Ultrafialové žiarenie a živé organizmy

V predošlom článku sme si vysvetlili, čo je to UV žiarenie a kde sa na Zemi berie. Teraz sa poďme pozrieť na vplyv tohto žiarenia na živé organizmy.

Ako prvé asi každému napadne opaľovanie - zhnednutie kože vplyvom vystavenia sa slnečným lúčom. V rozumnej miere to je určite prospešné pre kožu a aj celý organizmus. Avšak v konečnom dôsledku to je obranná reakcia - tvorí sa pigment melanín, ktorý UV žiarenie účinne pohlcuje. Ale poďme pekne po poriadku.

Mechanizmus ochrannej funkcie ozónovej vrstvy je v rozbíjaní molekúl kyslíka a ozónu UV žiarením. Podobný efekt ale môže nastať, aj keď toto žiarenie zasiahne živé bunky. Jeho energia je dostatočná na to, aby pozmenila zložité štruktúry organických molekúl - narušením konkrétnej chemickej väzby v molekule môže dôjsť k zmene jej funkcie, úplnému znefunkčneniu či rozpadu na iné molekuly. Ako tento mechanizmus funguje?

Aby UV žiarenie spôsobilo chemickú zmenu, musí byť absorbované. Pri hladinách žiarenia bežných počas osvietenia Slnkom je prvým krokom absorbcia jedného fotónu molekulou a vytvorenie excitovaného stavu, keď elektrón preskočí na vyššiu energetickú hladinu. Tento jav môže nastať len v prípade, ak je energia fotónu blízka rozdielu energií týchto dvoch stavov. Primárne produkty vytvorené absorbciou sú obyčajne veľmi reaktívne a nestabilné. Druhý krok je tzv. tmavá reakcia (už nevyžaduje energiu elektromagnetického žiarenia), keď táto reaktívna molekula zreaguje s inou. Často sa objavuje rádovo mikrosekundy po prvom kroku, následky však môžu pretrvávať aj hodiny, napríklad pri reťazovej reakcii peroxidácie lipidov. Vo všeobecnosti v reťazcoch tmavých reakcií vznikajú tzv. voľné radikály (budú vysvetlené nižšie). Nakoniec sú tieto relatívne rýchle procesy pretransformované do biologickej odozvy organizmu, ktorá sa môže objaviť v priebehu sekúnd, ale niekedy môže trvať aj roky, kým sa prejaví.

Mechanizmus vzniku excitovaného elektrónu - tento stav je zvyčajne chemicky veľmi reaktívny

Látky, ktoré absorbujú elektromagnetické žiarenie (prípadne časti väčších molekúl zodpovedné za absorpciu), sa nazývajú chromofory. Každý chromofor reaguje hlavne na určité vlnové dĺžky, pri zmene vlnovej dĺžky absorpcia prudko klesá. Táto vlastnosť sa dá vyjadriť graficky pomocou tzv. absorpčného spektra.

Absorpčné spektrum chlorofylu A a B (chlorofyl je chromofor u rastlín), viditeľné sú špičky absorpcie pri určitých vlnových dĺžkach, zatiaľ čo pri iných je absorbcia minimálna
Obrázok: wikipedia

Typické chromofory UV pásma v bunkách sú nukleové kyseliny (DNA, RNA), bielkoviny a lipidy. UV-B spektrum pôsobí genotoxicky a mení štruktúru DNA, zatiaľ čo v UV-A oblasti sa do popredia dostávajú nepriame efekty spôsobené aktívnymi medziproduktami. Je popísaných niekoľko mechanizmov poškodenia DNA UV žiarením - v podstate sa jedná o narušenie väzieb vo vnútri jej skrutkovice s následnou zmenou uloženej informácie. RNA v bunkách je takisto veľmi náchylná na poškodenie, ale vďaka jej rýchlemu obratu v bunke a krátkemu času života sa považuje za málo rizikovú. UV-A žiarenie mení priestupnosť a tekutosť bunkových membrán zvýšením peroxidácie lipidov. Náchylná na UV poškodenie je aj sietnica očí.

Pri expozícii DNA UV-B žiareniu môže v malom zlomku prípadov dôjsť napríklad k takémuto narušeniu štruktúry

Absorpčné spektrum DNA (modrou) a vzniku erytému (začervenania kože, červenou)
Obrázok: temis.nl

Ako vidno z obrázka, riziko priameho poškodenia DNA prudko klesá pri znižovaní vlnovej dĺžky medzi UV-B pásmom a UV-A pásmom. Podobne však klesá aj reakcia kože začervenaním (erytémom). Ako som spomínal vyššie, v UV-A pásme sú zase chromoformi iné organické zlúčeniny ako mastné kyseliny či aminokyseliny. Ich absorpčné spektrum je teda vyššie v UV-A oblasti. Tu vstupuje do úvahy nepriame poškodenie či už DNA alebo iných častí bunky - vyššie spomínaná tmavá reakcia. Excitovaný elektrón hľadá niečo, s čím by vytvoril stabilnú väzbu a môžu vznikať produkty, ktoré bežne v metabolizme nie sú prítomné.

V UV-C pásme je poškodenie DNA obrovské, na Zemi sa s tým však našťastie nemusíme zaoberať, pretože atmosféra ho v plnej miere zachytí. Keby ste sa však vystavili žiareniu zo Slnka niekde na obežnej dráhe Zeme mimo atmosféry, asi by to Vašu kožu veľmi netešilo. Či by to netešilo aj Vás, je otázne. Vy by ste asi mali viac starostí s náhlou tendenciou všetkých svojich telesných tekutín vyparovať sa a zvyšovať vnútorný tlak. :D

Našťastie bunky majú možnosť tieto nepriaznivé účinky zvrátiť a brániť sa voči nim. Predsa len UV žiarenie tu počas vývoja života na Zemi stále bolo a život si našiel cestičky. Určite by sa dalo polemizovať o množstve, hrúbke ozónovej vrstvy a podobne - faktom však ostáva, že primerané množstvá poškodenia UV žiarením je ľudská koža schopná bez problémov akceptovať. Aké sú teda tieto ochranné mechanizmy organizmu?

Priame poškodenie DNA dokážu opraviť špeciálne enzýmy (napr. fotolyáza), ktoré prechádzajú po celej dĺžke závitnice a vyhľadávajú defekty. Podobne existujú aj enzýmy, ktoré zase dokážu vyhľadať poškodenie spôsobené reakciou s voľnými radikálmi vzniknutými po excitovaných molekulách. A proti účinkom voľných radikálov zase chránia antioxidanty.

Názov antioxidant síce evokuje niečo s kyslíkom, je však odvodený od oxidatívnej reakcie - čo je dej, keď látka odovzdáva svoje elektróny. Nemusí byť teda nevyhnutne spojený s kyslíkom samotným - aj keď v bunke často je. Antioxidant je teda látka, ktorá chráni iné zlúčeniny pred oxidáciou (odovzdávaním elektrónov) a to tým, že sama oxiduje. Radikál je zase látka povahy opačnej - rád si elektróny naopak berie (redukuje). Preto, keď narazí na molekulu, z ktorej si tie elektróny môže zobrať, ochotne sa s ňou zlúči, čím zmení zloženie a funkciu danej molekuly. A tu práve vstupujú do hry antioxidanty - ak je ich v bunke vysoká koncentrácia, je veľká pravdepodobnosť, že voľný radikál narazí okamžite po vzniku na antioxidant a zlúči sa s ním - a to za vzniku stabilnej neškodnej molekuly, ktorá sa môže ľahko z bunky vylúčiť.

Antioxidant "ponúka" chýbajúci elektrón voľnému radikálu a ochotne sa s ním zlučuje

Ako antioxidanty môžu fungovať mnohé látky - všetko je to závislé na povahe konkrétnych chemických dejov. Biochemici nezriedka aj dnes objavujú antioxidačné schopnosti rôznych zlúčenín. Z tých najznámejších spomeniem napríklad kyselinu askorbovú (vitamín C), retinol (vitamín A) a jeho provitamín karotén či tokoferol (vitemín E).

Pre zaujímavosť: v rastlinách vyskytujúce sa antioxidanty sa dajú rozoznať už pohľadom - a to výraznou farbou. Mnohé antioxidanty vytvárajú typickú sýtu farbu a sú sústredené v povrchových vrstvách listov či plodov - pretože práve tu je najväčšia potreba kompenzovať vznikajúce voľné radikály. To je aj jeden z dôvodov, prečo nás to prirodzene ťahá k farebným jedlám a kombináciám na tanieri.

A ako je to vlastne s tým melanínom spomínaným na začiatku? Melaníny je spoločný názov pre skupinu pigmentov prirodzene sa vyskytujúcich v mnohých organizmoch. Najčastejšie sa vyskytujúce sú eumelaníny (hnedé alebo čierne), menej častý je feomelanín (červenej farby), vyskytujúci sa vo väčšej miere u ryšavých ľudí (zrzky, hell yeah! *love* :P ). Známy je ešte neuromelanín. No a práve funkcia tmavých eumelanínov je v ich absorpčnom spektre - sú schopné bez ujmy absorbovať a na teplo premeniť drvivú časť energie UV-A a UV-B oblasti, čím chránia bunky pred poškodením.

Absorpčné spektrum eumelanínu (tmavej farby) a feomelanínu (červenej farby)
Obrázok: pubs.rsc.org

Ako vidieť z obrázku, absorpcia melanínov prudko stúpa v UV oblasti spektra (400 nm a menej). Feomelanín je však menej účinný, preto prirodzene ryšavým ľuďom hrozí väčšie riziko spálenia. No a eumelanín a feomelanín sú produkované v bunkách kože - tzv. melanocytoch - po expozícii UV žiareniu. Následne sú transportované do ďalších buniek kože. Tam sú primárne sústredené v okolí jadra bunky, aby ochránili DNA. Tento proces však nie je okamžitý, ale vyžaduje určitý čas a viacnásobné vystavenie UV žiareniu. A to je vlastne opaľovanie a postupné hnednutie kože.

Tak nateraz hádam stačilo - samé negatíva UV žiarenia. V ďalšom článku sa pozrieme na jeho nenahraditeľné pozitívne účinky. :)