Antioxidative Schutzmechanismen
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Antioxidative Schutzmechanismen 1. Oxidativer Stress und Pathogenese von Krankheiten 2. Biologisch wichtige oxidative Systeme 3. Antioxidative Systeme 4. Bestimmung des antioxidativen Potenzials Redoxregulation Oxidative Schädigung Oxidantien Proteine, Lipide, Kohlenhydrate, DNA u. a. Antioxidative Schutzmechanismen Normal: Oxidationen und Reduktionen sind essentiell für viele zellphysiologische Prozesse „Oxidative Homöostase“ Stress: Oxidative Prozesse werden verstärkt zahlreiche Adaptationen der Zellen Ausbildung pathologischer Zustände Die Zelle im Stress Zytokine Physikalische Einwirkungen TNF-α IL-1 Effektoren von Enzymen Phorbolester Okadasäure Ceramide Mikroorganismen LPS Endotoxine Viren Stress UV-Strahlung Scherstress Hitzestress Oxidantien ROS Antioxidantien Mangel an Metaboliten Ischämie/ Toxische Reperfusion Einwirkungen O2-Mangel NF-κB AP-1, AP-2 HSF IRP Transkription Translation Proteinsynthese Antwort Die Zelle im Stress Stress Oxidantien ROS Antioxidantien NF-κB AP-1, AP-2 HSF IRP Transkription Translation Proteinsynthese Antwort Wachstum und Differenzierung Regulation bei Entzündungen Apoptose Pathogenese von Erkrankungen Antioxidative Enzyme Stress-Proteine Zytokine Adhäsionsmoleküle Entzündungsmediatoren Wachstumsfaktoren Beispiele für Erkrankungen mit gestörter oxidativer Homöostase Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Arteriosklerose Lungenerkrankungen Erkrankungen der Haut, Sonnenbrand Nierenschäden Erkrankungen der Leber Neurodegenerative Erkrankungen Diabetes Sepsis Schwere bakterielle und virale Infekte Rheumatoide Arthritis Erkrankungen des Magen-Darm-Traktes viele schwere systemische Erkrankungen, weit verbreitete Erkrankungen vorwiegend in der zweiten Lebenshälfte Pathogenese-Mechanismen oft nicht im Detail bekannt symptomatische Therapieansätze überwiegen Beispiel 1: Oxidation von Lipoproteinen LDL-Partikel transportieren Cholesterol, spezielle LDL-Rezeptoren an Zelloberflächen Akkumulation oxidierter LDL in Makrophagen Ausbildung von arteriosklerotischen Plaques Low-density lipoprotein (LDL) Beispiel 2: Ischämie und Reperfusion Ischämie Minderdurchblutung bestimmter Gewebeareale Sauerstoffmangel, ATP-Mangel Purinstoffwechsel wird verstärkt (Akkumulation von Hypoxanthin, Xanthin) Reperfusion Wiederherstellung der normalen Durchblutung während ischämischer Phasen akkumulierte Produkte können zu Beginn der Reperfusion massiv reaktive Sauerstoffspecies produzieren Gewebeschädigung Beispiel 3: UV-Schäden ein Übermaß an UV-Strahlung und kurzwelligem sichtbaren Licht ist schädlich UVA: UVB: UVC: 320 – 380 nm 290 – 320 nm 190 – 290 nm direkte Absorption von UV-Licht durch Proteine und DNA vermehrte Bildung von reaktiven Species wie O2•-, H2O2, Singulett-Sauerstoff 1O2 Beispiel 3: UV-Schäden ein Übermaß an UV-Strahlung und kurzwelligem sichtbaren Licht ist schädlich UVA: UVB: UVC: 320 – 380 nm 290 – 320 nm 190 – 290 nm direkte Absorption von UV-Licht durch Proteine und DNA vermehrte Bildung von reaktiven Species wie O2•-, H2O2, Singulett-Sauerstoff 1O2 Folgen Erythembildung, Sonnenbrand, schwere lokale und generalisierte Entzündungen Adaptationen vermehrte Synthese von Melantonin Aktivierung von antioxidativen Schutzmechanismen Sonnencremes mit entsprechendem Lichtschutzfaktor Beispiel 4: Sepsis Septischer Schock, multiples Organversagen (besonders kritisch Leber und Niere) Mechanismen unklar, Beteiligung neutrophiler Granulozyten wahrscheinlich Neutrophile phagozytieren, töten und verdauen körperfremde Keime frühe Mechanismen unspezifische Abwehr jedoch auch in späteren Phasen ständige Rekrutierung dieser Zellen Neutrophile produzieren große Mengen an O2•-, H2O2 und sezernieren das Häm-Enzym Myeloperoxidase Offene Probleme Regulation der Aktivierung der einzelnen Zelltypen Terminierung von Immunantworten Myeloperoxidase HOCl HalogenierungsZyklus Cl- His 95 Met 243 Asp 94 PorFe3+ + H2O2 +•PorFe4+=O - H2O Native enzyme Glu 242 •AH His 366 Compound I PeroxidaseZyklus + H2 O •AH AH2 PorFe4+=O Asn 421 Fiedler TJ et al., J. Biol. Chem. 275 (2000) 11964-11971 AH2 Compound II Biologisches Material jedes biologische Material kann oxidiert bzw. chemisch verändert werden leicht oxidierbare biologische Materialien Verbindungen mit aliphatischen Doppelbindungen ungesättigte Fettsäurereste Schwefelhaltige funktionelle Reste in Proteinen und Aminosäuren Cystein-, Methioninreste Verbindungen mit aromatischen Aminosäuren Oxidativ verändertes biologisches Material führt zu strukturellen Schädigungen, funktioneller Beeinträchtigung und somit zu Inaktivierung, Fehlfunktionen und Absterben Redoxeigenschaften der biologischen Materialien bestimmen ihre Oxidierbarkeit Oxidation von Lipiden Doppelbindungen als Angriffsort für reaktive Species 1-Palmitoyl-2-linoleoyl-sn-glycero-3-phosphocholin (PL-PC) O C O CH2 O C O CH leicht oxidierbar Ausbildung zahlreicher reaktiver Produkte Peroxylradikale Hydroperoxide Alkoxylradikale Carbonylverbindungen (Aldheyde u.a.) Schiff‘sche Basen strukturelle und funktionelle Konsequenzen O - H2C O P O O CH3 + N CH3 CH3 Oxidation von Lipiden Antioxidantiver Schutz Reaktion mit Peroxylradikalen lipidlösliche Antioxidantien α-Tocopherol (Vitamin E) Ubiquinol, Dihydroliponsäure RH - -e , -H + Peroxidasen R + +2e ,+2H ,-H2O +O2 - - ROO +e ,+H+ RH ROOH . R +e ,+H+,-H2O 2+ Fe Peroxidasen zur Eliminierung von Hydroperoxiden GSH-Peroxidase, TRX-Peroxidase, Häm-Peroxidasen Kontrolle über freie Metallionen Expression von Ferritin, Abregulation des Transferrinrezeptors 3+ Fe - RO +e ,+H+ RH ROH . R Interaktion Vitamin E und Vitamin C OH CH3 ROO HO O CH3 CH3 R O O CH3 O Vitamin E CH O Semidehydroascorbyl-Radikal CH3 OH O ROOH O CH3 CH2OH CH 3 Vitamin E Radikal R CH3 O O CH CH2OH HO OH Ascorbat Recycling des lipidlöslichen Vitamin E durch das wasserlösliche Vitamin C Oxidation in Proteinen Oxidation von – SH Gruppen (Cystein) Reparatur über das Glutathion- und Thioredoxin-System Oxidation von Methionin-Resten Reparatur über spezielle Enzyme (Methionin-Sulfoxid-Reduktase) Veränderungen an allen anderen Aminosäureresten keine zellulären Reparaturmechanismen schrittweise Entfaltung, hydrophobe Domänen kommen nach außen Markierung mit Ubiquitin, Aktivierung cytoplasmatischer Proteasen, intrazellulärer Abbau dieser Proteine Oxidationen in biologischen Systemen Oxidantien E0‘, V (pH 7) Oxidierbares Material 2.4 . OH / H2O 2.2 ROOH / ROH . ROOH / RO . RO / ROH 2.0 1.8 . 1.6 . ONOO / NO2 H2O2 / 2 H2O HOCl / Cl-, H O . 1.4 1.2 2 ROO .- / ROOH O2 / H2O 1.0 0.8 Comp. I / Comp. II (Peroxidases) R / RH (sat.) 0.6 Comp. I / nat. enz. (Peroxidases) . Trp / Trp-H . Tyr-O / Tyr-OH . -S / -SH . . R / RH (allyl-H) R / RH (bis-allyl-H) Reduktion von Sauerstoff zu Wasser Sauerstoff SuperoxidAnionradikal Wasserstoffperoxid Hydroxylradikal Wasser O2 + e- → O2•- diverse Enzyme O2•- + O2•- + 2 H+ → H2O2 + O2 spontan, Superoxiddismutase H2O2 + Fe2+ → •OH + -OH + Fe3+ Fenton-Reaktion H2O2 + 2 e- + 2 H+ → 2 H2O Peroxidasen O2 + 4 e- + 4 H+ → 2 H2O Mitochondrien Singulett-Sauerstoff Sauerstoff liegt in der Regel als Triplett-Sauerstoff vor 3O2 Singulett-Sauerstoff ist viel reaktiver 1O2 Aktivierung durch Photosensitizer (Flavone, Quinone, Porphyrine) photochemische Prozesse bestimmte Reaktionen zwischen reaktiven Species spezielle Singulett-Sauerstoff Generatoren Spezielle Reaktionen Addition an Doppelbindungen, Bildung von Hydroperoxiden und Dioxethanen Reaktive Stickstoffverbindungen Stickstoffmonoxid second messenger, Gefäßrelaxation Peroxynitrit •NO + O2•- → O=NOO- äußerst reaktiv, Bildung im entzündeten Endothel Stickstoffdioxid NO2- → •NO 2 + e- Oxidation von Nitrit durch Peroxidasen Metallionen sehr geringer Gehalt an freien Metallionen: Fe2+, Fe3+, Cu2+ „free labile iron pool“ Eisen ist hier gebunden an Citrat, Bicarbonat, Phosphat u.a. katalytisch aktiv Zunahme unter Stress zahlreiche Redoxprozesse mit freien Metallionen Antioxidantien Chemische Definition irgendein System, das eine gegebene Oxidation hemmt der Antioxidant wird anstelle des Substrats oxidiert der Antioxidant bindet irgendeine für die Oxidation notwendige Komponente Biologische Definition irgendein System, das die Oxidation wichtige struktureller und funktioneller Komponenten in biologischen Systemen hemmt viel breitere Anwendung des Begriffs „Antioxidant“ als in chemisch klar definierten Systemen oft kein unmittelbarer Bezug des „Antioxidantien“ zur eigentlichen Oxidation Biologisch wichtige Antioxidantien Entfernung primärer reaktiver Species O2•- Superoxiddismutase H2O2 Catalase und andere Peroxidasen 1O Carotinoide (β-Carotin, Vitamin A) 2 Ketten-brechende Antioxidantien α-Tocopherol, Ubiquinol, Dihydroliponsäure Entfernung organischer Hydroperoxide Glutathion-Peroxidase, Thioredoxin-Peroxidase, andere Peroxidasen Kontrolle über Metallionen Ferritin, Chelatoren Antioxidantien in wässrigen Phasen Askorbinsäure, Harnstoff Antioxidatives Potenzial dient der vergleichenden Charakterisierung von Gewebeextrakten, Lösungen, Naturstoffen u. a. hinsichtlich ihrer Fähigkeit bestimmte oxidative Prozesse zu unterdrücken Vielzahl von Oxidationsreaktionen in biologischen Geweben komplexe Verknüpfungen dieser Reaktionen Generelle Vorgehensweise Oxidant Substrat + Oxidant generierendes System + Antioxidant, Gewebeextrakt usw. Oxidiertes Produkt Menge sowie Kinetik der Bildung werden beeinflusst System 1: Xanthin-Xanthinoxidase OH N N N O2 O2 OH •- N H Hypoxanthin N N HO N O2 O2 OH •- N N N H HO Xanthin OH N Harnsäure Alternative Substrate: Hypoxanthin, Acetaldehyd Nachweisverfahren: Produktion von Harnsäure: Absorption bei 295 nm ε = 9600 M-1cm-1 Superoxidanionradikale über Reduktion von Cytochrom c Cyt. c-Fe(III) + O2•- → Cyt. c-Fe(II) + O2 Absorption bei 550 nm ε = 21100 M-1cm-1 N H System 1: Xanthin-Xanthinoxidase Xanthin + Harnsäure XOD Wirkung von Inhibitoren + IC50-Werte O2•- O2 z. B. Flavonoide Reaktion mit O2•- in Konkurrenz zu Cyt c Hemmung des Enzyms Inhibierung XOD Reaktion mit O2•- viele Flavonoide besitzen starke biologische und pharmokologische Aktivitäten Beispiele - + Epigallocatechin + - Baicalein + + Myricetin + prooxidativ Galangin - prooxidativ Naringenin 7-Hydroxyflavonon Flavonoide R1 weit verbreitet R2 reagieren auch mit anderen reaktiven Species B O modulieren Enzymaktivitäten z. B. von Kinasen A R3 C R4 O antibakterielle, antivirale, antioxidative, antimutagene Eigenschaften R1 R2 R3 R4 Kämpferol H OH H OH Quercetin OH OH H OH Myricetin OH OH OH OH Rutin OH OH H O-Rhamnoglycosyl System 2: Fenton-Reaktion H2O2 + Fe2+ → •OH + -OH + Fe3+ Nachweisverfahren: Verbrauch an H2O2 ε230 = 74 M-1cm-1 nur bei hohen H2O2 Konzentrationen geeignet Scopoletin-Verfahren Oxidation von Scopoletin durch H2O2 in Gegenwart von Meerrettich-Peroxidase Verbrauch an Fe2+ Farbkomplex mit 1,10-Phenanthrolin ε510 = 10931 M-1cm-1 System 2: Fenton-Reaktion Bildung spezieller Produkte durch •OH Hydroxylierung aromatischer Verbindungen (Salicylsäure, Terephthalsäure u.a.) Desoxyribose Bleichen von p-Nitrosodimethylanilin, λ = 440 nm System 3: Lipidperoxidation komplexe Veränderungen Nachweis über Dienkonjugate, spezielle Produkte wie Malondialdehyd u. a. + O2 Beispiel: Akkumulation von Dienkonjugaten in Low-density Lipoproteinen konjugierte Doppelbindungen OOH ε234 = 29500 M-1cm-1 System 4: Singulett-Sauerstoff Produktion von 1O2 durch Thermodissociation von 3,3‘-(,4-naphthyliden)dipropionat Nachweis über Emission von infrarotem Licht bei 1268 nm (spezielle Germaniumdioden) 1O 2+ Quencher 1268 nm Carotinoide quenchen effizient 1O2 (1O2 → 3O2) k, × 1010 M-1s-1 Lycopen 3,1 γ-Caroten 2,5 Astaxanthin 2,4 Canthaxanthin 2,1 α-Caroten 1,9 β-Caroten 1,4 Bixin 1,4 Zeaxanthin 1,0 Lutein 0,8 klassische Antioxidantien wie Tokopherol-Derivate wirken rund 100mal schwächer System 5: Spezielle Radikalgeneratoren spezielle Verbindungen, die wäßrigen Phasen freie Radikale bilden 2,2‘-Azobis(2-amidinopropan) AAPH Anwendung: Initiierung von Lipidperoxidationen gut geeignet für artifizielle Systeme aber, die Verhältnisse in biologischen Systemen werden nur bedingt erfüllt
![6.3.1 1-Oxa-spiro[2.5]octan - Institut für Organische Chemie](http://s1.studylibde.com/store/data/001356875_1-96e669e5c88ad586db9f9f199d424d05-300x300.png)
