Tlen: toksyczny pierwiastek życiabiotka.mol.uj.edu.pl/zbm/handouts/2015/AL/wyklad_1_-_Tlen... ·...

Biochemia stresu oksydacyjnego

Dr hab. Agnieszka Łoboda

Literatura:

Grzegorz Bartosz „Druga twarz tlenu”

Barry Halliwell & John Gutteridge „Free radicals in biology and medicine”

Tlen: toksyczny pierwiastek życia

Wykład 1

Trochę o tlenie

Spośród kilkunastu izotopów tlenu trzy są stabilne:

16O (>99%) 17O (0.04%) 18O (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 O2 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.


- 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.


Miliony lat temu

3500 Promieniowanie słoneczne bombarduje powierzchnię Ziemi

Początki życia anaerobowego

>2500 Cyjanobakterie uwalniają O2: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-

1300 Poziom tlenu atmosferycznego osiąga 1%

Początek ewolucji eukariontów


Warstwa ozonowa pochłania wystarczająco dużo UV, aby umożliwić

wyjście organizmów na ląd

65 Pojawienie się naczelnych


Pojawienie się człowieka

Zysk przejścia do życia tlenowego: efektywna produkcja energii

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


prof. Zygmunt Wróblewski

prof. Karol Olszewski

Uzyskanie ciekłego tlenu:

29 marca 1883, Uniwersytet Jagielloński

Element patriotyczny


Tlen: pierwiastek życia

Pojemność oddechowa:

- 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.

W.Z. Traczyk (red): Fizjologia człowieka z elementami fizjologii stosowanej i klinicznej

78 78

21 17

0,03 4 0,97 1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

%

azot tlen dwutlenek

węgla

pozostałe

gazy

wdech

wydech


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%


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

komory

hiperbaryczna

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.

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.

Czasowe przeciwwskazanie dla

prowadzenia terapii mogą stanowić ostre

stany gorączkowe, infekcje dróg

oddechowych, uszu, nosa i zatok.


Zgorzel gazowa

- Zgorzel gazowa jest gwałtownie postępującym zakażeniem

wywoływanym przez toksyny Clostridium perfringens, Clostridium

septicum, Clostridium histolyticum lub Clostridium novyi.

- 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.

Clostridium perfringens

rozwijająca się

zgorzel gazowa

Trudnogojące się rany

- 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

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.



"Bary tlenowe"

- 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).

Polskie Centrum

Terapii Tlenowej

- Czysty tlen (0,3 atm) zmniejsza długość życia Drosophila melanogaster. Przy

ciśnieniu 1 atm jest dla niej letalny.

- 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

Właściwości chemiczne tlenu

- Rośliny naczyniowe rosnące w podwyższonym stężeniu tlenu wykazują:

* zahamowanie rozwoju chloroplastów

* zmniejszenie żywotności nasion i wzrostu korzeni

* nasilone opadanie liści

* zwiększona częstość anomalii wzrostu

Tlen: pierwiastek (krótkiego) życia


20h , 100% O2, 1 atm 40h , 100% O2, 1 atm

Barber, R. E., Lee, J. & Hamilton, W. K. 1970. Oxygen Toxicity in Man. NEJM

Skutki hyperoksji u myszy

Sue et al. J Immunol 2004

uszkodzenie płuc przepuszczalność naczyń

zawartość kolagenu

obrzęk

naciek neutrofili


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


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)


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 O2 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 O2.

W 1954 roku Gershman i Gilbert

zaproponowali, że większość toksycznych

efektów O2 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

H : O : H jonizacja wody

oba elektrony dla atomu tlenu (O)

ROZSZCZEP HETEROLITYCZNY

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

H˙ + OH˙

rodnik wodorowy

1 proton

1 elektron

(ładunek zerowy)

rodnik hydroksylowy

9 protonów

9 elektronów

(ładunek zerowy)

ROZSZCZEP HOMOLITYCZNY

Definicja stresu oksydacyjnego

- 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

Stres oksydacyjny

ROS i RNS

Reaktywne formy tlenu:

- anionorodnik ponadtlenkowy (O2.-)

- nadtlenek wodoru (H2O2)

- rodnik hydroksylowy (.OH)

- tlen singletowy (1O2)

- rodnik peroksylowy (LOO.)

- rodnik alkoksylowy (LO.)

- wodoronadtlenek lipidowy (LOOH)

- nadtlenoazotyn (ONOO-)

- kwas podchlorawy (HOCl)

- ozon (O3)

Reaktywne formy azotu:

- tlenek azotu (.NO)

- nadtlenoazotyn (ONOO-)

- dwutlenek azotu (.NO2)

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

O2- 2

sigma delta

tlen

trypletowy

anionorodnik

ponadtlenkowy

jon

nadtlenkowy

rodnik

hydroksylowy

tlen

singletowy

tlen

singletowy

σ1s

σ*1s

σ2s

σ*2s

σ2p

π2p

π*2p

σ*2p

Reaktywność tlenu

Stan singletowy nie jest w przypadku O2 stanem podstawowym, lecz wzbudzonym, o

wyższej energii, natomiast stanem podstawowym jest stan trypletowy.

Jest to układ odwrotny niż dla większości cząsteczek chemicznych.

Tlen trypletowy i tlen singletowy

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 trypletowy

tlen singletowy Δ

tlen singletowy Σ

94 kJ/mol

157 kJ/mol

• Tlen singletowy powstaje w wyniku

wzbudzenia cząsteczki tlenu

trypletowego.

• 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:

O2 + 4e- + 4H+ 2H2O

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.

O2 + e- → O2˙-

Redukcja tlenu

- Tlen tripletowy może reagować z wieloma związkami jednoelektronowo. Powstaje

wówczas:

* anionorodnik ponadtlenkowy , wolny rodnik będący anionem 02

.

O2 + e- O2

.

- Przyłączenie kolejnego elektronu do anionorodnika ponadtlenkowego daje (po

dołączeniu do produktu reakcji protonów):

* nadtlenek wodoru H2O2, mniej reaktywny od większości rodników, ale

bardziej reaktywny niż tlen cząsteczkowy. Jest produktem dwuelektronowej redukcji

tlenu. O2 + 2e- + 2H+ H2O2 O2

. + e- + 2H+

- Przyłączenie trzech elektronów do cząsteczki tlenu daje:

* rodnik hydroksylowy, jedną z najbardziej reaktywnych cząstek w układach

biologicznych . H2O2 + e- + H+ H2O + OH

superoxide radical anion

hydrogen peroxide

hydroxyl radical

- Anionorodnik ponadtlenkowy w roztworze wodnym może też przyłączyć proton,

tworząc obojętny:

* rodnik ponadtlenkowy (rodnik wodoronadtlenkowy)

O2

. + H+ HO2

. hydroperoxyl radical

Redukcja tlenu

·

·

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.

2e-

2H+

Reakcje wolnorodnikowe

Reakcje, w których z cząsteczek nie będących wolnymi rodnikami powstają wolne

rodniki. Zachodzą w wyniku:

* Homolizy

* Radiolizy

* Fotolizy

* Sonolizy

* Jednoelektronowych reakcji redoks

- Są z reguły szybkie, ale mało specyficzne (zwykle im szybsze tym mniej

specyficzne)

- Reakcje wolnorodnikowe obejmują:

* Reakcje inicjacji

* Reakcje propagacji

* Reakcje terminacji

Reakcje inicjacji


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

- 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 (RH2) reagują z tlenem

ulegając jednoelektronowemu utlenieniu, co prowadzi do powstania anionorodnika

ponadtlenkowego i wolnego rodnika:

RH2 + O2 ˙RH + H+ + O2-˙

- Reakcje tego typu są główną drogą powstawania rodnika ponadtlenkowego w

komórkach.

Anionorodnik ponadtlenkowy

- Powstaje w wyniku jednoelektronowej redukcji tlenu.

- 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

- W pH = 7,4 ok. 0,2% anionorodników ponadtlenkowych jest w formie

uprotonowanej, łatwiej przenikającej przez błony niż obdarzony ładunkiem

anionorodnik ponadtlenkowy.

HO2

. + H+ O2

.

O2 + e- O2

.

Anionorodnik ponadtlenkowy

- W obecności żelaza reaguje z nadtlenkiem wodoru dając rodnik hydroksylowy

(reakcja Habera-Weissa)

Lub:

(reakcja Fentona)

- Ulega spontanicznej dysmutacji do nadtlenku wodoru i tlenu; reakcja ta jest

katalizowana przez dysmutazy ponadtlenkowe (SOD)

- Stężenie bazalne anionorodnika ponadtlenkowego w typowej komórce to ok. 10-11

mol/L, w chloroplastach ok. 10-9 mol/L.

- Anionorodnik ponadtlenkowy reaguje z większą liczbą substancji i zwykle znacznie

szybciej niż tlen. Może też reagować sam ze sobą.

Nadtlenek wodoru

- 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:

H2O2 + H2O2 H2O + O2

- 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.

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+:

- 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

Fe2+ + H2O2 'OH + OH- + Fe3+

Cu+ + H2O2 'OH + OH- + Cu2+

Nadtlenek wodoru

- Stężenie H2O2 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 H2O2 - ok. 100 mmol/L).

- Sporo H2O2 jest też w miodzie (efekt antyseptyczny).

Rodnik hydroksylowy

- Powstaje w wyniku:

* jednoelektronowej redukcji nadtlenku wodoru (najważniejsze źródło rodnika

hydroksylowego w komórkach)

* 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)

. H2O2 + e- + H+ H2O + OH

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


* 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.


* 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

- Najbardziej podatne na uszkodzenie przez tlen singletowy są:

* reszty histydyny

* reszty metioniny

* reszty tryptofanu

* reszty tyrozyny

* reszty cysteiny

* guanina

- 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)

- Tlen singletowy reaguje z antyoksydantami. Inaktywowany jest również przez

karotenoidy (z marchewek) i likopen (z pomidorów).

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.

Opryszczka

- Jednymi z leków stosowanych w łuszczycy są psoraleny. Psoraleny są

wzbudzane światłem UV (320-400 nm), co jest podstawą terapii PUVA

(psoralen + ultrafiolet A).

Łuszczyca

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˙ + O2 2NO2˙

- 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˙ + H2O NO2- + NO3- + 2H+

- Tlenek azotu bardzo szybko reaguje z anionorodnikiem ponadtlenkowym tworząc

nadtlenoazotyn:

NO˙ + O2-˙ ONOO-

Nadtlenoazotyn - Nadtlenoazotyn jest silnym utleniaczem, reagującym przede wszystkim z:

* grupami SH i centrami żelazowo-siarkowymi białek

* resztami nienasyconych kwasów tłuszczowych lipidów

* anionem HCO3-, tworząc rodnik wodorowęglanowy

H+ + ONOO- + HCO3- HCO3˙+ NO2˙ + OH-

- Rodnik węglanowy jest silnym utleniaczem i ze względu na dużą zawartość CO2 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

- Najważniejszym antyoksydantem usuwającym nadtlenoazotyn jest glutation i

reakcje katalizowane przez peroksyredoksyny i peroksydazy glutationowe.

- Nadtlenoazotyn hamuje działanie między innymi:

* oksydazy cytochromowej (i innych składników łańcucha oddechowego)

* akonitazy (kluczowego enzymu cyklu Krebsa)

* innych białek zawierających centra żelazowo-siarkowe.

- Jest mało selektywnym oksydantem utleniającym wszystkie typy makrocząsteczek i

antyoksydanty niskocząsteczkowe.

Nadtlenoazotyn

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


- 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.

- ROS i RNS mogą powodować:

* zaburzenia funkcji komórek

* starzenie się komórek

* cytotoksyczność

* transformację nowotworową

Slajdy dostępne na stronie Zakładu Biotechnologii Medycznej

Zapraszam na wykład 2

Tlen: toksyczny pierwiastek życiabiotka.mol.uj.edu.pl/zbm/handouts/2015/AL/wyklad_1_-_Tlen... ·...

Documents

Transcript of Tlen: toksyczny pierwiastek życiabiotka.mol.uj.edu.pl/zbm/handouts/2015/AL/wyklad_1_-_Tlen... ·...