Glikacja białek:

• Forma pierścieniowa nie reaguje z innymi donorami reaktywnych grup chemicznych

• Forma łańcuchowa posiada wolną grupę karbonylową

1. Reakcja z innymi związkami

2. Reakcja z lizyną i argininą

• Dostępność grup karbonylowych

1. Glukoza – 0,002% w postaci łańcuchowej

2. Galaktoza – 0,02% w postaci łańcuchowej

3. Mannoza – 0,005% w postaci łańcuchowej

4. Fruktoza – 0,7% w postaci łańcuchowej (ketoza)

• Wiązanie glukozy z grupami aminowymi i tworzenie zasad Schiffa

• Przegrupowanie Amadori

• Konsekwencje

1. Tworzenie kowalencyjnych wiązań sieciujących białka

2. Nieprawidłowa struktura, szczególnie białek pozakomórkowych (ECM)

3. Glikacja nukleotydów prowadzi do mutagenezy

4. Glikacja lipidów przyśpiesza ich peryoksydację

5. Zmiana funkcji białek, szczególnie enzymatycznych

6. 0,02%-4% reszt lizyny w białkach jest glikowwane

7. 10⁷ nukleotydów w DNA

8. 0,1%-16% fosfolipidów zasadowych

• AGE posiadają swoiste receptory

1. Działanie prozapalne

2. Działanie proapoptotyczne

• Pierwsze etapy glikacji są odwracalne

• Istnieją mechanizmy obronne

• Nie tylko glukoza jest problemem

• Glukozo-6-fosforan w mięśniach

• Pentozy:

1. Rybozo-5-fosforan

2. Erytozo-4-fosforan

3. Są silnymi czynnikami glikującymi

• Ponieważ pentozy efektywniej glikują białka mamy systemy obronne

1. Białka homologiczne do kinazy 3-fosfofruktozaminy

• Produkty końcowe

1. Fruktozamina

2. Rybulozamina

3. Związki di karbonylowe

- 3-deoksyglukozon

- 3-deoksyrybozon

1. Karboksymetylolizyna (CML)

2. Glioksal, metyloglioksal

3. Inne

4. Wydalane z moczem

5. Wysoki klirens nerkowy (30-90 ml/min/m²)

• Problem u osób z niewydolnością nerek

1. Element patogenezy waskulopatii?

• Problemy:

1. Glikacja kolagenu

2. Glikacja LDL

3. Glikacja albuminy

4. Glikacja insuliny

5. Glikacja enzymów antyoksydacyjnych

• Glikowane molekuły łączą się ze swoistymi receptorami

1. RAGE

2. OST-48

3. 80K-H

4. Galektyny-3

5. Receptorami scavenger

• Patogeneza chorób

1. Przyśpieszanie angiopatii u pacjentów dializowanych, z niewydolnością nerek lub po przeszczepie

2. Patogeneza cukrzycy

3. Patogeneza choroby Alzheimera

• Zastosowanie jako markery:

1. Hemoglobina glikowana (HbA_1c)

2. Fruktozamina

3. CML

4. Metyloglikosal

- Głównie jak marker AGE w żywności

• Reakcja Maillarda

1. Reakcja pomiędzy aldozami a grupami aminowy aminokwasów

2. Zachodzi efektywnie w temperaturze 140-165^oC

3. Powyżej tej temperatury zachodzi karmelizacja węglowodanów i piroliza

4. Nadaje charakterystyczny zapach i wygląd pieczonym i smażonym produktom

5. Produkty reakcji podkreślają smak

6. Niska temperatura wrzenia wody utrudnia reakcje

7. Stąd stosuje się naczynia ciśnieniowe

8. Podobnie soda oczyszczona przez alkalizację środowiska przyśpiesza reakcję

9. Aby podkreślić i wydobyć aromat mięsa należy najpierw zbrązowić jego powierzchnię, co zapoczątkowuje reakcję na powierzchni

10. Zbrązowienie powierzchni umożliwia dalszy przebieg reakcji w głębi mięsa w niższej temperaturze

11. Reakcję ułatwia odwodnienie powierzchni (wyższa temperatura)

12. Powierzchnię mięsa można również odwodnić robiąc „blot” na papierze lub ręczniku

13. Uwaga na temperaturę -> powyżej 180^oC dominuje piroliza

Naukowe podstawy gotowania wykorzystujące:

• Biochemię

• Chemię

• Fizykę

Kuchnia molekularna Przykład:

• Sferyfikacja soku

• Wykorzystuje algininian sodu – cukier ze ścian alg

• W obecności jonów wapnia polimeryzuje tworząc żelkowe kulki

Mitochondria

• Pochodzą od symbiotycznych bakterii

1. Analizy porównawcze DNA sugerują, że są to organizmy podobne do Rickettsia prowazekii

• DNA zawiera 16569 bp

1. 2 geny kodujące podjednostki rybosomalne

2. 22 geny kodujące tRNA

3. 13 genów kodujących białka

-Dehydrogenazę NADH

-Oksydazę cytochromu C

-Syntazę ATP

1. Większość enzymów mitochondrialnych ma podjednostki kodowane przez genom jądrowy

• Budowa

1. Błona zewnętrzna

- zawiera kanały dla różnych związków

1. Błona wewnętrzna

- Dehydrogenaza NADH (kompleks I)

- Dehydrogenaza bursztynianowa (kompleks II)

- Reduktaza cytochromu c (kompleks III)

- Oksydaza cytochromu c (kompleks IV)

- Syntaza ATP (kompleks V)

1. Przestrzeń międzybłonowa

2. Macierz mitochondrialna

-Ok. 10 molekuł modna

- Zawiera rozpuszczone enzymy

- Utlenianie pirogronianu i produkcja NADH

- Dekarboksylacja i produkcja CO₂

- Tworzenie acetylo-CoA

Łańcuch oddechowy

• Efektem transportu protonów jest gradient protonów pomiędzy macierzą mitochondrialną a przestrzenią międzybłonową

• Protony wracają do macierzy wyłącznie przy udziale kompleksu V (syntazy ATP)

• Energetyka

1. Klasycznie

- 1 mol NADH daje 3 mole ATP

- 1 mol FADH₂ daje 2 mole ATP

1. Z analiz chemicznych wynika jednak, że:

- 1 mol NADH daje 2,5 mola ATP

- 1 mol FADH₂ daje 1,5 mola ATP

1. Podsumowując ze spalenia 1 mola glukozy:

- 10 moli NADH - 30 moli ATP

- 2 mole FADH₂ - 4 mole ATP

- 4 mole ATP pochodzą z glikolizy i przekształcenia α-ketoglutaranu

- jednak

*NADH jest zużytkowany jako reduktor w różnych reakcjach

*Gradient protonów służy do transportu różnych molekuł i jonów przez błonę wewnętrzną mitochondriom

• inhibitory

1. Kompleks I

- Rotenon

- Amytal

1. Kompleks III

- Antymycyna

1. Kompleks IV

- Cyjanki

- Azydki

- Tlenek węgla

1. Rozprzęgacze

- 2,4-dinitrofenol

- Pentachlorofenol

1. Inhibitory syntazy ATP

-oligocyna

Czynniki rozprzęgające

• związki umożliwiające prawidłowe funkcjonowanie łańcucha transportu el., lecz bez produkcji ATP

• zwiększają przepuszczalność wewnętrzną błony dla protonów

• transport el. zachodzi z dużą szybkością lecz bez ustalenia gradientu protonowego

• powstająca energia uwalnia się w postaci ciepła 2,4 dinitrofenol, dikumarol, bilirubina, aspiryna, CCCP (chlorokarbonylocyjanidofenylohydrazon)

Choroby mitochondrialne

• Przenoszone s ą przez matki do wszystkich dzieci

• Tylko chore córki mogą przenosić je na potomstwo

• Rzadko się zdarza przenoszenie choroby przez ojca

• W komórce, a nawet jednym mitochondrium mogą istnieć prawidłowe i zmutowane mtDNA

• Objawy choroby pojawiają się po przekroczeniu pewnego progu ilości zmutowanego DNA (efekt progowy)

• Na skutek nierównomiernej segregacji córka może mieć więcej lub mniej zmutowanych mitochondriów

• Większość chorób mitochondrialnych prowadzi do :

  1. Kwasicy mleczanowej

  2. Proliferacji mitochondriów

  3. Negatywnego barwienia na obecność oksydazy cytochromu c

• Choroby :

1. ECM - encefalomyopatia

2. LHON - wrodzona neuropatia nerwu wzrokowego Lebera

3. LS - zespół Leigha

4. MELAS - mitochondrialna encefalomyopatia, kwasica mleczanowa i epizody podobne do udarów

5. MERRF - padaczka miokloniczna z poszarpanymi włóknami mięśni czerwonych

6. MILS - dziedziczony od matki LS

7. NARP - neuropatia, ataksja i barwnikowe zapalenie siatkówki

8. SIDS - zespół nagłej śmierci noworodków

9. inne...

• Możliwość leczenia

  1. Obecnie brak - terapia paliatywna

- witaminy

- kofaktory enzymów

- zmiatacze wolnych rodników

1. Redukcja stosunku zmutowanych do prawidłowych mitochondriów (gene shifting)

- Destrukcja uszkodzonych mitochondriów przez enzymy restrykcyjne

- Wymiana uszkodzonych białek na białka syntetyzowane przez jądro (ekspresja allotropowa)

- Przeniesienie uszkodzonych genów z innych organizmów - np. kompleksu I z Saccharomyces cerevisae

Wolne rodniki i stres oksydacyjny

• Związki prooksydacyjne

  1. Wolne rodniki

- Substancje posiadające niespreparowany elektron na powłoce walencyjnej

- niezwykle reaktywne

- krótki okres półtrwania (nanosekundy - milisekundy)

1. Prooksydanty niewolnorodnikowe

- Substancje o silnych właściwościach prooksydacyjnych

- Często metale przejściowe

- Inne reaktywne ugrupowania chemiczne

- Okres półtrwania sekundy - godziny

1. Wolne rodniki

- R3C

- R3N

- R-O

- R-S

1. Prooksydanty niewolnorodnikowe

- H₂O₂ nadtlenek wodoru

- HOCl kwas podchlorawy

- O₃ ozon

- ¹O₂ tlen singletowy

- ONOO Peroksynitryl

- Men merale przejściowe

1. Reaktywne formy tlenu

- O₂ R nadtlenkkowy

- OH^- R hydroksylowy

- R O₂ R peroksylowy

- H O₂ R hydroperoksylowy

- H₂O₂ Hydrogen peroxide

- HOCl Kwas podchlorawy

- O₃ ozon

- ¹O₂tlen singletowy

- ONOO Peroksynitryl

1. Reaktywne formy azotu

- NO tlenek azotu

- N O₂ Dwutlenek azotu

- ONOO Peroksynitryl

- NO₂Cl Chloronitryl

1. Czas życia

- Nano do milisekund:

*Rodniki hydroksylowe

*Tlen singletowy

*Anion nadtlenkowy

*Peroksnitryl

- sekundy do godziny

*Nadtlenek wodoru

*Hydroksypochodne kw. tłuszczowych

• Czynniki prooksydacyjne

  1. Chemiczne

- H₂O₂, Fe²⁺, Cu⁺, glutathione, HOCl, HOBr, ¹O₂, ONOO

- nadtlenki lipidów, akroleina, MDA

- Leki i ich metabolity

1. Fizyczne

- Promieniowanie γ w obecności tlenu

- Promieniowanie UV, ozon

1. Biologiczne

- Mitochondria

*"wyciek" elektronów z łańcucha oddechowego

- Aktywowane fagocyty

- Oksydoreduktazy

Choroby w których oksydacja odgrywa dużą rolę

• Miażdżyca tętnia (LDL)

• Reumatoidalne zapalenie stawów(IgC,α-1-antytrypsyna)

• Uszkodzenie poreperfuzyjne

• Rozedma (α-1-antytrypsyna, elastaza)

• Choroby neurodegeneracyjne

  1. Ch. Alzheimera

  2. Ch. Parkinsona

  3. Stwardnienie zanikowe boczne

• Dystrofia mięśniowa

• Powikłania po tlenoterapii , dysplazja płucnooskrzelowa

• ADRS

• Starzenie

• Ostre zapalenie trzustki

• Nowotwory

Powstawanie związków reaktywnych

• Metabolizm komórkowy

  1. 1-4% pobranego tlenu zamienia się w ROS

  2. Wyciek elektronów z łańcucha oddechowego

  3. Enzymy: oksydaza ksantynowa, oksydaza aldehydowa

  4. Makrofagi: iNOS, oksydaza NADPH

• Źródła wolnych rodników - oksydaza NADPH

  1. Głównie neutrofile

  2. Aktywacja przez bakterie i wirusy

• Źródła wolnych rodników – synteza PGH

• Źródła wolnych rodników – cytoplazma

• -syntazy tlenku azotu (NOS)

• Źródła wolnych rodników - mikrosomy

Stres oksydacyjny

• Wysokie natężenia

  1. Śmierć komórki

• Umiarkowany

  1. Adaptacja

  2. Indukcja mechanizmów antyoksydacyjnych

  3. Aktywacja wewnątrzkomórkowych szlaków przekazywania sygnału

  4. Proliferacja komórek

  5. Uszkodzenie białek, lipidów i DNA

• Peroksydacja lipidów

  1. Zmiany w strukturze błony

- Zmniejszenie płynności

- Zwiększona przepuszczalność dla jonów

Zmiana wiązania białek błonowych

1. Addukty i wiązania krzyżowe lipidów z

- Białkami

- DNA

1. Bezpośrednia toksyczność produktów utleniania

2. Zaburzenie przewodnictwa sygnałów z błony

3. Uszkodzenie DNA

• Dna

  1. Tworzenie adduktów

  2. Depurynacja

  3. Uszkodzenie łańcucha

  4. Mutageneza

  5. Nowotworzenie

  6. Stymulacja naprawy DNA

- Wymaga sporo energii (PARP)

- Niewystarczająca indukcja enzymów naprawczych

- Indukcja polimeraz wprowadzających błędy

• Białka jako markery stresu oksydacyjnego

  1. Nie ma jednego dobrego markera. Duża liczba produktów oksydacji. Każdy związany z konkretnym typem modyfikacji. Nie tylko białka ulegają modyfikacji

Antyoksydanty

• Substancje obecne w niskich stężeniach

• Reagują z oksydantami

• W efekcie redukują oksydację innych związków

• Zmiatacze wolnych rodników

• Lecz przy tym popełniają samobójstwo

  1. Same ulegają utlenieniu

• Czasem mogą odwracać modyfikacje oksydacyjne innych molekuł

• Ich ilość w organizmie jest ograniczona

• Niektóre mogą ulec redukcji i być użyte ponownie

• Reagują z oksydantami 1:1

• Ciągła potrzeba uzupełniania antyoksydantów

• Zapobiegają transferowi elektronów z tlenu na inny związek

• Stabilizują wolne rodniki przez ich związanie

• Kończą reakcje wolnorodnikowe

• Lokalizacja

  1. Antyoksydanty osoczowe

- Kwas askorbinowy

- Bilirubina

- Kwas moczowy

- Transferyna

- Ceruloplazmina

- β - karoten

1. Antyoksydanty błonowe

- α-tokoferol

1. Antyoksydanty wewnątrzkomórkowe

- Dysmutaza ponadtlenkowa

- Katalaza

- Peroksydaza glutationowa

• Sposób działania

1. Enzymatyczne

- Peroksydaza glutationowa

- Reduktaza glutationowa

- Katalaza

- Dysmutaza ponadtlenkowa

1. Nieenzymatyczne

-Pokarmowe

* β - karoten

*α-tokoferol

* Kwas askorbinowy

- Endogenne

* Bilirubina, Kwas moczowy, Ceruloplazmina, ferrytyna, Transferyna, albumina, glutaton

• Dysmutaza ponadtlenkowa (SOD)

1. Występuje we wszystkich komórkach

2. Metaloenzym

- Cu-Zn - SOD - dimer, forma cytoplazmatyczna, stabilna

- Mn - SOD - tetramer, forma mitochondrialna, mniej stabilny

- Cu - SOD - forma pozakomórkowa

1. Pierwsza linia obrony komórki przed nadtlenkami

• Katalaza

1. Zależna od żelaza (hem)

2. Występuje wszędzie a szczególnie:

- erytrocyty

- wątroba

1. Małe ilości

- mózg

- mięśnie szkieletowe

• Peroksydaza glutationowa(GPx)

1. Zależna od selenu

2. Potrzebny aktywny cykl pentozowy

- Hormony tarczycy

- Prawidłowa funkcja mitochondriów

• Tokoferole

1. Najważniejszy antyoksydant rozpuszczalny w tłuszczach

2. Błony komórkowe

3. Ochrona przed utlenianiem lipidów

4. Magazynowany w tkance tłuszczowej

5. Zapotrzebowanie zależy od ilości nienasyconych kwasów tłuszczowych