Wolne rodniki

Wolne rodniki - termin ten określa atomy lub cząsteczki, zawierające jeden lub więcej niesparowanych elektronów. Mogą one występować w formie jonów lub jako cząsteczki pozbawione ładunku (elektrycznie obojętne). Rodniki powstają w wyniku homologicznego rozerwania wiązania pod wpływem absorpcji promieniowania jonizującego, UV, widzialnego lub cieplnego; oraz w reakcjach redox. Wolne rodniki są obecne w każdej żywej komórce. Mają nietrwały czas życia (krótki okres półtrwania) mierzony w tysięcznych częściach sekundy. Cechują się wysoką reaktywnością chemiczną (dążą do przekształcenia się w formy korzystniejsze energetycznie).

Około 95% przyswajanego z atmosfery tlenu ulega w warunkach fizjologicznych 4-elektronowej redukcji ( z udziałem oksydazy cytochromowej) do cząsteczki wody. Metabolizm tylko 5% tego pierwiastka prowadzi do wytworzenia rodników tlenowyxh, których toksyczność jest niwelowana przez liczne mechanizmy obronne. W stanach patologicznych, aż 95% tlenu przekształca się w rodniki, a zaledwie 5% redukuje się do H₂O.

W warunkach fizjologicznych wolne rodniki są tworzone w wyniku:

-utleniania biologicznego w łańcuchu oddechowym

-reakcji enzymatycznych katalizowanych przez oksydazy: ksantynową, aldehydową, diaminową, NADPH, dehydrogenazę dihydroorotanową i lipooksygenazę.

-fagocytozy i w przemianach kwasu arachidonowego w płytkach krwi

-autooksydacji związków biologicznie czynnych, np.: hemoglobiny, hydrochinonów, epinefryny, leukoflawiny, pochodnych tiolowych.

Wolne rodniki, jak również produkty ich przemian, o wysokiej reaktywności posiadają znaczny wpływ na biochemię i fizjologię komórki. Wpływają na:

-uszkodzenie struktury DNA, pękanie chromosomów

-depolimeryzację kwasu hialuronowego

-tworzenie nieprawidłowych wiązań krzyżowych w kolagenie i elastynie

-uszkodzenie struktury i zaburzenie funkcji błon biologicznych

-inaktywacje enzymów

Wolne rodniki maja istotne znaczenie w patogenezie (wpływ czynników środowiska):

-stosowaniu chemioterapii i chemioterapeutyków, np.: dexorubicyny, bleomycyny

-zespołu przetlenienia

-zespołu niedokrwienia i reperfuzji

-toksycznego uszkodzenia spowodowanego związkami chemicznymi takimi jak: parakwat, czterochlorek węgla, leki, alkohol, dym papierosowy

-chemicznej i środowiskowej karcinogenezy spowodowanej przez benzopiren

-przechowywania narządów do przeszczepów (istotne jest szybkie dokonanie zabiegu, aby ograniczyć reakcje wolnorodnikowe)

Wolne rodniki powstają:

- endogennie

- egzogennie

- są produktami peroksydacji lipidów

Do endogennych wolnych rodników zaliczamy:

- rodnik ponadtlenkowy (O₂^-)

- rodnik hydroksylowy (OH)

Reaktywne pochodne:

- tlen singletowy (1O₂)

- nadtlenek wodoru H₂O₂

Wszystkie rodniki tlenu to reaktywne formy tlenu => nowa nomenklatura

Rodnik ponadtlenkowy:

-powstaje w wyniku:

-jednoelektronowej redukcji tlenu

-samoutleniania niektórych związków

-reakcji enzymatycznych

-działania czynników środowiskowych

-unieczynnia go dysmutaza ponadtlenkowa

Rodnik hydroksylowy:

-wykazuje największą reaktywność

-ma zdolność dyfuzji na dalekie przestrzenie

-nie istnieje mechanizm, który go unieczynnia

-T_½=10^-6

Tlen singletowy:

-nie jest wolnym rodnikiem, ale wykazuje podobna jak wolne rodniki dużą reaktywność chemiczną

-może powstać w wyniku działania peroksydaz (np. hydroperoksydazy prostaglandynowej)

-oddziaływuje z innymi cząsteczkami na dwa różne sposoby:

-przechodzi w stan tripletowy

-wchodzi w reakcje chemiczne

-działa bakteriobójczo i bakteriostatycznie

-preferencyjnie reaguje z wiązaniami podwójnymi

-preferencyjnie reaguje z guaniną i pochodnymi purynowymi

-uszkadza reszty aminokwasowe (metioniny, tryptofanu, cysteiny, histydyny)

Nadtlenek wodoru:

-nie jest wolnym rodnikiem, ale wykazuje podobna jak wolne rodniki dużą reaktywność chemiczną

-jest najbardziej toksyczny, może powodować znaczne uszkodzenia

-może dyfundować na duże odległości

-utlenia grupy sulfhydrylowe w białkach i innych związkach

Pełna redukcja molekularnego tlenu zachodzi pod wpływem kompleksu oksydazy cytochromowej przez przyłączenie 4ē do cząsteczki O₂.

Przyłączenie 1ē powoduje generację rodnika ponadtlenkowego zgodnie z reakcją:

O₂ + ē  O₂^-

W wyniku dwuelektronowej redukcji cząsteczki tlenu molekularnego wg reakcji:

O₂ + 2ē + 2H⁺  H₂O₂

powstaje nadtlenek wodoru. Jest on także produktem spontanicznej lub enzymatycznej dysmutacji, katalizowanej przez dysmutazę ponadtlenkową.

Trójelektronowa redukcja cząsteczki O₂ przebiega zgodnie z reakcją:

O₂ + 3ē + 3H⁺ --> H₂O + ·OH

Powstały ·OH jest najbardziej reaktywnym i toksycznym wolnym rodnikiem.

Rodnik ·OH powstaje również w tzw. reakcji Fentona oraz w wyniku reakcji O₂^-· z H₂O₂, wymagającej in vivo obecności metali grup przejściowych (żelaza lub miedzi):

Fe⁺² + H₂O₂  Fe⁺³ + ·OH + OH^-

Cu⁺ + H₂O₂  Cu⁺² + ·OH + OH^-

W reakcji Habera Weissa: rodnik hydroksylowy tworzy się zgodnie z reakcją:

Fe⁺³

O₂^- + H₂O₂ OH + OH^- + ¹O₂

Reakcja prowadzącą do otrzymania tlenu singletowego jest:

O₂^-∙ + HO₂· + H⁺  H₂O₂ + ¹O₂

lub

O₂^-· + ·OH  ¹O₂ + OH^-

W warunkach fizjologicznych RFT („reaktywne formy tlenu”) uczestniczą w procesach:

-utleniania i redukcji w łańcuchu oddechowym

-odtwarzania źródeł energii w postaci wysokoenergetycznych związków fosforanowych

-odtruwania organizmu z substancji toksycznych

-syntezy prostanglandyn i leukotrienów

-podziału i rozwoju organizmów

-metabolizmu ksenobiotyków

-agregacji płytek krwi

Endogenne wolne rodniki tworzone są w organizmie, najczęściej w układach związanych z systemem błon komórkowych, dlatego szczególnie narażone na ich działanie są lipidy błonowe, a głównie nienasycone kwasy tłuszczowe.

Proces peroksydacji lipidów - jest to wolnorodnikowy proces utleniania nienasyconych kwasów tłuszczowych lub innych lipidów, w których powstają nadtlenki tych związków.

MDA - dialdehyd malonowy

- marker procesu peroksydacji lipidowej

Stężenie MDA w osoczu wynosi:

3,9 - 4,5 nmol/ml

W procesie peroksydacji wyróżniamy trzy fazy:

I Inicjacja:

Polega na oderwaniu atomu wodoru od cząsteczki wielonienasyconego kwasu tłuszczowego lub reszty takiego kwasu wchodzącej w skład fosfolipidu. Czynnikiem odrywającym wodór od cząsteczki wielonienasyconego kwasu tłuszczowego może być rodnik:

·OH (hydroksylowy)

LOO· (nadtlenkowy)

LO· (alkoksylowy)

L· (alkilowy)

Również inne czynniki mogą inicjować proces peroksydacji:

ozon

tlenek azotu

dwutlenek azotu

SO₂

kationorodniki ( ferrylowy, nadferylowy)

Oderwaniu ulega jeden z atomów wodoru związanych z atomem węgla tworzącym wiązanie podwójne. Reakcja inicjacji przekształca cząsteczkę kwasu tłuszczowego w wolny rodnik alkilowy:

·OH

LH L·

II Prolongacja (propagacja):

Wolne rodniki alkilowe L· reagują z tlenem tworząc wolne rodniki nadtlenkowe LOO·:

L· + O₂  LOO·

LOO· + LH  LOOH + L·

III Terminacja:

Etap ten może prowadzić do reakcji pomiędzy dwoma wolnymi rodnikami alkilowymi, nadtlenkowymi lub różnymi rodnikami jakie występują w układzie:

L· + L·  L - L

LOO· + LOO·  L = O + LOH + O₂

LOO· + L·  L = O +LOH

Produktami reakcji terminacji są:

- dimery kwasów tłuszczowych

- ketokwasy tłuszczowe

- hydroksykwasy tłuszczowe (czyli zmodyfikowane uszkodzone cząsteczki lipidów)

W procesie peroksydacji lipidów występuje zjawisko reinicjacji. Reinicjacja polega na tym, iż nadtlenki lipidów - czyli nienaruszone produkty peroksydacji mogą ulegać rozkładowi prowadzącemu znów do powstania produktów wolnorodnikowych.

Produkty procesu peroksydacji podlegają dalszym przemianom. Są to m.in. reakcje zachodzące drogą β-eliminacji, które prowadzą do rozpadu reszt wielonienasyconych kwasów tłuszczowych i powstania kilku- lub kilkunastowęglowych fragmentów. Powstające poprzez działanie wolnych rodników wodoronadtlenki lipidowe ulegają następnie reakcjom w wyniku których powstaje szereg niskocząsteczkowych produktów peroksydacji aldehydów, alkenali, α, β nienasyconych hydroksyalkenali, ketonów, ketokwasów, epoksydów, furanów, hydroksykwasów.

Najczęściej powstaje dialdehyd malonowy oraz hydroksyaldehydy węglowodory. Produkty końcowe procesu peroksydacji np. aldehydy są mniej reaktywne niż wolne rodniki. Aldehydy reagują z grupami tiolowymi i aminowymi białek, a także lipidów, aminokwasów i zasad azotowych wchodzących w skład kwasów nukleinowych.

Połączenie aldehydów z grupami NH₂­ powoduje powstanie zasad Schiffa, które mogą ulegać dalszym przekształceniom do bardziej trwałych produktów.

Końcowe produkty peroksydacji lipidów:

- zmieniają właściwości antygenowe białek z którymi się łączą

- hamują aktywność enzymów, co prowadzi do hamowania replikacji DNA i transkrypcji

- powodują pękanie nici DNA

- są cytotoksyczne

- działają mutagennie, karcinogennie

- obniżają hydrofobowość lipidowego wnętrza błon komórkowych co powoduje wzrost przepuszczalności błon dla jonów H⁺ i innych substancji polarnych

- wpływają na depolaryzację błony

- zaburzają asymetrię lipidową błon powodując np. pojawienie się na zewnętrznej powierzchni błony plazmatycznej fosfatydyloseryny, prawidłowo obecnej tylko w wewnętrznej cytoplazmatycznej części dwuwarstwowej lipidowej błony

- hamują aktywność enzymów błonowych i białek transkryptujących

- powodują rozprzęganie fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach

Mechanizmy obronne, zabezpieczające przed toksycznym wpływem wolnych rodników:

Mechanizmy enzymatyczne:

* dysmutaza ponadtlenkowa (SOD)

* katalaza (CAT)

* peroksydaza glutationowa (GPx)

* reduktaza glutationowa (GSSG-red)

Mechanizmy nieenzymatyczne:

1. antyutleniacze (antyoksydanty):

1. witamina E

2. kwas askorbinowy

3. glutation

4. witamina C

5. β-karoten

2. zmiatacze wolnych rodników:

1. adrenalina

2. bilirubina

3. biliwerdyna

4. kwas moczowy

5. tiomocznik

6. ceruloplazmina

7. albumina

8. glukoza

3. związki biorące udział w sekwestrze metali

1. jony metali grup przejściowych - żelazo, miedź

2. ceruloplazmina

3. transferyna

4. ferrytyna

5. laktoferyna

2O₂· + 2H⁺

2H₂O + O₂ 2H₂O₂ 2H₂O

peroksydaza

glutationowa

2GSH GSSG

reduktaza

glutationowa

NADPH+H⁺ NADP⁺

CYKL PENTOZOWY I INNE REAKCJE

Mechanizmy obronne (zabezpieczające przed działaniem wolnych rodników) można również podzielić na:

- wewnątrzkomórkowe

- pozakomórkowe

WOLNE RODNIKI W STANACH CHOROBOWYCH:

1. Stanowią czynnik obrony organizmu (zwalczają zakażenia bakteryjne, przez udział w procesach fagocytozy i niszczenia bakterii).

2. Są czynnikiem uszkadzającym tkanki i mogą być przyczyną wielu chorób.

Do jednostek chorobowych, w których etiopatogenezie postulowano udział wolnych rodników należą:

1. dysplazja oskrzelowo-płucna

2. choroby autoimmunologiczne (kolagenozy, reumatoidalne zapalenie stawów)

3. zespoły hemolityczne ( talesemie, anemia sierpowata)

4. choroby nerek (martwica kory nerek, ostra niezapalna niewydolność nerek, śródmiąższowe niebakteryjne zapalenie nerek)

5. zaćma

6. miażdżyca tętnic

7. choroby nowotworowe i stany przednowotworowe

8. astma oskrzelowa

9. choroba wrzodowa żołądka i dwunastnicy

10. cukrzyca

11. progeria (zespół przyspieszonego starzenia się)

12. AIDS

13. nadczynność tarczycy

14. zapalenie opon mózgowych

15. zatrucia metalami ciężkimi

DYSMUTAZA PONADTLENKOWA - SOD

Występuje w postaciach:

- związana z atomami Zn i Cu - SOD-1 - CuZnSOD

- enzym cytoplazmatyczny

- homodimer

- zależna od manganu Mn - SOD-2 - MnSOD

- macierz mitochondrialna

- tetramer

- dysmutaza pozakomórkowa - ECSOD

- osocze

- limfa

- płyn mózgowo-rdzeniowy

- oporna na działanie zasad, kwasów, mocznika i wysokiej temperatury

- tetramer

SOD-1 i ECSOD są hamowane przez jony cyjankowe i azydkowe

Dysmutazy katalizują reakcję dysmutacji, czyli dysproporcjonowania rodnika ponadtlenkowego do nadtlenku wodoru i tlenu:

2·O₂^- + 2H⁺  H₂O₂ + O₂

KATALAZA - CAT

- tetramer

- białko zawierające hem i jeden atom żelaza

- występuje w erytrocytach, nerkach i wątrobie

- występuje w peroksysomach, w przypadku gdy nie ma peroksysomów jej lokalizacja jej związana z kompartmentacją komórki

- szeroki zakres działania: pH 5,0-10,5

- pośredniczy w dysproporcjonowaniu H₂O₂ do H₂O

- ma istotne znaczenie przy znacznym wzroście H₂O₂

2H₂O₂  2H₂O + O₂

PEROKSYDAZA GLUTATIONOWA (GPx) - dawniej Se-GPx

- peroksydazy glutationowe katalizują redukcję H₂O₂ i nadtlenki organiczne przez zredukowany glutation

- w centrum aktywnym występuje selenocysteina

- w erytrocytach nie istnieje rozgraniczenie katalazy i peroksydazy w oddzielnych kompartmentach komórek

- cGPx - klasyczna wewnątrzkomórkowa, ochrania przed szkodliwym wpływem H₂O₂

- GI-GPx - występuje wyłącznie w ścianach przewodu pokarmowego, stanowi barierę przed nadtlenkami i ksenobiotykami

- sGPx - osoczowa - ochrania przestrzeń pozakomórkową

- PH-GPx - peroksydaza glutationowa, wodorotlenek fosfolipidów, monomer, chroni błonę komórkową przed peroksydacją fosfolipidową, występuje w mitichondriach plemników.

- Se-GPx - rozkłada nadtlenek wodoru, jak równieżhydroperoksypochodne kwasów tłuszczowych do ich hydroksypochodnych zgodnie z reakcją:

H₂O₂ + 2GSH  2H₂O + GSSG

ROOH + 2GSH  ROH - GSSG + H₂O

REDUKTAZA GLUTATIONOWA (GSSG-RED)

- odtwarza zredukowaną formę glutationu kosztem utlenienia NADPH (zredukowany fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego):

GSSG + NADPH + H⁺  2GSH + NADP⁺

- zredukowany fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego ulega regeneracji przez enzymy, katalizujące reakcje utleniania, których kosubstratem jest NADP⁺.

- w erytrocytach jedynym źródłem NADPH jest cykl pentozowy

<<KONIEC>>

KATALAZA

DYSMUTAZA PONADTLENKOWA

8

---