Freie Radikale - Feinde des Organismus?

G. Jeschke

ETH Zürich, Lab. Phys. Chem.

Tag der Chemie, 18. Juni 2011 1

epr@eth

Arteriosklerose, Krebs und Rheuma

gefährliche Stoffwechselprodukte

- diesen unterschiedlichen Erkrankungen ist eins gemeinsam:

Sie werden durch freie Radikale (mit)verursacht,

äusserst reaktionsfreudige, .

Was sie anrichten, sieht man jeden Morgen im Spiegel,

denn .freie Radikale fördern den Alterungsprozess

Sonja Luz, Via medici 5/97

http://lebenswasser.eu/pages/de/wasser-und-gesundheit.php

T. FINKEL, N. J. HOLBROOK,, 408: 239-247.Nature 2000

Was sind eigentlich freie Radikale?

2

Etwas Chemie

Tag der Chemie, 18. Juni 2011

Paarbildung von Elektronen

schafft kovalente Bindungen

Bindungsbruch führt zu Radikalen

H HH H

O O­¯ ­¯­¯

­

¯

l

l

ungepaarte Elektronen "suchen" Bindungspartner

3Tag der Chemie, 18. Juni 2011

Kann man freie Radikale sehen?

Etwas physikalische Chemie

Nicht direkt, aber

Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR)

ungepaarte Elektronen sind kleine Magnete

freie Radikale im Magnetfeld absorbieren

Mikrowelle- wenn die Frequenz stimmt

hn

Ener

gie

Mag

net

isch

es F

eld

Magnetisches Feld B0

­ = ¯ =¯

N

S

N

S ­

­

etwas höhere

Energie

etwas tiefere

Energie

¯

Mikrowellen-photon

Ein Beispiel- freie Radikale in der Photosynthese

4Tag der Chemie, 18. Juni 2011

D special pairaccessorychlorophyll

A BPheO1

A ubiquinone2

28

Å18

Å

Etwas Biophysik

95 GHz ESR

Elektronentransfer in photosynthetischen Reaktionszentren

ExperimentSimulation

aus: Photosynth. Res., , 102: 311-333.A. SAVITSKY, K. MÖBIUS 2009

10 s-12

10 s-10

Lebenszeit etwa 100 sm

5

Wo kommen freie Radikale im menschlichen Organismus vor?

Tag der Chemie, 18. Juni 2011

Etwas Biochemie

Beispiel 1: Ribonukleotid-Reduktase

· katalysiert Umwandlung von RNS zu DNS

· diese Katalyse ist streng konserviert in allen Lebewesen

HN

O

CH2

O

Tyrosyl-Radikal, RNR-Tyrl

O

OHOH

HH

HH

R

Base

RNR-Tyrl

RNR-Tyrl

RNR-TyrH RNR-TyrH

RNR-TyrHRNR-TyrH

O

OHOH

H

HH

R

Base

l l

ll

O

OH2OH

H

H

R

Base

H

RNR

-RNR

-RNR

RNR

SH

S

S

S

SH

SH

S

SH O

OH

H

HH

R

Base

-H O2

O

H

H

R

Base

HO

H

H

Ribo-nukleotid

Desoxyribo-nukleotid

O

HOH

HH

HH

R

Base

6

Etwas mehr Biochemie

Tag der Chemie, 18. Juni 2011

Wo kommen freie Radikale im menschlichen Organismus vor?

Beispiel 2: Der Neurotransmitter NO�

· NO�wirkt muskelentspannend,

· dient der positiven Rückkopplung in der synaptischen Reizübertragung (Hypothese)

· Þnur 5 s Halbwertszeit im Gehirn ständige Neuproduktion bei Bedarf

siehe auch: http://www.swisseduc.ch/chemie/schwerpunkte/no/docs/no.pdf

NH2

NH

O

H2N

H

NH3

O

NADPH2 +O2

NADP + H2O

NH2

NH

O

N

H

NH3

O

HO1/2 NADPH2 + O2

1/2 NADP + H2O

O

NH

O

H2N

H

NH3

O

+ NO�

7

Spinfallen

Tag der Chemie, 18. Juni 2011

Achtung Falle! Wie man kurzlebige Radikale detektiert

Spinfallen

· diamagnetische Substanzen (kein ESR-Signal),

die mit reaktiven Radikalen zu stabilen Radikalen

reagieren

F

F

e

e

S

S

S

S

S

S

S

S

C

C

C

C

N

N

N

N

C

C

H

H

2

2

H

H

2

2

C

C

H

H

2

2

C

C

C

C

H

H

2

2

H

H

3

3

C

C

H

H

3

3

C

C

C

C

H

H

3

3

C

C

H

H

3

3

II

NO�

NO�

Inhibition der NO-Generation in Mäuseleber

durch das Chemotherapeutikum Doxorubicin

ESR-Spektren zu verschiedenen Zeiten

nach Doxorubicin-Injektion

G. ZHOU . Biotech. Technol. , 13: 507-511.et al 1999

Kontrolle

2 h

5 h

12 h

8

Reaktive Sauerstoff-Spezies: ROS

ROS

Tag der Chemie, 18. Juni 2011

T. FINKEL, N. J. HOLBROOK, , 408: 239-247.Nature 2000

Die Öffentlichkeit entdeckt freie Radikale und Antioxidantien

"Hier besprechen wir Hinweise darauf, dass die

Produktion von Oxidantien,

zusammen mit der Fähigkeit von Organismen,

auf oxidativen Stress zu reagieren,

mit der

Alterung und der Lebenszeit verbunden ist."

angemessene

und unangemessene

auf komplexe Weise

9Tag der Chemie, 18. Juni 2011

Warum gibt es in der lebenden Zelle ROS?

ROS

Nichts ist perfekt

Verwandlung von Imperfektion in einen Vorteil

Schärfung der Waffen

· Sauerstoff ist sehr reaktiv

· hochreaktive ROS - Waffen gegen äussere und innere Feinde

· wird zu Wasserstoffperoxid H O umgewandelt2 2O2

-�

· Fenton-Reaktion:

· auch enzymatische Reaktionen haben Nebenprodukte

Superoxid ensteht in Mitochondrien als Nebenprodukt der Atmung

O2

-�

�OH

Immunsystem produziert O2

-� (und ) gezielt�OH

Apoptose (programmierter Zelltod) wird durch ROS reguliert

enzymatischer Abbau

durch

Superoxid-Dismutase (SOD)

kein enzymatischer Abbau

Gegenspieler:

Vitamin E, Glutathion

2 H O2 2

[Fe ]2+

� �OH OOH+ + H O2

2 H + 2+

O2

-�[SOD]

H O2 2 + O2

(1-2% des Sauerstoffs)

10

Phagozyten- Die Soldaten des menschlichen Organismus

ROS

Tag der Chemie, 18. Juni 2011

Militärische Analogie

Wie produziert ein Phagozyt ROS?

Superoxid- Gut oder böse?

· angreifende Armee: pathogene Bakterien

·

Þ

Mutationen in NADPH-Oxidase (zu wenig )

ständige bakterielle Infektionen

O2

-�

·

Þ

hohe NADPH-Oxidase-Aktivität (zu viel )

Arteriosklerose

O2

-�

· verteidigende Armee: Immunsystem

· Soldaten der verteidigenden Armee: Phagozyten

· wichtigstes Waffensystem: ROS

Oxidative Burst

� Phagozyt inkorporiert Bakterium

� Phagozyt produziert , , ClO-

O2

-��OH

� Bakterium wird oxidativ zerstört

NADPH-Oxidase reduziert Sauerstoff zu O2

-�

ROS gehören zur des Organismus.Balance

Phagozyt bei der Inkorporation eines

Anthrax-Bakteriums

11

Nachweis von ROS und ihren Produkten

ROS

Tag der Chemie, 18. Juni 2011

Hochreaktive freie Radikale sind schwer nachweisbar

Optimierte Spinfallen

· »Halbwertszeit von in der Zelle: 1 Nanosekunde�OH

· dort verfügbar, wo ROS entstehen

· charakteristische ESR-Spektren

· möglichst stabile Abfangprodukte

· möglichst wenig toxisch

Þ extrem geringe Konzentrationen

G. GOSSET Bioorg. Medicin. Chem. , 19: 2218-2230et al. 2011

�R

Glutathionyl-Radikal

Hydroxyl-Radikal �OH

12

ROS und das Altern

ROS

Tag der Chemie, 18. Juni 2011

Schädigung des Organismus durch ROS

Wann gibt es zu viel ROS?

Gegenspieler

· DNS wird unbrauchbar

· oxidativer Stress

· bei hohem Nahrungsumsatz

· bei sportlicher Betätigung

· bei Entzündungen

· Arteriosklerose

· Zellwachstum wird gestoppt

· DNS-Reparaturenzyme

· Antioxidantien (Vitamine C, E, Glutathion)

ROS-Produktion gewinnt Oberhand über Antioxidantien

Fast alle Schäden werden repariert. Aber die nicht reparierten akkumulieren sich über die Lebensdauer.

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Strategien gegen ROS-bedingtes Altern?

Jungbrunnen?

Tag der Chemie, 18. Juni 2011

"Plausible Geschichten" haben wenig Wert

Leben ist Balance und Leben ist komplex

· Sport führt zu oxidativem Stress

Vermeidung von Sport verlängert das Leben?Þ

· zu wenig Antioxidantien führen zu Schäden

Nahrungsergänzungsmittel?Þ

· jeglicher Fundamentalismus ist schädlich

· Ausgewogenheit und Vielseitigkeit

· es gibt keinen "Jungbrunnen" und schon gar

keinen ohne Nebenwirkungen

Vom Wert klinischer Studien

· ÞBestätigung der Hypothese höhere

Publikationswahrscheinlichkeit

· Þkleiner Effekt grosse Publizität

· Korrelation ist keine Evidenz für eine

Ursache-Wirkungs-Beziehung

14

Die Rolle freier Radikale im Organismus

Zusammenfassung

Tag der Chemie, 18. Juni 2011

HN

O

CH2

O

es geht nicht ohne

zu viele sind schädlich

keines ist per se schlecht oder gut

O2

-��OH

alle Abbildungen ohne Zitat: Wikimedia Commons