Volné radikály a antioxidanty Dvě základní rovnováhy acidobazická – předávání protonu zásada + H+ ↔ kyselina oxidačně-redukční – předávání elektronu oxidovaná forma + e- ↔ redukovaná forma

Charakteristika radikálu radikál – částice s nepárovým elektronem ve valenční sféře radikálová reakce – složitý průběh, halogenace alkanů iniciace propagace terminace

Reaktivní formy kyslíku = reactive oxygen species - ROS superoxid O2 + e- = O2·- peroxid vodíku O2·- + e- + 2H+ = H2O2 hydroxylový radikál H2O2 + e- = OH- + HO· voda HO· + e- = OH-

Reaktivní formy dusíku = reactive nitrogen species - RNS oxid dusnatý arginin + O2 = NO· + citrulin oxid dusičitý 2 NO· + O2 = 2 NO2· peroxynitrit NO· + O2·- = OONO-

Zdroje volných radikálů ROS a RNS v organismu Enzymové zdroje superoxidu membránově vázané enzymy s koenzymy: chinoidy, flaviny, hem, Cu 1. Respirační řetězec mitochondrií 1-4% O2 redukováno neúplně na ROS komplex I (NADH – ubichinonreduktáza) komplex III (ubichinol: cytochrom c- reduktáza)

2. Cytochrom P-450 v endoplazmatickém retikulu ROS vázané na enzym – biotransformace, oxidace ethanolu 3. Specializované buňky – leukocyty, makrofágy NADPH – oxidáza v cytoplazmatické membráně – baktericidní ochranný systém myeloperoxidáza – produkce HClO 4. Oxidace hemoglobinu na methemoglobin

Zdroje H2O2 dizmutace superoxidu: 2 O2·- + 2H+ = O2 + H2O2 samovolná enzym superoxiddizmutáza přímá redukce O2 působením oxidáz – monoaminooxidáza, glutathionoxidáza, xantinooxidáza - játra peroxizómy – oxidace org.substrátů (ethanol, mastné kys.) spotřebovávají O2 a tvoří peroxid

Neenzymové zdroje ROS chinonová antibiotika pyridiniové herbicidy adriamycin, daunomycin, streptonigrin, ... pyridiniové herbicidy paraquat, diquat – poškození plic nízkomolekulární komplexy Fe s fosfáty, nukleotidy komplexy s ATP, ADP

Zdroje oxidu dusnatého - NO· z terminálního atomu N argininu v přítomnosti O2 reakce katalyzovány syntázami oxidu dusnatého – NOS NOS I – mozková NOS II – makrofágová NOS III - endotelová

NO· O2 + NADPH

Fyziologické funkce volných radikálů Volné radikály jsou nástrojem oxidáz a oxygenáz dýchací řetězec vnitřní mitochondriální membrána aerobní fosforylace biotransformace xenobiotic cytochromoxidasa v mitochondriích – P450 superoxid a peroxid vázány na enzym syntetické pochody v buňce monooxygenasy v endoplazmatickém retikulu jater nebo mitochondriích nadledvin hydroxylace xenobiotik, syntéza cholesterolu a žlučových kysyselin

ROS a RNS účinná zbraň fagocytů proti bakteriím leucyty a makrofágy syntéza superoxidu NADPH-oxidázou obsaženou v cytoplazmatické membráně baktericidní ochranný systém polymorfonukleáry myeloperoxidáza – syntéza HClO z H2O2 a Cl- syntetáza NO (NOS II) koncentrace NO vzroste o několik řádů syntéza peroxynitritu - NO + superoxid – OONO-

ROS a RNS jako signální molekuly informační síť primární posel, sekundární posel proteinkinázy – ovlivnění aktivity enzymu, exprese genu citlivost informační sítě závisí na redoxním stavu buňky (ovlivnění proteinkináz) redoxní stav kapacita antioxidačního systému (dostupnost redukčních ekvivalentů) intenzita oxidační zátěže (RONS) oxid dusnatý NO druhý posel neurotransmiter v CNS a autonomním nervstvu vazodilatace cév

Antioxidační ochranný systém omezení tvorby nadměrného množství ROS a RNS regulace aktivity enzymů vychytání tranzitních prvků z reaktivních míst zachycení a odstranění vzniklých radikálů vychytávače, lapače, zhášeče enzymy, látky tvořící s radikály stálejší produkty obecné reparační mechanismy poškozených makromolekul fosfolipázy reparační enzymy DNA proteolýza oxidačně poškozených proteinů

Enzymové antioxidační systémy H2O + ½ O2 kataláza SOD + Fe2+ O2·- H2O2 ·OH + Fe3+ + OH- 2 GSH NADPH+H+ GSHPx 2 H2O GSSG NADP+

Superoxiddizmutáza – SOD v každé buňce zrychluje dizmutaci superoxidu o 4 řády Typy superoxiddizmutázy superoxiddizmutáza 1 - (SOD1) též Cu, Zn – SOD dimer, v každé podjednotce atom Cu a Zn v cytosolu a mezimembránovém prostoru mitochondrií superoxiddizmutáza 2 - (SOD2) též Mn – SOD tetramer, u prokaryont a v mitochondriální matrix extracelulární superoxiddizmutáza (EC – SOD) tetramer, obsahuje Cu a Zn

Glutathionperoxidázy odstranění intracelulárních hydroperoxidů selenoproteiny – selonocystein v aktivním centru Katalyzuje reakci: 2 GSH + ROOH = GSSH + H2O + ROH Typy glutathionperoxidáz cytosolová GSH – glutathionperoxidáza (cGPx) rozkládá hydroperoxidy mastných kyselin po uvolnění z lipidů, H2O2 fosfolipidhydroperoxid-GSH-peroxidáza (PHGPx) redukuje fosfolipidové hydroperoxidy přímo v plazmatické membráně bez uvolnění mastných kyselin z fosfolipidů

Kataláza - KAT Katalyzuje dvouelektronovou dizmutaci peroxidu vodíku: 2 H2O2 ↔ 2 H2O + O2 Význam: inaktivace H2O2 v peroxizómech a mitochondrii hepatocytu, cytoplasma erytrocytu

Vysokomolekulární endogenní antioxidanty Proteiny vážící volné Fe a Cu = inaktivace tranzitních kovů transferin – váže Fe3+ v plazmě feritin – intracelulární, má ferooxidázovou aktivitu, zásobárna Fe v buňce haptoglobin – vychytává extracelulární hemoglobin ceruloplazmin – v plazmě váže Cu albuminy – váží –SH skupinami Cu metalothioneiny – váží ionty kovů v jádře

Nízkomolekulární endogenní antioxidanty Kyselina askorbová – vitamin C redukuje radikály – O2·-, HOO·, HO·, ROO·, NO2 přechází na hydroaskorbát (askorbylový radikál) – málo reaktivní regenerace redukcí NADH nebo dizmutuje na askorbát a dehydroaskorbát redukuje Fe3+ na Fe2+ vstřebávání Fe ve střevě využití Fe v aktivním centru hydroxyláz s Fe působí prooxidačně

α-tokoferol (vitamín E) Kyselina askorbová HO· + H2O α-tokoferol (vitamín E) R-O-O· + R-O-O-H

a – tokoferol a vitamin E vitamin E – skupina 8 izomerů – biologicky nejvýznamnější a-tokoferol antioxidant biologických membrán redukuje alkylperoxylové radikály LOO· lipidů na hydroperoxidy – ty poté redukovány glutathionperoxidázou přechází na málo reaktivní tokoferylový radikál regenerace askorbátem

Ubichinon/ubichinol – koenzym Q benzochinony s izoprenovým řetězcem – nejrozšířenější CoQ10 součást dýchacího řetězce v mitochondriích vyskytuje se ve všech membránách – s tokoferolem tlumí radikálové reakce Karotenoidy, b-karoten a vitamin A chemicky izoprenoidy odstraňují radikály centrované na uhlík a LOO· v lipidech

2e- + 2H+ R-O-O· +

Thioly a disulfidy – Glutathion GSH tripeptid- g-glutamylcysteinylglycin nejvýznamnější intracelulárni redoxní pufr 2 GSH = GSSG + 2H+ + 2e- Význam: neenzymově odstraňuje ROS – HO·, RO·, ROO· udržuje v redukované formě –SH skupiny proteinů, cysteinu, CoA, regeneruje askorbát substrát glutathionperoxidáz

2 - 2e- - 2H+ + 2e- + 2H+

Kyselina lipoová kofaktorem pyruvátdehydrogenázy a a-ketoglutarátdehydrogenázového komplexu antioxidant ROO·, askorbylového radikálu, HO·, NO·, O2·- Kyselina močová konečný produkt odbourávání purinů nejdůležitější antioxidant plazmy vychytává RO·, HClO, váže Fe a Cu Další- bilirubin, flavonoidy, melatonin ...

Kyselina lipoová 2e- + 2H+ Kyselina močová - Urát H + + R · + RH

Prolomení antioxidační ochrany oxidační stres – porušení rovnováhy mezi vznikem a odstraňováním ROS a RNS nadměrná produkce radikálů nedostatečná antioxidační ochrana příčiny nadměrné produkce ROS a RNS reoxygenace tkáně po ischemii po příjmu oxidoredukčně aktivních xenobiotik uvolněním Fe a Cu z vazeb na zásobní proteiny nadměrná produkce NO a překročení kapacity SOD NO + O2·- = peroxynitrit - silný oxidant

Klíčová úloha Fe při oxidačním poškození organismu Fentonova reakce Fe2+ + H2O2 = Fe3+ + HO· + OH- katalytická schopnost Fe v aktivních centrech enzymů – substrát vybrán ku prospěchu organismu Fe takto reaguje i při nespecifické vazbě na proteiny, lipidy, NK – po úniku z transferinu a feritinu – poškození molekul lidské tělo – 4 gramy Fe v oxidoreduktázách nepatrná část 70% v hemoglobinu, 10% v myoglobinu

Peroxidace lipidů - LPO in vitro – žluknutí olejů – autooxidační radikálová reakce in vivo – peroxidace lipidů - polyenové mastné kyseliny neenzymová vyvolána nespecifickými patologickými faktory štěpení MK na uhlovodíky – ethan, pentan a aldehydy snížení fluidity membrán enzymová hydroperoxydázami – produkce biologicky aktivních prostaglandinů

lipid HO· - H2O alkylový radikál O2 peroxylový radikál Fe alkoxylový radikál C2H6 alkan alkenal

Poškození proteinů oxidace aminokyselinových zbytků hydroxylace AMK methionin – methioninoxid cystein – kys. cysteinová arginin – aldehyd kys.glutamové prolin – kys.glutamová hydroxylace AMK aromatické AMK produkty lipoperoxidace vazba na –NH2 lyzinu - agregace poškození –NH2 skupin v místech vazby na Fe

Poškození DNA reakce s HO· vyjmutí H z deoxyribózy – přerušení řetězce adice s bázemi – hydroxy- a oxoderiváty