Kemija kisika in reaktivni radikali

Reaktvne kisikove vrste

• Živimo v okolju, kjer so prosti radikali prisotni povsod in nastajajo tudi v našem organizmu.
• Pomembne so za fiziološke in patofiziološke procese. Nekatere so prosti radikali, druge ne.
• Pred 2 milijardama let se je delež kisika v ozračju povečal, kar je bilo škodljivo za anaerobne organizme. Kisik reagira z biomolekulami in jih poškoduje.
• Kisik je najbolj razširjen element v skorji in v hidrosferi prispeva k aerobnemu življenju. Ima ključno vlogo v biokemijskih reakcijah v hidrofobnih lipidnih membranah.
• Organizmi so se prilagodili toksičnim učinkom kisika s preživetvenimi mehanizmi.
• Nekateri prosti radikali so danes potrebni za normalno delovanje in preživetje mnogoceličarjev.
• Poglavje obravnava prosti radikale, njihove reakcije z molekulami v organizmu in pomembnost reaktivnih kisikovih vrst v patofizioloških procesih.

Fizikalnokemične osnove

• Prosti radikali so atomi, ioni ali molekule z vsaj enim nesparjenim elektronom.
• Na energijskem nivoju elektronov so elektroni na orbitalah, podobnih planetarnim tirnicam. Z velikostjo orbit označimo s kvantnim številom n.
• Kvantna mehanika obravnava elektrone kot valovne funkcije.
• Schrödingerova enačba opisuje energijske nivoje atoma vodika in kvantnih števil.
• Kvantna števila so: glavno, stransko, magnetno in spinsko.
• Paulijev izključitveni princip: Na isti orbitali ne moresta biti dva elektrona z enako kvantno številko.
• Hundovo pravilo: Na voljo prazne orbitale najprej zapolnjujejo z enim elektronom, preden se dopolnijo z drugim.
• Na istem energijskem nivoju je največ dva elektrona z nasprotnima spinoma. V kovalentnih vezah morata imata dva vezana elektrona nasprotna spina.
• Atomi z lihim številom elektronov so običajno paramagnetni.

Temeljne kemične značilnosti radikalov

• Prosti radikali imajo zelo kratko življenjsko dobo, pogosto manj kot milijardska sekunda.
• Zelo reaktivni so prosti radikali z lihim številom nesparjenih elektronov, ki imajo nasprotne spine.
• Kemično stabilni prosti radikali reagirajo počasneje z drugimi molekulami. Primer stabilnih prostih radikalov sta molekularni kisik (O2) in dušikov dioksid (NO2).
• Stabilni prosti radikali hitro reagirajo z reaktivnimi prostimi radikali.

Reaktivne molekularne oblike kisika

• Najpomembnejše so:
  • Atmosferski kisik (O2)
  • Kisikov singlet (O2)
  • Superoksidni anion (O2−)
  • Peroksidni ion (O22−)
  • Singlet kisik (radikal) O2.
• Različne kisikove oblike imajo različne reaktivnosti. Najbolj reaktivna oblika je singlet kisik (radikal).
• Reaktivnost kisikovih spojin je odvisna od njihove konfiguracije elektronov.

Drugi radikali s kisikom in reaktivne kisikove spojine

• Reaktivne kisikove zvrsti poškodovanje celic.
• Drugi prosti radikali s kisikom v strukturi.
• Kisikove spojine, ki niso prosti radikali ,ampak pri svojih reakcijah lahko tvorijo proste radikale.
• Ozon je toksična spojina, ki lahko tvori proste radikale skozi reakcije, v katerih sodeluje z UV-sevanjem in drugimi molekulami.
• Dušikovi oksidi nastajajo pri izgorevanju, so vgrajeni v celične procese.

Splošen pregled nastajanja radikalov v naravi

• Superoksidni anion (O2−) nastane s enostopenjsko redukcijo molekularnega kisika s presnovo ksenobiotikov(zunanji elektroni in oksidacijske encimske reakcije).
• Pomemben je kot izhodiščni prosti radikal pri številnih celičnih poškodbah.
• V vodnih raztopinah je superoksidni anion slab oksidant in reducent.
• Biokemične poškodbe povzročajo druge reaktivne zvrsti, ki nastanejo iz superoksidnega aniona.

Nastanek radikalov pri homolitični fisiji kovalentne vezi

• Pri homolitični fisiji se vsak atom obdrži svoj elektron.
• Vsaj enemu atomu ostane nesparjen elektron, torej je to prosti radikal.

Pomen kovinskih ionov pri nastanku hidroksilnega radikala (OH)

• Kovine iz prve skupine "d" v periodnem sistemu elementov so prosti radikali.
• Železo je eden od bistvenih elementov številnih encimov.
• Kovine lahko pomembno prispevajo k nastajanju radikalov v organizmu, kadar se kopiči v tkivih (npr. hemochromatosis).
• Ionizirajoče sevanje lizirarajo vodo v dva koraka, kar povzroči nastanek hidroksilnega radikala.

Različne vrstne kisikove spore, ki delujejo na različne biološke komponente

• Hidroksilni radikal (OH) je zelo reaktiven in reagira skoraj z vsemi biološkimi molekulami. Ima zelo kratek razpolovni čas.
• Hidroksilni radikali reagirajo s spreminjanjem, dodajanjem ali prenosom elektronov.
• Druge spojine, vključene v interakcije s sestavinami celic, so v razpredelnicah 2.
• Prosti radikal biopolimerov lahko ima nesparjeni elektron na kisikovem, žveplovem, dušikovem ali ogljikovem atomu (heteroradikali).

Reaktivne kisikove vrste

• Nastajajo v okolju in živih organizmih.
• Najpomembnejši so kisikovi radikali in reaktivne kisikove spojine, ki niso radikale.
• V organizmu so pomembne spojine dušika s kisikom, npr. dušikov oksid (NO) in peroksinitrit (ONOO−).
• Kajenje sproži nastanek prostih radikalov, ki poškodovanje celičnih membran. Drugi učinki se nanašajo na vnetje in propad elastina.
• Ozon ščiti pred UV-sevanjem, je toksičen in lahko tvori proste radikale. Povečan vnos ozona v pljučih lahko povzroči izgubo vitaminov C in E in glutationa (GSH).

Učinki radikalov v mikrookolju živih organizmov

• Prosti radikali so vpleteni v številne patofiziološke procese (od akutnih zapletov do staranja).
• V telesu nastajajo tudi "koristni prosti radikali", nпр. lokalni hormoni ali nevrotransmitorji.
• Poškodbe celic z prostimi radikali so lahko genotoksične (poškodbe dedne snovi, strukturnih in funkcijskih molekul).

Škodljivi učinki hidroksilnega radikala (OH)

• Hidroksilni radikal nastaja pod vplivom ionizirajočega sevanja, ultrazvoka, ozona in pri reakcijah, kataliziranih s kovinami.
• Pomemben je pri oksidaciji etanola v mikrosomih (indukcija citokroma P450).
• Kopičenje železa v tkivih (idiopatska hemochromatosis) in pomanjkanje ceruloplasmina (Wilsonova bolezen) - nastanejo škodljive motnje.
• OH, ki nastaja v citoplazmi, ni genotoksičen, lahko pa postane genotoksičen, če nastane v jedru ali mitohondrijih.
• Oksidacija sladkorne komponente nukleinskih kislin (deoksiriboza) ali baz.

Lipidna peroksidacija

• Začetek je odvzem atoma vodika iz verige maščobnih kislin z OH.
• Heteroradikali z nesparjenim elektronom na ogljiku nastajajo.
• Konjugirani dieni nastanejo pri preureditvi atomov.
• Reakcije se prekinijo v stiku z vitaminom E.
• Pri reakcijah s kisikom nastanejo peroksilni radikali, kar sproži verižno reakcijo oksidacije lipidov.
• Lipidi, hidroperoksid in ciklični peroksidi nastanejo, sledi fragmentacija v aldehide (npr., malonilaldehid) in/ali polimerizacija.
• Železo igra pomembno vlogo pri reakcijah s lipidnim hidroperoksidom.

Posledice lipidne peroksidacije

• Malonilaldehid nastaja v mnogih tkivih, predvsem v jetrih.
• Poškoduje membrane z tvorbo velikega agregatov proteinov in pospeši celični propad.
• Vdor kalcijevih ionov in izguba kalijevih ionov vodijo v nekrozo.

Nastanek kisikovega singleta

• Kisikov singlet nastaja pri fotodermatozi (fotodermatitis).
• Nastaja tudi pri osvetlitvi riboflavina in bilirubina.
• Poškodbe so na osvetljenih delih kože.

Pomen superoksidnega aniona v patofiziologiji

• Superoksidni anion nastaja kot stranski produkt mitohondrijske dihalne verige.
• Vzrok za celične in tkivne poškodbe.
• Reakcije s kovinami lahko povzročijo nastanek hidroksilnega radikata.
• Reagira z dušikovim oksidom NO, kar vodi do peroksinitrita (ONOO−).

Pomen vodikovega peroksida v patofiziologiji

• Vodikov peroksid nastaja predvsem z encimom dismutazo in peroksidaze.
• Lahko inaktivira encime s skupinami –SH.
• Reagira lahko z železovimi in bakrovimi ioni, tvorjenje hidroksilnih radikalov.
• Reagira s ketokislinami.
• Razmeroma malo reaktiven, lahke reagiranja z biomolekule.

Zaščita celic in tkiv pred radikali

• Osnovna zaščita celice temelji na njeni strukturi in funkciji.
• Pomembni so reparacijski sistemi poškodovane DNA.
• Posebna zaščita se doseže z encimi s spodbudo in antioksidanti, ki preprečijo oksidacijo z različnimi prostimi radikali.
• Antioksidantni encimi so hidroperoksidaze (katalaza in peroksidaze) in superoksid-dismutaza (SOD).
• Antioksidantne snovi, ki niso encimi, so vitamin E, vitamin C, karotenoidi.

Izpitne teme

• Uporabite kot vodilo za učenje in pripravo na izpit.
• Spodbujate pregled in razumevanje glavnih pojmov in mehanizmov, ki so opisani v predavanjih.