Badanie wpływu katecholamin na kinetykę peroksydacji lipidów

Catecholamine neurotransmitters: dopamine, adrenaline and noradrenaline, play a crucial role in receptor-related signal transduction in mammalian central and peripheral nervous systems. Moreover, these molecules can protect neurons from deleterious effects of oxidative stress but the mechanism of their action is unrevealed. In the thesis, I determined quantitatively the antioxidant properties of selected catecholamines (dopamine and its precursor, L-3,4-dihydroxyphenylalanine, L DOPA) in biorelevant model systems including aqueous homogenous solutions and heterogenous systems, containing dispersed lipids. The studies on the antioxidant properties of dopamine and L-DOPA were assisted by experiments performed on simple model dihydroxybenzenes of synthetic origin: catechol and 3,5-di-tert-butylcatechol (DTBcat) in order to evaluate how a catechol moiety contributes to overall antioxidant activity of the entire catecholamine molecule. Dopamine and L-DOPA as well as two model catechols are effective radical scavengers in homogenous systems. Their reactions with a model 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl radical (dpph•) proceed with the participation of two mechanisms - the Hydrogen Atom Transfer (HAT) and two-step Sequential Proton-Loss Electron-Transfer (SPLET). In heterogenous systems, the interaction with microenvironment, where the peroxidation occurs, has a capital consequence for the activity of antioxidant. Hydrophobic DTBcat acts as chain-breaking antioxidant and inhibits the peroxidation of lipid dispersed with a non-ionic surfactant Triton X 100, while hydrophilic catecholamines behave as retardants and react with initiating radicals, present in the aqueous phase. At basic pH, the reactions between dopamine or L-DOPA and initiating radicals result in the production of anions of semiquinone radical. These anions are able to react with molecular oxygen and become an efficient source of new reactive oxygen species. The oxidized catecholamine can be regenerated by another antioxidant. Herein the system composed of catecholamine and an analogue of α-tocopherol was evaluated. The combination of an analogue of α-tocopherol and catecholamine exhibits a synergistic effect. According to the proposed mechanism, tocopherol neutralizes peroxyl radicals and is reduced to tocopheroxyl radical. This radical is regenerated by semiquinone radical (the reaction takes place at water / lipid interphase). As a consequence, the non-radical products are formed: tocopherol and quinone of catecholamine. The obtained results are of crucial importance in biological systems, where the mixtures of antioxidants are naturally present. Although dopamine is a retardant of peroxidation in micellar systems, this catecholamine acts as a chain-breaking antioxidant and efficiently suppresses lipid peroxidation in phospholipid membrane, because it electrostatically interacts with the membrane. Basing on microcalorimetric experiments I proposed a simple model of dopamine binding to lipid membranes, indicating that the interactions have the dominating electrostatic component and dopamine interacts superficially with phospholipid membranes without penetrating into the hydrocarbon core of the bilayer. Dopamine proved to interact with the membrane containing 25% of anionic phosholipids, that reflects the negative charge of synaptic membrane. In this system dopamine acts as an efficient chain-breaking antioxidant and neutralizes peroxyl radicals at the water / membrane interface. From the point of view of the resemblance to physiological conditions, data obtained in the bilayer system are the most convenient. These results are very promising since they indicate that dopamine might possess the antioxidant activity in biological membranes.Dopamina, adrenalina i noradrenalina - neuroprzekaźniki z grupy katecholamin, odgrywają kluczową rolę w przekazywaniu sygnału nerwowego w ośrodkowym i obwodowym układzie nerwowym. Związki te mogą również chronić komórki nerwowe przed szkodliwymi skutkami stresu oksydacyjnego, jednak mechanizm ich działania nie został opisany. W ramach mojej rozprawy doktorskiej określiłam ilościowo właściwości antyoksydacyjne wybranych katecholamin (dopaminy i jej prekursora - L-3,4-dihydroksyfenyloalaniny, L DOPA) w modelowych układach relewantnych biologicznie, tj. w środowisku wodnym oraz w układach heterogenicznych, zawierających zdyspergowane lipidy. Badania katecholamin uzupełniłam badaniami modelowych związków zawierających fragment katecholowy (katecholu i 3,5-di-tert-butylokatecholu, DTBcat). Wykazałam, że dopamina, L-DOPA, katechol i DTBcat efektywnie neutralizują rodniki w układach homogenicznych. Reakcja pomiędzy tymi związkami i modelowym rodnikiem 2,2 difenylo-1-pikrylo-hydrazylowym (dpph•) zachodzi z udziałem dwóch mechanizmów – HAT (ang. Hydrogen Atom Transfer) i SPLET (ang. Sequential Proton-Loss Electron-Transfer). W układach heterogenicznych, oddziaływanie związku z mikrośrodowiskiem reakcji warunkuje jego właściwości antyoksydacyjne. Hydrofobowy DTBcat jest efektywnym antyoksydantem interwentywnym (czyli bezpośrednio reaguje z rodnikami peroksylowymi) dla procesu utleniania lipidu rozproszonego w micelach neutralnego surfaktantu (Tritonu X-100), podczas gdy hydrofilowe katecholaminy wykazują w tym układzie tylko aktywność retardacyjną. Efekt retardacyjny jest spowodowany reakcją katecholamin z rodnikami inicjatora (obecnymi w fazie wodnej). Niezdolność dopaminy i L-DOPA do zapobiegania procesowi utleniania lipidów wyjaśniłam zbyt słabym oddziaływaniem katecholamin z micelami surfaktantu. W zasadowym pH dopamina i L-DOPA przyspieszają utlenianie lipidów, co wytłumaczyłam podatnością anioniorodników semichinonowych (powstających w reakcji katecholamin z rodnikami inicjatora) na reakcję z tlenem molekularnym i generowaniem O2•-. Szkodliwe rodniki semichinonowe mogą być neutralizowane za pomocą innych wprowadzonych do układu antyoksydantów. Moje badania wskazują, że dopamina i L DOPA wykazują silny efekt synergistyczny (czyli wzmocnienie działania antyoksydacyjnego) z analogiem α-tokoferolu. Zgodnie z zaproponowanym przeze mnie mechanizmem, tokoferol neutralizuje rodniki peroksylowe a powstający rodnik fenoksylowy tokoferolu jest regenerowany przez rodnik semichinonowy katecholaminy (reakcja zachodzi na granicy faz woda / micela). W efekcie tej reakcji powstają produkty nierodnikowe: chinon katecholaminy i tokoferol. Wynik ten może mieć znaczenie dla układów biologicznych, gdzie naturalnie obecne są mieszaniny antyoksydantów. W przeciwieństwie do układu micelarnego, dopamina wykazuje aktywność antyoksydacyjną w procesie peroksydacji, który zachodzi w błonie fosfolipidowej, ponieważ oddziałuje elektrostatycznie z tą błoną. W oparciu o wyniki eksperymentów mikrokalorymetrycznych zaproponowałam prosty model wiązania dopaminy z błonami fosfolipidowymi, w którym oddziaływania mają przede wszystkim charakter elektrostatyczny a dopamina wiąże się powierzchniowo z błoną, bez wnikania do hydrofobowego wnętrza dwuwarstwy. Wykazałam, że dopamina oddziałuje z błoną zawierającą 25% anionowych fosfolipidów, czyli mającą ładunek odpowiadający ładunkowi membrany synaptycznej. W układzie takim dopamina jest efektywnym antyoksydantem interwentywnym i neutralizuje rodniki peroksylowe na granicy faz woda / lipid. Dane te są obiecujące i wskazują na potencjalną zdolność modelowej katecholaminy – dopaminy, do neutralizowania rodników peroksylowych w układach biologicznych

First Experimental Evidence of Dopamine Interactions with Negatively Charged Model Biomembranes

Dopamine is essential for receptor-related signal transduction in mammalian central and peripheral nervous systems. Weak interactions between the neurotransmitter and neuronal membranes have been suggested to modulate synaptic transmission; however, binding forces between dopamine and neuronal membranes have not yet been quantitatively described. Herein, for the first time, we have explained the nature of dopamine interactions with model lipid membranes assembled from neutral 1,2-dimyristoyl-<i>sn</i>-glycero-3-phosphocholine (DMPC), negatively charged 1,2-dimyristoyl-<i>sn</i>-glycero-3-phosphoglycerol (DMPG), and the mixture of these two lipids using isothermal titration calorimetry and differential scanning calorimetry. Dopamine binding to anionic membranes is a thermodynamically favored process with negative enthalpy and positive entropy, quantitatively described by the mole ratio partition coefficient, <i>K. K</i> increases with membrane charge to reach its maximal value, 705.4 ± 60.4 M^–1, for membrane composed from pure DMPG. The contribution of hydrophobic effects to the binding process is expressed by the intrinsic partition coefficient, <i>K</i>⁰. The value of <i>K</i>⁰ = 74.7 ± 6.4 M^–1 for dopamine/DMPG interactions clearly indicates that hydrophobic effects are 10 times weaker than electrostatic forces in this system. The presence of dopamine decreases the main transition temperature of DMPG, but no similar effect has been observed for DMPC. Basing on these results, we propose a simple electrostatic model of dopamine interactions with anionic membranes with the hydrophobic contribution expressed by <i>K</i>⁰. We suggest that dopamine interacts superficially with phospholipid membranes without penetrating into the bilayer hydrocarbon core. The model is physiologically important, since neuronal membranes contain a large (even 20%) fraction of anionic lipids

Assessment of side-effects by Ludox TMA silica nanoparticles following a dietary exposure on the bumblebee Bombus terrestris

We assessed lethal and sublethal side-effects of Ludox TMA silica nanoparticles on a terrestrial pollinator, Bombus terrestris (Linnaeus), via a dietary exposure. Dynamic light scattering analysis confirmed that silica Ludox TMA nanoparticles remained in suspension in the drinking sugar water. Exposure of bumblebee microcolonies during 7 weeks to the different nanoparticle concentrations (high: 34, 170 and 340 mg/l and low: 34 and 340 mu g/l) did not cause worker mortality compared to the controls. Also no effect on the worker foraging behavior was observed after exposure to nanoparticles concentrations up to 340 mu g/l. In contrast, the high concentrations (>= 34 mg/l) resulted in a total loss of reproduction. Using histological analysis we confirmed severe midgut epithelial injury in intoxicated workers (>= 34 mg/l). Despite the fact that these concentrations are much higher than the predicted environmental concentrations, precaution is still needed as information regarding their fate in the terrestrial environment and their potency to bioaccumulate and biomagnificate is lacking.status: publishe

Assessment of side-effects by Ludox TMA silica nanoparticles following a dietary exposure on the bumblebee Bombus terrestris

We assessed lethal and sublethal side-effects of Ludox TMA silica nanoparticles on a terrestrial pollinator, Bombus terrestris (Linnaeus), via a dietary exposure. Dynamic light scattering analysis confirmed that silica Ludox TMA nanoparticles remained in suspension in the drinking sugar water. Exposure of bumblebee microcolonies during 7 weeks to the different nanoparticle concentrations (high: 34, 170 and 340 mg/l and low: 34 and 340 mu g/l) did not cause worker mortality compared to the controls. Also no effect on the worker foraging behavior was observed after exposure to nanoparticles concentrations up to 340 mu g/l. In contrast, the high concentrations (>= 34 mg/l) resulted in a total loss of reproduction. Using histological analysis we confirmed severe midgut epithelial injury in intoxicated workers (>= 34 mg/l). Despite the fact that these concentrations are much higher than the predicted environmental concentrations, precaution is still needed as information regarding their fate in the terrestrial environment and their potency to bioaccumulate and biomagnificate is lacking