som noe man må bekjempe, og dette danner grunnlaget for at det anbefales å spise antioksidantrik mat. For noen år tilbake ble stortingsmeldingen ”Resept for et sunnere Norge” lagt frem, og med utgangspunkt i denne gikk norske myndigheter ut med anbefalinger om å spise ”fem om dagen”. Dette ble også benyttet som slagord i en kampanje støttet av frukt- og grønnsaksbransjen for å få nordmenn til å spise mer frukt og grønnsaker. Kampanjen har slått godt an i befolkningen selv om den også har blitt kritisert blant annet fordi den ikke har forklart hvorfor dette gir helsegevinst. 

Ikke alle radikaler regnes som skadelige og sykdomsfremkallende. Nitrogenmonoksid (.NO) er et radikal som blant annet har den egenskapen at det virker vasodilaterende (blodårene utvides). Det er .NO som er virkestoffet i hjertemedisinen nitroglycerin og i potensmiddelet Viagra. Balansen mellom superoksid (.O2-) og .NO ser ut til å spille en sentral rolle ved utvikling av aterosklerose og sykdommer relatert til prosesser som hjertekrampe (angina pectoris) og hjerteinfarkt (4).

Denne oversiktsartikkelen vil definere noen viktige begreper i denne sammenhengen, hvordan frie radikaler dannes, elimineres og hvordan disse kan påvirke ulike prosesser i kroppen. Artikkelen viser også noe av samspillet mellom radikaler og antioksidanter som i seinere tid har vist seg å være helt nødvendig for viktige cellulære prosesser som cellesignalisering. Artikkelen gir også et kort innblikk i utfordringer med deteksjon av slike forbindelser.

Materiale og metode

Artikkelen er basert på en ikke-systematisk gjennomgang av litteratur funnet ved søk i PubMed med søkeordene ”oxidative stress”, ”ROS”, ”antioxidants” samt egne erfaringer gjennom arbeid med temaene oksidativt stress og iskemisk hjertesykdom (5).

ROS-dannelse

ROS dannes i små mengder under normal metabolisme i alle celletyper. Ulike ROS dannes i stor grad som en kaskade av reaksjoner som starter med produksjon av ˙O2- fra molekylært oksygen via ulike enzymsystemer (figur 1). ˙O2- dismuterer raskt til H2O2, enten spontant eller katalysert av enzymet superoksid dismutase (SOD) som øker reaksjonshastigheten med en faktor på 109 (6). H2O2 har en halveringstid på et par sekunder og dannes i molare konsentrasjoner in vivo. I motsetning til ˙O2-, som er et hydrofilt molekyl, er H2O2 fettløselig med stor rekkevidde og kan passere cellemembraner. Verken ˙O2- eller H2O2 ser ut til å være ekstremt reaktive i seg selv, men begge forbindelsene kan inngå i produksjonen av andre mer potente ROS som hydroksyl (˙OH) og peroksynitritt (ONOO-). I nærvær av reduserte transisjonsmetaller (Fe2+/Cu+) spaltes H2O2 til ˙OH og OH- i en reaksjon kalt for Fentonreaksjonen. Reaksjonen mellom ˙NO og ˙O2- gir opphav til ONOO-. Både ˙OH og ONOO- har ekstremt kort levetid (˙OH har en halveringstid på 10-9 s) og regnes som de mest potente reaktive substansene (ROS/RNS) som forekommer in vivo. De reagerer med alle biomolekyler i umiddelbar nærhet av dannelsesstedet og gir irreversible oksidative skader på lipider i cellemembraner, proteiner (enzymer) og DNA. Det er ingen kjente endogene antioksidante forsvarsmekanismer som tar hånd om disse forbindelsene og det er derfor viktig å hindre dannelse av dem.

Endogene og eksogene forsvarssystemer mot ROS

Antioksidanter eller antioksidantsystemer er en samlebetegnelse på ulike substanser (endogene og eksogene) som er med på å redusere nivået av ROS ved å: 1) hindre dannelse, 2) fjerne allerede dannet ROS – såkalte scavengere, eller 3) reparere allerede skadede molekyler (7, 8).

Endogene, antioksiderende forsvarssystemer er med på å regulere nivået av ROS i kroppen og er av avgjørende betydning for organismens overlevelse. Forsvarsmekanismene varierer i ulike intracellulære og ekstracellulære rom og består av både enzymatiske og ikke-enzymatiske mekanismer (9, 10). En del av disse reaksjonene er vist i figur 1.

Ikke-enzymatiske forsvarsmekanismer
- Vitamin E er en klasse av lipidløselige fenolkomponenter som finnes i cellemembraner og lipoproteiner. De deles inn i subgrupper av tokoferoler (α, β,  og ) og tokotrienoler. α-tokoferol er den vanligste, og den formen av vitamin E som er mest aktiv i mammalske celler. Tokoferoler tar opp uparede elektroner og er viktige hemmere av lipidperoksidering. Dette fører til at de selv blir frie radikaler (tokoferolradikaler), men deres kjemiske struktur gjør dem til mindre reaktive forbindelser enn de opprinnelige. Tokoferol har også evnen til å redusere oksidert jern eller kobber som kan inngå i Fentonreaksjonen, og kan dermed også fungere som en prooksidant (11, 12).

- Askorbinsyre (vitamin C) er en vannløselig antioksidant som har evnen til å fjerne ROS i cytoplasma (reagerer med radikaler og blir selv et mindre reaktivt radikal). Vitamin C reduserer lipidperoksidering både ved å fungere som scavenger for vannløselige radikaler og ved å regenerere oksidert vitamin E sammen med GSH og NADPH (figur 2) (13). Vitamin C kan i likhet med vitamin E være en prooksidant fordi det har evnen til å redusere oksiderte transisjonsmetallioner. Om vitamin E og C fungerer som antioksidant eller prooksidant er avhengig av konsentrasjonen samt tilstedeværelsen av fritt jern (eller kobber) (11).

- Vitamin A er lipidløselige substanser som inkluderer retinol og retinolestere. Retinoler spiller en viktig rolle innen regulering av cellevekst, differensiering og apoptose, og plasmakonsentrasjonen er homeostatisk kontrollert. Retinol og retinolesterens eventuelle antioksidante egenskaper er usikre (14, 15).

- Karotenoider inkluderer en gruppe på mer enn 600 lipidløselige komponenter som forekommer naturlig i frukt og grønnsaker. Mange karotenoider er forløpere til vitamin A, og blir derfor ofte klassifisert innen denne gruppen. De vanligste formene er α- og β-karotenoider. I motsetning til retinolene, er ikke karotenoider underlagt homeostatisk kontroll og plasmanivået reflekterer diettinntaket (14). I likhet med tokoferoler har karotenoider vist seg å virke hemmende på lipidperoksidering (16).

- Glutation (GSH; -glutamyl-cysteinglysin) er en av de viktigste beskyttelsesmekanismene mot ROS. GSH finnes i alle kroppens celler og har til hovedfunksjon å beskytte cellene mot oksidative skader ved å redusere H2O2 og andre peroksider. I prosessen omdannes GSH til dets oksiderte form, glutation disulfid (GSSG). Som følge av at glutation reduktase raskt tilbakedanner redusert glutation, finnes forbindelsen hovedsakelig i redusert form. GSH/GSSG-ratioen i celler har vært mye brukt som et mål på oksidativt stress (17).
- Proteiner som binder til seg transisjonsmetallioner og dermed kan forhindre Fentonreaksjon (for eksempel transferrin, ferritin og albumin) (3, 10, 18).

- Protein-, lipid-, og DNA-reparasjonssystemer som spesifikt reparerer oksidativ skade av slike makromolekyler (19).

- Oksidativt stress stimulerer gjerne antioksiderende mekanismer, inkludert SOD. Dette fører til at oksidativt stress ofte er forbundet med kompensatorisk forhøyede enzymnivåer (20).

ROS som signalmolekyl

Mange av de høyreaktive ROS-typene forekommer hovedsakelig i områder med inflammasjon og der man finner infiltrerende leukocytter, hvor de bidrar til å uskadeliggjøre bakterier, virus og andre skademediatorer. Dette ble lenge oppfattet som den eneste fysiologiskee funksjonen til ROS.

Det har i den senere tid imidlertid blitt stadig tydeligere at ROS også har sentrale roller som regulatorer av et stort antall reversible, biologiske prosesser i så å si alle celler og vev (3, 21, 22). ROS kan blant annet fungere som signalmolekyler (second messenger) for veksthormoner, cytokiner og G-proteinkoblede reseptorer. ROS deltar i reguleringen av ulike transkripsjonsfaktorer, inkludert Nuclear factor κB (NF-κB), c-Jun N-terminal kinase (JNK), NR-E2-related factor (Nrf-2) og påfølgende genekspresjon (se figur 3). Det er også med i reguleringen av transportproteiner og ionekanaler (spesielt K+- og Ca2+-kanaler), immunfunksjoner (blant annet i leukocytter) og i regulering av celleproliferasjon (lave ROS-nivåer er vist å indusere deling og proliferasjon, mens høyere nivåer induserer apoptose (programmert celledød) og eventuelt nekrose) (3, 23).

NF-κB er en sentral transkripsjonsfaktor ved inflammasjon og er som sådan en viktig regulator av ekspresjonen av mange ulike proinflammatoriske proteiner som interleukin (IL)-1 og -8 og TNF-. Nrf-2 ser derimot ut til å være en transkripsjonsfaktor med stor innflytelse på gener som gir opphav til ulike antioksidative produkter, som Gpx og SOD (figur 3). Dette viser også klare sammenhenger mellom oksidativt stress og inflammasjon. Ved en tilfeldighet oppdaget en gruppe hjerteforskere i 1986 at små episoder med iskemi (redusert blodtilførsel) og reperfusjon (reetablering av blodtilførselen) før en lengre iskemi, reduserte infarktstørrelsen (24). Fenomenet kalles prekondisjonering, og det er vist at effekten av prekondisjonering går via aktivering av ROS-relaterte signalveier. Den beskyttende mekanismen induseres ikke bare av iskemi, men også av medikamentelle manipuleringer (25). Mye tyder på at prekondisjonering kan være en av effektene av høyintensiv trening (utholdenhetstrening) hvor nivået av ROS øker. Kroppen responderer med å oppregulere det antioksidante forsvaret, noe som gir en redusert risiko for utvikling av ulike sykdommer som blant annet hjerteinfarkt og kardiovaskulær død. Under trening blir kroppen utsatt for store mengder oksygen og derfor store mengder ROS. Mange studier har vist en økning av blant annet katalase, Gpx og SOD etter slike treningsopplegg (26).

Nivåbasert oksidativt stress hypotese

Som vist i figur 3 ser det ut til å være en nær sammenheng mellom oksidativt stress, inflammasjon og programmert celledød (apoptose). Om det er ROS som fører til inflammasjon eller omvendt, strides det om, men flere av mekanismene bak ROS-dannelse ser ut til å påvirke inflammatoriske prosesser og omvendt. En hypotese om ”Nivåbasert oksidativt stress” ble beskrevet av en amerikansk gruppe og publisert i 2003 (27) (figur 4). Ved normale fysiologiske forhold dannes små mengder med ROS for normal cellesignalisering (nivå 0). Økt dannelse av ROS i moderate mengder setter i gang antioksidative forsvarssystemer som adaptive prosesser ved for eksempel prekondisjonering (nivå 1). Ytterligere skade som overskrider de antioksidante forsvarsmekanismene fører til oksidativt stress og inflammasjon (nivå 2). Ved ytterligere oksidativt stress manifesteres en irreversibel skade og apoptose (nivå 3).

Ny definisjon av oksidativt stress

De molekylære effektene av ROS innen cellesignalisering er først og fremst som modulator i redokssensitive signalveier. Den klassiske definisjonen av oksidativt stress (se forklaring nederst i artikkelen) viser til en ubalanse mellom oksidantproduksjonen og antioksiderende forsvarsmekanismer i cellen (cellens globale redoksstatus). En rekke nyere studier har pekt i retning av at individuelle signalveier kontrolleres av subcellulært avgrensede redokskjeder og at unormal aktivitet kan føre til oksidativ skade uten at det kan registreres endring i den globale redoksbalansen. Dette førte til at D.P. Jones i 2006 fremsatte en alternativ definisjon av oksidativt stress: ”A disruption of redox signalling and control” (28).

Deteksjon av ROS

På grunn av ROS’ flyktige natur er det en stor utfordring å kvantifisere ROS eller oksidativt stress in vivo. I eksperimentelle cellestudier benytter man seg ofte av prober som omdannes til målbare, stabile produkter basert på fargereaksjoner, fluorescens eller kjemiluminescens. Slike prober må være tilstede før ROS dannes og er som regel toksiske. Dette gjør metodene uegnet i kliniske studier.

Det eksisterer kun en teknologi som kan måle ROS direkte og det er ved hjelp av elektron spin resonans (ESR) som detekterer uparede elektroner (analogt til magnetisk resonans (MR) som detekterer protoner). En må imidlertid ofte benytte et eksternt tilført biomolekyl (”spin trap”) som fanger opp de frie elektronene fra radikalet og danner et produkt som kan detekteres. ESR er ikke i rutinemessig, klinisk bruk i Norge i dag, men er å finne på enkelte forskningslaboratorier. Deteksjon av oksidativt stress har derfor for en stor del vært basert på indirekte målinger med deteksjon av ROS-modifiserte biomolekyler, som lipidperoksideringsprodukter (eks. F2-isoprostaner, malondialdehyd (MDA)), DNA-skade (8-hydroxy-2’-deoksyguanosine (8OHdG), Comet-assay) eller proteinderivater (nitrosylerte proteiner). En annen mulighet er å måle nivå av antioksidanter i kroppen før og etter en intervensjon. Her eksisterer det i dag flere kommersielle assay som påberoper seg å måle total antioksidantstatus i kroppen. Dette er metoder som har liten klinisk relevans da de kun måler den vannløselige fraksjonen av antioksidanter som kvantitativt hovedsakelig er albumin og urinsyre (5).

En annen utfordring ved deteksjon av ROS og oksidativt stress er at en er avhengig av å vite når en skal måle. Korte episoder med forhøyet ROS-nivå kan være tilstrekkelig til å sette i gang skadelige kjedereaksjoner. Det vil derfor ikke alltid være mulig å detektere forhøyede ROS-verdier hos pasienter med kroniske sykdommer hvor ROS mistenkes å være en del av patogenesen. Videre aktiverer ROS, som tidligere nevnt, adaptive prosesser. Dette medfører at nivået av antioksidante enzymsystemer ved tilstander som skyldes oksidativt stress, like gjerne kan være forhøyet som lavt avhengig av hvor i sykdomsprosessen en er. Barry Halliwell, en av guruene innen fagfeltet, har gitt en oppsummering av hva som vil være den ideelle biomarkør for oksidativ skade. Den er gjengitt i en litt omskrevet versjon i tabell 1. Til dags dato eksisterer det ingen metode som oppfyller kjernekriterium A. Halliwell mener imidlertid selv at deteksjon av F2-isoprostaner ligger nærmest (29).

Konklusjon

ROS dannes under normal fysiologi og har sin funksjon innen normal cellesignalisering. Oksidativt stress fører til oksidative skader på biomolekyler som sees ved blant annet aldring og ved en rekke sykdommer. Påvisning av ROS er en utfordring ikke minst på grunn av lite stabile endeprodukter. Som følge av kroppens adaptive mekanismer er det ikke alltid lett å overføre cellestudier til klinikken. Om tilførte antioksidanter er veien å gå for å hindre sykdom eller forlenge livet på andre måter gjenstår å se. ”All aspects of aerobic life involve free radicals and antioxidants – you cannot escape them, nor should you wish to” (30).

Stikkord:

Antioksidanter, Celler, DNA, Ernæring