Melatonina - wszechstronne badania, wszechstronne działanie

Melatonina na ogół kojarzona jest z regulacją snu. I oczywiście, to dobre skojarzenie. Ale, czy aby na pewno ta cząsteczka wiąże się jedynie z rytmem okołodobowym? 

Melatonina - tło historyczne

Melatonina, czyli N-acetyl-5-metoksytryptamina (MEL), początkowo opisywana była wyłącznie jako neurohormon zwierzęcy, syntetyzowany i wydzielany przez szyszynkę [1]. Pierwsze badania dotyczące tej substancji prowadzili McCord i Allen w 1917 r. [9].

Natomiast szczegółową charakterystyką MEL zajmował się Lerner i to właśnie ten naukowiec jest z nią najczęściej powiązywany [8]. Kolejne lata analiz i jednoczesny rozwój metod doświadczalnych umiejscowiły melatoninę wśród cząsteczek wysoce konserwatywnych. Występuje ona bowiem powszechnie u bakterii [1], pierwotniaków [9], grzybów [1], jedno- i wielokomórkowych glonów [8, 10], roślin jedno- i dwuliściennych [1], a także u bezkręgowców i kręgowców - zwierząt bezstrunowych i strunowców [8], u ssaków oraz w organizmie człowieka [7]. 

Hormon snu i jego budowa

Analizy ewolucji melatoniny pozwoliły dowieść, że cząsteczka ta nie zmieniła swojej budowy odkąd pojawiła się u istot żywych. Jednakże wraz z rozwojem organizmów zyskiwała nowe cechy i z czasem odgrywała coraz większą rolę. Przede wszystkim MEL zmieniła swoją biochemiczną rolę, z udziału w procesach metabolicznych archaicznych bakterii [9], na funkcję neurohormonu u zwierząt i fitohormonu u roślin [8, 10].

 

Melatonina i jej funkcje: rola w organizmie

Melatonina opisywana jest przez naukowców przede wszystkim jako uniwersalna biologiczna cząsteczka sygnałowa [1]. Rzeczywiście, pełni ona wielorakie funkcje w organizmach zwierzęcych i roślinnych [10]. Wykazano bowiem, że wahania zawartości MEL u roślin skorelowane są z rytmicznymi, dobowymi zmianami – oświetlaniem i i ciemnością. Maksymalne stężenie tej indolaminy przypada natomiast na noc (pojawia się tym później, im dłużej trwa ciemność), a najniższe w trakcie dnia.

N-acetyl-5-metoksytryptamina zaangażowana jest więc niepodważalnie w tzw. reakcję fotoperiodyczną roślin wyższych. Mianowicie pośredniczy w odpowiedzi fotoperiodycznej, a także indukcji fotoperiodycznej [1, 8]. Rytmiczne wahania stężenia MEL łączone są również z innymi jej funkcjami. 

Oczywiście, spadek zawartości melatoniny podczas dnia powiązany jest z jej funkcją ochronną przed skutkami szkodliwego działania promieniowania UV. Dodatkowo, zużycie MEL wynika z kompensowania reaktywnych form tlenu (ROS) i wolnych rodników, powstających w dużych ilościach w trakcie dnia. Z drugiej strony, nocne wzrosty zawartości melatoniny związane są z mechanizmami jej cyklicznej biosyntezy i znikomym wytwarzaniem ROS w czasie nocy.

 

Z tego powodu MEL uznana została za endogenny wyznacznik rytmu dobowego i okołodobowego [9]. Ponadto, melatonina stanowi sprawnie działający element systemu antyoksydacyjnego komórek [7, 8, 11].

Funkcje hormonu snu a działanie antyoksydacyjne

Melatonina działa jak „czysto” chemiczny zmiatacz wolnych rodników [1, 9, 11]. Opisywana jest zatem jako uniwersalny antyoksydant [7, 11]. Taka wszechstronność spowodowana jest małymi rozmiarami cząsteczki, co umożliwia sprawne dotarcie do kompartmentów komórkowych, dodatkowo ułatwione właściwościami amfifilowymi, czyli jednoczesnym profilem hydrofobowym i hydrofilowym [8].

MEL uczestniczy w ochronie komórek i tkanek roślinnych przed czynnikami prowadzącymi do zachwiania bilansu redox komórki, endogennymi i egzogennymi RNS (reaktywnymi formami azotu) oraz ROS [1, 9, 11]. Dotychczas nie poznano jednak ścieżek sygnalnych z pozostałymi komponentami systemu ochraniającego komórkę przed stresem oksydacyjnym [1]. Melatonina, działając na wolne rodniki, potrafi nawet przekształcić niektóre z nich w substancje o właściwościach przeciwutleniających [9]. 

Funkcja ochronna melatoniny polega również na zwalczaniu skutków negatywnych czynników środowiskowych. Należy tu wymienić takie jak: temperatury wyższa i niższa od optymalnej, zanieczyszczenia, czy wahania zawartości ozonu w powietrzu [6]. 

Melatonina i jej funkcje: miejsce i szlak biosyntezy

Możliwe, że MEL działa także za pomocą kaskady chemicznych reakcji, bez udziału enzymów antyoksydacyjnych [1]. Szczególne istotne byłoby to dla obszaru mitochondriów i chloroplastów ze względu na wysoką wypadkową produkcję reaktywnych form tlenu i ich zaleganie. Melatonina może być kluczową cząsteczką, wpływającą na pracę i integralność organelli odpowiadających za odżywianie i oddychanie w zarówno warunkach optymalnych jak i w stresie.

Ostatnie badania dowodzą, że poza miejscem zużycia, mitochondria stanowią również obszar biosyntezy i metabolizmu MEL. Wysoka konserwatywność MEL oraz wspólne ewolucyjne pochodzenie mitochondriów i chloroplastów sugeruje, że te drugie organella także mogą być areałem dla przemian tej molekuły [7]. Niemniej jednak przypuszczenia te wymagają dalszych badań. 

Biosynteza melatoniny

Co znaczące, szlak syntezy melatoniny u zwierząt został wyczerpująco opisany. W organizmach roślinnych biosynteza MEL zachodzi w sposób analogiczny, a jej podstawę stanowią te same elementy, które opisano u zwierząt, choć może się nieco różnić. Przy czym zależności te wymagają dalszych analiz.

 

Przede wszystkim prekursorem melatoniny jest tryptofan. Jest on przetwarzany dzięki tryptofan-5-hydroksylazie do 5-hydropksytryptofanu.

Przemiany w trakcie biosyntezy melatoniny

W dalszym stadium dochodzi do wytworzenia serotoniny przy udziale dekarboksylazy aminokwasowej lub enzym tryptofan-5-hydroksylaza przetwarza do serotoniny tryptainę powstałą z tryptofanu w wyniku oddziaływania dekarboskylazy tryptofanu.

Następnie serotonina przekształcana jest do N-acetyloserotoniny za sprawą N-acetylotransferazy serotoniny. Ostatecznie dzięki N-metylotransferazie acetyloserotoniny powstaje melatonina [1, 7].

 

 

Opracowanie: Iza Kołodziejczyk

 

Photos by biostrefa.net

Źródła:
[1] K. Yeo-Jae, N. L. Young, J. O. Young, H. In-yong, and J. P. Woong, “What is the role for melatonin in plants? Review on the current status of phytomelatonin research.,” JNBT, vol. 4, no. 1, pp. 9-14, 2007.
[2] R. Hardeland and B. Poeggeler “Non-vertebrate melatonin.,” J. Pineal Res., vol. 34, pp. 233-241, 2003.

[3] G. Chen, Y. Huo, Z. Liang, W. Zhang, and Y. Zhang, “Melatonin in Chinese medicinal herbs.,” Life Sci., vol. 73, p. 19-26, 2003.
[4] J. Kolar, I. Machackowa, J. Eder, E. Prinsen, W. Van Dongen, H. Van Onckelen, and H. Illerova, “Melatonin: occurence and daily rhythm in Chenopodium rubrum..,” Phytochemistry, vol. 44, pp. 1407-1413, 1997.
[5] L. Hernandez-Ruiz, A. Cano, and M. B. Arnao, “Melatonin: a growth stimulating compound present in lubin tissue.,” Planta, vol. 20, pp. 140-144, 2004.
[6] K. M. Janas and M. M. Posmyk (2013) Melatonin, an underestimated natural substance with great potential for agricultural application. Acta Physiol. Plant. vol. 35, no. 12, pp. 3285-3292
[7] D-X. Tan, L. C. Manchester, X. Liu, S. A. Rosales-Corral, D. A. Castroviejo, and R. J. Reiter, “Mitochondria and chloroplasts as the original sites of melatonin synthesis: a hypothesis related to melatonin's primary function and evolution in eukaryotes.,” J. Pineal Res., vol. 54, pp. 127-138, 2013.
[8] K. M. Janas, K. Szafrańska, M. M. Posmyk, “Melatonina w roślinach.,” Kosmos, vol. 54, no. 2-3, 2005.
[9] P. Bentkowski and M. Markowska “Ewolucja fizjologicznych funkcji melatoniny u bezkręgowców.,” Kosmos, vol. 56, no. 3-4, pp. 383-391, 2007.
[10] E. Chwełatiuk, “Melatonina u ssaków – związek o wielu funkcjach.,” Kosmos., vol. 57, no. 1-2, pp. 278-279, 2008.
[11] M. M. Posmyk and K. M. Janas, “Melatonin in plants – scientific and practical aspects” PROGRESS IN ENVIRONMENTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY , vol. 2, pp. 370-376, 2009.