Prosti radikali in biopolimeri

Uvod v Reaktivne Kisikove Zvrsti (ROS)

• Prosti radikali so prisotni povsod, tudi v človeškem telesu.
• Poudarek na reaktivnih kisikovih zvrsteh (ROS), ki so ključne v fizioloških in patofizioloških procesih.

Ekološka Katastrofa in Adaptacija na Kisik

• Pred dvema milijardama let se je delež kisika v ozračju povečal na 10 %, kar je bilo pogubno za anaerobno življenje.
• Organizmi so se morali prilagoditi za uporabo kisika in kompenzacijo njegovih toksičnih učinkov.
• Danes so nekateri prosti radikali potrebni za normalno delovanje.

Definicija in Značilnosti Radikalov

• Prosti radikali so atomi, ioni ali molekule z vsaj enim nesparjenim elektronom.
• Spina dveh elektronov, ki tvorita kovalentno vez, morata biti nasprotno usmerjena.
• Atomi z liho številom elektronov so praviloma paramagnetni in ustrezajo definiciji prostega radikala.

Elementi Periodnega Sistema in Radikali

• Med prvimi osmimi elementi periodnega sistema so ključne sestavine biomolekul in prosti radikali.
• Številni elementi do 36. mesta so bistveni deli encimov, makromolekul in vitaminov.
• Razprava se osredotoča na proste radikale elementov, ki vstopajo v reakcije v telesu, kot so kisikovi radikali in ROS.

Kemične Značilnosti Radikalov

• Prosti radikali hitro zapolnijo vrzel z elektronom z nasprotnim spinom in so zelo reaktivni.
• Razpolovni čas radikalov je pogosto zelo kratek (med milijoninko in milijardinko sekunde).
• Stabilni prosti radikali počasneje reagirajo in jih pri pisanju ne označujemo s piko.
• Primeri stabilnih prostih radikalov so molekularni kisik (O₂) in dušikov dioksid (NO₂).

Reaktivne Oblike Kisika

• Med reaktivnimi oblikami kisika so najpomembnejši atmosferski kisik (O₂), kisikov singlet (radikal O₂), superoksidni anion (O₂⁻*) ter kisikov singlet O₂ in peroksidni ion (O₂²⁻).
• Reaktivnost sledi vrstnemu redu od atmosferskega kisika do singlet kisika (radikal).
• Atmosferski kisik je radikal z nesparjenimi elektroni, singlet kisik pa ni radikal, a je reaktiven.

Reaktivnost Kisikovih Spojin

• Superoksidni radikal ima nesparjen elektron na eni orbitali, peroksidni ion ima zasedeni obe orbitali.
• Singlet radikal je najbolj reaktivna kisikova spojina z nesparjenimi elektroni z nasprotnima spinoma.
• Bolj reaktivne spojine imajo intenzivnejše učinke lokalno, manj reaktivne pa imajo večji radij delovanja.

Drugi Radikali s Kisikom in Kisikove Spojine

• Reaktivne kisikove zvrsti (ROS) povzročajo biokemične poškodbe in vključujejo druge proste radikale s kisikom in kisikove spojine.
• Povečano zanimanje za ozonsko plast, ki nas ščiti pred UV-sevanjem.
• Ozon nastane s fotodisociacijo molekularnega kisika.
• Med krivci za propad ozonske plasti so fluorirani ogljikovodiki in dušikovi oksidi.

Ozon in UV-Žarki

• Tanka plast ozona omogoča prodor več škodljivih UV-žarkov, ki povzročajo nastanek prostih radikalov v koži.
• Ozon lahko nastane v človekovem okolju pod vplivom UV-žarkov in v fotokemičnih reakcijah.
• Ozon je zelo toksičen in lahko sproži lipidno peroksidacijo ter tvori OH v vodnih raztopinah.

Dušikovi Oksidi

• Dušikovi oksidi nastajajo pri izgorevanju organskih snovi in prispevajo k nastajanju in propadu ozonske plasti.
• En cigaretni "poteg" vsebuje približno 10¹⁴ prostih radikalov, ki so reaktivni še ure po nastanku.
• Pomembni prosti radikali in reaktivne kisikove spojine so navedeni v razpredelnicah.

Nastanek Superoksidnega Aniona

• Pri enostopenjski redukciji molekularnega kisika nastaja superoksidni anion (O₂⁻).
• Vir elektrona je lahko endogen ali eksogen.
• Superoksidni anion je "izhodiščni" prosti radikal pri poškodbah celic in tkiv.
• V vodnih raztopinah je razmeroma slab oksidant in zmerno močan reducent.

Dismutacija Superoksidnega Aniona

• Dismutacijska reakcija superoksidnega aniona poteka v dveh stopnjah in tvori vodikov peroksid (H₂O₂) in kisik (O₂).
• Reakcija poteka počasi pri fiziološkem pH zaradi nizke koncentracije vodikovih ionov.
• Hitrostne konstante za reakcije O₂⁻ z biomolekulami so med 10 in 10⁹ M⁻¹s⁻¹, medtem ko z lipidi, H₂O₂, histidinom in aminokislinami skoraj ne reagira.

Drugi Reaktivni Radikali

• Hidroksilni radikal (OH) nastane iz vode pod vplivom ionizirajočih žarkov in je zelo reaktiven.
• Reagira skoraj z vsako biološko molekulo in ima zelo kratek razpolovni čas ter majhno območje delovanja.
• OH reagira z odvzemanjem, dodajanjem ali prenosom elektronov.
• Pod vplivom ionizirajočih žarkov nastajajo prosti radikali posredno ali neposredno pri radiolizi vode.

Kovalentne Vezi in Radikali

• Pri homolitični fisiji kovalentne vezi vsak atom obdrži svoj elektron, vsaj enemu pa ostane nesparjen elektron (prosti radikal).
• Kovinski ioni, zlasti železo, so bistveni del encimov in prispevajo k nastajanju radikalov v organizmu.
• Kovine se lahko čezmerno nalagajo v tkivih (hemosideroza, Wilsonova bolezen, hemartroza).

Haber-Weissova Reakcija

• V laboratorijskih razmerah hidroksilni radikal nastaja iz O₂ in H₂O₂ (Haber-Weissova reakcija), ki pa ne poteka v bioloških sistemih naravno.
• "Fentonove reakcije" s kovinskimi ioni katalizirajo hidrogeniranje superoksidnega aniona in vodikovega peroksida.
• Reakcija poteka v treh stopnjah: redukcija železa, regeneracija superoksidnega aniona in nastanek hidroksilnega radikala.

Viri Superoksid Disputaze

• Superoksid dizmutaza nastaja v različnih celičnih procesih.
• V organizmu se porabi 80-90% kisika iz dihalne verige.
• Prav tako ima ubikinon majhno uhajanje, zlasti ob povečanem parcialnem tlaku kisika.

Kisikove Zvrsti v Patofizioloških Procesih

• Reaktivne kisikove zvrsti nastajajo v živih organizmih, vključno z kisikovimi radikali, spojinami in dušikovimi oksidi.
• Pri kajenju nastaja NO, ki se oksidira v NO₂, povzroča peroksidacijo lipidov in zmanjšuje koncentracijo antioksidantov v pljučih.
• Ozon sicer varuje pred UV-sevanjem v atmosferi, vendar je strupen in sproži lipidno peroksidacijo ter tvori OH.

Učinek Radikalov na Žive Organizme

• Prosti radikali so vpleteni v patofiziološke procese od akutnih zapletov do staranja.
• Nastajajo tudi "koristni prosti radikali", ki so lokalni hormoni ali nevrotransmitorji, do cikličnih endoperoksidov.
• Poškodbe celic s prostimi radikali so lahko genotoksične (posredne ali neposredne poškodbe dedne snovi).

Hidroksilni Radikal

• Hidroksilni radikal nastane pod vplivom ionizirajočega sevanja, ultrazvoka, ozona in kovin (Fentonove reakcije).
• Škodljivost je razvidna pri kopičenju železa v tkivih in pomanjkanju ceruloplazmina (Wilsonova bolezen).
• Motnje pri Wilsonovi bolezni so mentalna zaostalost, tremor, okvare jeter, lahko tudi roženice in ledvic.

Genotoksični Učinek

• Hidroksilni radikal, ki nastane v citoplazmi, praktično ne more biti genotoksičen.
• Genotoksičen je, če nastane v jedru ali mitohondriju, kar vodi v njihovo staranje in propadanje.
• Pri genotoksičnih učinkih se lahko oksidira sladkorna komponenta nukleinskih kislin ali baze.
• Primer je hidroksilacija gvanilne skupine DNA, ki jo lahko merimo.
• Od zmogljivosti reparacijskih sistemov je odvisno ali se bo poškodovano mesto odstranilo ali ohranilo.

Uporaba

• Hidroksilnih radikal je zelo reaktivnia, in reagira takoj z vsako biomolekulo, s katero pride v stik (lipidi, proteini, nukleinske kisline ali antioksidanti).

Lipidna Peroksidacija

• Lipidna peroksidacija se začne z odvzemom atoma vodika iz maščobnih kislin, najverjetneje v reakciji z OH.
• S preureditvijo atomov nastanejo konjugirani dieni, kar poveže molekule fosfolipidov na obeh straneh membrane.
• Druga možnost je reakcija z membranskimi proteini ali prekinitev v stiku z vitaminom E.

Verižne Reakcije Lipidov

• V aerobnih razmerah so verjetnejše reakcije radikala C z O₂, nastane peroksilni radikal.
• Pri reakciji z drugimi lipidi nastane lipidni hidroperoksid in nov peroksilni radikal.
• Iz lipidnega hidroperoksida nastajajo ciklični peroksidi in endoperoksidi, sledi fragmentacija do aldehidov in/ali polimerizacija v toksične presnovke.

Antioksidantna Zaščita

• Peroksidacijo lahko sprožijo tudi alkoksilni (LO) in peroksilni radikali (LO₂).
• Razpad lipidnih peroksidov v peroksilne in alkoksilne radikale poteka v navzočnosti železovih ali bakrovih kompleksov.

Posledice Peroksidacije

• Malonilaldehid nastaja med peroksidacijo v jetrih in prizadene normalne funkcije membranskih proteinov.
• V membranah nastanejo nefunkcionalni proteini, kar pospeši propad celic.
• Skozi poškodovano membrano vstopajo kalcijevi ioni in izgubljajo se vitalne molekule kar vodi v propad celice (nekroza, apoptoza).

Žarčenje in Oksidacija

• Fosfolipidi so sicer razmeroma odporni proti peroksidaciji, že majhna poškodba sproži verižno reakcijo, kjer nastajajo lizofosfolipidi z detergentom podobnim delovanjem.
• Holesterol uravnava fluidnost membran, majhne količine ga pospešujejo, večje pa zavirajo.
• Antioksidantna zaščita se močno zmanjša, s tem se z manjša verjetnost prekinitve reakcije.

Bioaktivne Spojine

• Med lipidno peroksidacijo nastajajo bioaktivne spojine s škodljivimi ali pogojno koristnimi učinki.
• Ciklični endoperoksidi iz arahidonske kisline imajo fiziološke in patofiziološke funkcije.
• Med poškodbo nastali prosti radikali vzpodbujajo rast celic in delujejo antikancerogeno, vplivajo na staranje.

Starostni Pigmenti

• Sčasoma se v celicah nabirajo "starostni pigmenti" z oksidiranimi lipidi, združenimi s kovinami in beljakovinami.
• Koncentracije železa in bakra kažejo na pomen kovinskih ionov pri nastajanju pigmentov.
• Kopičenje starostnih pigmentov je povezano s spremenjeno funkcijo tkiva in smrtjo celic.

Kisikov Singlet

• Kisikov singlet nastaja pri številnih fotodermatozah (npr. porfirija) ter pri osvetlitvi riboflavina in bilirubina.
• Patološke spremembe se pojavijo na osvetljenih delih kože.
• Pri fotodermatozah bi lahko omenili tudi tanjšanje zaščitne plasti ozona.

Superoksidni Anion

• Superoksidni anion nastaja v mitohondrijih (stranski produkt dihalne verige, NADH in NADPH oksidaze, ksantin-oksidaza).
• Superoksid-dismutaza (SOD) odstranjuje O₂⁻.
• Sam superoksidni anion je slabo reaktiven v vodi (v hidrogenirani obliki pa povzroči peroksidacijo lipidov).
• Lahko poškoduje celice z oksidacijo železo-žveplovih centrov encimov (akonitaza).
• V tovrstnih oksidacijah se sprosti železo, zaradi tega se inaktivira encim.

Anion

• Superoksidni anion reagira tudi z NO -> anion peroksinitrit, (močan oksidant številnih za celice pomembnih molekul).
• V prisotnosti kovinskih ionov nastane hidroksilni radikal ki je moćan oksidant.
• H nastanku le-tega prispevajo askorbat, NADH, NADPH, tioli ter drugi reducenti.

Vodikov Peroksid

• Vodikov peroksid nastaja z encimskim odstranjevanjem O₂ (dismutaza, peroksidaza) -> lahko inaktivira encime s skupinami -SH.
• Lahkoksidia tudiketonkiskline, prehaja celične membrane in reagira z molekulami daleč od mesta nastanka.
• V citosolu lahko reagira z železovimi in bakrovimi ioni in nastaja HO˚.

Radikali Pri Človeku

• Prosti radikali lahko povzročijo akutno poškodbo celice ali celično smrt ter vodijo v degeneracije in staranje.
• Vpleteni so števile patoloških procesov (motnje, ki nastanejo zaradi pomanjkanja "koristnih" prostih radikalov).

Učinek Prostih Radikalov na Viruse

• Nevtrofilci delajo proste radikale v fagocitni vakuoli, in tako izvaja inaktivacijo mikrobov.
• V oksidativni izbruh nevtrofilcev sta vpletena encima: NADPH-oksidaza 2 (NOX2) in mieloperoksidaza.
• Po delovanju prvega nastane superoksidni anion, po dismutaciji je vodikov peroksid.

Mieloperoksidaza

• Mieloperoksidaza (s katalitičen center, hemom železom), nato iz vodikovega peroksida in ionov klora dela hipoklorno kislino / močan oksidant.
• Pomanjkanje NOX2 vodi do kronične granulomatoze. Odkrili so preko 400 različnih genskih poškodb.

Ishemiična Poškodba

• Ishemična Poškodba je nastane H₂O₂ in nato še OH s posledičnimi poškodbami celičnih membran.
• Viri reaktivnih kisikovih zvrsti pri reperfuziji so številni (nevtrofilci, ksantin-oksidaza, ciklooksigena-za ...).
• V primeru ishemije upada koncentracija ATP (nastaja AMP in iz njega hipoksantin),

Vprašanja o nastanku, reakcijah in značilnostih prostih radikalov v biopolimerih. Zajema teme, kot so ionizirajoči žarki, encimski sistemi in superoksidni anioni. Poudarek je na razumevanju vloge prostih radikalov v bioloških sistemih.