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1、自由基與心血管疾病,第二組B9702090 鄭家祺B9702054 曹書瀚B9702078 黃傑暉B9702092 鄧子聰B9702061 陳宏杰,指導老師：高承亨,自由基的背景資料,鄭家祺 b9702090,自由基的介紹：,自由基是一個具有“不成對電子”的原子、分子或離子。如NO 習慣上以“”表示不成對電子。常見的自由基:.O2-超氧自由基(superoxide）.OH-氫氧自由基(hydroxyl radical).NO 一氧化氮(nitric oxide).ROO 脂質過氧化自由基,自由基的特性：,具有不成對電子，化性活潑搶奪其他自由基或非自由基的電子對人體造成的影響:壞的方面:OH-使
2、脂質過氧化產生ROO 傑暉RH+OHR+H2OR+O2 ROO好的方面:O2-殺死入侵病菌NADPH+2O2 NADP+H+2.O2,抗氧化物機制:,抗氧化物機制：子聰內生性機制:超氧化物歧化酶(superoxidedismutase)簡稱SOD過氧化氫酶(catalase)麩氨基硫過氧化酶(glutathione peroxidase)外生性機制:抗氧化物如Vitamin E、Vitamin,自由基的形成:,1.由電子的得或失所造成Ex:超氧自由基的形成方式：O2+e-O2-2.由均裂(homolytic fission)的方式產生：AB A+BEx:H2O均裂成H及OH 異裂(hetero
3、lytic fission)電子的完全轉移Ex:H2O H+OH-,ROS(Reactive Oxygen species),ROS的中文名稱為反應性氧族含有氧原子的自由基Ex:O2-&OH經化學反應而產生自由基的非自由基含氧衍生物Ex:H2O2&HOClFe2+H2O2 Fe3+OH+OH-HOCl+O2-O2+Cl-+OHROS會攻擊人體的組織譬如DNA或脂質，造成細胞氧化壓力(cellular oxidative stress),ROS(Reactive Oxygen species),主要4種的：.O2-超氧自由基(superoxide）.H2O2 過氧化氫(hydrogen pero
4、xide)(非自由基).OH-氫氧自由基(hydroxyl radical).1O2 單一態氧(Singlet oxygen),ROS的種類與反應:,O2-超氧自由基(superoxide)產生途徑:1.粒線體電子傳遞鏈的電子滲漏書瀚2.噬菌細胞產生超氧自由基殺死入侵病菌化學反應:O2-+Fe3+O2+Fe2+(Haber-Weiss reaction)對生物體的損害：O2-會攻擊含有鐵硫中心(Fe-S center)的蛋白質上的Fe3+,鐵硫蛋白,位置：粒線體電子傳遞鏈上蛋白質複合體中的鐵硫蛋白。通常中心鐵與硫的個數相同。透過硫與蛋白質上cysteine相接功用:靠Fe3+/Fe2+之間轉換
5、來傳遞電子。,當O2-會攻擊鐵硫中心時,使得粒線體上含有鐵硫蛋白的蛋白質複合體無法傳遞電子,O2-,ROS的種類與反應:,H2O2 過氧化氫(hydrogen peroxide)來源:2H+2O2-H2O2+O2反應:Fe2+H2O2 Fe3+OH+OH-(Fenton reaction)Haber-Weiss reaction：O2-+Fe3+O2+Fe2+O2-可以使Fe3+被回收，使得較安定H2O2只須微量Fe2+就會產生大量毒性很強的OH,ROS的種類與反應:,OH氫氧自由基(hydroxyl radical):來源：1.Haber-Weiss Reaction:O2-+Fe3+O2+
6、Fe2+2.Fenton reaction:Fe2+H2O2 Fe3+OH+OH-Net reaction:O2-+H2O2 OH+OH-+O2 反應:OH-使脂質過氧化產生ROO 傑暉RH+OHR+H2OR+O2 ROO,ROS的種類與反應:,1O2單一態氧(oxygen)基態氧分子受激後的高能氧分子。基態氧 單一態氧危害：1O2會與OH攻擊脂肪分子,22.4kcal/mol,分子軌域,分子軌域,分子軌域的理論基礎是建立在原子軌域的概念上 線性相加（linear combination of atomic orbitals）MO1=1軌域A+1軌域B=bonding molecular or
7、bitalMO2=1軌域A 1軌域B=antibonding orbital遵守軌域不滅和能量不滅 電子依據構築原理，庖立不相容原理，罕德定則填入軌域構築原理：電子由低能階填至高能階使該原子能得最低總能量庖立不相容原理：一軌域最多只能容納兩電子且其自旋方向必相反罕德定則：數個電子填入同能階的同型軌域時，必須先以相同自旋方向填入不同方位的電子軌域。Energy:antibonding orbitalbonding molecular orbital軌域的重疊性比軌域佳，故、*之間的能量分裂情形也比、*之間來的大,庫倫斥力能：當兩電子佔據依原子同依空間時，因同為負電荷而互相推斥所產生的能量交換能：
8、兩個具有相同能量和自旋方向的電子互相間可能互換所釋放的能量Ex：（一個電子的互換）,Q cycle,曹書瀚 B9702054,呼吸作用概述,電子傳遞鏈,Q cycle,泛醌(ubiquinone),e-+2 H+,QH2,e-,Q-,Q,異戊二烯,哺乳類生物有10個異戊二烯單位故又稱Q10,QH2,Q,Cyt c,由於Q具有異戊二烯組成的尾巴，使它成為高度的非極性物質，因此能夠在粒線體內膜的碳氫化合物核心中快速地滲透。把複合體I及II的電傳遞至複合體III,Fe-S,QH2,Q-,2H+,Cyt C13+,Cyt bL,Cyt bH,Q,Q,Q-,Cyt c,Q,Q cycle,Fe-S,QH
9、2,Q-,2H+,Cyt C13+,Cyt bL,Cyt bH,Q,Q-,Cyt c,Q,:Q2-,2H+,電子滲漏假說,Complex I當Q及Q-來不及處理NADH所釋出的電子時，電子便會產生滲漏。滲漏出的電子會與氧分子作用(詳細機制不明)e-+O2 O2-,電子滲漏假說,Complex III進一步探討滲漏可能原因 Q cycle 的路徑可能遭到堵塞Ubisemiquinone(Q-)與電子誘使自由基產生,Q cycle 的路徑可能遭到堵塞,cyt bH 基因因為點突變而改變結構 cyt bH無法氧化造成電子的累積電子累積又阻止Q-的氧化(勒沙特列原理)Q-Q+e-Q-因過度累積，亦可能
10、造成Q-的滲漏,BACK,Q-與e-誘使自由基產生,化性活潑與氧分子反應 Q-+O2 Q+O2-滲漏出的電子與氧分子反應e-+O2 O2-,O2-攻擊鐵硫中心,間接促使氫氧自由基的形成O2-+Fe3+O2+Fe2+H2O2+Fe2+OH+OH-+Fe3+此反應稱modified Haber-Weiss reaction。上述反應產生的OH會攻擊脂質造成脂質的過氧化，引發心血管疾病(傑暉),脂質過氧化及致病機制,黃傑暉 B9702078,背景知識 I,共軛效應(離域效應)：共軛鍵（即單鍵及雙鍵交替排列的部份）形 成，使分子性質改變，造成：1.單鍵鍵長縮短，雙鍵鍵長增加 2.原子趨於共平面 3.使
11、得電子可離域橫越所有鄰近原子上以平行排列 的p軌域，因此，使分子增加安定性並降低總能量,脂肪構造圖,共軛效應圖示,(1)共軛：,(2)非共軛與共軛能量比較：,背景知識II,丙烯位(allylic carbon):1.與雙鍵相鄰的碳的位置 2.其上接的氫(Allylic hydrogen)，被自由基攻 擊後，會形成共振，結構較沒有雙鍵的碳鏈穩 定，故不飽和脂肪酸較易被自由基所攻擊。,脂質過氧化1,RH+OH R+H OR+O ROO,Eg:,氧化誘導期 連鎖反應期 終止期氧化誘導期：H被取代為單電子,2,2,脂質過氧化2,連鎖反應期：1.脂肪酸自由基+一個氧分子 脂肪酸過氧化自由基,RH+OH
12、R+H OR+O ROO,2,2,Eg:,脂質過氧化2,連鎖反應期：2.和第二個正常脂肪酸的反應，形成第二個脂肪酸過氧化自由 基,RH+OH R+H OR+O ROO,2,2,Eg:,脂質過氧化2,連鎖反應期：3.不斷反覆反應下去，原先的 脂肪酸過氧化自由基變成 過氧化的脂肪,Eg:,RH+OH R+H OR+O ROO,2,2,脂質過氧化3,終止期：兩個自由基會相遇互相反應，成為一 個穩定的大分子,失去原本脂肪特性,RH+OH R+H OR+O ROO,2,2,Eg:,終止期之外的途徑,丙二醛；MDA(malondialdehyde)具極強的毒性,致病因子,LDL(low density l
13、ipoprotein):,丙烯位,磷脂質,.血管粥狀硬化的主要因子,2.受攻擊後生成帶有毒性的OX-LDL,(Oxidized-LDL),MDA(malondialdehyde),破壞內皮細胞其中物質與作用機制，造成動脈硬化 具極強的生物毒性體內脂質過氧化程度的指標,Atherosclerosis粥狀動脈硬化,粥狀動脈硬化連續圖,粥狀動脈硬化_血管切片圖,內生性抗氧化機制,鄧子聰 B9702092,細胞對自由基的防禦機制,抗氧化的防禦機能有兩種一種為人體本身所含有的體內抗氧化酵素(隨著歲月增長，上述防衛機能會日漸衰退，而加速老化。)另一種是藉由外來的抗氧化劑(維他命E，維他命C，-胡蘿蔔素),
14、體內抗氧化酵素,超氧化物歧化酶（superoxide dismutase簡稱SOD）過氧化氫酶（catalase）麩氨基硫過氧化酶（glutathione peroxidase簡稱GPx),Superoxide dismutase(SOD),存在於粒線體和細胞質中CuZnSOD MnSOD FeSODActive site含有charged residues(+)以作為極性端引導超氧自由基(-)進行催化反應,Active sites,CuZnSOD的active site催化反應方程式,具有毒性的超氧陰離子轉變成毒性較低的過氧化氫,Catalase,通常出現在peroxisome含Fe(III
15、)catalase含Mn(III)catalase,Active sites,Catalase催化反應方程式,具有毒性的過氧化氫轉變成沒有毒性的水,Glutathione peroxidase(GPx),由四個相同的次蛋白所組成，而每個次蛋白都的反應位置都有一個化學元素Se，使之具有活性。GPx、GSH和GSSG三者共同作用，將過氧化的有機分子還原。可把vitamin C radical和vitamin E radical 轉變成正常的vitamin C 和vitamin E,Glutathione(GSH),是glutamic acid,cysteine,glycine 組合的化合物GSH是
16、人體內一種重要的抗氧化物，它可以協助GPx還原體內過氧化的有機分子,Glutamate,cysteine,Glycine,GSSG(glutathione disulfide)是由兩個GSH以雙硫鍵連接的氧化態glutathione,GSH,GSSG,雙硫鍵,GPx作用機制,GPx,氧化態的GPx,GPx作用機制,GPx,氧化態的GPx,GPx作用機制,有兩個GSH 參與反應,氧化態的GPx,GPx,?,NADPH,Glutathione peroxidase,Glutathione reductase,GPx催化反應方程式,具有毒性的過氧化的有機分子或過氧化氫轉變成沒有毒性的水,GSSG,V
17、itamin C和Vitamin E,Vitamin C和Vitamin E捕捉到自由基後，會變成Vitamin C radical和Vitamin E radical。GSH 可以把他們轉變成有活性的Vitamin C和Vitamin E,Cytosolic NADH/NAD+,free radicals,and vascular dysfunction in early diabetes mellitus,陳宏杰 B9702061,糖尿病與血管疾病,高血糖、血脂異常、高胰島素血症及胰島素抗性血液組成的變化 脂質氧化壓力增加,血管疾病,糖尿病與細胞還原壓力,Vascular dysfunct
18、ionMetabolic imbalanceIncreased blood flowRetinaKidneyPeripheral nerveCellular reductive stressIncreased ratio of cellular free NADH/NAD+,Free radical,形成還原壓力途徑,Substrates oxidationSorbitolNon-esterified fatty acid(NEFA)Glucuronic acidAnimalsorbital pathwayHumanNEFA and glucuronic acid pathway,還原壓力來源
19、,Cellular reductive stressHypoxiamitochondriaIncreased substrate oxidationCytosol,Free radical,NADH/NAD+與血流增加,cytosolic NADH/NAD+vs.mitochondial NADH/NAD+cytosolic NADH/NAD+sensorMitochondriaCytosolExtracellular milieuOxygen tensionEnergy metabolismIncrease blood flow,還原壓力導致自由基之機制 I,Reactive oxygen
20、speciesGlycation reactionActivation of PKCGlyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase(GAPDH)glycerol 3-phosphate dehydrogenase(G3PDH),Free radical,Inhibition of xanthine dehydrogenaseAutoxidation of NADHGlycation of CuZn-SOD,還原壓力導致自由基之機制 II,Free radical,xanthine dehydrogenase,oxidative metabolism of pu
21、rines,xanthine+NAD+H2O urate+NADH+H+,Xanthine oxidase,hypoxanthine+H2O+O2 xanthine+H2O2 xanthine+H2O+O2 uric acid+H2O2,Xanthine,Hypoxanthine,Autoxidation of NADH,O2+H+(DH)-NADH H2O2+(DH)-NAD(DH)-NAD+O2 O2+NAD+,Glycation,Glycation,DAG：diacylglycerolPLA2：phospholipase A2PG：prostaglandinVEGF：vascular endothial growth factor,
