generation of free radicals, oxidative stress and their damaging properties

GENERATION OF FREE GENERATION OF FREE RADICALS, OXIDATIVE STRESS RADICALS, OXIDATIVE STRESS

AND THEIR DAMAGING AND THEIR DAMAGING PROPERTIESPROPERTIES

ศศ . . เกี�ยรติคุ�ณ เกี�ยรติคุ�ณ ดรดร . . ไมติร� สุ�ทธไมติร� สุ�ทธจิติติ�จิติติ�

E-mail: E-mail: maitrees@chiangmai.ac.thmaitrees@chiangmai.ac.th

หั�วข้�อบรรยายหั�วข้�อบรรยาย

1.1. อนุ�ม�ลอสุระคุ!ออะไรอนุ�ม�ลอสุระคุ!ออะไร??2.2. อนุ�ม�ลอสุระเกีดได�อย"างไรอนุ�ม�ลอสุระเกีดได�อย"างไร?? 3. 3. สุมบ�ติข้องสุมบ�ติข้องอนุ�ม�ลอสุระติ"อสุ�ข้ภาพและอนุ�ม�ลอสุระติ"อสุ�ข้ภาพและชี�วติชี�วติ 4. Oxidative stress and 4. Oxidative stress and healthhealth 5.5. Damaging properties of free Damaging properties of free radicalsradicals

อนุ�ม�ลอสุระอนุ�ม�ลอสุระสุารอนุ�ม�ลอสุระ (free radical)

เป็)นุอะติอมหัร!อกีล�"มข้องอะติอมท�*ม�หันุ+*งหัร!อมากีกีว"าหันุ+*งอเลคุติรอนุท�*ไม"ได�จิ�บคุ�" (unpaired electron) ม�คุวามไม"เสุถี�ยร (unstable) ว"องไวมากี (reactive) ในุเนุ!.อเย!*อสุ�ติว�

อนุ�ม�ลอสุระสุามารถีท/าลายเซลล� ท/าใหั�โรคุเป็)นุมากีข้+.นุ เชี"นุ โรคุมะเร2ง โรคุหั�วใจิและหัลอดเล!อด และโรคุอ!*นุ ท�*เกี�*ยวข้�องกี�บกีารเสุ!*อมหัร!อชีราภาพ

อะติอมและอนุ�ม�ลอสุระอะติอมและอนุ�ม�ลอสุระ1. ติามหัล�กีกีารข้องquantum mechanics ในุท�กีๆอะติอม ม�อเลคุติรอนุอย�"ในุเชีลล� (shells) หัร!อออร�บท (orbits) รอบนุวเคุล�ยสุ 2.ในุแติ"ละออร�บทม�สุ�บออร�บท (sub-orbits) เร�ยกีว"าออร�บท�ล (orbitals) 3. ในุแติ"ละออร�บท�ลเป็)นุท�*อย�"ข้องสุองอเลคุติรอนุ 4. อนุ�ม�ลอสุระเกีดข้+.นุเม!*อในุออร�บท�ลม�อเลคุติรอนุเกีนุหัร!อข้าดไป็หันุ+*งอเลคุติรอนุ

อเลคุติรอนุม�สุองแบบ หัร!อสุอง spin

1.อเลคุติรอนุม�ล�กีษณะเป็)นุคุล!*นุ ม�กีารเคุล!*อนุท�*ในุสุนุามแม"เหัล2กี กีารเคุล!*อนุท�*ข้องอเลคุติรอนุอาจิเป็)นุในุล�กีษณะติามเข้2มนุาฬิกีาหัร!อทวนุเข้2มนุาฬิกีา (spin up หัร!อ spin down)2.ในุหันุ+*งออร�บท�ลสุองอเลคุติรอนุไม"สุามารถีเคุล!*อนุท�*ในุทศทางเด�ยวกี�นุได� 3. ในุอนุ�ม�ลอสุระ อเลคุติรอนุหันุ+*งติ�วในุออร�บท�ลติ�องกีารอ�กีหันุ+*งอเลคุติรอนุท�*ม�ทศทางติรงข้�ามมาเข้�าคุ�"

Free radicals are the most active species in the reaction process, and are characterized by unpaired electrons.

Free radicals are electrically neutral, which distinguish them from the ions that are electrically charged (electrons/protons unbalance)! 

PROPERTIES OF PROPERTIES OF FREE FREERADiCALSRADiCALS

- - CChemical processes hemical processes oror combustioncombustion-Consist of a chain of reactions in two -Consist of a chain of reactions in two ways:ways:1. based on 1. based on products and reactantsproducts and reactants..2. based on radicals (initiating, 2. based on radicals (initiating, branching, propagating, terminating).branching, propagating, terminating).  

อนุ�ม�ลอสุระม�หัลายชีนุดอนุ�ม�ลอสุระม�หัลายชีนุด-สุารป็ระกีอบออกีซเจินุ หัร!อ ไนุโติรเจินุ หัร!อคุลอร�นุซ+*งสุามารถีเป็)นุสุารอนุ�ม�ลอสุระ - สุ"วนุใหัญ่"อนุ�ม�ลอสุระม�กีเป็)นุสุารป็ระกีอบออกีซเจินุ

อนุ�ม�ลอสุระอนุ�ม�ลอสุระ ชนิ�ดต่�าง ๆ

-อนุ�ม�ลอสุระซ�เป็อร�ออกีไซด� (O2.-)

- อนุ�ม�ลอสุระไฮดรอกีซ� (OH.) - อนุ�ม�ลไข้ม�นุเป็อร�ออกีซ� (LOOH.) - ซงเกีล2ทออกีซเจินุ (O.) - ไฮโดรเจินุเป็อร�ออกีไซด� (H2O2) - กีรดไฮโป็คุลอร�สุ (HClO) - ไนุติรคุออกีไซด� (NO)

REACTIVE OXYGEN SPECIES

Enzymatic or non-enzymatic reactionsFruit browningBurningsEnginesPhotooxidationRadiationsOzoneEtc.

อนุ�ม�ลอสุระเกีดข้+.นุภายนุอกีร"างกีาย

กีารเกีดอนุ�ม�ลอสุระจิากีกีารเผากีารเกีดอนุ�ม�ลอสุระจิากีกีารเผาไหัม�ไหัม�

O2 + M  O* + O* + M

          CH4 + O*     OH* + CH3*          CH3* + O2     O* + CH3O*         CH3* + O2     OH* + CH2O---------------------------------------------------------------------- CH4 + O2 CO2 + H2O 

* Free radicals

Mechanism of Free Radicals by Metal Ions

HABER-WEISS REACTIONThe generation of hydroxyl radicals

O.2 + Fe+++-----> O

2 + Fe + +

H2O2 + Fe++--> OH. + OH- + Fe+

++

O.2 + H2O2 ---> O

2 + OH

. + OH-

กีารเกีดอนุ�ม�ลอสุระจิากีกีารเผาไหัม�กีารเกีดอนุ�ม�ลอสุระจิากีกีารเผาไหัม� กีารเผาไหัม�ท/าไหั�เกีดมลภาวะกีารเผาไหัม�ท/าไหั�เกีดมลภาวะ

กีารเกีดอนุ�ม�ลอสุระและสุารมลพษ ติ"าง ๆ จิากีกีารเผาไหัม�ข้องเคุร!*องยนุติ� ติ"อว�นุ กีารเกีดอนุ�ม�ลอสุระและสุารมลพษ ติ"าง ๆ จิากีกีารเผาไหัม�ข้องเคุร!*องยนุติ� ติ"อว�นุ

Generalized Reaction Scheme for Photochemical Smog Formation

กีารเกีดสุารติ"าง ๆ ในุป็ฏิกีรยากีารเผาไหัม� กีารเกีดสุารติ"าง ๆ ในุป็ฏิกีรยากีารเผาไหัม� 1) Nitrogen oxides generate oxygen atoms 2 ) Oxygen atoms form hydroxyl radicals 3 ) Hydroxyl radicals generate hydrocarbon

radicals 4 ) Hydrocarbon radicals form hydrocarbon

peroxides 5 ) Hydrocarbon peroxides form aldehydes 6 ) Aldehydes form aldehyde peroxides 7 ) Aldehyde peroxides form

peroxyacylnitrates

-นุวเคุล�ยสุท�*อย�"ข้องด�เอ2นุเอ ( DNA) -ไมโติคุอนุเดร�ย (mitochondria) -กีอลไจิ (Golgi apparatus) - ไรโบโซม (ribosome) - ไซโติซอล-ไลโซโซม (lysosome)

อนุ�ม�ลอสุระเกีดข้+.นุภายในุเซลล�

อนุ�ม�ลอสุระภายในุเซลล�

อนุ�ม�ลอสุระภายในุ Mitochondria

F - ree radicals and excited statespecies

A key role in both normal biological function and in the pathogenesis

M icrobiocidal mechanismI nflammatory responseT oxicity of many drugsAging C arcinogenesis.C ertain diseases: ocular,

neurological, psychiatric

Formation of Free Radicals:Redox Formation of Free Radicals:Redox reactions (Reduction-oxidation)reactions (Reduction-oxidation)

Reactions with exchange of electrons Reactions with exchange of electrons between reactantsbetween reactantsReduction is the gain of electronsReduction is the gain of electrons

R + e- R-R + e- R- Oxidation is the loss of electronsOxidation is the loss of electrons

R- R + e-  R- R + e-  FeFe2+ Fe Fe 3+ + e- + e-  e.g. electric energy, electrochemical e.g. electric energy, electrochemical cells, batteries, cells, batteries,

Peroxidation of Free RadicalsOn Polyunsaturated Lipid (LH)

L. = Lipid alkyl radical

LOO . = Lipid peroxyl radical LL = Polymerized lipids

OH. + LH ---> H2O + L.

L . + O2 ---> LOO .

LOO . + H2O ---> LOOH + L.

L . + L. ---> LL

อนุ�ม�ลอสุระภายในุเซลล� -Mitochondria

Mitochondria: source and target of free radical species.

กีารท/าลายข้องอนุ�ม�ลอสุระภายในุ เซลล�

กีารป็;องกี�นุอนุ�ม�ลอสุระโดยเอนุไซม�

Oxidative damage of LDL molecule

Gene Damage and Repair in Aging

อนุ�ม�ลอสุระ สุารพษ อนุ�ม�ลอสุระ สุารพษ สุารกี"อกีลายพ�นุธ�� สุารกี"อกีลายพ�นุธ��

มะเร2งมะเร2ง

(OXIDATIVE DAMAGE AND DISEASES

แหัล"งข้องพษออกีซเดชี�นุ

- เมติะบอลสุม� ในุไมโติคุอนุเดร�ย-สุารพษ คุว�นุไฟ สุารเคุม�-ร�งสุ� - -UV, X ray, -ray- อนุ�ม�ลอสุระ (oxidative stress)- reactive

oxygen species(ROS)--ไฮโดรเจินุเป็อร�ออกีไซด�- อออนุอสุระ- ทองแดง, เหัล2กี

โรคุท�*เกีดข้+.นุ- โรคุหั�วใจิ เสุ�นุติ�บติ�นุ- โรคุหัลอดเล!อดแข้2งติ�ว- โรคุมะเร2ง- โรคุไข้ข้�ออ�กีเสุบ- โรคุเสุ!*อมสุภาพ -Alzheimer’s disease- โรคุเบาหัวานุ- ติ�อกีระจิกีติา- ชีราภาพ--

Aging: Balance of Free Radicals and Antioxidants

• Can You Live to Be 120 Years Old?

Genetic Responses to FreeRadicals

Homeostasis and Gene ControlGene regulation mechanisms have evolved allowing cells to fine-tune the level of "endogenous" oxidative stress and to cope with increased free radicals from external sources.

The soxRS regulon mobilizes diverse functions to scavenge free radicals and repair oxidative damage in macromolecules, and other mechanisms that exclude many environmental agents, e.g. nitric oxide, activating expression of heme oxygenase 1 through stabilization of its mRNA.

Aging: Cells and Metabolism Cellular theory • Genetics: anti-aging gene • Cell biochemical metabolism • Free radicals/antioxidant balance

Aging and Biological SystemsEndocrinology: Insulin-like hormone Immunity : lymphocyte response

Aging and Factors Outside the BodyNutrition-calorie consumptionEnvironment: toxins and detoxification

สุร�ป็กีารบรรยายสุร�ป็กีารบรรยาย 1. 1. ออนุ�ม�ลอสุระนุ�ม�ลอสุระจิ/าเป็)นุมากีติ"อสุ�ข้ภาพและจิ/าเป็)นุมากีติ"อสุ�ข้ภาพและ

ชี�วติชี�วติ2 .2 . ออนุ�ม�ลอสุระม�ป็รมาณมากีเกีนุนุ�ม�ลอสุระม�ป็รมาณมากีเกีนุไป็ ท/าใหั�เกีดไป็ ท/าใหั�เกีดกีารท/าลายชี�ว กีารท/าลายชี�ว โมเลกี�ล โมเลกี�ล ((โป็รติ�นุ ไข้ม�นุ กีรดนุวคุล�อกีโป็รติ�นุ ไข้ม�นุ กีรดนุวคุล�อกี))

3.3. Oxidative stress Oxidative stress เกีดจิากีเกีดจิากีออนุ�ม�ลอสุระม�ป็รนุ�ม�ลอสุระม�ป็รมามากีเกีนุกีารคุวบคุ�มด�วยแอนุติออกีซแดนุท�มามากีเกีนุกีารคุวบคุ�มด�วยแอนุติออกีซแดนุท�

4. Oxidative stress – cause of several 4. Oxidative stress – cause of several diseasesdiseases

จิบกีารบรรยายจิบกีารบรรยาย

ข้อบคุ�ณท�*ติ�.งใจิฟ=ง และคุ/าถีาม