Problematika volných radikálů a antioxidantů

v medicíně

Alice Skoumalová

Definice volných radikálů

• každá sloučenina schopná samostatné existence obsahující jeden nebo více nepárových elektronů

• vysoká reaktivita a schopnost iniciovat řetězové reakce

• produkce vystupňována během stárnutí a za patologických stavů

Homolytické štěpení Heterolytické štěpení

A : B A• + B• A : B A- + B+

Důležité pojmy

Oxidace získání kyslíku C + O2 CO2

ztráta elektronu O2•- O2 + e-

ztráta vodíku alkoholy ketony, aldehydy

Redukce ztráta kyslíku CO2 + C 2CO

získání elektronu O2 + e- O2•-

získání vodíku C + 2H2 CH4

Oxidační činidlox Redukční činidlo

Obecné schéma radikálových reakcí

1. Dva radikály reagují spoluH• + H• H2

2. Radikál reaguje s neradikálem řetězová reakce

adice OH• se váže na DNA

redukce CO2•- + Cu+ CO2 + Cu

oxidace pr + OH• pr•+ + OH-

extrakce vodíku CH + OH• C• + H2O

Důležitá místa vzniku reaktivních forem kyslíku v organismu

1. Neenzymaticky: dýchací řetezec mitochondrií, glykoxidace, autooxidace

hemoglobinu

2. Enzymaticky: cytochrom P450, NADPH-oxidáza, NO-syntáza, xantinoxidáza

Důležité reakce vzniku reaktivních forem kyslíku v organismu

1. Vznik superoxidu O2 + e- O2•-

2. Superoxiddismutáza O2•- + O2

•- + 2H+ H2O2 + O2

3. Myeloperoxidáza H2O2 + Cl- + H+ HClO + H2O

4. Fentonova reakce Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH• + OH-

5. Haberova-Weissova reakce O2•- + H2O2 O2 + OH• +

OH-

6. Vznik peroxynitritu O2•- + NO• ONOO-

Fe2+

O2•-

H2O2

OH•

Fe2+

ONOO-

Inaktivace enzymů

Poškození DNA

Peroxidace lipidů

NO•

Reaktivní sloučeniny Vlastnosti

O2•- Superoxid Vzniká např. v dýchacím řetězci;

generuje další ROS

H2O2 Peroxid vodíku Může difundovat; reaguje s Fe2+ - tvorba dalších radikálů

OH• Hydroxylový radikál Nejreaktivnější - poškození biomolekul; vzniká Fentonovou reakcí

HOCl Kys. chlorovodíková Vzniká v leukocytech - ochrana před mikroorganismy

ONOO- Peroxynitrit Silný radikál; vzniká reakcí O2•- a NO

Radikálové poškození buněk

Definice - antioxidanty

• látka, která chrání před oxidačním poškozením

• neexistuje universální antioxidant

• jaké radikály a kde jsou tvořeny

Dělení:

1. enzymy odstraňující volné radikály: SOD, kataláza, glutationperoxidáza

2. proteiny snižující dostupnost prooxidantů (Fe2, Cu2+, hem): transferin, haptoglobulin, feritin

3. nízkomolekulární látky vychytávající volné radikály: glutathion, α-tokoferol, kyselina askorbová

Hemoglobin4 polypeptidové řetězce + 4 hemové skupiny

O2 se váže na Fe2+ Hem - Fe2+- O2 Hem - Fe3+ - O2•-

Methemoglobin (Fe3+) není schopen vázat O2

(methemoglobinreduktáza)

Příklad systému ochrany před volnými radikály - erytrocyty

Hemoglobin

Oxyhemoglobin

MethemoglobinMethemoglobinreduktáza

O2

SuperoxidSuperoxiddismutáza

H2O2

Kataláza

½ O2+H2O

Glutathionperoxidáza

H2O

GSH

GSSG

Glutathionreduktáza

NADPH

NADP+Pentosofosfátová

dráha

GSH-redukovaný glutathion; GSSG-oxidovaný glutathion

Superoxiddismutáza (SOD)

Konvertuje O2•- na H2O2

Ve vysoké koncentraci v erytrocytech

Odstranění H2O2:

1. Kataláza

Katalyzuje dekompozici H2O2 na vodu a kyslík:

2H2O2 2H2O+O2

2. Glutathionperoxidáza

redukuje H2O2 na vodu a zároveň oxiduje glutathion

H2O2+2GSH GSSG+2H2O

Glutathionreduktáza

GSSG+NADPH+H+ 2GSH+NADP+

NADPH z pentosafosfátové dráhy (glukóza-6-fosfátdehydrogenáza)

Glutathion• důležitý pro ochranu před volnými

radikály

• kofaktor glutathionperoxidázy (odstraňování H2O2 v erytrocytech)

Gly

Cys

Glu

Gly

Cys

Glu

Gly

Cys SH

Glu

S S

Oxidovaný glutathion

(dimer)

Redukovaný glutathion

(monomer)

Glutathionperoxidáza

Glutathionreduktáza

+ H2O2

+ NADPH (pentosafosfátová dráha)

Glutamát Cystein Glycin

Nízkomolekulární antioxidanty (v potravě)

α-tokoferol (vitamin E)v membránáchchrání před peroxidací lipidů

α-TocH+LO2• α-Toc•+LO2H

Kyselina askorbová (vitamin C)v cytoplasměrecykluje α-tokoferolDehydroaskorbátreduktáza regeneruje askorbát

Karotenoidy, flavonoidy

Antioxidanty v plasmě (přehled)

• Transferin, laktoferin Váže železo, brání jeho pro-oxidační aktivitě

• Ceruloplasmin Oxiduje Fe2+ na Fe3+ bez uvolnění radikálů• Erytrocyty Vychytávají O2

•- a H2O2

• Albumin Váže železo, meď, hem; vychytává reaktivní sloučeniny

• Haptoglobin/hemopexin Váže volný hem/hemoglobin, brání jejich pro-oxidační aktivitě

• Kyselina močová Inhibuje peroxidaci lipidů a vychytává reaktivní sloučeniny

• Vitamin E Chrání před peroxidací lipidů• Glukóza Vychytává OH•

• Bilirubin Pravděpodobný antioxidant• Melatonin Reguluje denní rytmy, antioxidant

Definice - oxidační stres

• nerovnováha mezi produkcí volných radikálů a antioxidatanty

Volné radikály Antioxidanty

Př. mutace enzymů antioxidační ochrany deplece antioxidantů v dietě

Př. vyšší tlak kyslíku metabolismus toxinů chronické zánětlivé nemoci

Důsledky: Adaptace x Buněčné poškození (peroxidace lipidů, poškození proteinů, DNA)

- lýza- apoptóza- mutace

Průkaz oxidačního poškození

• Přímá detekce volných radikálů

• Detekce produktů radikálových reakcí („fingerprinting“)• oxidační poškození DNA• peroxidace lipidů (př. malonaldehyd, lipofuscinoidní pigmenty)

• oxidační poškození proteinů (př. karbonyly, nitrotyrosin)

• antioxidanty (př. vitamin E)

Vznik oxidačního stresu u nemocí

• Snížený účinek antioxidantů (př. snížená aktivita antioxidačních enzymů, snížení antioxidantů v potravě)

• Zvýšená produkce volných radikálů (př. metabolismus toxinů, zvýšená aktivace leukocytů)

Důsledek oxidačního stresu u nemocí

•Adaptace (př. ischemický „preconditioning“)

•Poškození (př. chronické zánětlivé procesy)

•Buněčná smrt (př. neurodegenerativní choroby)

Volné radikály a nemoci

• Ateroskleróza

• Diabetes

• Ischémie-reperfůze

• Chronické zánětlivé choroby

• Nádory

• Neurodegenerativní choroby (př. Alzheimerova choroba)

Neurofibrilární tangly Amyloidní (senilní) plaky - hyperfosforylovaný tau protein - fibrily proteinu β-amyloidu (Aβ)

- abnormální zpracování APP (amyloid prekurzor protein)

Úloha volných radikálů v rozvoji Alzheimerovy choroby

Model Aβ-indukovaného oxidačního stresu u AD

Souhrn – důležité pojmy

• Definice volných radikálů (proč jsou nebezpečné); místa vzniku v organismu

• Definice antioxidanty, dělení

• Oxidační stres a nemoci (příklady)