Oksidacijski stres i antioksidansi

1
Oksidacijski stresi antioksidansi
ANTIOKSIDANSI
OKSIDANSI
2
Kisik i oksidacijski stres

• Zrak sadrži 21 kisika, O2
• Životinje, biljke i aerobne bakterije trebaju
  kisik za stvaranje energije (ATP)
• Kisik je toksican za sve žive oblike, bilo
  anaerobne ili aerobne
• Život na Zemlji postoji u sprezi s
  antioksidacijskim stanicnim sustavom koji
  zamjenjuje i uklanja produkte oksidacijskog
  stresa u in vivo sustavima

3
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?
• Poremecaji vezani uz oksidacijski stres
• Markeri oksidacijskog stresa
• Antioksidansi

4
Slobodni radikali što su to?

• cestice s nesparenim elektronom (može biti atom,
  ion ili molekula)
• nastaju homolitickim cijepanjem veze
• HO-OH HO OH
• nastoje postici ravnotežno stanje, te reagiraju s
  elektronom najbliže molekule
• vecina biomolekula nisu radikali

5
Slobodni radikali

• kemicar
• tijekom tridesetih - postojanje superoksida
• biokemicartijekom šezdesetih - otkrice
  superoksid-dizmutaze (SOD)
• lijecnikslobodni radikali dovode se u vezu s
  mnogim poremecajima

6
Povecano stvaranje slobodnih radikala
u razlicitim stanjima

• AIDS
• Akutni respiratorni sindrom
• Starenje
• Alkoholizam
• Alzheimerova bolest
• Ateroskleroza
• Diabetes
• Karcinom
• Hipertenzija

Preopterecenje željezom Infarkt
miokarda Parkinsonova bolest Terapija
zracenjem Moždani udar Vježbanje
7
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.
8

• 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 oštecenje proteina, nukleinskih kiselina,
  ugljikohidrata te drugih organskih molekula
  ukoliko dolazi do sinteze u njihovoj blizini.
• HO. H-X ? H2O X.

9
Vodikov peroksid, H2O2

• vodikov peroksid je jaki oksidans, medutim pri
  stanicnim uvjetima reakcija njegovog raspada ide
  vrlo sporo bez metalnog katalizatora
• vrlo male kolicine 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.
10
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

11

• Jesu li ROS/RNS uvijek opasni?

12
Posljedice djelovanja ROS
13
Uloga NO. u metabolizmu

• u stanicama vaskularnog endotela djeluje
  vazodilatacijski i regulira krvni tlak
• u SŽS-u kao neurotransmiter djeluje na više
  funkcija, ukljucujuci pamcenje
• na periferiji djeluje preko neadrenergicnih
  nekolinergicnih živaca regulirajuci funkcije
  raznih organa
• stvara se u makrofagima njihovom aktivacijom i
  djeluje citotoksicno na bakterije, gljivice,
  protozoe i tumorske stanice
• nadzire i sprjecava agregaciju trombocita
• sudjeluje u patogenezi septickog šoka, upalama i
  hiperdinamickom stanju ciroze

14
Uloga O2 - u metabolizmu

• Superoksid nastao djelovanjem NADPH oksidaze i
  njegov derivat, peroksinitrit, imaju ulogu u
  regulaciji krvnog tlaka
• Dio je citotoksicnog mehanizma pojedinih stanica
  imunološkog sustava

15

• Poremecaj ravnoteže izmedu stvaranja i
  eliminacije ROS uzrokuje
• Oksidacijski stres

Oksidacijski stres nastaje kao posljedica 3
cimbenika 1) povecano stvaranje oksidansa 2)
smanjenje antioksidacijske zaštite 3) neuspješan
popravak oštecenja
16
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

17
Uloga kisika u respiracijskom procesu
O2.-
O2.-
18
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

19
2
20
Glavni izvori slobodnih radikala

• 3. endoplazmatski retikulum
• (citokrom P- 450)
• 4. oksidacija hemoglobina
• glutation

21

• Štetan ucinak slobodnih radikala

22
Oksidacijsko oštecenje DNA

• Oštecenje
• disocijacija šecernih komponenti
• modifikacija baza
• pucanje prstena

• Posljedica
• pogreške pri translaciji
• inhibicija sinteze proteina
• mutacije
• kancerogeneza

23
Oksidacija DNA baze oksidacija gvanina s OH
O
N
gvan(oz)in
HN
N
O
N
H2N
O
R
N
OH
N
HN
OH
HN
OH
H
H
N
N
H2N
N
N
H2N
R
redukcija
oksidacijsko otvaranje prstena
R
O
O
H
O
N
N
HN
HN
OH
N
N
N
H2N
N
H2N
R
8-OH-gvanin
R
FAPy-gvanin
24
Oksidativna oštecenja lipida

• Oštecenje
• 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

25
Lipidna peroksidacija inicijacija i propagacija
R
Linolna kiselina (182)
Eliminacija vodika ( inicijacija)
OH-
R

Konjugacija diena

R
Konjugirani dien
O2
O
Adicija kisika
O
Peroksilni radikal
R
Adicija vodika (propagacija)
LH
HOO
R
Lipidni hidroperoksid
Fe(II)
Fentonova reakcija

O
Alkoksilni radikal
R
H
Fragmentacija
H
H
O
LH
H
H
R
Etan
H

H
H
Aldehid
26
Oksidacijski stres i ateroskleroza

• povecana lipidna peroksidacija povecava rizik od
  razvoja ateroskleroze i drugih upalnih bolesti
• oksidirani lipidi u lipoproteinima niske gustoce
  (LDL) poticu 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 potice agregaciju trombocita

27
Oksidacijsko oštecenje proteina

• Oštecenje
• agregacija, fragmentacija i raspad
• modifikacija funkcionalnih skupina

• Posljedica
• promjene u enzimskoj aktivnosti, ionskom
  transportu

28
Opci tipovi oksidacijske modifikacije proteina

• oksidacija sumpora (disulfidi)
• proteinski karbonili (postranicni 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

29
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

30
Markeri oksidacijskog stresa

• Markeri lipidne peroksidacije
• malondialdehid (MDA), konjugirani dieni,
  4-hidroksinonenal
• (HNE), izoprostani
• Markeri oksidativnog oštecenja proteina
• proteinski hidroperoksidi, proteinski karbonili
• Markeri oksidativnog oštecenja DNA
• modificirani nukleozidi

31
Kako djeluju antioksidansi

• izravno enzimskom katalizom uklanjaju ROS
• -SOD, GSHPx, CAT
• 2) reagiraju sa slobodnim radikalima, pretvaraju
  ih u neradikale dajuci im elektron a sami postaju
  slabo reaktivni radikali
• -vitamin C, vitamin E
• 3) kelatiraju ione željeza i bakra
• -transferin, metalotioneini
• 4) štite biomolekule od oštecenja drugim
  mehanizmima
• -proteini toplinskog stresa (heat shock
  proteins, HSP)

32
Antioksidansi

• 1. Endogeni antioksidansi
• enzimi (citokrom c, SOD, GSHPx, katalaza)
• neenzimatski antioksidansi
• - u membranama (? -tokoferol, ?-karoten,
  koenzim Q 10) - izvan membrana (askorbat,
  transferin, bilirubin)

33

• 2. Egzogeni antioksidansi
• hvataci slobodnih radikala (scavengers,
  mimetici SOD)
• prijelazni elementi (Se, Zn)

34
Enzimski obrambeni sustav
35
Superoksid-dizmutaze
Aktivno mjesto govede 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 sljedeca tri histidinska liganda i
molekulom vode, dok je cink koordiniran s dva
histidina i aspartatom.
36
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) izvanstanicna (EcSOD)
• potrebni razliciti kofaktori (metali)

37
Glutation-peroksidaze (GSHPx)(Se)
Enzim koristi glutation kao donor elektrona za
obnovu reduciranog oblika selenocisteina

• Eliminacija hidroperoksida i H2O2
• 2 GSH ROOH ? GSSH H2O ROH
• 2 GSH HOOH ? GSSG 2 H2O
• citosolna i mitohodrijska GSHPx
• izvanstanicna GSHPx
• fosfolipid-hidroperoksidna GSHPx

38
Glutation-reduktaza (GR)

• Obnavljanje reduciranog oblika glutationa (GSH)
• GSSH 2 H 2 e- ? 2 GSH

39
Katalaza (CAT)(Fe)

• 2 H2O2 ? 2 H2O O2
• Prilikom uobicajenog stvaranja peroksida (putem
  hemoglobina i SOD-a) vecu aktivnost pokazuje GPx,
  dok se katalaza ukljucuje pri vecem stvaranju
  peroksida
• peroksisomi, mitohondriji hepatocita, eritrociti

40
katalaza
Fentonova reakcija
41
Neenzimski obrambeni sustav
42
Visokomolekularni antioksidansi (vezuju ione
željeza ili bakra)

• transferin
• ceruloplazmin
• feritin
• haptoglobin
• hemopeksin
• albumin
• metalotioneini

43
Niskomolekularni antioksidansi

• Askorbat (vitamin C)
• redukcijsko sredstvo
• sinteza kolagena, karnitina,
• neurotransmitera
• povecava apsorpciju Fe
• regeneracija tokoferilnog radikala
• ponekad prooksidans

• Tokoferoli (vitamin E)
• 8 izomera
• lokaliziran u membranama zaštita od oštecenja

44
Askorbinska kiselina i njezini metaboliti
Semidehidro-askorbatni radikal
dehidroaskorbinska kiselina
L-askorbat
askorbinska kiselina
askorbilni radikal
dehidroaskorbinska kiselina
45
Niskomolekularni antioksidansi

• polifenoli, npr. flavonoidi

46
Niskomolekularni antioksidansi

• ubikinon (koenzim Q)
• prijenosnik elektrona u respiratornom lancu
• kooperacija sa tokoferolom
• karotenoidi lutein, ?-karoten, vitamin A
• odstranjivanje radikala s lipida

47
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

48
Niskomolekularni antioksidansi

• liponska kiselina
• regeneracija tokoferola i askorbata
• melatonin
• lipofilan hvatac hidroksilnih radikala

49
Niskomolekularni antioksidansi

• mokracna kiselina (urati)
• bilirubin

50
Metali s antioksidacijskom ulogom
Selen Utjece na resorpciju vitamina E, dio je
selenoproteina
Cink Stabilizira stanicnu membranu, povecava
imunitetFe i Cu antagonist