Wolne rodniki w chemii, biologii i medycynie

Wykład dotyczy różnorodnych aspektów związanych z powstawaniem, właściwościami i identyfikacją wolnych rodników. Szczegółowo przedstawione będzie działanie wolnych rodników na materię. Omówione zostaną różne metody generowania i wykorzystanie rodników w praktyce oraz procesy rodnikowe zachodzące samorzutnie w przyrodzie. Szczególna uwaga będzie poświęcona problemom związanym z wpływem wolnych rodników na organizmy żywe, ich działaniu patogennemu oraz sposobom zapobiegania tym negatywnym skutkom.

1. Wprowadzenie do chemii rodników - rys historyczny poznawania rodników i obecny stan wiedzy w oparciu o aktualną literaturę naukową. Rodniki nieorganiczne i organiczne. Nomenklatura wolnych rodników.

2. Źródła i rodzaje wolnych rodników: reakcje odrywanie atomów z cząsteczek, przyłączanie do wiązań podwójnych, homolityczny rozkład słabych wiązań. Związki chemiczne generujące powstawanie rodników.

3. Trwałość i czas życia wolnych rodników. Rodniki nietrwałe (krótkożyjące) i długotrwałe rodniki.

4. Struktura rodników i metody jej badania; właściwości fizyczne (paramagnetyzm) i chemiczne wolnych rodników, stabilizacja rodników przez rezonans chemiczny; reakcje rekombinacji i dysproporcjonowania.

5. Wykrywanie wolnych rodników metodą spektroskopii spinowego rezonansu magnetycznego (EPR - electron paramagnetic resonance lub ESR - electron spin resonance) i spektroskopii elektronowej. Zastosowanie EPR w fizyce ciała stałego, w chemii, biologii i medycynie, w badaniach archeologicznych.

6. Badanie zawartości wolnych rodników w artykułach żywnościowych i napojach oraz ich dezaktywacji przez naturalne antyoksydanty.

7. Przykłady powstawania i reakcji wybranych rodników. Mechanizmy reakcji w roztworach i ciałach stałych.

8. Reakcje rodnikowe w środowisku naturalnym (w atmosferze: stratosferze i troposferze, hydrosferze, biosferze).

9. Wolne rodniki powstające w procesach spalania (m.in. w pożarach ale i podczas palenia papierosów, czy smażenia potraw).

10. Wybrane przykłady reakcji wolonorodnikowych w chemii organicznej (reakcje addycji, substytucji, cyklizacji, eliminacji). Rodnikowe reakcje łańcuchowe w związkach chloroorganicznych, otrzymywanie chlorowanych węglowodorów. Wewnątrzcząsteczkowe reakcje rodnikowe. Trwałe rodnikowe kompleksy gospodarz-gość (host-geust).

11. Inicjatory w reakcjach rodnikowych. Inicjatory i fotoinicjatory dysocjujące Dezaktywatory wolnych rodników.

12. Fotoreakcje rodnikowe w katalizie. Rola tytanu w reakcjach rodnikowych. Wolne rodniki w procesach uzdatniania wody.

13. Reakcje polimeryzacji wolnorodnikowej. Mechanizm polimeryzacji rodnikowej, 3 etapy: inicjowanie, propagacja, terminacja, przeniesienie łańcucha. Zastosowanie polimeryzacji wolnorodnikowej w dentystyce.

14. Rodnikowe procesy degradacji polimerów. Reakcje pękania łańcucha głównego, odrywania podstawników bocznych, depolimeryzacji, reakcje Norrisha. Reakcje sieciowania i powstawanie polimerów nierozpuszczalnych jako wynik rekombinacji makrorodników.

15. Modyfikacja powierzchni materiałów za pomocą wolnych rodników - procesy chemicznego szczepienia związków modyfikujących na powierzchni folii lub włókien polimerów syntetycznych i naturalnych w celu zwiększenia hydrofilowości lub hydrofobowości. Przenikające się sieci polimerowe przeznaczone do specjalnych zastosowań.

16. Źródła wolnych rodników w organizmach żywych – naturalne reakcje chemiczne prowadzące do powstawanie wolnych rodników, mechanizmy powstawania wolnych rodników w układach biologicznych. Endogenne i egzogenne źródła wolnych rodników.

17. Reakcje rodnikowe w aminokwasach – reakcje rodnikowe w aminokwasach alifatycznych prowadzące do oderwania atomu wodoru w pozycji alfa oraz prowadzące do utlenienia aminokwasów; reakcje w aminokwasach aromatycznych i powstawanie rodników tyrozynowych i dihydroksyfenyloalaniny; reakcje rodnikowe w tryptofanie, reakcje rodnikowe w aminokwasach siarkowych. Fotochemiczna degradacja aminokwasów i fotochemiczne sieciowanie.

18. Reakcje rodnikowe w białkach – reakcje rodnikowe prowadzące do zmian struktury pierwszorzędowej oraz do zmian w strukturze drugorzędowej i wyższych rzędów. Metody oceny zmian rodnikowych w białkach. Konsekwencje reakcji rodnikowych w białkach globularnych i białkach włóknistych.

19. Reakcje rodnikowe w kwasach nukleinowych – reakcje rodnikowe zachodzące w zasadach purynowych i pirymidynowych oraz w kwasach nukleinowych; mechanizmy fotoaddycji i fotopolimeryzacji w kwasach nukleinowych; fotochemiczne sieciowanie DNA.

20. Reakcje rodnikowe w polisacharydach – rodzaje rodników tworzących się w polisacharydach pod wpływem różnych czynników, fotodegradacja i fotosieciowanie polisacharydów, rodnikowa modyfikacja właściwości fizyko-chemicznych polisacharydów.

21. Reakcje rodnikowe w lipidach – produkty reakcji rodnikowych w lipidach, rodnikowe uszkodzenia lipidów naskórka, peroksydacja lipidów i tworzenie nadtlenków, reakcje rodnikowe w fosfolipidach i cholesterolu, konsekwencje reakcji rodnikowych w lipidach.

22. Fotostarzenie i produkty promieniochronne – penetracja skóry przez promieniowanie UV, melanogeneza, fototypy skóry, rodnikowa teoria przedwczesnego starzenie się skóry. Filtry słoneczne, ekrany.

23. Wolne rodniki jako przyczyny chorób - choroby nowotworowe, arterioskleroza, katarakta, wzrost ciśnienia krwi, choroby serca, artretyzm, choroba Parkinsona, uszkodzenia skóry, uszkodzenia systemu immunologicznego.

24. Metody badań reakcji rodnikowych w makrocząsteczkach pochodzenia biologicznego – metody spektroskopowe, metody badań zmian w strukturze drugo- i trzeciorzędowej, metody czasowo-rozdzielcze badania kinetyki reakcji rodnikowych, metody chromatograficzne.

25. Fotoliza błyskowa – metoda polegająca na inicjowaniu reakcji krótkotrwałymi impulsami laserowymi (mikro-, nano-, piko-, femtosekundy) i badaniu (metodami optycznymi, np. absorpcja w zakresie UV-Vis) powstałych, szybko zanikających, produktów przejściowych.

26. Radioliza impulsowa - procesy chemoradiacyjne prowadzące do generowania wolnych rodników, cząsteczki wzbudzone do wysokich stanów elektronowych lub zjonizowane w wyniku absorpcji promieniowania g i X lub promieniowania korpuskularnego, radioliza wody.

27. Zmiatacze wolnych rodników w organizmach żywych – określanie stężenia rodników w materiałach pochodzenia biologicznego, rola glutationu i melaniny, rola związków siarki, opóźnianie procesów rodnikowych w warstwie rogowej naskórka i w skórze właściwej.

28. Stres oksydacyjny - metabolizm tlenowy, reakcja Fentona w organizmach żywych, wolne rodniki tlenowe i inne aktywne formy tlenu. Endogenne i egzogenne źródła rodników tlenowych.

29. Antyutleniacze jako czynniki chroniące organizmy żywe przed działaniem rodników. Rola flawonoidów i karotenoidów w neutralizowaniu wolnych rodników.

30. Wykorzystanie reakcji rodnikowych w diagnozowaniu i leczeniu schorzeń – wykorzystanie promieniowania elektromagnetycznego do obrazowania zmian chorobowych, autofluorescencja tkanek, ablacja laserowa.

1. N.A. Punchard, F.J. Kelly, Free Radicals. A practical Approach, Oxford University Press, Oxford, 1996.

2. J. Fossey, D. Lefort, J. Sorba, Free Radicals in Organic Chemistry, John Wiley & Sons, Chichester, 1995.

3. Radical reactions, rozdział 39 (str.1019-1052) w: J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, P. Wothers, Organic Chemistry, Oxford University Press, Oxford, 2001.

4. D. I. Davies, M. J. Parrott, Free radicals in organic synthesis (seria Reactivity and Structure vol. 7) Springer-Verlag, Berlin, 1978.

5. P-O. Kinell, B. Ranby, ESR Applications to Polymer Research, John Wiley & Sons, Chichester, 1973.

6. G. Bartosz, Druga twarz tlenu. Wolne rodniki w przyrodzie, PWN, Warszawa, 2008.

7. L. Stolarczyk, U. Stolarczyk, Wolne rodniki, Omega Wiedza Powszechna, Warszawa 1973.

8. B. Marciniak (red.), Metody badania mechanizmów reakcji fotochemicznych, Wydawnictwo Naukowe UAM, 1999.

9. J. Kroh, Wolne rodniki w chemii radiacyjnej, PWN, Warszawa 1967.

10. M. M. Halmann, Photodegradation of water pollutants, CRC Press, Boca Raton, 1996.

11. D. J. E. Ingram, Free radicals as studied by electron spin resonance, Butterworths Scientific Publications, London, 1958.

12. C. Walling, Free Radicals in Solution, John Wiley & Sons, London, 1957.

13. G. Odian, Principles of Polymerization (4th ed.), Wiley-Interscience, New York, 2004.

14. J. F. Rabek, Polymer Photodegradation. Mechanisms and Experimental Methods. Capman & Hall, London, 1995.

15. M.C. Martini, Kosmetologia i farmakologia skóry. Wydawnictwo lekarskie PZWL, Warszawa 2006.

Po wysłuchaniu i przyswojeniu treści wykładu przez studenta przewiduje się następujące efekty uczenia:

W zakresie wiedzy

Posiada usystematyzowaną wiedzę o wolnych rodnikach i najnowszych osiągnięciach na ten temat.

Zna nowoczesne techniki badawcze stosowane w chemii wolnych rodników oraz możliwości wykorzystania reakcji wolnorodnikowych do określonych celów.

W zakresie umiejętności

Łączy wiadomości uzyskane przy studiowaniu różnych dyscyplin.

Wykazuje umiejętność systematycznego samokształcenia.

W zakresie kompetencji społecznych

Rozumie potrzebę współpracy specjalistów z dziedziny chemii, fizyki, biologii i medycyny.

Jest świadomy roli nauki w gospodarce i życiu człowieka, rozumie związek nauki z medycyną i przemysłem.

Egzamin pisemny umożliwiający sprawdzenie wiedzy na temat wolnych rodników i uzyskanych umiejętności (pytania problemowe).