Transcript Problematika volných radikálů a antioxidantů v medicíně Alice Skoumalová

Problematika volných
radikálů a antioxidantů v
medicíně
Alice Skoumalová
Definice volných radikálů
• každá sloučenina schopná samostatné existence obsahující jeden
nebo více nepárových elektronů
• vysoká reaktivita a schopnost iniciovat řetězové reakce
• produkce vystupňována během stárnutí a za patologických stavů
Homolytické štěpení
A:B
A• + B•
Heterolytické štěpení
A: B
A- + B+
Důležité pojmy
Oxidace
Redukce
získání kyslíku
C + O2
CO2
ztráta elektronu
ztráta vodíku
O2•alkoholy
O2 + eketony, aldehydy
ztráta kyslíku
získání elektronu
získání vodíku
CO2 + C
O2 + eC + 2H2
2CO
O2•CH4
Oxidační činidlo
x
Redukční činidlo
Obecné schéma radikálových reakcí
1.
Dva radikály reagují spolu
H• + H•
2.
H2
Radikál reaguje s neradikálem
řetězová reakce

adice
OH• se váže na DNA

redukce
CO2•- + Cu+
CO2 + Cu

oxidace
pr + OH•
pr•+ + OH-

extrakce vodíku
CH + OH•
C• + H2O
Důležitá místa vzniku reaktivních forem
kyslíku v organismu
1. Neenzymaticky: dýchací řetezec mitochondrií,
glykoxidace, autooxidace hemoglobinu
2. Enzymaticky:
cytochrom P450, NADPH-oxidáza,
NO-syntáza, xantinoxidáza
Důležité reakce vzniku reaktivních forem
kyslíku v organismu
1.
Vznik superoxidu
O2 + e-
O2•-
2.
Superoxiddismutáza
O2•- + O2•- + 2H+
H2 O2 + O2
3.
Myeloperoxidáza
H2O2 + Cl- + H+
HClO + H2O
4.
Fentonova reakce
Fe2+ + H2O2
Fe3+ + OH• + OH-
•-
5.
Haberova-Weissova reakce
O2 + H2O 2
6.
Vznik peroxynitritu
O2•- + NO•
Fe2+
O2 + OH• + OHONOO-
O2•NO•
H2O2
Fe2+
OH•
ONOO-
Inaktivace enzymů
Poškození DNA
Peroxidace lipidů
Reaktivní sloučeniny
Vlastnosti
O2•- Superoxid
Vzniká např. v dýchacím řetězci;
generuje další ROS
H2O2 Peroxid vodíku
Může difundovat; reaguje s Fe2+ - tvorba
dalších radikálů
OH• Hydroxylový radikál
Nejreaktivnější - poškození biomolekul;
vzniká Fentonovou reakcí
HOCl Kys. chlorovodíková
Vzniká v leukocytech - ochrana před
mikroorganismy
ONOO- Peroxynitrit
Silný radikál; vzniká reakcí O2•- a NO
Radikálové poškození buněk
Definice - antioxidanty
• látka, která chrání před oxidačním poškozením
• neexistuje universální antioxidant
• jaké radikály a kde jsou tvořeny
Dělení:
1. enzymy odstraňující volné radikály: SOD, kataláza,
glutationperoxidáza
2. proteiny snižující dostupnost prooxidantů (Fe2, Cu2+, hem):
transferin, haptoglobulin, feritin
3. nízkomolekulární látky vychytávající volné radikály:
glutathion, α-tokoferol, kyselina askorbová
Příklad systému ochrany před
volnými radikály - erytrocyty
Hemoglobin
4 polypeptidové řetězce + 4 hemové skupiny
O2 se váže na Fe2+
Hem - Fe2+- O2
Hem - Fe3+ - O2•-
Methemoglobin (Fe3+) není schopen vázat O2
(methemoglobinreduktáza)
Oxyhemoglobin
O2
Superoxiddismutáza
Hemoglobin
Superoxid
H2O2
Kataláza
Methemoglobinreduktáza
Methemoglobin
½ O2+H2O
Pentosofosfátová
dráha
NADP+
Glutathionreduktáza
NADPH
GSH
Glutathionperoxidáza
GSSG
H2O
GSH-redukovaný glutathion; GSSG-oxidovaný glutathion
Superoxiddismutáza (SOD)
Konvertuje O2•- na H2O2
Ve vysoké koncentraci v erytrocytech
Odstranění H2O2:
1. Kataláza
Katalyzuje dekompozici H2O2 na vodu a kyslík:
2H2O2
2H2O+O2
2. Glutathionperoxidáza
redukuje H2O2 na vodu a zároveň oxiduje glutathion
H2O2+2GSH
GSSG+2H2O
Glutathionreduktáza
GSSG+NADPH+H+
2GSH+NADP+
NADPH z pentosafosfátové dráhy (glukóza-6-fosfátdehydrogenáza)
Glutathion
• důležitý pro ochranu před volnými
radikály
• kofaktor glutathionperoxidázy
(odstraňování H2O2 v erytrocytech)
Glutamát
+ H2O2
Gly
Cystein
Gly
Gly
Glutathionperoxidáza
Cys
SH
Cys
S
S
Cys
Glutathionreduktáza
Glu
Redukovaný glutathion
(monomer)
+ NADPH
(pentosafosfátová dráha)
Glu
Glu
Oxidovaný glutathion
(dimer)
Glycin
Nízkomolekulární antioxidanty (v potravě)
α-tokoferol (vitamin E)
v membránách
chrání před peroxidací lipidů
α-TocH+LO2•
α-Toc•+LO2H
Kyselina askorbová (vitamin C)
v cytoplasmě
recykluje α-tokoferol
Dehydroaskorbátreduktáza regeneruje askorbát
Karotenoidy, flavonoidy
Antioxidanty v plasmě (přehled)
•
Transferin, laktoferin
•
•
•
Ceruloplasmin
Erytrocyty
Albumin
•
Haptoglobin/hemopexin
•
Kyselina močová
•
•
•
•
Vitamin E
Glukóza
Bilirubin
Melatonin
Váže železo, brání jeho pro-oxidační
aktivitě
Oxiduje Fe2+ na Fe3+ bez uvolnění radikálů
Vychytávají O2•- a H2O2
Váže železo, meď, hem; vychytává
reaktivní sloučeniny
Váže volný hem/hemoglobin, brání
jejich pro-oxidační aktivitě
Inhibuje peroxidaci lipidů a vychytává
reaktivní sloučeniny
Chrání před peroxidací lipidů
Vychytává OH•
Pravděpodobný antioxidant
Reguluje denní rytmy, antioxidant
Definice - oxidační stres
• nerovnováha mezi produkcí volných radikálů a antioxidatanty
Volné radikály
Př. vyšší tlak kyslíku
metabolismus toxinů
chronické zánětlivé nemoci
Důsledky:
Adaptace
Antioxidanty
Př. mutace enzymů antioxidační ochrany
deplece antioxidantů v dietě
x
Buněčné poškození (peroxidace lipidů,
poškození proteinů, DNA)
- lýza
- apoptóza
- mutace
Průkaz oxidačního poškození
• Přímá detekce volných radikálů
• Detekce produktů radikálových reakcí („fingerprinting“)
•
•
•
•
oxidační poškození DNA
peroxidace lipidů (př. malonaldehyd, lipofuscinoidní pigmenty)
oxidační poškození proteinů (př. karbonyly, nitrotyrosin)
antioxidanty (př. vitamin E)
Vznik oxidačního stresu u nemocí
• Snížený účinek antioxidantů (př. snížená aktivita antioxidačních
enzymů, snížení antioxidantů v potravě)
• Zvýšená produkce volných radikálů (př. metabolismus toxinů,
zvýšená aktivace leukocytů)
Důsledek oxidačního stresu u nemocí
•Adaptace (př. ischemický „preconditioning“)
•Poškození (př. chronické zánětlivé procesy)
•Buněčná smrt (př. neurodegenerativní choroby)
Volné radikály a nemoci
•
•
•
•
•
•
Ateroskleróza
Diabetes
Ischémie-reperfůze
Chronické zánětlivé choroby
Nádory
Neurodegenerativní choroby (př. Alzheimerova choroba)
Úloha volných radikálů v rozvoji
Alzheimerovy choroby
Neurofibrilární tangly
Amyloidní (senilní) plaky
- hyperfosforylovaný tau protein
- fibrily proteinu β-amyloidu (Aβ)
- abnormální zpracování APP (amyloid
prekurzor protein)
Model Aβ-indukovaného oxidačního stresu u AD
Souhrn – důležité pojmy
• Definice volných radikálů (proč jsou nebezpečné); místa
vzniku v organismu
• Definice antioxidanty, dělení
• Oxidační stres a nemoci (příklady)