Volné radikály a antioxidanty

Prezentace na téma: "Volné radikály a antioxidanty"— Transkript prezentace:

1 Volné radikály a antioxidanty
Jak poznáme volný radikál? Reaktivní formy kyslíku a dusíku Jsou volné radikály vždy pohromou? Co je to oxidační stres? Co je to antioxidant? Které známe? Jak umíme oxidační stres kvantifikovat? Onemocnění spojená s oxidačním stresem

2 Volný radikál Atom: proton, neutron, elektronový obal (orbital)
Radikál: obsahuje volný nepárový elektron v zevním orbitalu (může to být atom i molekula, neutrál či ion) homolytické štěpení kovalentní vazby většina biomolekul nejsou radikály

3 Jak se vyvíjel zájem o radikály ?
chemik 30. léta - předpověď existence superoxidu biochemik 60. léta - superoxiddismutasa (SOD) lékař radikálové metabolity poškozují biomolekuly

4 Radikál: snaha o spárování elektronů, většinou značná reaktivita
Radikálová reakce Radikál: snaha o spárování elektronů, většinou značná reaktivita Obecně tři stadia iniciace propagace terminace

5 ROS (reactive oxygen species)
volné radikály superoxid, O2 · - hydroxylový radikál, OH · peroxyl, ROO · alkoxyl, RO · hydroperoxyl, HO2 · nejsou volnými radikály peroxid vodíku, H2O2 (Fentonova reakce) kyselina chlorná, HClO ozon, O3 singletový kyslík, 1O2

6

7 RNS (reactive nitrogen species)
volné radikály oxid dusnatý, NO . oxid dusičitý, NO2 . nejsou volnými radikály nitrosyl, NO+ kyselina dusitá, HONO oxid dusitý, N2O3 oxid dusičitý, N2O4 peroxynitrit, ONOO - alkylperoxinitrit, ROONO

8 Odkud se volné radikály berou?
hlavní producenti ROS : membránově vázané enzymy popř. koenzymy flavinové struktury, hemové koenzymy, enzymy s Cu v aktivním centru 1. respirační řetězec mitochondrií : především superoxid a následně H2O2 cca 1- 4% O2 vstupujícího do resp. řetězce (hlavně komplexy I a III)

9

10 Odkud se volné radikály berou? II
2. endoplazmatické retikulum vznik superoxidu (cytochrom P- 450) 3. specializované buňky (leukocyty, makrofágy) produkce superoxidu NADP-oxidasou 4. oxidace hemoglobinu na methemoglobin (erytrocyt je „nabit“ antioxidanty)

11 Funkce volných radikálů ve zdravém organismu
Nástroj oxidas a oxygenas cytochromoxidasa (toxické meziprodukty, H2O2 a superoxid, vázány na enzymu) monoxygenasy (oxygenasy se smíšenou funkcí) - aktivují O2 v ER jater nebo v mitochondriích nadlevin; hydroxylace

12 Funkce volných radikálů ve zdravém organismu II
ROS a RNS proti bakteriím enzymový komplex NADPH-oxidasa leukocytů a makrofágů myeloperoxidasa - katalýza reakce H2O2 + Cl- + H+ = HClO + H2O

13 Funkce volných radikálů ve zdravém organismu III
signální molekuly primární posel  sekundární posel  info síť redoxní stav buňky ovlivňuje funkci této sítě redoxní stav: kapacita antioxidačního systému, dostupnost redukčních ekvivalentů, intenzita oxidační zátěže (RONS)  ROS: sekundární poslové

14 Imunitní ochrana vs.regulace
masivní produkce ROS jako nástroj imunitní ochrany x indukce změn nízkých koncentrací ROS, jež jsou pravděpodobně regulačním mechanismem

15 Antioxidační ochranný systém
Tři typy ochrany zábrana tvorby nadměrného množství RONS záchyt a odstranění radikálů (lapače, vychytávače, zhášeče) reparační mechanismy poškozených biomolekul

16 Přehled antioxidantů a vychytávačů VR
1. Endogenní antioxidancia enzymová (cytochrom c, SOD, GSHPx, katalasa) neenzymová - membránová ( -tokoferol, -karoten, koenzym Q 10) - nemembránová (askorbát, uráty, transferin, bilirubin)

17 Přehled antioxidantů a vychytávačů VR II
2. Exogenní antioxidancia inhibitory vzniku VR (regulace aktivit enzymů) scavengery vzniklých VR (enzymy, neenzymy) stopové prvky (Se, Zn)

18 Enzymové antioxidační systémy

19

20 Superoxiddismutasa (EC 1.15.1.1, SOD) 2O2. - + 2H+  H2O2 + O2
SOD - téměř ve všech aerobních organismech tři druhy - různé kofaktory (vždy metal atom) indukce při vyšší tvorbě superoxidu

21 Superoxiddismutasa Mn 2+ SOD (SOD1) tetramer matrix mitochondrie
menší stabilita než Cu, Zn - SOD fylogeneticky mladší

22 Superoxiddismutasa Cu 2+/Zn 2+ SOD (SOD 2) dimer, Cu = redoxní centrum
cytosol, intermitochondriální prostor hepatocyt, mozek, erytrocyt vysoká stabilita, katalýza při pH 4,5-9,5

23 Glutathionperoxidasy
odstraňují intracelulární hydroperoxidy a H2O2 2 GSH + ROOH  GSSH + H2O + ROH cytosolová GSH - glutathionperoxidasa (EC , cGPx) extracelulární GSH - glutathionperoxidasa (eGSHPx) fosfolipidhydroperoxid GSH - peroxidasa (EC , PHGPx)

24 Katalasa (EC 1.11.1.6, KAT) 2 H2O2  2 H2O + O2
inaktivace H2O2 : peroxisomy a mitochondrie hepatocytu, cytoplasma erytrocytu tetramer obsahující Fe, přítomnost NADPH

25 Vysokomolekulární endogenní antioxidanty
transferin feritin haptoglobin hemopexin albumin

26 Nízkomolekulůrní endogenní antioxidanty I
Askorbát (vitamin C) syntéza kolagenu přeměna dopaminu na noradrenalin redukční činidlo vstřebávání železa antioxidační účinek = redukce O2 · - , OH ·, ROO·, HO2 · regenerace tokoferylového radikálu prooxidant Alfa-tokoferol a vitamin E antioxidant membrán produkuje hydroperoxidy, které zneškodňuje GSHPx

27 Ascorbic acid a její metabolity

28 Nízkomolekulární endogenní antioxidanty II
ubichinon (koenzym Q) přenašeč elektronů v dýchacím řetězci tlumí radikálové rekce ve spolupráci s tokoferolem karotenoidy, -karoten, vitamin A odstranění radikálů v lipidech

29 Nízkomolekulůrní endogenní antioxidanty III
glutathion (GSH, GSSG) ve všech savčích buňkách (1-10 mmol/l) významný redox pufr 2 GSH  GSSG + 2e- + 2H+ likviduje ROS, stabilizuje v redukované SH- sk., regeneruje tokoferyl a askorbát substrát glutathionperoxidas

30 Nízkomolekulůrní endogenní antioxidanty IV
kyselina lipoová (lipoát) kofaktor PDH regenerace tokoferylu, askorbátu melatonin hormon hypofýzy (regulace spánkového cyklu) lipofilní; vychytávač hydroxylových radikálů

31 Nízkomolekulůrní endogenní antioxidanty V
kyselina močová (urát) - odpadní látka? nejhojnější antioxidant plasmy, významná reabsorpce, vychytávání RO. , HClO, vazba Fe, Cu bilirubin - inhibice lipoperoxidace flavonoidy - chelatace Fe, antikarcinogenní a protizánětlivé účinky

32 Stopové prvky ovlivňující VR
Selen ovlivňuje resorpci vit. E, součást selenoproteinů  Se = nedostat. imunitní odp.., hemolýza erytrocytů, syntéza methemoglobinu Zinek stabilizace buněčných membrán zvýšení imunitní odpovědi, antagonista Fe

33 Oxidační stres Při porušení rovnováhy mezi vznikem a odstraňováním RONS nastává tzv. oxidační stres Rovnováha může být porušena na obou stranách!!

34 Poškození lipidů - atak na nenasycené MK
ztráta násobných vazeb vznik reaktivních metabolitů (aldehydy) Důsledek změna fluidity propustnosti membrán vliv na membránově vázané enzymy

35 Peroxidace kyseliny linolenové

36 Poškození proteinů Poškození agregace a síťování,
fragmentace a štěpení reakce s hemovým železem modifikace funkčních skupin Důsledek změny transportu iontů změny aktivity enzymů proteolýza

37 Poškození DNA Poškození štěpení cukerného kruhu modifikace bází
zlomy řetězce Důsledek mutace translační chyby inhibice proteosyntézy

38 Jak umíme oxidační stres kvantifikovat ?
Detekce volných radikálů poměrně náročné vzhledem vzhledem k fyz. chem. vlastnostem Měření produktů oxidačního stresu jednodušší, široká paleta markerů oxidačního stresu

39 Markery oxidačního stresu
Posouzení lipoperoxidace: malondialdehyd (MDA), konjugované dieny, izoprostany Posouzení poškození proteinů : proteinové hydroperoxidy Posouzení poškození DNA : stanovení modifikovaných nukleosidů

40 Stanovení antioxidantů
askorbát tokoferol SOD GSHPx glutathion

41 Onemocnění spojená s oxidačním stresem
Neurologická Alzheimerova choroba Parkinsonova choroba Endokrinní Diabetes Gastrointestinální Akutní pankreatitida

42 Onemocnění spojená s oxidačním stresem
Vaskulární Ateroskleroza Ostatní Obezita Transplantace orgánů

43 Literatura Štípek Stanislav a kol.: Antioxidanty a volné radikály ve zdraví a nemoci, Grada, 2000 Free radicals and antioxidant protocols edited by Armstrong D., Methods in Molecular biology, volume 108, HUMANA PRESS, Toronto, New Yersey, 1998