Upload
merjem-mlaco
View
343
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
ANTIOKSIDANSIOKSIDANSI
Oksidacijski stresi antioksidansi
•Zrak sadrži 21% kisika, O2
• Životinje, biljke i aerobne bakterije trebaju kisik za stvaranje energije (ATP)
•Kisik je toksičan za sve žive oblike, bilo anaerobne ili aerobne
•Život na Zemlji postoji u sprezi s antioksidacijskim staničnim sustavom koji zamjenjuje i uklanja produkte oksidacijskog stresa u in vivo sustavima
Kisik i oksidacijski stres
Slobodni radikali i antioksidansi
• Što su slobodni radikali?• Što su reaktivni kisikovi i dušikovi spojevi (reactive
oxigen species, ROS i reactive nitrogen species, RNS)
• Jesu li ROS/RNS uvijek opasni?• Dobro poznati pojam „ oksidacijski stres“ – što je to?• Poremećaji vezani uz oksidacijski stres• Markeri oksidacijskog stresa• Antioksidansi
Slobodni radikali – što su to?
• čestice s nesparenim elektronom (može biti atom, ion ili molekula)
• nastaju homolitičkim cijepanjem veze
HO-OH HO· + ·OH
• nastoje postići ravnotežno stanje, te reagiraju s elektronom najbliže molekule
• većina biomolekula nisu radikali
Slobodni radikali
• kemičar
tijekom tridesetih - postojanje superoksida• biokemičar
tijekom šezdesetih - otkriće superoksid-dizmutaze (SOD)
• liječnikslobodni radikali dovode se u vezu s mnogim poremećajima
Povećano stvaranje slobodnih radikala uPovećano stvaranje slobodnih radikala urazličitim stanjimarazličitim stanjima
AIDS
Akutni respiratorni sindrom
Starenje
Alkoholizam
Alzheimerova bolest
Ateroskleroza
Diabetes
Karcinom
Hipertenzija
Preopterećenje željezom
Infarkt miokarda
Parkinsonova bolest
Terapija zračenjem
Moždani udar
Vježbanje
ROS (reaktivni kisikovi spojevi)
Slobodni radikali
superoksid, O2· -
hidroksilni radikal, OH ·
peroksilni radikal, ROO ·
alkoksilni radikal, RO ·
hidroperoksilni radikal, HO2
·
Spojevi koji nisu slobodni radikali
vodikov-peroksid, H2O2
hipokloritna kiselina, HClO
ozon, O3
singletni kisik, 1O2
Kisik nije molekula koja izravno izaziva oksidacijski stres, ali je prekursor svih ROS.
Hidroksilni radikal, HO .
•najreaktivnija poznata ROS vrsta •nastaje reakcijom H2O2 s reduciranim željezom ili bakrom (Fentonova reakcija).
Fe2+ + H2O2 + H+ Fe3+ + H2O + HO.
Cu+ + H2O2+ H+ Cu2+ + H2O + HO.
•hidroksilni radikali mogu reagirati kao inicijatori autooksidacije lipida, mogu izazvati i oštećenje proteina, nukleinskih kiselina, ugljikohidrata te drugih organskih molekula ukoliko dolazi do sinteze u njihovoj blizini.
HO. + H-X H2O + X.
•vodikov peroksid je jaki oksidans, međutim pri staničnim uvjetima reakcija njegovog raspada ide vrlo sporo bez metalnog katalizatora
•vrlo male količine redoks-aktivnih metalnih iona mogu katalizirati oksidacijske reakcije H2O2
Fe2+ + H2O2 + H+ Fe3+ + H2O + HO.
Vodikov peroksid se ne smatra opasnim spojem ukoliko nema prisutnih metalnih iona, poglavito Fe2+/3+.
Vodikov peroksid, H2O2
RNS (reaktivni dušikovi spojevi)
Slobodni radikali
dušikov-(II)- oksid, NO .
dušikov-(IV)-oksid, NO2 .
Spojevi koji nisu slobodni radikali
nitrozil, NO+
nitritna kiselina, HNO2
peroksinitrit, ONOO -
alkilperoksinitrit, ROONO
Jesu li ROS/RNS uvijek opasni?
Posljedice djelovanja ROS Regulacija
-rasta stanica -diferenciranja stanica -apoptoze i nekroze
Aktivacija -prijenosa signala -proliferacije stanica
Smanjena učinkovitost -DNA polimeraze -popravljanja DNA
Oksidacijsko oštećenje proteina
Promjena stresom induciranih proteina
i gena
Lipidna peroksidacija
ROS
Pogreške u replikaciji
Promjena konformacije DNA
MUTACIJA
Kemijske promjene u bazama
Uloga NO. u metabolizmu
• u stanicama vaskularnog endotela djeluje vazodilatacijski i regulira krvni
tlak
• u SŽS-u kao neurotransmiter djeluje na više funkcija, uključujući
pamćenje
• na periferiji djeluje preko neadrenergičnih nekolinergičnih živaca
regulirajući funkcije raznih organa
• stvara se u makrofagima njihovom aktivacijom i djeluje citotoksično na
bakterije, gljivice, protozoe i tumorske stanice
• nadzire i sprječava agregaciju trombocita
• sudjeluje u patogenezi septičkog šoka, upalama i hiperdinamičkom
stanju ciroze
Uloga O2· - u metabolizmu
Superoksid nastao djelovanjem NADPH oksidaze i njegov derivat, peroksinitrit, imaju ulogu u regulaciji krvnog tlaka
Dio je citotoksičnog mehanizma pojedinih stanica imunološkog sustava
Poremećaj ravnoteže između stvaranja i eliminacije ROS uzrokuje
Oksidacijski stres
Oksidacijski stres nastaje kao posljedica 3 čimbenika:
1) povećano stvaranje oksidansa2) smanjenje antioksidacijske zaštite3) neuspješan popravak oštećenja
Glavni izvori slobodnih radikala Enzimi ili/i koenzimi s flavinskim strukturama,
hemski koenzimi, enzimi koji sadrže Cu i Fe u aktivnom središtu
-reakcije prijenosa elektrona
1. respiratorni lanac u mitohondriju: uglavnom superoksid, a zatim H2O2
Uloga kisika u respiracijskom procesu
O2.-
O2.-
Glavni izvori slobodnih radikala
2. posebne stanice (leukociti, makrofagi i dr.)
stvaranje superoksida putem NADPH-oksidaze
superoksid može reagirati s vodikom i stvoriti vodikov peroksid a potom i hipokloritnu kiselinu
H2O2 + Cl- + H+ = HClO + H2O
2
Glavni izvori slobodnih radikala
3. endoplazmatski retikulum
(citokrom P- 450)
4. oksidacija hemoglobina
glutation
Štetan učinak slobodnih radikala
Oksidacijsko oštećenje DNA
Oštećenje
• disocijacija šećernih komponenti
• modifikacija baza• pucanje prstena
Posljedica
• pogreške pri translaciji• inhibicija sinteze
proteina• mutacije• kancerogeneza
Oksidacija DNA baze: oksidacija gvanina s OH•
HN
N N
N
H2N
O
R
HN
N N
N•
H2N
O
R
OH
H
HN
NN
N•
H2N
O
R
OH
H
HN
N N
HN
H2N
O
R
O
gvan(oz)in
FAPy-gvanin
HN
NN
N
H2N
O
R
OH
8-OH-gvanin
oksidacijsko otvaranje prstena
redukcija
OH•
Oksidativna oštećenja lipida
Oštećenje
• lipidna peroksidacija• oksidacija lipoproteina
Posljedica
• promjena u fluidnosti i permabilnosti membrana
• utjecaj na integrirane enzime
• stvaranje reaktivnih metabolita (malondialdehida (MDA), 4-hidroksinonenala (HNE), izoprostana i drugih produkata lipidne peroksidacije
Lipidna peroksidacija: inicijacija i propagacija
Linolna kiselina (18:2)
Konjugirani dien
Peroksilni radikal
Lipidni hidroperoksid
R
R
H
H
H
HEtan
LH
R
R
R
R
OO•
R +HOO
••
Aldehid
Eliminacija vodika( inicijacija)OH•-
O2
LH
Konjugacija diena
Adicija kisika
O
Adicija vodika(propagacija)
Fentonova reakcijaFe(II)
O
HH +
•
Fragmentacija
Alkoksilni radikal
H
H •
Oksidacijski stres i ateroskleroza
• povećana lipidna peroksidacija povećava rizik od razvoja ateroskleroze i drugih upalnih bolesti
• oksidirani lipidi u lipoproteinima niske gustoće (LDL) potiču ulazak LDL-a i kolesterola u stanice endotela
• stvaranje plaka povazano je s oksidacijskim stresom i porastom GSSG
• porast GSSG uvjetuje stvaranje superoksidnog aniona i H2O2
• H2O2 potiče agregaciju trombocita
Oksidacijsko oštećenje proteina
Oštećenje
• agregacija, fragmentacija i raspad
• modifikacija funkcionalnih skupina
Posljedica
• promjene u enzimskoj aktivnosti, ionskom transportu
Opći tipovi oksidacijske modifikacije proteina
• oksidacija sumpora (disulfidi)• proteinski karbonili (postranični aldehidi, ketoni)• hidroperoksilni derivati alifatskih aminokiselina• aminokiselinske interkonverzije (npr., His to
Asn; Pro to OH-Pro)• aminokiselinski oksidacijski produkti (npr., p-
hidrokisfenilacetaldehid) • disocijacija peptidnih veza
Markeri oksidacijskog stresa
Detekcija slobodnih radikala
• vrlo komplicirano, zbog kemijskih i fizikalnih svojstava (kratak poluživot)
DPPH; 2,2-difenil-1-pikrilhidrazil hidrat stabilan radikal
Detekcija produkata oksidacijskog stresa
Markeri oksidacijskog stresa
Markeri lipidne peroksidacije:
malondialdehid (MDA), konjugirani dieni, 4-hidroksinonenal
(HNE), izoprostani
Markeri oksidativnog oštećenja proteina:
proteinski hidroperoksidi, proteinski karbonili
Markeri oksidativnog oštećenja DNA:
modificirani nukleozidi
Kako djeluju antioksidansi
1) izravno enzimskom katalizom uklanjaju ROS-SOD, GSHPx, CAT
2) reagiraju sa slobodnim radikalima, pretvaraju ih u neradikale dajući im elektron a sami postaju slabo reaktivni radikali-vitamin C, vitamin E
3) kelatiraju ione željeza i bakra-transferin, metalotioneini
4) štite biomolekule od oštećenja drugim mehanizmima-proteini toplinskog stresa (heat shock proteins, HSP)
Antioksidansi
1. Endogeni antioksidansi
• enzimi (citokrom c, SOD, GSHPx, katalaza)
• neenzimatski antioksidansi
• - u membranama ( -tokoferol, -karoten, koenzim Q 10)
- izvan membrana (askorbat, transferin, bilirubin)
2. Egzogeni antioksidansi
• hvatači slobodnih radikala („scavengers“, mimetici SOD)
• prijelazni elementi (Se, Zn)
Enzimski obrambeni sustav
Superoksid-dizmutaze
Aktivno mjesto goveđe SOD (CuZnSOD) leži u šupljini koju tvore dvije petlje. Aktivno mjesto sadrži jedan bakrov i jedan cinkov ion, premoštene imidazolnim prstenom His61. Bakar je koordiniran sa sljedeća tri histidinska liganda i molekulom vode, dok je cink koordiniran s dva histidina i aspartatom.
Superoksid-dizmutaze
2O2. - + 2H+ H2O2 + O2
SOD - nalazi se u svim stanicama koje metaboliziraju kisik
3 vrste SOD:
1) mitohondrijska (Mn SOD)2) citosolna (CuZn SOD)3) izvanstanična (EcSOD)
potrebni različiti kofaktori (metali)
Glutation-peroksidaze (GSHPx)(Se)
Eliminacija hidroperoksida i H2O2
2 GSH + ROOH GSSH + H2O + ROH
2 GSH + HOOH GSSG + 2 H2O
• citosolna i mitohodrijska GSHPx
• izvanstanična GSHPx
• fosfolipid-hidroperoksidna GSHPx
Enzim koristi glutation kao donor elektrona za obnovu reduciranog oblika selenocisteina
Glutation-reduktaza (GR)
Obnavljanje reduciranog oblika glutationa (GSH)
GSSH + 2 H+ + 2 e- 2 GSH
O
OH
NH2
NH
O
NH
O
O
OHSH
O
OH
NH2
NH
O
NH
O
O
OHS
O
OH
NH2
NH
O
NH
O
O
OHS Glutathiondisulfid
(GSSG)
Glutathion (GSH)
H2O2
2 H2O
Katalaza (CAT)(Fe)
2 H2O2 2 H2O + O2
Prilikom uobičajenog stvaranja peroksida (putem hemoglobina i SOD-a) veću aktivnost pokazuje GPx, dok se katalaza uključuje pri većem stvaranju peroksida
peroksisomi, mitohondriji hepatocita, eritrociti
katalaza
Fentonova reakcija
Neenzimski obrambeni sustav
Visokomolekularni antioksidansi (vezuju ione željeza ili bakra)
• transferin• ceruloplazmin• feritin• haptoglobin• hemopeksin• albumin• metalotioneini
Niskomolekularni antioksidansi
Askorbat (vitamin C)
• redukcijsko sredstvo• sinteza kolagena, karnitina,
neurotransmitera• povećava apsorpciju Fe • regeneracija tokoferilnog
radikala• ponekad prooksidans
Tokoferoli (vitamin E)8 izomera
lokaliziran u membranama; zaštita od oštećenja
Askorbinska kiselina i njezini metaboliti
L-askorbat Semidehidro-askorbatni radikal
dehidroaskorbinska kiselina
O
O OH
OCH
CH2
OH
OH
H
O
O OH
OCH
CH2
OH
OH
O
O O
OCH
CH2
OH
OH
O
O O
OCH
CH2
OH
OH
L-Ascorbat Semidehydro-ascorbatradikal
Dehydroascorbinsäuree-
askorbinska kiselina askorbilni radikal dehidroaskorbinska kiselina
polifenoli, npr. flavonoidi
Niskomolekularni antioksidansi
Niskomolekularni antioksidansi
• ubikinon (koenzim Q)
prijenosnik elektrona u respiratornom lancu
kooperacija sa tokoferolom
• karotenoidi: lutein, -karoten, vitamin A
odstranjivanje radikala s lipida
Niskomolekularni antioksidansi
• glutation (GSH, GSSG)
važan redoks sustav u stanicama sisavaca (1-10 mmol/l)
2 GSH GSSG + 2e- + 2H+
eliminacija ROS, stabilizacija redukcijskih oblika (SH-skupine, regeneracija tokoferola i askorbata)
supstrat glutation-peroksidaze
Niskomolekularni antioksidansi
liponska kiselina
regeneracija tokoferola i askorbata
melatonin
lipofilan; hvatač hidroksilnih radikala
Niskomolekularni antioksidansi
• mokraćna kiselina (urati)
• bilirubin
Metali s antioksidacijskom ulogom
SelenUtječe na resorpciju vitamina E, dio je selenoproteina
CinkStabilizira staničnu membranu, povećava imunitetFe i Cu antagonist