אטום החמצן הינו היסוד הנפוץ ביותר על פני קרום כדור הארץ, וממנו הוא מהווה 46%. הוא חלק ממולקולת המים ומתרכובות אנאורגניות רבות, וכן הוא מרכיב הכרחי של מרבית המולקולות האורגניות, באורגניזמים חיים.
לאטום החמצן, הנמצא בקבוצה Via במערכה המחזורית, שישה אלקטרונים בקליפתו החיצונית, והוא יוצר גז דו-אטומי O2 - החמצן המולקולרי, המהווה 23% ממשקל האטמוספירה. גז זה התגלה באופן בלתי תלוי על ידי הכימאי השוודי Carl Willhelm Scheele ב-1772 ועל ידי הכימאי האנגלי, Joseph Priestly ב־1774. באותה תקופה חי בפריז Antoine Laurent Lavoisier, אשר פיתח שתי קריירות: אחת בשירות הציבורי כגובה מיסים, והשניה כמדען. בדומה לעמיתיו השבדי והאנגלי, גם הוא חקר את תופעת השריפה ואת הגז הנצרך בעת התהליך, והמשתחרר לאחר מכן על ידי חימום התרכובות שנוצרו. לגז אותו הגדיר כ״אוויר טהור״ הוא נתן את השם Oxygen, והראה את השפעתו החיובית על תהליך הנשימה שלו ושל עכברים.
הקריירה של לבואזיה נקטעה באיבה בעת המהפכה הצרפתית: הוא נאסר ב-1794, ולאחר משפט קצר, שאותו סיכם השופט בהכרזה כי ״למדינה אין צורך באינטלקטואלים״... נידון לבואזיה למוות, והוצא להורג בגיליוטינה.
הצטברות חמצן מולקולרי באטמוספרה של כדור הארץ, התפתחה כחלק מהופעת החיים על פני כוכב הלכת. כאשר נוצרה פלאנטה זו, לפני כ-4.5 ביליון שנים, היתה האטמוספרה שלה חסרת חמצן, והתאים החיים שהחלו להתפתח ב״מרק הקדמוני״ היו אנאארוביים. הקרינה האולטרה-סגולה שהיכתה בעוז על פני שטח כדור הארץ, גרמה לפוטוליזה של מולקולות המים שבאטמוספירה, ושיחררה מהן כמויות קטנות של חמצן מולקולרי, אולם ריכוז הגז החופשי נותר ברמה מאד נמוכה.
כאשר הופיעה הפוטוסינתיזה האוקסיגנית, שבמהלכה משתחרר חמצן מולקולרי ממים, החל הגז להצטבר באטמוספרה בכמויות הולכות ועולות, וחלק ממנו אף עלה למעלה כאוזון, ויצר שיכבה מסוככת מפני הקרינה האולטרה-סגולה של השמש. כאשר הגיע ריכוז O2 באטמוספירה ל-0.2%, ריכוז הנקרא Pasteur point היה ״כדאי״ לאורגניזמים לעבור מניצול תהליכי תסיסה לצורכיהם הביו אנרגטיים, לנשימה אאירובית. השימוש בחמצן כמקבל אלקטרונים סופי בשרשרת הנשימה, מהווה יתרון משמעותי מבחינת כמות האנרגיה שניתן למצות מחומר אורגני ולשמר כ-ATP, והתפתחות המערכות האנזימטיות לניצולו, נעשתה בד בבד עם האבולוציה של אורגניזמים רב תאיים.
אולם, ליתרון האנרגטי של השימוש בחמצן מולקולרי יש מחיר - הנזקים הבלתי נמנעים הנגרמים על ידי תוצרי החיזור שלו. כבר לפני שנים רבות היה ידוע כי נשימה של חמצן טהור (100% O2, בלחץ 1 אטמוספירה (במקום אוויר (20% O2) , גורמת נזקים משמעותיים לתאים ולאורגניזמים חיים. אולם חלפו עוד מספר עשורים עד שהתבררו המנגנונים (הכימי והביוכימי) של נזקי החמצן.
הפעלה מטבולית של O2 עשויה לגרום ליצירת תוצרי החיזור שלו, סופראוקסיד (O2-) ורדיקאל הידרוקסיל (OH•) שהינם רדיקאלים חופשיים. (רדיקאל חופשי הינו אטום או מולקולה בעלי אלקטרון בלתי מזווג), וליצירת מי חמצן (H2O2). מטבוליטים אלה, המכונים בשם הכולל ״תוצרי חמצן פעילים״ (ROS - reactive Oxygen species)מגיבים עם מאקרומולקולות תאיות, ומפעילים על התא ״עקה חימצונית״ (Oxidative stress).
תמונה 1 מתארת תוצרים אפשריים של תהליכים אלה, אשר גורמים בין היתר לפראוקסידציה של ליפידים, שבירת גדילי DNA וחימצון חלבונים וסוכרים.
התוצאות הסופיות מתבטאות באיבוד פעילות אנזימים ותפקודי ממברנות, נזקים לכרומוזומים, תאים ואיברים, למוטציות ולמוות. האתר העיקרי של ייצור תוצרי החמצן הפעילים הוא שרשרת הנשימה במיטוכונדריה, אולם היום ידועים למעלה מ-200 אנזימים אחרים, אוקסידזות ואוקסיגנזות, המגיבים עם O2 , ויוצרים סופראוקסיד או מי חמצן, אם כתוצר סופי טבעי של הראקציה שאותה הם מזרזים, ואם כתוצר לוואי בלתי נמנע. נמצא גם כי נוכחות יונים של מתכות המעבר, בעיקר ברזל ונחושת, מזרזת ומגבירה ראקציות אלה. תמונה 2 מסכמת את התהליכים התאיים החשובים התורמים ליצירת ROS. בנוסף לכך נמצאה יצירה מוגברת שלהם בתגובה של תאים עם גורמים חיצוניים: חומרים קסנוביוטיים, כמו תרופות, רעלים, קוטלי עשבים וחרקים, אוזון, ערפיח, עשן סיגריות וקרינה מייננת. ההשפעה של הגורם האחרון התגברה בשנים האחרונות, עם היווצרות החור באוזון, אשר מאפשר מעבר של כמויות גדולות מהרגיל של קרניים אולטרה-סגולות לאטמוספרה.
תאים חיים פיתחו מנגנוני הגנה כנגד המטבוליטים הרעילים של חמצן, הכוללים אנזימים כמו סופראוקסיד דיסמוטז (SOD) לפירוק סופראוקסיד, קטלז ופראוקסידז לפירוק מי חמצן; ומולקולות קטנות כמו גלוטטיון, ויטמינים E ו-C, וקרוטנואידים כמו בטא-קרוטן), הנקראים בשם כולל אנטיאוקסידנטים.
אולם, ריבוי מערכות ההגנה אינו מבטיח מניעה מוחלטת של נזק, וכל התאים נמצאים תמיד ברמה כלשהי של עקה חימצונית. מחקרים שנערכו בשנים האחרונות בבני אדם ובחיות מעבדה, הראו שברוב המצבים הפתולוגיים שאינם תוצאה של גורם זיהומי, ישנם ממצאים המעידים על נזקי חמצן. בין היתר מדובר על מחלות ריאות, מחלות ונזקים מוחיים, מחלות לב ומחלות קרדיווסקולריות, מחלות עור, כבד, כליות, עיניים, שרירים ומחלות של מערכת הדם. מן הראוי לציין שבמקרים רבים עדיין לא ברור האם העקה החימצונית הינה הגורם או התוצאה.
בנוסף (ואולי למרות) כל האמור לעיל, התברר בשנים האחרונות, כי לסופראוקסיד ולמי חמצן יש תפקיד חיוני במערכות תאיות שונות:
תאי הדם הלבנים במערכת החיסונית מייצרים מטבוליטים אלה לאחר בליעת מיקרואורגניזמים, בכדי להשמידם. במערכת הרביה ישנה יצירה מכוונת של סופראוקסיד ושל מי חמצן על מנת להפעיל את תאי הזרע, ובכדי לאטום את הביצית לאחר ההפריה.
ממצאים חדישים בנושא האפופטוזיס (מוות מתוכנת של תאים, programmed cell death) הראו כי האונקוגן bcl-2 המעכב אפופטוזיס, הינו גם אנטיאוקסידנט.
ניתן אפוא להסיק כי תאים חיים מתפקדים הודות לאיזון עדין מאד, בין הצורך ברמה נמוכה של תוצרי החמצן הפעילים, אשר מיוצרים בזמן, במקום ובכמות מוגדרים היטב, לבין ייצורם בעודף, במקום ובזמן בלתי מתאימים, אשר עלול לגרום לנזקים ואף למוות/.
המחקרים הכימיים והביולוגיים בנושא תוצרי החמצן הפעילים פרחו מאד בעשרים השנים האחרונות, ולאחרונה סחפו איתם גם את המחקר הרפואי והפרמקולוגי. הדבר מתבטא בין היתר בהופעה של שני כתבי עת המתמחים בנושאים אלה:
Free Radical Biology and Medicine (תמונה 3) וכן Free Radical Research Communication
כן הולך ועולה מספר המאמרים בנושאים אלה בכתבי עת אחרים.
 |
תמונה 3
|
תמונה 4 ממחישה את העליה במספר הפרסומים בנושא זה, ובעיקר בנושא האנטיאוקסידנטים.
פרופ׳ אילה הוכמן, המחלקה לביוכימיה, הפקולטה למדעי החיים ע״ש ג׳ורג׳ ס. וויז, אוניברסיטת ת״א
פורסם ב"סינתזיס" 8, ספטמבר 1995
.jpg)
