Reaktywne formy tlenu (ROS) – stres oksydacyjny w nasieniu

Czym są reaktywne formy tlenu (ROS) i skąd się biorą?
Generowanie reaktywnych form tlenu (ROS, ang.: reactive oxygen species) jest popularnym oraz chętnie uwzględnianym czynnikiem etiologicznym, w odniesieniu do patomechanizmu wielu jednostek chorobowych, w tym niepłodności idiopatycznej, czyli takiej w której nie można jednoznacznie określić przyczyny niepowodzenia w rozrodzie [1].
Rodzina ROS obejmuje dość liczną grupę produktów jedno-, dwu- i trójelektronowej redukcji cząsteczki tlenu oraz tlen singletowy (1O2). Wolne rodniki to najprościej mówiąc takie atomy lub cząsteczki które mają jeden lub więcej niesparowanych elektronów, a także nadtlenek wodoru (H2O2), kwas podchlorawy (HOCl) oraz tlenek azotu (NO∙) [1]. W „normalnych” atomach czy cząsteczkach elektrony występują parami, natomiast wolny rodnik (rodnik) powstaje kiedy atom lub cząsteczka jeden z tych elektronów utraci. Powstały rodnik z pojedynczym elektronem jest bardzo nietrwały i „dąży” do jak najszybszego pozyskania elektronu do pary lub pozbycia się elektronu niesparowanego tak aby wyrównać swój stan energeryczny (mówi się, że rodniki są bardzo silnie reaktywne chemicznie). Oczywiście pozyskanie lub oddanie elektronu musi być zrealizowane z udziałem innej cząsteczki lub atomu (od której ten elektron się zabiera lub oddaje), który w tej reakcji sam ulega zredukowaniu lub utlenieniu. Dlatego reakcje tego typu mają charakter łańcuchowy.

Bardzo silne właściwości utleniające ma rodnik hydroksylowy (OH∙). Powstawanie tego rodnika jest katalizowane przez Fe2+ oraz Cu2+, dlatego występujące w nasieniu w stanie wolnym żelazo i miedź są w stanie podtrzymywać stres oksydacyjny, do którego dochodzi w wyniku nadmiernego wytwarzania ROS lub wyczerpania możliwości kompensacyjnych układu antyoksydacyjnego [1, 2]. Znaczne ilości OH∙ są produkowane w stanach zapalnych oraz po wnikaniu obcych patogenów do organizmu. W takich przypadkach pierwszym elementem obrony organizmu są granulocyty obojętnochłonne, które są przyciągane do miejsca zakażenia przez substancje chemotaktyczne. Neutrofile po zetknięciu się z patogenem rozpoczynają jego fagocytozę i dochodzi do reakcji zwanej wybuchem tlenowym.
Istotnym rodnikiem jest tlenek azotu regulujący wiele funkcji w męskim układzie rozrodczym. Wiadomo, że może on być również produkowany przez plemniki [1].
Wykazano, że ROS w nasieniu mogą być generowane zarówno przez leukocyty jak i niedojrzałe lub uszkodzone plemniki [3-5], jednakże głównym źródłem ROS u pacjentów z leukocytospermią są aktywowane granulocyty wielojądrzaste [5, 6]. Do dwóch głównych miejsc produkcji ROS w plemnikach należą mitochondria i błona komórkowa. Źródło ROS pochodzące z błony komórkowej plemników wiąże się z obecnością w niej kompleksu enzymatycznego – błonowej oksydazy NADPH, prowadzącego do powstawania anionorodnika ponadtlenkowego (O2∙-). Mitochondria wraz z zachodzącym w nich procesem fosforylacji oksydacyjnej są źródłem w szczególności O2∙- i H2O2 [1, 4].

Szkody wyrządzane przez ROS
Większość związków z rodziny ROS powoduje utlenienie wielonienasyconych kwasów tłuszczowych, aminokwasów w białkach, a także kwasów nukleinowych. Generowane w organizmie ROS mogą inicjować wiele reakcji, które mogą mieć swoją ciągłość aż do chwili usunięcia rodników w kolejnych reakcjach z innymi wolnymi rodnikami, albo do momentu ich unieczynnienia przez system antyoksydacyjny (zwany też zmiataczem wolnych rodników).

Obrona przed ROS
Dla zachowania prawidłowej funkcji ustroju, niezbędna jest obecność równowagi między generowaniem ROS, a działaniem układu antyoksydacyjnego [1, 5]. Do pierwszej linii obrony antyoksydacyjnej należy niedopuszczanie do reakcji reaktywnych form tlenu ze składnikami komórek. Druga linia obrony polega na przerwaniu łańcuchowych reakcji wolnorodnikowych. Natomiast do trzeciej linii obrony należy niwelowanie skutków reakcji ROS z komórkowymi makromolekułami.

Enzymy i antyoksydanty odgrywające rolę w utrzymywaniu równowagi oksydacyjnej w nasieniu
Układ antyoksydacyjny obejmuje wiele współdziałających ze sobą enzymów i innych substancji, a niedobór jakiejkolwiek z nich może prowadzić do obniżenia całkowitego potencjału neutralizacji nadmiaru ROS. Z uwagi na szczególną wrażliwość męskich komórek rozrodczych na utleniające działanie ROS nasienie również posiada system oksydacyjny do którego należy triada enzymatyczna: dysmutaza ponadtlenkowa (SOD), katalaza i peroksydaza glutationowa/reduktaza glutationowa (GPx/GR), która jest wspomagana przez niskocząsteczkowe antyoksydanty oraz prostasomy.
SOD jest enzymem, który katalizuje reakcję dysmutacji anionorodnika ponadtlenkowego do nadtlenku wodoru i tlenu. Wyróżnia się trzy typy białek SOD. SOD-1 znajduje się w cytoplazmie. Jego silną ekspresję zauważa się w całym najądrzu oraz w plemnikach. W macierzy mitochondrialnej występuje SOD-2, której dużą aktywność stwierdza się w plemnikach. Na zewnątrz komórek obecna jest pozakomórkowa dysmutaza ponadtlenkowa (EC-SOD), występująca w najądrzu oraz kanalikach nasiennych. Kolejnym elementem układu antyoksydacyjnego jest katalaza katalizująca reakcję dysproporcjonacji nadtlenku wodoru do anionorodnika ponadtlenkowego i wody. Swoistość katalazy do nadtlenku wodoru wzrasta przy jego wyższych stężeniach, np. podczas wybuchu tlenowego podczas fagocytozy, lub przy nadekspresji białek SOD. Źródłem katalazy w nasieniu jest gruczoł krokowy, a jej obecność wykryto zarówno w płynie nasiennym, jak i w samych plemnikach. Ważnym enzymem, który chroni plemniki przed utleniającym działaniem ROS jest peroksydaza glutationowa (GPx), katalizująca reakcję redukcji nadtlenku wodoru oraz nadtlenków organicznych takich jak np. nadtlenki lipidów. GPx ma większe powinowactwo do H2O2 niż katalaza, dlatego jego aktywność neutralizująca jest ważna przy mniejszych stężeniach nadtlenku wodoru. Peroksydaza glutationowa współdziała z reduktazą glutationową (GR), która odtwarza zredukowaną postać glutationu (GSH) wykorzystywaną przez GPx kosztem utleniania NADPH [1]. Aktywność tego enzymu jest związana z obecnością w nasieniu selenu.
Do niskocząsteczkowych antyoksydantów, które są dość liczne w płynie nasiennym należą m. in.: tiole (glutation, aminokwasy, homocysteina i cysteina), kwas askorbinowy, kwas moczowy, tauryna, hipotauryna oraz α-tokoferol [1, 4]. W plemnikach poziom glutationu jest kontrolowany i uzupełniany przez komórki Sertoliego, ponieważ poza neutralizowaniem ROS stanowi on źródło aminokwasów dla procesu spermatogenezy. Do systemu oksydacyjnego należą także prostasomy, organelle komórkowe plemników biorące udział w procesie zapłodnienia. Ich neutralizująca czynność wiąże się z interakcją z leukocytami obecnymi w ejakulacie szczególnie w przebiegu leukocytospermii, w wyniku czego zmniejszają zdolność leukocytów do wytwarzania O2∙- [1].

Leukocytospermia a ROS
Chociaż obecność ROS w nasieniu jest nieodłącznie kojarzona ze zwiększoną obecnością w nim leukocytów (leukocytospermia) to niektórzy mężczyźni, mogą wykazywać pełną ochronę nasienia przed niekorzystnym działaniem leukocytów ze względu na w pełni sprawny system antyoksydacyjny. Inni ze znacznie mniejszą nawet liczbą leukocytów, które są aktywowane mogą mieć poważne problemy za sprawą uszkodzeń plemników przez ROS ze względu na ograniczoną ochronę antyoksydacyjną w nasieniu. To niestety jeszcze bardziej komplikuje relacje między obecnością leukocytów w ejakulacie, a jakością nasienia i męską niepłodnością [5].

Gdzie można wykonać badanie ROS w nasieniu: kliknij tutaj

Opracowanie.: Marcelina Kwaśniak (mgr analityki medycznej)

Na podstawie:
1. Frączek, M. and M. Kurpisz, System redoks w nasieniu męskim i peroksydacyjne uszkodzenia plemników. Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej, 2005. 59: p. 523-534.
2. Fariello, R.M., et al., Effect of leukocytospermia and processing by discontinuous density gradient on sperm nuclear DNA fragmentation and mitochondrial activity. Journal Assist Reprod Genet, 2009. 26(2-3): p. 151-7.
3. Kaleli, S., et al., Does leukocytospermia associate with poor semen parameters and sperm functions in male infertility? The role of different seminal leukocyte concentrations. European Journal of Obstetrics, Gynecology and Reproductive Biology, 2000. 89(2): p. 185-91.
4. Agarwal, A., S.A. Prabakaran, and T.M. Said, Prevention of oxidative stress injury to sperm. Journal of Andrology, 2005. 26(6): p. 654-60.
5. Henkel, R., Leukocytes and oxidative stress: dilemma for sperm function and male fertility. Asian Journal of Andrology, 2011(13): p. 43–52.
6. Erenpreiss, J., et al., Effect of Leukocytospermia on Sperm DNA Integrity: A Negative Effect in Abnormal Semen Samples. Journal of Andrology, 2002. 23(5): p. 717-23.