====== Elektronátvivők, redox reakciók enzimjei ====== * 2012. szeptember 18-19. * Előadó: Bánhegyi Gábor Elektronátvivők //redoxpotenciálja// mutatja meg, hogy elektron leadás vagy felvétel a jellemzőbb rájuk – minél negatívabb érték, annál fogékonyabb elektron leadására, minél pozitívabb, annál nagyobb affinitással köti meg az elektront. Redoxpotenciál kijelöli az elektron „vándorlását”, pl. //redukált intermedier// (nagy ε°) – //elektronátvivő// (magas, de nem a legmagasabb redoxpotenciál) – //oxigén, vagy alternatív akceptorok// === Intermedier anyagcsere elektronátvivői (növekvő redoxpotenciállal felsorolva): === * NAD+ (nikotinamid-adenin-dinukleotid) – szabad koenzim, ε°= (-,042)-(-0,32) * NADP+ (nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát) – szabad koenzim * FAD (flavin-adenin-dinukleotid) és FMN (flavin-mononukleotid) – prosztetikus csoport * ubikinon (koenzim Q) lipidoldékony, membránhoz kötött * vas-kén komplexek – enzimhez kötött, prosztetikus csoport * hem tartalmú molekulák – enzimhez kötött, prosztetikus csoport === Antioxidáns védelemben résztvevők: === * glutation (tripeptid, cisztein aminosav SH-csoportja egy másik glutation SH-csoportjával reagálva dimert hozhat létre diszulfid-híddal – oxidáció lehetősége, ritkán az intermedier anyagcserében is szerepel) * aszkorbinsav * E-vitamin (lipid, membránban lokalizált) == NAD+/NADH és NADP+/NADPH: == oxidált forma: stabil aromás piridin+adenin dinukleotid, pozitív töltés. **Két elektron és egy proton** felvételével (plusz egy proton oldatban tartásával) redukált formájúvá alakul: stabil kinoidális szerkezet, N nemkötő elektronpárral rendelkezik. piridin: funkcionális rész, adenin: a megfelelő enzimhez való kötődést biztosítja, ezt befolyásolja a foszforiláltság vizsgálati módszer: NAD+ és NADH abszorpciós maximumot mutat 260 nm-nél, de a kinoidális szerkezet miatt a NADH 340 nm-nél is mutat lokálisan abszorpciós maximumot, spektrofotométerrel elkülöníthetők ==FAD/FADH2 és FMN/FMNH2: == * az elektrontranszferért a molekula izoalloxazin csoportja felelős * aromás gyűrű + e- + H+ → szemikinon forma + e- +H+ → stabil kinoidális szerkezet * redukált FAD könnyen reagál oxigénnel, oxidálódik – reduktázok nem működnek FAD-dal! pl. zsíracil-KoA dehidrogenáz: FAD-ot köt, de a FAD nem oxidálódik – elektronok légzési láncba kerülnek ↔ zsíracil-KoA oxigenáz: FAD oxidálódik, elektronok nem kerülnek légzési láncba * szemikinon párosítatlan spinű N-t tartalmaz, reaktív szabadgyök, oxigénnel is reagálhat – oxidációs „baleset”, oxigén szabadgyökök keletkezhetnek * fotométerrel nem detektálható a redukált és oxidált állapot == Ubikinon: == KoAQ vagy Q10 – kinon származék 10 izoprénegységgel belső mitokondrium membránban lokalizált, egy H felvételével szemiubikinonná, még egy H felvételével ubikinollá alakul szemiubikinon stabil, kevésbé reakcióképes, oxigénnel nem reagál == Vas-kén fehérjék: == Légzési láncban szerepel, mindig egy elektron átvitele történik ferri (Fe3+) – ferro (Fe2+) át- illetve visszaalakulással pl.: * 4 cisztein oldallánc S-je megköt egy vasat * 4 cisztein + 2 szervetlen S megköt két vasat * 4 cisztein + 4 szervetlen kén megköt 4 vasat == Hem: == (pl. citokrómokban) * myoglobinban, hemoglobinban oxigén-szállító, stabil a ferro (Fe2+) állapot * citokrómokban elektronszállító, ferro-ferri átmenet történik – vas 4 nitrogénatomhoz köt + 2 axiális ligandhoz köt, oxigén nem fér a vashoz == „Alkalmazott” elektronátvivő választási szempontjai: == * redoxpotenciál: kijelöli, hogy végbemehet-e az adott reakció az adott koncentrációviszonyok mellett * egy vagy két elektron átvitelére van szükség? (leggyakrabban 2) * hidrofil vagy hidrofób a környezet? (elektronátvivőnek is ehhez kell alkalmazkodnia) * enzim természete * történjen-e közvetlen reakció oxigénnel? == Átvitel módja: == Szubsztrátról átvivőre, szubsztrátról átvivőn át oxigénre, szubsztrátról átvivők láncát át oxigénre, egyre növekvő redoxpotenciál-sor jellemzi == NAD+ vagy NADP+? == – aznos redoxpotenciál, enzimek is ugyanúgy kötik NAD+: sejten belül magas oxidált-forma koncentráció (700-szoros), oxidatív foszforiláció – energiatermelésben vesz részt NADP+: sejten belül magas redukált-forma koncentráció, oxidációjához bioszintézis, hidroxiláció, antioxidáns redukálása kapcsolható össze – szintézisben és védelemben vesz részt == NAD vagy FAD? == C=C kötés FAD enzimek hoznak létre, C=O kötést NAD-enzimek – tandemben ketocsoportot hoznak létre, pl. zsírsavoxidáció === Oxidoreduktázok: === * oxidázok: szubsztrát + molekuláris oxigén elektronjai AH2 + O2 – A + H2O általában flavoproteinek, pl. xantin-oxidáz 4 AH + O2 – 4 A + 2 H2O citokróm C oxidáz – egyetlen ilyen közvetlen reakció * dehidrogenázok, reduktázok: reakcióban nincs oxigén AH2 + átvivő – A + átvivő H2 leggyakrabban NAD(P), ritkán FAD, FMN * oxigenázok: oxigén beépülésével - Monooxigenáz (egy oxigénatom épül be, másik oxigént a molekulából redukált átvivő redukál) AH + átvivőH2 + O2 – A-OH + átvivő + H2O pl. citokróm P450 - Dioxigenáz (egy molekulányi oxigén épül be) AH + O2 – A-O2H hidroperoxil, reaktív csoport keletkezik * peroxidázok: H2O2 és hidroperoxidok eliminálása - Kataláz – diszproporcionálódás: 2 részben redukált kiindulási anyagból teljesen redukált + teljesen oxidált termék H2O2 + H2O2 – 2H2O + O2 - Peroxidáz – antioxidánssal, pl. glutation-peroxidáz. Prosztetikus csoportok lehetnek: hem, szelén, cisztein oldallánc H2O2 + AH2 – 2 H2O + A ====== Oxigén metabolizmus, toxicitás, és jelátvitel ====== Föld légköre: redukáló légkör – majd oxidáló, stressz az élőlényeknek – védekezési mechanizmusok az oxidációval szemben, de vannak káros hatások O2 + 4 e- + 4 H → 2 H2O teljes oxidáció, de folyamatában keletkezhetnek reaktív oxigén termékek: == ROS (reactive oxygen species) == * szabadgyökök (szuperoxid, hidroxil gyök, peroxil gyök, alkoxil gyök, hidroperoxil gyök) * nem szabadgyök (hidrogén peroxid, hipoklórossav, ózon, szinglet oxigén) Más molekulákkal reagálnak: szabadgyök+nem szabadgyök – további szabadgyök is keletkezik == RNS (reactive nitrogen species) == * szabadgyök (nitrogén II monoxid, nitrogén IV dioxid) * nem szabadgyök (peroxinitrit ONOO-, salétromossav, nitrogén III oxid) Egyensúly a prooxidáns (reaktív oxigéntermékek képződését katalizálják, vagy maguk is oxidáló hatásúak) és antioxidáns anyagok között – eltolódhat prooxidáns felé: oxidatív stressz – eltolódhat antioxidáns felé: reduktív stressz Prooxidáns: elektron akceptor, magas redoxpotenciál - Antioxidáns: elektron donor, alacsony redoxpotenciál === ROS es RNS képződés: === * enzimreakció főterméke * véletlen mechanizmus Lehetnek: kis molekulasúlyúak, vízoldékonyak, zsíroldékonyak (endogén vagy exogén) == szuperoxid gyök: == mitokondriális légzési lánc, kémiai baleset, mikroszomális légzési lánc, hemoglobin oxigénkötése, dioxigenázok, oxigén direkt reakciója fémionnal, reakció szemikinonokkal (2 kg termelődik) Termeli: NADPH oxidáz (NOX) granulocyták plazmamembránjában FAD, citokróm is van a miniatűr légzési láncban Szuperoxidot SOD továbbalakítja H2O2-dá, majd HOCl keletkezik belőle, szükséges: ATP bontás Nitrogén monoxid gyökkel peroxinitrit (ONOO-) keletkezik, reaktív anyag Krónikus granulomatózus betegség: fagocitál, de nem tudja elpusztítani, granulum keletkezik, fertőzés perzisztál Hb: előfordulhat vas Fe3+-má alakulása szuperoxid keletkezése mellett, dezoxi methemoglobin kötni nem tud - metHb reduktáz enzim visszaalakítja, ha hiányzik: methemoglobinémia, terápia: c vitamin Kinonok redox ciklusa: hidroxikinonból szemikinon, majd újra kinon, de vannak enzimek, amelyek kinon: szemikinon átalakulást katalizálnak - fehérjékkel adduktokat képeznek, NADPH elfogyhat Paracetamol: túladagolás, éhezés eseten toxikus lehet == hidrogén peroxid == keletkezése: szuperoxid anionból keletkezhet, dizmutálással (SOD) flavoproteinek működése során keletkezik, pl. aminosav oxidáz == hidroxil gyök == keletkezése: legveszélyesebb, mert kontrollálatlan módon keletkezik, enzimmel nem hatástalanítható: Fenton reakció, Haber-Weiss reakció === Szabadgyökök egymással való reakciói: === Káros hatások: * Lipidek peroxidációja, ezáltal membrán károsodik, nem specifikus permeabilitás változás, lipoproteinek peroxidációja - ateroszklerózis, élelmiszer avasodás * Nukleinsavak bázisai, fehérje aminosav oldalláncok oxidatív károsodásai * Lipidperoxidáció: H elvonás, gyök keletkezik, átrendeződés után konjugált dién, lipid peroxil gyök: lipid endoperoxidok, hidroperoxidok keletkeznek, láncreakció Lipidperoxidáció terminálása: tokoferol molekula visszaalakítja, tokoferil keletkezik, aszkorbinsav visszaalakítja - véges a visszaalakulás, kimerül a redukáló mechanizmus ==== ANTIOXIDÁNSOK: ==== Antioxidánsok redoxpotenciálja kijelöli az elektronvándorlást (Halliwell-Asada ciklus) - Legfontosabb endogén antioxidáns: glutation (két enzimatikus lépéssel keletkező tripeptid), magas koncentráció, diszulfiddá alakul oxidációval, 9o%ban redukált formában van jelen – oxidált termékek, gyökök redukálásának lehetősége - urát, húgysav: purin metabolizmus végterméke, gyökfogó, bar rossz vízoldhatóságú savas pH-n - bilirubin: hem lebontás végterméke az élővilágban leggyakrabban biliverdin, emberben bilirubin, ez rossz vízoldhatóságú: viszont antioxidáns! - tokoferol: alfa nagy mennyiségben, alfa tokoferin gyököt hoz létre, exogén - Aszkorbinsav: exogén, aszkorbil gyökké alakul, két gyök dizmutálva dehidroaszkorbáttá ill. aszkorbinsavvá alakul - Színes növényi anyagok: karotin, likopin - konjugált dién szerkezet, ezeket a molekulákat támadják a szabadgyökök, támadáspont a molekula közepén, alkalmazás: pl. napvédő krémekben - Növényi anyagcseretermékek: EGCg (zöldtea aktív hatóanyaga), rezveratrol (vörösborban) szív- és érrendszeri betegségek megelőzése („francia paradoxon”) - Extracelluláris antioxidánsok preventív hatásúak: transzferrin: ferri ionokat köt, hemopexin: hemet köt, Haptoglobin: teljes szabad hemoglobint köt, cöruloplazmin: réziont köt, albumin: kismértékű antioxidáns hatás, sok tiolcsoport, jó gyökfogó, rézionokat is meg tud kötni – megakadályozzák a szabadgyökök keletkezését