OKSIDATIVNI STRES SLOBODNI RADIKALI PROOKSIDANSI ANTIOKSIDANSI Urednik Mirjana M. uki Institut za toksikologiju akademik Danilo Soldatovi Farmaceutski fakultet, Univerzitet u Beogradu MONO I MANJANA Beograd, 2008.
Oksidativni stres slobodni radikali, prooksidansi i antioksidansi Urednik: Prof. dr. Mirjana M. uki Recezenti * : Prof. dr Bogdan Boškovi Prof. dr Nada Majki -Singh Prof. dr Marina Jovanovi Prof. dr Živorad Mali evi Izdava : MONO I MANJANA Za izdava a: Miroslav Josipovi Nenad Atanaskovi Lektor: Stanislava Vujinovi Likovno-grafi ka obrada: Nikola D. uki Tehni ka obrada: Nikola D. uki Štampa: Grafi ar DOO Tiraž: 500 primeraka Knjiga je obavljena uz pomo : Ministarstvo nauke Srbije (projekat 145010) Technofarm d.o.o. Bulevar Mihaila Pupina 125 11070 Novi Beograd distributer firme Randox u Srbiji Zdravstvena ustanova-apoteka Zlatni lav, Pariska 6, 25000 Sombor * Recezenti monografije su imenovani odlukom (br. 2044/2) Nastavno-nau nog ve a Farmaceutskog fakulteta Univerziteta u Beogradu 25.10.2007.godine.
SADRŽAJ PREDGOVOR...IX AUTORI...XI SKRA ENICE...XIII Mirjana M. uki REAKTIVNE HEMIJSKE VRSTE I OKSIDATIVNI STRES... 3 Slobodni radikali... 4 Definicija i nomenklatura slobodnih radikala... 4 Osobine i otkri e slobodnih radikala... 4 Mehanizam delovanja slobodnih radikala... 5 Reaktivne vrste... 6 Stvaranje reaktivnih vrsta/slobodnih radikala u organizmu... 8 Proces oksidativne fosforilacije... 8 Biotransformacija ksenobiotika... 10 Inflamacija... 10 Metali sa promenljivom valencom... 11 Najzna ajnije reaktivne vrste... 11 Reaktivne kiseoni ne vrste... 11 Superoksil anjon radikal... 12 Vodonik peroksid... 13 Hidroksil radikal... 14 Singlet kiseonik... 15 Reaktivne azotove vrste... 15 Azot monoksid... 15 Peroksinitritni anjon... 17 Oksidativni stres... 18 Odabrani rezulatati naših istraživanja... 20 Zaklju ak... 23 Ankica Jelenkovi, Marina D. Jovanovi, Bogdan Boškovi. AZOT OKSID: SINTEZA, METABOLIZAM I FUNKCIJA... 31 Hemijske karakteristike azot oksida... 32 Sinteza azot oksida... 32 Azot oksid sintaza... 34 Regulacija aktivnosti azot oksid sintaze... 36 Fiziološka funkcija azot oksida održavanje fiziološke homeostaze... 37 iii
Mehanizam delovanja azot oksida... 39 Direktna dejstva azot oksida... 39 Indirektna dejstva azot oksida... 42 Mitohondrije, elijsko disanje i azot oksid... 43 Kardiovaskularni sistem i azot oksid... 46 Nervni sistem i azot oksid... 48 Azot oksid u patogenezi bolesti i toksi nosti centralnog nervnog sistema... 51 Ostala dejstva azot oksida... 52 Terapijske mogu nosti... 52 Umesto zaklju ka... 54 Mirjana M. uki, Ljiljana Tasi ANTIOKSIDATIVA ZAŠTITA I PREPARATI SA ANTIOKSIDATIVNIM DELOVANJEM... 59 Sistem antioksidativne zaštite... 60 Sekvestracija, tj. hvatanje SR... 61 Bioinaktivacija SR... 62 Spre avanje stvaranja sekundarnih SR... 62 Obezbe ivanje redukcionih ekvivalenata... 62 Reparacija oksidativno ošte enih biomolekula... 63 Enzimi antioksidativne odbrane... 63 Superoksidna dizmutaza... 63 Katalaza... 64 Glutation peroksidaza... 64 Glutation reduktaza... 65 Glutation-S-transferaza... 66 Neenzimski antioksidansi... 66 Vitamin E... 67 Vitamin C... 69 Glutation... 70 elijska mesta na koje deluju pojedini antiosidanasi... 72 Preparati sa antioksidativnim delovanjem... 74 Faktori koji uti u na krajnji efekat antioksidanasa... 75 Doza.... 75 Hemijski oblik... 77 Rastvorljivost... 78 Poreklo... 78 Put administracije... 79 Za koji preparat sa antiokisidativnim dejstvom se opredeliti?... 79 ORAC jedinice... 79 Odabrani rezultati naših istraživanja... 81 1) Odabrani rezultati aktivnosti antioksidativnih enzima kod alkoholi ara na dvonedeljnoj terapiji razli itim dozama dislufirama... 81 iv
2) Vitamin E u prevenciji oksidacije fosfatidilserina tokom indukcije apoptoze... 84 Zaklju ak... 85 Sla ana Šobaji DIJETETSKI PREPARATI... 93 SA ANTIOKSIDATIVNIM DELOVANJEM... 93 Optimalne potrebe za nutritivnim antioksidansima... 94 Doze i na in upotrebe dijetetskih suplemenata... 95 Karakterisitke delovanja pojedinih antioksidanasa... 97 Selen... 98 Vitamin E... 99 Vitamin C... 100 Koenzim Q10... 101 Beta-karoten... 101 Alfa-lipoinska kiselina... 102 Umesto zaklju ka... 103 Zoran Maksimovi ANTIOKSIDATIVNI POTENCIJAL LEKOVITOG BILJA... 109 Antioksidansi osnovne teorijske postavke... 109 Polifenoli... 111 Farmakološka aktivnost polifenolnih sastojaka lekovitog i jestivog bilja... 113 Polifenoli kao antioksidansi... 114 Suzana Miljkovi FITOPREPARATI SA ANTIOKSIDATIVNIM DELOVANJEM - DIJETETSKI SUPLEMENTI I TRADICIONALNI LEKOVI... 123 ajevi... 124 Zeleni aj... 125 Osnovni sastojci... 126 Terapijska primena... 126 Priprema aja i postignuti nivoi antioksidanasa u napitku... 127 Antioksidativni potencijal... 128 Doziranje... 128 Neželjeni efekti... 129 Interakcije sa lekovima... 129 Kontraindikacije... 129 Trudno a i dojenje... 129 Toksikološki podaci... 130 v
Upozorenja... 130 Pregled doma eg tržišta... 130 Vinova loza - grož e... 130 Osnovni sastojci... 131 Terapijska primena... 132 Antioksidativni potencijal... 133 Doziranje... 133 Neželjeni efekti... 134 Interakcije sa lekovima... 134 Kontraindikacije... 134 Trudno a i dojenje... 134 Toksikološki podaci... 134 Preparati na tržištu... 134 Pregled doma eg tržišta... 136 Ginko biloba... 136 Osnovni sastojci... 137 Terapijska primena... 138 Antioksidativni potencijal... 140 Doziranje... 140 Neželjeni efekti i upozorenja... 141 Interakcije... 143 Trudno a i dojenje... 144 Kontraindikacije... 144 Pregled doma eg tržišta... 145 Snežana Savi DERMOKOZMETI KI PREPARATI PREVENCIJA I TRETMAN OKSIDATIVNIH OŠTE ENJA KOŽE... 147 Zaštita od sunca... 147 Kako se postiže zaštita od sunca?... 148 Šta farmaceut, tako e, treba da zna i kako da savetuje pacijenta u vezi sa preparatima za zaštitu od sunca?... 152 Antioksidativna zaštita kože topikalni antioksidansi... 155 Vitamin C (L-askorbinska kiselina)... 155 Askorbil-6-palmitat... 156 Magnezijum askorbil fosfat (MAF)... 157 Vitamin E... 157 Biljni antioksidansi... 158 Primeri dermokozmeti kih preparata za prevenciju i tretman oksidativnih ošte enja kože prisutnih na našem i tržištu EU... 159 Intezivni dnevni krem Reti C (Vichy Laboratoires, Francuska); SPF 8, sa retinolom i vitaminom C... 159 vi
Solar expertise, Active Anti-wrinkle cream (L'oréal, Francuska); SPF 50+, sa Activa Cell i vitaminom E, L'oréal-ov patentirani UVA/UVB sistem filtera Mexoryl SX + XL... 159 Anti-age krem za zaštitu od sunca (Nivea Sun, Beiersdorf, Nema ka); SPF 20, UVA/UVB zaštita, sa -flavonom... 160 Vodootporno mleko za zaštitu od sunca za kompleksom za u vrš ivanje kože (Nivea Sun, Beiersdorf, Nema ka); SPF 25, UVA/UVB zaštita... 160 Zaklju ak... 161 Mirjana M. uki, Miodrag P. Diki, Branisalava Miljkovi, Ljiljana Tasi. LEKOVI SA PROOKSIDATIVNIM I ANTIOKSIDATIVNIM DELOVANJEM... 165 Antikancerogeni lekovi... 165 Cisplatin... 166 Bleomocin... 166 Adriamicin (doksorubicin)... 166 Antibiotici... 168 Aminoglikozidni antibiotici... 168 Cefalosporini... 168 Tetraciklini... 168 Nesteroidni antiinflamatorni lekovi... 169 Aspirin... 169 Paracetamol (acetamiofen)... 170 Ostali NSAIDS... 171 Nitrati... 172 Opšti anestetici... 172 Antituberkulotici... 173 Antiepileptici... 174 Lekovi u terapiji obstrukcije disajnih puteva... 175 Tranki lizeri (anksiolitici )... 175 Lekovi u terapiji Parkinsonizma... 175 Kratak osvrt na lekove sa antioksidativnim dejstvom... 176 Vesna Matovi, Danijela uki - osi PROOKSIDATIVNO DEJSTVO METALA....185 Gvož e (Fe)... 185 Bakar (Cu)... 188 Hrom (Cr)... 189 Kadmijum (Cd)... 190 Živa (Hg)... 194 Olovo (Pb)... 195 Cink (Zn)... 196 vii
Magnezijum (Mg)... 197 Zaklju ak... 198 Mirjana M. uki, Marina Jovanovi, Milica Ninkovi, Ivana Stevanovi OKSIDATIVNI STRES MEHANIZAM TOKSI NOSTI DIPIRIDILSKIH HERBICIDA... 203 Mehanizmi toksi nosti herbicida dipiridilske strukture... 204 Toksi nost parakvata... 205 Sistemski efekti trovanja parakvatom... 206 Neurotoksi nost parakvata... 208 Toksi nost dikvata... 209 Odabrani rezultati naših istraživanja... 210 Lipidna peroksidacija u selektivno osetljivim strukturama mozga Wistar pacova i.s. trovanih parakvatom i dikvatom... 211 Aktivnost antioksidativnih enzima (SOD i GSH-Px) i glutationa u strijatumu Wistar pacova i.s. trovanih parakvatom i dikvatom... 212 Sadržaj glutationa u u selektivno osetljivim strukturama mozga Wistar pacova i.s. trovanih parakvatom i dikvatom... 213 Zaklju ak... 215 Marijana ur i Jovanovi, Mirjana M. uki AZOT(II)-OKSID U NEUROTOKSI NOSTI HERBICIDA DIPIRIDILSKE STRUKTURE.. 221 Mehanizmi toksi nosti herbicida dipiridilske strukture... 221 Azot(II)-oksid... 222 Hemijska reaktivnost NO u biološkim sistemima... 224 Nitrozativno ošte enje lipida kod trovanja herbicidima bipiridilske strukture 227 Neurotoksi nost... 227 Ekscitotoksi nost... 227 Apoptoza... 228 Odabrani rezultati naših istraživanja... 228 Zaklju ak... 236 TEST - PITANJA I ODGOVORI...241 viii
Predgovor Ova monografija posve ena je aktuelnim i sve zna ajnijim pitanjima vezanim za zna aj i ulogu reaktivnih hemijskih vrsta, slobodnih radikala i antioksidanasa u biološkim sistemima, sa naglaskom na humanu populaciju. O njima se, kao što znamo i svakoga dana se u to osvedo avamo, esto govori, ali nedovoljno pouzdano i bez razumevanja suštine ove problematike. Koliko god da su slobodni radikali i antioksidansi esta tema savremenih rasprava, pa su ak stalno prisutni u medijima, marketinški se eksploatišu i pretvaraju u neku vrstu zdravstvene opsesije, medicinski aspekti slobodnih radikala i antioksidansa do sada nisu u dovoljnoj meri privukli našu medicinsku javnost. Zapostavljanje ove problematike kod nas za razliku od razvijenih zemalja, utoliko je o iglednije jer ova važna problematika nije obuhva ena programom studija na fakultetima zdravstvene struke (medicinski, farmaceutski, stomatološki i fakultet veterinarske medicine) što je razlog za ozbiljno u enje, pa ak i zbunjenost. U našoj stru noj i obrazovnoj literaturi postoji izvesna praznina kada je re o ovoj tematici. Želja autora ove monografije - koja samo delimi no obuhvata njihove bogate istraživa ke opuse posve ene ovoj temi, ali predstavlja i nau na dostignu a stranih autora je da se ublaži taj nedostatak u onoj meri u kojoj su ovom knjigom obuhva ena mnoga od najvažnijih pitanja slobodnih radikala, šire reaktivnih vrsta i antioksidanasa. Knjiga koju ovde predajemo medicinskoj javnosti i budu im stru njacima ima nau ne, ali i edukativne odlike. U monografiji su definisani pojmovi slobodnih radikala i šire reaktivnih hemijskih vrsta, data je njihova nomenklatura, razmotrena su i utvr ena pitanja antioksidativne zaštite i oksidativnog/nitrozativnog stresa, a rezultatima brojnih ogleda naših eminentnih stru njaka potvr eno je da je oksidativni stres veoma zna ajan medicinski entitet. Oksidativni stres, najjednostavnije re eno, ozna ava stanje organizma u raznim bolestima i trovanjima kada pove ana produkcija slobodnih radikala i njihovi štetni efekti nadvladavaju kapacitet antioksidativnog sistema odbrane organizma i time dovode do niza patofizioloških poreme aja sa nekada veoma teškim posledicama. Oksidativni stres može imati razli ito poreklo i razvoj i osnovna podela je na endogenu i egzogenu genezu ovog procesa. U prvom slu aju, dakle, stvara ga sam organizam, dok je u drugom posledica izloženosti ksenobioticima, kakvi su na primer pesticidi, teški metali ili neki lekovi, kao i spoljnim uticajima kakvi su jonizuju e ili UV zra enje. Ova monografija daje zbir fundamentalnih rezultata i velikog broja najvažnijih aspekata dosadašnjih saznanja, to je stru an i nau no utemeljen izveštaj o najnovijim rezultatima prou avanja reaktivnih vrsta i antioksidanasa. Posebno se vodilo ra una o tome da prakti na primena antioksidanasa koji su danas široko zastupljeni u medicinskoj praksi u svetu i kod nas bude dobro predstavljena i kriti ki razmotrena. Nau ni rezultati iz ove atraktivne oblasti istraživanja, i to treba posebno naglasiti, unapre eni su ili potvr eni nau nim istraživanjima autora ove monografije. U tom ix
pogledu ova monografija je kruna dugogodišnjeg timskog istraživa kog rada kod nas, ona daje pregled najzna ajnijih rezultata istrajnog napora grupe nau nika i istraživa a koji su se posvetili jednom od važnih i veoma propulzivnih domena istraživanja savremene nauke. Pored toga što ova monografija donosi nau ni meritum tog istraživanja, jako se vodilo ra una da ona ima i jednu širu, moglo bi se re i fundamentalno edukativnu funkciju. Ona predstavlja doprinos edukaciji studenata zdravstvene struke, a samim tim se može o ekivati da ona, u vrš uju i svest budu ih stru njaka, s vremenom doprinese i boljem razumevanju ovih pitanja u široj javnosti. Nije preterano re i da e usvajanjem sadržaja ove monografije jedan širi krug medicinskih stru njaka mo i da na osnovu produbljenih saznanja i potpunijeg razumevanja opisanih fenomena, u izvesnoj meri kvalitetnije obavlja svoju profesiju. Taj cilj i doprinos ove monografije, naravno, valja shvatiti u onom smislu u kojem je medicinski rad zasnovan na fundamentalnim istraživanjima i temeljnoj edukaciji u svim domenima koji se ti u dijagnostike i tretmana bolesti i o uvanja zdravlja. Rezultati istraživa kog rada autora pokazuju da je oksidativni stres jedan od opštih i klju nih patofizioloških mehanizama u raznim patologijama i trovanjima. Data je celovita slika oksidativnog stresa, lekova i drugih jedinjenja sintetskog i biljnog porekla, sa prooksidativnim i atioksidativnim dejstvom, i skrenuta je pažnja na dualnu prirodu antioksidanasa, dakle opre no dozno zavisne efekte - prooksidativni vs. antioksidativni. To je posebno važno sa stanovišta samomedikacije kod preparata sa antioksidativnim delovanjem (spadaju u tzv. OTC preparate - Over the Counter, ne prepisuju se na lekarski recept) i njihove široke, esto nekontrolisane upotrebe. Nedekvatnom primenom i prekora ivanjem dnevnih propisanih doza pogotovu multikomponentnih vitaminsko/oligomineralnih preparata ili mineralnih preparata u kombinaciji sa vitaminima koji imaju antioksidativni potencijal (vitamin E i vitamin C) uve ava se mogu nost razvoja oksidativnog stresa, tj. ostvaruje se kontraefekat, prooksidativni efekat. Monografiju ini pet osnovnih celina. Prva je posve ena detaljnom prikazu reaktivnih kiseoni nih i azotovih vrsta, druga preparatima sa antioksidativnim delovanjem, tre a prooskidansima kao uzro nicima oksidativnog stresa, etvrta oksidativnom stresu kao mehanizmu toksi nosti, a u petoj su za sve oblasti data test pitanja sa odgovorima. U tom smislu ova monografija je celovita, metodi ki zaokružena i široj stru noj itala koj publici omogu ava da lakše usvoji i primeni znanja koja se u njoj izlažu, po emu je ova monografija ujedno i edukativnog karaktera. Urednik i koautor Mirjana M. uki x
AUTORI Boškovi Bogdan Medicinski fakultet u Fo i, Fo a, Republika Srpska ur i Jovanovi Marijana Institut za toksikologiju akademik Danilo Soldatovi, Farmaceutski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija Diki P Miodrag Institut za kardiovaskularne bolesti, Klini ki centar Srbije, Beograd, Srbija Jelenkovi Ankica Institut za biološka istraživanja Siniša Stankovi, Beograd, Srbija uki M Mirjana Institut za toksikologiju akademik Danilo Soldatovi, Farmaceutski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija uki - osi Danijela Institut za toksikologiju akademik Danilo Soldatovi, Farmaceutski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija Jovanovi D Marina Institut za medicinska istraživanja, Vojnomedicinska akademija, Beograd, Srbija Maksimovi Zoran Institut za farmakognoziju, Farmaceutski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija Matovi Vesna Institut za toksikologiju akademik Danilo Soldatovi, Farmaceutski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija Miljkovi Branisalava Institut za farmakokinetiku, Farmaceutski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija Miljkovi Suzana Galenika a.d., Marketing lekova, Beograd, Srbija xi
Ninkovi Milica Institut za medicinska istraživanja, Vojnomedicinska akademija, Beograd, Srbija Savi Snežana Institut za farmaceutsku tehnologiju i kozmetologiju, Farmaceutski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija Stevanovi Ivana Institut za medicinska istraživanja, Vojnomedicinska akademija, Beograd, Srbija Tasi Ljiljana Institut za socijalnu farmaciju, Farmaceutski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija Šobaji Sla ana Institut za bromatologiju, Farmaceutski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija xii
SKRA ENICE AAD Ameri ka akademija dermatologije ACE angiotenzin konvertuju i enzim ADMA asimetri ni dimetilarginin Al aluminijum AO antioksidanasi AOS sistem antioksidativne zaštite (eng. antioxidant system) ARDS akutni respiratorni distres sindrom (eng. Acute Respiratory distres sindrom) ASK L-askorbinska kiselina ATP adenozin trifosfat A -amiloid BH 4 tetrahidrobiopterin C 1 -C 6 sistem derivati benzojeve kiseline C 3 -C 6 sistem derivati cimetne kiseline CAT katalaza Cd kadmijum cgmp cikli ni guanozin monofosfat CNS centralni nervni sistem COLIP-e Evropska asocijacija kozmeti ke industrije (eng. The European Cosmetic Toiletry and Perfumery Association) CoQ koenzim Q Cr hrom Cu bakar Cu + kupro jon Cu 2+ kupri jon DHAK dehidroaskorbinska kiselina DNK dezoksiribonukleinska kiselina EAK ekscitatorne aminokiseline EDRF faktor relaksacije stvoren u endotelu (eng. endothelial derived relaxing factor) EGC epigalokatehin EGCG epigalokatehin galat enos endotelna NOS (NOS II) EPA Ameri ka agencija za zaštitu okoline (eng. Environmental Protection Agency) EPR paramagnetna rezonantna spektrometrija FAD flavin adenin dinukleotid Fe gvož e Fe 2+ fero jon Fe 3+ feri jon FMN flavin adenin mononukleotid G-6-PDH glukoza-6-fosfat-dehidrogenaza GABA gama-amino buterna kiselina GIT gastro-intestinalni trakt GPx (GSH-Px) glutation peroksidaza GR glutation reduktaza, GSH glutation, redukovani oblik GSNO nitrozilisani glutation, S-nitrozoglutation GSSG oksidovani glutation, disulfidni oblik GST gluation-s-transferaza H + proton H 2 O 2 vodonik peroksid HDL lipoproteini velike gustine Hg živa HMG koreduktaze 3-hidroksi-3-metilglutaril koenzim A reduktaza HO hidroksil radikal inos inducibilna NOS (NOS III) LDL lipoproteini niske gustine (eng. low density lipoproteins) L-NAME N ω -nitro-l-arginin metil estar LP (LPO) lipidna peroksidacija MAF magnezijum askorbil fosfat MDA malondialdehid Me metal Mg magnezijum mnos (mitohondrijska NOS) MT metalotionein NADH nikotinamid adenin dinukleotid NADPH nikotin adenin dinukleotid fosfat, NFκB transkripcijski nuklearni faktor kapa B (eng. nuclear transcription factor kappa B) nnos nervna azot oksid sintaza (NOS I) NO azot oksid NO nitroksil anjon NO azot oksid radikal, nitroksil radikal NO + nitrozonijum jon NO 2 nitriti NO 2 radikal azot dioksida NO 3 nitrati NOS azot oksid sintaza (eng. nitric oxide synthase) NS nitrozativni stres (eng. nitrosative stress) O 2 molekulski kiseonik 1 O 2 singlet kiseonik O 2 superoksid anjon radikal OH hidroksil radikal ONOO peroksinitirit anjon ONOOH peroksinitritna kiselina OP terapijski aktivni antioksidanasi OPC oligomerni proantocijanidini ORAC kapacitet apsorpcije radikala kiseonika (eng. Oxygen Radical Absorbance Capacity assay) OS oksidativni stres 8 OHdG 8-hidroksideoksiguanozin PABA p-aminobenzojeva kiselina PAF faktor aktivacije koagulacije tombocita (eng. platelet aggregation factor) PAOB periferna arterijska okluzivna bolest Pb olovo PB Parkinsonova bolest PF eng. protection factor PF-O aroksil radikal xiii
PGI 2 prostaciklin PNMK polinezasi ene masne kiseline PPD tamnjenje kože (eng. persistent pigment darkening) PVP polivinil pirolidon R alkil (lipidni) radikal RCS reaktivne vrste ugljenika (eng. reactive carbon species) RDA (DRI) dnevno preporu eni unos (eng. Recommended Daily Allowance,; eng. Dietary reference intake) RNS reaktivne vrste azota (eng. reactive nitrogen species) RO alkoksil radikal ROH alkohol ROO peroksil radikal ROOH lipidni hidroperoksid ROS reaktivne vrste kiseonika (eng. reactive oxygen species) RS reaktivne vrste (eng. reactive species) RSS reaktivne vrste sumpora (eng. reactive sulfur species) RVK reaktivne vrste kiseonika SC stratum corneum scg gvanilat ciklaza (eng. soluble guanilate cyclase) Se selen SHBG globulin koji vezuje polne hormone SLN vrste lipidne nano estice SOD superoksid dizmutaza SPF zaštitni faktor od sunca (eng. sun protection factor) SR slobodni radikali TCDD 2,3,7,8-tetrahlorodibenzo-p-dioksin TE Trolox ekvivalenat Toc radikal vitamina E TRAP eng. total radical-trapping antioxidant potential XO ksantin oksidaza (eng. xanthin oxidase) Zn cink α-nadph alfa-nikotinamid-adenin dinukleotid fosfat xiv
OKSIDATIVNI STRES SLOBODNI RADIKALI PROOKSIDANSI ANTIOKSIDANSI
Reaktivne hemijske vrste i oksidativni stres Mirjana M. uki Prisustvo slobodnih radikala (SR) u biološkom materijalu otkriveno je kasnih 1950- ih [1]. Nešto kasnije hipoteza Denhama Harmana bila je da kiseoni ni radikali verovatno nastaju kao sporedni produkti u enzimski kontrolisanim reakcijama i opisao ih je kao Pandorinu kutiju zla, odgovorne za velika elijska ošte enja, mutagenezu, kancer, degenerativne procese, itd. [2]. Više decenija unazad zapo elo se sa prou avanjem uloge SR, kao finalnih medijatora ošte enja elijske funkcije i morfologije, brojnih patofizioloških zbivanja, starenja, trovanja, itd. [3]. Slobodni radikali su medijatori brojnih patologija (diabetes mellitus, HIV infekcija, autoimunih, neurodegenerativnih, koronarnih, malignih, plu nih, inflamatornih i mnogih drugih bolesti) i deo su kompleksnog patofiziološkog mehanizma ošte enja, a u pojedinim bolestima njihovo u e e je potencirano [4,5]. Jednom pokrenut lanac reakcija SR ima osobinu prostornog i vremenskog širenja uz poja avanje efekta. Ova propagacija se ogleda u nastanku sekundarnih SR koji nastavljaju da šire kaskadu lan anih rekcija. U reakciji sa biomolekulama SR remete elijsku morfologiju, funkciju, jonsku homeostazu i enzimsku aktivnost [3]. Me utim, SR se u organizmu stalno stvaraju i pri niskim koncentracijama imaju fiziološku funkciju, naime, uklju eni su u metabolizam prostaglandina, regulaciju elijske signalizacije (stimulišu stvaranje cikli nog guanozin monofosfata (cgmp), elijskog sekundarnog glasnika), aktivaciju elijskih receptora, uti u na eritropoezu, imaju bitnu ulogu u kontroli ventilacije, itd. U elijama imunog sistema (monociti, makrofagi, eozinofili) reaktivne kiseoni ne vrste (ROS, eng. reactive oxygen species) služe kao agensi za uništavanje virusa i bakterija [6-8]. Programirana elijska smrt (apoptoza) naj eš e indukovana oksidativnim stresom (OS), tako e ima zna aja u homeostazi rasta i razvoja tkiva i korisna je (npr. u embriogenezi) [9,10]. Aerobne elije se štite od toksi nog efekta SR kompleksnim sistemom antioksidativne zaštite (AOS, eng. antioxidative system). Antioksidativnu zaštitu 3
Reaktivne hemijske vrste i oksidativni stres sa injavaju dva segmenta odbrane od štetnih efekata SR: enzimski (superoksidna dizmutaza, katalaza, glutation peroksidaza itd) i neenzimski (peptidi sa SH grupama kao što je glutation i metalotioneini, vitamin E i C, koenzim Q, urea, proteini koji heliraju metale sa promenljivom valencom i brojna druga jedinjenja). Navedene AOS komponente, bilo da su enzimske ili neenzimske, u svom domenu, kako funkcionalno tako prostorno i sa vremenskom odrednicom, deluju protektivno, zaštitno ili reparativno. S jedne strane, stepen odnosno faza eliskog ošte enja (rana ili poodmakla) zavisi od tipa i koncentracije reaktivnih vrsta (RS, eng. reactive species), mesta i dužine delovanja, a s druge strane, od energetskog i redoks statusa same elije kao i kapaciteta AOS. SLOBODNI RADIKALI Definicija i nomenklatura slobodnih radikala Slobodni radikali su atomi, molekuli ili joni koji sadrže jedan ili više nesparenih elektrona u poslednjoj molekulskoj, odnosno atomskoj orbitali. Hemijski naziv SR, podrazumeva nastavak il na kraju. Re slobodan ispred radikala nije primerena jer su radikali oragnizovane hemijske strukture koje su ina e slobodne. U slu aju da su radikali intermedijeri u nekim hemijskim reakcijama, preporu ljivo je da se ispred re i radikal koristi re vezani. Ranije se re radikal koristila u smislu obeležavanja grupe ili supstituenta nekog jedinjenja, npr. metil u 2 metilbutanu. Slobodni radikali se obeležavaju ta kom u superskriptu ispred naelektrisanja, npr. superoksil anjon radikal (O 2 ), hidroksil radikal (HO ), a u slu aju diradikala ta ka se stavlja iza broja u superskriptu, npr. O 2 2 [3]. Osobine i otkri e slobodnih radikala Prisustvo nesparenog/nesparenih elektrona ovu klasu jedinjenja ini vrlo reaktivnom. U slu aju jednog nesparenog elektorna oni se nalaze u dublet stanju (magnetni kvanti broj: + ½), a u slu aju dva nesparena elektorna su u triplet stanju (magnetni kvanti broj: 0, + 1). Usled prisustva nesparenog/nesparenih elektrona poseduju paramagnetske karakteristike i detektuju se elektron paramagnetnom rezonantnom spektrometrijom (EPR). Na žalost, kiseoni ni radikali kao što su O 2, HO, hidroperoksil (HO 2 ) i nitroksil (NO ), ne mogu se detektovati EPR tehnikom [3]. Nezavisno od njihove stabilnosti, SR stupaju u reakcije supstitucije, adicije, eliminacije, izomerizacije, rekombinacije i disproporcijacije (slobodnoradikalske reakcije). Me utim, s po etka 1960-ih utvr eno je da pored ovih reakcija SR u estvuju i u reakcijama koje nisu radikalske i koje su u savremenoj nauci od 4
Reaktivne hemijske vrste i oksidativni stres izuzetnog zna aja. Poseban osvrt je dat neradikalskim reakcijama SR sa makromolekulama, kada se oni koriste kao spin-markeri, omogu avaju i prou avanje makromolekula za koje su zaka eni (simetrija, konformacione promene, tercijarnu strukturu proteina, prirodu aktivnih centara enzima) [11]. Detekcija SR je kako u bazi noj hemiji tako i u bio-medicinskim naukama bio limitiraju i faktor za njihovo prepoznavanje, a time i verifikaciju njihovog postojanja i ulogu. S otkri em trifenilmetil radikala i publikovanjem senzacionalnog rada pod naslovom Thriphenylmethyl, a case of trivalent carbon od strane ameri kog nau nika Gomberga, 1900. godine, zapo inje razvoj novog polja u organskoj hemiji, oblast slobodnih radikala. Godine 1905. nau nik Jacobson objavljuje rad kojim govori o dimernoj strukturi derivata cikloheksadiena (dimer trifenilmetila), a tek 1968. godine (objavljivanjem rada u asopisu Tetrahedron Lett. 1968, p. 249) potvr uju se ova otkri a primenom tehnike nuklearne magnetne rezonance (NMR). Slobodni radikali lako i brzo reaguju sa svim klasama biomolekula iz okruženja, (lipidima, proteinima, DNK), što za posledicu ima ošte enje sveukupne elijske funkcije [12]. Mehanizam delovanja slobodnih radikala Usled težnje da spare nespren(e) elekron(e) u poslednjoj orbitali, SR ponašaju se kao snažni elektrofili, odnosno jaki oksidacioni agensi. nespareni elektron oksidovana ciljna molekula elektron transfer + + ciljna molekula slobodni radikal Slika 1. Mehanizam reakcije slobodnih radikala U rekciji sa supstratom (jedinjenja sa kojim reaguju, biomolekul ili neko drugo jedinjenje) odnosno donorom elektorna, SR se redukuju (dobijaju elektron) i gube karakter SR, a supstrat se oksidiše (gubi elektron) i postaje SR druge generacije tzv. sekundarni SR (Slika 1) i otpo inje lanac radikalskih reakcija. 5
Reaktivne hemijske vrste i oksidativni stres REAKTIVNE VRSTE Termin RS se u literaturi sve više koristi umesto termina SR. Obzirom da su ovim pojmom obuhva ene sve klase jedinjenja elektrofilnog karaktera visoke reaktivnosti, tj. oksidacioni agensi koji posreduju u oksidativnom/nitrozativnom ošte enju biomolekula i time nastanku oksidativnog/nitrozativnog stresa, primerenije je koristiti naziv reaktivne vrste. Po hemijskoj strukturi RS mogu biti molekule (npr. vodonik peroksid, H 2 O 2 ), joni (npr. peroksinitirit anjon, ONOO ), kao i sami SR. Svakako, SR predstavljaju najzna ajniju klasu RS. Tabela 1. Reaktivne vrste ROS Radikali Neradikali O 2 superoksil anjon radikal H 2 O 2 vodonik peroksid HO hidroksil radikal HOCl hipohlorna kiselina ROO peroksil radikal O 3 ozon RO alkoksil radikal 1 O 2 singlet kiseonik HOO hidroperoksil radikal RNS NO nitroksil radikal NO 2 azotdioksid anjon NO 2 azot dioksid radikal N 2 O 3 azot trioksid + NO 2 nitronijum (nitril) jon ONOO peroksinitrit anjon ROONO alkil peroksinitrit RCS R alkil radikal RO alkoksil radikal ROO peroksil radikal RSS RS tiil radikal. GS glutatiil radikal GSSG diglutatiil anjon radikal NO NO + NO 2 Cl (singlet) nitroksil anjon nitrozil katjon nitril hlorid U zavisnosti od aktivnog centra u RS oni se dele na RS sa: kiseonikom (ROS, eng. reactive oxygen species); azotom (RNS, eng. reactive nitrogen species); ugljenikom (RCS, eng. reactive carbon species) i sumporom (RSS, eng. reactive sulfur species) (Tabela 1) [3]. Inicijalno stvoreni primarni SR (u endogenim uslovima ili pod dejstvom ksenobiotika) kao što su O 2 ili HO, zapo inju lan ane reakcije radikalskog tipa sa 6