LIPIDPEROXIDÁCIÓ ÉS A BIOLÓGIAI ANTIOXIDÁNS VÉDELEM

Az előadások a következő témára: "LIPIDPEROXIDÁCIÓ ÉS A BIOLÓGIAI ANTIOXIDÁNS VÉDELEM"— Előadás másolata:

1 LIPIDPEROXIDÁCIÓ ÉS A BIOLÓGIAI ANTIOXIDÁNS VÉDELEM
Life is a constant battle against becoming rancid (P. Cloud, 1979)

2 Szabad gyökök: azok a kémiai gyökök, amelyek külső elektronhéjukon egy vagy több párnélküli elektront vagy antiparalell spinekkel rendelkező elektronokat tartalmazó atomot tartalmaznak. Oxigén szabad gyökök: azok a szabad gyökök, amelyekben a párnélküli elektron vagy elektronok egy oxigén atom külső orbitálján helyez- kedik el.

3 Szabadgyökök Szuperoxid (O2 -): enzimatikus, auto-oxidációs, nem-enzi- matikus elektron transzfer reakciók során keletkezik. Vizes oldata oxidálja az aszkorbinsavat, redukálja a cito- krom c és más kelát vas atomját. Hidroxil (OH) : rendkivül reaktiv gyök, amely minden bio- lógiai molekulát oxidál Peroxil, alkoxil (RO2, RO) : tipikus szerves oxigén sza- bad gyök, amely a lipid peroxidáció során (is) keletkezik, amikor a hidroperoxidokat az átmeneti fémek redukálják. A szén-tetrakloridból képzõdõ gyök is ebbe a csoportba tartozik (CCl3O2)

4 Alkil-peroxil (ROO): az alkoxil gyök által indukált lánc-
reakció során keletkezik a lipid peroxidáció folyamata során. Nitrogén-oxidok (NO, NO2): a nitrogén-oxid in vivo az L-argininbõl keletkezik. A nitrogén-dioxid akkor keletkezik, amikor a NO oxigénnel reagál (pl. szmog, dohányfüst)

5 Hidrogén-peroxid (H2O2): in vivo a dizmutázok és számos
Nem szabadgyökök Hidrogén-peroxid (H2O2): in vivo a dizmutázok és számos oxidáz hatására, valamint a hidroxil gyök és átmeneti fém jelenlétében is létrejöhet. Kis koncentrációban kevéssé reaktiv, de nagyobb mennyiségben károsítja a sejtek energia-felszabaditó rendszerét. Hipoklór-sav (HOCl): a mieloperoxidáz hatására a neutro- fil sejtek termelik gyulladásos folyamatok során. Szuper- oxid anionnal reagálva hidroxil gyök is létrejöhet a neutrofil aktiváció során. Ózon(O3): a légkörben keletkezik. Rendkivül reaktiv gáz. A vérplazma antioxidánsok közül oxidálja (bontja) a D- és E- vitamint és a húgysavat.

6 Szinglet oxigén (1O2): az oxigén külsõ két orbitálján lévõ
egyik elektron inverz spinnel rendelkezik, emiatt megválto- zik a molekuláris oxigén kvantum-mechanikai stabilitása. A fotoszintézis során a membránokhoz kötött oxigén szállí- tás során keletkezik növényekben. Szerves peroxid (ROOH): a lipidek oxidációs terméke a lipidperoxidáció során, amely főképp szinglet oxigén hatására keletkezik

7 AZ OXIGÉN SZABADGYÖKÖK FORRÁSAI
Mitokondriális és mikroszomális (kloroplasztisz) elektron transzport - oxigén tetravalens redukciója 1O O2H+ h    e-  e-, H e-, H e-,H+ 3O2  O2 -  H2O  OH  H2O 2. Fagocitózis során a PMN leukocitákban H2O  H2O2 H2O + Cl-  HOCl + H+

8 3. Enzimrendszerek működése során:
- NADP oxidáz - Xantin – oxidáz - Monoamin - oxidáz - Citokrom P450 – oxidáz 4. Hidroxil gyök (OH) keletkezésének egyéb útja: Fenton és Haber-Weiss reakciók révén (Fenton, 1894, Haber és Weiss, 1934): O2 + e-  (O2)- (O2)- + H2O2 + Mn  HO- + (OH) + O2 + Mn+1

9 4. Szuperoxid anion (O2- ) keletkezésének fő útja:
citokróm rendszer (gyorsan átalakul hidrogén-peroxiddá a piridoxamin- foszfát-oxidáz, illetve a szuperoxid dizmutáz enzimek hatására) (O2)- + (O2)- + 2H+  H2O2 + O2

10 A SZABADGYÖKÖK HATÁSA AZ EGYES LÉTFONTOSSÁGÚ MOLEKULÁKRA
DNS FEHÉRJÉK Enzimek inaktivációja Deoxi guanozin REAKTÍV OXIGÉN GYÖKÖK LIPOPROTEINEK TÖBBSZÖRÖSEN TELÍTETLEN ZSÍRSAVAK LDL oxidáció Lipid peroxidáció

11 A ROS SZÜKSÉGES: SEJTMŰKÖDÉS SZABÁLYOZÁSÁBAN SZIGNÁL TRANSZMISSZIÓS FOLYAMATOKHOZ SEJTOSZTÓDÁSHOZ GYULLADÁSOS FOLYAMATOKHOZ APOPTOZISHOZ

12 CASPASE-8 CASPASE- 3  Pro-caspase-3 MITOKONDRIUM D4-GDI
APOPTÓTIKUS SZIGNÁLOK  ROS Szignál transzmisszió : death receptors (TNF superfamily) + DD (death domain) CASPASE CASPASE- 3  Pro-caspase-3 MITOKONDRIUM D4-GDI (GDP dissociation inhibitor) CITOKROM C KIÁRAMLÁS CASPASE-9 AKTIVÁCIÓ SEJTMAG GTP-ÁZOK DNS FRAGMENTÁCIÓ MEMBRÁN (poli-(ADP)-ribóz szint ) CITOSZKELETON VÁLTOZÁSOK SOD kiáramlás SEJTHALÁL

13 A lipid peroxidáció mechanizmusa
Lipid peroxidáció (oxidativ stressz): a biológiailag aktív molekulák reakciója oxigén eredetű molekulákkal és gyökökkel A lipid peroxidáció folyamatának fő szakaszai: (1) Iniciáció: szabadgyök képződés (2) Propagáció: a szabadgyök képződés láncreakciószerű kiteljesedése (3) Termináció: (kvázi)stabil gyökök és molekulák keletkezése

14 LIPID PEROXIDÁCIÓ – OXIDATÍV STRESSZ ÁTMENETI FÉMEK (VAS/RÉZ) HATÁSA
LH (PUFA)  L L + O2-  LOOH ÁTMENETI FÉMEK (VAS/RÉZ) HATÁSA LOOH + Fe(II)  Fe(III) + OH- + LO LOOH + Fe(III)  Fe(II) + H+ + LOO

15 A C-18-as zsírsavak relatív oxidációs sebessége
(Varst, 2001 nyomán)

16 A MEMBRÁNOK OXIDATÍV KÁROSODÁSA

17 NEM ENZIMATIKUS VÉDELEM
ANTIOXIDÁNS VÉDELEM NEM ENZIMATIKUS VÉDELEM E-VITAMIN (  - tokoferol) Hatása: biológiai membránok védelme kromángyűrű – fizikai kapcsolat a foszfolipidekkel fitil oldallánc – keresztkötések az arachidonil oldallánccal OH gyök „akció radiusa” sec = 2-3 nm

18

19 Egyes tokoferol és tokotrienol vegyületek oxidáció kinetikája
azobis iniciátor jelenlétében

20 C-VITAMIN (L-aszkorbinsav)
HATÁSA: hidrogén donor redukáló tulajdonságú – tokoferol „regeneráció” - GSSG redukciója TOC  TQ + AH  TOC + DHA GSSG + 2AH  2GSH + 2DHA A gazdasági állatok képesek a C-vitamin szintézisére DE szintézis kapacitás  aktuális igény

21

22 UBIQUINON (CoQ) Hatása: szelén / E-vitamin hiány esetén antioxidáns – elektron donor Máj (hepatociták) védelme KAROTINOIDOK (β-karotin) Hatása: peroxil gyökfogó vegyület máj, ovarium (c. luteum), here (Leydig sejtek) védelme A-VITAMIN - önmagában nem antioxidáns kémiai szerkezete alapján gyökfogó hatású máj, ovarium, here védelme

23 Fémkötő (kelátképző) vegyületek
Ferritin (1 mol/ vas) – az állati szervezetben Idegsejtek és máj védelme Metallothionein: Hg< Cu< Cd < Zn máj védelme (vesében felszabadul a fémion) Egyéb antioxidáns vegyületek Glutation - -Glu-Cys-Gly Hatásai: fehérjék SH csoportjainak fenntartása cisztein raktár xenobiotikum konjugáció ( R + GSH  GS-R + H) minden sejttípus védelme

24 ENZIMATIKUS VÉDELEM Szuperoxid-dizmutáz Cu-Zn – citoszol
Mn – mitokondrium Fe – prokarioták O2 + O2 + 2H+  H2O2 + O2 minden sejttípus védelme (mitokondrium + citoszol) Aktivitását befolyásoló tényezők: oxidatív stressz esetén emelkedik mikroelem hiány (Cu, Zn, Mn)

25 Kataláz Fe tartalmú 2H2O2  O H2O vörösvérsejtek, fehérvérsejtek védelme Aktivitását befolyásoló tényezők: életkor (génexpressziója az öregedéssel csökken) takarmány megvonás (csökkenti az öregedés hatását)

26 Glutation-peroxidázok (aktív centruma SECIS element –
szelenocisztein (TGA – UGA kodon) - Se tartalmú 2GSH + H2O2  GSSG + 2H2O Klasszikus glutation-peroxidáz (Mills, 1957) –H2O2 (VVS) Citoszol glutation-peroxidáz (Rotruck et al, 1973) - H2O2 + lipidperoxidok + koleszterol-7-;7-hidroperoxidok máj-, harántcsíkolt izmok, érfal endothel sejtek, idegsejtek Foszfolipid-hidroperoxid glutation-peroxidáz (Ursini,1985) – foszfolipid-hidroperoxidok - monomer membrán kötött enzim (madarak májában citoszol forma is) Minden sejt, spermium nukleusz GSH-Px (S-H S-S)

27 A "stem-loop" másodlagos mRNS 3' UTR szerkezet
felépítésének általános sémája [Low és Berry, 1996] a.) a klasszikus glutation-peroxidáz mRNS-ében, b.) a foszfolipid és az extracelluláris glutation-peroxidáz mRNS-ében

28 A szelenocisztein beépülésének sémája eukariotákban
(Berry et al., 1993)

29 Extracelluláris glutation-peroxidáz (Takahashi,1990) -H2O2
vérplazmában és szövetekben (extracelluláris térben) Vérplazma glutation-peroxidáz (Avissar et.al., 1994) - H2O2 vérplazmában (szintézise: vese tubuláris rendszerében) Gastrointestinalis glutation peroxidáz (Chu, Esworthy,1995) H2O2 + lipid peroxidok és – hidroperoxidok vékonybél epithel sejtek Mellékhere extracelluláris glutation peroxidáz (Williams, 1998) - H2O2 + lipid peroxidok és – hidroperoxidok mellékhere és szeminális plazma (spermium membrán)

30 Aktivitását befolyásoló tényezők
- oxidatív stressz hatások (aktiváció  gátlás) szöveti lokalizáció ( máj >>> agy ) endokrin hatások (androgének, melatonin) életkor (az ivarérésig nő, az öregedéssel csökken) takarmányok zsírtartalma (nagy  csökken az aktivitás) többszörösen telítetlen zsírsavak (növelik: n-6 zsírsavak) fehérjehiányos takarmányozás csökkenti

31 - szelénhiány (csökkenti - szívizomban akár 96 %-kal is)
(kivétel: agyszövet - viszonylag állandó) szükségletet meghaladó mennyiségű szelén kiegészítés (az élettani szint elérése felett tovább már nem fokozza sem az enzimfehérje szintézisét, sem aktivitását) - E-vitamin (növeli a phGSHPx aktivitást a spermiumban)

32 5’-dejodinázok (aktív centrum SECIS element –
szelenocisztein (21.aminosav) I. típus: pajzsmirigy, máj, vese, tobozmirigy II. típus: pajzsmirigy, placenta, tobozmirigy, központi idegrendszer, újszülött rágcsálók zsírszövete III. típus: bőr, placenta, központi idegrendszer 2HI + H2O2  I2 + 2H2O Aktivitását befolyásoló tényezők Szelénhiány – csökkenti TSH – növeli

33 Glutation-S-transzferázok (specifikus GSH kötőhellyel
rendelkeznek) 2GSH  GST GSSG + 2H+ szelén hiányos állapotokban aktiválódnak (nem szelén dependens glutation-peroxidázok) - hatékonyan redukálják a koleszterol-7-hidroperoxidokat a GST A4-4 izoenzim hatékonyan redukálja a 4-hidroxi-2 nonenal-t (agyban) - phGSHPx aktivitást mutatnak

34 ÉTERIKUS OLAJOK ANTIOXIDÁNS VEGYÜLETEI
NÖVÉNYI EREDETŰ ANTIOXIDÁNSOK ÉTERIKUS OLAJOK ANTIOXIDÁNS VEGYÜLETEI HATÁSUK: ELEKTRON DONOR - ANTIOXIDÁNS MEMBRÁN CSATORNÁK VÉDELME (ENTEROCITÁK  FELSZÍVÓDÁS) POLIFENOLOK: FLAVONOLOK – KVERCETIN, KEMPFEROL, MIRICETIN FLAVONOK – APIGENIN, LUTEOLIN TERPÉNSZÁRMAZÉKOK : CITRÁL, CITRONELLÁL, MENTON

35 SZINTETIKUS ANTIOXIDÁNSOK
HATÁSUK: TAKARMÁNYOK ZSÍRSAVAINAK VÉDELME TAKARMÁNYOK OXIDÁCIÓRA ÉRZÉKENY BIOLÓGIAILAG AKTÍV VEGYÜLETEINEK VÉDELME ENTEROCITÁK VÉDELE HATÁSUKAT BEFOLYÁSOLJA: ZSÍRSAVAK MENNYISÉGE ZSÍRSAVAK TELÍTETLENSÉGE - GYÁRTÁSTECHNOLÓGIA

36 AZ ANTIOXIDÁNS RENDSZER HÁROM VÉDELMI VONALA AZ ÁLLATI SEJTEKBEN
ELSŐ VÉDELMI VONAL a további szabadgyök képződés megelőzése ANTIOXIDÁNS ENZIMEK SZUPEROXID DIZMUTÁZ GLUTATION-PEROXIDÁZ KATALÁZ FÉMKÖTŐ FEHÉRJÉK

37 a láncreakció kiterjedésének megelőzése és megállitása
MÁSODIK VÉDELMI VONAL a láncreakció kiterjedésének megelőzése és megállitása ZSIROLDÉKONY ANTIOXIDÁNSOK A- ÉS E-VITAMIN, KAROTINOIDOK, UBIQUINOLOK VIZOLDÉKONY ANTIOXIDÁNSOK C-VITAMIN, GLUTATION, HÚGYSAV

38 HARMADIK VÉDELMI VONAL a makromolekulák károsodott szakaszainak
kivágása és helyreállitása REPAIR ENZIMEK LIPÁZOK – foszfolipáz A2 PEPTIDÁZOK – peroxiszóma enzimek PROTEÁZOK – calpainok (kalcium efflux gáltás) DNS REPAIR ENZIMEK – bázis (oxo-guanozin), nukleotid repair Glutation-reduktáz GSSG + 2NADPH  GSSG-R  2GSH + 2NADP+

39 Az oxidativ stressz kialakulása fiziológiás és
patológiás folyamatok során

40 Oxidatív stressz: a prooxidáns és az antioxidáns anyagok
egyensúlya eltolódik az előzőek javára Az arányeltolódást előidézheti: Külső tényezők: magas hőmérséklet – hőstressz UV sugárzás – fertőtlenítés, napfény hatása ionizáló sugárzás – fertőtlenítés

41 TAKARMÁNYOZÁSI HATÁSOK
Fémtoxikózisok (réz és a vas) Cu(II) + (O2)-  Cu(I) + O2 Cu(I) + H2O2  Cu(II) + (OH) + OH- vagy NO + O2-  ONOO- + ONOOH  Cu(II)  OH + NO2 Fe(III) + (O2)-  Fe(II) + O2 Fe(II) + H2O2  Fe(III) + (OH) + OH Biológiai rendszerekben tiol-Fenton tipusu reakció: Fe(III) + RSH  Fe(II) + RS + H+ Fe(II) + H2O2  Fe(III) + (OH) + OH-

42 Glutation depléció Előidézheti: éhezés – baromfi fajoknál 24 óra elegendő! metionin hiány cisztein hiány A-vitamin túladagolás gátolja az E-vitamin felszívódását, illetve annak a májban való tárolását

43 A-vitamin kiegészítés hatása a máj E-vitamin tartalmára brojlercsirkében (Surai és Kuklenko, 2000 nyomán) A-vitamin kiegészítés napos napos (NE/kg) (g /g nedves szövet) , ,40 , ,70 , ,44 , ,12 , ,11 , ,12

44 Nagy lipid peroxid tartalmú takarmányok felvétele:
közvetlenül kevéssé toxikus (májkárosodás, szaporodás- biológiai zavarok, tumor képződés) Peroxidált lipidek metastabil végtermékeinek hatása: Alkanalok - malondialdehid fehérjék tiol- valamint a szabad -lysil csoportjaival való kapcsolódás - LDL oxidáció Alkenalok - 4-hidroxi-nonenal elektrofil vegyületek – reakcióba lép a glutationnal, fehérjék -lysil csoportjaival. Alkánok - pentán kémiai reaktivitásuk kicsi

45 Nagy peroxid tartalmú takarmányok etetése

46 Csökkentik az antioxidánsok mennyiségét:
Mikotoxinok jelenléte a takarmányokban kémiailag reaktív molekulák (epoxi csoport: AFB1, T-2) Csökkentik az antioxidánsok mennyiségét: 2GSH + O2-  GSSG + H2O Nutritív antibiotikum toxikus adagja a takarmányokban gátolják a K+/Na+-ATP-áz működését  membrán csatornák zavara Ca2+ efflux zavara sejtanyagcsere zavara  lipid peroxidáció

47

48 Nutritív antibiotikum toxikus adagja a takarmányokban
gátolják a K+/Na+-ATP-áz működését  membrán csatornák zavara Ca2+ efflux zavara „Mitochondrial swelling”  lipid peroxidáció

49

50 Akut vagy krónikus stressz hatások
- hideg környezet vagy az immobilizáció gyökképző folyamatok intenzitása fokozódik  antioxidánsok mennyisége csökken ( pl. glutation, E-vitamin vagy aszkorbát)

51 Belső tényezők: fiziológiás folyamatok,
genetikai hatások, fizikai terhelés Fiziológiás folyamatok: arachidonsav kaszkád metabolitokendoperoxidok (OOH) prosztaglandinok vagy leukotriének szintézise során ion pumpa müködésének - pl. kalcium efflux - zavara öregedés folyamata maximális élettartam a gerinces fajokban az in vivo gyök- képződés függvénye

52

53 Genetikai hatások: szelekció  fokozott anyagcsere intenzitás  fokozott mitokondriális oxidáció  fokozott szabadgyök képződés INTENZÍV ANYAGCSERE szelekció  T4 / T3 átalakulás  O2- termelés  Erőteljes fizikai terhelés: fokozott izommunka  fokozott oxigénfelvétel  fokozott szabadgyök képződés

54 gyulladásos folyamatok – tartástechnológia /fertőzések
NO  NO2- mieloperoxidáz  HOCl  NO2Cl

55 Az egyes szövetek lipidperoxidáció iránti érzékenysége
AGY - különösen érzékeny az oxidációs károsodásokra nagy lipid tartalom  kiemelkedően nagy PUFA tartalom  gyenge antioxidáns védelem SZEM (retina) retina pigment epithel sejtjei - oxidatív hatások  apoptózis EMÉSZTŐTRAKTUS ANTIOXIDÁNS VÉDELEM (glutation-peroxidáz aktivitás) gyomor>nyelőcső>vastagbél> vékonybél (kripta >> bélbolyhok csúcsa) VÉREREK antioxidáns enzimek hiánya + arachidonsav kaszkád

56 VÖRÖSVÉRSEJTEK oxigén “terhelés”  kifejezett antioxidáns védelem (acatalasaemia (kataláz enzim hiánya) – letális) FEHÉRVÉRSEJTEK jelentős antioxidáns (elsősorban aszkorbinsav) tartalom Aszkorbinsav: T-lymphocyták > B lymphocyták >monocyták Neutrofil granulociták  jelentős oxidatív terhelés  H2O2 termelés – oxidatív burst SPERMIUMOK - rendkívül érzékenyek gyenge antioxidáns ellátottság  mitokondriális rendszer fokozott aktivitása

57 A SZABADGYÖKÖK HATÁSA EGYES KÓROS FOLYAMATOKRA
SZÍV VESE ÍZÜLETEK AGY Microangiopathia, thrombosis Glomerulonephritis Arthrosis Encephalomalatia, hypoxia BŐR VÖRÖSVÉRSEJTEK Dermatosis Oxidatív hemolízis VÉREREK SZABAD GYÖKÖK SZEM Atherosclerosis Cataracta, Retinopathia TÜDŐ RDS, szilikózis TÖBB SZERVET ÉRINTŐ GASTRO-INTESTINALIS RENDSZER Gyulladásos folyamatok, gyógyszer-mérgezések, vas toxikózis, táplálóanyag hiány, tumorképződés Diabetes, pancreatitis, intestinalis ischemia