radikalske poškodbe lipidov proteinov in dnk...proteini. oksidativni stres. radikalske poškodbe...

Radikalske

poškodbe lipidov

proteinov in

DNK

FK3 25. 11. 2010

Š. l. 2010-2011

ROI in

RNS

Reaktivne

kisikove

zvrsti

(ROS)ReaReaktivnektivne

kisikovekisikove

zvrstizvrsti

(ROS)(ROS)

Radikali:

O2

.-

Superoksid

.OH

Hidroksil

RO2

.

Peroksil

RO.

Alkoksil

HO2

.

Hidroperoksil

Radikali:

OO22

..--

SuperoSuperoksksidid

..OHOH

HHiidrodroksiksill

RORO22

..

Peroksil

RORO..

Alkoksil

HOHO22

..

HHiidroperoksill

Ne-radikali:

H2

O2

Vodikov

peroksid

HOCl Hipoklorna

kislina

1O2

Singletni

kisik

ONOO-

Peroksinitrit

O3

Ozon

Ne-radikali:

HH22

OO22

Vodikov

peroksid

HOClHOCl Hipoklorna

kislina

11OO22

Singletni

kisik

ONOOONOO--

Peroksinitrit

OO33

Ozon

ReaReakktivtivnene

duduššikoveikove

zvrstizvrsti

(RNS)(RNS)

Radikali:NO

Dušikov

oksid

NO2.

Dušikov

dioksid

Neradikali:ONOO-

Peroxynitrite

ROONO

Alkil peroksinitritN2

O3

Didušikov

trioksidN2

O4

Didušikov

tetraoksidHNO2

Dušikova(III) kislinaNO2

+

Nitronium

kationNO-

Nitrozil anion

NO+

Nitrozil kation

Od kisika do vode1O2

singletni

kisik3O2

tripletni

kisik

O2-

superoksidni

anion

H2

O2

vodikov peroksid

(

HO•

hidroksilni radikal )

H2

O voda Sonce, klorofilSonce, klorofil

svetloba

Lipidna peroksidacija

Radikalske

okvare lipidov, proteinov in DNK

Radikalske


RRMembrane, lipidi: LIPIDNA PEROKSIDACIJA

Spremenjena struktura in funkcija

Membrane, lipidi: LIPIDNA PEROKSIDACIJAMembrane, lipidi: LIPIDNA PEROKSIDACIJA

Spremenjena struktura in funkcijaSpremenjena struktura in funkcija

PROTEINI: peptidna veriga, stranske skupine


PROTEINI: peptidna veriga, stranske skupinePROTEINI: peptidna veriga, stranske skupine


DNA: nukleinske baze, sladkor

Spremenjena struktura in funkcija:

mutacije, teratogenost, kancerogenost

DNA: nukleinske baze, sladkorDNA: nukleinske baze, sladkor

Spremenjena struktura in funkcija: Spremenjena struktura in funkcija:

mutacije, mutacije, teratogenostteratogenost, kancerogenost, kancerogenost

Kisik in njegova pot

do vode

1O2

singletni

kisik

3O2

tripletni

kisik

O2¯superoksid

H2

O2

vodikov peroksidHO•

+HO¯

H2

O + O2 Sonc

e, kl

orof

il

Vidna svetlobain

fotosenzibilizator

+ elektron

SOD

Katalaze

Fe2+

Fe3+

Nenasičene verige

Molekula kisika: O2Molekula NO

Začetek

Radikalsko

sprožena oksidacija lipidov Molekula

fosfolipida Produkt

LIPIDNA PEROKSIDACIJA

RADIKALI SEKUNDARNI PRODUKTI


kot vir radikalov, reaktivnih intermediatov

in sekundarnih produktov

ROS

CH3

-(CH2

)7

-CH=CH-CHO

2-undecenal

CHO

CHOmalondialdehid

OH

CHO

4-hidroksi-nonenal, 4-HNE

OH

O

CHO

4-hidroksi-2,3-epoksinonanal

Nekateri sekundarni produkti lipidne peroksidacije, ki difundirajo

po telesu

akrolein

Produkti oksidacije holesterola -

oksisteroli

HO

OH OH

4-HNE je mutagen

4-HNE reagira s proteini (ATPaze

in drugi encimi), povzroča inhibicijo, nastanek endogenih antigenov (avtoimuna

obolenja) in agregacije

proteinov.

4-HNE inducira apoptozo.

OH

CHO4-HNE

Poti do oksidativnega

stresa


Poškodbe DNK, proteinov

Sekundarni produktilipidne peroksidacije

Začetni radikal

RADIKALI

Oksid

ativn

istre

s

HO

Membrana, 3O2Lipidna peroksidacija

Sekundarni produkti

Radikalske

oksidacije Spremembe n. bazFragmentacija

DNK

MUTACIJESpremembe n. baz

Radikalske

oksidacijev stranski verigiCepitev peptidne vezi Sprememba konformacijeAgregacija

proteinov

DNK Proteini

OKSIDATIVNI STRES

Radikalske

poškodbe proteinov

Radikalske


Radikalske













DNA: nukleinske baze, sladkorDNA: nukleinske baze, sladkor

Spremenjena struktura in funkcija: Spremenjena struktura in funkcija:

mutacije, mutacije, teratogenostteratogenost, kancerogenost, kancerogenost

Protein + O2

= R-O-O

Radikalske

“poškodbe”

proteinovin

radikalsko

sprožene oksidacije proteinov

Protein-H + R

= Protein

+ R-H

Neposredne reakcije HO

s proteini

NH

NH

NH

O

O

O

OH H

H

R1

R2

R3

Peptidna veriga: odtegnitev vodika, sledi fragmentacijaPeptidna veriga: odtegnitev vodika, sledi fragmentacija

Stranske skupine: odtegnitev vodika, sledi radikalska oksidacijaStranske skupine: odtegnitev vodika, sledi Stranske skupine: odtegnitev vodika, sledi radikalskaradikalska oksidacijaoksidacija

Fragmentacija

NH

NH

O

OH

R

R1

NH

NH

O

OR

R1

HO.

.NH

NH

O

OO

O R

R1O2

-HOO.

O

NNH

OR

R1

R

CONH2

O

R1

O

NH

+

H2O

KETONI

Radikalsko

povzročena oksidacija stranske alifatske

skupine AmA

NH

NHCO

HCH3

CH3

H

NH

NHCOH

CH3

CH3

R.

R.

.

NH

NHCO

HCH2

CH3

H .

NH

NHCOH

CH3

CH3

O O.O2

NH

NHCO

HCH2

CH3

H

O OO2

.Val

Radikalsko

povzročena oksidacija

SH skupine:

nastanek disulfida

Radikalsko

povzročena oksidacija

SH skupine:

nastanek disulfida

R1

-CH2

-SH

+ X

R1

CH2

-S

+ X-HR1

CH2

-S

+ R2

CH2

-S R1

CH2

-S-S-CH2

R2 Posledice:

•

Oksidacija

-SH v aktivnem centru vodi v izgubo katalitične funkcije.

•

Nastanek –S-S-

med med

nepomembnimi -SH: sprememba sekundarne and

terciarne strukture:

alergije?

•

Povečana

dovzetnost za

proteolizo.

R1

-CH2

-SH

+ X

R1

CH2

-S

+ X-HR1

CH2

-S

+ R2

CH2

-S R1

CH2

-S-S-CH2

R2Posledice:•

Oksidacija

-SH v aktivnem centru vodi v izgubo

katalitične funkcije.•

Nastanek –S-S-

med med

nepomembnimi -SH:

sprememba sekundarne and

terciarne strukture: alergije?

•

Povečana

dovzetnost za

proteolizo.

Dimerizacija

in nitracija

tirozina

zNO2

NO2. .

-.

R

OO

R

O

Ri

.

O

R

N+

O

O OH

R

NO2

O

R

OO

R R

OHOH

R R

NO2 +-

NO2.

.

O2

+ NO = ON-O-O

ON-O-O

+ NO = ON-O-O-NO = 2 NO2

Nastajanje NO2

ANTIGEN

PosledicePosledice

radikalskihradikalskih

okvar okvar proteinproteinovov

Protein

radikal

Oksidacije

stranskih

skupin, dimerizacije, nitracije, fragmentacije, encimska inaktivacija.Oksidacije

stranskih

skupin, dimerizacije, nitracije,

fragmentacije, encimska inaktivacija.Nastajanje

novih

reaktivnih

peroksidov,

proženje lipidne peroksidacije.Nastajanje

novih

reaktivnih

peroksidov,

proženje lipidne peroksidacije.

Konformacijske

spremembe, izguba aktivnosti.Konformacijske

spremembe, izguba aktivnosti.

Vplivi

na

regulacijo in ekspresijo genov,DNK-protein prečne povezave.Vplivi

na

regulacijo in ekspresijo genov,

DNK-protein prečne povezave.Modulacija

celičnega

signaliziranja.Modulacija

celičnega

signaliziranja.

Indukcija

apoptoze

in/ali nekrozeIndukcija

apoptoze

in/ali nekroze

Spremenjeno zvijanje in agregacija

proteinov

PosledicePosledice

delovanja radikalov na proteine delovanja radikalov na proteine

Protein

radikal

Oksidacije

stranskih

skupin, nitracije, dimerizacije, fragmentacijeagregacije, sprememba funkcije.Oksidacije

stranskih

skupin, nitracije, dimerizacije, fragmentacije

agregacije, sprememba funkcije.

Nastajanje

novih

reaktivnih

peroksidov, sekundarnih radikalov in sproženje lipidne peroksidacije.

Nastajanje

novih

reaktivnih

peroksidov, sekundarnih radikalov in sproženje lipidne peroksidacije.

Konformacijske

spremembe in avtoimunost.Konformacijske

spremembe in avtoimunost.

VNETNA REAKCIJA

Novi radikali

Konformacijskebolezni

Reakcije proteinov z aldehidi

Protein

R-CHO

Potencialni antigeni

Področja

možgan, ki jih prizadene Alzheimerjeva bolezen

GOVORSPOMIN

Vzroki za večjo občutljivost nevronov:-metabolizem v CŽS rabi veliko O2 (20% vsega kisika)-koncentracija GSH in drugih antioksidantov je nižja-membrane vsebujejo veliko PUFA-v CŽS je več

Fe2+

in Cu2+.

INTELIGENCAPRESOJA

VEDENJE

RADIKALI

Oksidativni

stres

DNKMutacije: APP, PS1, PS2

Povečano nastajanje APP in Aβspremenjena aktivnost β- in γ-sekretaze

OKSIDATIVNI STRES, VNETJE

OKSIDATIVNIOKSIDATIVNI STRES, VNETJESTRES, VNETJE

APP: gen za Amiloid β

prekurzorprotein (APP) PS1: gen za presenelin 1

Aβ

tvori kompleks z Cu2+

Aβ

tvori agregate, pojav senilnih plakovpoveča fosforilacijo

τau

proteina,

pojav nevrofibrilarnih

pentelj

ODMIRANJE NEVRONOVODMIRANJE NEVRONOV

Alzheimerjeva bolezen,

PoškodbamDNK

Nevrotoksičnost

Agregacija

& cepitev

Topni

A

(1-40, 1-42)

mesto

mesto

topniAPPtopni

APP

MEMBRANA

mestro

cepitve (Presenilin-1?)

APP

A

domena

Usoda APP (amiloid β

prekurzor

proteina)

C

N

1

2 3

4

Cu2+

Cu2+

Cu2+Cu2+

Cu2+

H2

O2

Nevrotoksičnost

Agregacija

& cepitev

Topni

A

(1-40, 1-42)

mesto

mesto

topniAPPtopni

APP

MEMBRANA

mestro

cepitve (Presenilin-1?)

APP

A

domena

Usoda APP (amiloid β

prekurzor

proteina)

C

N

1

2 3

4

Cu2+

Cu2+

Cu2+Cu2+

Cu2+

H2

O2

1,2 mmola

Cu2+/mol Aβ0,57

mmol

Fe2+/mol Aβ

Afiniteta Cu2+ do Aβ

je 10-17

mola

Oksidacijaholesterolaproteinov

Lewy-jeva telesca so intranevronski citoplazmatski

vključki, ki se barvajo z

ubiquitinom

Sestava:

-peptidni agregati obdani z amorfnim materialom.

Nastanek amiloidnega

skupka

Nastanek amiloidnih

plakov

Neposredni in posredni krivci za nastanek so radikali

Prva stopnja: spremembe (mutacija) v genu za sekretaze;

Ker imajo nastali proteini nativno

sekvenco njihovo združevanje v amiloidni

plak

ni posledica mutacije.

CMC teh koncev je pri PD, AD in DLB veliko nižja kot pri zdravih ljudeh.

Normalni možgani

Možgani bolnika z Alzheimerjevo

boleznijo

Cerebralnikorteks

HipokampusEntorinalni

korteksRazširjeniventrikli

Izdatno skrčenjecerebralnega

korteksa

Izdatno skrčenjecerebralnega

korteksa

Parkinzonovo obolenje

NH2

O

OO2

, 2H+

avtooksidacija+ H2

O2

MAO

CHOHO

HO

ALDH2

AR

Metabolizem dopamina

MAO

CHOHO

HO

+

H2

O2

NH3

+

ALDH2

AR

KatalazaH2

O + O2

Fentonova reakcija HO

+ HO¯

MAO

CHOHO

HO

+

H2

O2

NH3

+

ALDH2

AR

KatalazaH2

O + O2


+ HO¯

H2

N-protein HO

HO

Nprotein

Malondialdehid4-HNE

Oksidativnistres

NH2

O

OO2

, 2H+

avtooksidacija+ H2

O2

MAO

CHOHO

HO

+

H2

O2

NH3

+

KatalazaH2

O + O2


+ HO¯

H2

N-protein HO

HO

Nprotein

Nevrotoksična

spojina

Parkinsonova bolezen in oksidativni

stres

TalamusBazalnigangliji

Substancanigra

Povečana oksidacija dopaminaPovečana tvorba H2

O2

Padec koncentracije GSH v SnPovečana koncentracija Fe2+

Nastajanje HO

Povečana lipidna peroksidacija

v Substanci nigri

Agregacija

proteinov

Okvaramitohondrijev

Oksidativnistres

RADIKALI

DNKMutacije na genuza

sinuklein

Agregacijaproteinskih molekul,napačno zvijanje

proteina

Propadanjedopaminergičnih

nevronov

Lewy-jevatelesca

Parkinsonova bolezen

Aktivacijaperoksidaz

?

Vnetni proces

Nitracija

sinukleina

H2

O2 Metabolizemdopamina

Okvara mitohondrijev

NO

NO2

dimerizacijaAktivacijaimunskega

sistema

“KONFORMACIJSKE”

BOLEZNI 1Jedro: gen za protein

mRNK

Zvitje v nativnokonformacijo

Sinteza proteinana ribosomu

Normalna funkcija

SINTEZA V POGOJIHOKSIDATIVNEGA

STRESA Napačno zvitjeagregacije

KONFORMACIJSKEBOLEZNI

“KONFORMACIJSKE”

BOLEZNI 2

Protein: Napačno zvitje in/ali agregacija

primer bolezni

Serpin

tromboembolijePrion Creutzfeld-Jakobova -sinuklein

Parkinsonova bolezen

Amiloid

Alzheimerjva bolezenDownov

sindrom

Sladkorna bolezen 2itd.itd.

Poškodbe DNK z radikali in

sekundarnimi produkti lipidne

peroksidacije

Radikalske


Radikalske
















HN

N N

N

O

H2NdR

OHCHO

OH

CHOO

NH

N

N N

N

OOH

OH dR

N

N N

N

NH

O

O

dR

OH

Reakcije reaktivnih aldehidov (produkti lipidne peroksidacije)

z gvaninom.

HNE

Poškodbe DNK in posledice:-staranje, rak, degenerativna obolenja?

DNK

popravljanjeStalni virpoškodb

Poškodovana DNK

replikacija

Napake v genomuMutacije, f(t)

Celična smrt

Staranje

Degenerativnaobolenja

Rak90%

DNK z“napako”

Oks

idat

ivni

stre

s

Možna mesta neposredne reakcije HO

z DNK

-

1'4'3'

2'

NH

N

O

NH2

1

87

6

234

5

9

N

NOOP O CH2 OO

PO

O

OO CH2

-

4

53

2 61

CH3

O

O N

HN

1'4'3'

2'

O

OH

Poškodba baz DNKPoškodba deoksiribozeDodatna baza-sladkor vezDNK-protein povezavePrekinitev verige

1

23

4

5

6

7

89

G je najbolj občutljivza reakcijo z HO

Do sedaj je znanih več

kot 20 produktov oksidacije DNK baz.

Možna mesta neposredne reakcije HO

z DNK

-

1'4'3'

2'

NH

N

O

NH2

1

87

6

234

5

9

N

NOOP O CH2 OO

PO

O

OO CH2

-

4

53

2 61

CH3

O

O N

HN

1'4'3'

2'

O

OH

Poškodba baz DNKPoškodba deoksiribozeDodatna baza-sladkor vezDNK-protein povezavePrekinitev verige

1

23

4

5

6

7

89

G je najbolj občutljivza reakcijo z HO

Do sedaj je znanih več

kot 20 produktov oksidacije DNK baz.

Ocena: okoli 10.000 oksidativnih

poškodb DNK na celico na dan.Ocena: okoli 10.000 oksidativnih

poškodb DNK na celico na dan.

NH

NdR

O

OCH3

N

NHN

NdR

NH2

O

N

NdR

O

NH2R.

PO

O O baseO

OP OO

R.

GC

T

Možna mesta na DNK za reakcije z radikali

MoMožžna mesta na DNK za na mesta na DNK za reakcije z radikalireakcije z radikali

Ocena:

10.000 oksidacijskih

sprememb DNK na

celico na dan

Reakcije timina

in .OHReakcije timina

in .OH

NH

N

CH3

dRO

O

NH

N

CH2

dRO

O.

NH

N

CH2-O-O

dRO

O

O2

.

NH

N

CH3

dRO

O

OHH

. O2 NH

N

CH3

dRO

O

OHH

O O.

NH

N

CH3

dRO

O

OHH. NH

N

CH3

dRO

O

OHH

OO.

O2

OH.

OH

.OH

.Timin

N

N

O

O

HCH3

+°OH

60 % 35 %

5 %

N

N

O

O

HCH2

°N

N

O

O

HCH3

OHH

°N

N

O

O

HCH3

OH

H°

O2, O2°-, H+

N

N

O

O

HCH3OHH

OOH

N

N

O

O

HCH3OOHH

OH

N

N

O

O

HCH2OOH

H

NOH

N

N

O

O

OH

CH3

H

N

N

O

O

HCHON

N

O

O

HCH2OH

1

2 3 4

5 6 7

8

9 10

12 13

O

OHCH3H

O

O

N

N

O2, O2°-, H+ O2, O2°-, H+

N

N

O

O

HCH3OHH

OH

11

Reakcije

.OH s timinom

Reakcija gvanina in OHReakcija gvanina in OH

NH

N N

N

O

dRNH2

NH

N N

N

O

dRNH2 O

H

.

NH

N N

N

O

dRNH2

OH

.

NH

N N

N

O

dRNH2

HOH

.

N N

NHN

O

H2N

HO

H

N N

NN

O

H2N

H+°N N

NN

O

H2N

H

N N

NN

O

H2N

°

N N

N

HNH2

O

N N

O

H

NH2

NH2

O

H

H2N

O

N N

NN OH

H

°

- e-

H2O

- H+

N N

NN

O

H2N

HO

H

O2, H2O

Reduction

H2O

1 2

3

6

4 5

7

8

Oxidation

Radikalske

pretvorbe gvanina

Nastanek Nastanek DNADNA--protein protein povezavepovezaveOH

NHCO

CONH

Alil

radikalna timinu

+

Tirozin

v sklopuproteina Kovalentno povezana DNK s proteinom

HO

+ H2

O

Radikalsko

sprožena eliminacija baze iz DNK

OO

P

OP

base. O

OP

OP

O O

baseO2 .

OO

P

OP

O

base

baza baza

baza

Radikalska

fragmentacija

DNK

OO

P

OP

base. O

OP

OP

OO

baseO2 . OH

OP

OP

O

OH base4,

bazabaza baza

CHO

CHO+

NH

N N

N

NH2

O

DNKN

N

N N

N

DNK

O

Reakcija malonaldehida

z

gvaninom

NH

N N

N

NH2

O

DNKOH

CHO

+NH

N

N N

N

DNK

OOH

Reakcija 4-hidoksinonenala

z gvaninom

Starost (leta)

Kopičenje napak v DNK

Šte

vilo

sm

rti ra

kavi

h bo

lnik

ov n

a10

5lju

di p

ri do

loče

ni s

taro

sti

Celica:DNK,proteini

lipidi

Zunanji vzroki:sevanja

ksenobiotiki

Notraji

vzroki:metabolizam, vnetja

R•ROSRNSRSS

Staranje, patološki procesi

Sekundarniprodukti

radikalskihreakcij

7. Krkin simpozij za farmacevte in zdravnike

Oksidativni

stres

Oksidativnistres

RADIKALI

DNKmutacije

Proteini s spremenjenimi

lastnostmi

Staranje

OKSITATIVNI STRES

RAK

DEGENERATIVNAOBOLENJA

CŽSPljuča

Sklepi

T. slinavka

KožaLedvicaOči

GIT

Žilje

Organizem

Parkinsonova bolezenAlzheimerjeva demenca

Astma

Revmatoidniartritis

Poškodbe retinekatarakta

Obolenja jeterin črevesja

Glomerulonefritis Dermatitisi,Luskavica

Ateroskleroza

Diabetes

StaranjeRak

Kronična vnetja

Oksidativni

stres

Kumulativni učinki oksidativnega

stresa skozi daljši čas

ZAKAJ RAK, ZAKAJ DEGENERATIVNA

OBOLENJA?Zaradi kumulativnega učinka kemičnih procesov,ki potekajo v nizkih koncentracijskih območjih,

neprestano in nenadzorovano.

Končni efekt je odvisen od spleta naključij,prepleta notranjih in zunanjih dejavnikov,

mesta procesa in časa.

Evolucijske ravni obrambe pred nenadzorovanimi radikalskimi

reakcijami


reakcijami

Neprestana (kemičana) eliminacija radikalov z

-antioksidanti

in

-regeneracijo

antioksidantov.


-antioksidanti

in

-regeneracijo

antioksidantov.

Na ravni celice, tkiva, organizma:Na ravni celice, tkiva, organizma:

Zakaj evolucijski razvoj ni izločil, oziroma obšel radikalov

v celičnih procesih?

RADIKALIROS, RNS,Sekundarniproduktilipidne peroksidacijein drugi vplivi

DNK:Naključne mutacije

SelekcijaNaravni izbor

Evolucijskirazvoj

RADIKALIROS, RNS,Sekundarniproduktilipidne peroksidacijein drugi vplivi.

DNK:Naključne mutacije


Spolni načinrazmnoževanja99,9% organizmov

Spolni načinrazmnoževanja99,9% organizmov

Evolucijskirazvoj


GENOM

Generiranje

naključnih sprememb

Genom z mutacijami

RADIKALI itd.

SELEKCIJASpolni način razmnoževanja

Vplivi okolja

“Nov”

gen

Vrste po naravnem izboru


reakcijami


reakcijami


-antioksidanti

in

-regeneracijo

antioksidantov.


-antioksidanti

in

-regeneracijo

antioksidantov.

Spolni način razmnoževanja organizmov.C. Bernstein: Sex

as a response

to oxidative

DNA damage

In: DNA & Free

Radicals, O.I. Aruoma, B. Halliwell

(Eds), OICA. 1998

Spolni način razmnoževanja organizmov.C. Bernstein: C. Bernstein: SexSex

as a as a responseresponse

to to oxidativeoxidative

DNA DNA damagedamage

In: DNA & In: DNA & FreeFree

RadicalsRadicals, O.I. , O.I. AruomaAruoma, B. , B. HalliwellHalliwell

((EdsEds), OICA. 1998), OICA. 1998

Na ravni celice, tkiva, organizma:Na ravni celice, tkiva, organizma:

Na ravni populacije organizmov:Na ravni populacije organizmov:Na ravni populacije organizmov:

Radikali sprožajo

kompleksne, pretežno nenadzorovane procese, ki so vzrok staranju

in v

kasnem obdobju življenja vodijo do degenerativnih obolenj.

Radikali povzročajo naključne mutacije

DNK kar

je v povezavi s selekcijo in drugimi procesi osnova evolucijskega razvoja

živih bitij na tem planetu.

Ali so degenerativna obolenja le “kolateralna”

cena za evolucijo?

Radikali sprožajo

kompleksne, pretežno nenadzorovane procese, ki so vzrok staranju

in v

kasnem obdobju življenja vodijo do degenerativnih obolenj.

Radikali povzročajo naključne mutacije

DNK kar

je v povezavi s selekcijo in drugimi procesi osnova evolucijskega razvoja

živih bitij na tem planetu.

Ali so degenerativna obolenja le “kolateralna”

cena za evolucijo?

Vloga radikalov v degenerativnih obolenjih in v evoluciji

Singletni

kisikin

fotodinamična

terapija

Svetloba: nastajanje radikalov ter Svetloba: nastajanje radikalov ter 11OO22 v kov kožžii

UV in vidna svetloba

Absorpcija fotonov v koži

Radikali

Produkti,oksidacije

UV 3O2Vidna svetloba infotosenzibilizator

Nastajanje singletnega

kisika1O2

OKSIDACIJEOKSIDATIVNI STRES

3O2

Kož

a

Nekontrolirane reakcije v telesu

Nastanek radikalov in reaktivnih snovi je krajevno, časovno, količinsko nepredvidljiv.

Produkti (poškodbe) se s časom kopičijo.

Radikalske

reakcije:

Fotokemične reakcije:primarno potekajo v koži, ki je izpostavljena sončni svetlobi.

Organske reakcija: substitucije, adicije, kondenzacije,ciklizacije, oksidacije, hidrolize itd.

Molekulske

orbitale

tripletnega

kisika, 3O2

Energija *

2S 2S

2Px

2Py 2Pz 2Pz

2Py 2Px

* *

*Atomska

or. Atomska

or.

*

1S 1S

Molekulska orbitalaMolekulska orbitalaorbitala

3O2

= O-O

Energija*

2S 2S

2Px

2Py 2Pz 2Pz

2Py 2Px

* *

*

Atomska

orbit. Atomska

orbit.

*

1S 1S

Molekulske orbitale

singletnega

kisika

Molekulska orbitala

Tripletni

3O2

in singletni

1O2

kisik

Stanja kisika

oznaka

*a

b

TripletTriplet

33OO

22

3

-g

Osnovni Osnovni singletsinglet

1g zrak: : 76

ms

celica: 0,6s

Vzbujeni singlet

1+g

Primerjava 3O2

in 1O2

kisika3O2

Tripletni

kisik1O2

Singletni

kisik

Realtivna

energija (kcal/mol/

0 22,5

Narava Diradikal Ni radikal

Reakcije Radikalske Hidroperoksidacijein cikloadicije

Primerjava kemične reaktivnosti singletnega

kisika

Vrsta reakcje Aktivacijske

energija(kcal/mol)

Neencimskereakcije

50

Encimsko katalizirane reakcije

10-15

Oksidacije s singletnim kisikom

1-2Zreagira

v krogli z radijem 0,1m

35

Nastajanje singletnega

kisika v kemičnih reakcijah

CCl4 metabolizem v jetrih:CCl4

CCl3

+ Cl

CCl3

+ 3O2

CCl3

-O-O

2 CCl3

-O-O

CCl3

-O-O-CCl3

+ 1O2Reakcija HOCl

in H2

O2

HOCl

+ H2

O2

NaCl + H2

O + 1O2

Lipidna peroksidacija:LOO

+ LOO

L-OO-L + 1O2

Fotokemično nastajanje singletnega kisika

1. barvilo(S0

,) + h

= barvilo*(S1

,)2.barvilo*(S1

,),(i.s.k.)

= barvilo*(T1

,)3.barvilo*(T1

,)+O2

()=barvilo(S0

,)+1O2

()

Fotosenzibilizatorji

1. Barvila: Metilen

modro, Bengal

rožno, Eosin, Kristal

violetno

Akridin

oranžno,

2. Pigmenti: Klorofil, Hematoporfirini, Riboflavin

Učinkovine, ki po obsevanju s svetlobo tvorijo singletni

kisik

-riboflavin

in derivati flavina,-bilirubin, retinal, klorofil a,b;-psoralen, -kaprofen, -tetraciklini, -nekateri antimalariki, -hipericin

(šenjanževka),

-učinkovine s fenotiazinskim

obročem

Riboflavin

1RF

Tvorba

tripletnega

riboflavina

ISC

1RF

NNH

O

NOH

OHOH

OH

N O

NNH

O

NOH

OHOH

OH

N Ohv

3 RF

1RF*

H

C H2 C H3

H

C H3

C O2 C H3

O

H

H3 C

H3 C

N

N N

N

C HH2 C

Mg

R

C H2

C O2

C H3 C H3 C H3 C H3

Klorofil

Ekscitacija

in deaktivacija

klorofila

pri tvorbi

singletnega kisika

Ener

gija

Osnovno

stanje

hv

Fluorescenca

K= 2108/sec

1Sen

(Klorofil)

1Sen*

K=1-

20108/sec

Fosphorescenca

K=10-104/sec

Singlet Oxygen

K=1-

3109/sec

3Sen*

3O2

ISC

..

. .

Tip IITip I

Reakcije

vzbujenega

tripleta senzibilizatorja

Senh

1Sen*ISC

3Sen*

+ RH

+ RH

+ 3O2

1O2+ 3O2

O2- + Sen+

+ 3O2

ROOHROOH

K2

K1

R + Sen

H

Poti tvorbe singletnega kisika

Cu+++ Askorbate + 3 O2

H2O 2 + 3O2

3O2 + Ksantin

+ Ksantin

oksidaza

Superoksid dismutaza

Spontana

dismutacija

HOO

+ 2H+ + 2H +

1 O2Riboflavin + 3O2

Reduciran

riboflavin + 3O2

+ 2H+

-O 2

- O2

+ H +

+ H2

O2

Spontana

dismutacija

Vidni del elektromagnetnega spektra

Valovna dolžina

Radio in TV valovi Infrardeče področje

X-žarki

mikrovalovi Gama žarki

Frekvenca v Hz

UV področje

71 kcal/mol71 kcal/mol40 kcal/mol

30

Osnovno singletno

stanje

Prvo vzbujeno singletnostanje

S2

S1

S0

absorpcija

E

fluorescenca

Drugo vzbujeno singletnostanje

Interna konverzija

Vibracijskerelaksacije

Jablonski

diagram 1

S2

S1

S0

absorpcija

E

fluorescenca

Interna konverzija

Vibracijskerelaksacije

Tripletna

stanjaTripletna

stanja

T1

Medsistemskiprehod

fosforescenca

Vibracijske relaksacije

Jablonski

diagram 2

Posredna zaznava singletnega kisika

N N

H O

OO

21O22 2 2H2O

O

O

O

O

Endoperoksid

Alil

Hidroperksid

O

O

H

O

O

O

O

O

O

Dioksetan

CH2

CH2

+

+

+

1,4-

Cikloadicija:

EN Reakcija

:

1,2 –

Cikloadicija:

1O2

Oksidacije

Reakcije

1O2

z dvojno

vezjo

R R'

H O

O

I

R R'

HO

O

II

Konjugirani

in nekonjugirani hidroperoksidi

R R' R R'

OOH OOH

R R'

RR'

OOH

izomerizacija

+h/sensitizer/O2

1O2

A BOOH

HOO

O

HLinoleic acid

9-OOH (50%)

13-OOH (50%)

+

+

+

BAOOH

12-OOH (20%)

A BHOO

10-OOH (20%)

9-OOH (30%)A B

OOH

13-OOH (30%)

HOO

H-

A B

+ O2, H

+

Linoleinska

kislina

Radikalskaoksidacija

R•

Singletnaoksidacija

Primerjavaoksidacijelinoleinskekisline poradikalskiin“singletni”poti

OH

40

Izraba možnosti fotokemičnega nastajanje tvorbe 1O2 za doseganje

terapevtskih učinkov 3O2

Izraba možnosti fotokemičnega nastajanje tvorbe 1O2 za doseganje

terapevtskih učinkov 3O2

V organizem apliciramo fotosenzibilizator

Tarča

Laserski žarek

Nekateri fotosenzibilizatorji

1

N

NH N

NH

porfirin

benzoporfirin bakterioklorin

bakterioklorini

5-aminolevulinska

kislina (ALA) kot prekurzor za (bio)sintezo protoporfirina

IX

Uporabnost PDT

•

Terapija v primerih, ko je možno s svetlobnim virom do tarčnega bolezenskega tkiva: –

rakava in druga obolenja na koži, sluznicah in drugih telesnih površinah.

•

Predpogoj je, da je fotosenzibilizator

v tarčnem tkivu bodisi po sistemsi

ali lokalni

aplikaciji.

POVZETEK

UV svetloba Vidna svetlobaCepitev vezi

Radikali

Oksidativni

stresLipidna peroksidacija

Poškodbe membranproteinov, DNK

StaranjeDegenerativna obolenja

Rak, smrt celice

Fotosenzibilizator

Fotosenzibilizator*

3O21O2

Poškodba tkivaPoškodba tkiva

Fotodinamičnaterapija

Fototoksičnost

50

Glavni oksidanti••

HHiidrodroksiksillnini

radiradillal (OHal (OH..))

••

HHiipopokkloritlorit

((HOClHOCl))••

SingletSingletnini

kisikkisik

11OO22

••

PeroPeroksiksinitritnitrit

(OONO(OONO--))••

VodikovVodikov

peroperoksksid (Hid (H22

OO22

))••

Prosti FeProsti Fe2+2+

CuCu++

aliali

hemhem

••

SuperoSuperoksksididnini

radiradikkal (Oal (O22

..--))••

DuDuššikovikov

ooksksid (NOid (NO..))

ANTIOKSIDANTI kot

SOD mimetiki in mimetikiKATALAZE

FK3 30. 11. 2010

Š. l. 2010-2011

Antioksidanti

Tokoferol

Neencimskiantioksidanti 11

Učinkovitost

EnEncicimmskiski1,000 1,000 ––

10,00010,000

AsAskkorbatorbatββ

KKarotenaroten

N-Acetilcistein

(NAC)

SuperoSuperoksksid id DismutaDismutaza (SOD)za (SOD)KKatalaatalazaza

MimetiMimetikiki 1,000 1,000 ––

10,00010,000MetaloenMetaloencicimmii MimetiMimetikiki

SOD encimi:A. Cu(Zn)SODB. FeSOD

in

C.

MnSODD. NiSOD

SOD pretvarja superoksidni

radikalv kisik in vodikov peroksid

Primer reakcije dispropocionacije

s SOD,kjer je v aktivnem mestu baker

Aktivno

mesto SOD

Arg

141

Thr 56Glu 131

Thr 135

CuCu

10 Å

24 Å

4 Å

5Å

O2-

O2-

O2-

O2-O2

-

O2-

+

+

-

Cu+ + O2- + 2 H+ Cu2+ + H2O2

Cu2+ + O2- Cu+ + O2

2 O2- + 2H+ O2 + H2O2

SOD pretvarja superoksidni

radikalv kisik in vodikov peroksid

Primer reakcije dispropocionacije

s SOD,kjer je v aktivnem mestu mangan

Reakcija disporporcionacije

s SOD

Enc(metaln+) + O2─

= Enc(metal(n-1)+

+ O2

Enc(metal(n-1)+

+ O2─

= Enc(metaln+) + O2

2-

O22-

+2H+

= H2

O2

ali

2O2─

+ 2H+

= H2

O2

+ O2

K(nekatalizirana

reakcija) = 5 x 105

L/mol sK(katalizirana

reakcija, SOD) = 1,6 x 109

L/mol s

Vrste SOD:

SOD 1 vsebuje Cu+

in Zn2+

dimer, ki je v citosolupremalo SOD1 INFARKT

SOD 2 vsebuje Mn3+

tetramer, v mitihondrijihpremalo SOD2:

KAP

SOD 3 vsebuje Cu+

in Zn2+

tetramer, zunaj celicpremalo SOD3:

VNETJE

N N

O OMn

AcO

N N

OH HO

Mn(OAc)3

Primer SOD mimetika: Mn3+(salen)OAc

N

O

O C H3

N

O

C H 3 O

Mn+

SOD mimetiki

kot katalitični

antioksidanti

MacrocylicMacrocylic

MimeticMimetic

[M[M--40403]40403]

N

NN

NM n

N

meso-Porfirinski

mimetiki

N

N

N

N

N

NN

N

N N

NN

Mn+

+

+

+

+

Makrocikličnimimetiki

Mn TBAPMn TBAP

N

N

N

N

CO2H

HO2C CO2H

CO2H

Mn+

Razvoj SOD Razvoj SOD mimetikovmimetikov

ModifModifikacijaikacija

stranskih skupinstranskih skupinSprememba nabojaSprememba nabojaModifModifikacijaikacija

redoredoksks

potenpotenccialialaa

Variacija ogrodne struktureVariacija ogrodne struktureZamenjava kovineZamenjava kovine

N

N

N

N

RR

Mn+

RR RR

RR Kovinski inoni: železo, baker , Mangan, kobalt, nikel

Mn TMMn TM--44--PyPPyP

N

N

N

N

N

N

N

N

CH3

CH3

CH3

H3C Mn+

+

+

+

+

MnMnNN

NN

NN

NN

RR 22

RR 33

RR 11

RR 44

225225

336336

10,64810,648

RR 11 ,, 22 ,, 33 ,, 44 == NN CC HH 33

++

RR 11 ,, 22 ,, 33 ,, 44 ==

NN

CC HH 33

++

RR 11 ,, 22 ,, 33 ,, 44 ==NN

HH33

CC

++

““OrtoOrto

eefefekktt””

SOD ASOD Aktivnostktivnost enoteenote/mg/mg

MnMnNN

NN

NN

NN

RR 22

RR 33

RR 11

RR 44

225225

336336

10,64810,648

RR 11 ,, 22 ,, 33 ,, 44 == NN CC HH 33

++

RR 11 ,, 22 ,, 33 ,, 44 ==

NN

CC HH 33

++

RR 11 ,, 22 ,, 33 ,, 44 ==NN

HH33

CC

++

““OrtoOrto

eefefekktt””

SOD ASOD Aktivnostktivnost enoenottee/mg/mg

MN TEMN TE--22--PyPPyP

5Cl5Cl¯̄

N

N

N

N

N

N

N

NMn+

+

+

+

+

N

N

N

N

N

NN

N

N N

NN

Mn+

+

+

+

+

MnTMMnTM--2,52,5--IPIP

O

N N

O

Mn

OAc

Mn3+(salen)OAc

je SOD mimetik

inmimetek

katalaze.

Reakcija katalaze:2H2

O2 = 2H2

O + O2Reakcija peroksidaze:

H2

O2

+ 2R-SH = 2H2

O + R-S-S-R

ODSTRANJEVANJE VODIKOVEGA PEROKSIDA

O

N N

O

Mn

OAc

Mn3+(salen)OAcv vlogi katalaze

Mn3+

+ H2

O2

= Mn5+O + H2

O

Mn5+O + H2

O2

= Mn3+

+ H2

O + O2

Vrste katalaz: Katalaza(Mn3+), 6 podenot, neobčutljiva na N3

-

in CN-

Katalaza(Fe3+) občutljiva na azid

in cianid

NO donorji

Učinkovine, ki pod določenimi pogojiv telesu sproščajo NO (dušikov oksid)

NO sintaza

in sinteza NONO sintaza

in sinteza NO

BH4BH4

HemHem

Zn2+

Kalmod.Kalmod.

FMN

FADFAD

FMN

L-argininNO

Citrulin

O2

NADPH

Arginin Citrulin

SOD

Oksidacijska stanja dušika

NO3- NO2

- NO HNO H2NOH NH3+2e +2e +2e+1e-2e -2e -2e-1e

+1e-1e

(V) (III) (II) (I) (-I) (-III)Nitrat

Nitrit

Dušikov oksid

Hidroksilamin

Nitroksil

Amonijak

Učinki NO so odvisni od koncentracije

Nizke -

fiziološkekoncentracije NO

Visoke –

patološkekoncentracije NO

1. Vliv na faktorjetranskripcije

2. Vplivi na hemskeencime

3. Vpliv na GCNastanek cGMPMišična rekasacijaPadec

krvenga

pritiska

1. Deaminacija

DNK baz

2. Nitriranje tirozina

3. Nastajanje S-NO spojin

Nekatere reakcije NO

NO +NO + e-

R-SH = R-S─

+ H+

R-S─

+ +NO = R-S-NO

Nekatere reakcije NO

+NO

-H+

N nitrozo

produktKANCEROGENA

SPOJINA

O2NO

ONO2

ONO2

Prekurzorji

NO (predzravila) ali NO donorjiGliceril

trinitrat Eritritil

tetranitrat

Pentaeritritol

tetranitratIzosorbid

dinitrat

Propatiltrinitrat

Amil nitrit

Metabolizem

Glicerol + NO Aktivacija

gvanilatciklaze

GTP

cGMPRelaksacija gladkih mišic

ŠIRITEV ŽIL

cGMP

GTP

GC

Molsidomin: NO donor

Bioaktivacija

Molsidomina

do NOJetrneesteraze

Linsidomin

radikalske poškodbe lipidov proteinov in dnk...proteini. oksidativni stres. radikalske poškodbe...

Documents