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Specie radicaliche e stress ossidativo Prof. Giorgio Sartor Copyright © 2001-2008 by Giorgio Sartor. All rights reserved. Versione 4.1 – apr 2008.

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1 Specie radicaliche e stress ossidativo Prof. Giorgio Sartor Copyright © by Giorgio Sartor. All rights reserved. Versione 4.1 – apr 2008

2 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo- 2 - Radicali Specie chimiche con elettroni spaiati occupano da soli un orbitale atomico o molecolare Molto instabili e reattivi verso le altre molecole per compensare tale squilibrio Autopropagazione per reazioni a catena Pericolosità inversamente proporzionale allemivita

3 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo- 3 - Meccanismi di formazione di radicali Perdita di un elettrone: X X + + e - Acquisto di un elettrone: X + e - X - Scissione omolitica di un legame covalente: X-Y X + Y Astrazione di un atomo di idrogeno (H ) da parte di un altra specie radicalica: CH 4 + Cl CH 3 + HCl Lipide-H + OH Lipide + H 2 O R-SH + R-O 2 - R-S - + R-O 2 H

4 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo- 4 - Ossigeno Orbitali molecolari dellossigeno Potenziali di riduzione

5 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo- 5 - Specie Reattive dellOssigeno (ROS) Specie non radicaliche –H 2 O 2 acqua ossigenata (perossido di idrogeno) –HOBr acido ipobromoso –HOCl acido ipocloroso –O 3 ozono –O 2 1 Δg ossigeno singoletto –LOOH perossido lipidico –ONOOH perossinitrito Radicali prodotti per riduzione ad un elettrone – O-O + e ֿ O-O: ֿ anione superossido –O 2 ֿ + OH ¹O 2 + OH ֿ ossigeno singoletto –2O 2 ֿ + 2H + H 2 O 2 + ³O 2 perossido –O 2 ˉ + H 2 O HOO idroperossiradicale –H 2 O 2 + e ֿ OH ֿ + OH radicale idrossido –H 2 O 2 + Fe² + (Cu + ) Fe³ + (Cu ++ ) + OH ֿ + OH (R. Fenton) –H 2 O 2 + O 2 ֿ (cat. Cu/Fe) O 2 + OH ֿ + OH (R. Haber-Weiss) –L + O 2 ֿ LOO - anione lipoperossido

6 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo- 6 - Specie Reattive dellOssigeno (ROS) Prodotte dalla catena respiratoria

7 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo- 7 - Specie Reattive dellOssigeno (ROS) Prodotte dalla catena respiratoria nel complesso IV

8 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo- 8 - Formazione di H 2 O nel complesso IV

9 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo- 9 - Lipoperossidi

10 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Nature /09

11 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Specie Reattive dellAzoto (RNS) Prodotti prevalentemente dallo smog fotochimico Specie non radicaliche –HNO 2 acido nitroso –NO + catione nitrosile –NO - anione nitrosile –N 2 O 4 tetrossido di diazoto –N 2 O 3 triossido di diazoto –NO 2 + nitrile –ROONO alchilperossinitrito –NO 2 Cl cloruro di nitrile Specie radicaliche –O 2 + L-arginina NO + L-citrullinaossido dazoto –O 2 ˉ + NO ONOOˉperossinitrito –ONOOˉ + CO 2 ONOOCO 2 ˉnitroperossicarbonato –ONOOCO 2 ˉ NO 2 + CO 3 ˉbiossido dazoto

12 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Ossido dazoto e NOS (EC ) Nitric Oxyde Sinthase

13 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Ossido dazoto e NOS (EC )

14 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo NO sintasi (EC ) Dominio Ossidoreduttasico 1F20 NADP + FAD Dominio eme 1FOP EMEARG

15 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Specie reattive del cloro (RCS) Radicali –Cl Non radicaliche –HOCl acido ipocloroso (ROS) –NO 2 Clcloruro di nitrile (RNS) –Cloramine –Cl 2 cloro

16 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Mieloperossidasi (EC ) La mieloperossidasi (MP 3+ ) è un enzima perossidasico presente nei granuli dei neutrofili. Si ritiene che produca HOCl nei fagosomi. Può usare anche altri ioni oltre il cloruro.

17 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Mieloperossidasi (EC )

18 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Stabilità dei radicali

19 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Sorgenti di Radicali Endogene: –Catena respiratoria, –Fotosintesi, –Sintesi di prostaglandine, –Metabolismo dei nucleotidi –Perossisomi, –Autossidazione, –Fagocitosi, –Ossiemoglobina, –Enzimi ossidativi… Esogene: –Xenobiotici, –Radiazioni –Ionizzanti (raggi X) –Non ionizzanti (UV) –Calore, –Infezione, –Iperossia, –Inquinamento

20 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Sorgenti di Radicali Endogene: –Catena respiratoria, –Fotosintesi, –Sintesi di prostaglandine, –Metabolismo dei nucleotidi –Perossisomi, –Autossidazione, –Fagocitosi, –Ossiemoglobina, –Enzimi ossidativi… Esogene: Xenobiotici, –Radiazioni –Ionizzanti (raggi X) –Non ionizzanti (UV) –Calore, –Infezione, –Iperossia, Inquinamento

21 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Invecchiamento Diminuzione delle difese antiossidanti UV Aumento dello stress ossidativo AUMENTATA PRODUZIONE DI ROS Accumulazione di mutazioni del DNA Stimolazione delle vie di trasduzione del segnale Modificazione di proteine Alterazione della struttura genica Alterazione dellattività genica Alterazione della struttura e della funzione delle proteine Perdita della regolazione dellomeostasi intracellulare ed extracellulare

22 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Stress ossidativo Danni al DNA Attivazione di Poli ADP riboso sintasi Riduzione di NAD(H) Inibizione della sintesi di ATP Danni diretti alle proteine Aumento di Ca ++ intracellulare Danni al citoscheletro Perossidazione lipidica Aumento di Fe ++, Cu ++, eme-proteine liberi Attivazione di NOS Formazione di perossinitrito Alterazione delle membrane Perossidazione delle membrane Aumentato danno a DNA, proteine e lipidi Rilascio di ioni, eme-proteine perossidi ecc. Diminuzione e ossidazione di GSH

23 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Danni al DNA

24 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Tipi di danni al DNA Danni naturali Danni fisici (radiazioni ionizzanti e UV) Danni chimici (ROS e inquinanti organici)

25 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Danni Naturali Perdita di basi: il legame glicosidico è labile sotto condizione fisiologiche (formazione di un sito AP). Deamminazione: i gruppi amminici primari sono a volte instabili e possono venire convertiti in chetoni.

26 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Danni Fisici: Radiazioni Ionizzanti Danni diretti: Single Strand Break, Double Strand Break, mismatched bases. Danni indiretti: produzione di ROS.

27 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Danni Fisici: Radiazioni UV Stress ossidativo: foto-carcinogenesi e foto-invecchiamento (UV-B) Foto-dimerizzazione: formazione di CPD e 6-4PP (UV-C).

28 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Danni chimici: ROS Causano ossidazione delle basi e amplificano deamminazioni e depurinazioni. oUn esempio di composto ossidato è OH8dG: causa trasversioni delle basi GC TA

29 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Danni chimici: inquinanti Organici Genotossici: danno diretto al DNA tramite formazione di addotti (alchilanti in posizioni nucleofile). Epigenetici: danno indiretto al DNA attraverso stress ossidativo o lattivazione di composti pericolosi. Es. IPA.

30 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Antiossidanti Gli antiossidanti non sono, in genere, dei radicali liberi. Quindi quando un antiossidante agisce si forma un radicale derivato dallantiossidante. Se un radicale libero perde o guadagna un elettrone non è più un radicale libero: NO e - + NO + NO + e - NO - La reazione tra specie radicaliche porta alla perdita netta di radicali O NO ONOO - nello specifico lo ione perossinitrito può generare radicale idrossile. ONOOH OH + NO 2

31 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Meccanismi di riparo del danno Fisiopatologia ambientale…

32 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Referenze sul WEB Vie metaboliche –KEGG: Degradazione degli xenobiotici: Struttura delle proteine: –Protein data bank (Brookhaven): –Hexpasy Expert Protein Analysis System: Prosite (protein families and domains): Enzyme (Enzyme nomenclature database): –Scop (famiglie strutturali): Enzimi: –Nomenclatura - IUBMB: –Proprietà - Brenda: –Expasy (Enzyme nomenclature database): Database di biocatalisi e biodegradazione: Citocromo P450: Metallotioneine: Tossicità degli xenobiotici: Agency for Toxic Substances and Disease Registry

33 Crediti e autorizzazioni allutilizzo Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto lautore usando questa frase: Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor Università di Bologna a Ravenna Giorgio Sartor -

34 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Stress ossidativo Danni al DNA Attivazione di Poli ADP riboso sintasi Riduzione di NAD(H) Diminuzione e ossidazione di GSH Inibizione della sintesi di ATP Danni diretti alle proteine Aumento di Ca ++ intracellulare Danni al citoscheletro Perossidazione lipidica Aumento di Fe ++, Cu ++, eme-proteine liberi Attivazione di NOS Formazione di perossinitrito Alterazione delle membrane Perossidazione delle membrane Aumentato danno a DNA, proteine e lipidi Rilascio di ioni, eme-proteine perossidi ecc.

35 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Stress ossidativo Danni al DNA Attivazione di Poli ADP riboso sintasi Riduzione di NAD(H) Diminuzione e ossidazione di GSH Inibizione della sintesi di ATP Danni diretti alle proteine Aumento di Ca ++ intracellulare Danni al citoscheletro Perossidazione lipidica Aumento di Fe ++, Cu ++, eme-proteine liberi Attivazione di NOS Formazione di perossinitrito Alterazione delle membrane Perossidazione delle membrane Aumentato danno a DNA, proteine e lipidi Rilascio di ioni, eme-proteine perossidi ecc.

36 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Stress ossidativo Danni al DNA Attivazione di Poli ADP riboso sintasi Riduzione di NAD(H) Diminuzione e ossidazione di GSH Inibizione della sintesi di ATP Danni diretti alle proteine Aumento di Ca ++ intracellulare Danni al citoscheletro Perossidazione lipidica Aumento di Fe ++, Cu ++, eme-proteine liberi Attivazione di NOS Formazione di perossinitrito Alterazione delle membrane Perossidazione delle membrane Aumentato danno a DNA, proteine e lipidi Rilascio di ioni, eme-proteine perossidi ecc.

37 gs © ver 4.1Specie radicaliche e stress ossidativo Stress ossidativo Danni al DNA Attivazione di Poli ADP riboso sintasi Riduzione di NAD(H) Diminuzione e ossidazione di GSH Inibizione della sintesi di ATP Danni diretti alle proteine Aumento di Ca ++ intracellulare Danni al citoscheletro Perossidazione lipidica Aumento di Fe ++, Cu ++, eme-proteine liberi Attivazione di NOS Formazione di perossinitrito Alterazione delle membrane Perossidazione delle membrane Aumentato danno a DNA, proteine e lipidi Rilascio di ioni, eme-proteine perossidi ecc.


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