Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Tlen – pierwiastek życia
i śmierci
Zakład Chemii Medycznej
Pomorski Uniwersytet Medyczny
Tlen – pierwiastek życia
Pojemność oddechowa:
w spokojnym oddechu człowiek wdycha ok. 500 mL powietrza (ok. 100 mL tlenu).
maksymalny wdech - ok. 3.5 L powietrza (ok. 740 mL tlenu).
w spoczynku człowiek przepuszcza przez płuca ok. 6-8 L powietrza na minutę (ok. 1,6 L
tlenu).
podczas intensywnego wysiłku - do 12 L powietrza.
2
Tlen – pierwiastek chorób i śmierci
3
Negatywne działanie na rośliny:
hamuje rozwój chloroplastów,
zmniejsza żywotność nasion
zmniejsza rozwój korzeni
stymuluje opadanie liści
zwiększa częstość wystąpienia anomalii wzrostu
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
4
Tlen – pierwiastek chorób i śmierci
Negatywne działanie tlenu na organizm ludzki:
zwłóknienie pozasoczewkowe prowadzące do ślepoty u niemowląt - retinopatia wcześniaków:
zwężenie naczyń krwionośnych oka
obumarcie naczyń doprowadzających krew do siatkówki
wykształcenie się nowych naczyń krwionośnych
wrastanie w ciało szkliste oka
odrywanie się siatkówki
5
Tlen – pierwiastek chorób i śmierci
Negatywne działanie tlenu na organizm ludzki:
uszkodzenia ośrodkowego układu nerwowego
głuchota w następstwie krwotoków do ucha wewnętrznego
Zwiększone ciśnienie tlenu podczas doświadczeń ze
zwierzętami: szczur - O2, 5 atm, 75 min - pęcznienie mitochondriów i uszkodzenie miofibryli mięśnia sercowego
kot - O2, 8 atm, 50 min - uszkodzenie kłębuszków nerkowych
małpa - O2, 0,5 atm, 22 doby - proliferacja i anomalie siateczki śródplazmatycznej wątroby
świnka morska - 70% O2, 36 dni - zahamowanie wytwarzania krwinek czerwonych
6
Tlen –zastosowanie w lecznictwie
w zatruciu tlenkiem węgla
w niedotlenieniu tkanek
leczenie zgorzeli gazowej
w terapii nowotworów
stwardnienia rozsianym
w niektórych chorobach płuc
7
Terapia tlenem hiperbarycznym
(Hyperbaric Oxygen Therapy)
Istota terapii tlenem hiperbarycznym:
zwiększa dopływ tlenu do uszkodzonego obszaru,
poprawia ukrwienie w obszarze uszkodzonym poprzez zwężenie naczyń
centralnych, a zwiększenie przepływu przez tkanki uszkodzone
zmniejsza obrzęk uszkodzonych tkanek,
hamuje namnażanie się bakterii i zwiększa skuteczność
antybiotykoterapii,
aktywuje neoangiogenezę,
powoduje proliferację fibroblastów i zwiększenie produkcji kolagenu,
powoduje wzrost zależnej od granulocytów obojętnochłonnych
aktywności przeciwbakteryjnej,
zwiększa aktywność osteoblastów i osteoklastów,
zmniejsza okres półtrwania karboksyhemoglobiny,
powoduje zmniejszenie objętości pęcherzyków gazu we krwi.
8
Formy występowania tlenu
Tlen trypletowy – stan podstawowy 3O2
dwa niesparowane elektrony na prostopadłych względem siebie antywiążących orbitalach, spiny są równoległe
możliwe są trzy orientacje względem zewnętrznego pola magnetycznego, tym ustawieniom odpowiadają trzy różne poziomy energetyczne cząsteczki (stan trypletowy)
względnie stabilny chemicznie
Wzbudzenie trypletowej cząsteczki tlenu do stanu singletowego:
pochłonięcie kwantu promieniowania nadfioletowego (i promieniowania o mniejszej długości fali – większej energii)
niektóre reakcje chemiczne
9
Formy występowania tlenu
Tlen singletowy – stan wzbudzony 1O2
wszystkie elektrony cząsteczki mają sparowane spiny
wypadkowy spin jest równy zero
bardziej reaktywny
dwa rodzaje różniące się energią i okresem półtrwania : 1 ΔO2 - 94,3 kJ/mol czas życia 45 min 1 ΣO2 - 158 kJ/mol czas życia 12 s
10
Wolne rodniki tlenowe jako reaktywne
formy tlenu
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
11
WOLNY RODNIK - jest to atom (lub cząsteczka) zdolny
do samodzielnego istnienia, mający jeden lub więcej
niesparowanych elektronów (na orbicie walencyjnej).
Wolne rodniki tlenowe jako reaktywne
formy tlenu
Tlen może ulegać pełnej czteroelektronowej redukcji:
anionorodnik ponadtlenkowy
nadtlenek wodoru
rodnik hydroksylowy
12
13
Anionorodnik ponadtlenkowy O2-*
O2-* anionorodnik ponadtlenkowy
HO2* rodnik wodoronadtlenkowy (postać uprotonowana); przy pH=7,4
ok. 0,2% anionorodników ponadtlenkowych jest w formie
uprotonowanej
Reakcja dysproporcjonowania (dysmutacji)
O2-* + O2
-*
HO2*+ HO2
* H2O2 + O2
HO2* + O2
-*
14
Anionorodnik ponadtlenkowy O2-*
podobieństwa i różnice
O2-* HO2
*
reaktywność dość duża stabilny
reaktywność z anionami trudna łatwa
przechodzenie przez błony trudno łatwo
inicjacja peroksydacji lipidów nie zachodzi łatwo
anionorodnik rodnik
ponadtlenkowy wodoronadtlenkowy
15
Nadtlenek wodoru H2O2
ulega reakcji dysproporcjonowania:
H2O2 + H2O2 2 H2O + O2
utlenia grupy tiolowe, indolowe, fenolowe i tioestrowe
łatwo przenika przez błony komórkowe
utlenia jony metali przejściowych
Fe2+ + H2O2
*OH + OH- + Fe3+
Cu1+ + H2O2 *OH + OH- + Cu2+
Rodnik hydroksylowy * OH
jeden z najsilniejszych utleniaczy
niska bariera energetyczna (wysoki
potencjał redoks)
mała specyficzność reakcji (reaguje
praktycznie ze wszystkimi substancjami
występującymi w organizmie)
wysoka reaktywność wykorzystana w
badaniach struktury DNA
16
Rodnik hydroksylowy * OH
17
Główne reakcje rodnika hydroksylowego: oderwanie atomu wodoru od alkanów
H2C* – CH2OH
H3C – CH2OH + *OH H3C – *CHOH + H2O
H3C – CH2O*
addycja do podwójnego wiązania (np. kwasu oleinowego)
H3C – (CH2)7 – HC = CH – (CH2)7COOH + *OH
H3C – (CH2)7 – HC* – CH – (CH2)7COOH
OH
Tlen singletowy 1O2
Tlen singletowy oddziałuje z innymi cząsteczkami poprzez:
przekazanie im energii wzbudzenia (przechodzi przy tym w stan
trypletowy; jest to gaszenie tlenu singletowego)
wejście z nimi w rekcję chemiczną:
addycji do alkenów i ich pochodnych
utleniania alkenów i ich pochodnych
utleniania sulfidów do sulfotlenków
utleniania fenoli
Najbardziej podatne na uszkodzenie przez tlen singletowy są :
reszty aminokwasowe histydyny, metioniny, tryptofanu, tyrozyny, cysteiny
guanina i pochodne purynowe
18
Ozon O3
Występuje w stratosferze tworząc warstwę
ozonową pochłaniającą promieniowanie
UV - C (200-280 nm) w 100%
UV - B (280-320 nm) w 90%
W atmosferze jest RFT reagującą z:
alkoholami, amidami, kwasami karboksylowymi
WNKT, aminokwasami (metionina, tryptofan, tyrozyna)
askorbinianem, tokoferolami, moczanem
grupami tiolowymi białek – produktem reakcji może być *OH
W roztworach wodnych ozon rozpada się z wytworzeniem H2O2 , *OH , HO2
*
19
Kwas podchlorawy HClO
Kwas podchlorawy powstaje w reakcji nadtlenku wodoru i chlorku, w reakcji
katalizowanej przez mieloperoksydazę w fagocytach.
Jest silnym utleniaczem, reaguje z:
grupami tiolowymi białek i związków niskocząsteczkowych
centrami żelazowo-siarkowymi białek
jonami żelaza
grupami tioestrowymi
resztami WNKT fosfolipidów i z cholesterolem
Analogiczne właściwości wykazują kwasy: podbromawy HOBr i podjodawy HOI.
Właściwości utleniające: HOI > HOBr > HOCl
20
Tlenek azotu NO*
Wolny rodnik powstały z połączenia:
atomu tlenu z ośmioma elektronami
atomu azotu z siedmioma elektronami
reaguje z białkami:
zawierającymi centra żelazowo-siarkowe,
jony metali przejściowych
grupy hemowe
może uwalniać żelazo z ferrytyny
nietrwały w obecności tlenu
w organizmie powstaje przy udziale enzymów - syntaz NO
21
Ditlenek azotu NO2*
w układach biologicznych NO* jest nietrwały w obecności tlenu
w stężeniach fizjologicznych (10 nM-5 μM) czas półtrwania wynosi 1-30 s.
2NO* + O2 2NO2*
w roztworach wodnych o pH ~ 7 dwutlenek azotu NO2* ulega
dysproporcjonowaniu, tworząc anion azotynowy i azotanowy:
2NO2* + H2O NO2
- + NO3- + 2H+
22
Ditlenek azotu NO2*
reaguje ze związkami nienasyconymi tworząc wolne rodniki, z elektronem
na atomie węgla
H H H H
NO2*
+ R – C = C – R1 R – C – C* –R1
NO2
powstałe rodniki organiczne R* reagują z tlenem dając:
rodniki nadtlenkowe ROO*
rodniki alkoksylowe RO* (+ NO2*)
23
Nadtlenoazotyn ONOO-
nie jest wolnym rodnikiem!!!
Tlenek azotu reaguje z anionorodnikiem ponadtlenkowym:
NO* + O2-* ONOO-
krótki czas półtrwania – 1s
silne właściwości utleniające
reaguje z grupami tiolowymi białek
reaguje z wielonienasyconymi resztami kwasów tłuszczowych
nitruje reszty tyrozylowe białek (katalizatory reakcji - jony metali
przejściowych)
hamuje działanie oksydazy cytochromowej i innych elementów
łańcucha oddechowego
24
Nadtlenoazotyn ONOO-
reaguje z anionem HCO3- tworząc rodnik wodorowęglanowy HCO3
*-
H+ + ONOO- + HCO
-3 HCO3
* + NO* + OH-
nietrwały w fizjologicznym zakresie pH; w wyniku reakcji protonacji
(pK= 6,8) tworzy się nietrwały kwas nadtlenoazotowy (III), który rozpada
się, tworząc dwa silnie utleniające produkty: ditlenek azotu i rodnik
hydroksylowy :
ONOO– + H
+ HONOO NO2
* + *OH
25
Rodniki organiczne
Rodniki organiczne z niesparowanym elektronem na atomie tlenu; powstają
w wyniku peroksydacji lipidów przez addycję rodnikową do wiązań
podwójnych lub przez oderwanie protonu
rodnik alkoksylowy RO*
rodnik peroksyalkoksylowy ROO*
*OH + RH R* + H2O
R* + O2 ROO*
ROO* + RH ROOH + R*
organiczny hydroksynadtlenek ROOH; powstaje w reakcjach rodników
ze składnikami komórkowymi, takimi jak tłuszcze i zasady azotowe
26
Źródła reaktywnych form
tlenu
Zakład Chemii Medycznej
Pomorski Uniwersytet Medyczny
Pozakomórkowe źródła wolnych rodników
Promieniowanie jonizujące - powoduje rozpad cząsteczek wody – radiolizę
Ultradźwięki – sonoliza - działanie na roztwory wodne ultradźwiękami
prowadzi do powstawania głównie *OH i H * (rekombinacja *OH daje
H2O2)
Fotoliza - rozpad cząsteczek związku chemicznego wywołany absorpcją
fotonu (działania mutagenne i bakteriobójcze ma promieniowanie z
zakresu UV-C, silnie absorbowane przez kwasy nukleinowe)
Utlenianie ksenobiotyków - substancji obcych dla organizmu nie będących
naturalnym składnikiem organizmu i nie posiadających wartości
odżywczych, a także nie syntetyzowanych przez organizm (trucizny:
herbicydy, insektycydy, leki - przeciwnowotworowe: bleomycyna,
antracykliny, ksenobiotyki środowiska domowego: kosmetyki, barwniki)
28
Pozakomórkowe źródła wolnych rodników
Dym tytoniowy - zidentyfikowano ok. 4200 składników, ok. 40 to substancje
mutagenne i kancerogenne. Zawiera również kilkaset substancji jeszcze
nierozpoznanych. Jest niejednorodny - aerozol:
faza gazowa – stanowi 95% strumienia (wdychanego podczas zaciągania się)
i zawiera cząstki o wielkości 0,2-0,5 m
faza cząsteczkowa – ciekła, smolista
1 papieros – waga ok. 1 g – wytwarza :
ok. 20 mg smoły
ok. 350 mL dymu papierosowego
( dziesięć 35 mL haustów)
29
Pozakomórkowe źródła wolnych rodników
Dym tytoniowy
Wolne rodniki w fazie gazowej:
reaktywne
krótki czas życia (duże stężenie utrzymuje się ponad 10 minut)
na 35 mL haust przypada ok. 1015 cząsteczek
główną rolę odgrywa NO* - stężenie ok. 300 ppm
2NO* + O2 2NO2*
NO2* reaguje z izoprenem (stężenie ok. 500 ppm) tworząc wolne rodniki
NO2* + CH2═ C─CH═CH2 *CH2─ C═CH─CH2
│ │ │
CH3 CH3 NO2
30
Pozakomórkowe źródła wolnych rodników
Dym tytoniowy
Wolne rodniki w fazie smolistej:
mają długi czas życia
możliwe jest ich wykrycie metodą bezpośredniej spektrometrii EPR
duże stężenie 1017 na gram smoły
w większości rodniki semichinonowe *QH
*QH + O2 Q + H+ + O2-*
O2-* + O2
-* + 2H2O 2H2O2 + O2
H2O2 i ONOO- z dymu tytoniowego:
inaktywują α1 – proteinazę, co prowadzi do uwolnienia przez granulocyty elastazy
i innych enzymów trawiących składniki płuc, a w konsekwencji do rozedmy płuc
uaktywniają kolagenazę, uwalnianą w nieczynnej postaci przez granulocyty, która
trawi białkowe struktury tkanki płucnej
31
Pozakomórkowe źródła wolnych rodników
Etanol jest skutecznym zmiataczem *OH, ale jest toksyczny.
Metabolizowany jest w 90-98% w wątrobie:
I etap – utlenianie do aldehydu przy udziale enzymów:
dehydrogenaza alkoholowa (może wytwarzać HO2*)
cytochrom P450 w mikrosomach
oksydoreduktaza mikrosomalna niezależna od cytochromu P450
katalaza zużywająca H2O2
II etap – utlenianie aldehydu octowego do kwasu przy udziale:
oksydazy aldehydowej (akceptorem elektronów jest NAD+)
oksydazy ksantynowej (akceptorem jest tlen)
32
Pozakomórkowe źródła wolnych rodników
Etanol
może uwalniać żelazo z białek magazynujących (reakcja Fentona)
większa dawka EtOH powoduje zwiększenie ilości tlenu ulegającego
jednoelektronowej redukcji (więcej O2-*)
stymuluje metabolizm lipidów poprzez aktywację fosfolipazy A1 i A2
(aktywacja powoduje większe uwalnianie kwasu arachidonowego i
wzmożenie wytwarzania RFT)
zwiększa peroksydację lipidów
uszkadza błonę śluzową żołądka (przenika prawdopodobnie do komórek
śluzówki gdzie w wyniku jego metabolizmu powstają RFT)
obniża aktywności enzymów – upośledza obronę enzymatyczną przed RFT
33
Pozakomórkowe źródła wolnych rodników
Warunki związane ze zmienną ilością tlenu atmosferycznego:
komory hiperbaryczne
stany zubożenia tlenowego
Czynniki wywołujące stres fizyczny i psychiczny
intensywny wysiłek fizyczny związany z kilkudziesięciokrotnie zwiększonym zużyciem tlenu
Zanieczyszczenie środowiska
34
Naturalne (komórkowe) źródła RFT
W warunkach fizjologicznych 1-5% O2 ulega przemianie w
RFT.
mitochondrialny łańcuch oddechowy
utlenianie białek oddechowych (hemoglobiny, mioglobiny)
utlenianie (samoutlenianie) związków niskocząsteczkowych
(np. związków tiolowych)
reakcje enzymatyczne
wybuch oddechowy fagocytów
peroksysomy
mikrosomalny łańcuch transportu elektronów
jony metali grup przejściowych (Fe3+, Fe2+, Cu2+, Cu+)
35
Łańcuch oddechowy
Mitochondria – cząsteczka O2 ulega czteroelektronowej redukcji, energia
uwalniana w reakcji wykorzystana do syntezy ATP.
Przepływ elektronów nie jest szczelny – dochodzi do „jednoelektronowego
przeciekania” – tworzenia O2-*
36
Utlenianie białek oddechowych
Hemoproteiny:
hemoglobina - erytrocyty
mioglobina - mięśnie
Generacja RFT może przebiegać w wyniku:
nieenzymatycznej degradacji hemu
enzymatycznej degradacji hemu
Nieenzymatyczna degradacja hemu
Autooksydacja hemoglobiny – spontaniczne przejście oksyhemoglobiny w
methemoglobinę:
Obecność reduktazy methemoglobinowej umożliwia regenerację
deoksyhemoglobiny:
37 reduktaza
Utlenianie białek oddechowych
Enzymatyczna degradacja hemu
oksygenaza hemowa HO (EC1.14.99.3) - występuje ona w postaci 3 izoform:
HO-1, HO-2, HO-3; formy katalizują tą samą reakcję, ale różnią się strukturą,
wielkością i aktywnością.
Powstające jony Fe2+ katalizują reakcję Fentona – tworzenie *OH. 38
Utlenianie związków niskocząsteczkowych -
autooksydacja
Zredukowane formy związków niskocząsteczkowych reagują z O2 ulegając
jednoelektronowemu utlenianiu:
RH2 + O2 *RH + H+ + O2
-*
Biologicznie istotne substancje ulegające utlenieniu:
zredukowana ryboflawina
zredukowane nukleotydy flawinowe (FMNH2, FADH2)
katecholoaminy (dioksyfenyloalanina DOPA, adrenalina)
tetrahydropterydyny
związki tiolowe (cysteina, glutation)
cukry redukujące (glukoza)
Reakcje te nazywane są reakcjami samoutleniania – autooksydacji.
39
Reakcje enzymatyczne
Oksydazy są grupą enzymów przenoszących elektrony lub atomy wodoru na tlen.
oksydazy zawierające w centrum aktywnym jon metalu (np. Cu2+) –
produktem redukcji tlenu przez te oksydazy jest H2O
oksydazy zawierające obok jonu metalu dinukleotyd flawinoadeninowy jako
koenzym – produktem redukcji tlenu przez te oksydazy jest H2O2
Enzymy generujące H2O2 m.in. :
oksydaza ksantynowa (E.C.1.2.3.2)
oksydaza acetylokoenzymu A
oksydaza galaktozowa (E.C.1.1.3.9)
Enzymy generujące O2-* m.in. :
oksydaza ksantynowa (E.C.1.2.3.2)
oksydaza aldehydowa (E.C.1.2.3.1)
oksydaza NAD(P)H fagocytów
40
Reakcje enzymatyczne
Oksydaza ksantynowa (E.C.1.2.3.2)
Katalizuje reakcje utleniania:
hipoksantyny do ksantyny i ksantyny do kwasu moczowego
aldehydów do kwasów karboksylowych
CH3CHO CH3COOH
związków heterocyklicznych (pteryny)
41
oksydaza ksantynowa
O2 H2O2 O2-*
Reakcje enzymatyczne
Oksydaza ksantynowa (E.C.1.2.3.2)
Akceptorem elektronów jest O2; redukcja może zachodzić:
jednoelektronowo – O2-*
dwuelektronowo – H2O2
Zależy to od:
stężenia tlenu w roztworze
pH roztworu
stężenia substratu
Większe stężenie O2 i wyższe pH – redukcja jednoelektronowa;
pH=7,8 w napowietrzonym roztworze ok. 15% elektronów przekazywanych jest
jednoelektronowo
pH=10 100% elektronów wędruje szlakiem jednoelektronowym
Hamowanie aktywności enzymu – zwiększanie wytwarzania O2-*
42
Wybuch tlenowy fagocytów
Wybuch tlenowy fagocytów - kilkudziesięciokrotny wzrost zużycia tlenu
przez komórki fagocytujące (granulocyty, monocyty, makrofagi) w
momencie kontaktu z różnego rodzaju patogenami, związany z wytwarzaniem
i uwalnianiem na zewnątrz komórki dużych ilości O2-* i H2O2.
Jeden granulocyt obojętnochłonny może wytworzyć w ciągu sekundy:
ok. 3,2 mln O2-*
ok. 3,6 mln cząsteczek H2O2
Reduktorem O2 jest wewnątrzkomórkowy NADPH
NADPH + O2 NADP+ + H+ + 2O2-*
Oksydaza NADPH fagocytów - zespół białek przenoszący elektrony z
wewnątrzkomórkowej puli NADPH na cząsteczki tlenu na zewnętrznej
powierzchni błony plazmatycznej komórki, składający się z:
flawoproteiny – utleniającej NADPH
cytochromu b558
43
oksydaza NADPH
Peroksysomy
44
Peroksysomy – organelle pełniące różnorodne funkcje:
aktywację i -oksydację kwasów tłuszczowych
hydrolizę acylokoenzymu A
syntezę glicerolipidów i cholesterolu
katabolizm poliamin, puryn i aminokwasów
metabolizm glioksalanu
Źródłem O2-* w organelli jest:
oksydaza ksantynowa
błonowy łańcuch transportu elektronów
(składający się z reduktazy NADPH
i cytochromu b5)
Mikrosomalny łańcuch transportu elektronów
Mikrosomalny łańcuch transportu elektronów – odpowiedzialny za
utlenianie ksenobiotyków (leków, pestycydów).
O2-* wytwarzany jest przez reduktazę cytochromu P450 i cytochrom P450.
Łańcuch transportu elektronów znajduje się w:
wewnętrznej błonie mitochondrialnej (od strony macierzy)
otoczce jądrowej
siateczce śródplazmatycznej hepatocytów (układ desaturazy)
45
Jony metali grup przejściowych
Reakcja Fentona – źródło rodnika hydroksylowego *OH.
I etap – właściwa reakcja Fentona:
Fe2+ + H2O2 *OH + OH- + Fe3+
II etap – regeneracja jonu Fe2+ poprzez redukcję O2-*:
O2-* + Fe3+ O2 + Fe2+
Sumując oba równania:
O2-* + H2O2 *OH + OH
- + O2 reakcja Habera-Weissa
Jony Fe3+ mogą reagować z *OH tworząc kationorodnik ferrylowy:
Fe3+ + *OH [Fe(IV) *OH]3+
Jony Fe2+ mogą się utleniać, tworząc pośrednio rodnik nadferrylowy:
Fe2+ + O2 Fe(V)─O2* Fe3+ + O2
-*
46
Fe2+/ Fe3+
Mieloperoksydaza MPO
Mieloperoksydaza (EC 1.11.1.7, MPO) – enzym należący do peroksydaz;
katalizuje reakcje powstawania kwasu podchlorawego HOCl (silne właściwości
bakteriobójcze i przeciwwirusowe):
Mieloperoksydaza:
występuje w ziarnistościach granulocytów obojętnochłonnych; jest uwalniana w
reakcjach zapalnych.
jest białkowym heterotetramerem; w jego skład chodzi barwnik hemowy (od niego
zależy zielonkawa barwa wydzielin bogatych w neutrofile - ropa, plwocina itp.)
odgrywa rolę w zapoczątkowywaniu i powstawaniu niektórych chorób układu
krążenia (poprzez zwiększanie oksydacji LDL i przyspieszenie aterogenezy)
podwyższony poziom tego enzymu jest czynnikiem ryzyka wystąpienia ostrego
zespołu wieńcowego
47
Efekt działania RFT na
komórki
Zakład Chemii Medycznej
Pomorski Uniwersytet Medyczny
Efekt działania reaktywnych form tlenu na
komórki
RFT uszkadzają wszystkie główne klasy składników komórek
powodując:
utlenianie związków niskocząsteczkowych (glutation, askorbinian,
nukleotydy nikotynoamidoadeninowe)
degradację kolagenu, utratę zdolności żelowania
depolimeryzację kwasu hialuronowego
utlenianie hemoglobiny
inaktywację enzymów i białek transportowych
pęknięcia nici DNA, uszkodzenia zasad DNA, degradację rybozy
49
Efekt działania reaktywnych form tlenu na
komórki
uszkodzenia chromosomów
peroksydację lipidów błon
inhibicję fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach
modyfikację właściwości antygenowych komórki
zaburzenia struktury cytoszkieletu (polimeryzację aktyny)
transformację nowotworową komórek
powstawanie mutacji
agregację płytek krwi
zmiany morfologii komórek
liza erytrocytów
50
Peroksydacja lipidów
Peroksydacja lipidów – wolnorodnikowy proces utleniania nienasyconych
kwasów tłuszczowych lub innych lipidów, prowadzący do powstania
nadtlenków lipidowych.
Może być spowodowana przez :
utlenianie indukowane przez wolne rodniki,
nieenzymatyczne utlenianie, niezależne od wolnych rodników (1O2 i O3
utleniają lipidy przez mechanizm nierodnikowy)
utlenianie enzymatyczne (dotyczy działania takich enzymów jak
lipooksygenaza i cyklooksygenaza, które utleniają kwas arachidonowy do
kwasu hydroperoksyeikozatetraenowego (HPETE), prostaglandyn,
prostacyklin, tromboksanu i leukotrienów
51
Peroksydacja lipidów - wolnorodnikowa
Peroksydacja lipidów przebiega w trzech etapach:
inicjacji
propagacji
terminacji
52
Oksydacyjne uszkodzenia białek
Reakcje RFT z białkami prowadzą do:
modyfikacji reszt aminokwasowych (cysteinylowe, tyrozynowe, aminowe)
modyfikacji grup prostetycznych (czyli nieaminokwasowych składników
białek złożonych)
agregacji lub fragmentacji cząsteczek białkowych
B─H + *OH B* + H2O
B* + O2 BOO*
Rekombinacja wolnych rodników białkowych prowadzi do powstania dimerów
białkowych połączonych:
mostkami cystynowymi
białko1─Cys─S* + *S─Cys─białko2 białko1─Cys─S─S─Cys─białko2
mostkami bis-tyrozylowymi
białko1─Tyr* + *Tyr─białko2 białko1─Tyr─Tyr─białko2
53
Oksydacyjne uszkodzenia białek
Niewielkie modyfikacje oksydacyjne w białkach zwiększają ich podatność
na proteolizę.
Wyraźne zmiany oksydacyjne prowadzące do tworzenia wiązań krzyżowych
i agregatów, powodują oporność tych białek na degradację.
Agregaty białek zmienionych oksydacyjnie są mniej podatne na działanie
enzymów proteolitycznych, hamują aktywność proteasomu 20S, mogą
odkładać się w organizmie.
Gromadzenie się takich białek w komórce może doprowadzić do apoptozy
lub nekrozy.
Powstawanie i kumulowanie się utlenionych produktów białkowych
odgrywa ważną rolę w patogenezie chorób:
neurodegeneracyjnych (choroba Alzheimera, Parkinsona)
chorób naczyniowych, szczególnie w miażdżycy oraz w cukrzycy
54
Oksydatywne uszkodzenia kwasów
nukleinowych
Za oksydacyjne uszkodzenia DNA odpowiedzialny jest przede wszystkim
rodnik hydroksylowy *OH.
Reakcje rodnika hydroksylowego z kwasami nukleinowymi prowadzą do:
uszkodzenia zasad nukleinowych, reszt cukrowych (np. rybozy w RNA)
powstania pęknięć nici kwasów nukleinowych (rozerwanie wiązań
fosfodiestrowych łączących nukleotydy)
do powstania wiązań poprzecznych DNA-białko, DNA-lipid
Dziennie dochodzi do około 10 000 uszkodzeń oksydatywnych w komórkowym
DNA człowieka; większość z nich jest usuwana i wydalana na zewnątrz
komórki za pomocą mechanizmów naprawczych.
55
Oksydatywne uszkodzenia cukrowców
Uszkodzenia reszt cukrowych glikolipidów i glikoprotein na
powierzchni komórek mogą doprowadzić do zmian właściwości
antygenowych tych cząsteczek w rezultacie – komórek.
W wyniku reakcji RFT ze złożonymi wielocukrami dochodzi do
rozrywania wiązań glikozydowych i ich depolimeryzacji
RFT mogą również uczestniczyć w reakcjach glikacji (glikozylacji)
zachodzących pomiędzy cukrami i grupami aminowymi białek
56
Stres oksydacyjny
Zaburzenie równowagi między wytwarzaniem RFT a ich neutralizacją z
udziałem komórkowych systemów antyoksydacyjnych może prowadzić
do rozwoju stresu oksydacyjnego - stanu, w którym potencjał utleniający
wzrasta do poziomu zagrażającego stabilności struktur komórkowych
Stres oksydacyjny - zaburzenie równowagi pro- i
antyoksydacyjnej na korzyść stanu prooksydacyjnego
57
Stres oksydacyjny
przyczyną wystąpienia stresu oksydacyjnego mogą być:
wzrost szybkości wytwarzania RFT
niedobory niskocząsteczkowych antyoksydantów
dezaktywacja enzymów o działaniu antyoksydacyjnym
nasilony i/lub długotrwale utrzymujący się stan stresu oksydacyjnego
może być przyczyną poważnych uszkodzeń komórki, a nawet prowadzić
do jej śmierci
58
Efekt działania reaktywnych form tlenu na
organizm – stres oksydacyjny
choroba niedokrwienna serca, zawał mięśnia sercowego
miażdżyca,
choroby z autoagresji:
reumatoidalne zapalenie stawów
toczeń rumieniowaty
cukrzyca
dystrofia mięśniowa
następstwa grypy
choroby oczu – zaćma, retinopatia, jaskra
choroby neurologiczne - choroba Alzheimera, Parkinsona, zespół Downa, stwardnienie rozsiane
choroba wrzodowa żołądka i dwunastnicy
59