Antyoksydanty — klasyfikacja i mechanizmy działania

1. Profil zagadnienia

1.1. Definicja

Klasyczna definicja Barry’ego Hallwella i Johna Gutteridge’a: antyoksydant (przeciwutleniacz) to substancja obecna w niewielkim stężeniu w porównaniu z substratem utlenianym, która istotnie opóźnia lub hamuje utlenianie tego substratu.

Współcześnie definicję rozszerza się o związki, które nie reagują z utleniaczami bezpośrednio, lecz wzmacniają obronę endogenną — na przykład przez aktywację czynnika Nrf2 [1].

Termin ten bywa jednak nadużywany. Przypisanie substancji „aktywności antyoksydacyjnej” w probówce nie oznacza, że wykaże ją w organizmie: decyduje biodostępność, metabolizm, stężenie osiągane w tkance docelowej i to, czy związek dociera do miejsca, w którym powstaje utleniacz.

1.2. Rys historyczny

Pierwotnie terminem „antyoksydant” określano substancje zapobiegające jełczeniu tłuszczów w przemyśle spożywczym. Do biologii pojęcie weszło wraz z rodnikową teorią starzenia Harmana (1956) i odkryciem dysmutazy ponadtlenkowej (1969). Lata osiemdziesiąte i dziewięćdziesiąte przyniosły falę badań obserwacyjnych sugerujących ochronne działanie diety bogatej w witaminy antyoksydacyjne. Przeprowadzone następnie badania świadczą o tym, że efekt nie jest jednoznaczny — i to właśnie ta rozbieżność ukształtowała współczesne, ostrożniejsze rozumienie zagadnienia aktywności antyoksydacyjnej.

2. Klasyfikacja i mechanizmy

2.1. Podział według pochodzenia

Antyoksydanty endogenne — enzymatyczne

Antyoksydanty endogenne — niskocząsteczkowe: Glutation [7] · koenzym Q10 · kwas moczowy (główny składnik zdolności antyoksydacyjnej osocza) · bilirubina · melatonina · kwas alfa-liponowy · karnozyna · metalotioneiny

Antyoksydanty egzogenne — pochodzące z diety: Witamina C · witamina E (tokoferole i tokotrienole) · karotenoidy (beta-karoten, likopen, luteina, zeaksantyna, astaksantyna) · polifenole (flawonoidy, stilbeny, kwasy fenolowe) · związki siarkowe warzyw cebulowych · izotiocyjaniany warzyw krzyżowych

2.2. Podział według mechanizmu — najważniejszy praktycznie

A. Zmiatacze bezpośrednie (łańcuchoprzerywające). Reagują z rodnikiem, oddając mu atom wodoru lub elektron, przez co same stają się rodnikiem — jednak o reaktywności na tyle niskiej, że reakcja łańcuchowa zostaje przerwana. Podział ról między nimi wynika z rozpuszczalności: witamina E działa w błonach, witamina C w fazie wodnej, a karotenoidy wygaszają przede wszystkim tlen singletowy. Zasadnicze ograniczenie tej grupy polega na tym, że działa ona stechiometrycznie — jedna cząsteczka neutralizuje jeden rodnik i ulega zużyciu, więc skuteczność zależy zarówno od dawki, jak i od sprawności regeneracji opisanej w sekcji 2.3. Właśnie ta cecha odróżnia zmiatacze od enzymów i induktorów, a jej pominięcie stoi za większością nietrafionych oczekiwań wobec suplementacji.

B. Chelatory metali przejściowych. Wiążą wolne żelazo i miedź, uniemożliwiając reakcję Fentona, w której z nadtlenku wodoru powstaje rodnik hydroksylowy. Przykłady: kwas fitynowy, kwercetyna, kwas alfa-liponowy, laktoferyna, endogenna ferrytyna i transferyna. Mechanizm ten jest zapobiegawczy — usuwa katalizator, zamiast neutralizować produkt.

C. Enzymy rozkładające nadtlenki. Działają katalitycznie — jedna cząsteczka enzymu przetwarza tysiące cząsteczek substratu i nie zużywa się. To zasadnicza przewaga tej grupy związków nad zmiataczami.

D. Induktory obrony endogennej (mechanizm pośredni). Nie reagują z utleniaczami. Modyfikują cysteiny białka Keap1, uwalniając czynnik Nrf2, który uruchamia ekspresję kilkuset genów obronnych — w tym enzymów z punktu C. Przykłady: sulforafan z warzyw krzyżowych, kurkumina, resweratrol, EGCG. Paradoksalnie są to związki o działaniu łagodnieprooksydacyjnym, a zatem nasilają utlenianie, choć w małym stopniu. Ich korzystny efekt to przykład zjawiska znanego jako hormeza — słaby bodziec stresowy wywołujący silną odpowiedź adaptacyjną. Działają katalitycznie i długotrwale, w przeciwieństwie do zmiataczy.

E. Antyoksydanty naprawcze. Nie zapobiegają utlenieniu, lecz usuwają skutki. Układy tioredoksyny i glutaredoksyny redukują utlenione cysteiny. Natomiast reduktaza sulfotlenku metioniny naprawia utlenioną metioninę, a proteasom i autofagia usuwają nienaprawialne białka.

2.3. Sieć antyoksydacyjna

Antyoksydanty nie działają niezależnie. Tworzą kaskadę regeneracji:

rodnik lipidowy → witamina E (utlenia się do rodnika tokoferylowego)
                     ↓ regeneracja
                  witamina C (utlenia się do askorbylu)
                     ↓ regeneracja
                  glutation
                     ↓ regeneracja (reduktaza glutationowa)
                  NADPH ze szlaku pentozofosforanowego
                     ↓
                  metabolizm glukozy

Wynikają z tego dwa praktyczne wnioski. Po pierwsze, podanie wysokiej dawki jednego ogniwa bez pozostałych może być nieskuteczne, a nawet szkodliwe — utleniony tokoferol bez witaminy C sam działa prooksydacyjnie. Po drugie, sprawność całej sieci zależy od metabolizmu glukozy i podaży kofaktorów: selenu, cynku, miedzi, manganu, ryboflawiny.

2.4. Matryca pokarmowa a izolat — dlaczego to nie to samo

Istnieje pewien rozdźwięk między obserwacjami epidemiologicznymi a wynikami badań interwencyjnych. Spożycie warzyw i owoców konsekwentnie wiąże się z niższym ryzykiem chorób przewlekłych, a podanie wyizolowanych z nich związków w wysokiej dawce działa znacznie mniej efektywnie. Wyjaśnień tego zjawiska jest kilka.

Dawka. Zawartość pojedynczego polifenolu w porcji warzyw jest o rzędy wielkości niższa niż w kapsułce. Ilość, która w matrycy pokarmowej działa jako łagodny bodziec hormetyczny, w izolacie przekracza zakres, w którym ten mechanizm działa skutecznie.

Synergia. W matrycy występuje jednocześnie kilkadziesiąt związków o uzupełniających się mechanizmach, wraz z błonnikiem, potasem, azotanami i związkami wiążącymi metale przejściowe. Wyizolowanie jednego składnika usuwa całą resztę.

Biodostępność. Wchłanianie wielu polifenoli jest niskie, a znaczna ich część ulega przemianie przez mikrobiotę jelitową do metabolitów o odmiennym działaniu. Stężenia osiągane w osoczu bywają setki razy niższe od stosowanych w badaniach komórkowych — co jest najczęstszą przyczyną, dla której obiecujące wyniki in vitro nie znajdują potwierdzenia u ludzi.

Czynniki inne niż dieta. Osoby jedzące dużo warzyw różnią się od pozostałych także pod względem aktywności fizycznej, palenia i statusu społecznego. Część obserwowanego związku jest skutkiem tych różnic, a nie samych przeciwutleniaczy.

2.5. Przeciwutleniacze prooksydacyjne

Podział na „przeciwutleniacz” i „utleniacz” nie jest stałą cechą substancji, lecz zależy od kontekstu i warunków. Kilka związków powszechnie uznawanych za ochronne działa odwrotnie w określonych sytuacjach:

• Kwas askorbinowy w obecności wolnych jonów żelaza lub miedzi redukuje je, umożliwiając reakcję Fentona i powstawanie rodnika hydroksylowego. W organizmie zdrowego człowieka metale są związane z białkami, więc zjawisko ma ograniczone znaczenie — nabiera go przy nadmiarze żelaza.
• Beta-karoten przy wysokim ciśnieniu parcjalnym tlenu i w obecności dymu tytoniowego tworzy produkty utlenienia o działaniu prooksydacyjnym. Jest to prawdopodobne wyjaśnienie wzrostu zapadalności na raka płuca w badaniach u palaczy.
• EGCG z zielonej herbaty w wysokich dawkach wywołuje uszkodzenie wątroby, a mechanizm wiąże się z wytwarzaniem nadtlenku wodoru w hepatocytach.
• Kwercetyna i inne flawonoidy ulegają utlenieniu do chinonów wiążących grupy tiolowe białek.

Wynika stąd reguła, którą warto zapamiętać: substancja jest przeciwutleniaczem w określonym stężeniu i określonym otoczeniu chemicznym, a nie z natury.

2.6. Przeciwutleniacze wytwarzane przez organizm

Dyskusja o przeciwutleniaczach koncentruje się niemal wyłącznie na związkach z pożywienia, tymczasem ilościowo przeważają substancje wytwarzane przez sam organizm. Pominięcie tej warstwy prowadzi do zniekształconego obrazu, w którym obrona wydaje się zależeć od diety znacznie bardziej, niż zależy w rzeczywistości.

Kwas moczowy odpowiada za ponad połowę całkowitej zdolności antyoksydacyjnej osocza — więcej niż witamina C, witamina E i wszystkie polifenole razem wzięte. Jest to zarazem przyczyna, dla której pomiary TAC są tak mylące: mierzą głównie jego stężenie. Wysokie stężenie kwasu moczowego nie jest przy tym korzystne, ponieważ wiąże się z dną moczanową i z ryzykiem sercowo-naczyniowym — dobry przykład tego, że „więcej przeciwutleniacza” nie oznacza „lepiej”.

Bilirubina przez dziesięciolecia uchodziła wyłącznie za produkt odpadowy rozpadu hemu. Dziś wiadomo, że w niewielkich stężeniach skutecznie chroni lipidy przed utlenieniem. Osoby z zespołem Gilberta, u których stężenie bilirubiny jest łagodnie podwyższone, mają w badaniach obserwacyjnych niższe ryzyko sercowo-naczyniowe.

Melatonina wyróżnia się tym, że przenika wszystkie bariery, w tym mitochondrialną, i działa w miejscu największego wytwarzania utleniaczy. Jej pula mitochondrialna jest niezależna od szyszynkowej.

Karnozyna, dipeptyd obecny w mięśniach i mózgu, wiąże reaktywne aldehydy powstające z peroksydacji lipidów, zanim zmodyfikują białka.

Ergotioneina, pobierana z pożywienia przez swoisty transporter obecny w tkankach o wysokim obciążeniu oksydacyjnym, jest przedmiotem rosnącego zainteresowania jako możliwa „witamina długowieczności” — określenie to jednak wymaga poparcia silnymi dowodami z badań naukowych.

Do tego dochodzą albumina z wolną grupą tiolową, transferyna i ceruloplazmina wiążące metale przejściowe oraz koenzym Q10 wytwarzany w tym samym szlaku co cholesterol.

Okazuje się, że największy wpływ na obronę antyoksydacyjną ma nie tyle dodanie kolejnego związku z zewnątrz, lecz zapewnienie warunków, w których organizm sprawnie wytwarza i regeneruje własne związki przeciwutleniające — czyli podaż kofaktorów, sen, wysiłek i ograniczenie źródeł przeciążenia organizmu.

3. Zaburzenia i modyfikacja

3.1. Niedobór obrony antyoksydacyjnej — przyczyny

Niedobory kofaktorów: selenu (GPx), cynku i miedzi (SOD1), manganu (SOD2), ryboflawiny (reduktaza glutationowa), żelaza (katalaza) · niedobór białka i aminokwasów siarkowych ograniczający syntezę glutationu · niska podaż warzyw i owoców · przewlekłe zapalenie zużywające zasoby · wiek · palenie tytoniu · nadużywanie alkoholu · przewlekła choroba nerek i wątroby.

3.2. Nadmiar antyoksydantów

Wysokie dawki antyoksydantów mogą:

• osłabiać adaptację treningową — sygnał ROS jest bodźcem do biogenezy mitochondriów [2, 8]
• działać prooksydacyjnie — witamina C w obecności wolnego żelaza, wysokie dawki witaminy E bez witaminy C
• osłabiać odpowiedź immunologiczną
• sprzyjać przeżyciu komórek nowotworowych, które również korzystają z ochrony antyoksydacyjnej

3.3. Wyniki dużych badań klinicznych

Przegląd Cochrane: 78 badań z randomizacją, 296 707 uczestników. Suplementacja antyoksydacyjna (beta-karoten, witaminy A, C, E, selen) nie przyniosła korzyści w prewencji pierwotnej ani wtórnej. W analizie ograniczonej do 56 badań o niskim ryzyku błędu systematycznego wykazano istotny wzrost śmiertelności ogólnej (RR 1,04; 95% CI 1,01–1,07). Efekt dotyczył beta-karotenu (RR 1,05; CI 1,01–1,09) i witaminy E (RR 1,03; CI 1,00–1,05). Dla witaminy C (RR 1,02) i selenu (RR 0,97) nie wykazano istotnego wpływu. Autorzy zakończyli przegląd wnioskiem, że suplementy antyoksydacyjne powinny podlegać ocenie jak produkty lecznicze [3].

Przegląd Cochrane dotyczący prewencji raka płuca: 12 badań. U palaczy i osób eksponowanych na azbest witamina A zwiększała zapadalność na raka płuca (RR 1,10; CI 1,01–1,20), śmiertelność z jego powodu (RR 1,18; CI 1,01–1,38) oraz śmiertelność ogólną (RR 1,09; CI 1,05–1,13) — wszystko przy wysokiej jakości dowodów. Witamina E zwiększała ryzyko udaru krwotocznego (HR 1,74; CI 1,04–2,91). U kobiet witamina C zwiększała zapadalność na raka płuca (RR 1,84; CI 1,14–2,95) [4].

Wyniki te nie oznaczają automatycznie, że antyoksydanty „nie działają”. Ich interpretacja powinna być ostrożna. Najważniejsze wnioski z tych przeglądów badań są następujące:

1. Wyizolowany związek w wysokiej dawce to nie to samo co dieta. Efekt ochronny warzyw i owoców w badaniach obserwacyjnych nie przeniósł się na pojedyncze witaminy w tabletce.
2. Suplementacja bez niedoboru nie ma podstaw. Wszystkie cytowane badania dotyczyły populacji w większości bez udokumentowanego niedoboru.

3.4. Kiedy suplementacja jest uzasadniona

3.5. Modyfikacja behawioralna i dietetyczna

• Różnorodność zamiast dawki. Warzywa i owoce dostarczają setek związków w stężeniach fizjologicznych, działających w połączeniu.
• Warzywa krzyżowe — najsilniejsze znane dietetyczne induktory Nrf2.
• Tłuszcze roślinne i orzechy — nośnik witaminy E w formie mieszaniny tokoferoli, a nie samego α-tokoferolu.
• Regularny wysiłek — najlepiej udokumentowany sposób podniesienia aktywności enzymów antyoksydacyjnych.
• Sen i ograniczenie alkoholu — zmniejszają obciążenie.
• Przyprawy — kurkuma, imbir, rozmaryn, goździki można traktować jako źródło polifenoli w codziennej diecie.

3.6. Wsparcie suplementacyjne

Kolumna „mechanizm” odsyła do klasyfikacji z rozdziału 2.2.

3.7. Przeciwutleniacze w trakcie leczenia onkologicznego

Zagadnienie wymaga osobnego omówienia, ponieważ dotyczy sytuacji, w której suplementacja może zmniejszyć skuteczność leczenia ratującego życie — a jednocześnie jest w tej grupie chorych bardzo rozpowszechniona.

Radioterapia i znaczna część chemioterapii działają przez wywołanie stresu oksydacyjnego w komórkach nowotworowych. Podanie wysokich dawek przeciwutleniaczy w tym samym czasie może teoretycznie osłabić ten efekt. Dodatkowo komórki nowotworowe często mają podwyższoną aktywność szlaku Nrf2, co ułatwia im przetrwanie i sprzyja oporności na leczenie.

Dane kliniczne nie są jednoznaczne i nie pozwalają na zalecenie ogólne w żadną stronę. Utrzymuje się natomiast zgodność co do zasady postępowania:

• suplementacja w dawkach wielokrotnie przekraczających zapotrzebowanie wymaga uzgodnienia z zespołem prowadzącym leczenie
• wyrównanie stwierdzonego niedoboru jest czymś innym niż podanie dawki farmakologicznej i nie budzi tych samych zastrzeżeń
• dieta bogata w warzywa i owoce nie jest przedmiotem sporu — dotyczy on wyłącznie preparatów wysokodawkowych

Ta sama ostrożność obowiązuje przy jednoczesnym stosowaniu leków, których działanie zależy od metabolizmu wątrobowego: preparaty roślinne o silnym działaniu na cytochromy P450 mogą zmieniać stężenie leków przeciwnowotworowych niezależnie od jakiegokolwiek mechanizmu redoks.

3.8. Jak czytać etykietę preparatu antyoksydacyjnego

Kategoria ta jest jedną z najbardziej niejasnych informacyjnie, a rozróżnienie preparatu sensownego od pozornie przydatnego da się sprowadzić do kilku pytań.

Czy podano dawkę każdego składnika osobno? Zapis „kompleks antyoksydacyjny 500 mg” bez rozbicia na składniki uniemożliwia jakąkolwiek ocenę. Mieszanki firmowe o wspólnej dawce sumarycznej zwykle zawierają śladowe ilości składników wymienionych jako ostatnie.

Czy dawka odpowiada tej z badań? Preparat zawierający 10 mg wyciągu, podczas gdy w badaniach stosowano 500 mg, nie odtwarza warunków tych badań — nawet jeśli powołuje się na nie w opisie.

Jaka jest forma chemiczna? Różnice bywają ogromne, bowiem przykładowo sole organiczne magnezu wchłaniają się lepiej niż tlenek, selenometionina lepiej niż selenian, a forma zredukowana koenzymu Q10 lepiej niż utleniona. Sama nazwa pierwiastka na etykiecie nie wystarcza.

Czy podano standaryzację wyciągu? Wyciąg roślinny bez określenia zawartości substancji czynnej jest produktem o nieznanej mocy. Zapis „ekstrakt 10:1″ mówi o stopniu zagęszczenia, a nie o zawartości związku, który ma działać.

Czy nie ma witaminy A i beta-karotenu w wysokiej dawce? U palaczy jest to przeciwwskazanie, a nie kwestia preferencji — wynika to z badań opisanych w sekcji 3.3.

Wreszcie pytanie najważniejsze, wykraczające poza etykietę: czy istnieje powód, by ten preparat przyjmować? Uzasadnieniem jest stwierdzony niedobór, konkretna choroba albo udokumentowana sytuacja zwiększonego zapotrzebowania — nie samo pojęcie „ochrony przed wolnymi rodnikami”.

4. Karta praktyczna

Jak to zbadać

Ocena zaplecza kofaktorowego (selen, cynk, ryboflawina) ma większy sens niż pomiar „całkowitej zdolności antyoksydacyjnej”. Stan puli glutationu: GSH/GSSG w krwi pełnej. Markery uszkodzenia: F₂-izoprostany, 8-OHdG. TAC/FRAP wyłącznie w interpretacji łącznej z kwasem moczowym.

Na co uważać

• Beta-karoten i witamina A w wysokich dawkach są przeciwwskazane u palaczy — zwiększają zapadalność na raka płuca i śmiertelność.
• Witamina E w wysokich dawkach zwiększa ryzyko udaru krwotocznego i nasila działanie leków przeciwzakrzepowych.
• Witamina C w wysokich dawkach przy nadmiarze żelaza może działać prooksydacyjnie.
• Wysokie dawki antyoksydantów przyjmowane przed treningiem mogą osłabiać adaptację wysiłkową.
• Podczas leczenia onkologicznego suplementacja wymaga konsultacji z lekarzem prowadzącym.