Úloha reaktivních metabolitů kyslíku a dusíku v patofyziologii vybraných onemocnění Oxidativní stres Prooxidanty Antioxidanty Patofyziologie RMK a RMD FYZIOL. FUNKCE ZDROJ POŠKOZENI oxidace M xenobiotik Cyt. P-450 regulace hladkého + svalstva destrukce patogenů Endotel. buňky DNA proteiny lipidy sacharidy Fagocyty Oxidatívni poškození makromolekul ca Poškození Následky nenasycené mastné kyseliny v lipidech ztráta dvojných vazeb, tvorba reaktivních metabolitů (peroxidy, aldehydy) změněná fluidita lipidů, změny v propustnosti membrán, vliv na membránově vázané enzymy, tvorba chemoatraktivních látek pro makrofágy proteiny agregace a síťování, fragmentace a štěpení, modifikace thiolových skupin a benzenových jader aminokyselin, reakce s hemovým železem změny v transportu iontů, vstup Ca2+do cytosolu, změny v aktivitě enzymů DNA štěpení kruhu deoxyribózy, modifikace a poškození bází, zlomy řetězce, krizové vazby retezcu mutace, translační chyby, inhibice proteosyntézy Důsledky oxidativního poškození proteinů Změna enzymatické aktivity Změna iontové homeostáze buňky (porucha fukce transportních pump) V cytosolu se hromadí Ca2+ -> aktivace proteáz a fosfolipáz Vznik nových antigenních determiannt a nástup autoimunitních reakcí Změny v molekulární buněčné signalizaci Důsledky oxidativního poškození DNA Důsledky oxidativního poškození Řetězcové zlomy vedou k aktivaci PARP (poly(ADP-ribose)polymerasa) - enzymu vázaného na chromatin, který využívá NAD+ k nápravě zlomů). Nadměrná aktivace PARP = deplece NAD+ = interference se syntézou ATP = buněčná smrt. Modifikace bazí vedou k mutacím. Příklad: RNS deaminují A na HX, C na U a G na X, což má za následek nesprávné párováni bází (např. správné párování A - T je nahrazeno HX - C) Úloha RMK a RMD v patofyziologii PRICINA CHOROBY x ? SYMPTOMATICKÝ PROJEV CHOROBY Neurodegenerativní onemocnění - excitotoxicita glutamát - excitační neurotransmiter v mozku (75%), podílí se na tvorbě paměti a učení v hipokampu 4 typy receptoru - NMDA-receptor (N-metyl-D-aspartát) aj. extrémní nebo dlouhodobá aktivace —» poškození a smrt buněk zvýšená hladina Ca2+ —» zvýšená produkce RMK mitochondriemi, aktivace NOS, RMK jako vedlejší produkt metabolismu kys. arachidonové —» peroxynitrit —> poškození makromolekul, energetické vyčerpání, pozměněná aktivita glutamátových receptoru Neurodegenerativní onemocnění - excitotoxicita Neurodegenerativní onemocnění - excitotoxicita Parkinsonova choroba Parkinsonova choroba hypokineticko-hypertonické poruchy jsou způsobeny zánikem dopaminergních neuronů v zona compacta substantiae nigrae klíčovým procesem degenerace neuronů v SN je oxidativní stres autooxidace dopaminu —» semichinony, chinony, neuromelanin oxidace dopaminu MAO —» H202 zvýšená peroxidace lipidů oxidační poškození proteinů Parkinsonova choroba snížená aktivita mitochondriálního komplexu I —» přerušení řetězce přenosu elektronů —» otevření zvláštních membránových pórů —» apoptóza zvýšená aktivita Mn-SOD výrazný pokles GSH vyšší obsah Fe a změny jeho molekulární distribuce (neuromelanin = chelátor železa) přítomnost aktivovaných mikroglií Parkinsonova choroba 2GSH GSSG MAO-B Dop amine DOPAC +1^02 Fe+2 +0H *, OH- Fe+3 + neuromelanin Parkinsonova choroba ParkinSOn 5 di*ease Alzheimerova choroba vyšší věkové skupiny (nad 65 let) progresivní mozková degenerace • změna osobnosti • poruchy paměti • agnóze • afázie na světě asi 15 milionů lidí Alzheimerova choroba hromadění velkého počtu amorfních proteinových agregátů - tzv. amyloidů tvorba senilních plaků v mozku spleti změněných neurofibril zánik neuronů ve frontálním, parietálním a temporálním laloku významné poškození cholinergního systému Alzheimerova choroba Alzheimerova choroba primární příčiny vzniku nejsou známy úloha RMK a RMD v patogenezi hlavní složkou amyloidních depozit je amyloidní peptid B (AB), který vzniká z amyloidového prekurzorového proteinu - APP APP —» solubilní APPs —» ochrana neuronů před glutamátovou neurotoxicitou Alzheimerova choroba Stárnutí JJ- Mutace presenilinu Polymerizace AB Mutace APP RMK Plazmatická membrána Oxidace, uvolnění mastných kyselin Indukce tvorby Tau-filament Dysfunkce Alzheimerova choroba 1. přímý neurotoxický účinek AB • interakce s NMDA-receptorem • katalýza vzniku RMK (vazba a redukce Cu2+) 2. aktivace mikroglie Alzheimerova choroba acetylcholin moduluje informační procesy v mozku prostřednictvím muskarinových receptoru PKC i fosforylace APP i neuroprotektivní APPs snížená aktivita cholinacetyltransferázy Oxidatívni poškození oka exogenní zdroje RMK: • atmosferický kyslík • sluneční záření noxy zevního prostředí • ozon • toxické oxidy dusíku a síry endogenní mechanismy • aktivované fagocyty • elektronový transport Oxidativní poškození oka oční tkáně - vysokomolekulární (enzymatické) antioxidanty • SOD • kataláza • GSH-peroxidáza oční tekutiny - nízkomolekulární antioxidanty • kys. askorbová Oxidativní poškození oka dlouhodobé působení světla a RMK —» oční zákal (poškození složek čočky a jejich precipitace) konstantní expozice světlu —» degenerace sítnice (tzv. fotoperoxidace zejm. v retinální fotoreceptorové membráně) 290-320 nm (UVB) - není potřeba fotosenzibilizátoru Patologie těhotenství a perinatálního vývoje Preeklampsie hypertenze, proteinurie, edémy, sklon k hemokoagulaci, poruchy funkce jater a ledvin, intrauterinní retardace růstu plodu • teorie VLDL/antitoxická aktivita albuminu • teorie uteroplacentární ischemie • teorie porušené imunitní adaptace • teorie genetického původu preeklampsie lokální oxidativní stres v uteroplacentární oblasti Patologie těhotenství a perinatálního vývoje Preeklampsie peroxidace lipidů, aktivace neutrofilů, vyplavování xanthin oxidoreduktasy do oběhu —» systémová endotelová dysfunkce Patologie těhotenství a perinatálního vývoje Bronchopulmonální dysplazie chronická respirační tíseň - poškození cévního a kapilárního endotelu, dysbalance v regulaci vazomotoriky plic porucha nezralých novorozenců (75% novorozenců s porodní hmotností 1 kg, 20-45% dětí narozených před 32. týdnem těhotenství) nedokončený vývoj antioxidačního ochranného systému porod = značný oxidační stres (hypoxické intrauterinní prostředí —» normoxie) Patologie těhotenství a perinatálního vývoje Nekrotizující enterokolitida 12% nezralých novorozenců těžká poškození střevní sliznice, mikrotromby, krvácení do střeva, dehydratace, případně gangréna a preforace střeva mortalita 20-30% xanthin oxidoreduktasa infiltrace neutrofilů: MPO, PAF —» ulcerogeneze Patologie těhotenství a perinatálního vývoje Patologie těhotenství a perinatálního vývoje Retinopatie z nezralosti hyperoxická terapie —» růst sítnicových cév —> ztráta integrity —» hemoragie —> ablace sítnice —> oslepnutí lipidová peroxidace v důsledku hyperoxie zvýšená hotovost iontů Fe Patologie těhotenství a perinatálního vývoje Normální sítnice Retinopatie Žlutá Optický Krvácení Aneurismata skvrna disk Patologie těhotenství a perinatálního vývoje Terapie a prevence chorob novorozence z nezralosti 1. blokace tvorby RMK deferoxamin, allopurinol 2. vychytávání RMK po jej ich vzniku modifikovaná SOD 3. zastavení řetězové reakce tvorby sekundárních oxidantů vit. E 4. posílení endogenní antioxidační ochrany glutathion, acetylcystein, SOD + kataláza 5. blokace tvorby sekundárních toxických metabolitů inhibice infiltrace neutrofilů, antagonisté PAF Onkologická onemocnění vznik nádorového bujení (sekundární promotory —> mutace —» indukce onkogenů) řízení apoptózy a proliferace buněk (redoxní mechanismy —> aktivita faktorů buněčné signalizace) Stárnutí Buněčné teorie stárnutí • Volné radikály oxidativní metabolismus produkuje RMKD, které poškozují proteiny, DNA, mitochondrie • Opotřebování - akumulace běžného poškození teorie glykoxidace (AGE - glukosa + proteiny + oxidace) teorie zánětu • Apoptóza vnitřní poškození a geneticky determinované události • Stárnutí fenotypové projevy stárnutí v důsledku zvýšené frekvence ve stárnoucích buňkách replikativní teorie stárnutí - zkracování telomer buněčná teorie stárnutí - buněčný stres Stárnutí Systémové teorie stárnutí • Životní míra daný metabolický potenciál • Neuroendokrinní změny v kontrole homeostase —» fyziologické změny • Imunologické pokles imunitních funkcí s věkem, zvýšený výskyt chorob Stárnutí Volně-radikálová teorie stárnutí RMKD T kumulativní oxidativní poškození ▼ strukturní poškození apoptoza funkční nedostatečnost choroby spojené s věkem Stárnutí Mitochondriální teorie stárnutí Komplex X O2-- RMKD ; NO NOS H2O2 lipidová peroxidace oxidace enzymů poškození DNA