Woda wodorowa - co naprawdę wiemy o H₂?

Woda nasycona wodorem, nazywana również wodą wodorową lub HRW (hydrogen-rich water), to woda zawierająca rozpuszczony wodór w postaci cząsteczkowej H₂. Samo pojęcie jest proste. Znacznie ciekawsze jest jednak pytanie, co dzieje się z takim wodorem po wypiciu wody i co rzeczywiście wiemy dziś o jego znaczeniu dla organizmu.

Woda nasycona wodorem to po prostu woda z rozpuszczonym w niej gazowym wodorem cząsteczkowym (H₂) – bezbarwnym i bezwonnym. Ilość H₂, która może pozostać w roztworze, nie jest stała: zgodnie z prawem Henry’ego zależy od temperatury, ciśnienia i szczelności opakowania. W temperaturze 20°C i przy ciśnieniu atmosferycznym maksymalne stężenie wodoru w wodzie wynosi ok. 1,6 mg/l, a po otwarciu naczynia wodór stopniowo zaczyna ulatniać się do powietrza. Dlatego mówiąc „woda wodorowa”, warto zawsze podawać rzeczywiste stężenie H₂ oraz warunki pomiaru, by móc rzetelnie porównywać różne produkty i technologie.

Czym jest stres oksydacyjny?

Aby zrozumieć, dlaczego naukowcy interesują się molekularnym wodorem, trzeba najpierw przyjrzeć się stresowi oksydacyjnemu. W organizmie przez cały czas zachodzą reakcje chemiczne. Wiele z nich wiąże się z wykorzystaniem tlenu, a ich naturalnym następstwem jest powstawanie reaktywnych form tego pierwiastka, określanych jako ROS (reactive oxygen species). W języku potocznym często nazywa się je wolnymi rodnikami, choć nie wszystkie ROS są wolnymi rodnikami w ścisłym znaczeniu chemicznym.

Ich obecność w organizmie człowieka nie oznacza jednak niczego złego. Reaktywne cząsteczki pełnią również ważne funkcje: uczestniczą w komunikacji między komórkami, regulują niektóre procesy metaboliczne i wspierają odpowiedź immunologiczną. Problem pojawia się wtedy, gdy pomiędzy powstawaniem reaktywnych cząsteczek a zdolnością organizmu do ich kontrolowania zostaje zaburzona równowaga. Stan takiego zaburzenia określamy jako stres oksydacyjny. Można go najprościej opisać jako sytuację, w której procesy oksydacyjne zaczynają przeważać nad mechanizmami, które pozwalają organizmowi utrzymywać odpowiednią równowagę oksydacyjno-redukcyjną.

Wolne rodniki i reaktywne formy tlenu

W chemii wolny rodnik to cząsteczka lub atom zawierający co najmniej jeden niesparowany elektron. Taka konfiguracja sprawia, że wiele wolnych rodników jest bardzo reaktywnych - dążąc do uzyskania bardziej stabilnego układu, mogą reagować z innymi cząsteczkami. Nie wszystkie reaktywne formy tlenu i azotu są jednak wolnymi rodnikami. Do tej grupy należą również cząsteczki, które nie zawierają niesparowanego elektronu, ale mimo to mogą brać udział w bardzo reaktywnych procesach chemicznych. Przykładem wolnego rodnika jest anionorodnik ponadtlenkowy (O₂•⁻) czy rodnik hydroksylowy (•OH). Z kolei nadtlenek wodoru (H₂O₂) nie jest wolnym rodnikiem, ale należy do reaktywnych form tlenu.

Wolne rodniki powstają między innymi podczas prawidłowego metabolizmu komórkowego i funkcjonowania mitochondriów. Są również wykorzystywane przez układ odpornościowy jako element odpowiedzi na patogeny. Mogą także pełnić funkcję cząsteczek sygnałowych, pomagając komórkom reagować na zmiany zachodzące w ich otoczeniu. Można więc powiedzieć, że reaktywne formy tlenu są częścią normalnego funkcjonowania organizmu. Problemem nie jest ich samoistnienie, ale utrata kontroli nad ich poziomem i działaniem.

Jak organizm kontroluje procesy oksydacyjne?

Organizm dysponuje rozbudowanym systemem ochrony antyoksydacyjnej. Pomaga on ograniczać nadmierną reaktywność wolnych rodników i utrzymywać równowagę redoks. Jedną z najważniejszych grup tych mechanizmów są antyoksydanty. Należą do nich między innymi enzymy, takie jak dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza i peroksydaza glutationowa, ale także związki nieenzymatyczne obecne w komórkach i płynach ustrojowych. Część antyoksydantów dostarczamy z pożywieniem. Są to między innymi witamina C, witamina E, karotenoidy oraz polifenole. Znajdziemy je między innymi w owocach, warzywach, ziołach, herbacie, kakao czy kawie.

Działanie antyoksydantów nie polega jednak na prostym „wyłapywaniu wszystkich wolnych rodników”. Niektóre z nich mogą bezpośrednio reagować z reaktywnymi cząsteczkami, inne natomiast wpływają na mechanizmy regulujące odpowiedź antyoksydacyjną komórek.

To ważne, ponieważ całkowite usunięcie reaktywnych form tlenu nie byłoby korzystne. Są one potrzebne organizmowi. Chodzi raczej o utrzymanie równowagi między ich powstawaniem a mechanizmami, które ograniczają ich nadmiar i potencjalne uszkodzenia. Właśnie w tym kontekście pojawia się pytanie, czy do naturalnych mechanizmów ochronnych organizmu może w jakiś sposób dołączyć także wodór cząsteczkowy.

Wodór cząsteczkowy jako potencjalny antyoksydant

Wodór cząsteczkowy H₂ jest bardzo małą, prostą cząsteczką, zbudowaną wyłącznie z dwóch atomów wodoru. Przez długi czas uważano, że jest biologicznie obojętna. Od początku XXI wieku pojawia się jednak coraz więcej badań sugerujących, że H₂ może oddziaływać na procesy zachodzące w organizmach żywych, w tym na mechanizmy związane ze stresem oksydacyjnym.

Jedną z najważniejszych publikacji w historii współczesnych badań nad wodorem było badanie Ohsawy i współpracowników z 2007 roku. Autorzy wykazali w modelach eksperymentalnych, że molekularny wodór może ograniczać uszkodzenia związane ze stresem oksydacyjnym, między innymi poprzez oddziaływanie z rodnikiem hydroksylowym (•OH). Szczególnie interesująca była obserwacja, że H₂ nie reaguje w taki sam sposób ze wszystkimi reaktywnymi formami tlenu. Na tej podstawie wodór zaczęto określać mianem potencjalnego selektywnego antyoksydantu.

Rodnik hydroksylowy należy do najbardziej reaktywnych form tlenu. Ze względu na swoją wysoką reaktywność może bardzo szybko reagować z cząsteczkami znajdującymi się w jego bezpośrednim otoczeniu. Może między innymi prowadzić do utleniania lipidów oraz modyfikacji białek i kwasów nukleinowych. To właśnie dlatego jego ograniczenie jest interesujące z punktu widzenia ochrony komórek przed skutkami nadmiernego stresu oksydacyjnego.

Jak wodór wychwytuje wolne rodniki?

Najbardziej intuicyjnie można przedstawić to na przykładzie rodnika hydroksylowego. W uproszczeniu reakcję można przedstawić następująco:

W takim ujęciu wodór cząsteczkowy uczestniczy w reakcji prowadzącej do powstania stabilnej cząsteczki wody, a bardzo reaktywny rodnik hydroksylowy zostaje usunięty z układu. Brzmi prosto, ale w organizmie sytuacja jest znacznie bardziej złożona. Reakcje chemiczne zachodzą w konkretnym środowisku, a ich znaczenie zależy między innymi od stężenia reagujących cząsteczek, ich lokalizacji oraz szybkości innych konkurencyjnych reakcji. Dlatego sama możliwość zajścia takiej reakcji nie oznacza jeszcze, że właśnie ona odpowiada za wszystkie obserwowane efekty biologiczne H₂.

Czy H₂ działa wyłącznie poprzez wychwytywanie wolnych rodników?

Bezpośrednie oddziaływanie H₂ z reaktywnymi formami tlenu nie musi być jednak jedynym sposobem, w jaki wodór może wpływać na równowagę oksydacyjno-redukcyjną. Współczesne badania wskazują również na możliwość oddziaływania H₂ z mechanizmami regulującymi odpowiedź komórki na stres oksydacyjny. Jest to szczególnie interesujące, ponieważ organizm posiada własny, bardzo rozbudowany system ochrony antyoksydacyjnej. Obejmuje on między innymi enzymy takie jak dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza czy peroksydaza glutationowa, których aktywność pomaga kontrolować poziom reaktywnych form tlenu i utrzymywać równowagę redoks.

Jednym z mechanizmów analizowanych w tym kontekście jest szlak Keap1–Nrf2. Nrf2 to czynnik transkrypcyjny regulujący ekspresję wielu genów związanych z odpowiedzią antyoksydacyjną i ochroną komórki. W warunkach stresu oksydacyjnego aktywacja tego szlaku może prowadzić między innymi do zwiększenia produkcji enzymów uczestniczących w obronie antyoksydacyjnej. Badania eksperymentalne wskazują, że pod wpływem H₂ może dochodzić do zmian aktywności szlaku Nrf2 oraz innych elementów komórkowej odpowiedzi na stres oksydacyjny. Obserwowano je między innymi w modelach komórkowych i zwierzęcych, co sugeruje, że działanie wodoru może wykraczać poza prostą reakcję chemiczną z pojedynczym wolnym rodnikiem.

Nie oznacza to jednak, że mechanizm ten został już w pełni wyjaśniony. Nadal nie ma jednej, powszechnie zaakceptowanej odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób tak prosta i stosunkowo mało reaktywna cząsteczka jak H₂ uruchamia obserwowane efekty biologiczne. Część badaczy wskazuje na bezpośrednie reakcje z bardzo reaktywnymi utleniaczami, podczas gdy inne dane sugerują udział bardziej złożonych mechanizmów regulacyjnych.

Choć mechanizm nie jest do końca opisany, badacze zgadzają się jednak co do tego, że cząsteczka wodoru działa w organizmie jako selektywny antyoksydant. Właśnie dlatego określenie H₂ mianem „antyoksydantu” nie powinno być rozumiane wyłącznie jako zdolność do bezpośredniego wyłapywania wolnych rodników. Bardziej prawdopodobne jest, że jego działanie może obejmować kilka nakładających się mechanizmów związanych z utrzymywaniem równowagi oksydacyjno-redukcyjnej.

Co wiemy o wodzie nasyconej wodorem?

Woda nasycona wodorem to woda zawierająca rozpuszczony wodór w postaci cząsteczkowej H₂. Zainteresowanie naukowców tą prostą cząsteczką wynika przede wszystkim z jej potencjalnego wpływu na równowagę oksydacyjno-redukcyjną organizmu.

Dotychczasowe badania sugerują, że H₂ może:

1. oddziaływać z wybranymi, bardzo reaktywnymi formami tlenu,
2. wpływać na mechanizmy odpowiedzialne za komórkową odpowiedź antyoksydacyjną,
3. uczestniczyć w regulacji niektórych szlaków związanych ze stresem oksydacyjnym.

To właśnie potencjalna selektywność oraz możliwość wielokierunkowego działania sprawiają, że wodór cząsteczkowy jest interesującym przedmiotem badań.

Nie oznacza to jednak, że wszystkie mechanizmy działania H₂ zostały już poznane, ani że wyniki badań laboratoryjnych można automatycznie przełożyć na konkretne efekty zdrowotne u człowieka. W tej dziedzinie nadal pozostaje wiele pytań, a kolejne badania pomagają lepiej zrozumieć, jak H₂ zachowuje się w organizmie i jakie znaczenie biologiczne może mieć jego obecność. Jedno jest natomiast pewne: za prostym określeniem „woda wodorowa” kryje się znacznie ciekawsza historia - historia małej cząsteczki, która stała się przedmiotem badań nad jednym z podstawowych mechanizmów utrzymywania równowagi w organizmie.