Biologiczne działanie wodoru. Część 1

Na rynku mamy dwa rodzaje urządzeń do produkcji wodoru molekularnego. Jedne to wykorzystujące membrany jonowo-protonowe, dające niemal czysty 100% wodór molekularny, a drugie to oparte o elektrolizę i elektrolit, dające mieszaninę wodoru objętościowo 66% i tlenu objętościowo 33% (gaz Browna w skrócie HHO). Te drugie muszą być wyposażone w odpowiednie filtry oczyszczające gaz z oparów elektrolitu.

TLEN – powszechnie występujący na Ziemi pierwiastek, choć jest niezbędny do utrzymania funkcji życiowych, to paradoksalnie ze względu na wysoką reaktywność powstających z niego form, może także wykazywać szkodliwy wpływ na życie komórek. Wśród najważniejszych ROS wymienia się m.in. anionorodnik ponadtlenkowy (O2•-), nadtlenek wodoru (H2O2), rodnik hydroksylowy (OH•) oraz tlen singletowy (1O2). W przeszłości wykazano, że reaktywne formy tlenu i azotu (RONS) powodują uszkodzenia oksydacyjne biomolekuł, przyczyniając się do rozwoju różnych chorób. Jednak ostatnie dowody sugerują, że wewnątrzkomórkowe RONS są ważnym składnikiem kaskad sygnalizacji wewnątrzkomórkowej. Krytyczne rozpatrzenie literatury ujawnia, że szkodliwe skutki nie pojawiają się, jeśli w układzie biologicznym występuje tylko jeden pierwotny rodzaj (rodnik ponadtlenkowy, tlenek azotu), nawet w wysokich stężeniach. Warunkiem szkodliwych efektów jest tworzenie się wysoce reak- tywnych form wtórnych (rodnik hydroksylowy, peroksyazotyn), pojawiających się wyłącznie w reakcji z innym pierwiastkiem lub metalem przejściowym. Gatunki wtórne są toksyczne, nie są dobrze kontrolowane, powodując nieodwracalne uszkodzenia wszystkich klas biomolekuł. W przeciwieństwie do tego pierwotne RONS są dobrze kontrolowane (dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza – endogenne antyoksydanty), a ich reakcje z biocząsteczkami są odwracalne, co czyni je idealnymi do fizjologicznej/patofizjologicznej sygnalizacji wewnątrzkomórkowej. Wychodzimy z założenia, że to, czy RON ma działanie przewodzące lub uszkadzające sygnał, określa się przede wszystkim ich jakością, będąc pierwotnym lub wtórnym RON, a dopiero w drugiej kolejności ich ilością. Ich reakcje z biocząsteczkami są odwracalne, co czyni je idealnymi do fizjologicznej/patofizjologicznej sygnalizacji wewnątrzkomórkowej. Uważa się, że stres oksydacyjny znacząco przyczynia się do rozwoju wielu chorób, zwłaszcza związanych z wiekiem. Jednak coraz więcej dowodów sugeruje, że wewnątrzkomórkowe wytwarzanie RONS jest ważnym elementem wewnątrzkomórkowych kaskad sygnalizacyjnych, regulujących kilka funkcji fizjologicznych, takich jak regulacja napięcia naczyniowego, synteza insuliny, aktywacja czynnika indukowanego hipoksją (HIF), proliferacja komórek, różnicowanie i migracja. Wielkiego przełomu w dziedzinie biologii rodników dokonał Irvin Fridovich, który w 1968 roku odkrył dysmutazę ponadtlenkową (SOD), specyficzny enzym katalizujący przemianę O2• − w H2O2. Kilka lat później Chance i współautorzy donieśli, że mitochondria są kluczowym generatorem O2•− w komórkach. Te dwa odkrycia są kluczowe, gdyż pokazują, że wolne rodniki z jednej strony są wytwarzane w układach biologicznych, z drugiej zaś istnieje mechanizm enzymatyczny regulujący ich stężenie.

WODÓR MOLEKULARNY wykazuje efekt przeciwutleniający, czyli powoduje neutralizację rodników tlenowych ROS. Wodór atomowy jest najprostszym rodnikiem.

Ale jak to się dzieje? Czy H2 redukuje wszystkie rodniki? Jeśli nie, to dlaczego? Czy należy redukować wszystkie rodniki?

Brak równowagi między ROS a układem antyoksydacyjnym powoduje stres oksydacyjny, który jest uważany za wspólny początkowy etap wielu procesów patologicznych. W grupie ROS są anion ponadtlenkowy (O2∙−), rodniki hydroksylowe (•OH), peroksylowe (RO2•), alkoksylowe (RO•) i tlenek azotu (NO•), a pochodzą one głównie z oddychania mitochondrialnego, oksydazy NADH/ NADPH lub oksydoreduktazy ksantynowej. Kiedy dochodzi do uszkodzenia komórki, fosforylacja oksydacyjna i transport elektronów w mitochondriach są zablokowane, a elektrony wyciekają, aby wytworzyć nadmiar ROS. Z jednej strony nadprodukcja ROS powoduje uszkodzenie błony komórkowej lub błony organelli. Następnie lipidy są odłączane od błony i dalej nadtlenkiem, aby wytworzyć kwas arachidonowy i leukotrieny, które przyczyniają się do bólu zapalnego. Ponadto ROS wytwarzane przez neutrofile i makrofagi mogą atakować patogeny, co może uszkadzać strukturę mitochondriów i jądra prawidłowych komórek, a następnie prowadzić do inicjacji apoptozy. Nie ma znanego enzymu zajmującego się konkretnie •OH, ponieważ •OH nieselektywnie reaguje natychmiast z najbliższymi nukleofilowymi biocząsteczkami. H2 jest nowym rodzajem reduktora, który może przenikać przez błonę komórkową i neutralizować cząsteczki uszkadzające organizm •OH i ONOO w strukturze komórkowej. H2 prawie bez wpływu na O2 oraz H2O2 utrzymuje funkcje fizjologiczne i stabilność środowiska wewnętrznego. Bezpośrednie zmiatanie rodnika hydroksylowego zgodnie z reakcją chemiczną H2 + •OH → H2O + H•, a następnie H• +O2−→HO2− został uznany za potencjalny sposób działania. Już w 2001 r. Gharib i in. stwierdzili, że H2 może zwiększać aktywność dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) i zmniejszać poziom nadtlenku malonodialdehydu (MDA) nadtlenku lipidów w modelu zapalenia wątroby związanego ze schistosomatozą. W 2007 roku Ohsawa i in. opisali jego ochronne działanie przeciw reperfuzyjnemu uszkodzeniu oksydacyjnemu in vitro i in vivo. Wykazali potencjał ochronny H2 przed uszkodzeniem I/R, gdzie H2 zmniejszał stres oksydacyjny i usuwał •OH i ONOO−, działając jako donor elektronów dla cząsteczek ROS. Bezpośredni efekt wymiatania ROS przez H2 został potwierdzony tylko w eksperymencie bezkomórkowym. Regulując ich stężenie, cząsteczki H2 zapobiegają również wytwarzaniu rodników hydroksylowych, ponieważ mogą one zostać przekształcone w rodniki •OH w reakcji Habera-Weissa i Fentona w obecności katalitycznie aktywnych metali, takich jak Fe 2+ i Cu + .

Co więcej, biologiczne i przeciwutleniające działanie H2 pozostaje nawet po usunięciu H2 z organizmu, szczególnie w niskim stężeniu, co sugeruje, że mechanizm może mieć więcej wspólnego z modulacją sygnału antyoksydacyjnego niż bezpośrednie wychwytywanie wolnych rodników. Przeniesienie czynnika erytroid-2 związanego z czynnikiem jądrowym 2 (Nrf2) do jądra może prowadzić do regulacji ekspresji genów zaangażowanych w systemy obronne przed stresem oksydacyjnym. Badania wykazały, że zgłębnik z solą fizjologiczną bogaty w H2 może poprawić objawy eksperymentalnego autoimmunologicznego zapalenia mózgu i rdzenia (EAE) u myszy, poprzez aktywację ścieżki sygnałowej Nrf2-ARE. Ponadto H2 znacznie zmniejsza wewnątrzkomórkowe ROS poprzez regulację w górę transkrypcji Nrf2, aby promować ekspresję SOD i glutationu (GSH) oraz zmniejszać ekspresję oksydazy NADPH. H2 może chronić komórki przed śmiercią komórkową poprzez blokowanie nieprawidłowego utleniania fosfolipidów, zmniejszając wzrost przepuszczalności błony komórkowej, a tym samym blokowanie peroksydacji lipidów, może być kolejnym ważnym mechanizmem antyoksydacji H2. Nieoczekiwanie, ostatnie godne uwagi badania sugerowały, że nadmierne przeciwutleniacze zwiększają śmiertelność z powodu raka i chorób sercowo-naczyniowych. Oczekuje się, że idealny przeciwutleniacz łagodzi nadmierny stres oksydacyjny, ale nie zaburza homeostazy redoks. H2 może być idealnym przeciwutleniaczem, dzięki szybkiej dyfuzji do komórek przez krążenie krwi.

Oprócz neutralizacji stresu oksydacyjnego H2, skupiono się na procesach poprzedzających dysfunkcję łańcucha transportu elektronów, co jest pierwszym etapem mitochondrialnego stresu oksydacyjnego. Mitochondria są ogólnie nazywane elektrowniami komórkowymi, ponieważ wytwarzają 90% energii w postaci ATP. Proces ten opiera się na fosforylacji oksydacyjnej i towarzyszy generowaniu ROS poprzez przeniesienie elektronów do przodu i do tyłu. H2 poprawia dysfunkcję mitochondriów, zapobiegając niekontrolowanemu wyciekowi elektronów z łańcucha transportu elektronów i przewiduje się, że ma potencjalną zdolność do regeneracji dysfunkcji komórek.

Wrażliwy na ATP kanał K+ (mK ATP), który jest ważnym uczestnikiem regulacji energii, znajduje się na mitochondriach. W przypadku ostrego zawału mięśnia sercowego, gaz H2 może aktywować mK ATP i regulować potencjał błony mitochondrialnej w celu zrównoważenia poziomu NAD+ mięśnia sercowego (prekursora syntezy ATP) i produkcji mitochondrial- nego ATP, łagodząc w ten sposób uszkodzenie I/R mięśnia sercowego.

Koenzym Q (CoQ) jest kluczowym składnikiem mitochondrialnego łańcucha przenoszenia elektronów. Dominującą formą jest CoQ10 u ludzi, a CoQ9 u szczurów. CoQ przyjmuje elektrony z Kompleksu I i Kompleksu II i przenosi się do Kompleksu III, co przyczynia się do generowania NAD+, prekursora do produkcji ATP i siły napędowej protonów do produkcji ATP (Gutierrez-Mariscal i in. 2020). Po podaniu H2 stężenie CoQ9 w osoczu i tkance mięśnia sercowego szczurów było znacznie zwiększone. Ponadto zwiększony CoQ9 poprawia produkcję ATP poprzez mitochondrialną fosforylację oksydacyjną (Gvozdjakova i wsp. 2020). Sugerowano, że gaz zwiększa skuteczność kliniczną Niwolumabu poprzez zwiększenie CoQ10 mitochondriów w celu przywrócenia wyczerpanych limfocytów T CD8+ (Akagi i Baba, 2020). Dlatego uważamy, że H2 może chronić przed uszkodzeniem komórek, poprzez poprawę funkcji mitochondriów. Oczekuje się, że poprawa dysfunkcji mitochondriów poprawi również zaburzoną transdukcję sygnału, która wpływa na proces śmierci komórkowej, taką jak aktywność Bax i kaspazy.

Mitofagia odgrywa ważną rolę w utrzymaniu homeostazy mitochondriów poprzez eliminację uszkodzonych lub dysfunkcyjnych mitochondriów. Białko 1 zawierające domenę Fun 14 (Fundc1) jest jednym z receptorów mitofagicznych zlokalizowanych na zewnętrznej błonie mitochondrium, który może utrzymywać równowagę mitochondrialnego ATP poprzez regulację mitofagii i interakcję z LC3 II. Podawanie 2% H2 przez 3 godziny promowało mitofagię, indukowaną Fundc1 i chroniło myszy przed uszkodzeniem wątroby, wywołanym sepsą. Ponadto H2 wywiera działanie neuroprotekcyjne na uszkodzenia neuronów u szczurów związanych z niedoborem tlenu/glukozy, a wzrastająca ekspresja czynników związanych z mitofagią, PINK1 i Parkin, wskazuje, że H2 jest korzystny dla wytwarzania ATP poprzez promowanie autofagii mitochondrialnej. Badania nad sepsą na zwierzętach wykazały, że dysfunkcja mitochondriów może obniżać poziom energii komórkowej, powodując niewydolność wielonarządową związaną z sepsą. Na przykład w tkankach mięśnia sercowego leczenie H2 usuwało ROS poprzez regulację w górę oksygenazy hemowej-1 (HO-1, znanej jako białko szoku cieplnego 32) w celu ochrony związanego z sepsą uszkodzenia wielu narządów w sposób zależny od HO-1/ Nrf2.

Uszkodzenie mitochondriów wywołane nadmiernym ROS jest ważną przyczyną wielu chorób neurodegeneracyjnych.

W następnym numerze opiszę: działanie przeciwzapalne H2 oraz regulowanie śmierci komórek – apoptozę i autofagię. W trzeciej części – pirolizę oraz mechanizmy i perspektywy H2 dla COVID-19.

ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/ PMC4496681/ frontiersin.org/articles/10.3389/ fphys.2021.789507/full szkolnictwo.pl/szukaj,mitochondria