Adenozyna to organiczny związek chemiczny z grupy nukleozydów purynowych. Zbudowana jest z adeniny połączonej wiązaniem beta-N9-glikozydowym z pierwszym węglem pierścienia rybozy. Ma hydrofilową strukturę. Występuje we wszystkich komórkach organizmu. Odgrywa ważną rolę w przekazywaniu sygnałów nerwowych między komórkami i ochronie neuronów przed stresem oksydacyjnym. Dodatkowo adenozyna uczestniczy w regulacji metabolizmu układu krwionośnego, immunologicznego, oddechowego i wydalniczego. Jej nadmiar jest szybko usuwany z organizmu. Zaburzenia metabolizmu adenozyny mogą prowadzić do nadmiernego pobudzenia komorowego i bradykardii.
1. Historia odkrycia adenozyny
Pierwsze doniesienia na temat adenozyny pojawiły się w pierwszej połowie XX wieku. W 1929 roku amerykańscy biochemicy Albert Szent-Györgyi i J. Drummond opublikowali pracę, w której opisali wyodrębnienie tego związku z mięśni oraz jego wpływ na procesy metaboliczne. W latach 40. XX wieku odkryto obecność adenozyny w innych tkankach organizmu.
W latach 60. XX wieku zauważono, że adenozyna pełni rolę w przekazywaniu sygnałów w układzie nerwowym. W 1963 roku amerykański farmakolog Solomon Snyder odkrył, że działa ona jako neurotransmiter w mózgu. Zidentyfikowano receptory adenozynowe, co otworzyło nowy obszar badań nad jej rolą w regulacji funkcji układu nerwowego.
2. Synteza adenozyny
Synteza adenozyny zachodzi w komórkach nerwowych. Prekursorami do jej powstawania są adenozynomonofosforan (AMP) i S-adenozylohomocysteina (SAH). Jej produkcja zachodzi na dwa sposoby.
Pierwszy z nich polega na defosforylacji AMP przy udziale enzymu 5′-nukleotydazy. Reszta fosforanowa jest przyłączana do cząsteczki adenozyny w obecności enzymu kinazy adenozynowej. Reakcja rozkładu AMP do adenozyny jest w pełni odwracalna. Kofaktorami reakcji są jony magnezu.
W drugim przypadku zachodzi hydroliza SAH przy udziale hydrolazy S-adenozylohomocysteiny (SAHH), w wyniku czego powstaje adenozyna i homocysteina. Podobnie jak w przypadku AMP, reakcja rozpadu SAH do adenozyny jest odwracalna. Kofaktorem reakcji jest dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NAD+) i ryboflawina.
Synteza adenozyny może zachodzić także poza komórką. Przebiega ona w wyniku hydrolizy zewnątrzkomórkowych nukleotydów. Proces ten odbywa się w obecności ektoenzymów. Do najważniejszych z nich należą dihydrolazy trifosforanów ektonukleotydów. W wyniku ich działania ATP, ADP i cAMP są hydrolizowane do AMP. Defosforylacja AMP prowadzi do powstania adenozyny. Ta z kolei może być przekształcana do inozyny lub fosforylowana z powrotem do AMP.
3. Uwalnianie adenozyny
Adenozyna uwalniana jest do przestrzeni międzykomórkowej na drodze egzocytozy lub transportu aktywnego. W warunkach fizjologicznych jej stężenie utrzymywane jest na stałym, niskim poziomie (<1µM). Wzrasta ono w odpowiedzi na stres oksydacyjny. Po uwolnieniu łączy się ze specyficznymi dla siebie receptorami zlokalizowanymi na powierzchni błony komórkowej neuronów.
3.1. Receptory adenozyny
Receptory adenozyny to receptory purynergiczne należące do rodziny receptorów sprzężonych z białkami G. Zbudowane są z łańcucha polipeptydowego tworzącego siedem transbłonowych domen o strukturze alfa-helisy. Domeny te połączone są przez trzy pętle zewnątrzkomórkowe i trzy pętle cytoplazmatyczne. Część aminowa łańcucha znajduje się po zewnętrznej stronie błony, natomiast wolna grupa karboksylowa zlokalizowana jest wewnątrz komórki. Wyróżnia się receptory A1, A2 i A3. Receptory A2 dzielą się na dwa podtypy – A2a i A2b. Inhibitorami receptorów adenozyny są metyloksantyny takie jak kofeina i teofilina.
3.1.1. Receptor A1
Receptor A1 jest najbardziej rozpowszechniony spośród wszystkich receptorów adenozynowych. Najliczniej występuje w korze mózgowej, hipokampie, móżdżku, rdzeniu kręgowym, a także w oczach, nadnerczach i przedsionkach serca. Znajduje się również w nerkach, wątrobie, jądrach, tkance tłuszczowej i jelitach.
Pobudzenie receptora A1 hamuje syntezę cyklazy adenylowej. Odpowiada za aktywację fosfolipazy C, kinazy 1 i kinazy 2. Ponadto bierze udział w otwieraniu kanałów potasowych i zamykaniu kanałów wapniowych. Skutkiem aktywacji tych receptorów jest uwalnianie neurotransmiterów pobudzających – glutaminianu i asparaginianu – oraz hiperpolaryzacja neuronów z jednoczesnym spadkiem oporności błony komórkowej.
Przyłączenie adenozyny do receptora A1 w nerkach hamuje wydzielanie reniny i powoduje zwężenie ścian naczyń tętniczek doprowadzających. To ogranicza ilość krwi, która dociera do kłębuszków nerkowych, obniżając ciśnienie krwi wewnątrz tych naczyń. W efekcie dochodzi do spadku filtracji kłębuszkowej (ang. glomerular filtration rate, GFR) i przesączania kłębuszkowego. Powoduje to spadek ciśnienia tętniczego krwi.
3.1.2. Receptor A2a
Receptor A2a ma największe powinowactwo do adenozyny. Występuje głównie w jądrze ogoniastym, skorupie i jądrze półleżącym, a także w śledzionie, grasicy, leukocytach, płytkach krwi i opuszkach węchowych. W mniejszym stopniu obecny jest w sercu, płucach i naczyniach krwionośnych.
Receptor A2a zwiększa aktywność cyklazy adenylowej, prowadząc do wzrostu stężenia cAMP. Pośrednio więc może wpływać na transkrypcję niektórych genów. W układzie odpornościowym receptor ten hamuje odpowiedź zapalną limfocytów.
Dodatkowo jego pobudzenie zapobiega uszkodzeniu mięśnia sercowego spowodowanego niedokrwieniem, hamuje agregację płytek krwi, rozszerza naczynia krwionośne i stymuluje transport cholesterolu. Ma działanie przeciwmiażdżycowe.
Receptor A2a bierze udział w regulacji aktywności receptorów D2 zmniejszając ich powinowactwo do dopaminy. Zwiększa także uwalnianie GABA w ośrodkowym układzie nerwowym. Obecność antagonistów receptorów A2a zmniejsza neurotoksyczność indukowaną przez beta-amyloidy w mózgu. Blokowanie receptora A2a ma korzystny wpływ na opóźnienie pojawienia się deficytów pamięciowych. Przykładem antagonisty receptorów adenozynowych jest kofeina. Zmniejsza ona deficyty poznawcze u pacjentów z chorobą Alzheimera, jak również u osób zdrowych w podeszłym wieku.
3.1.3. Receptor A2b
Receptor A2b ma najmniejsze powinowactwo do adenozyny. Jego aktywacja zachodzi tylko w warunkach patologicznych. Jego największe ilości znajdują się w komórkach mięśni gładkich, komórkach śródbłonka, makrofagach i komórkach błony śluzowej jelit. Występuje również w komórkach tucznych, limfocytach, komórkach dendrytycznych i neutrofilach.
Receptor A2b aktywuje kinazę białkową C. Wzrost jego pobudzenia powoduje zwiększenie poziomu jonów wapnia wewnątrz komórki. Połączenie adenozyny z receptorem A2b pełni istotną rolę w procesach zapalnych. Powoduje gwałtowne uwalnianie i zawartości ziarnistości mastocytów. Hamuje funkcje makrofagów i monocytów. Reguluje przepływ krwi w sercu, wpływa na rozszerzenie naczyń krwionośnych i neoangiogenezę.
3.1.4. Receptor A3
Receptor A3 występuje licznie w płucach, wątrobie i komórkach układu odpornościowego. W mniejszych ilościach znajduje się także w nerkach, mózgu, sercu i aorcie. Jego obecność zauważa się często w komórkach nowotworowych.
Aktywacja receptora A3 stymuluje syntezę fosfolipazy C. Podnosi poziom trifosforanu inozytolu i wewnątrzkomórkowego stężenia jonów wapnia. Pobudzenie tego receptora pełni ważną funkcję w ochronie komórek serca przed skutkami niedokrwienia i niedotlenienia. Jego stymulacja pobudza kanały potasowe zależne od ATP. Aktywuje również białko RhoA odpowiedzialne za działanie fosfolipazy D.
4. Unieczynnianie adenozyny
Unieczynnianie adenozyny odbywa się w przestrzeni międzykomórkowej. W procesie tym biorą udział kinaza adenozyny i deaminaza adenozyny. W wyniku tego procesu powstaje odpowiednio AMP i inozyna. Oba te enzymy występują powszechnie na powierzchni komórek i tworzą najważniejszy mechanizm inaktywacji adenozyny.
Drugim sposobem unieczynniania adenozyny jest jej wychwyt i transport do wnętrza komórki za pośrednictwem wyspecjalizowanych białek. Zachodzi on zgodnie z gradientem stężeń, więc jest możliwy jedynie wówczas, gdy poziom adenozyny wewnątrz komórki jest mniejszy niż na zewnątrz.
5. Funkcje adenozyny
Adenozyna stanowi budulec kwasów nukleinowych i bierze udział w przemianach energetycznych organizmu. Ma działanie protekcyjne w stosunku do komórek serca i wpływa na jego pracę. Reguluje agregację płytek krwi, napięcie mięśni gładkich i funkcjonowanie układu immunologicznego.
5.1. Działanie immunosupresyjne adenozyny
Adenozyna wykazuje działanie immunosupresyjne w stanach hipoksji, czyli podczas wzrostu stężenia w przestrzeniach międzykomórkowych. W jej syntezie pośrednio uczestniczą limfocyty T regulatorowe, wpływają bowiem na ekspresję ektoenzymów. Adenozyna łącząc się z receptorem A2a na limfocytach T efektorowych i limfocytach T regulatorowych powoduje akumulację cAMP. W tych ostatnich magazynowana jest duża ilość cAMP, który może być transportowany do T efektorowych poprzez połączenia szczelinowe pomiędzy komórkami (ang. gap junction). Powoduje to zahamowanie proliferacji komórek efektorowych i ich ekspansji oraz zmniejszenie wydzielania cytokin prozapalnych.
5.2. Wpływ adenozyny na układ nerwowy
Adenozyna pełni rolę ochronną w stosunku do tkanki nerwowej i zapobiega uszkodzeniom komórek nerwowych. Na skutek pobudzenia receptorów adenozynowych dochodzi do zwiększenia przepływu krwi oraz dostarczenia większej ilości tlenu i substancji odżywczych do neuronów. Dzięki temu są one lepiej odżywione i mniej podatne na stres oksydacyjny powodujący ich dysfunkcje. Adenozyna zmniejsza wydzielanie czynników prozapalnych i chroni układ nerwowy przed procesami neurodegeneracyjnymi związanymi z przewlekłym stanem zapalnym.
Adenozyna zapobiega ekscytotoksyczności glutaminianu. Jest to proces, w którym komórki nerwowe są uszkadzane przez nadmierną stymulację receptorów glutaminianowych, co prowadzi do nadmiernego napływu jonów wapnia do komórki. Adenozyna, oddziałując na receptory adenozynowe, hamuje aktywność glutaminianu, chroniąc w ten sposób komórki nerwowe przed uszkodzeniem.
5.3. Wpływ adenozyny na układ krążenia
Adenozyna wykazuje właściwości kardioprotekcyjne, głównie poprzez hamowanie produkcji angiotensyny II i noradrenaliny oraz zmniejszenie ekspresji tkankowego czynnika wzrostu. Chroni kardiomiocyty przed uszkodzeniami spowodowanymi nadmiarem katecholamin, a także niedotlenieniem i wpływem stresu oksydacyjnego.
5.4. Udział adenozyny w regulacji rytmu dobowego
Adenozyna bierze udział w regulacji rytmu dobowego, wyciszenia aktywności układu nerwowego i zasypiania. Związek ten, aktywując receptory presynaptyczne zlokalizowane na neuronach noradrenergicznych lub serotoninergicznych, hamuje uwalnianie tych neuroprzekaźników. W efekcie dochodzi do obniżenia ich pobudzającego wpływu na inne neurony. Dodatkowo wzrost wydzielania GABA hamuje aktywność neuronów histaminergicznych i hipokretynowych. Adenozyna, działając postsynaptycznie na neurony GABA-nergiczne wychodzące z brzuszno-bocznego jądra przedwzrokowego, wzmacnia ich aktywność i uwalnianie GABA. Najwyższy poziom adenozyny obserwuje się wieczorem. Prowadzi to do nasilenia odczucia zmęczenia. Senność powodowaną przez adenozynę częściowo blokuje zawarta w kawie kofeina. Kofeina jest antagonistą receptorów adenozynowych. Wiążąc się z nimi blokuje działanie adenozyny. W rezultacie zahamowane jest odczucie senności, zwiększa się poziom koncentracji i skupienie.
6. Wykorzystanie adenozyny w medycynie
Adenozyna, ze względu na aktywację receptora A1, znalazła zastosowanie w medycynie jako lek przeciwarytmiczny w napadowym częstoskurczu nadkomorowym. Podawana jest w postaci zastrzyku dożylnego. W związku z powinowactwem do receptora A2a jest zaś wykorzystywana w diagnostyce obrazowej uszkodzenia mięśnia sercowego. Podaje się ją w celu rozszerzenia naczyń krwionośnych. Z powodu krótkiego czasu półtrwania adenozyny we krwi istnieją ograniczenia w szerszym zastosowaniu tego związku, dlatego częściej wykorzystywane w medycynie są jej analogi – substancje przypominające ją strukturą i działaniem. Przyłączając się do receptorów pełnią takie same funkcje jak adenozyna, wykazują jednak dłuższy czas półtrwania.
7. Rola adenozyny w patogenezie chorób
7.1. Stwardnienie rozsiane
Stwardnienie rozsiane jest chorobą autoimmunologiczną, w której układ odpornościowy atakuje osłonki mielinowe komórek nerwowych. U podłoża tej choroby leżą zmiany demielinizacyjne, prowadzące do defektów w przewodnictwie nerwowym.
W warunkach fizjologicznych adenozyna jest wytwarzana i uwalniana w odpowiedzi na stan zapalny. Mechanizm ten ma na celu kontrolę poziomu zapalenia i zapobieganie uszkodzeniom własnych komórek. W stwardnieniu rozsianym dochodzi do zaburzenia mikrokrążenia i lokalnego niedotlenienia tkanek. Hipoksja stanowi bodziec do szybkiej degradacji ATP w efekcie czego dochodzi do znacznego podniesienia stężenia adenozyny w przestrzeni pozakomórkowej. Niedotlenienie powoduje również wzrost produkcji wewnątrzkomórkowej adenozyny i jej wzmożony transport do przestrzeni pozakomórkowej przy udziale białek transportowych. Jednocześnie dochodzi do nasilenia aktywności ektoenzymów i hamowania kinazy adenozyny. W tym samym czasie aktywacja receptorów A1 i A3 stymuluje wydzielanie przez komórki immunologiczne czynników uczestniczących w zapaleniu. Nasilają się procesy dysfunkcji tkanki nerwowej i towarzyszące im demielinizacje. Prowadzi to do wzrostu stresu oksydacyjnego w centralnym układzie nerwowym i niszczenia jego najważniejszych struktur. W warunkach fizjologicznych adenozyna hamuje procesy zapalne. W przypadku stwardnienia rozsianego zmiany w aktywności tego neuroprzekaźnika mają charakter kompensacyjny w odpowiedzi na nasilenie zapalenia tkanki nerwowej.
7.2. Choroba Alzheimera
Choroba Alzheimera jest jedną z chorób neurodegeneracyjnych. Prowadzi do stopniowej utraty funkcji poznawczych, a w konsekwencji do znacznego pogorszenia jakości życia pacjentów.
U osób chorujących na Alzheimera obserwuje się zmienioną ekspresję receptorów adenozynowych w mózgu. W obrębie hipokampu zmniejsza się gęstość receptorów A1 przy jednoczesnym wzroście poziomu receptorów A2. Nadmierna aktywacja receptorów A2 prowadzi do zwiększonego wydzielania glutaminianu i asparaginianu, a w konsekwencji do zaburzeń pamięci i orientacji przestrzennej. Ekspresja obu typów receptorów zwiększa się natomiast w obrębie kory czołowej. Dochodzi do neurotoksyczności i zaburzenia funkcji poznawczych. Proces ten zachodzi zarówno we wczesnej, jak i w zaawansowanej postaci choroby.
7.3. Choroba Huntingtona
Choroba Huntingtona jest chorobą neurodegeneracyjną. Jest wynikiem mutacji w genie dla specyficznego białka – huntingtyny, której nieprawidłowy metabolizm prowadzi do śmierci komórek nerwowych. Objawia się występowaniem mimowolnych, niekontrolowanych ruchów pląsawiczych. Postępująca z wiekiem choroba prowadzi do niepełnosprawności, a w konsekwencji – do śmierci chorego.
Aktywacja receptorów adenozynowych A2a wpływa na działanie neurotroficznego czynnika pochodzenia mózgowego (BDNF). Jego fizjologiczne stężenie zależne jest od huntingtyny, która podnosi jego poziom. W chorobie Huntingtona białko to nie spełnia swojej funkcji, przez co dochodzi do spadku BDNF. Niski poziom BDNF jest jedną z przyczyn śmierci komórek nerwowych. Aktywacja receptorów A2a wspomaga działanie neurotroficznego czynnika pochodzenia mózgowego, a przez to korzystnie wpływa na przeżycie neuronów. Dodatkowo zastosowanie ich agonistów redukuje odkładanie się nadmiaru zmutowanej huntingtyny w komórkach nerwowych i zmniejsza cytotoksyczność wywołaną glutaminianem. Dzięki temu można opóźnić pojawienie się objawów choroby, zwłaszcza tych w postaci zaburzeń koordynacji ruchowej.
7.4. Udar mózgu
Udar mózgu jest wynikiem zaburzonego krążenia mózgowego, prowadzącego do nieodwracalnego uszkodzenia tkanki nerwowej. Wyróżnia się udar krwotoczny i niedokrwienny. Przyczyną występowania udarów są m.in. stany zapalne układu nerwowego, zaburzenia równowagi jonowej czy cytotoksyczność wywołana nadmiarem glutaminianu.
W przypadku udaru niedokrwiennego dochodzi do niedotlenienia mózgu. Wzrasta aktywność ektoenzymów. Efektem ich działania jest zwiększone stężenie adenozyny. Aktywacja receptorów adenozynowych A2a i A2b zlokalizowanych na efektorowych komórkach zapalnych powoduje wzrost stężenia wewnątrzkomórkowego cAMP, hamuje uwalnianie cytokin i intensywność stanu zapalnego. Pobudzenie receptorów A2 wpływa na rozszerzanie ścian naczyń krwionośnych i ułatwia dopływ krwi do mózgu. W przebiegu udaru dochodzi również do niekontrolowanych depolaryzacji komórek nerwowych i ich niszczenia. Nasilony metabolizm adenozyny jest odpowiedzią organizmu na zaistniałą sytuację. Wytworzona adenozyna za pośrednictwem pre- i postsynaptycznych receptorów A1 hamuje produkcję i wydzielanie neuroprzekaźników pobudzających. W efekcie zmniejsza się aktywność metaboliczna komórek i spada zużycie tlenu.
7.5. Padaczka
Padaczka to przewlekła choroba układu nerwowego. Jest wynikiem nieprawidłowej pracy komórek kory mózgowej. Charakteryzuje się występowaniem napadów i niekontrolowanych ruchów ciała. Adenozyna ma właściwości przeciwpadaczkowe. Jej uwalnianie prowadzi do łagodzenia napadów i spowolnienia rozwoju choroby. Pobudzenie receptorów A1 skutkuje hiperpolaryzacją neuronów i hamowaniem uwalniania glutaminianu. Połączenie adenozyny z receptorami A2 i A3 wywołuje przeciwstawne efekty.
U chorych z padaczką występuje wyższe stężenie ektoenzymów (m.in. 5’-NT-azy) niż u osób zdrowych. Jest to reakcja adaptacyjna organizmu na zaistniałe uszkodzenia. Ektonukleotydazy katalizujące rozkład ATP ograniczają jego prodrgawkowe działanie i tym samym zwiększają stężenie zewnątrzkomórkowej adenozyny. Związki te mają znaczenie diagnostyczne i mogą być stosowane jako markery napadów padaczkowych.
8. Podsumowanie
