Problematika volných radikálů a antioxidantů v medicíně

1. Problematika volných radikálů a antioxidantů v medicíně Alice Skoumalová

2. 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+

3. Důležité pojmy Oxidacezískání kyslíkuC + 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 činidlo x Redukční činidlo

4. Obecné schéma radikálových reakcí • Dva radikály reagují spolu H• + H• H2 • 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

5. Důležitá místa vzniku reaktivních forem kyslíku v organismu • Neenzymaticky: dýchací řetezec mitochondrií, glykoxidace, autooxidace hemoglobinu • Enzymaticky: cytochrom P450, NADPH-oxidáza, NO-syntáza, xantinoxidáza

6. Důležité reakce vzniku reaktivních forem kyslíku v organismu • Vznik superoxidu O2 + e- O2•- • Superoxiddismutáza O2•- + O2•- + 2H+ H2O2 + O2 • Myeloperoxidáza H2O2 + Cl- + H+ HClO + H2O • Fentonova reakce Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH• + OH- • Haberova-Weissova reakce O2•- + H2O2 O2 + OH• + OH- • Vznik peroxynitritu O2•- + NO• ONOO- Fe2+

7. O2•- NO• H2O2 Fe2+ ONOO- OH• Inaktivace enzymů Poškození DNA Peroxidace lipidů

9. Radikálové poškození buněk

10. Definice - antioxidanty • látka, která chrání před oxidačním poškozením • neexistuje universální antioxidant • jaké radikály a kde jsou tvořeny • Dělení: • enzymy odstraňující volné radikály:SOD, kataláza, glutationperoxidáza • proteiny snižující dostupnost prooxidantů (Fe2, Cu2+, hem): transferin, haptoglobulin, feritin • nízkomolekulární látky vychytávající volné radikály: glutathion, α-tokoferol, kyselina askorbová

11. Příklad systému ochrany před volnými radikály - erytrocyty Hemoglobin 4 polypeptidové řetězce + 4 hemové skupiny O2 se váže na Fe2+Hem - Fe2+- O2 Hem - Fe3+ - O2•- Methemoglobin (Fe3+) není schopen vázat O2 (methemoglobinreduktáza)

12. Oxyhemoglobin O2 Superoxiddismutáza Hemoglobin Superoxid H2O2 Kataláza Methemoglobinreduktáza Methemoglobin ½ O2+H2O GSH Pentosofosfátová dráha NADP+ Glutathionreduktáza Glutathionperoxidáza NADPH GSSG H2O GSH-redukovaný glutathion; GSSG-oxidovaný glutathion

13. 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)

14. Glutathion • důležitý pro ochranu před volnými radikály • kofaktor glutathionperoxidázy (odstraňování H2O2 v erytrocytech) Glutamát Cystein Glycin + H2O2 Gly Cys SH Glu Gly Cys Glu Gly Cys Glu Glutathionperoxidáza S S Glutathionreduktáza + NADPH (pentosafosfátová dráha) Redukovaný glutathion (monomer) Oxidovaný glutathion (dimer)

15. Nízkomolekulární antioxidanty (v potravě) α-tokoferol (vitamin E) v membránách chrání před peroxidací lipidů α-TocH+LO2• α-Toc•+LO2H Kyselina askorbová (vitamin C) v cytoplasmě recykluje α-tokoferol Dehydroaskorbátreduktáza regeneruje askorbát Karotenoidy, flavonoidy

16. 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

17. Definice - oxidační stres • nerovnováha mezi produkcí volných radikálů a antioxidatanty Volné radikály Antioxidanty Př. vyšší tlak kyslíku metabolismus toxinů chronické zánětlivé nemoci Př. mutace enzymů antioxidační ochrany deplece antioxidantů v dietě Důsledky:Adaptace xBuněčné poškození (peroxidace lipidů, poškození proteinů, DNA) - lýza - apoptóza - mutace

18. 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)

19. 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)

20. Volné radikály a nemoci • Ateroskleróza • Diabetes • Ischémie-reperfůze • Chronické zánětlivé choroby • Nádory • Neurodegenerativní choroby (př. Alzheimerova choroba)

21. Úloha volných radikálů v rozvoji Alzheimerovy choroby Neurofibrilární tangly Amyloidní (senilní) plaky - hyperfosforylovaný tau protein - fibrily proteinu β-amyloidu (Aβ) - abnormální zpracování APP (amyloid prekurzor protein)

22. Model Aβ-indukovaného oxidačního stresu u AD

23. Souhrn – důležité pojmy • Definice volných radikálů (proč jsou nebezpečné); místa vzniku v organismu • Definice antioxidanty, dělení • Oxidační stres a nemoci (příklady)