Reaktywne formy tlenu Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny
Tlen pierwiastek chorób i śmierci Negatywne działanie tlenu na organizm ludzki: uszkodzenie płuc prowadzące do ich zwłóknienia: uszkodzenie pęcherzyków płuc i ich obrzęk obumieranie nabłonka wyściełającego pęcherzyki płucne wzmożenie wytwarzania kolagenu zwłóknienie płuc zwłóknienie pozasoczewkowe prowadzące do ślepoty u niemowląt: zwężenie naczyń krwionośnych oka obumarcie naczyń doprowadzających krew do siatkówki wykształcenie się nowych naczyń krwionośnych wrastanie w ciało szkliste oka odrywanie się siatkówki głuchota w następstwie krwotoków do ucha wewnętrznego uszkodzenia ośrodkowego układu nerwowego 2
Tlen pierwiastek chorób i śmierci Negatywne działanie na rośliny: hamuje rozwój chloroplastów, zmniejsza żywotność nasion zmniejsza rozwój korzeni stymuluje opadanie liści zwiększa częstość wystąpienia anomalii wzrostu 3
Tlen zastosowanie w lecznictwie w zatruciu tlenkiem węgla w niedotlenieniu tkanek leczenie zgorzeli gazowej w terapii nowotworów stwardnienia rozsianym w niektórych chorobach płuc 4
Wolne rodniki tlenowe WOLNY RODNIK - jest to atom (lub cząsteczka) zdolny do samodzielnego istnienia, mający jeden lub więcej niesparowanych elektronów (na orbicie walencyjnej). Wolne rodniki: na ogół są bardzo reaktywne dążą do sparowania elektronów poprzez pozbycie się nadmiarowego elektronu przyłączenie elektronu od innej cząsteczki zazwyczaj szybko wchodzą w reakcje z wieloma różnymi cząsteczkami 5
FORMY WYSTĘPOWANIA TLENU: tlen trypletowy rozkład elektronów na orbitalach 3 O 2 p *2p tlen singletowy 1 O 2 p *2p tlen trypletowy możliwe są trzy orientacje względem zewnętrznego pola magnetycznego tym ustawieniom odpowiadają trzy różne poziomy energetyczne cząsteczki względnie stabilny chemicznie tlen singletowy wszystkie elektrony cząsteczki mają sparowane spiny wypadkowy spin jest równy zero bardziej reaktywny Wzbudzenie trypletowej cząsteczki tlenu do stanu singletowego: pochłonięcie kwantu promieniowania nadfioletowego (i promieniowania o mniejszej długości fali większej energii) niektóre reakcje chemiczne 6
Tlen może ulegać pełnej czteroelektronowej redukcji: O 2 + 4e - + 4 H + 2 H 2 O O 2 + e - O 2 -. anionorodnik ponadtlenkowy O 2 + 2e - +H + H 2 O 2 nadtlenek wodoru O 2 -. + e - + H + O 2 + 3e - +H +. OH rodnik hydroksylowy 7
Reakcje wolnorodnikowe Inicjacja zachodzi w wyniku: radiolizy - rozpad cząsteczek wody i substancji w niej rozpuszczonych pod wpływem promieniowania jonizującego fotolizy - działanie promieniowania świetlnego prowadzące do wzbudzenia, jonizacji lub rozpadu cząsteczek sonolizy związków organicznych działanie ultradźwiękami na roztwory wodne, prowadzące do powstawania w nich reaktywnych form tlenu jednoelektronowych reakcji redoks homolizy rozpad cząstek inicjatorów 8
Reakcje wolnorodnikowe Propagacja polega na zmianie nosicieli niesparowanych elektronów, przy nie ulegającej zmianie całkowitej liczbie wolnych rodników. przeniesienie atomów lub grupy atomów Q * + RH QH + R * H 2* C-CH 2 OH H 3 C-CH 2 OH + * OH H 3 C- * CHOH + H 2 O H 3 C-CH 2 O * 9
Reakcje wolnorodnikowe Propagacja addycja przyłączenie się wolnego rodnika do cząsteczki Q * + R C = C R 1 R C * C R 1 I I I I H H H H Q I 10
Reakcje wolnorodnikowe Propagacja b- eliminacja - rozerwanie wiązania w położeniu b względem niesparowanego elektronu w stabilnej cząsteczce przekształconej w wolny rodnik R C C * R * + C = C 11
Reakcje wolnorodnikowe Propagacja jednoelektronowe reakcje redoks R * + Q R + Q * przegrupowania wewnątrzcząsteczkowe (Ar) 3 C * CH 2 (Ar) 2 C * CH 2 Ar 12
Reakcje wolnorodnikowe Terminacja reakcja między dwoma wolnymi rodnikami, kończąca proces prolongacji R 1 * + R 2 * R 1 R 2 13
Naturalne (komórkowe) źródła wolnych rodników lizosom mieloperoksydaza mitochondria system transportu elektronów cytoplazma oksydaza ksantynowa, ryboflawina, aminy katecholowe, hemoglobina retikulum endoplazmatyczne oksydaza transportująca elektrony cytochrom P-450 błona komórkowa lipoksydazy, syntaza prostaglandynowa, oksydaza błonowa NADPH 14
Pozakomórkowe źródła wolnych rodników Promieniowanie: ultrafioletowe, jonizujące Warunki związane ze zmienną ilością tlenu atmosferycznego: komory hiperbaryczne stany zubożenia tlenowego Zanieczyszczenia powietrza np.: ozon, dwutlenek siarki, tlenki azotu, dym tytoniowy Środki spożywcze skażone np. pestycydami, insektycydami, konserwantami Niektóre leki i chemikalia tworzące rodniki w przemianach enzymatycznych np.: paracetamol, cytostatyki z grupy antracyklin: adriamycyna, daunorubina Czynniki wywołujące stres fizyczny i psychiczny Ksenobiotyki środowiska domowego kosmetyki, barwniki tekstylne, materiały izolacyjne i uszczelniające, rozpuszczalniki, środki ochrony drewna 15
Anionorodnik ponadtlenkowy O 2 -. HO 2. anionorodnik ponadtlenkowy rodnik wodoronadtlenkowy (postać uprotonowana) Reakcja dysproporcjonowania O 2 -* + O 2 -* HO 2* + HO 2 * H 2 O 2 + O 2 HO 2 * + O 2 -* 16
Anionorodnik ponadtlenkowy podobieństwa i różnice anionorodnik ponadtlenkowy rodnik wodoronadtlenkowy O 2 -* HO 2 * reaktywność dość duża stabilny reaktywność z anionami trudna łatwa przechodzenie przez błony trudno łatwo inicjacja peroksydacji lipidów nie zachodzi łatwo 17
Nadtlenek wodoru ulega reakcji dysproporcjonowania: H 2 O 2 + H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 utlenia grupy tiolowe, indolowe, fenolowe i tioestrowe łatwo przenika przez błony komórkowe utlenia jony metali przejściowych Fe +2 + H 2 O 2 OH * + OH - + Fe +3 Cu +1 + H 2 O 2 OH * + OH - + Cu +2 18
Rodnik hydroksylowy jeden z najsilniejszych utleniaczy niska bariera energetyczna mała specyficzność reakcji główne reakcje: oderwanie atomu wodoru od alkanów H 2 C * CH 2 OH H 3 C CH 2 OH + * OH H 3 C * CHOH + H 2 O H 3 C CH 2 O * addycja do podwójnego wiązania (np. kwasu oleinowego) H 3 C (CH 2 ) 7 HC = CH (CH 2 ) 7 COOH + * OH H 3 C (CH 2 ) 7 HC * CH (CH 2 ) 7 COOH OH 19
Inne aktywne formy tlenu alotropowa odmiana tlenu ozon O 3 występuje w atmosferze, pochłania promieniowanie ultrafioletowe, jest silną trucizną tlenek azotu NO powstaje w komórkach, w reakcjach z udziałem syntazy tlenku azotu, w dymie tytoniowym utlenia się do * NO 2, uczestniczy w powstawaniu rodników węglowych i ROO * 1 O 2 - tlen w stanie wzbudzenia, powstaje z rozpadu nadtlenków, pod wpływem światła, utlenia cholesterol, uszkadza aminokwasy: histydynę, metioninę, tyrozynę, cysteinę, ulega reakcji addycji do alkenów i wielonienasyconych kwasów tłuszczowych tworząc nadtlenki kwas nadtlenoazotawy HONO 2 - w reakcjach katalizowanych przez jony metali reaguje z grupami SH białek, jest dawca grupy -NO 2 w reakcji nitrowania nienasyconych kwasów tłuszczowych kwas podchlorawy HOCl wytwarzany głównie przez granulocyty obojętnochłonne w reakcji katalizowanej przez MPO, utlenia grupy tiolowe ( SH) białek i GSH (zredukowany glutation) 20
Tlenek azotu NO * połączenie: atomu tlenu z ośmioma elektronami atomu azotu z siedmioma elektronami reaguje z białkami: zawierającymi centra żelazowo-siarkowe, jony metali przejściowych grupy hemowe nietrwały w obecności tlenu 2NO * + O 2 2NO 2 * 21
Ditlenek azotu NO 2 * 2NO * + O 2 2NO 2 * reaguje ze związkami nienasyconymi tworząc wolne rodniki, z elektronem na atomie węgla H H H H NO 2 * + R C = C R 1 R C C * R 1 rodniki organiczne powstające w reakcjach z tlenem: rodniki nadtlenkowe ROO * rodniki alkoksylowe RO * (+ NO 2 ) w wodzie dysproporcjonowanie: NO 2 2NO 2 * + H 2 O NO 2 - + NO 3 - + 2H + 22
Nadtlenoazotyn nie jest wolnym rodnikiem!!! Tlenek azotu reaguje z anionorodnikiem ponadtlenkowym: krótki czas półtrwania 1s silne właściwości utleniające NO * + O 2 -* ONOO - reaguje z grupami tiolowymi białek reaguje z wielonienasyconymi kwasami tłuszczowymi nitruje reszty tyrozylowe białek (katalizatory reakcji - jony metali przejściowych) hamuje działanie oksydazy cytochromowej i innych elementów łańcucha oddechowego reaguje z anionem HCO 3 - tworząc rodnik wodorowęglanowy HCO 3 -* 23
Efekt działania reaktywnych form tlenu na komórki utlenianie związków niskocząsteczkowych degradacja kolagenu utlenianie hemoglobiny inaktywacja enzymów i białek transportowych pęknięcia nici DNA, uszkodzenia zasad DNA, degradacja rybozy uszkodzenia chromosomów peroksydacja lipidów błon modyfikacja właściwości antygenowych komórki zaburzenia struktury cytoszkieletu transformacja nowotworowa komórek powstawanie mutacji liza erytrocytów G.Bartosz, Druga twarz tlenu 24
Efekt działania reaktywnych form tlenu na organizm choroba niedokrwienna serca, zawał mięśnia sercowego miażdżyca, choroby z autoagresji: reumatoidalne zapalenie stawów toczeń rumieniowaty cukrzyca dystrofia mięśniowa następstwa grypy choroby oczu zaćma, retinopatie, jaskra choroby neurologiczne - choroba Alzheimera, Parkinsona, zespół Downa, stwardnienie rozsiane choroba wrzodowa żołądka i dwunastnicy 25
Wzmożone wytwarzanie wolnych rodników; stres oksydacyjny stan organizmu związany z wytworzeniem wolnych rodników i reaktywnych form tlenu RFT zaburzenie równowagi pro- i antyoksydacyjnej na korzyść stanu prooksydacyjnego wzmożenie procesów prooksydacyjnych i zmiany degradacyjnych w komórkach aktywacja białek stresu oksydacyjnego i niebiałkowych antyoksydantów Komórki odpornościowe (makrofagi, fagocyty i neutrofile wytwarzają wolne rodniki w celu niszczenia czynników chorobotwórczych wirusów, bakterii, grzybów Wolne rodniki uczestniczą w: transporcie tlenu przez hemoglobinę aktywacji cytochromu P-450 syntezie prostaglandyn 26
Wybuch tlenowy reperfuzja - ischemia Reperfuzja po niedokrwieniu (ischemii) następuje przy niedrożności naczyń krwionośnych przy udarze, zawale transplantacji narządów zabiegach chirurgicznych długim stosowaniu opaski uciskowej niewłaściwej pozycji drętwienie kończyn długotrwałym wysiłku fizycznym Powstający stres oksydacyjny bardzo silnie uszkadza tkanki!! 27
Systemy obrony przed wolnymi rodnikami I. Zapobieganie powstawaniu rodnika hydroksylowego usuwanie substratów reakcji nadtlenku wodoru anionorodnika ponadtlenkowego wiązanie jonów metali przejściowych (ograniczenie ciągu reakcji Fentona) i II. Inaktywacja wolnych rodników systemy enzymatyczne antyoksydanty niskocząsteczkowe trzecia linia obrony naprawa uszkodzonego materiału (genetycznego) 28
Systemy obrony przed wolnymi rodnikami II. Białka chroniące przed reaktywnymi formami tlenu 1. dysmutaza ponadtlenkowa (SOD) SOD O 2 -. + O 2 -. + 2H + H 2 O 2 + O 2 2. katalaza (CAT) CAT 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 29
Systemy obrony przed wolnymi rodnikami II. Białka chroniące przed reaktywnymi formami tlenu 3. peroksydaza glutationowa (GSH-Px) HSe-CH 2 -CH-COO - + NH 3 GSH-Px 2 GSH + H 2 O 2 GSSG + 2 H 2 O białko SH + GSSG białko + GSSG SH SH białko S SG + GSH białko + 2 GSH S S selenocyssteina 30
Systemy obrony przed wolnymi rodnikami II. Białka chroniące przed reaktywnymi formami tlenu 4. reduktaza glutationowa reduktaza glutationowa GSSG + NADPH + H + 2 GSH + NADP + Białko S S Białko SH SH 2 GSH GSSG RGSH 31
Systemy obrony przed wolnymi rodnikami III. Antyoksydanty niskocząsteczkowe 1. antyoksydanty hydrofilowe glutation - g - glutamylocysteinyloglicyna kwas askorbinowy witamina C kwas moczowy 2. antyoksydanty hydrofobowe tokoferole witamina E karotenoidy ksantofile likopen 32
Systemy obrony przed wolnymi rodnikami Antyoksydanty niskocząsteczkowe antyoksydanty hydrofilowe glutation - g glutamylocysteinyloglicyna posiada wolną grupę tiolową g-glu Cys Gly białko H + * OH białko * + H 2 O białko * + GSH białko H + GS * 33
Systemy obrony przed wolnymi rodnikami Antyoksydanty niskocząsteczkowe kwas askorbinowy witamina C Ma bardzo silne właściwości redukujące w stosunku do: anionorodnika ponadtlenkowego, rodnika hydroksylowego, nadtlenku wodoru, rodników nadtlenkowych w wysokich stężeniach zmiata wolne rodniki regulując potencjał oksydacyjno-redukcyjny w niskich stężeniach może wykazywać właściwości prooksydacyjne w reakcji Fentona wykazano w hodowlach in vitro komórek nowotworowych 34
Systemy obrony przed wolnymi rodnikami Antyoksydanty niskocząsteczkowe kwas moczowy wiąże jony żelaza reaguje z oksydantami anionorodnik moczanowy jest stabilny kwas moczowy alantoina 35
Systemy obrony przed wolnymi rodnikami Antyoksydanty niskocząsteczkowe bilirubina chroni przed peroksydacją kwas linolenowy reaguje z rodnikami nadtlenkowymi dezaktywuje tlen singletowy 36
Systemy obrony przed wolnymi rodnikami Antyoksydanty niskocząsteczkowe antyoksydanty hydrofobowe: tokoferole: witamina E zmiata wtórne wolne rodniki organiczne uczestniczy w terminacji reakcji peroksydacji lipidów reaguje szybko z organicznymi rodnikami nadtlenkowymi reaguje z tlenem singletowym (I linia obrony) 37
Systemy obrony przed wolnymi rodnikami Antyoksydanty niskocząsteczkowe antyoksydanty hydrofobowe: retinole - witamina A lipofilny antyoksydant b - trans-retinol w osoczu, związany z LDL zmiatacz tlenu singletowego oraz rodnika LOO * 38
Systemy obrony przed wolnymi rodnikami Antyoksydanty niskocząsteczkowe karotenoidy: a-karoten b-karoten g-karoten likopen ksantofile (oksykarotenoidy) luteina zeaksantyna kryptoksantyna 39
Systemy obrony przed wolnymi rodnikami Antyoksydanty niskocząsteczkowe antyoksydanty hydrofobowe - karotenoidy: należą do izoprenoidów i obejmują kilkaset związków, z których około 50 występuje w żywności. różnią się położeniem wiązań podwójnych oraz brakiem lub obecnością pierścienia alicyklicznego (β-jononu) w cząsteczce. a, b i g -karoten wykazują aktywność prowitaminy A, zaliczane są do odżywczych składników żywności, likopen jest naturalną substancją nieodżywczą 40
Systemy obrony przed wolnymi rodnikami Antyoksydanty niskocząsteczkowe antyoksydanty hydrofilowe ksantofile pochodne tlenowe karotenów (hydroksylowe, ketonowe, aldehydowe, karboksylowe). powstają przy utlenianiu karotenów przy pomocy enzymów działają w pierwszej, jak i drugiej linii obrony efektywne wygaszacze tlenu singletowego. reagują z organicznymi rodnikami, powstającymi w procesie peroksydacji lipidów. 41
Kolorowe antyoksydanty POMIDOR karotenoidy, głównie likopen, wit.c SZPINAK, KAPUSTA WŁOSKA, BOTWINA wit. B, kwas foliowy (obniża poziom homocysteiny), fitozwiązki luteina, zeaksantyna BROKUŁY fitozwiązki ( indol-3-karbinol ), b - karoten, wit.c, błonnik. Rośliny krzyżowe zmniejszą zapadalność na raka piersi, żołądka, okrężnicy MALINY antocyjany, polifenole, wit. C, B, PP, mikroelementy żelazo, magnez, kwas ellagowy właściwości antywirusowe i antybakteryjne ORZECHY wit. E, kwasy mono- i wielonienasycone poprawiają poziom dobrego cholesterolu, orzechy włoskie mają kwas ellagowy inicjuje on proces apoptozy komórek nowotworowych ZIELONA HERBATA polifenole tzw. katechiny (moc antyoksydacyjna 100 razy większa niż wit. C), powstrzymują dopływ składników pokarmowych do guzów we wczesnym stadium rozwoju CZERWONE WINO polifenole m.in. resveratrol podnoszą poziom HDL RYBY łosoś, makrela, tran 42