NANOPARTIKEL

FREIE RADIKALE,
OXIDATIVER STRESS
& NANOPARTIKEL
Tsewang
Kurzer Überblick
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Was sind freie Radikale ?
Wo entstehen Freie Radikale ?
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Wie entstehen Freie Radikale in Lebewesen ?
Warum brauchen Lebewesen wie der Mensch FR?
Warum sind sie dann schädlich ?
Wie werden sie in den Zellen neutralisiert ?
Der Zusammenhang zwischen Nanopartikeln und
der Bildung von freien Radikalen ?
Nanopartikel in Lebewesen.
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Was sind Freie Radikale?
Freie Radikale sind Atome oder Moleküle, die eine oder mehr
ungepaarte Außenelektronen enthalten.
Dadurch sind die meisten Radikale hochreaktiv, da solche freien
Elektronen immer bestrebt sind, in eine stabile, gepaarte Form
überzugehen.
.
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Beispiele von Freie Radikale
(ROS)
Hyperoxid-Anion ( O2.- ),
Hydroxyl-Anion ( HO. ),
Wasserstoffperoxid (H2O2),
Ozon ( O3 ),
Stickstoffoxid (NO), etc
}
Reactive Oxygen
Species
oder
Reaktive
Sauerstoffspezies
und so weiter
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Wo entstehen Freie Radikale?
• in der Umwelt
• in Lebewesen
Wie entstehen Freie Radikale in Lebewesen?
• In aeroben Lebewesen werden freie Radikale während und durch den
normalen Stoffwechsel erzeugt.
• Insbesondere werden freie Radikale während der
Elektronübertragung in der Plasmamembran und hauptsächlich
während der Elektronübertragung in der Mitochondrienmembran
erzeugt. z.B. O2.- Hyperoxid (Superoxid)
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Revisitting Mitochondrion
Doppelmembran
Mitochondrion oder Mitochondrium, Plural Mitochondrien
(griech. mitos, für Faden und chondros für Korn)
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Quelle: wikipedia
Elektronübertragungskette
in Mitochondrienmembran
http://vcell.ndsu.edu/animations/etc/index.htm
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FR entstehen durch Elektronübertragungskette
Elektronübertragungskette: Electron Transport Chain
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• Etwa 3-10% (2) des Sauerstoffs in Mitochondrion wird nicht
entsprechend reduziert oder
• 2 – 5% des inhalierten Sauerstoffs (3) nicht reduziert.
• ROS-Produktion ausgelöst.
• ROS wie Superoxyd können ins Zytosol (der flüssige Bestandteil
des Zytoplasma) gelangen und reagieren mit anderen Substanzen
und dabei werden andere RF produziert.
• Eine Kettenreaktion ist in Gang gesetzt.
(2) M. Simko, A. Gazso, U. Fiedeler, M. Nentwich, Mai 2009, Nanopartikel, Freie Radikale und Oxidativer Stress
(3) Sjodin, T., Y.H. Westing, and F.S. Apple. Biochemical mechanisms for oxygen free radical formation during
exercise. Sports Med. 10: 236 – 254, 1990
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Warum brauchen Lebewesen wie der
Mensch FR?
• Immunabwehr - Freie Radikale wie Superoxyd sind hoch giftig für
Pathogene
• Körpereigenen Tumorsuppression (Apoptose)
• Physiologische Funktionen wie Signalübertragungen
• Regulation von Zellfunktionen, die über Sauerstoffkonzentrationen
kontrolliert werden
• Redox-Gleichgewicht
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Warum sind sie dann schädlich?
1.
Oxidativer Stress:- Das schädliche Ungleichgewicht zwischen der
Oxidation und der Antioxidation worin die Oxidation überwiegt.
2.
Könnte Modifizierung der DNA oder Enzymstörungen stehen.
3.
Oxidative Zerstörung von Makromolekülen wie z. B. Lipiden,
Proteinen und Nukleinsäuren.
4.
Fehlregulation der Apoptose (programmiertes Zelltod) - Alzheimer,
Krebs
5.
Chronische Entzündungen
6.
Alterung (Funktionaler Untergang)
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Wie werden FR in der Zellen neutralisiert
oder gehemmt ?
• Antioxidantien: Halliwell und Gutteridges Definition: Any
substance that, when present at low concentrations compared with
that of an oxidisable substrate, significantly delays or inhibits
oxidation of that substrate'.
Zum Beispiel: Enzymen (SOD – Superoxid Dismutase), Vitaminen
C, Glutathion, Vitamin E, Vitamin A, usw.
• Zellen sind in einem stabilen Zustand, wenn die Rate der ROSProduktion und die Antioxidationskapazität im Gleichgewicht sind.
Dann spricht man von einer ausbalancierten Redox-Kapazität.
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Der Zusammenhang zwischen den
Nanopartikeln und der Bildung von FR
• Verschiedene In-vitro- und In-vivo-Studien haben gezeigt, dass die
Bildung freier Radikale durch Nanopartikel (Fullerene, KarbonNanoröhrchen, Quantum Dots, Abgaspartikel), ausgelöst werden
kann (1,2).
• Nanopartikel können aktiv (Phagozytose) durch bestimmte Zellen
(Makrophagen) aufgenommen werden und die Bildung von ROS
einleiten.
• ROS können auch direkt auf der Oberfläche der Partikel entstehen,
dies ist allerdings abhängig von der Beschaffenheit der Partikel
(z. B. fungieren metallische Partikel als Katalysatoren).
(1)
Oberdorster, G., Oberdorster, E. und Oberdorster, J., 2005, Nanotoxicology: an emerging discipline
evolving from studies of ultrafine particles, Environ Health Perspect 113(7), 823-39.
(2) Yamakoshi et al, 2003
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Nanopartikel in Lebewesen
• Außer auslösen vom Oxidativen Stress
• Nanopartikel können auch mechanische Schädigungen innerhalb der
Zellen verursachen.
• Nadelförmige Nanoröhrchen können chronische Entzündungen
hervorrufen, während kurze und/oder gekrümmte ebenso wie lange
gekrümmte Nanoröhrchen keine solche Effekte induzieren.
• Dadurch können sie Mesotheliome (Bindegewebstumore) und/oder
knotenartige Gewebsneubildungen, so genannte Granulome
verursachen.
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit
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• Komplex IV Cytochrom c
• Komplex V ATP-Synthase
Komplex I NADH-Dehydrogenase
Kommplex II Ubichinon
Komplex III Ubihydrochinon
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Fachbegriffe
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Nanopartikel
Freie Radikale
Oxidation
Oxidanten
Antioxidation
Antioxidantien
Redox
Oxidativer Stress
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