Antioxidační mechanismy aerobních organismů  Úvod  Antioxidační ochrana mikroorganismů  Antioxidační ochrana rostlin  Antioxidační ochrana hub  Antioxidační ochrana živočichů Úvod  kyslík je nepostradatelný pro existenci aerobních organismů  toxické formy kyslíku poškozují životně důležité makromolekuly (DNA, RNA, lipidy, proteiny) a způsobují tak zánik buněk  superoxidový radikál (O2 .-), peroxid vodíku (H2O2) a hydroxylový radikál (OH.) O O H O HO H O2 2 2 2 2   . . O O H H O O2 2 2 2 22. .       O2 -. + H2O2 O2 + HO. + HOMe2+ + H2O2 Me3+ + HO. + HO- Antioxidační ochrana mikroorganismů  1% celkového kyslíku se přemění na svoje reaktivní formy  oxidativní stres – externí vlivy  antioxidační ochrana je nejlépe prozkoumána u E. coli a S. typhimurium  superoxiddismutasa, katalasa, alkylhydroperoxidreduktasa, glutathionreduktasa, nízkomolekulární antioxidanty Antioxidační ochrana mikroorganismů - superoxiddismutasa  metaloenzym, nacházející se u všech aerobních organismů  u mikroorganismů se vyskytuje superoxiddismutasa obsahující železo a mangan  katalyzuje dismutaci superoxidového radikálu O O H H O O2 2 2 2 22. .       Antioxidační ochrana mikroorganismů - superoxiddismutasa Antioxidační ochrana mikroorganismů - katalasa  katalasa obsahuje prostetickou protoporfyrinovou skupinu s Fe3+  nacházející se téměř u všech aerobních organismů  eliminuje peroxid vodíku, může mít i peroxidázovou aktivitu 2 2222 2 OOHOH  Antioxidační ochrana mikroorganismů - katalasa Antioxidační ochrana mikroorganismů - katalasa CMLS, Cell. Mol. Life Sci. Vol. 61, 2004 Antioxidační ochrana mikroorganismů - alkylhydroperoxidreduktasa  jde o dimér s FAD jako kofaktorem  byla studována zejména u E. coli a S. typhimurium  redukuje alkylhydroperoxidy na příslušné alkoholy za použití NADPH  ochranu vůči oxidativnímu poškození DNA reaktivními hydroperoxidy a inhibice propagace lipoperoxidace LOHLOOH  Antioxidační ochrana mikroorganismů - glutathionreduktasa  homodimér s FAD jako kofaktorem  nacházející se u všech aerobních organismů  katalyzuje redukci oxidovaného glutathionu  redukovaný glutathion působí jako přímý antioxidant a reaguje s peroxidem vodíku, superoxidovým radikálem a hydroperoxidy Antioxidační ochrana mikroorganismů - glutathionreduktasa Antioxidační ochrana mikroorganismů – nízkomolekulární antioxidanty a reparační enzymy  z nízkomolekulárních antioxidantů jde zejména o vitamin C, vitamin E a b-karoten  z reparačních enzymů jsou nejvýznamnější endonukleasy, exonukleasy a ATPindependentní proteasy  lipoperoxidace u bakterií je udržována na minimu, bakterie nemají reparační mechanismy, které degradují oxidované lipidy Antioxidační ochrana rostlin  u rostlin masivní tvorba reaktivních kyslíkových sloučenin – fotosyntéza, fotorespirace, fixace dusíku  superoxidový radikál vzniká Mehlerovou reakcí při tvorbě NADPH ve světelné fázi fotosyntézy  singletový kyslík vzniká transferem energie z fotoexcitovaného chlorofylu na molekulární kyslík  peroxidu vodíku vzniká při metabolismu 2 – fosfoglykolátu ribulosa-1,5-bisfosfát karboxylasa Ribulosa-1,5-bisfosfát + O2 3-fosfoglycerát + 2-fosfoglykolát glykolátoxidasa Pi glykolátfosfatasa C O CH2 OH O Glykolát O2 Glykolátoxidasa H2 O2 1/2 O2 + Katalasa O3 2- át Pi Fosfoglykolátfosfatasa C O CH2OH O Glykolát O2 Glykolátoxidasa C O C OH O - GlyoxylátH2 O2 1/2 O2 + H2 O2 Katalasa O2 Glykolátoxidasa H2 O2 1/2 O2 Katalasa Antioxidační ochrana rostlin - fotosyntéza Světlo Fotosystém II H2O Aktivovaný fotosytém II O2 1O2 Elektronový transport Fotosystém I Světlo Aktivovaný fotosystém I O2 1O2 NADP NADPH Ferredoxin O2 O.- 2 O2 O.- 2 O2 O.- 2 Antioxidační ochrana rostlin – dýchací řetězec, fixace dusíku  reaktivní formy kyslíku vznikají v mitochondriích při elektronovém transportu  je produkován zejména superoxidový radikál a peroxid vodíku  fixace dusíku (redukce N2 na NH3)  nitrogenasa redukuje kyslík a produkuje reaktivní formy kyslíku  leghemoglobin podléhá autooxidaci a uvolňuje se superoxidový radikál  po dismutaci vznikající peroxid vodíku reaguje se železem hydroxylový radikál Antioxidační ochrana rostlin – superoxiddismutasa, katalasa  rostliny jsou vybaveny třemi typy superoxiddismutasy  CuZnSOD se vyskytuje v cytosolu buněk a zejména v chloroplastech  FeSOD se nachází v chloroplastech  MnSOD se nachází v mitochondriích  katalasa se nachází ve zvláštních organelách – peroxisomech a glyoxysomech  odstraňuje peroxid vodíku vzniklý činností glykolátoxidasy katalyzující přeměnu glykolátu chloroplasty peroxisomy OHCH C CH2 O OPO3 O - 2+ C O CH2OPO3 O 2- 3-Fosfoglycerát - 2-Fosfoglykolát Pi Fosfoglykolátfosfatasa C O CH2OH O Glykolát O2 Glykolátoxidasa C O C OH O - GlyoxylátH2 O2 1/2 O2 + H2 O2 Katalasa Antioxidační ochrana rostlin Antioxidační ochrana rostlin – systém askorbát/glutathion  enzymy systému askorbát/glutathion se nacházejí v chloroplastech, cytosolu a mitochondriích  zajišťuje hlavní ochranu chloroplastů před toxickým peroxidem vodíku vzniklým činností superoxiddismutasy  hlavní antioxidační systém před radikály vznikajícími při fixaci dusíku  využívá několika enzymů, kyselinu askorbové a glutathionu Antioxidační ochrana rostlin – systém askorbát/glutathion H2O2 H2O ASC A.- NAD + NADH DHA GSSG GSH NADP H NADP+ ASC peroxidasa A.- reduktasa DHA reduktasa Glutathion reduktasa Antioxidační ochrana rostlin – nízkomolekulární antioxidanty  hlavní ochrana proti singletovému kyslíku v membránách tylakoidů  kyselina askorbová, GSH a jeho homology  zháší všechny reaktivní formy kyslíku  vzniklý monodehydroaskorbát se musí regenerovat  GSH (gGlu-Cys-Gly), gGlu-Cys-Ala (Fabaceae), gGlu-Cys-Ser (Poaceae)  z tokoferolů je to zejména a-tokoferol  zháší všechny reaktivní formy kyslíku  vzniklý tokoferyl radikál se regeneruje askorbátem nebo GSH Antioxidační ochrana rostlin – nízkomolekulární antioxidanty  z karotenoidů jde zejména o b-karoten a zeaxanthin Xantofylový cyklus Antioxidační ochrana hub  stejné antioxidační enzymy jako u rostlin (SOD, CAT, GSH-GR)  ochrana hlavně mitochondrií  místo askorbátperoxidasy využívají houby k odstranění peroxidu vodíku cytochrom C peroxidasu  výskyt kyseliny erythroaskorbové OHhromCferricytocHhromCferrocytocOH 222 2222   Antioxidační ochrana bezobratlých  nejvýznamnější antioxidační mechanismy jsou SOD, CAT, systému askorbát/glutathion (DHA reduktasa, askorbátperoxidasa), transferin, glutathiontransferasa  nižší hladiny SOD, významná pro parazity  vysoké hladiny CAT (v peroxisomech, cytosolu a mitochondriích), je indukována oxidanty z potravy  hydroperoxidy deaktivuje glutathiontranferasa  z nízkomolekulárních látek jde zejména o vitamin E a b-karoten a jeho hydrofilnější oxidované formy, např. luteinu (b-karoten-3,3´-diol) OHGSSGROHGSHROOH 2 2  Antioxidační ochrana obratlovců  příčinou oxidativního stresu exogenní faktory  zejména SOD (MnSOD, CuZnSOD)  dismutace probíhá u savců nejintenzivněji v játrech, psy a kočky nižší aktivitu než člověk, prase, kráva, myš  hydroperoxidy deaktivuje glutathiontranferasa  peroxid vodíku vzniklý dismutací odstraňuje katalasa a Se-dependentní glutathionperoxidasa Antioxidační ochrana obratlovců - GPOX  selen-dependentní tetramer, glykoprotein  z obratlovců vykazují nejvyšší aktivitu ryby a hlodavci (10x vyšší než člověk), nebyla prokázána u hmyzu  její funkce záleží na dietárním příjmu selenu  nachází se v cytosolu a v plazmě  reakcí vzniklý oxidovaný GSSG regeneruje GR GSSGOHGSHOH  222 22 Antioxidační ochrana obratlovců  DT-diaforasa  cytosolický enzym, redukuje toxické chinony na hydrochinony, využívá NAD(P)H  chrání před vznikem superoxidového radikálu při autooxidaci semichinonů  tyrosinasa  má velký význam v biosyntéze melaninu  obsahuje v aktivním centru měď  při oxidaci substrátu preferuje superoxidový radikál místo kyslíku  chrání melanocyty lidské pokožky před poškozením superoxidovým radikálem generovaným UV zářením Antioxidační ochrana obratlovců  nízkomolekulární antioxidanty  vitaminu E a b-karotenu  lykopen, lutein, zeaxanthin  kyselina askorbová, kyselina močová  polyfenoly z potravy  proteinové antioxidanty  ceruloplazmin - extracelulární protein vážící měď  transferin - extracelulární protein vážící železo  reparační mechanismy  proteasy  DNA-glykosylasy, endonukleasy  lipasy Enzym Člověk Hmyz Superoxiddismutasa střední aktivita nízká aktivita CuZnSOD (cytosol) 50-85 % 24-76 % MnSOD(mitochondrie) 15-50 % 24-76 % Katalasa střední aktivita vysoká aktivita Glutathionperoxidasa vysoká aktivita chybí Glutathiontransferasa střední aktivita vysoká aktivita Glutathionreduktasa vysoká aktivita střední aktivita DT-diaforasa střední aktivita střední aktivita Askorbátperoxidasa neprokázána pravděpodobná Monodehydroaskorbátreduktasa prokázána pravděpodobná Dehydroaskorbátreduktasa prokázána vysoká aktivita Ceruloplasmin vysoká aktivita neprokázán Transferin vysoká aktivita vysoká aktivita