Reaktywne formy tlenu - charakterystyka zagadnienia, Prezentacje z Chimica Farmaceutica

Pobierz Reaktywne formy tlenu - charakterystyka zagadnienia i więcej Prezentacje w PDF z Chimica Farmaceutica tylko na Docsity! Reaktywne formy tlenu Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny Tlen – pierwiastek chorób i śmierci Negatywne działanie tlenu na organizm ludzki:  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  uszkodzenie płuc prowadzące do ich zwłóknienia:  uszkodzenie pęcherzyków płuc i ich obrzęk  obumieranie nabłonka wyściełającego pęcherzyki płucne  wzmożenie wytwarzania kolagenu  zwłóknienie płuc  głuchota w następstwie krwotoków do ucha wewnętrznego  uszkodzenia ośrodkowego układu nerwowego 2 Terapia 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 5 Wolne rodniki tlenowe 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 6 WOLNY RODNIK - jest to atom (lub cząsteczka) zdolny do samodzielnego istnienia, mający jeden lub więcej niesparowanych elektronów (na orbicie walencyjnej).  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 FORMY WYSTĘPOWANIA TLENU: rozkład elektronów na orbitalach  tlen trypletowy 3 O 2 p *2p  tlen singletowy 1 O 2 p *2p   Reakcje wolnorodnikowe Propagacja polega na zmianie nosicieli niesparowanych elektronów, przy nie ulegającej zmianie całkowitej liczbie wolnych rodników. Q* + RH → QH + R* H2 *C-CH2OH H3C-CH2OH + *OH → H3C- *CHOH + H2O H3C-CH2O * 10 przeniesienie atomów lub grupy atomów Reakcje wolnorodnikowe Propagacja 11 addycja – przyłączenie się wolnego rodnika do cząsteczki Q I Q* + R – C = C – R1 R – C * – C – R1 I I I I H H H H b- eliminacja - rozerwanie wiązania w położeniu b względem niesparowanego elektronu w stabilnej cząsteczce przekształconej w wolny rodnik R – C – C* R* + C = C Reakcje wolnorodnikowe Propagacja 12 jednoelektronowe reakcje redoks R* + Q R + Q* przegrupowania wewnątrzcząsteczkowe (Ar)3C – *CH2 (Ar)2C * – CH2 – Ar 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 16 Anionorodnik ponadtlenkowy O2 -. anionorodnik ponadtlenkowy HO2 . rodnik wodoronadtlenkowy (postać uprotonowana) Reakcja dysproporcjonowania O2 -* + O2 -* HO2 *+ HO2 * H2O2 + O2 HO2 * + O2 -* 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. 17 Anionorodnik ponadtlenkowy 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 Inne aktywne formy tlenu  alotropowa odmiana tlenu – ozon O3 – występuje w atmosferze, pochłania promieniowanie ultrafioletowe, jest silną trucizną  tlenek azotu NO powstaje w komórkach, w reakcjach z udziałem syntazy tlenku azotu (NOS), w dymie tytoniowym utlenia się do *NO2 , uczestniczy w powstawaniu rodników węglowych i ROO*  1O2 - 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 HONO2 - w reakcjach katalizowanych przez jony metali reaguje z grupami –SH białek, jest dawca grupy -NO2 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* + O2 2NO2 *  w organizmie powstaje przy udziale enzymów - syntaz NO 21 Ditlenek azotu NO2* 2NO* + O2 2NO2 * reaguje ze związkami nienasyconymi (np. lipidami) tworząc wolne rodniki, z elektronem na atomie węgla H H H H NO2 * + R – C = C – R1 R – C – C * –R1 NO2 rodniki organiczne powstające w reakcjach z tlenem: rodniki nadtlenkowe ROO* rodniki alkoksylowe RO* (+ NO2) w wodzie dysproporcjonowanie: 2NO2 * + H2O NO2 - + NO3 - + 2H+ 22 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  choroby nowotworowe 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 27 Powstający stres oksydacyjny bardzo silnie uszkadza tkanki!! Dysmutaza ponadtlenkowa SOD SOD jest metaloproteiną składająca się z:  części białkowej (apoenzym)  katalitycznej grupy prostetycznej w formie atomu metalu pełniącej funkcję centrum aktywnego. Reakcja przebiega dwuetapowo: I etap - redukcja jonu metalu i uwolnienie O2 M(n+1) +-SOD + O2 −* → Mn+ -SOD + O2 II etap - utlenienie jonu metalu z udziałem O2 −* i H+ i wytworzenie H2O2 Mn+ -SOD + O2 −* + 2 H+ → M(n+1) +-SOD + H2O2 gdzie: M = Cu +; Mn 2+; Fe 2+; Ni 2+ 30 Katalaza CAT enzym z grupy oksydoreduktaz katalizujący proces rozkładu H2O2 do H2O i O2 homotetramer, zbudowany z czterech identycznych podjednostek każda z podjednostek katalazy ma układ hemowy z położonym centralnie atomem żelaza (Fe3+) Fe3+ w miejscu aktywnym związany czteroma wiązaniami koordynacyjnymi z azotem struktury hemu, piąte wiązanie tworzy z tyrozyną w łańcuchu polipeptydowym białka katalazy podstawowa funkcja katalazy w komórkach - udział w reakcji dysproporcjonowania nadtlenku wodoru: 2 H2O2 → 2 H2O + O2 31 Systemy obrony przed wolnymi rodnikami 32 II. Białka chroniące przed reaktywnymi formami tlenu 3. peroksydaza glutationowa (GSH-Px) GSH-Px 2 GSH + H2O2 GSSG + 2 H2O białko – SH + GSSG białko – S – SG + GSH białko + GSSG białko + 2 GSH SH SH S – S HSe-CH2-CH-COO - +NH3 selenocys- steina Systemy obrony przed wolnymi rodnikami 35 III. Antyoksydanty niskocząsteczkowe 1. antyoksydanty hydrofilowe  glutation - g - glutamylocysteinyloglicyna  kwas askorbinowy – witamina C  kwas moczowy 2. antyoksydanty hydrofobowe  tokoferole – witamina E  karotenoidy  ksantofile  likopen Glutation g-glutamylocysteinyloglicyna (g-glu-cys-gly) najbardziej rozpowszechniony niskocząsteczkowy związek tiolowy w przyrodzie; występuje we wszystkich komórkach prokariotycznych i eukariotycznych grupa tiolowa (–SH) zredukowanego GSH może szybko ulec utlenieniu; powstaje forma utleniona - disulfid glutationu GSSG 2 GSH + H2O2 → GSSG +2H2O 36 Hydrofilowe antyoksydanty niskocząsteczkowe Glutation g-glutamylocysteinyloglicyna (g-glu-cys-gly) Detiolacja (deglutationylacja) - przywracanie grup tiolowych białek do postaci zredukowanej 37 Hydrofilowe antyoksydanty niskocząsteczkowe Neutralizacja wolnych rodników i RFT grupa tiolowa może reagować z O2 *-, *OH, H2O2 RSH + O2 *- + H+ → RS* + H2O2 2 RSH + H2O2 → 2 RS * + 2H2O RSH + *OH → RS* + H2O 2 RS* → RSSR organizm odtwarza GSH za pomocą reduktazy glutationowej Hydrofilowe antyoksydanty niskocząsteczkowe Witamina C - działanie prooksydacyjne !  w niskich stężeniach askorbinian może wykazywać działanie prooksydacyjne  aktywność prooksydacyjna jest związana ze zdolnością do interakcji z jonami metali przejściowych, głównie Fe3+ i Cu2+ : Fe3+ + AH– → Fe2+ + A*- + H+ Fe2+ + H2O2 → Fe 3+ + *OH + OH– reakcja Fentona  powstające RFT w pewnych warunkach mogą niszczyć komórki zwierzęce, w tym komórki nowotworowe  mieszanina askorbinianu z jonami metali przejściowych, w badaniach in vitro ma zdolność inaktywacji wielu białek, niszczenia tłuszczów i DNA  w warunkach laboratoryjnych mieszanina jonów żelazowych i askorbinianu jest używana w celu indukowania powstawania rodnika *OH 40 Hydrofilowe antyoksydanty niskocząsteczkowe 41 kwas moczowy  wiąże jony żelaza  reaguje z oksydantami  anionorodnik moczanowy jest stabilny kwas moczowy alantoina Hydrofilowe antyoksydanty niskocząsteczkowe. Kwas moczowy  w fizjologicznym zakresie pH występuje w formie zdysocjowanej jako anion moczanowy, który jest bardziej stabilny i nie reaguje z O2  anionorodnik moczanowy jest stabilny  reaguje z oksydantami: 1O2, *OH, H2O2, LOOH, HOCl, ONOO -  nie reaguje z O2 *-  wiąże jony żelaza  w obecności ONOO- kwas moczowy jest bardzo szybko degradowany, a produkty jego rozkładu mogą być cytotoksyczne.  w wysokich stężeniach lub w obecności jonów Cu+/Cu2+ kwas moczowy (lub jego pochodne) może nasilać peroksydację lipidów – działanie prooksydacyjne 42 Witamina E - tokoferole  główny antyoksydant rozpuszczalny w lipidach  obejmuje 8 różnych postaci - każda zbudowana jest z układu pierścieniowego 6-chromanolu i szesnasto węglowego– fitylowego łańcucha bocznego  łańcuch boczny jest nasycony – tokoferole (różnią się liczbą i położeniem grup -CH3)  łańcuch boczny zawiera trzy wiązania podwójne - tokotrienole 45 Hydrofobowe antyoksydanty niskocząsteczkowe  jeden z głównych związków chroniących nasz organizm przed stresem oksydacyjnym  uczestniczy w pierwszej linii obrony przed RFT efektywnie wygaszając 1O2  nie dochodzi do jego reakcji z resztami wielonienasyconych kwasów tłuszczowych fosfolipidów błon komórkowych oraz  hamowana jest reakcja peroksydacji i generowania ich rodników  w drugiej linii obrony szybko reaguje z wolnymi rodnikami nadtlenkowymi lipidów:  unieczynnia je  przerywa ich wytwarzanie oraz  hamuje ciąg wolnorodnikowych reakcji łańcuchowych uszkadzających komórki 46 Hydrofobowe antyoksydanty niskocząsteczkowe Antyoksydacyjne działanie a-tokoferolu Tokoferole mogą działać prooksydacyjnie ! podczas redukcji Fe3+ do Fe2+ i Cu2+ do Cu+ tokoferole stymulują powstawanie rodników *OH rodnik a-T* poprzez stosunkowo wolną reakcję jest zdolny oderwać wodór z cząsteczki wielonienasyconego kwasu tłuszczowego - działa jako słaby promotor utleniania tłuszczów bogatych w nienasycone kwasy tłuszczowe: a-T* + RH → R* + a-TH 47 Hydrofobowe antyoksydanty niskocząsteczkowe Prooksydacyjne działanie a-tokoferolu Hydrofobowe antyoksydanty niskocząsteczkowe Karotenoidy  należą do izoprenoidów; 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 50 Ksantofile (oksykarotenoidy)  pochodne tlenowe karotenów (hydroksylowe, ketonowe, aldehydowe, karboksylowe)  powstają podczas utleniania karotenów przy pomocy enzymów  występują, obok karotenoidów, w tkankach roślinnych (stanowią 60-70% związków karotenoidowych) i zwierzęcych:  luteina - 3,3’-dihydroksy pochodna α-karotenu - występuje praktycznie w tkankach wszystkich roślin zielonych  zeaksantyna - izomer luteiny - wyizolowana z nasion kukurydzy  astaksantyna – barwnik pancerzy skorupiaków, jeżowców, piór i nóg ptasich  kryptoksantyna - pomarańczowy barwnik owoców papryki i pomarańczy  fukoksantynę – barwnik brunatnic uczestniczący w fotosyntezie  kapsorubina i kapsantyna - główne barwniki papryki 51 Hydrofobowe antyoksydanty niskocząsteczkowe Antyoksydacyjne funkcje karotenoidów i ksantofili  dzięki obecności skoniugowanej struktury podwójnych wiązań, mogących delokalizować niesparowany elektron usuwają wolne rodniki (*OH, O2 -*, RO*)  są silnymi wygaszaczami tlenu singletowego (I linia obrony)  zabezpieczają przed powstawaniem nadmiernej ilości reaktywnych form tlenu podczas fotosyntezy (szczególnie tlenu singletowego)  w badaniach in vitro wykazano, że b-karoten hamuje peroksydację lipidów przy małym stężeniu tlenu, lecz nie hamuje tego procesu gdy stężenie tlenu jest duże  badania wykazały, że b-karoten nie zabezpiecza dostatecznie frakcji lipidowych krwi (LDL) przed peroksydacją 52