A szabad gyökök esete a "jó halállal" a csontokban

     Az előző blogbejegyzésben tett ígéretemnek megfelelően itt szeretném ismertetni, miért is lehetnek fontosak a szabad gyökök/reaktív intermedierek a csontjaink fejlődésében. A csontjainkat sokan mint egyszerű, sok érdekességet nem rejtegető, statikus szerveknek képzelik. Hogy ez mennyire távol áll az igazságtól, az leginkább akkor mutatkozik meg, amikor egy csont eltörik, vagy megváltozik a csontra eső terhelés. Ilyenkor működésbe lépnek azok a sejtek, melyeknek a csontok kialakulásában is szerepe van, és új csontszövet építésével segítik a csonttörések gyógyulását, illetve a csontok alkalmazkodását a megváltozott terheléshez. (Arról itt terjedelmi okokból nem lesz szó, hogy a mérleg másik serpenyőjében persze ott vannak a csontszövetet egyidejűleg lebontó sejtek is, melyek úgyszintén fontosak az új, illetve a megváltozott terheléshez idomuló csontok kialakításához.). Az új csontszövet építésének egyik legfontosabb őssejtje az ún. mezenchimális őssejt, melyek - megfelelő körülmények között - csontsejtekké differenciálódnak. Ezt az átalakulást kísérletes körülmények között az is mutatja, hogy a sejtek elkezdik termelni a csontok sejtközötti állományára jellemző fehérjéket, és kalciumsókat is leraknak ebbe a mátrixállományba. Ez utóbbi folyamatot mineralizációnak nevezzük. Kísérleti eredményeink azt jelzik, hogy a differenciációnak indult sejtek szabad gyököket termelnek, és ezeknek a semlegesítése (antioxidánsokkal) gátolja a csontosodás folyamatát. Igazoltuk azt is, hogy a differenciáció során termelődő szabad gyökök DNS törést okoznak, beindítják a DNS hibajavítási mechanizmusokat (pl. aktiválják a DNS törés helyét egy biopolimerrel megjelölő enzimeket), és végeredményben sejthalálhoz vezetnek. 

     Ezen a helyen jó esély kínálkozik az "ellendrukkereknek" arra, hogy felkiáltsanak: "Ugye megmondtam, hogy a szabad gyökök termelése bajt jelent?". A helyzet az, hogy nem egészen. A csontokban a sejtek természetes sorsa a pusztulás: a differenciáció végén a sejtek több mint 80%-a elpusztul, és anyagaik (többek között az általunk a sejtdifferenciációban kimutatott, a DNS hibák megjelölésére szolgáló biopolimerek) beépülnek a csontokba, és a kalcium kötésében játszhatnak szerepet. 

     Ez a történet szépen példázza, hogy mind a szabad gyökök termelődése, mind a sejthalál lehet élettani folyamat, és nem feltétlenül azonosítható kóros elváltozásokkal.

Szabad gyökök a csontban: jó ez nekünk?

Egy pár éve érdeklődésünk a sejtek differenciációjának tanulmányozása felé fordult. Ehhez egy felnőtt típusú őssejtet, az ún. mesenchimális őssejteket választottuk modellként. Ezek a sejtek főleg abban különböznek a nagy publicitást kapott embrionális őssejtektől, hogy - velük szemben - már nem képesek létrehozni a szervezetünk bármelyik sejttípusát, csupán néhányat ezek közül. Jelesül főleg porc, csont és zsírsejtekké tudnak differenciálódni.
Sikerült is ilyen sejteket izolálnunk méhlepényből, és elsőként a csontsejt irányú differenciációt kezdtük rajtuk tanulmányozni. Ennek során azt tapasztaltunk, hogy a csontirányú differenciáció során ezek az őssejtek szabad gyököket termelnek, és - meglepő módon - ezek a gyökök segítik a csontirányú differenciáció folyamatát. Ezzel egy újabb élettani (és nem "pusztító") szerepet rendelni a sokak által kárhoztatott szebad gyökökhöz. Hogy pontosan milyen módon segítik ezek a gyökök a csontosodást, arról a következő bejegyzésben számolok be.

Gyilkos vagy áldozat?

Az előző bejegyzésben röviden ismertettem a kutatásaink középpontjában álló biokémiai reakciót, a PARilációt, melynek egyik - általunk is vizsgált - biológiai szerepe a sejthalálhoz kapcsolódik. Érdekes módon a PARiláció egyrészt segíthet megvédeni a sejteket a sejthaláltól, másrészt játszhatja a kivégző osztag szerepét is. Ennek a kettősségnek a megértése első hallásra problémásnak tűnhet, de végül is magyarázható. Arról van szó, hogy enyhe DNS károsodás esetén a PARiláció a sérülés helyének megjelölésével, és a hibajavító rendszer célrairányításával elősegíti a károsodott DNS javítását, és ennek révén a sejt túlélését eredményezi. Ha viszont javíthatatlanúl súlyos károsodást szenvedett a DNS, akkor a PAR polimer képződése több útvonalon is a sejt elpusztításához vezet. Ezek az útvonalak a következők:
1. A PAR polimer szintézisének alapanyaga egy NAD nevű vegyület, amely a sejtek energiatermelő folyamataiban fontos szerepet játszik. Intenzív PARiláció olyan alacsony szintre csökkentheti a NAD mennyiségét a sejtben, hogy ez elégtelen energiaellátáshoz vezet.
2. A sejtek energiaellátásában a cukrok bontása (glikolízis) kulcs-szerepet játszik. A glikolízis egyik fontos lépését katalizáló enzim PARilálódva gátlás alá kerül, így a glikolízis erősen lassul és romlik a sejtek energiaellátása.
3. A PAR molekula a sejtmagból kijutva a mitokondriumok felé veheti az irányt, ahonnan kiszabadítja az egyik sejthalálútvonalat beindító fehérjét (AIF= apoptózist indukáló faktor).

A címben feltett kérdésre visszatérve tehát a helyes válasz: gyilkos ÉS áldozat szerepét is játszhatja a PARiláció a sejtekben. Amíg a károsodás javítható, addig a sejt túlélését eredményezi, de mihelyst túllépi a javíthatósági küszöböt a sérülés mértéke, a PARiláció a sejt elpusztításához vezet. Ez a szervezet szempontjából "racionális" szabályozás, hiszen az intenzív, nem javítható DNS károsodás akár daganatképződést is eredményezhetne, ha a sejt megváltozott DNS-sel túlélne, amit a PARilációs sejthalál megelőzhet.

És mi mit kutatunk a szabadgyökökkel kapcsolatban?

VIGYÁZAT! AZ ALÁBBI SZÖVEGBEN A NYUGALOM MEGZAVARÁSÁRA ALKALMAS KIFEJEZÉS IS SZEREPEL!

A blog témájának választása valószínűsíthette a kedves olvasó számára, hogy a blog szerzője is szabadgyökökkel fertőzött környezetben tengeti szakmai hétköznapjait. A feltevés helyes, hiszen már orvostanhallgatóként egy olyan munkacsoporthoz csatlakoztam, mely Imre Sándor tanár úr vezetésével a szabadgyökök szerepét vizsgálta egyszerű, biokémiai "öregedés" modellben, és kapcsolatom a gyökökkel azóta sem szakadt meg.
Az általam vezetett munkacsoport a Debreceni Egyetem Általános Orvostudományi Karának Orvosi Vegytani Intézetében a poli-ADP-riboziláció (PARiláció)  biológiai szerepét tanulmányozza. Amikor egy szövegben először írom le  a poli-ADP-riboziláció kifejezést, az még a szakmai közönség részére is vízválasztó szokott lenni: ezotérikus hangzása miatt többnyire ez az a pont, ahol legtöbben befejezik az olvasást. Ha valaki e figyelmeztetés ellenére tovább olvasna, azt megnyugtatom, hogy a PARiláció csupán a fehérjemódosítások egyik formája, melynek révén a fehérjék funkciója ki- vagy bekapcsolható. A kísérleteink középpontjában az alábbi folyamatsor áll:

1. Szabadgyökök termelődése.
2. A szabadgyökök a DNS-ben töréseket okoznak.
3. A PARilációra képes enzimek felismerik a DNS-ben keletkezett töréseket, és hatásukra aktiválódnak.
4. Az aktiválódott enzimek PARilációs módosítást hajtanak végre a DNS törés környékén található fehérjéken, és ezzel jeleznek a DNS hibajavító apparátusának, hogy ezen a helyen teendőjük van.
5. A DNS törést a hibajavító rendszer "befoltozza".

Hogy ez a folyamatsor milyen jelentőséggel bír, és miért lehet fontos az orvostudományban, erről a következő bejegyzésekben írok részletesebben.

Dohányzóknak répastop?

Az utóbbi két blogbejegyzéssel elkezdett sorozatot folytatom, melynek lényege, hogy a
SZABADGYÖK=ROSSZ és az ANTIOXIDÁNS= ÖRÖK ÉLET paradigma helytelenségét szeretném példákkal megvilágítani. Korábban arról írtam, hogy a testmozgás kedvező élettani hatásainak kialakulásához nélkülözhetetlenek a szabadgyökök, és bizony ebbe a folyamatba az antioxidánsok nem a "jó oldalon" kapcsolódnak be. Legutóbb a nagy karriert befutott szabadgyök, a nitrogén monoxid példáján mutattam be, milyen sokoldalúan használja a szervezetünk ezt a gyököt értágításra, idegsejtek közötti kommunikációra és kórokozók elpusztítására. A mai bejegyzésben egy a daganatkutatás területéről vett példával szeretném hangsúlyozni, hogy a szabadgyökök és antioxidánsok szerepe itt sem fekete vagy fehér.
Epidemiológiai vizsgálatokban kimutatták, hogy a sárgarépa és a sütőtök szép piros pigmentje, az antioxidánsként is ismert béta-karotin, csakúgy mint sok más antioxidáns nem rendelkezik rákmegelőző hatással. Ettől talán kevesen riadnak fel délutáni szunyókálásukból, az a felismerés viszont már nagy visszhangot váltott ki, hogy dohányosokban a béta-karotin fokozta a tüdőrák kialakulását. A jelenség mechanizmusa a mai napig nem teljesen tisztázott, de utóvizsgálatokból az is kiderült, hogy a táplálkozással bevitt béta-karotin mennyiségek esetén nem kell számolni a rákkockázat fokozódásával még dohányosokban sem.
Ez a történet - véleményem szerint - több tanulsággal is szolgál:

1. A tudományban a dolgok nem feketék vagy fehérek, ezért célszerű kerülni a leegyszerűsítő megfogalmazásokat.
2. Ha egy - akár természetes, akár mesterséges - anyag hatásairól beszélünk, akkor fel kell tenni a mennyi? kiben? mikor? kezdetű kérdéseket is, hogy pontosítsuk kijelentéseinket.
3. Egy természetben előforduló, és például a táplálékkal bevitt anyag hatása nem feltétlenül azonos a kapszulázott anyagéval, mert más koncentráció-tartomány érhető el vele, és a táplálkozás során több más, potenciálisan biológiai hatással rendelkező anyag kombinációjában kerülnek a bioaktív molekulák a szervezetünkbe.

A címben feltett kérdésre visszatérve tehát "Dohányzóknak répastop?" a válasz: semmi nem indokolja, rágcsálják nyugodtan, de béta karotin tartalmú kiegészítők szedését nem ajánlanám.

A kipufogógáz, a csendes gyilkos és a záptojás, avagy mi köze Alfred Nobelnek a szabad gyökökhöz?

     Folytassuk egy kicsit a szabad gyökök magasztalását. Az előző blogbejegyzésből kiderült, hogy nemcsak szövetkárosító, hanem kedvező hatásaik is vannak, például az edzés jótékony hatásainak érvényre juttatásában. A mai példámat egy még alapvetőbb élettani funkció, az értónus szabályozásának tárgyköréből választottam. Az erek szűkülése és tágulása a vérnyomás és az egyes szervek vérellátását szabályozó, egyik legfontosabb élettani működése az emberi szervezetnek. A 80-as években Furchgott, Ignarro és Murad kísérleteiből kiderült, hogy egy egyszerű két atomból álló szabadgyök a nitrogén monoxid (NO^.) termelődik az érfalban és felelős az egyik fontos értágító mechanizmus működéséért. A felfedezés hatalmas visszhangot váltott ki nemcsak tudományos értéke miatt, hanem azért is, mert a nitrogén monoxid addig csupán a kipufogógáz egyik toxikus összetevőjeként volt ismert. Másrészt a pusztítóként ismert szabad gyökökről nemigen tételezte fel senki, hogy egy ilyen finoman szabályozott, alapvető élettani funkcióban jelátviteli szereppel bírhatnak. Harmadrészt az is hozzájárult a tudományos közvélemény megrökönyödéséhez, hogy az NO egy gáz, és gázokról pedig végképp nem feltételezték, hogy a szervezeten belül jelátviteli, szabályozó szereppel bírhatnak. [Azóta két újabb meglepő, bár nem szabadgyök természetű taggal bővült az élettani szereppel bíró, gáznemű mediátorok családja: a csendes gyilkosként ismert szén-monoxidról (CO) és a záptojás „illatát” okozó kénhidrogénről (H2S) is lehullott a lepel: termelődnek szervezetünkben, és fontos élettani szerepek rendelhetőek hozzájuk.]

     A három fent említett kutató 1998-ban átvette megérdemelt orvosi Nobel-díját, de talán ők sem látták előre a nitrogén monoxid későbbi  diadalútját, melyben olyan - egymástól távol eső - biológiai jelenségekben derült ki a NO^. szabályozó szerepe, mint a falósejtek mikrobaölő funkciója, a memória és a(z) (im)potencia. Valószínűleg a vagyonát a nitroglicerin tartalmú dinamit gyártásával megszerző Alfred Nobel sem gondolta, hogy kezelőorvosa - a sors iróniájaként - egyszer majd nitroglicerin tablettát ír fel neki szívbetegségének kezelésére (a gyógyszer bevételét Nobel visszautasította). A nitroglicerin értágító hatása akkor már jó ideje ismert volt, de csak az 1980-as évek fent ismertetett kutatásai derítették ki, hogy a szervezetben nitrogén monoxid szabadul fel belőle, és ez felelős a szer hatásáért. Hogy Viagrára szüksége lett volna Nobelnek, arról nincs információnk, de e mágikus kék piluláról is érdemes tudni, hogy az NO^. hatását fokozva "emeli férfitársaim önbecsülését".

     A toxikus szabad gyököktől immár eljutottunk a gyógyszerként használt szabad gyökökig visszaigazolva az ősi megfigyelést: ami nagy mennyiségben méreg, kis mennyiségben lehet gyógyszer.

Szaladjunk-e a patikába vitaminokért?

Legutóbbi bejegyzésemben részleteket ígértem az antioxidánsok hasznosságáról illetve lehetséges káros hatásairól. Ez a megközelítés igen leegyszerűsítő (s mint ilyen a tudományos közlésekben kerülendő), de most az egyszerűség kedvéért mégis így próbálom ezt a kérdést megvilágítani.

A címbeli kérdésfeltevés arra utal, hogy vitaminjaink jó része (A, C és E vitaminok) ismert antioxidáns molekula, tehát semlegesíteni képesek a szabad gyökök/reaktív intermedierek sejt- és szövetkárosító hatásait. Tehát a kérdés (Szaladjunk-e a patikába vitaminokért?) úgy is feltehetó, hogy szedjünk-e antioxidánsokat betegségek megelőzésére?

A válaszom a kérdésre az, hogy IGEN, szaladjunk, mert amíg a „szaladgálás” (a rendszeres testmozgás) jótékony hatásai közismertek, és tudományosan alátámasztottak, addig ugyanez nem mondható el az antioxidánsokról, köztük az antioxidáns hatású vitaminokról sem. Tehát szaladjunk, de NE a patikába vagy drogériába siessünk antioxidáns vitaminokért, mert azok akár semlegesíthetik is a testmozgás jótékony hatásait.

De hogy is van ez? A rendszeres testmozgás egészségre gyakorolt kedvező hatásai jól dokumentáltak. Hatására javul a sejtek cukorfelvétele, felgyorsul a sejtek anyagcseréje, csökken az inzulinrezisztencia, nő az izomtömeg és (Norbival szólva) ég a zsír. Ezek – csakúgy mint a testmozgás élettartamot meghosszabbító hatása - régóta ismert tudományos tények, de az a felismerés viszonylag új, hogy a sokat kárhoztatott szabad gyökök/reaktív intermedierek nélkülözhetetlenek e kedvező hatások kifejlődésében. Az egyik legmeggyőzőbb tanulmány az Egyesült Államok Tudományos Akadémiájának lapjában a PNAS-ben jelent meg. A közlemény német és amerikai szerzői mind edzett, mind edzetlen felnőtt önkéntes férfiakat vizsgálva azt tapasztalták, hogy C-vitamin és  E vitamin kombinációja megakadályozta, hogy a rendszeres testmozgás kedvező anyagcserehatásai kialakuljanak. Nagyon hasonló következtetésre jutott egy norvég kutatócsoportis, így egyre inkább bizonyítottnak tűnik, hogy az edzés során fokozottan termelődő szabad gyököknek fontos szerepük van az edzettség kialakulásában, a szervezet fokozott fizikai terheléshez történő adaptációjában.

A következő blogbejegyzésben a szabad gyökök további baráti (és nem ellenséges) élettani szerepét szeretném bemutatni.