Biochemie volných radikálů a oxidační stres
Zuzana Chmátalová
Oxidační stres • Denham Harman • 1985 - Sies: – Příliš mnoho reaktivních forem s ohledem na dostupné antioxidanty
• 2004 - Halliwel a Whiteman: – Poškození biomolekul způsobené napadením složek živých organizmů reaktivními sloučeninami
• Nadprodukce reaktivních sloučenin • Nedostatečnost antioxidační ochrany • Poškození biomolekul organizmu • Tvorba těžko degradovatelných koncových produktů radikálového poškození
Zdroje reaktivních sloučenin
Reaktivní sloučeniny • Volné radikály – Nepárové elektrony
– Samostatná existence – Chemicky vysoce reaktivní – Paramagnetické
– Homolytické štěpení kovalentní vazby
Řetězové radikálové reakce • Iniciace • Vznik sekundárního radikálu
• Propagace • Šíření řetězové reakce a vznik dalších radikálů
• Terminace • Vzájemná reakce dvou radikálů, reakce radikálu s antioxidantem
Nejčastější reaktivní sloučeniny • Reaktivní sloučeniny kyslíku (ROS)
Reaktivní forma kyslíku superoxidový radikál hydroperoxylový radikál peroxid vodíku hydroxylový radikál alkoxylový radikál peroxylový radikál singletový kyslík
Symbol O2•HO2• H2O2 OH• RO• ROO• 1O 2
Vlastnosti slabý oxidant silnější oxidant než O2•oxidant extrémně reaktivní méně reaktivní než OH• slabší oxidant silný oxidant
Další reaktivní, ovšem neradikálové formy kyslíku: HClO, O3, ROOH
• Reaktivní sloučeniny dusíku (RNS) – Radikál oxidu dusnatého (NO•) a dusičitého (NO2•) – Neradikálové reaktivní formy: • • • • •
Peroxynitrit ONOOHNO2 N2O3 NO2+ NO2-/NO3-
Reakce ROS/RNS
http://www.nature.com/nrmicro/journal/v2/n10/fig_tab/nrmicro1004_F2.html
Zdroje ROS/RNS in vivo •
•
Mitochondrie • Fagocytóza • Enzymy Neenzymatické reakce
Mitochondrie
Mitochondrie • Nejvýznamnější zdroj ROS v buňce – Rekukce kyslíku na superoxid (komplex I a III) – Cytochrom c oxidáza – Ubichinon ↔ semichinon (→ superoxid)
Fagocytóza • Respirační vzplanutí
– NADPH oxidáza – Myeloperoxidáza
http://openi.nlm.nih.gov/detailedresult.php?img=3199796_CTO-03-02-g-012&req=4
• Destrukce bakteriálních buněk
Xantin oxidáza • Modifikace xantin dehydrogenázy – Nevyužívá NAD+ ale O2
Syntáza oxidu dusnatého Endoteliální a neuronální • Produkce NO pro bb signalizaci • Nízké koncentrace
Inducibilní • Produkce regulovaná genovou transkripcí • Vysoké koncentrace
• NO = signální molekula x prekurzor RNS
Neenzymatické reakce • Fentonova reakce Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH- + OH•
• Haberova Weisova reakce O2- + H2O2 → O2 + OH- + OH•
• Vznik peroxynitritu O2- + NO → ONOO-
• Autooxidace hemoglobinu Hb-Fe2+ + O2 → O2- + MetHb-Fe3+
• Tvorba sekundárních reaktivních sloučenin
ÚČINEK ROS/RNS NA BIOMOLEKULY
Poškození lipidů • Především PUFA – Kyselina linolová, linolenová, arachidonová, klupadonová, eikosapentaenová a další
• Cholesterol • Produkty – Malondialdehyd – Hydroxynonenal – Izoprostany – Akrolein – Reaktivní aldehydy, peroxyly a hydroperoxydy
Poškození proteinů
• • • •
Nefyziologické propojování či zlomy řetězce Modifikace postranních řetězců Oxidace jednotlivých aminokyselin Nitrace, karbonylace, glykace, modifikace glutathionem...
Poškození nukleových kyselin • RNA i DNA • Mitochondriální a jaderná DNA • Modifikace a ztráty bází, zlomy, poškození deoxyribózy, atypické spoje (DNA-DNA, DNA-RNA, DNA-protein…) • 8-oxo-7,8-dihydro-2-deoxyguanozin • 8-hydroxyadenin • 5-hydroxyuracyl
ANTIOXIDAČNÍ OCHRANA
Antioxidant • Látka, která zabraňuje či omezuje působení oxidantů – Neexistuje univerzální antioxidant
• Rozdělení – Enzymy odstraňující volné radikály – SOD, CAT, GPx
– Proteiny snižující dostupnost prooxidantů – Tranferin, haptoglobin, feritin
– Nízkomolekulární vychytávající ROS/RNS – GSH, tokoferol, kyselina askorbová
Příklady antioxidačních systémů
Enzymy • Superoxiddismutáza (SOD) • Konverze O2•- na H2O2 • Vysoká koncentrace v erytrocytech
• Odstranění H2O2 1. Kataláza : 2H2O2 → 2H2O+O2 2. Glutathionperoxidáza: H2O2+2GSH → GSSG+2H2O
• Glutathionreduktáza • GSSG+NADPH+H+ → 2GSH+NADP+
Glutathion • γ-glutamylcysteinylglycin • Ubikvitární molekula – ERY, játra, čočka…
• Brání oxidaci –SH skupin • Přímé vychytávání ROS/RNS
Nízkomolekulární antioxidanty • Vitamín E (α-tokoferol) – V bb membránách → ochrana před lipoperoxidací α-TocH+LO2• → α-Toc•+LO2H
• Vitamín C – Cytoplazma – Recykluje α-tokoferol – Regenerace dehydroaskorbátreduktázou
• Karotenoidy, flavonoidy
Antioxidanty v plazmě - přehled • Transferin, laktoferin – váže železo • Ceruloplazmin – oxidace Fe2+ na Fe3+ bez uvolnění radikálů • ERY - vychytání O2•- a H2O2 • Albumin – váže železo, měď, hem, vychytá ROS/RNS • Haptoglobin, hemopexin – vazbou brání pro-oxidační aktivitě hemu/hemoglobinu • Kyselina močová – inhibuje oxidaci lipidů • Vitamín E – brání lipoperoxidaci • Glukóza – vychytá OH• • Bilirubin – pravděpodobný antioxidant
Průkaz oxidačního poškození • Přímá detekce volných radikálů • Detekce produktů radikálových reakcí • Poškozená a oxidačně pozměněná DNA, proteiny, lipidy
• Stanovení a zhodnocení kapacity antioxidačního systému • Stanovení GSH, CAT, GPx, vitamíny…
Oxidační stres a onemocnění 1. Adaptace • Stupňovaná syntéza antioxidantů
2. Poškození • Chronické zánětlivé procesy, iontový rozvrat
3. Buněčná smrt •
Apoptóza, nekróza
ROS a ateroskleróza
Souhrn – důležité pojmy • Definice volných radikálů, dělení • Definice antioxidanty, dělení • Oxidační stres a nemoci (příklady)
DĚKUJI ZA POZORNOST
