Reaktywne formy tlenu:
wgląd w akta i obrazki z pola
bitwy
Ariel Mucha
Ariel Mucha
Zakład Chemii Bionieorganicznej i Biomedycznej
Zakład Chemii Bionieorganicznej i Biomedycznej
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Reaktywne formy tlenu (RFT)- reactive oxygen species (ROS):
"
ozon (O3)
"
tlen trypletowy (3O2)
"
tlen singletowy (1O2)
"
nadtlenek wodoru (H2O2)
"
anionorodnik ponadtlenkowy (O2" -)
"
rodnik wodoronadtlenkowy (HO2" )
"
rodnik hydroksylowy (HO" )
" tlenek azotu, dwutlenek azotu, kwas nadtlenoazotawy i jego anion (RFN)
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Endogenne z
ródła RFT (H2O2 i HO" ):
Oksydazy (oksydoreduktazy)  enzymy katalizujące reakcje przenoszenia e- lub
atomów H na tlen (O2), np. oksydaza ksantynowa (utlenianie ksantyny do kwasu
moczowego, puryny do hipoksantyny oraz hipoksantyny do ksantyny)
O2 + e- O2" -
O2 + 2e- + 2H+ H2O2
OH
OH
OH
N
N
N
N
N
O2 N
O2
HO
N
N
N
N
N OH
N
H
H
H
OH
H2O2 O2
H2O2 O2
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Endogenne z
ródła RFT (H2O2 i HO" ):
Utlenianie białek oddechowych:
Hemoglobina:
Hem-Fe2+-O2 (oksyHb)hem-Fe3+-O2" - (metHb)hem-Fe3+(metHb) + O2" -
Przeciwdziałanie: reduktaza methemoglobinowa
Mioglobina:
Hem-Fe2+-O2 +  donor jednoelektronowy hem-Fe3+ + H2O2 + donor utleniony
(donor: hydrochinony, aminofenole, azotyn)
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Endogenne z
ródła RFT (H2O2 i HO" ):
Peroksysomy:
" niewielkie (0,2-1źm) kuliste lub owalne organelle posiadające wewnętrzny
szkielet mikrotubul i zdolność syntezy H2O2
" pełnią kluczową funkcję w procesie utleniania lipidów, w szczególności
długołańcuchowych kwasów tłuszczowych oraz w procesach syntezy
glicerolipidów, glicerolu, lipidów eterowych (plazmalogenów) i izoprenoidów
" posiadają enzymy (50) utleniające D-aminokwasy, kwas moczowy i
hydroksykwasy z wykorzystaniem O2 i tworzeniem H2O2
" obecność katalazy, enzymu dysproporcjonującego H2O2 do tlenu i wody,
zapobieg uwalniniu nadtlenku wodoru do cytoplazmy
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Neutrofile: zlokalizowanie procesu zapalnego w organizmie, rozpoznanie,
likwidacja  obcych .
dwa systemy: tlenowo-niezależny i tlenowy, który generuje O2" -, HO"
reaktywne formy tlenu uwolnione z komórek fagocytujących mogą powodować
uszkodzenia innych komórek
Autooksydacja związków endo- i egzogennych:
np. autooksydacja adrenaliny
Utlenianie ksenobiotyków: udział askorbinianu, glutationu (związki tiolowe)
Chloramfenikol, bleomycyna (lek przeciwnowotworowy), parakwat (herbicyd),
nitrobenzen
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
W warunkach fizjologicznych ok. 1-5%
metabolicznego tlenu ulega konwersji
do form wolnorodnikowych.
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Stres oksydacyjny
(niekoniecznie jedyna bezpośrednia przyczyna)
Udokumentowany udział RFT w etiologii lub przebiegu chorób:
Miażdżyca  utlenianie lipoprotein osocza krwi przez RFT - jeden z
najważniejszych etapów jej powstawania
Cukrzyca  często za groz
ne powikłania (uszkodzenie: siatkówki, nerek) 
odpowiedzialne RFT  które z powodu podwyższonego poziomu glukozy
wytwarzane są w nadmiarze
Nowotwory  RFT uszkadzają DNA, mechanizmy hipotetyczne
Stwardnienie boczne zanikowe  mutacje genu kodującego SOD
Choroba Alzheimera  duże ilości RFT, wytwarzane przez złogi amyloidu,
białka obecnego w mózgu chorych
Choroba Parkinsona  utlenianie dopaminy przez oksydazę monoaminową,
tworzenie nadtlenku wodoru, destrukcja neuronów
HIV  u osób zainfekowanych spada, w zaatakowanych komórkach UO, stężenie
glutationu
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Stres oksydacyjny
Zapalenia  niezależnie od rodzaju bodz
ca zawsze gromadzą się
wyspecjalizowane komórki odpornościowe  fagocyty, towarzyszy temu
uwalnianie dużych ilości RFT
Uraz niedokrwienno-reperfuzyjny (zawał, udar mózgu)  niedokrwiony obszar
nie otrzymuje tlenu i rozpoczynają się procesy degradacji, zamieranie komórek
Malaria  szybkie przywrócenie obiegu krwi (reperfuzja) ratuje niedokrwiony
obszar, paradoksalne zjawisko: w pierwszym momencie powstaje bardzo duża
ilość RFT, większe uszkodzenie tkanki
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Co się dzieje w układzie wytwarzającym H2O2 i O2" -
czyli jak powstaje HO" ?
Początkowa koncepcja:
w wyniku bezpośredniej reakcji H2O2 z O2" -
H2O2 + O2" - O2 + HO- + HO" (reakcja Habera-Weissa)
W warunkach fizjologicznych reakcja ta nie ma znaczenia, przebiega zbyt wolno,
chociaż zachodzi spontanicznie.
Proponowany mechanizm: reakcja(e) Fentona:
Fe2+ + H2O2 Fe3+ + HO- + HO"
Fe3+ + O2" - Fe2+ + O2
wystarczająco wysokie stałe szybkości reakcji, entalpie swobodne ujemne (mogą
zachodzić spontanicznie), mogą wytwarzać wystarczające ilości HO"
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Co się dzieje w układzie wytwarzającym H2O2 i O2" -
czyli jak powstaje HO" ?
wystarcza obecność Fe(II) w bardzo małych stężeniach, by te reakcje zachodziły
stężenia innych jonów metali w komórkach mniejsze niż Fe, lecz mogą one być
składnikami zanieczyszczeń środowiskowych
na szczęście organizmy posiadają szereg mechanizmów umożliwiających silne
wiązanie Fe i Cu.
czynnikiem limitującym reakcję Fentona/typu Fentona jest dostępność jonów
metali
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
1. Fe2+ + H2O2 Fe3+ + HO- + HO" (reakcja Fentona)
2. Fe3+ + O2" - Fe2+ + O2
3. Mn+ + H2O2 M(n+1)+ + HO- + HO" (reakcja typu Fentona)
4. M(n+1)+ + O2" - Mn+ + O2
5. H2O2 + O2" - O2 + HO- + HO" (reakcja Habera-Weissa)
Suma reakcji 1 i 2:
6. H2O2 + O2" - Śą O2 + HO- + HO"
Fe2+/ Fe3+
(katalizowana reakcja Habera-Weissa)
7. Mn+ + O2 M(n+1)+ + O2" -
8. Mn+ + O2" - + 2H+ M(n+1)+ + H2O2
9. Mn+ + H2O2 [MO]n+ + H2O
10. Mn+ + H2O2 [MO2](n-2)+ + 2H+
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Kancerogeneza metali
Trzy główne koncepcje kancerogenezy metali:
" zakłócanie przez jony M(II) struktury,
procesów metylacji lub kondensacji chromatyny
(tzw. koncepcja epigenetyczna),
" blokowanie działania lub ekspresji enzymów odpowiedzialnych
blokowanie działania lub ekspresji enzymów odpowiedzialnych
za naprawę uszkodzeń DNA
za naprawę uszkodzeń DNA
(tzw. koncepcja genotoksyczna),
(tzw. koncepcja genotoksyczna),
" wiązanie się jonów M(II) z białkami i generowanie wolnych
rodników, na skutek reakcji z endogennym nadtlenkiem wodoru
(tzw. koncepcja oksydatywna).
M(II) + H2O2 M(III) + HO- + HO "
M = min. Cu(II), Ni(II), Fe(II) (metale aktywne redox)
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Ograniczenia koncepcji oksydatywnej
" Ograniczenia koncepcji oksydatywnej
kancerogenezy niklowej:
- generowanie RFT przez niskospinowe kompleksy niklu(II)
- uszkadzanie nukleotydów będących częścią DNA.
" Aktywność oksydatywna wysokospinowych
kompleksów Ni(II):
- zdolne do utleniania reszt guaninowych
(np. Ni(II)-His, Ni(II)-(CAIH)2)
- proces zachodzi bez generowania RFT i tworzenia Ni(III)
-mechanizm nieznany.
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Kancerogeneza metali
" metals toxicity is connected with their oxidative properties,
" there are two main ways of the metals mutagenesis:
- towards DNA: its coordination to histone peptides and reaction with
endogenous H2O2,
- towards nucleotides: oxidation of deoxytrinucleotides and their incorporation
into growing DNA strand,
" in both cases, the aromatic rings of the guanine residues are the likely targets
of oxygen radical assault, due to their relatively low reduction potential (lowest
among the nucleobases),
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Kancerogeneza metali
" it is proven, that 8-oxo-dG (anti) forms base pair with dA, while 8-oxo-dG
(syn) with dC,
" due to this impairment of hydrogen bonding in base pairing, the incorporation
of 8-oxo-dGTP into DNA may result in A:T C:G and
G:C T:A transversion mutations,
" to prevent incorporation 8-oxo-dGTP into DNA, 8-oxo-dGTPase is present in
all living organisms. In bacteria, the absence of this enzyme causes a 1000-fold
higher mutation frequency than in the case of wild-type bacteria.
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
DNA każdej komórki w
ciągu 24 h jest atakowane
przez RFT ok. 10 000 razy,
co prowadzi do ok. 20
uszkodzeń oksydacyjnych
Biologiczne następstwa uszkodzeń DNA:
o charakterze mutagennym
" Mutageneza
" Karcynogeneza
" Procesy starzenia się komórek
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Schemat utleniania reszty guaninowej
H
O
O
O
N H2N
H2O
HN
H2N
N
N
NH
NH
dR
dR
Potencjały redukcji
dIz dZ
zasad nukleinowych:
O2, H2O
E0 (dG) = 1,29V
O" O O
E0 (dA) = 1,42V
O
HN
N - H2O " N
N HN
NH
E0 (dC) = 1,6V
HN
N
N N
N
H2N N H2N N
H
OH
O
E0 (dT) = 1,7V
R R R
Sp
- H+ HO"
O O O
1
O2
- e-
5
N N N
HN HN HN
+ "
8
N 4 N N
N N N
H2N H2N H2N O
O
R R R
G
HO"
O O
N" OH N
HN HN
OOH
N N
H
N N
H2N H2N
R R
Redukcja Utlenianie Redukcja
O
O
O
H
N
NH
HN
HN
O
N
NH N
H2N
N
H2N
R
R
FAPy-G
8-okso-G
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
O O O
O
O OOH
H H
NH
N N NH NH
HN HN O N
O
O O O
N
H2N N
N N N
H2N N H2N N H2N N
R
dR dR dR
8-okso-dG
O
O
O
HN
NH H
O
HN
N N
HN
O O HN
HN
N
N N
H2N N
NH
dR
O
dR
dR
OOH
dIz
NH O
O
H2N N NH
O
O
NH
O N O
HN
N
O
HN
dR
O
N O
O H2N
N O dR
H2N N
H2N
N
R NH
OH
dR
dZ
O
HN NH
O
O N O
NH
dR
O O
N
dR
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
O O H
OH
H
O
N
-e-
N NH
HN N
HN
O O
N
H2O
N N NH
H2N N H2N N
R R R
8-okso-G Iz
pH > 7 pH = 7
H
O O
O
N
O
O
O
H2N
HN NH
H2N
N
H2N N
NH
N N
R
NH HN O
H
R
R
HN
Gh Sp Z
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Wolnorodnikowe przemiany guaniny
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Mutacje punktowe w nici DNA
podczas procesu transkrypcji:
" 8-okso-G może powodować transwersję typu G T,
wówczas gdy konformer syn tworzy parę z dC,
" oksazolon (Z) może prowadzić do mutacji G T
oraz w mniejszym stopniu do G C,
" spiroiminodihydantoina (Sp) powoduje: G C (72%)
oraz G T (27%) (izomer Sp1)
lub G C (57%) oraz G T (41%) (izomer Sp2),
" guanidynohydantoina (Gh) powoduje mutacje punktowe
typu G C (98%) oraz G T (2%).
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Obecność 8-okso-G może prowadzić do transwersji
G => T
G => C
Obecność fapy-G może wywoływać:
blokowanie replikacji
transwersje G => T
tranzycje G => A
Ponadto istnieją przesłanki wskazujące na to, że fapy-guanina
może być związana z patologią wielu chorób takich
jak choroba Parkinsona czy choroba Alzheimer'a.
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Konsekwencje hydroksylacji guaniny
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Schemat przemian nukleotydów w organizmie
DNA
5 5
HO.
dGTP 8-okso-dGTP
2 2
1 HO.
3
GDP dGDP 8-okso-dGDP
4
dGMP 8-okso-dGMP
6
(1) reduktaza rybonukleotydowa, (2) kinaza nukleozydodifosforanowa,
(3) 8-okso-dGTPaza, (4) kinaza guanylanowa, (5) polimeraza DNA,
(6) 8-okso-dGMPaza i wydalenie z organizmu
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Wpływ kompleksów ternarnych nukleotydów
z jonami Ni(II) i His na DNA
II
III
I
Czasowa zależność uszkodzeń
Czasowa zależność uszkodzeń
plazmidu:
plazmidu:
Ni(II) 5 -ATP /H2O2
" Ni(II) 5 -ATP /H2O2
Ni(II) His/H2O2
" Ni(II) His/H2O2
Ni(II) 5 -ATP His/H2O2
" Ni(II) 5 -ATP His/H2O2
1  kontrola,
1  kontrola,
2 - 12  próbki inkubowane przez:
2 - 12  próbki inkubowane przez:
0, 5, 10, 20, 30, 45, 60, 75,
0, 5, 10, 20, 30, 45, 60, 75,
90, 105 i 120 min.
90, 105 i 120 min.
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Wolnorodnikowe przemiany adeniny
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Obecność 2-OH-A może prowadzić do transwersji
A => T
A => C
8-okso-A wykazuje przynajmniej o rząd wielkości mniejsze
właściwości mutagenne aniżeli 8-okso-G w komórkach E.coli z
normalnym systemem naprawczym.
Obecność 8-okso-A może prowadzić do:
normalnego parowania
tranzycji A => G
transwersji A => C
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Uszkodzenia 2'-deoksyrybozy
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Schemat procesu cięcia nici DNA związany z oderwaniem
atomu wodoru H-5 z cząsteczki cukru
zasada nukleinowa
O O
OO" zasada nukleinowa
- -
"
O P O O P O
O O
O2, H+, e-
O- O-
O O
O P O- O P O-
OR' OR'
endogenne tiole, np. glutation
zasada nukleinowa
O
H
O
O-
+
O P O-
O
OR'
O P O-
OR'
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha
Systemy naprawcze DNA
Egzo- i endonukleazy: wycinanie uszkodzonych fragmentów DNA
Glikozylazy: odszczepianie uszkodzonych zasad przy wiązaniu N-
glikozydowym
Polimerazy (nukleotydylotransferazy): synteza fragmentów nukleotydowych i
wypełniane ubytków powstałych w reakcjach nukleaz
Ligazy: łączenie naprawionych fragmentów
Metody fizykochemiczne w chemii biologicznej  HPLC (semestr letni 2006/2007) mgr Ariel Mucha