tlen pierwiastek życia i śmierci - strona główna · tlen – pierwiastek życia pojemność...

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


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



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



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



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


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


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


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


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


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


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


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-*


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



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


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


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

tlen pierwiastek życia i śmierci - strona główna · tlen – pierwiastek życia pojemność...

Documents