Tlen: toksyczny pierwiastek życia

Tlen: toksyczny pierwiastek życia Wykład 1 Biochemia stresu oksydacyjnego Dr hab. Agnieszka Łoboda Literatura: Grzegorz Bartosz Druga twarz tlenu Barry Halliwell & John Gutteridge Free radicals in biology and medicine

Trochę o tlenie Spośród kilkunastu izotopów tlenu trzy są stabilne: 16 O (>99%) 17 O (0.04%) 18 O (0.2%) Konfiguracja elektronowa atomu tlenu elektrony sparowane są to dwa elektrony o przeciwnej orientacji spinów należące do tego samego poziomu orbitalnego elektron niesparowany jest to elektron znajdujący się na poziomie orbitalnym, na którym nie ma innego elektronu reguła Hunda: jak najwięcej elektronów niesparowanych w danej podpowłoce reguła Pauliego: dwa elektrony w jednym poziomie orbitalnym muszą mieć przeciwną orientację spinu

Paradoks tlenowy Z wyjątkiem organizmów anaerobowych i aerotolerancyjnych, wszystkie zwierzęta, rośliny i bakterie potrzebują O 2 do produkcji energii. Z drugiej strony, tlen ze względu na swoją konfigurację elektronową, jest potencjalnie toksyczny. wytworzyć mechanizmy antyoksydacyjne = przetrwać w nieprzyjaznym środowisku tlenu pomimo istnienia mechanizmów antyoksydacyjnych i naprawczych, uszkodzenia oksydacyjne pozostają nieuniknioną konsekwencją życia w warunkach tlenowych

Dawno, dawno temu.. - Wczesna atmosfera była bogata w metan i wodór, czyli miała nadmiar czynników redukujących. - Pierwsze organizmy były heterotrofami zależnymi od abiotycznych źródeł związków organicznych lub chemotrofami uzyskującymi energię z wodoru, siarkowodoru i metanu, wykorzystującymi jako akceptory elektronów dwutlenek węgla lub siarczany.

Dawno, dawno temu.. - Beztlenowe bakterie fotosyntetyzujące (bakterie purpurowe i zielone bakterie siarkowe) wykorzystywały związki siarki (siarkowodór, siarkę, tiosiarczan), wodór lub kwasy organiczne do pozyskiwania energii. Prawdopodobnie były pierwszymi organizmami fotosyntezującymi. - Około 3.2-2.4 miliarda lat temu pojawiły się sinice, które mogły wykorzystywać energię słoneczną do utleniania wody. Uwolniony wodór potrzebny był do przeprowadzenia metabolicznych reakcji redukcji. Reakcja utleniania wody prowadziła do powstania jednej cząsteczki tlenu z dwóch cząsteczek wody w procesie czteroelektronowego utlenienia.

Dawno, dawno temu.. Miliony lat temu 3500 Promieniowanie słoneczne bombarduje powierzchnię Ziemi Początki życia anaerobowego >2500 Cyjanobakterie uwalniają O 2 : 2H 2 O O 2 + 4H + + 4e - 1300 Poziom tlenu atmosferycznego osiąga 1% Początek ewolucji eukariontów 500 Poziom tlenu atmosferycznego osiąga 10% Warstwa ozonowa pochłania wystarczająco dużo UV, aby umożliwić wyjście organizmów na ląd 65 Pojawienie się naczelnych 5 Poziom tlenu atmosferycznego osiąga 21% Pojawienie się człowieka Zysk przejścia do życia tlenowego: efektywna produkcja energii

Dawno, dawno temu.. Właściwości chemiczne tlenu - Tlen stanowi ok. 1/4 masy Ziemi (53,8% atomów skorupy Ziemi to atomy tlenu) i ok. 3/4 masy ciała ssaków. - W dolnych warstwach atmosfery tlen stanowi 21% objętości (w 1 L powietrza jest 210 ml tlenu). - Jest 5-8 razy lepiej rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych niż w wodzie (uszkodzenia oksydacyjne w obrębie hydrofobowego środowiska membran biologicznych) - Po raz pierwszy został otrzymany w stanie czystym w 1774 roku przez Josepha Priestleya z tlenku rtęci. W atmosferze tlenu: * świeca płonęła bardziej jaskrawo, * mysz zamknięta pod szczelnym kloszem żyła dłużej, * Josephowi Priestley'owi oddychało się przyjemniej. Joseph Priestley

Dawno, dawno temu.. Element patriotyczny prof. Karol Olszewski Uzyskanie ciekłego tlenu: 29 marca 1883, Uniwersytet Jagielloński prof. Zygmunt Wróblewski

Pojemność oddechowa: Tlen: pierwiastek życia - W spokojnym oddechu człowiek wdycha ok. 500 ml powietrza. - Maksymalny wdech to ok. 3,5 L powietrza, pojemność życiowa to ok. 4,8 L. - W spoczynku człowiek przepuszcza przez płuca ok. 6-8 L powietrza na minutę (wentylacja minutowa). Podczas intensywnego wysiłku - do 120 L powietrza. 80 78 78 % 70 60 50 40 30 20 21 17 wdech wydech 10 0,03 4 0,97 1 0 azot tlen dwutlenek węgla pozostałe gazy W.Z. Traczyk (red): Fizjologia człowieka z elementami fizjologii stosowanej i klinicznej

Tlen: pierwiastek życia

Tlen: pierwiastek życia Zawartość tlenu w tkankach i płynach ustrojowych: - Ciśnienie parcjalne tlenu w krwi żylnej to 40 mmhg (53,3 hpa, 53 mmol/l, 15,3%). - Wewnątrz komórek istnieje gradient tlenu: najwyższe stężenie jest pod błoną komórkową, najniższe w mitochondriach (-> mit. główny konsument tlenu) - Tlen jest ok. 5-8 razy lepiej rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych (także w lipidach błon komórkowych) niż w wodzie. Zawartość tlenu w narządach: - Krew tętnicza: 20% - Krew żylna: 15.3% - Wątroba, serce, nerki: 4-14% - Mózg: 0.5-7% - Oko (siatkówka, ciało szkliste): 1-5% - Szpik kostny: 0-4%

Tlen: pierwiastek życia Tlenowce - Organizmy wymagające do przeżycia tlenu Beztlenowce względne - Organizmy mogące żyć w atmosferze tlenowej i beztlenowej, w tym mikroaerofile lepiej rosnące przy zmniejszonej zawartości tlenu: * Campylobacter jejuni (wywołuje biegunki) * Treponema pallidum (krętek blady - wywołuje kiłę) Beztlenowce bezwzględne - Organizmy mogące żyć wyłącznie w atmosferze beztlenowej * Clostridium tetani (pałeczka tężca)

Terapia hiperbaryczna Tlenoterapia hiperbaryczna (HBO) jest to metoda leczenia różnych schorzeń polegająca na oddychaniu czystym tlenem w warunkach zwiększonego ciśnienia wytwarzanego w komorze hiperbarycznej. Pobyt pacjentów w warunkach zwiększonego ciśnienia, w trakcie którego pacjenci oddychają 100% tlenem, dostarczanym przez indywidualny układ oddechowy. Oddychanie tlenem trwa godzinę, do tego dochodzą jedna lub dwie kilkuminutowe przerwy, podczas których można oddychać bez układów oddechowych. Tlen hiperbaryczny jest lekiem i jak każdy lek ma określone wskazania i przeciwwskazania do jego stosowania. Bezwzględnym przeciwwskazaniem do stosowania terapii tlenem hiperbarycznym może być ciężka choroba płuc. Do względnych przeciwwskazań zalicza się niektóre choroby przewlekłe takie jak: astma, padaczka, ciężka klaustrofobia oraz przebyte leczenie wybranymi lekami. Czasowe przeciwwskazanie dla prowadzenia terapii mogą stanowić ostre stany gorączkowe, infekcje dróg oddechowych, uszu, nosa i zatok. komory hiperbaryczna

Terapia hiperbaryczna Zgorzel gazowa - Zgorzel gazowa jest gwałtownie postępującym zakażeniem wywoływanym przez toksyny Clostridium perfringens, Clostridium septicum, Clostridium histolyticum lub Clostridium novyi. Clostridium perfringens - Do najczęstszych czynników predysponujących należą ciężkie urazy penetrujące lub zmiażdżenie tkanek z towarzyszącym upośledzeniem ukrwienia. - Zgorzel gazowa może spowodować martwicę skóry, tkanki podskórnej i mięśni. Występowanie fioletowych pęcherzy skórnych, oddzielanie się fragmentów martwiczej skóry, znaczny obrzęk i objawy toksemii ogólnoustrojowej stanowią wskazanie do natychmiastowej interwencji chirurgicznej. Jednocześnie stosuje się leki przeciwbakteryjne. rozwijająca się zgorzel gazowa

Trudnogojące się rany Terapia hiperbaryczna - Przykład leczenia - pacjenci: * 94 pacjentów w wieku 33 do 76 lat (średnio 42 lata) z cukrzycą od 1,5 do 32 lat powikłaną zespołem stopy cukrzycowej, poddanych hiperbarycznej terapii tlenowej (HBO). * U 9,6% pacjentów rozpoznano przed terapią HBO znacznego stopnia zaburzenia przepływu krwi w tętnicach nóg z powodu miażdżycy, z czego u 5 wykonano przed terapią zabiegi naczyniowe (pomostowanie, stenty). - Przykład leczenia - procedura: * wyrównanie cukrzycy i towarzyszących zaburzeń metabolicznych, * chirurgiczne opracowanie rany * hiperbaria tlenowa (od 2 do 60 ekspozycji) * terapia przeciwbakteryjna. - Przykład leczenia - wyniki: * u 27,7% pacjentów rany zagoiły się całkowicie, * u 39,4% doszło do znacznej poprawy stanu miejscowego. * w trakcie leczenia u 11,6% pacjentów wykonano amputacje * u wszystkich pacjentów poddanych leczeniu w komorze hiperbarycznej doszło do redukcji objawów infekcji w ranie. Polskie Towarzystwo Chirurgii Naczyniowej

Terapia hiperbaryczna Zatrucie tlenkiem węgla - W każdym przypadku zatrucia tlenkiem węgla pacjentowi powinien być podany czysty tlen, tak szybko, jak to tylko możliwe. - Główną zaletą terapii hiperbarycznej w leczeniu zatrucia tlenkiem węgla jest zapobieganie długotrwałym efektom działania tlenku węgla takich jak: problemy z pamięcią, utrzymaniem równowagi i koordynacją ruchów. Terapia może również pomóc powrócić do zdrowia szybciej, niż w normalnych warunkach atmosferycznych. W ciężkich przypadkach zatruć terapia ta ratuje pacjentom życie. - W stanach zatrucia tlenkiem węgla tlen hiperbaryczny wspomaga usuwanie CO z komórek i krwi drogą oddechową i redukuje uszkodzenia spowodowane przez tlenek węgla. Zwiększone ciśnienie redukuje obrzęk w obszarze uszkodzonych tkanek.

Tlen: pierwiastek życia "Bary tlenowe" Polskie Centrum Terapii Tlenowej - Lista korzyści, które właściciele barów tlenowych obiecują w swoich ulotkach reklamowych, jest imponująca. Dzięki kuracji tlenowej zapewniają wzmocnisz swój system immunologiczny, dotlenisz serce, zwiększysz sprawność fizyczną i psychiczną, odtrujesz organizm, zredukujesz skutki stresu, opóźnisz starzenie. Kuracja taka działa też wspomagająco w stwardnieniu rozsianym, odchudzaniu, chorobach niedokrwienia mózgu i siatkówki oka, obniża natężenie migren, jest niezastąpioną formą kosmetyki, chroni przed zespołem przewlekłego zmęczenia, łagodzi dolegliwości związane z menopauzą i andropauzą oraz zmienia punkt pracy komputera w mózgu (Polityka 48; 2002).

Tlen: pierwiastek (krótkiego) życia Właściwości chemiczne tlenu - Czysty tlen (0,3 atm) zmniejsza długość życia Drosophila melanogaster. Przy ciśnieniu 1 atm jest dla niej letalny. - Rośliny naczyniowe rosnące w podwyższonym stężeniu tlenu wykazują: * zahamowanie rozwoju chloroplastów * zmniejszenie żywotności nasion i wzrostu korzeni * nasilone opadanie liści * zwiększona częstość anomalii wzrostu - U ssaków oddychanie czystym tlenem przez kilkadziesiąt godzin powoduje: * uszkodzenie i obrzęk pęcherzyków płucnych * obumieranie nabłonka płucnego * nasilone wytwarzanie kolagenu i włóknienie płuc * pęcznienie mitochondriów i uszkodzenie miofibryli mięśnia sercowego * pęcznienie mitochondriów w hepatocytach * uszkodzenie kłębuszków nerkowych

Tlen: pierwiastek (krótkiego) życia 20h, 100% O 2, 1 atm 40h, 100% O 2, 1 atm Barber, R. E., Lee, J. & Hamilton, W. K. 1970. Oxygen Toxicity in Man. NEJM

Tlen: pierwiastek (krótkiego) życia Skutki hyperoksji u myszy uszkodzenie płuc przepuszczalność naczyń obrzęk zawartość kolagenu naciek neutrofili Sue et al. J Immunol 2004

Choroby wywoływane podwyższonym stężeniem tlenu Retinopatia wcześniaków (zwłóknienie pozasoczewkowe, choroba Terry'ego) - Jest obustronną zmianą, która występuje u wcześniaków trzymanych w inkubatorach z wysokim ciśnieniem tlenu. Prowadzi to do: * skurczu naczyń siatkówki, * zniszczenia komórek śródbłonka naczyń siatkówki * następowego obrzęku tkanek * zaniku funkcjonalnych naczyń - Hyperoksja hamuje syntezę śródbłonkowego czynnika wzrostu (VEGF vascular endothelial growth factor) w niedojrzałych naczyniach siatkówki. Obniżenie poziomu VEGF wywołuje apoptozę śródbłonka. - Gdy noworodek zaczyna oddychać normalnym powietrzem, następuje: * wzrost produkcji VEGF * proliferacja naczyń w siatkówce * bliznowacenie i odklejenie siatkówki

Choroby wywoływane podwyższonym stężeniem tlenu Retinopatia wcześniaków - Aktywna faza choroby zaczyna się zwykle między 10 a 28 dniem życia po okresie skurczu naczynia siatkówki ulegają poszerzeniu i skręceniu. - Po zaprzestaniu tlenoterapii w ogniskach uszkodzenia siatkówki przez niedotlenienie dochodzi do neowaskularyzacji (obserwuje się krwinkotoki i włóknienie). - W miarę postępu choroby - siatkówka z nowo utworzonymi naczyniami i tkanką włóknistą oddzielają się i przesuwają do przodu (do przestrzeni poza soczewką zwłóknienie pozasoczewkowe) Możliwości terapeutyczne: * retinopatia może ustąpić samoistnie * aby zapobiec odklejeniu siatkówki może być niezbędna krioterapia lub laseroterapia * może wystąpić krótkowzroczność lub ślepota (przy odklejeniu siatkówki)

Choroby wywoływane podwyższonym stężeniem tlenu Retinopatia wcześniaków Naczynia z widocznymi ogniskami proliferacji (strzałki) i akumulacją tkanki mezenchymalnej (gwiazdka). Odwarstwienie siatkówki

Co jest przyczyną toksycznego efektu tlenu? Pierwsze sugestie wyjaśniające toksyczność O 2 dotyczyły bezpośredniego hamowania enzymów komórkowych przez tlen cząsteczkowy, np. nitrogenazę (kompleks enzymatyczny katalizujący reakcje wiązania azotu) u Clostridium pasteurianum. Jednak u tlenowców większość enzymów pozostaje niewrażliwa na O 2. W 1954 roku Gershman i Gilbert zaproponowali, że większość toksycznych efektów O 2 jest związanych z utworzeniem rodników tlenowych, np. anionorodnik ponadtlenowy hamuje enzymy cyklu Krebsa: akonitazę i fumarazę.

Co to jest wolny rodnik? Wolny rodnik to atom lub cząsteczka zdolna do samodzielnego istnienia, mająca jeden lub więcej niesparowanych elektronów na orbicie walencyjnej. Obecność niesparowanego elektronu powoduje, że wolne rodniki są przyciągane (choć słabo) przez pole elektromagnetyczne - wykazują właściwości paramagnetyczne. Cząsteczka tlenu ma dwa niesparowane elektrony jest birodnikiem. Wolne rodniki charakteryzuje zwykle wysoka reaktywność: dążąc do sparowania elektronów, zazwyczaj szybko wchodzą w reakcje.

Jak powstaje wolny rodnik? 1. Utrata pojedynczego elektronu przez nie-rodnik X e - + X + 2. Zyskanie pojedynczego elektronu przez nie-rodnik Y + e - Y - 3. Rozszczep homolityczny wiązania kowalencyjnego A : B A + B (każdy atom dostaje jeden elektron z wiązania kowalencyjnego)

Rozszczep homolityczny i heterolityczny wody ROZSZCZEP HETEROLITYCZNY H : O : H jonizacja wody oba elektrony dla atomu tlenu (O) H + + OH - Jon wodorowy 1 proton 0 elektronów (ładunek dodatni) Jon hydroksylowy 9 protonów 10 elektronów (ładunek ujemny) radioliza wody jeden elektron dla tlenu jeden dla wodoru ROZSZCZEP HOMOLITYCZNY H + OH rodnik wodorowy 1 proton 1 elektron (ładunek zerowy) rodnik hydroksylowy 9 protonów 9 elektronów (ładunek zerowy)

Definicja stresu oksydacyjnego Stres oksydacyjny - Stres oksydacyjny to zaburzenie homeostazy prowadzące do wzrostu stężeń reaktywnych form tlenu. Prowadzi to do zaburzenia równowagi prooksydacyjno-antyoksydacyjnej w kierunku reakcji utlenienia.

Stres oksydacyjny

ROS i RNS Reaktywne formy tlenu: - anionorodnik ponadtlenkowy (O 2.- ) - nadtlenek wodoru (H 2 O 2 ) - rodnik hydroksylowy (. OH) - tlen singletowy ( 1 O 2 ) - rodnik peroksylowy (LOO. ) - rodnik alkoksylowy (LO. ) - wodoronadtlenek lipidowy (LOOH) - nadtlenoazotyn (ONOO - ) - kwas podchlorawy (HOCl) - ozon (O 3 ) Reaktywne formy azotu: - tlenek azotu (. NO) - nadtlenoazotyn (ONOO - ) - dwutlenek azotu (. NO 2 ) Endogenne źródła ROS i RNS: - oksydazy NADPH - mitochondria (łańcuch transportu elektronów i oksydazy) - oksydoreduktaza ksantynowa - cytochromy P450 - syntazy tlenku azotu - peroksysomy

Tlen i jego pochodne σ*2p π*2p π2p σ2p σ*2s σ2s σ*1s σ1s O 2-2 delta sigma tlen trypletowy anionorodnik ponadtlenkowy jon nadtlenkowy rodnik hydroksylowy tlen singletowy tlen singletowy

Reaktywność tlenu

Tlen trypletowy i tlen singletowy Stan singletowy nie jest w przypadku O 2 stanem podstawowym, lecz wzbudzonym, o wyższej energii, natomiast stanem podstawowym jest stan trypletowy. Jest to układ odwrotny niż dla większości cząsteczek chemicznych. Dlaczego tlen trypletowy jest mało reaktywny? Aby tlen trypletowy utlenił inną cząsteczkę i uległ dwuelektronowej redukcji, musi przyjąć od niej dwa elektrony. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, oba te elektrony muszą mieć równoległe spiny, antyrównoległe w stosunku do spinów niesparowanych elektronów w cząsteczce tlenu => utleniana cząsteczka też musi być w stanie trypletowym (o co nie jest łatwo) lub musi nastąpić odwrócenie spinu jednego z elektronów takiej cząsteczki (co wymaga energii). Dlatego tlen trypletowy jest mało reaktywny.

Tlen trypletowy i tlen singletowy tlen singletowy Σ Tlen singletowy powstaje w wyniku wzbudzenia cząsteczki tlenu trypletowego. 157 kj/mol tlen singletowy Δ 94 kj/mol tlen trypletowy Dostarczona energia musi wystarczyć na przegrupowania elektronów w cząsteczce (wypadkowy spin = 0). Wzbudzenie cząsteczki do stanu singletowego może nastąpić po zaabsorbowaniu kwantu promieniowania nadfioletowego (lub promieniowania o wyższej energii) lub w wyniku niektórych reakcji chemicznych. TLEN SINGLETOWY MOŻE ŁATWO REAGOWAĆ Z INNYMI CZĄSTECZKAMI SINGLETOWYMI

Redukcja tlenu - Całkowita redukcja tlenu to przyłączenie do cząsteczki tlenu 4 elektronów i 4 protonów, w wyniku czego powstają 2 cząsteczki wody: O 2 + 4e - + 4H + 2H 2 O Reakcja jest egzoergiczna, a powstająca woda jest nieaktywna względem składników komórki. - Powyższa reakcja nie zachodzi jednak łatwo (kłopot ze znalezieniem partnerów do reakcji dwuelektronowych). Dlatego tlen trypletowy reaguje ze związkami jednoelektronowo, a produktem jest anionorodnik ponadtlenkowy. O 2 + e - O 2 -

Redukcja tlenu - Tlen tripletowy może reagować z wieloma związkami jednoelektronowo. Powstaje wówczas:. * anionorodnik ponadtlenkowy 0 2, wolny rodnik będący anionem. O 2 + e - O 2 superoxide radical anion - Anionorodnik ponadtlenkowy w roztworze wodnym może też przyłączyć proton, tworząc obojętny: * rodnik ponadtlenkowy (rodnik wodoronadtlenkowy).. O 2 + H + HO 2 hydroperoxyl radical - Przyłączenie kolejnego elektronu do anionorodnika ponadtlenkowego daje (po dołączeniu do produktu reakcji protonów): * nadtlenek wodoru H 2 O 2, mniej reaktywny od większości rodników, ale bardziej reaktywny niż tlen cząsteczkowy. Jest produktem dwuelektronowej redukcji tlenu.. O 2 + 2e - + 2H + H 2 O 2 O 2 + e - + 2H + hydrogen peroxide - Przyłączenie trzech elektronów do cząsteczki tlenu daje: * rodnik hydroksylowy, jedną z najbardziej reaktywnych cząstek w układach biologicznych. H 2 O 2 + e - + H + H 2 O + OH hydroxyl radical

Redukcja tlenu 2e - 2H + Reaktywne formy tlenu są produktami kolejnych stopni redukcji cząsteczki tlenu. Produkty redukcji i wzbudzenia tlenu są bardziej reaktywne niż tlen trypletowy. Reaktywne formy tlenu lepsza nazwa, niż wolne rodniki tlenowe, gdyż tlen singletowy (bardzo reaktywny) i nadtlenek wodoru (reaktywny) nie są rodnikami. Reaktywne formy tlenu reagują ze składnikami organizmów żywych.

Reakcje wolnorodnikowe - Są z reguły szybkie, ale mało specyficzne (zwykle im szybsze tym mniej specyficzne) - Reakcje wolnorodnikowe obejmują: * Reakcje inicjacji * Reakcje propagacji * Reakcje terminacji Reakcje inicjacji Reakcje, w których z cząsteczek nie będących wolnymi rodnikami powstają wolne rodniki. Zachodzą w wyniku: * Homolizy * Radiolizy * Fotolizy * Sonolizy * Jednoelektronowych reakcji redoks

Reakcje wolnorodnikowe Homoliza - Rozpad cząsteczek zawierających słabe wiązania, w którego wyniku z dwu elektronów zaangażowanych w utworzenie wiązania powstające fragmenty otrzymują po jednym. A B.. A + B - W temperaturze fizjologicznej tylko związki o bardzo słabych wiązaniach mogą ulegać homolizie. - Homoliza inicjatorów nie ma znaczenia jako fizjologiczne źródło wolnych rodników. - Homoliza termiczna spalanie w temp. ok. 900 C liści tytoniu i wciąganie do płuc powstające produkty spalania czyli palenie papierosów (dym jest bardzo bogaty w wolne rodniki).

Radioliza Reakcje wolnorodnikowe - Rozpad cząsteczek po wpływem promieniowania jonizującego. Fotoliza - Rozpad cząsteczek związku chemicznego wywołany absorbcją fotonu. Sonoliza - Rozpad cząsteczek związku chemicznego pod wpływem ultradźwięków. Jednoelektronowe reakcje redoks - Zredukowane formy wielu związków niskocząsteczkowych (RH 2 ) reagują z tlenem ulegając jednoelektronowemu utlenieniu, co prowadzi do powstania anionorodnika ponadtlenkowego i wolnego rodnika: RH 2 + O 2 RH + H + + O 2 - - Reakcje tego typu są główną drogą powstawania rodnika ponadtlenkowego w komórkach.

Anionorodnik ponadtlenkowy - Powstaje w wyniku jednoelektronowej redukcji tlenu.. O 2 + e - O 2 - Jego aktywność jako czynnika utleniającego jest niewielka, częściej działa jako czynnik redukujący. - Może utleniać: * centra siarkowo-żelazowe enzymów (np. akonitazy) ich utlenienie prowadzi do utlenienia żelaza i inaktywacji enzymów; * NO powstaje nadlenoazotyn - W roztworach wodnych znajduje się w równowadze ze swą uprotonowaną formą, rodnikiem wodoronadtlenkowym.. O 2 + H + HO 2 - W ph = 7,4 ok. 0,2% anionorodników ponadtlenkowych jest w formie uprotonowanej, łatwiej przenikającej przez błony niż obdarzony ładunkiem anionorodnik ponadtlenkowy.

Anionorodnik ponadtlenkowy - Stężenie bazalne anionorodnika ponadtlenkowego w typowej komórce to ok. 10-11 mol/l, w chloroplastach ok. 10-9 mol/l. - W obecności żelaza reaguje z nadtlenkiem wodoru dając rodnik hydroksylowy (reakcja Habera-Weissa) Lub: (reakcja Fentona) - Anionorodnik ponadtlenkowy reaguje z większą liczbą substancji i zwykle znacznie szybciej niż tlen. Może też reagować sam ze sobą. - Ulega spontanicznej dysmutacji do nadtlenku wodoru i tlenu; reakcja ta jest katalizowana przez dysmutazy ponadtlenkowe (SOD)

Nadtlenek wodoru - Powstaje w wyniku spontanicznej lub katalizowanej przez SOD dysmutacji anionorodnika ponadtlenkowego. - Nie jest silny utleniaczem, ale może bezpośrednio utleniać: * grupy siarkowo-wodorowe (SH) enzymów, prowadząc do zahamowania aktywności np. fosfataz. - W stanie czystym jest niebieskawym, lepkim płynem, wrzącym w temperaturze +150C, absorbującym światło w zakresie UV. - Jest stosunkowo stabilny, ale w obecności metali przejściowych może ulegać dysproporcjonowaniu: H 2 O 2 + H 2 O 2 H 2 O + O 2 Perhydrol (od 1907 roku zastrzeżona prawem patentowym nazwa handlowa), czyli 30% wodny roztwór, oraz 3 5% roztwory do użytku domowego o nazwie woda utleniona.

Nadtlenek wodoru - Jest źródłem rodnika hydroksylowego powstającego w obecności żelaza w reakcji Fentona lub w obecności miedzi Cu + : Fe 2+ + H 2 O 2 'OH + OH - + Fe 3+ Cu + + H 2 O 2 'OH + OH - + Cu 2+ - Reaguje z jonem chlorkowym Cl - tworząc kwas podchlorawy w reakcji katalizowanej przez mieloperoksydazę (zwłaszcza w fagocytach): - Jest rozkładany do wody przez: * katalazy * peroksydazy glutationowe * peroksyredoksyny

Nadtlenek wodoru - Stężenie H 2 O 2 w typowej komórce to ok. 10-8 mol/l. - Skrajnie wysokie stężenia obserwuje się w zdrowych soczewkach oka ludzi - ok. 10-25 mmol/l. - Wysokie stężenia są również w moczu (ok. 100 mmol/l - efekt antyseptyczny), zwłaszcza po wypiciu kawy i herbaty - czarnej lub zielonej (i kawa i herbata zawierają dużo H 2 O 2 - ok. 100 mmol/l). - Sporo H 2 O 2 jest też w miodzie (efekt antyseptyczny).

Rodnik hydroksylowy - Powstaje w wyniku: * jednoelektronowej redukcji nadtlenku wodoru (najważniejsze źródło rodnika hydroksylowego w komórkach) H 2 O 2 + e - + H +. H 2 O + OH * homolizy wody pod wpływem promieniowania promieniowania jonizującego * homolizy nadtlenku wodoru pod wpływem światła UV * reakcji kwasu podchlorawego z anionorodnikiem ponadtlenkowym (reakcja istotna zwłaszcza w fagocytach)

Rodnik hydroksylowy - Jest jednym z najbardziej reaktywnych utleniaczy i może reagować praktycznie ze wszystkimi substancjami w komórce. - Reakcje są bardzo szybkie i mało specyficzne - OH utleni prawdopodobnie pierwszą cząsteczkę organiczną (lub jon metalu), którą napotka.

Rodnik hydroksylowy - Powstaje w wyniku: * rozkładu kwasu nadtlenoazotawego (powstającego w wyniku protonowania nadtlenoazotynu) * reakcji wzbudzonego dwutlenku azotu z wodą: - Ze względu na reaktywność jest bardzo nietrwały. - Stężenia rodnika hydroksylowego w komórkach są tak małe, że nie można go wykryć metodami bezpośrednimi

Tlen singletowy - Tlen singletowy jest wzbudzoną formą tlenu cząsteczkowego, nie jest wolnym rodnikiem. - Powstaje w wyniku: * reakcji fotouczulania, w której endogenny fotouczulacz (PS) (np. porfiryna) jest wzbudzany (PS*) pod wpływem światła. Energia wzbudzenia przekazywana jest następnie na tlen, przekształcając go w tlen singletowy. Fotouczulacz powraca natomiast do stanu podstawowego. * wybuchu tlenowego w fagocytach, kiedy w trakcie reakcji zapalnej powstaje kwas podchlorawy, reagujący z nadtlenkiem wodoru. * peroksydacji lipidów reakcji dwóch rodników peroksylowych (z jednoczesnym tworzeniem alkoholu (LOH) i ketonu (LO):

Tlen singletowy - Tlen singletowy oddziałuje z innymi cząsteczkami poprzez: * przekazanie energii wzbudzenia (przechodzi przy tym w stan tripletowy; jest to tzw. gaszenie tlenu singletowego) * wejście w rekcję chemiczną - Tlen singletowy jest silnym utleniaczem. Reaguje z: * lipidami (prowadząc do peroksydacji) * białkami (prowadząc do utleniania łańcuchów bocznych, inaktywacji, złego fałdowania, nasilonej degradacji w proteasomach) * kwasami nukleinowymi (prowadząc do modyfikacji zasad i pęknięć nici) - Najbardziej podatne na uszkodzenie przez tlen singletowy są: * reszty histydyny * reszty metioniny * reszty tryptofanu * reszty tyrozyny * reszty cysteiny * guanina - Tlen singletowy reaguje z antyoksydantami. Inaktywowany jest również przez karotenoidy (z marchewek) i likopen (z pomidorów).

Opryszczka Leczenie światłem rola rodników tlenowych - Wiele maści przeciwko opryszczce zawiera barwnik uczulający (czerwień obojętną, proflawinę). Wnikają one do komórek i wiążą się z DNA. Po naświetleniu uszkadzają DNA. Łuszczyca - Jednymi z leków stosowanych w łuszczycy są psoraleny. Psoraleny są wzbudzane światłem UV (320-400 nm), co jest podstawą terapii PUVA (psoralen + ultrafiolet A). Terapia fotodynamiczna (PDT, photodynamic therapy) jest powszechnie wykorzystywana w schorzeniach przednowotworowych i nowotworowych skóry. Polega ona na współdziałaniu światła laserowego oraz fotouczulacza gromadzonego wybiórczo w tkance nowotworowej, w efekcie czego następuje selektywne niszczenie tkanki nowotworowej poprzez aktywację procesów fotobiochemicznych Terapia fotodynamiczna wymaga zatem trzech składników: - barwnika zwanego fotosensybilizatorem, uczulającego tkankę nowotworową na działanie światła, - źródła światła zdolnego do wzbudzenia zakumulowanego w tkance nowotworowej barwnika, - tlenu rozpuszczonego w tkance

Tlenek azotu - Tlenek azotu jest wolnym rodnikiem (ma niesparowany elektron). - Odgrywa kluczową rolę w prawidłowym funkcjonowaniu układu krążenia, układu nerwowego i i układu odpornościowego: * jest wazodylatorem * jest neurotransmiterem * jest czynnikiem toksycznym dla patogenów - Produkowany jest: * przez syntazy tlenku azotu (NOS) * z azotanów i azotynów - Tlenek azotu reaguje z białkami, zwłaszcza zawierającymi: * centra żelazowo-siarkowe * jony metali przejściowych * grupy hemowe - Tlenek azotu może uwalniać żelazo z ferrytyny

Tlenek azotu

Tlenek azotu - Tlenek azotu jest nietrwały w obecności tlenu. W natlenionych roztworach wodnych jego okres półtrwania wynosi kilka sekund, a tlenek azotu reaguje z tlenem dając dwutlenek azotu: 2NO + O 2 2NO 2 - Dwutlenek azotu reaguje ze związkami nienasyconymi tworząc wolne rodniki, w których niesparowany elektron jest zlokalizowany na atomie węgla. - W roztworach wodnych o ph obojętnym dwutlenek azotu ulega dysproporcjonowaniu, tworząc anion azotynowy i azotanowy: NO + H 2 O NO 2 - + NO 3 - + 2H + - Tlenek azotu bardzo szybko reaguje z anionorodnikiem ponadtlenkowym tworząc nadtlenoazotyn: NO + O 2- ONOO -

Nadtlenoazotyn - Nadtlenoazotyn jest silnym utleniaczem, reagującym przede wszystkim z: * grupami SH i centrami żelazowo-siarkowymi białek * resztami nienasyconych kwasów tłuszczowych lipidów * anionem HCO 3-, tworząc rodnik wodorowęglanowy H + + ONOO - + HCO 3 - HCO 3 + NO 2 + OH - - Rodnik węglanowy jest silnym utleniaczem i ze względu na dużą zawartość CO 2 w komórkach może odgrywać ważną rolę w uszkodzeniach wywoływanych przez nadtlenoazotyn. - Może być źródłem rodnika hydroksylowego - Nadtlenoazotyn jest nietrwały (okres półtrwania to ok. 1 s), ale może dyfundować na znaczne odległości w komórce. - Charakterystyczna reakcja nadtlenoazotynu to nitrowanie reszt tyrozynowych w białkach.

Nadtlenoazotyn - Nadtlenoazotyn hamuje działanie między innymi: * oksydazy cytochromowej (i innych składników łańcucha oddechowego) * akonitazy (kluczowego enzymu cyklu Krebsa) * innych białek zawierających centra żelazowo-siarkowe. - Najważniejszym antyoksydantem usuwającym nadtlenoazotyn jest glutation i reakcje katalizowane przez peroksyredoksyny i peroksydazy glutationowe.

Nadtlenoazotyn - Jest mało selektywnym oksydantem utleniającym wszystkie typy makrocząsteczek i antyoksydanty niskocząsteczkowe.

Rodniki peroksylowe i alkoksylowe - Powstają w wyniku peroksydacji lipidów przez rodnik hydroksylowy. Rodnik odbiera atom wodoru z cząsteczki lipidu (LH), prowadząc do utworzenia rodnika alkilowego (L ). W obecności tlenu rodnik ten przekształca się w rodnik peroksylowy (LOO ). - Rodnik peroksylowy i alkoksylowy może odbierać atom wodoru z sąsiednich cząsteczek lipidów, prowadząc do propagacji peroksydacji. Jednocześnie rodnik peroksylowy jest redukowany do nadtlenku lipidu. Rozkład nadtlenku lipidu w obecności jonów metali prowadzi do powstawania rodnika alkoksylowego (LO ) lub peroksylowego (LOO ).

Rodniki peroksylowe i alkoksylowe - Są silnymi utleniaczami. Wywołują: * peroksydację lipidów * utleniania białek (prowadzące do dysfunkcji białek strukturalnych i inaktywacji enzymów) * utlenianie DNA (prowadzące do modyfikacji zasad azotowych) - Reagując ze sobą rodniki peroksylowe dostarczają tlen singletowy. - Inaktywacja rodników peroksylowych i alkoksylowych zachodzi poprzez reakcje z przeciwutleniaczami: * witaminą E * witaminą C * glutationem * bilirubiną

Kwas podchlorawy - Kwas podchlorawy powstaje w reakcji nadtlenku wodoru i chlorku, w reakcji katalizowanej przez mieloperoksydazę w fagocytach. - MPO wykorzystuje również nadtlenek wodoru do utleniania bromku i tiocyjanianu w wyniku czego powstają silne utleniacze: * kwas podbromawy HOBr * kwas podtiocyjanawy HOSCN - Kwas podchlorawy jest silnym utleniaczem, reagującym z białkami, lipidami, kwasami nukleinowymi i węglowodanami. - Produkcja kwasu podchlorawego w czasie wybuchu tlenowego w fagocytach stanowi istotny mechanizm obrony przed patogenami. W warunkach chronicznego zapalenia (np. w miażdżycy) może prowadzić do uszkodzenia tkanek organizmu. - Inaktywacja kwasu podchlorawego zachodzi w wyniku reakcji z glutationem lub tauryną (obecną zwłaszcza w neutrofilach).

Działanie reaktywnych form tlenu i azotu ROS i RNS mogą uszkadzać komórki, reagując z białkami, lipidami i kwasami nukleinowymi - Reagując z białkami powodują: * zmiany aktywności enzymów * zmiany strukturalne białek i ich nieprawidłowe fałdowanie * nasiloną degradację białek - Reagując z lipidami powodują: * peroksydację lipidów prowadzącą do uszkodzeń błony komórkowej * powstawanie toksycznych i mutagennych aldehydów (dialdehydu malonowego, 4- hydroksy-2-nonenalu, akroleiny) - Reagując z kwasami nukleinowymi powodują: * modyfikacje zasad azotowych * pęknięcia nici DNA * tworzenie nietypowych wiązań DNA-DNA i DNA-białka

Działanie reaktywnych form tlenu i azotu

Działanie reaktywnych form tlenu i azotu - ROS i RNS mogą powodować: * zaburzenia funkcji komórek * starzenie się komórek * cytotoksyczność * transformację nowotworową - Szkodliwe efekty ROS i RNS są ograniczane dzięki: * enzymom antyoksydacyjnym * endogennym związkom przeciwutleniającym * przeciwutleniaczom zawartym w pożywieniu - ROS i RNS mogą być ważnymi regulatorami szlaków transdukcji sygnałów, niezbędnymi dla prawidłowej aktywności komórek.

Zapraszam na wykład 2 Slajdy dostępne na stronie Zakładu Biotechnologii Medycznej