OXIDAČNÍ STRES JOŠKO IVICA

Transkript

1 OXIDAČNÍ STRES JOŠKO IVICA

2 VOLNÉ RADIKÁLY Volný radikál je jakákoli částice schopná samostatné existence, která má jeden nebo více nespárovaných elektronů Chemicky vysoce reaktivní X e - X + (radikálový kation) Y + e - Y - (radikálový anion) HOMOLYTICKÉ ŠTĚPENÍ KOVALENTNÍ VAZBY A : B A + B

3 REAKCE VOLNÝCH RADIKÁLŮ Volné radikály snadno reagují s biologickými molekulami (většinou nejsou radikály) za vzniku nových radikálů spouští řetězové reakce DRUHY RADIKÁLOVÝCH REAKCÍ Reakce mezi dvěma radikály (např. NO - + O - 2 ONOO - ) Adice radikálu na jinou molekulu (např. adice OH na guanin v DNA) Oxidace a redukce neradikálových látek Odtržení atomu vodíku z C H vazby (např. mastné kyseliny)

4 Kyslík je biradikál má dva nespárované elektrony 1s 2s Volné radikály a neradikálové částice odvozené z kyslíku se jmenují reaktivní formy kyslíku (ROS) 2p Podobně, reaktivní sloučeniny obsahující dusík se jmenují reaktivní formy dusíku (RNS) ROS/RNS radikály: superoxid (O 2 - ), hydroxylový (OH ), peroxylový (RO 2 ), karbonát (CO 3 - ), oxid dusnatý (NO ) ROS/RNS neradikály: peroxid vodíku (H 2 O 2 ), kyselina chlorná (HOCl), singletový kyslík, peroxynitrit (ONOO - )

5 ZDROJE ROS/RNS IN VIVO 1. Mitochondrie (dýchací řetězec) 2. Fagocytosa (NADPH-oxidasa, myeloperoxidasa) 3. Xanthin oxidasa (XO) 4. Synthasa oxidu dusnatého (NOS) 5. Cytochrom P Oxidace kyseliny arachidonové (lipoxygenasa, cyclooxygenasa) 7. Neenzymové reakce

6 1.MITOCHONDRIE Komplexy I, II a III mitochondriálního dýchacího řetězce se podílí na produkci O 2 - Význam koenzymu Q semichinonový radikál! O 2 O 2 O - 2 O - 2 O 2 O 2 -

7 MITOCHONDRIE Jeden z nejdůležitějších zdrojů ROS v buňce Komplexy dýchacího řetězce jsou schopny katalyzovat jednoelektronovou redukci O 2 za vzniku superoxidu Cytochrom c oxidasa produkuje radikálové intermediáty, které jsou však pevně vázány na enzym NADH dehydrogenasa (komplex I) a cytochrom bc 1 (komplex III) jsou hlavními místy produkce superoxidu Přenašeč elektronů koenzym Q (ubichinon) se během přenosu elektronů oxiduje a potom zpět redukuje jedním elektronem, přičemž vzniká radikálový intermediát semichinon může reagovat s O 2 za vzniku superoxidu (O 2 - )

8 2. FAGOCYTOSA Prudký vzrůst spotřeby O 2 během fagocytosy je doprovázen produkcí ROS RESPIRATORNÍ VZPLANUTÍ ENZYMY: NADPH-oxidasa, myeloperoxidasa 1.NADPH + 2 O 2 NADP + + H O O H + O 2 + H 2 O 2 myeloperoxidasa 3. H 2 O 2 + Cl - + H HOCl + H 2 O Obrázek stahován z:

9 FAGOCYTOSA Fagocyty (neutrofily, makrofágy) pohlcují bakterie při imunitní odpovědi u zánětu Dochází k prudkému vzrůstu spotřeby kyslíku ve fagocytech respiratorní vzplanutí Enzymy, které katalyzují produkci ROS jsou aktivovány (NADPH oxidasa) Superoxid je vytvořen v reakci katalyzované NADPH oxidasou, a potom dismutuje na peroxid vodíku Peroxid vodíku reaguje s Cl - za vzniku kyseliny chlorné (HOCl) reakci katalyzuje myeloperoxidasa HOCl a ostatní ROS jsou smrtelné pro bakterie

10 3. XANTHIN OXIDASA (XO) XANTHIN DEHYDROGENASA (XDH), která používá NAD + jako akceptor elektronů, se při oxidační modifikaci (oxidace SH skupin a částečná proteolýza) proměňuje na XO (používá O 2 )

11 XANTHIN OXIDASA Adenin je metabolizován do hypoxanthinu a následně do xanthinu, zatímco guanin je metabolizován do xanthinu Xanthin je metabolizován (oxidován) do kyseliny močové Reakce, ve kterých jsou produkty xanthin a kyselina močová jsou normálně katalyzovány xanthin dehydrogenasou (XDH) XDH používá NAD + k oxidaci hypoxanthinu a xanthinu Při poškození tkáně (způsobeno oxidačním stresem), XDH je modifikována (oxidace jejích thiolových skupin a částečná proteolýza) na xanthin oxidasu Xanthin oxidasa používá O 2 k oxidaci hypoxanthinu a xanthinu, přičemž vznikají superoxid radikály Superoxid radikály podstupují spontánní dismutace za vzniku peroxidu vodíku

12 4. SYNTHASA OXIDU DUSNATÉHO (NOS) Tři isoformy : 1. endotelová NOS (enos) 2. inducibilní NOS (inos) 3. mozková NOS (nnos) Synthesa oxidu dusnatého (NO ) z L-argininu OXID DUSNATÝ

13 OXID DUSNATÝ A NOS NO. (volný radikál, RNS) je velmi důležitou buněčnou signální molekulou - vazodilatátor, neurotransmiter, zprostředkovatel imunitní odpovědi NO. je prekurzorem jiných RNS (peroxynitrit,. NO 2 ) a rovněž je spojen s patologickými modifikacemi buněčných složek NOS katalyzuje produkci NO. z L-argininu Různé izoformy NOS jsou jmenovány po tkáních (buňkách), ve kterých byly původně nalezeny NO. se váže na hem v cytochromech a hemoglobinu

14 NEENZYMOVÉ REAKCE Fentonova reakce: Fe 2+ + H 2 O 2 Fe 3+ + OH + OH - Fe 2+ Haberova - Weissova reakce: O H 2 O 2 O 2 + OH + OH - Vznik peroxynitritu : O NO ONOO - OH je velmi reaktivním radikálem, který způsobuje poškození různých biomolekul! ONOO - je velice mohutné oxidační a nitrační činidlo

15 autooxidace hemoglobinu : Hem-Fe 2+ - O 2 O hem-fe 3+ Ionizující záření Ultrazvuk produkce OH Glykoxidace neenzymová reakce cukrů (glukosa, fruktosa) s proteiny, lipidy a DNA se jmenuje glykace Glykační produkty mohou být následně oxidovány vznikají koncové produkty pokročilé glykace (AGEs) AGEs způsobují další oxidační stres

16 ÚČINEK ROS/RNS V BUŇCE PROTEINY oxidace nitrace DNA chemické změny v bázích poškození a ztráta funkce (enzymy a ostatní proteiny) ROS/RNS Poškození DNA mutace LIPIDY peroxidace lipidů (polynenasycené mastné kyseliny) membránové poškození

17 PEROXIDACE LIPIDŮ PUFA radikál mastné kyseliny peroxylový radikál - polynenasycené mastné kyseliny (PUFA, např. kyselina arachidonová) jsou velice citlivé na peroxidaci - vodík je odtržen (působením např. OH ) z methylenové skupiny a vzniká radikál mastné kyseliny (uhlíkový radikál) - radikál mastné kyseliny ochotně reaguje s O 2 za vzniku peroxylového radikálu (ROO ) - peroxylový radikál může napadnout jiné molekuly PUFA a takto propagovat peroxidaci lipidů lipidový (hydro)peroxid a nový radikál mastné kyseliny jsou produkty - Peroxidy lipidů se mohou rozložit na velmi reaktivní aldehydy (malondialdehyd, 4-hydroxynonenal) Schéma stahováno z:

18 OXIDAČNÍ STRES Ischemie-reperfuze Hypoxie Hyperoxie Teplo Záření Toxiny Nadměrné cvičení Infekce Trauma poškození tkáně oxidační poškozeni zánět lipidy proteiny nukleové kyseliny - zvýšená produkce ROS - poškozená a nedostatečná antioxidační ochrana poškození biomolekul Frank J Kelly. Oxidative stress: its role in air pollution and adverse health effects. Occup Environ Med2003;60:

19 ANTIOXIDAČNÍ OCHRANA ANTIOXIDANT Látka, která odkládá, zabraňuje a odstraňuje oxidační poškození na cílové molekule - Neexistuje universální antioxidant Jejich relativní význam je závislý na: jak, kde a jaký ROS je tvořen a co je měřeno jako cíle poškození Nespárovaný elektron VOLNÝ RADIKÁL ANTIOXIDANT Poskytování elektronu

20 ANTIOXIDAČNÍ OCHRANA 1. Enzymy katalyticky odstraňují ROS (superoxid dismutasa, katalasa, glutathion peroxidasa, peroxiredoxiny) 2. Proteiny, které odstraňují pro-oxidanty (kovové ionty a hem) (transferin, albumin, haptoglobin, ceruloplasmin, hem oxygenasa) 3. Nízkomolekulární látky vychytávající volné radikály ( obětní činidla ) - syntetizovány in vivo (bilirubin, kys. močová a lipoová, koenzym Q) - ze stravy (vitaminy E a C, karotenoidy, rostlinné fenoly)

21 1. SUPEROXID DISMUTASA - katalyzuje dismutaci superoxidu na kyslík a peroxid vodíku 2. KATALASA GLUTATHION PEROXIDASA - katalyzuje dismutaci peroxidu vodíku na kyslík a vodu - katalyzuje redukci peroxidu vodíku na vodu využívající redukovaného glutathionu

22 Superoxid dismutasa (SOD) H 2 O 2 O O H + H 2 O 2 + O 2 1.CuZnSOD 2. MnSOD Glutathion peroxidasa 2 H 2 O Katalasa 2GSH GSSG GSH = redukovaný glutathion GSSG = oxidovaný glutathion ½ O 2 + H 2 O Glutathion reduktasa NADP + NADPH pentosafosfátová dráha jablečný enzym NADP-dependentní isocitrát dehydrogenasa

23 GSH H 2 O 2 Organické peroxidy Glutathion peroxidasa obsahuje selen (Se) v aktivním místě GSSG Vzorce stahované z:

24 GLUTATHION - reguluje metabolismus askorbátu - udržuje komunikaci mezi buňkami skrz gap junctions - brání oxidaci proteinových SH skupin - mm koncentrace v různých tkáních (99 % jako GSH) - nejvyšší hladiny v játrech, ledvině a čočce - schopen vychytávat ROS přímo (OH, ONOO - atd.) - červené krvinky jsou zvláště závislé na glutathionové antioxidační ochraně pro jejich normální funkce

25 PEROXIREDOXINY - katalyzují redukci peroxidu vodíku a organických peroxidů - cysteinové zbytky jsou přítomné v aktivním místě THIOREDOXINY - redukují oxidované peroxiredoxiny regenerují je - polypeptidy s relativní M r ~ Da - dva cysteinové zbytky

26 H 2 O 2 organické peroxidy H 2 O Alkoholy S SH HS - (Prx) 2 SH SH peroxiredoxin S - (Prx) 2 SH SH S Trx S thioredoxin HS - Trx SH TR FADH 2 thioredoxin reduktasa TR FAD NADP + NADPH

27 ANTIOXIDANTY ZE STRAVY Vitamin E (α-tokoferol) - lipofilní struktura - inhibitor peroxidace lipidů v buněčných membránách α-toch + LOO α-toc + LOOH Peroxid lipidu Vitamin C (kyselina askorbová) - rozpustná ve vodě - regeneruje vitamin E v membránách α-toc + α-toch +

28 PRŮKAZ OXIDAČNÍHO STRESU - Přímá detekce volných radikálů trapping (chycení radikálů) - Měření biomarkerů (markery oxidačního poškození biologického materiálu),fingerprinting - Biomarkery oxidačního poškození DNA 8-hydroxy-2 - deoxyguanosin (8OHdG) - Biomarkery peroxidace lipidů koncové produkty: peroxidy, isoprostany, aldehydy (malondialdehyd, 4-hydroxynonenal), fluorescenční lipofuscinoidní pigmenty - Biomarkery poškození proteinů proteinové karbonyly, bityrosin, nitrotyrosin, oxidované SH skupiny)

29 Buněčné poškození (poškození biomolekul) je jedním z důsledků oxidačního stresu - zvýšená proliferace (způsobena nízkou úrovní stresu) - adaptace (mírný až střední stres může mít za následek zvýšenou synthesu antioxidantů; ischemický preconditioning ) - stárnutí (způsobeno vysokou úrovní stresu) - buněčná smrt (apoptosa, nekrosa) - změny v buněčném metabolismu iontů ( intracelulární Ca 2+, uvolnění Fe, Cu)

30 Aterosklerosa Endotelová dysfunkce Hypertenze KREVNÍ CÉVY Chronické srdeční onemocnění Hypertenze Ischemie Infarkt myokardu SRDCE KŮŽE Stárnutí kůže Dermatitida Lupénka Chronické onemocnění ledvin Nefritida Diabetes Stárnutí MULTI- ORGÁNOVÝ LEDVINA OČI OXIDAČNÍ STRES KLOUBY Revmatoidní artritida Osteoartritida Makulární degenerace Degenerace sítnice Šedý zákal Roztroušená sklerosa Chronický zánět Lupus Rakovina Astma IMUNITNÍ SYSTÉM MOZEK Alzheimerova choroba Parkinsonova choroba Mrtvice Rakovina Migréna PLÍCE Astma CHOPN Rakovina ARDS

31 ROS A ATEROSKLEROSA LDL je oxidován makrofágy hlavní zdroj ROS NADPH oxidasa cyclooxygenasy lipoxygenasy inos myeloperoxidasa Makrofágy akumulují oxldl a jsou transformovány do pěnových buněk ROS hrají významnou roli v rozvoji ateromu ROS se podílí v aterosklerose způsobující oxidaci LDL, aktivující stresové signální dráhy, vyvolávající apoptosu a usnadňující prasknutí plátu George W. Booz. Cannabidiol as an emergent therapeutic strategy for lessening the impact of inflammation on oxidative stress. Free Radic Biol Med. 2011;51(5): P. Saha, B. Modarai, J. Humphries, K. Mattock, M. Waltham, K.G. Burnand, A. Smith. The monocyte/macrophage as a therapeutic target in atherosclerosis Curr. Opin. Pharmacol. 2009;9: M. Hulsmans, P. Holvoet. The vicious circle between oxidative stress and inflammation in atherosclerosis. J Cell Mol Med. 2010;14: 70 78

32 ROS A ISCHEMIE-REPERFUZE ischemie způsobuje pokles ATP a hromadění hypoxanthinu [Ca 2+ ] intracelulární Tkáňové poškození způsobuje přeměnu XDH do XO oxidací SH skupin či limitovanou proteolýzou uvolňování Fe, Cu OH Pacher P, Nivorozhkin A, Szabó C. Therapeutic effects of xanthine oxidase inhibitors: renaissance half a century after the discovery of allopurinol. Pharmacol Rev Mar;58(1):

33 ROS A NEURODEGENERATIVNÍ CHOROBY Alzheimerova choroba Mitochondriální poškození ROS/RNS

34 SOUHRN Volné radikály způsobují buněčné poškození, jelikož za určitých okolností mohou být i prospěšné pro organismus Různé zdroje volných radikálů v organismu Antioxidanty Choroby spojené s oxidačním stresem

35 LITERATURA Barry Halliwell, John M.C. Gutteridge. Free radicals in biology and medicine. Fourth edition. Oxford University Press Robert K. Murray, Daryl K. Granner, Peter A. Mayes, Victor W. Rodwell. Harperova biochemie. 25 th edition. Appleton and Lange.