Znaczenie flawin dla organizmów żywych oraz w gospodarce człowieka

Flawiny stanowią ważną grupę związków z interesującą aktywnością biologiczną, które biorą udział w procesach utleniania i redukcji zachodzących w organizmach żywych oraz współdziałają w prawidłowym funkcjonowaniu układu nerwowego oraz innych ważnych organów u człowieka takich jak błony śluzowe, drogi oddechowe i inne. Ich niedobór w organizmie może skutkować zaburzeniami i uszkodzeniami gałek ocznych, rogówki oka oraz ogólnymi problemami z widzeniem, wypadaniem włosów, kłopotami z koncentracją, bezsennością oraz innymi zaburzeniami ze strony układu pokarmowego i oddechowego.

Zidentyfikowano między innymi, iż chromoforem koenzymu F420, który występuje u bakterii produkujących metan jest 8-hydroksy-5-deazaflawina, który dodatkowo stanowi koenzym biorący udział w procesach utleniania-redukcji (93). 5-Deazaflawiny należą do klasy tak zwanych „żółtych chromoforów” (10) i są dobrze znane jako receptory światła niebieskiego (11). Wykazano również, iż te związki działają przeciwnowotworowo (12,14,15,94-96).

Interesującym wydaje się również fakt, iż nukleozydy alloksazyn mogą stanowić interesujące sondy fluorescencyjne ze względu na formowanie podobnych wiązań wodorowych do tych, które są obecne w cząsteczkach kwasu DNA, szczególnie jako analogi tyminy (97).

Lumichrom jest aktywnym inhibitorem reduktazy flawinowej obecnej w komórkach bakterii Escherichia colli (19). Dodatkowo lumichrom bierze udział w procesach degradacji niektórych rodzajów polimerów (98).

Jak wspomniano wcześniej, ryboflawina oraz jej pochodne są bardzo wydajnymi sensybilizatorami tlenu singletowego (20,61). Ich obecność w komórkach organizmów żywych może przyczyniać się do powstawania uszkodzeń w tkankach organizmów oraz destrukcji niektórych produktów żywnościowych na skutek zachodzących procesów utleniania. Fenolowe i N-heterocykliczne aminokwasy oraz zbudowane z nich peptydy i białka dezaktywują wzbudzone stany trypletowe ryboflawiny na drodze procesów kontrolowanych przez dyfuzję. Te procesy skutecznie konkurują z dezaktywacją dokonywaną przez cząsteczki tlenu. W ten sposób następuje degradacja peptydów i białek na drodze tak zwanego mechanizmu utleniania Typu I, który może zachodzić na przykład poprzez transfer elektronu lub przeniesienie atomu wodoru. Niewystarczające stężenie tlenu wynikające z ograniczonej rozpuszczalności tlenu w wodzie powoduje, iż aromatyczne aminokwasy takie jak tryptofan i tyrozyna konkurują z tlenem jako wygaszacze stanów trypletowych ryboflawiny w neutralnych lub kwasowych wodnych roztworach (1). Warto dodać, iż niektóre

siarkowe aminokwasy są zdolne również do wygaszania wzbudzonych stanów singletowych ryboflawiny (99). W tym utlenianiu kluczową rolę odgrywa powstanie reaktywnych form rodnikowych tlenu i opiera się głównie na właściwościach chemicznych układu.

Konkurencyjny mechanizm utleniania Typu II odbywa się na drodze utworzenia reaktywnego tlenu singletowego, który może tworzyć się wskutek dezaktywacji wzbudzonych stanów trypletowych ryboflawiny przez tlen. Utlenianie zachodzące według mechanizmu typu II jest faworyzowane szczególnie w środowisku tlenowym oraz w układach zawierających lipidy.

Ten typ wygaszania określany jest mianem fizycznego. Zostało stwierdzone, iż ryboflawina w stanie trypletowym jest silnym utleniaczem dla wielu biomolekuł. Z kolei transfer energii ze stanu trypletowego ryboflawiny może następować w dozwolonym spinowo procesie do cząsteczek tlenu w stanie podstawowym z utworzeniem reaktywnego tlenu singletowego.

Udowodniono, iż proces przeniesienia energii jest kontrolowany przez dyfuzję, wyznaczona

wartość stałej szybkości tego procesu w wodzie w temperaturze 25⁰C wynosi 9.8 × 10⁸ dm³ mol^-1 s^-1. W tych warunkach, wzbudzona ryboflawina ze stanu trypletowego

przechodzi do swojego podstawowego stanu singletowego, natomiast tlen singletowy powoduje utworzenie z nienasyconych reszt kwasów tłuszczowych hydronadtlenków jako pierwotnych produktów zachodzącego fotoutleniania lub utlenione formy peptydów i białek.

W warunkach ograniczonej dostępności tlenu w układach lipidowych następuje przekazanie atomów wodoru z polinienasyconych reszt kwasów tłuszczowych do stanów trypletowych ryboflawiny, które w efekcie prowadzą do dezaktywacji tych stanów. Należy podkreślić, iż w wielu układach dochodzi do konkurencji pomiędzy mechanizmem utleniania typu I i II, jednak dominacja danego mechanizmu w dużej mierze zależy od środowiska w którym przebiega fotoutlenianie, stężenia tlenu, rodzaju molekuł biorących udział w fotoutlenieniu jak również zdolności do ich agragacji, oddziaływań z rozpuszczalnikiem (100-103).

Schematycznie, mechanizm utleniania zachodzący według mechanizmów Typu I i II został przedstawiony na Rysunku 19. Flawiny, wliczając w to ryboflawinę, FAD oraz FMN mogą generować tlen singletowy w tkankach organizmów żywych również pod wpływem promieniowania z zakresu UVA. Problem wydaje się szczególnie istotny w kontekście generowania reaktywnego tlenu singletowego we fragmentach organizmu szczególnie narażonych na kontakt z promieniowaniem UVA (oczy, skóra) (104). Udowodniono, iż tlen singletowy należy do bardzo istotnych czynników, które przyczyniają się do powstawania nowotworów skóry (105-107).

Rysunek 19. Mechanizmy utleniania zachodzące według Typu I i II z udziałem ryboflawiny, na podstawie (1).

Poprzez zastosowanie promieniowania wzbudzającego 355 nm oraz mierząc charakterystyczną fosforescencję tlenu singletowego przy 1270 nm zostały wyznaczone wartości wydajności generowania tlenu singletowego przez ryboflawinę (0.54 ± 0.07), FMN (0.51 ± 0.07) oraz FAD (0.07 ± 0.02) (100). Okazuje się, iż w natlenionych roztworach ryboflawiny oraz FMN tlen singletowy jest generowany z większą wydajnością w porównaniu do powszechnie znanych sensybilizatorów tlenu singletowego (np. Photofrin) używanych w terapii fotodynamicznej diagnozowania i leczenia nowotworów (PDD, PDT).

Jednocześnie zauważono, iż dla wspomnianych pochodnych o strukturze flawin wraz z obniżeniem stężenia tlenu obniżała się wartość wydajności generowania tlenu singletowego otrzymywanego pod wpływem promieniowania z zakresu UVA (100). Zastosowanie w badaniach układów biologicznych detekcji tlenu singletowego opartej na charakterystycznej fosforescencji tlenu singletowego (1270 nm) jest korzystniejszym rozwiązaniem w porównaniu do używania wygaszaczy tlenu singletowego (np. β-karotenu) głównie ze względu na brak konieczności dodawania nowych substancji (nie zawsze w układach biologicznych istnieje taka możliwość) oraz ze względu na stosunkowo krótki czas życia tlenu singletowego w układach biologicznych (µs) wygaszacz powinien zostać zaaplikowany dokładnie w miejscu, w którym generowany jest tlen singletowy (100).

1Ryboflawina*

3Ryboflawina*

8

2Ryboflawina

.-1Ryboflawina*

3Ryboflawina*

8

Ryboflawina

2.5. Reakcja podwójnego przeniesienia protonu w stanie wzbudzonym dla