Seminar Klinische Chemie Oxidativer Stress, Reaktive Sauerstoff-Spezies, Radikale Literatur: Wiederholung: Zeeck (8. Auflage): Kap. 9. Literatur: Löffler/Petrides: Biochemie & Pathobiochemie, 7. Auflage, Kap. 17.3 (Seite 550-552), 981f http://plaza.ufl.edu/cleeuwen/LECTURE-3.PDF W. Kaim, B. Schwederski, Bioanorganische Chemie, Teubner Studienbücher, 4. Auflage 2005. Leitfaden: 1. 2. 3. 4. Chemie Definition: Radikale, Reaktive Sauerstoff Spezies (ROS) Elektronische Charakterisierung von Sauerstoff-Spezies (Patho)biochemie Bindung von Sauerstoff an Proteine Reduktion von Sauerstoff, Bildung von ROS im Organismus 5. 6. 7. Definition: Oxidativer Stress, Schäden durch ROS Körpereigene Schutzmaßnahmen (und Prävention durch Nahrungsmittel?) Die Rolle von Eisenionen bei oxidativem Stress Klinische Chemie Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 1 Seminar Klinische Chemie 1. Definition: Radikale, Reaktive Sauerstoff Spezies (ROS) Spaltung von chemischen Bindungen: A B A + B A B A + B A B A + B Elektrophile: E Ionen: heterolytisch Nucleophile: Nu homolytisch Radikale Radikale: • Atome oder Moleküle mit einem (oder mehreren) ungepaarten Elektronen • Bildung durch Homolyse • Energiezufuhr durch Wärme, Licht, energiereiche Strahlung, … • instabil (da kein Elektronenoktett), (meist) sehr reaktiv und kurzlebig Cl Cl 2 H H C Cl H H H Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher H C H H 2 Seminar Klinische Chemie Merke: Es gibt unterschiedlich stabile Radikale • „Elektronenmangel“ kann abgeschwächt oder verstärkt werden • durch „elektronenschiebende (+)“ oder „elektronenziehende (-)“ Gruppen • induktive Effekte über s-Bindungen (vgl. EN): +I oder -I • mesomere Effekte über nichtbindende Elektronenpaare oder p-Bindungen: +M oder -M Stabilität von Alkylradikalen: C C C C tertiäres C > H C H C > C sekundäres H C H primäres > H C Alkylgruppen stabilisieren Radikale durch +I-Effekt H Methylradikal Kohlenstoff-Radikal Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 3 Seminar Klinische Chemie Radikale reagieren: • mit einer weiteren kovalenten Bindung unter Homolyse • durch Kombination mit einem weiteren Radikal • mit einem „Radikalfänger“ zu einem stabileren Radikal • unter Aufnahme oder Abgabe eines weiteren Elektrons H Cl + H H C H H Cl + C H H H H Cl + C H Cl C I + H H H H Cl C H H H I H + Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher I + I C H H stabiler, weniger reaktiv Cl 4 Seminar Klinische Chemie 2. Elektronische Charakterisierung von Sauerstoff-Spezies Der Sauerstoff: „Disauerstoff“ zweithöchste Elektronegativität im PSE sehr starkes Oxidationsmittel Elektronenkonfiguration: 1s2, 2s2, 2p4 Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 5 Seminar Klinische Chemie Singulett-Sauerstoff 1O 2 Triplett-Sauerstoff energiereicher als (90/150 kJ/mol) 3O 2 bzw. O O O O Merke: Sauerstoff ist im Grundzustand ein Diradikal Triplett-Zustand ist energiearm Triplett-Sauerstoff ist „reaktionsträge“ „metastabiler Zustand“ in Sauerstoff-Atmosphäre Oxidationsvorgänge benötigen Aktivierungsenergie Reaktionsfähiger Singulett-Sauerstoff kann durch chemische oder photochemische Anregung entstehen und ist hochreaktiv Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 6 Seminar Klinische Chemie 3. Bindung von Sauerstoff an Proteine Bindung an Hämoglobin: Häm-Eisen(II): + O2 Fe2+ O O Fe2+ Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 7 Seminar Klinische Chemie Bindung an Peroxidasen, z. B. Katalase: Häm-Eisen(III): Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 8 Seminar Klinische Chemie Bindung an Cytochrom P-450 Enzyme (Monooxygenasen, Typ 1): u. a. zur Entgiftung von Fremdstoffen im Organismus P-450 = "Pigment 450" UV-Absorption des CO-Addukts bei 450 nm Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 9 Seminar Klinische Chemie 4. Reduktion von Sauerstoff, Bildung von ROS im Organismus normaler Energiestoffwechsel in Mitochondrien: dabei: 3O Energie 1 2 Singulett-Sauerstoff, toxisch O2 In der Atmungskette Elektronenübertragung nicht „in einem Schritt“, sondern: O2 + e- + H+ Superoxid (Hyperoxid), toxisch O2 HO2 Perhydroxyl-Radikal + e- O2 O22- + Peroxid H O H+ + HO 2- H2O2 Wasserstoffperoxid, toxisch Hydroperoxid H + e- + H + O H+ H2O + ROS (reactive oxygen species) Hydroxyl-Radikal, toxisch, reaktiver als Fluor HO oder O2 2- + O 2- e O 2- - + O + e - + 3 H+ + O H2O 2 O2- + 2 H+ Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher + HO 2 OH- + 2 H+ 2 H2O 10 Seminar Klinische Chemie Weitere ROS: R + N O O2 + + O2 H+ + R H+ O O O Hydroperoxide; auch durch Autoxidation (s. u.) H N O O H Peroxynitrit Stickstoffmonoxid, z. B. in Muskeln + Granulozyten nutzen die Bildung von ROS (Bildung von Superoxid-Radikalen) zur Abwehr von Bakterien: „oxidative burst“ Eine membranständige NADH-Oxidoreductase oder- oxidase erzeugt extrazellulär bakterizid wirkendes Superoxid. - ROS, insbesondere Radikale, können als reaktionsfähige Teilchen nahezu alle Biomoleküle „angreifen“ und funktionell verändern Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 11 Seminar Klinische Chemie weitere Quellen von ROS: • Diabetes Mellitus • Infektionen • Allergien • • • • Chemo-/Strahlentherapie Zigarettenrauch diverse Umwelteinflüsse Medikamente mögliche Folgen: • • • • • • Alterungsprozesse Tumore Entzündungen Arteriosklerose Katarakt Immunschwäche Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 12 Seminar Klinische Chemie 5. Definition: Oxidativer Stress, Schäden durch ROS ROS stammen aus der Veratmung von O2 in der Atmungskette „Oxidativer Stress“: Die entstehenden ROS müssen ständig „kontrolliert“ werden, die Bildung von OH● - Radikalen muss minimiert werden „Leakage“: ROS „entweichen“ aus der Atmungskette in den Körper Schäden durch ROS: DNA: Strangbrüche durch Reaktion mit Desoxyribose Hydroxylierung von Basen Fehlpaarung, Mutationen Reparaturmechanismen Krebs O O N HN H2N N N H Guanin Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher N HN H2N OH N H 8-Hydroxyguanin "Marker" für ROS im Organismus N 13 Seminar Klinische Chemie Proteine: Modifizierung oxidationsempfindlicher Gruppen (Methionin, His, Tryptophan) Bildung von Disulfidbrücken über Cystein-Thiol-Gruppen Protein- bzw. Enzym-Deaktivierung (Abbau und Austausch) Membranlipide: Oxidation über Hydroperoxide: „Lipidperoxidation“ v. a. bei mehrfach ungesättigten Fettsäuren H ROS als Initiator Folgereaktionen Hydroperoxid H H O -H Autoxidation H OH H H Radikalkettenreaktion möglich H Allylradikal H O2 O O H Perhydroxylradikal H Abbau und Austausch; (Haut)Alterung; „Aging“ Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 14 Seminar Klinische Chemie 6. Körpereigene Schutzmaßnahmen (Prävention durch Nahrungsmittel?) Ziel: keine (freien) ROS im Körper Superoxiddismutasen [Metalloproteine (Cu, Zn, Mn)]: -0.5 O2 + O2 + 0 2 H+ O2 + -1 H2O2 (Redoxdisproportionierung) Katalasen (HÄM-Enzyme, extrem effektiv): 2 H2O 2 H2O2 + O2 Glutathion-abhängige Peroxidasen: L-Selenocystein im aktiven Zentrum H 2O2 2 G-SH GSSG-Reduktase GSH-Peroxidase H2 O NADP+ G-S-S-G Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher NADPH + H+ 15 Seminar Klinische Chemie Antioxidantien (Radikalfänger): z. B. Vitamin C (Ascorbinsäure), Vitamin E (a-Tocopherol), Glutathion Selenverbindungen, b-Carotin Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 16 Seminar Klinische Chemie z. B. Nicht-enzymatische Unterbrechung (Inhibierung) der Lipidoxidationskette: (siehe auch Vitamine) Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 17 Seminar Klinische Chemie Radikalfänger als Ergänzung in der Nahrung ?? Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 18 Seminar Klinische Chemie Hyaluronsäure und oxidativer Stress Hyaluronsäure: ubiquitär: • Knochen und Knorpel, • Gelenke (Synovialflüssigkeit) • Sehnen, Bindegewebe, Bänder • Lippen • Haarfolikel und Kopfhaut • Augen o Wasserspeicherung o Druckbeständigkeit o Schmiermittel o antioxidative Eigenschaften o Schädigung durch ROS o Halbwertszeit: 1-3 d o im Alter abnehmende Produktion externe Zufuhr von Hyaluronsäure ? ? Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 19 Seminar Klinische Chemie 7. Die Rolle von Eisenionen bei oxidativem Stress Wasserstoffperoxid ist vergleichsweise inaktiv, aber: Verstärkung von oxidativem Stress durch: Haber-Weiss-Prozess: Fenton-Prozess: FeII + H2O2 FeIII + FeIII + O2 FeII + Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher HO + OH - O2 20 Seminar Klinische Chemie Fenton-Prozess: FeII + H2O2 FeIII + FeIII + O2 FeII + HO + OH - O2 Wird induziert durch verfügbares FeII, z. B. in löslichen Komplexen bei Chelatpatienten Das genaue Redoxpotential [FeIIIcpx] / [FeIIcpx] abhängig vom Komplexligand entscheidet über die Effektivität dieses Prozesses „Ein-Elektronen-Reduktionsmittel“, die zur Initiierung FeIII im ersten Schritt zu FeII reduzieren, sind zu vermeiden wenig Vitamin C für Chelatpatienten ! Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 21 Seminar Klinische Chemie Übungsfragen 1) Bei welchen der untenstehenden Teilchen handelt es sich nicht um „reaktive SauerstoffSpecies“ ? A B C D E Wasserstoffperoxid (H2O2) Hyroxid-Ionen (HO–) Superoxid-Radikale (O2–) Singulett-Sauerstoff (1O2) Hydroxylradikale (HO) 2) Welche Aussage zu reaktiven Sauerstoff-Metaboliten trifft nicht zu ? A B C D E Sie entstehen in Granulozyten unter Mitwirkung einer Membran-ständigen NADPHOxidase. Sie können die DNA schädigen und dadurch mutagene Effekte auslösen. Sie bewirken die Oxidation von Membranlipiden. Sie können durch eine Glutathion-abhängige Reaktion inaktiviert werden. Sie sind Oxidationsprodukte des Sauerstoffs. 3) Welche der Verbindungen gilt nicht als Antioxidans (Radikalfänger)? A B C D E Ascorbinsäure Vitamin E b-Carotin Fructose Selenverbindungen Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 22 Seminar Klinische Chemie Übungsfragen 1) Bei welchen der untenstehenden Teilchen handelt es sich nicht um „reaktive SauerstoffSpecies“ ? A B C D E X Wasserstoffperoxid (H2O2) Hyroxid-Ionen (HO–) Superoxid-Radikale (O2–) Singulett-Sauerstoff (1O2) Hydroxylradikale (HO) 2) Welche Aussage zu reaktiven Sauerstoff-Metaboliten trifft nicht zu ? A B C D E X Sie entstehen in Granulozyten unter Mitwirkung einer Membran-ständigen NADPHOxidase. Sie können die DNA schädigen und dadurch mutagene Effekte auslösen. Sie bewirken die Oxidation von Membranlipiden. Sie können durch eine Glutathion-abhängige Reaktion inaktiviert werden. Sie sind Oxidationsprodukte des Sauerstoffs. (Reduktionsprodukte!) 3) Welche der Verbindungen gilt nicht als Antioxidans (Radikalfänger)? A B C D E X Ascorbinsäure Vitamin E b-Carotin Fructose Selenverbindungen Universität des Sarlandes - Organische Chemie - Prof. Dr. A. Speicher 23
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