BROMAT. CHEM. TOKSYKOL. XLI, 2008, 4, str. 1007 1015
Helena Puzanowska-Tarasiewicz, Barbara Starczewska, Ludmiła Kuzmicka
REAKTYWNE FORMY TLENU
Zakład Chemii Ogólnej i Nieorganicznej Instytutu Chemii Uniwersytetu w Białymstoku
Kierownik: prof. dr hab. H. Puzanowska-Tarasiewicz
Hasła kluczowe: tlen, reaktywne formy tlenu, antyoksydanty.
Key words: oxygen, reactive oxygen species, antioxidants.
Tlen jest składnikiem powietrza (20,95% obj.), wody (89% mas.) i litosfery
(47,3% mas.). Jako cząsteczka może występować w stanie singletowym i trypleto-
wym. W stanie podstawowym występuje w formie trypletowej, gdyż ma dwa nie-
sparowane elektrony. Wykazuje właściwości paramagnetyczne i zachowuje się jak
miniaturowy magnes jest przyciągany przez pole magnetyczne.
Tlen singletowy jest bardziej reaktywny od tlenu w stanie trypletowym. W celu
wyjaśnienia dlaczego, należy dokonać analizy rozkładu elektronów na orbitalach
molekularnych tlenu (ryc. 1).
Ryc. 1. Rozkład elektronów na orbitalach molekularnych tlenu oraz w anionorodniku ponadtlenkowym (1).
a tlen w stanie podstawowym trypletowy, określany symbolem 3Łg O2; b, c dwie formy tlenu single-
towego: jedna 1"g O2 i druga 1Łg+ O2; d anionorodnik ponadtlenkowy O2" . Strzałki symbolizują elektrony,
a ich zwroty spiny elektronów.
Fig. 1. Distribution of electrons on the molecular orbitals of oxygen and superoxide anion radical.
a base state triplet oxygen 3Łg O2; b, c two forms of singlet oxygen, 1"g O2 and 1Łg+ O2; d superoxide
anion-radical O2" .Arrows represent electrons and arrowheads indicate electron spins.
1008 H. Puzanowska i inni Nr 4
Jak wynika z diagramu, tlen w stanie podstawowym (trypletowy, określany
w spektroskopii symbolem 3Łg O2) jest birodnikiem, natomiast jedna z form tlenu
singletowego 1"g O2 nie jest wolnym rodnikiem (ma dwa sparowane elektrony na
jednym orbitalu ), druga zaś forma 1Łg+ O2 ma po jednym elektronie na każdym
Ą*
2p
z orbitali Ą* .
2p
Aby cząsteczka tlenu w stanie trypletowym utleniła inną cząsteczkę i uległa
dwuelektrodowej redukcji, musiałaby przyjąć od utlenianej cząsteczki dwa elektro-
ny, przy tym oba te elektrony musiałyby mieć równoległe spiny i być skierowane
przeciwnie w stosunku do spinów dwóch niesparowanych elektronów na orbitalach
Ą* , Ą* . Wymaga to, aby utleniana cząsteczka była również w stanie trypleto-
2py 2pz
wym o co nie łatwo, gdyż stan podstawowy większości cząsteczek organicznych
jest stanem singletowym. Tlen trypletowy ma więc trudności ze znalezieniem odpo-
wiednich partnerów do reakcji dwuelektronowej i dlatego reaguje z wieloma związ-
kami jednoelektronowo przyjmując od nich jeden elektron. Produktem tej reakcji
jest anionorodnik ponadtlenkowy O2" - cząsteczka, która jest wolnym rodnikiem
(posiada jeden niesparowany elektron) i anionem (ładunek ujemny spowodowany
jest posiadaniem dodatkowego elektronu).
Znacznie bardziej reaktywny jest tlen singletowy 1O2 powstający w wyniku wzbu-
dzenia cząsteczek tlenu. Wymaga to dostarczenia energii wystarczającej na takie
sparowanie elektronów w cząsteczce tlenu, aby spin wypadkowy cząsteczki wynosił
zero (1). Wzbudzenie trypletowej cząsteczki tlenu do stanu singletowego może na-
stąpić w wyniku zaabsorbowania kwantu promieniowania nadfioletowego lub pro-
mieniowania o wyższej energii oraz niektórych reakcji chemicznych.
Tlen singletowy oddziałuje z innymi cząsteczkami na dwa sposoby:
" przekazuje energię wzbudzenia cząsteczkom przechodząc w stan trypletowy, jest
to tzw. gaszenie tlenu singletowego;
" wchodzi w reakcję chemiczną, np. z cholesterolem i tryptofanem.
Najbardziej podatnymi na uszkodzenie przez tlen singletowy są reszty amino-
kwasowe białek histydyny, tryptofanu, metioniny i cysteiny oraz składniki kwa-
sów nukleinowych - reszty purynowe, pirymidynowe i guanina (1). Pomimo, że tlen
uszkadza składniki komórek, to bez tlenu nie ma życia.
Tlen cząsteczkowy jest utleniaczem. Utlenia związki organiczne pobierając od
nich elektrony, a sam ulega redukcji. Całkowita, czteroelektronowa redukcja czą-
steczki tlenu (O2 + 4 H+ + 4 e 2 H2O) z wytworzeniem wody jest utrudniona.
Wiadomo jednak, że większość związków organicznych, z którymi tlen mógłby re-
agować w komórkach, to związki w stanie singletowym, tzn. że spiny wszystkich
elektronów w atomach tworzących cząsteczki uległy sparowaniu i wypadkowy spin
każdej cząsteczki tych związków równy jest zeru. Woda, produkt redukcji tlenu, jest
również cząsteczką w stanie singletowym.
Tlen, nie mogąc znalezć partnerów do reakcji czteroelektronowej, wstępuje na dro-
gę reakcji jednoelektronowej, tworząc anionorodnik ponadtlenkowy: O2 + e O2"
Przyłączenie kolejnego elektronu do anionorodnika ponadtlenkowego lub dwóch
elektronów do cząsteczki tlenu co jest trudne ale możliwe, powoduje powstanie
nadtlenku wodoru: O2" + 2 H+ + e H2O2 ! O2 + 2 H+ + 2 e . Nadtlenek wodoru jest
mniej reaktywny niż większość wolnych rodników, tj. atomów lub cząsteczek zdol-
Nr 4 Reaktywne formy tlenu 1009
nych do samodzielnego istnienia, mających jeden lub więcej niesparowanych elek-
tronów. Jest on jednak bardziej reaktywny od tlenu cząsteczkowego O2 . Anionorod-
nik ponadtlenkowy, O2" , może w roztworze wodnym przyłączyć proton i utworzyć
rodnik wodoronadtlenkowy: O2" + H+ HO2"
Produktem przyłączenia trzech elektronów do cząsteczki tlenu (co zachodzi na
szczęście niezbyt łatwo) jest rodnik hydroksylowy " OH jeden z najbardziej reak-
tywnych utleniaczy w układach biologicznych. Do zajścia reakcji anionorodnika
ponadtlenkowego, nadtlenku wodoru i rodnika hydroksylowego nie jest istotne, aby
partner był w stanie trypletowym.
Wszystkie wymienione produkty redukcji i wzbudzenia tlenu są bardziej reak-
tywne niż cząsteczka tlenu w podstawowym stanie trypletowym. Z tego powodu
określane są one różnie jako aktywne formy tlenu , reaktywne formy tlenu ,
czy reaktywne metabolity tlenu . Niektórzy autorzy proponują używanie zwrotu
wolne rodniki tlenowe . Zwrot ten uwzględnia jedynie O2" i " OH, podczas gdy ak-
tywnymi formami są H2O2 (który nie jest rodnikiem) i tlen singletowy (1).
Obok wymienionych powyżej reaktywnych form tlenu (RFT), będących głów-
ną przyczyną toksyczności tlenu, organizmy żywe mogą zetknąć się z pokrewnymi
formami tlenu, np. alotropową odmianą tlenu ozonem O3, czy związkami tworzą-
cymi się w reakcjach metabolicznych: NO" , NO2" , HONO2 , HOCl, HOBr, HOBr
(2). Reakcje RFT z cząsteczkami organicznymi prowadzą do powstania wolnych
rodników substancji organicznych: RO" , ArO" , ROO" . Mogą to być rodniki, w któ-
rych niesparowany elektron znajduje się na atomie węgla lub innego pierwiastka,
np. azotu.
Powst awani e r eakt ywnych f or m t l enu
Reaktywne formy tlenu znajdują się w wodzie, powietrzu oraz mogą powstawać
w organizmach żywych wskutek działania zewnętrznych czynników fizycznych, np.
promieniowania jonizującego i nadfioletowego, ultradzwięków. Promieniowanie jo-
nizujące powoduje jonizację oraz wzbudzenie cząsteczek wody (radiolizę) z wy-
tworzeniem rodników hydroksylowych: H2O H2O+ + e; H2O H2O* (wzbudzona
cząsteczka); H2O* H" + " OH; H2O+ + H2O H3O+ + " OH. W wyniku oddziaływa-
nia pomiędzy produktami radiolizy wody - H" i " OH powstają m.in. cząsteczki wo-
doru H2 i nadtlenku wodoru. Odpowiednio dobierając warunki napromieniowania,
można stworzyć sytuacje, w których dominować będzie jeden typ RFT (1).
Absorpcja promieniowania nadfioletowego przez cząsteczki prowadzi do wzbu-
dzenia, jonizacji lub rozpadu cząsteczek. Podobnie wysoka temperatura i wyłado-
wania atmosferyczne powodują rozpad cząsteczek tlenu na atomy, które reagując
z innymi cząsteczkami tlenu, tworzą ozon O3: O2 O + O; O + O2 O3. Ozon
atmosferyczny, pojawiający się często jako składnik smogu spowijającego miasta, jest
również reaktywną formą tlenu (bardziej reaktywny niż tlen trypletowy). W roztwo-
rach wodnych rozpada się, tworząc rodniki " OH i HO2" oraz H2O2. Wdychanie ozonu
niszcząco wpływa na nasze płuca i inne tkanki (m.in. serca, wątroby, mózgu) (3).
Szereg związków określanych jako fotosensybilizatory (światłouczulacze) po za-
absorbowaniu kwantu światła może przechodzić w stan wzbudzony, tj. ze stanu sin-
gletowego w stan trypletowy i reagować z tlenem trypletowym. W wyniku reakcji
wytwarza się anionorodnik ponadtlenkowy, np. w fotoredukcji ryboflawiny (1).
1010 H. Puzanowska i inni Nr 4
Nie tylko fotoredukcja prowadzi do wytwarzania anionorodnika ponadtlenkowe-
go, ale także obecność zredukowanych form niskocząsteczkowych (RH2) składni-
ków komórek, np. zredukowana ryboflawina, cukry o właściwościach redukujących
(glukoza), związki tiolowe (cysteina, glutation): RH2 + O2 RH + H+ + O2" (1).
Działanie na roztwory wodne ultradzwiękami, czyli tzw. sonikacja roztworów,
prowadzi do powstawania w tych roztworach RFT. I tak w wyniku sonikacji, czyli
sonolizy wody tworzą się atomy wodoru i rodniki " OH. Rekombinacja rodników
"
OH prowadzi do powstawania H2O2. W roztworach wodnych, zawierających tlen,
atomy wodoru reagują z O2 tworząc HO2" . Sonikacja napowietrzonych roztworów
wodnych prowadzi do powstawania NO" (1, 4).
Jednoelektronowemu utlenianiu mogą ulegać substancje obce dla organizmu
(ksenobiotyki), które znajdują się w organizmie jako leki lub składniki pożywienia.
Podobnie, jak w przypadku fotosensybilizatorów, ksenobiotyki ulegają w komór-
kach cyklicznej redukcji i cyklicznie reagują z tlenem (cykle redoks napędzane są
jednak nie przez światło, lecz przez metabolizm komórki) (1). Ten ostatni problem
nabiera znaczenia, jeśli wezmiemy pod uwagę trucizny stosowane do zwalczania
szkodników, np.fungicydy, herbicydy, insektycydy. Mechanizm toksyczności wielu
z tych związków polega na wytwarzaniu RFT.
W organizmach żywych przebiegają również procesy utleniania białek oddecho-
wych, tj. hemoglobiny i mioglobiny. Zarówno hemoglobina obecna w czerwo-
nych krwinkach, jak i mioglobina występująca w mięśniach zawierają jako grupę
prostetyczną hem. W grupach hemowych obecne są jony żelaza Fe2+, które pod
wpływem tlenu mogą się łatwo utleniać do jonów żelaza Fe3+ : hem-Fe2+ + O2
hem-Fe3+ + O2" . W przypadku hemoglobiny i mioglobiny jon Fe2+ jest silnie zwią-
zany z hemem białek oddechowych, dlatego jest mniej podatny na utlenianie, jed-
nak może temu procesowi ulec. W krwinkach czerwonych człowieka w ciągu doby
ok. 3% hemoglobiny ulega utlenieniu do methemoglobiny formy niezdolnej do
przenoszenia O2. Reakcja ta jest głównym zródłem O2" . Krwinki zawierają jednak
enzym reduktazę methemoglobinową, który redukuje methemoglobinę do hemo-
globiny (5). yródłem O2" w mięśniach jest utlenianie białka oddechowego mięśni
- mioglobiny.
W obecności donorów elektronów (D), np. azotanów(III), aminofenoli może prze-
biegać dwuelektronowa redukcja O2 związanego z hemoglobiną i powstawać H2O2:
hem-Fe2+-O2 + D Ż#2 H+ hem-Fe3+ + H2O2 + Dutl. (2).
Ż#
Ż#
yródłem O2" i H2O2 w komórkach są niektóre reakcje enzymatyczne, przebiega-
jące np. z udziałem oksydazy ksantynowej. Enzym ten może redukować cząsteczkę
tlenu zarówno jedno-, jak i dwuelektronowo w zależności od stężenia O2 i pH roz-
tworu. W komórkach możliwa jest także czteroelektronowa redukcja tlenu przebie-
gająca w mitochondriach w głównym miejscu komórki, w którym zużywany jest
tlen. W zachodzącym w mitochondriach cyklu Krebsa dwuwęglowe reszty zwią-
zane z koenzymem A (tj. acetylokoenzym A) utleniane są do CO2 i H2O. Energia
uwalniana podczas tego procesu wykorzystywana jest do syntezy ATP (6).
Powstające RFT rozpadają się lub wchodzą w reakcje ze składnikami komórek
(uszkadzają główne klasy składników komórek związki niskocząsteczkowe, biał-
ka, lipidy i kwasy nukleinowe) (1). W komórkach istnieje równowaga pomiędzy
szybkością tworzenia RFT a szybkością ich zaniku.
Nr 4 Reaktywne formy tlenu 1011
Z rozważań wynika, że O2" i H2O2 są nieuniknionymi produktami ubocznymi wie-
lu reakcji przebiegających w komórkach aerobowych. Znacznie bardziej reaktywny
niż O2" i H2O2 jest rodnik hydroksylowy " OH. Początkowo zakładano, że powstaje
on w reakcji Habera-Weissa: O2" + H2O2 " OH + OH- + O2 (7) . Stwierdzono jed-
nak, że w/w reakcja w warunkach zbliżonych do fizjologicznych nie ma praktycz-
nego znaczenia. Obecnie przyjęta koncepcja zakłada istnienie cyklu dwóch reakcji:
jedna z nich to reakcja Fentona (utlenianie Fe2+ za pomocą H2O2), druga reakcja
regeneracji jonu Fe2+ (2).
Fe2+ + H2O2 " OH + OH- + Fe3+ ; O2" + Fe3+ O2 + Fe2+
Sumując oba równania otrzymujemy reakcję Habera-Weissa katalizowaną przez
jony żelaza (7):
"
O2" + H2O2 OH + OH- + O2
"
Krótkie przypomnienie: rodnik hydroksylowy OH to zupełnie co innego niż
anion wodorotlenkowy OH- (OH- to anion tworzący się w reakcji dysocjacji elek-
trolitycznej).
Obecność jonów żelaza (Fe2+/Fe3+) w bardzo małych stężeniach lub jonów miedzi
(Cu+/Cu2+) głównie związanych z białkami, a także innych metali przejściowych
(manganu, chromu, kobaltu, niklu) jeszcze w niższych stężeniach niż jonów żelaza
i miedzi może katalizować w/w reakcję (1). Jony metali przejściowych mają niespa-
rowane elektrony w powłokach walencyjnych i dlatego można je uznać za wolne
rodniki, np.:
3+ 5
2+ 9
Fe
... 3d
Cu
... 3d
Niektóre jony metali przejściowych, jako niezbędne składniki komórek żywych,
mogą występować na różnych stopniach utlenienia. Oznacza to możliwość ich utle-
niania w reakcji z tlenem lub H2O2 i redukcji przez inne substancje, a tym samym
katalizowania przez te jony reakcji prowadzących do powstania RFT.
W podsumowaniu można stwierdzić, że część RFT to wolne rodniki, które cha-
rakteryzuje na ogół wysoka reaktywność. Dążąc do sparowania elektronów po-
zbycia się nadmiarowego elektronu lub przyłączenia elektronu do innej cząsteczki,
zazwyczaj szybko wchodzą w reakcje z wieloma cząsteczkami.
Dzi ał ani e RFT w żywych or gani zmach
Reaktywne formy tlenu znane są z dwojakiego działania w żywych organizmach.
Z jednej strony są one potrzebne do prawidłowego funkcjonowania komórek, m.in.
do regulacji procesów naprawczych w komórkach, ekspresji genów, regulacji me-
tabolizmu, przekazywania sygnału mutagennego (8), ale mogą być również bardzo
szkodliwe (2). Coraz więcej wyników badań świadczy o tym, że szlaki przewod-
nictwa wewnątrzkomórkowego są aktywowane przez zmiany równowagi redoks
z udziałem RFT, np. ozonu, H2O2. Wiadomo także, że działanie podwyższonych stę-
żeń RFT jest przyczyną wielu chorób cywilizacyjnych, tak jak cukrzyca, miażdżyca
uszkodzenie mięśnia sercowego lub mózgu (2). Przekroczenie określonych stężeń
RFT w komórkach powoduje grozne dla organizmu konsekwencje i określane jest
mianem stresu oksydacyjnego (9), który odpowiada za powstawanie wielu chorób.
1012 H. Puzanowska i inni Nr 4
Najczęściej badanym procesem, związanym ze skutkami zachodzenia w organi-
zmie reakcji z RFT, jest peroksydacja lipidów. Przez peroksydację lipidów rozu-
miemy wolnorodnikowy proces utleniania nienasyconych kwasów tłuszczowych
lub innych lipidów, w którym powstają nadtlenki tych związków (z ang. nadtlenek
to peroxide). Peroksydacja lipidów, jak każdy proces wolnorodnikowy, składa się
z trzech etapów: inicjacji, propagacji (prolongacji), terminacji.
Inicjacja peroksydacji lipidów polega na oderwaniu atomu wodoru od cząsteczki
wielonienasyconego kwasu tłuszczowego lub reszty takiego kwasu wchodzącego
w skład fosfolipidu. Reakcja inicjacji przekształca cząsteczkę kwasu tłuszczowego
w wolny rodnik alkilowy L" , gdyż przy atomie węgla, który stracił atom wodoru,
pozostaje niesparowany elektron. Do czynników odrywających wodór od wielo-
nienasyconego kwasu tłuszczowego (L), inicjującego peroksydację lipidów należy
zaliczyć rodnik hydroksylowy " OH oraz rodniki: nadtlenkowy LOO" , alkoksylowy
LO" , bądz alkilowy L" substancji obecnych w komórce. Peroksydację lipidów mogą
też inicjować: ozon, NO, NO2, SO2 oraz kationorodniki ferrylowy bądz nadferry-
lowy oraz kompleks Fe2+-O2-Fe3+ (1).
Należy zaznaczyć, że naturalnie występujące kwasy tłuszczowe nie zawierają
sprzężonych wiązań podwójnych. Pojawienie się tych wiązań jest możliwe podczas
procesu peroksydacji. Do wiązań podwójnych może przyłączać się ozon bądz tlen
singletowy. In vivo procesowi peroksydacji ulegają przede wszystkim reszty wielo-
nienasyconych kwasów tłuszczowych wchodzące w skład fosfolipidów, gdyż fosfo-
lipidy są głównym składnikiem budulcowym błon komórkowych, a wolne kwasy
tłuszczowe występują w błonach w bardzo małych ilościach.
Przebieg procesu peroksydacji lipidów można przedstawić w trzech etapach (10):
inicjacja: LH + O2 L" + HOO" ; 2 LH + O2 2 L" + H2O2
propagacja: L" + O2 LOO" ; LOO" + LH LOOH + L" ; LOOH LO" + " OH
terminacja: L" + L" L-L ; L" + LOO " LOOL ; LOO" + LOO" LOOL + O2
Wolne rodniki powstające w procesach peroksydacji lipidów mogą reagować
z białkami. W rezultacie powstają wolne rodniki białek, które mogą uczestniczyć
w reakcjach terminacji, tworząc mieszane połączenia białkowo-lipidowe.
W procesie peroksydacji lipidów może wystąpić zjawisko reinicjacji polegające na
tym, że nadtlenki lipidów (nierodnikowe produkty peroksydacji) mogą ulegać rozkła-
dowi i prowadzić do ponownego powstania wolnych rodników. Rozpad taki inicjowa-
ny może być przez jony metali przejściowych, głównie jony żelaza i miedzi (1):
LOOH + Fe2+ LO" + OH- + Fe3+ ; LOOH + Fe3+ LOO" + H+ + Fe2+
Dalsze przemiany produktów peroksydacji, zachodzące w wyniku reakcji -eli-
minacji, prowadzą do rozpadu reszt wielonienasyconych kwasów tłuszczowych
i powstania aldehydów (np. dialdehydu malonowego), hydroksyaldehydów i węglo-
wodorów (np. etanu, pentanu). Im więcej wiązań podwójnych zawiera reszta kwasu
tłuszczowego, tym łatwiej ulega ona peroksydacji. Optymalne parcjalne ciśnienie
tlenu w tym procesie waha się w granicach 1 10 mm Hg. Wcale nie jest więc tak, że
im więcej tlenu, tym szybsza peroksydacja lipidów (1).
Przedstawiony powyżej opis peroksydacji lipidów to proces nieenzymatyczny.
Powstawanie wielu ważnych biologicznie związków, np.prostaglandyn, trombok-
Nr 4 Reaktywne formy tlenu 1013
sanów czy leukotrienów z kwasu arachidonowego inicjowana jest przez reakcje
peroksydacji. Reakcje te katalizowane są przez cykloksygenazę i lipoksygenazy
enzymy katalizujące wbudowanie cząsteczki tlenu w określoną pozycję cząstecz-
ki kwasu tłuszczowego, w wyniku czego powstają nadtlenki kwasów tłuszczowych
(1). Produkty końcowe procesu peroksydacji lipidów, zwłaszcza aldehydy, są mniej
reaktywne niż wolne rodniki. Reagują jednak z grupami tiolowymi białek oraz
z resztami aminokwasów, np. lizylowymi, histydylowymi, arginylowymi, tyrozylo-
wymi. Mogą zmieniać właściwości antygenowe białek, z którymi się łączą i hamo-
wać aktywność szeregu enzymów, co prowadzi m.in. do hamowania replikacji DNA
(11). Produkty peroksydacji lipidów modyfikują także właściwości fizyczne błon
komórkowych, osłabiają zależność pomiędzy transportem elektronów przez łańcuch
oddechowy a syntezą ATP w mitochondriach.
Reakcje reaktywnych form tlenu z białkami prowadzą do modyfikacji reszt ami-
nokwasowych, modyfikacji grup prostetycznych (czyli nieaminokwasowych skład-
ników białek złożonych) oraz agregacji lub fragmentacji cząsteczek białkowych (1).
Reakcja rodnika hydroksylowego " OH z białkami (B) powoduje oderwanie atomu
wodoru od cząsteczki białkowej. Niesparowany elektron zlokalizowany początko-
wo na atomie, od którego oderwany został wodór (B-H + " OH B" + H2O) może
ulegać przemieszczeniu w cząsteczce białka i umiejscowić się na jednej z reszt
aminokwasowych, np. na resztach cysteiny (białko1-Cys-S" + " S-Cys-białko2
białko1-Cys-S-S-Cys-białko2. Rekombinacja wolnych rodników białkowych pro-
wadzi do powstania dimerów białkowych (1). Działanie promieniowania jonizu-
jącego na roztwory białek w warunkach tlenowych prowadzi z kolei do fragmen-
tacji cząsteczek białkowych, napromieniowanie zaś w warunkach beztlenowych
do agregacji. Szczególnie wrażliwe na uszkodzenia oksydacyjne są oprócz reszt
cysteiny reszty metioniny, tyrozyny, argininy, tryptofanu, lizyny, proliny, histy-
dyny, fenyloalaniny (np. utlenianie reszt metioniny niektórych białek prowadzi do
utraty funkcji biologicznej białka) (11). Reakcje RFT z białkami powodują nie tyl-
ko utlenianie białek, ale także powstanie w białkach grup redukujących, zdolnych
do redukcji cytochromu C i jonów metali. Reakcje z RFT mogą prowadzić do po-
wstawania nadtlenków aminokwasów i białek oraz uszkodzeń zasad nukleinowych
i kwasów nukleinowych.
Kwasy nukleinowe są związkami bardziej stabilnymi niż białka i lipidy, odpo-
wiadają bowiem za powielanie, przechowywanie i przekazywanie informacji ge-
netycznej. Nadtlenek wodoru H2O2 i anionorodnik ponadtlenkowy O2" nie powo-
dują uszkodzeń składników kwasów nukleinowych. Natomiast rodnik hydroksy-
lowy " OH może uszkodzić zasady nukleinowe, reszty cukrowe (np. deoksyrybozę
w DNA, rybozę w RNA) lub rozerwać wiązania fosfodiestrowe łączące nukleotydy.
Uszkodzenia te stara się organizm naprawić , gdyż DNA jest zbyt ważny, aby jego
uszkodzenia pozostawić. Uszkodzone zasady są wycinane z DNA i w znacznej
mierze nie metabolizowane dalej, lecz wydalane z komórek organizmu. Oceniono,
że liczba uszkodzeń DNA przez endogenne RTF w przeciętnej komórce człowieka
jest rzędu 104 na dobę (1).
Reaktywne formy tlenu mogą uszkodzić cukrowce lub reszty sacharydowe bia-
łek, np. mukopolisacharyd kwas hialuronowy (istotny składnik mazi stawowej).
Stwierdzono, że działanie RFT na roztwory kwasu hialuronowego powoduje rozry-
1014 H. Puzanowska i inni Nr 4
wanie wiązań glikozydowych pomiędzy monomerami, czyli depolimeryzację wie-
locukru, co prowadzi do zmniejszenia lepkości roztworów kwasu (nie pozostaje to
bez znaczenia dla właściwego funkcjonowania stawów) (12).
Obr ona komór ek pr zed RFT
Organizmy żywe zawierają specjalne enzymy katalizujące rozkład anionorodnika
ponadtlenkowego O2" lub H2O2. Dysmutaza ponadtlenkowa (SOD) jest enzymem
katalizującym reakcję dysmutacji (dysproporcjonowania) anionorodnika ponad-
tlenkowego: (O2" + O2" + 2 H+ Ż#SOD H2O2 + O2), natomiast peroksydaza gluta-
Ż#
Ż#
tionowa katalizuje reakcję pomiędzy glutationem (GSH) a H2O2, w wyniku której
powstaje utleniona forma glutationu, czyli disulfid glutationu (GSSG): 2 GSH +
H2O2 GSSG + 2 H2O (1). Enzym ten redukuje nie tylko H2O2, ale także nadtlen-
ki organiczne oraz znajdujące się w błonach komórkowych nadtlenki fosfolipidów.
Peroksydaza glutationowa współdziała z reduktazą glutationową enzymem od-
twarzającym zredukowaną formę glutationu. Podobnie S-transferazy glutationowe,
które w odróżnieniu od peroksydazy glutationowej nie zawierają selenu, katalizują
reakcje redukcji nadtlenków lipidów przez glutation (1). Reakcję dysproporcjono-
wania nadtlenku wodoru katalizuje enzym katalaza, natomiast metalotioneiny (biał-
ka) wiążą i detoksykują jony metali ciężkich, np. kadm, rtęć oraz magazynują takie
metale niezbędne dla organizmu, jak cynk i miedz (12).
W krwinkach zdrowego człowieka w ciągu doby około 3 % hemoglobiny ulega
utlenieniu do methemoglobiny, nie mogącej przenosić tlenu. Reakcja ta jest głów-
nym zródłem O2" w tych komórkach (8). Gdyby nie enzym reduktaza methemo-
globinowa, która redukuje methemoglobinę do hemoglobiny, po kilkunastu dniach
większość hemoglobiny w krwinkach przeszłaby w niezdolną do przenoszenia O2
methemoglobinę. Również białka hemowe mogą w pewnych warunkach i we współ-
działaniu z niskocząsteczkowymi oksydantami bronić się przed RFT. Przykładowo
hemoglobina i mioglobina hamują tworzenie rodnika " OH w układzie zawierającym
askorbinian, a to dzięki swej aktywności peroksydazowej. Reagują one z H2O2 wy-
korzystując askorbinian w reakcji: askorbinian + H2O2 dehydroaskorbinian + O2
(1). Szereg białek enzymatycznych także chroni przed RFT. Katalizują one reakcje
nie wytwarzające RFT, np. ceruloplazmina (białko zawierające miedz) zapobiega
powstawaniu anionorodnika ponadtlenkowego O2" ) (13).
Poza enzymami rozkładającymi RFT w organizmie, szereg innych związków ni-
skocząsteczkowych wykazuje właściwości antyoksydacyjne, np. kwas moczowy,
cysteina, kreatynina. Również melaniny i melatoniny zdolne są do reakcji z wolny-
mi rodnikami (1). Przykładowo melatonina, rozpuszczalna w roztworach wodnych
i lipidach, może pełnić funkcję antyoksydanta hydrofilowego, który chroni środowi-
sko wodne komórki, jak i antyoksydanta hydrofobowego chroniącego wnętrze błon
komórkowych.
Peroksydację lipidów hamują z kolei składniki błon komórkowych, jak chole-
sterol, prowitamina D3, witamina D3, witamina D2 (1). Również grupa tiolowa glu-
tationu (GSH) powszechnego składnika bardzo różnych komórek naszego ciała
łatwo reaguje z wolnymi rodnikami, najszybciej z rodnikiem hydroksylowym
"
OH, wolniej z rodnikami organicznymi, w tym wolnymi rodnikami białek i in-
nych makrocząsteczek (białko" + GSH białko-H + GS" ) (1). Za najistotniejszy
Nr 4 Reaktywne formy tlenu 1015
antyoksydant płynów komórkowych w organizmie uważa się kwas askorbinowy,
czyli witaminę C. Jest on reaktywny wobec O2" , H2O2 , " OH, tlenu singletowego
i rodników nadtlenkowych (1). Fizjologicznym antyoksydantem hydrofobowym,
chroniącym błony komórkowe jest witamina E, czyli ą-tokoferol (14) oraz karo-
tenoidy (zwłaszcza -karoten), oksykaroteinoidy, bilirubina i produkt jej utlenienia
biliwerdyna oraz koenzym Q (9). I tak np. -karoten (K) jest efektywnym wy-
gaszaczem tlenu singletowego oraz reaguje z wolnymi rodnikami organicznymi
powstającymi w procesie peroksydacji lipidów: LOO" + K LOO-K" ; LOOK" +
LOO" LOO-K-OOL. Właściwości antyoksydacyjne wykazują żeńskie hormony
płciowe pochodne estronu i estradiolu oraz niektóre jony metali, np. selen, cynk
(ten ostatni wypiera jony Fe2+ i Cu2+ z centrów wiążących w błonach komórkowych
i DNA). Aktywność enzymów antyoksydacyjnych w krwinkach czerwonych i oso-
czu omówiono w pracy Winterbourna (5) oraz w monografii Bartosza (15).
Podsumowując rozważania można stwierdzić, że wszystkie antyoksydanty zapo-
biegają niekontrolowanym, zwłaszcza wolnorodnikowym reakcjom utleniania prze-
biegającym w organizmie.
H. Puzanows ka-Tar as i ewi cz, B. St ar czews ka, L. Kuzmi cka
REACTIVE OXYGEN SPECIES
PIŚMIENNICTWO
1. Bartosz G.: Druga twarz tlenu. Wyd. Naukowe, PWN, Warszawa 2003. 2. Halliwell B., Gutteridge
J.M.: Free radicals in biology and medicine. Oxford University, Press Oxford, New York , 1999. 3. Mud-
way I.S., Kelly F.J.: Ozone and the lungs a sensitive issue. Mol. Aspets Med. 2000; 21: 1-48. 4. Mark G.,
Schuchmann H.P., Sonntag C.: Formation of peroxynitrite by sonication of aerated water. J. Am. Chem.
Soc., 2000; 122: 3781-3782. 5. Winterbourn C.C.: Oxidative reactions of hemoglobin. Methods Enzy-
mol., 1990; 186; 265-272. 6. Cadenas E., Davies K.: Mitochondrial free radical generation, oxidative
stress, and aging. Free Radic. Biol. Med., 2000; 29: 222-230. 7. Kehrer J.P.: The Haber Weiss reac-
tion and mechanisms of toxicity. Toxicology, 2000; 14: 43-50. 8. Dębski B., Milner J.A.: Molekularne
mechanizmy przeciwnowotworowego działania czosnku; rola reaktywnych form tlenu. Bromat. Chem.
Toksykol., 2007; 40: 223-228. 9. Valko M., Rhodes C.J., Moncol J., Izakovic M., Mazur M.: Free radi-
cals, metals and antioxidants in oxidative stress induced cancer. Chem. Biol. Interact., 2006; 160: 1-40.
10. Gibka J.: Antyutleniacze w kosmetykach. Rynek Chem., 2001; 2: 42-45.
11. Stadman E.R., Levine R.L.: Protein oxidation. Ann. N.Y. Acad. Sci., 2000; 899: 191-208. 12.
Miles A.T., Hawksworth G.M., Beattie J.H., Rodilla V.: Induction, regulation, degradation, and biologi-
cal significance of mammalian metallothioneins. Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol., 2000: 35: 35-70. 13.
Floris G., Medda R., Padiglia A., Musci G.: The physiopathological significance of ceruloplasmin. Bio-
chem. Pharmacol. 2000; 60: 1735-1741. 14. Van Acker S.A., Koymans L.M., Bast A.: Molecular phar-
macology of vitamin E: structural aspects of antioxidant activity. Free Radic. Biol. Med., 1993; 15: 311-
328.- 15. Bartosz G.: Erytrocyty, W. Fizjologia krwi, red. Z. Dąbrowski, t. 2. 2000; Wyd. Naukowe PWN,
Warszawa.
Adres: 15-399 Białystok, ul. Hurtowa 1.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Reaktywne formy tlenu znaczenie w fizjologii i stanach patologii organizmuREAKTYWNE FORMY TLENUWYKŁAD 22 reaktywne formy tlenu (SKRYPT)ANTYOKSYDANTY A REAKTYWNE FORMY TLENUReaktywne formy tlenu[11]Oddziaływanie reaktywnych form tlenu i azotu z białkamiUDZIAŁ REAKTYWNYCH FORM TLENU w patogenezie chorób OUNF1 28 Formy bool 4Formy i procesy peryglacjalne2 Formy org prawne cz2 14REAKTYWNOŚĆ ARENÓWFormy wsparcia dyrektora 3niewladcze formy dzialaniAdministracjiElastyczne Formy Zatrudnienia Kompendiumwięcej podobnych podstron