1、自由基與心血管疾病n第二組nB9702090 鄭家祺nB9702054 曹書瀚nB9702078 黃傑暉nB9702092 鄧子聰nB9702061 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：n自由基是一個具有“不成對電子”的原子、分子或離子。如NO n習慣上以“”表示不成對電子。n常見的自由基:n.O2-超氧自由基 (superoxide）n.OH-氫氧自由基(hydroxyl radical)n.NO 一氧化氮 (nitric oxide)n.ROO 脂質過氧化自由基自由基的特性：n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n對人體造成的影響:
2、n壞的方面:nOH-使脂質過氧化產生ROO 傑暉nRH+OHR+H2OnR+O2 ROOn好的方面:nO2-殺死入侵病菌nNADPH+2O2 NADP+H+2.O2 抗氧化物機制:n抗氧化物機制：子聰n內生性機制:n超氧化物歧化酶(superoxidedismutase)簡稱SODn過氧化氫酶(catalase)n麩氨基硫過氧化酶(glutathione peroxidase)n外生性機制:抗氧化物如Vitamin E、Vitamin自由基的形成:n1.由電子的得或失所造成nEx:超氧自由基的形成方式：O2+e-O2-n2.由均裂(homolytic fission)的方式產生：AB A+Bn
3、Ex:H2O均裂成H及OH n異裂(heterolytic fission)n電子的完全轉移nEx:H2O H+OH-ROS(Reactive Oxygen species)nROS的中文名稱為反應性氧族n含有氧原子的自由基nEx:O2-&OHn經化學反應而產生自由基的非自由基含氧衍生物nEx:H2O2&HOClnFe2+H H2 2O O2 2 Fe3+OHOH+OH-nHOClHOCl+O2-O2+Cl-+OHOHnROS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)n主要4種
4、的：n.O2-超氧自由基(superoxide）n.H2O2 過氧化氫(hydrogen peroxide)(非自由基)n.OH-氫氧自由基(hydroxyl radical)n.1O2 單一態氧 (Singlet oxygen)ROS的種類與反應:nOO2 2-超氧自由基超氧自由基(superoxide)(superoxide)n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n化學反應:O2-+Fe3+O2+Fe2+(Haber-Weiss reaction)n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n
5、位置：粒線體電子傳遞鏈上蛋白質複合體中的鐵硫蛋白。n通常中心鐵與硫的個數相同。n透過硫與蛋白質上cysteine相接n功用:靠Fe3+/Fe2+之間轉換來傳遞電子。當O2-會攻擊鐵硫中心時n n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:nH H2 2O O2 2 過氧化氫過氧化氫(hydrogen peroxide)(hydrogen peroxide)n來源:2H+2O2-H2O2+O2n反應:nFe2+H2O2 Fe3+OH+OH-(Fenton reaction)nHaber-Weiss reaction：O2-+Fe3+O2+Fe2+nO2-可以使F
6、e3+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 SODROS的種類與反應:n OH OH氫氧自由基氫氧自由基(hydroxyl radical):(hydroxyl radical):n來源：n1.Haber-Weiss Reaction:O2-+Fe3+O2+Fe2+n2.Fenton reaction:Fe2+H2O2 Fe3+OH+OH-nNet reaction:O2-+H2O2 OH+OH-+O2 n反應:OH-使脂質過氧化產生ROO 傑暉nRH+OHR+H2OnR+O2 ROOROS的種類與反應:n1 1O O2 2單一態氧單一態氧(oxygen)(ox
7、ygen)n基態氧分子受激後的高能氧分子。基態氧 單一態氧n危害：1O2會與OH攻擊脂肪分子22.4kcal/mol分子軌域n 分子軌域n分子軌域的理論基礎是建立在原子軌域的概念上 n線性相加（linear combination of atomic orbitals）nMO1=1軌域A+1軌域B=bonding molecular orbitalMO2=1軌域A 1軌域B=antibonding orbitaln遵守軌域不滅和能量不滅 n電子依據構築原理，庖立不相容原理，罕德定則填入軌域n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n庖立不相容原理：一軌域最多只能容納兩電子且其自旋
8、方向必相反n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。nEnergy:antibonding orbitalbonding molecular orbitaln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 n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n交換能：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nEx：（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)OOCH3OCH3CH3O(CH2CHCCH2)nHCH
9、3OOCH3OCH3CH3O(CH2CHCCH2)nHCH3OOCH3OCH3CH3O(CH2CHCCH2)nHCH3OHOHCH3OCH3CH3O(CH2CHCCH2)nHCH3e-+2 H+QH2OOCH3OCH3CH3O(CH2CHCCH2)nHCH3e-Q-Q異戊二烯哺乳類生物有10個異戊二烯單位故又稱Q10QH2QCyt 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物質轉換電子轉移H+流動CC1bLbH物質轉換電子轉移H+流動CC1bLbH物質轉換電子轉移H+流動CC1bLbH物質轉
10、換電子轉移H+流動CC1bH物質轉換電子轉移H+流動CbL物質轉換電子轉移H+流動C1bLbH物質轉換電子轉移H+流動CC1bLbH物質轉換電子轉移H+流動CC1bLbH物質轉換電子轉移H+流動CC1bLbH物質轉換電子轉移H+流動CC1bH物質轉換電子轉移H+流動CbL物質轉換電子轉移H+流動C1bLbH物質轉換電子轉移H+流動C1bLbH物質轉換電子轉移H+流動C1bLbH物質轉換電子轉移H+流動CC1bLbHFe-S QH2Q-2H+Cyt C13+Cyt bLCyt bHQQQ-Cyt cQQ cycle電子轉移CoQ的狀態變化 Fe-S QH2Q-2H+Cyt C13+Cyt bLC
11、yt bHQQ-Cyt cQ :Q2-電子轉移CoQ的狀態變化 2H+電子滲漏假說nComplex 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nComplex IIIn進一步探討滲漏可能原因 nQ cycle 的路徑可能遭到堵塞nUbisemiquinone(Q-)與電子誘使自由基產生 Q cycle 的路徑可能遭到堵塞ncyt bH 基因因為點突變而改變結構 ncyt bH無法氧化造成電子的累積n電子累積又阻止 Q-的氧化(勒沙特列原理)Q-Q+e-n Q-因過度累積，亦可能造成 Q-的滲漏 B
12、ACK Q-與e-誘使自由基產生 n化性活潑與氧分子反應 Q-+O2 Q+O2-n滲漏出的電子與氧分子反應e-+O2 O2-O2-攻擊鐵硫中心n間接促使氫氧自由基的形成n O2-+Fe3+O2+Fe2+nH2O2+Fe2+OH+OH-+Fe3+n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：共軛鍵（即單鍵及雙鍵交替排列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.使得電子可離域橫越
13、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 1.與雙鍵相鄰的碳的位置 2.其上接的氫(Allylic hydrogen)，被自由基攻，被自由基攻 擊後，會形成共振，結構較沒有雙鍵的碳鏈穩擊後，會形成共振，結構較沒有雙鍵的碳鏈穩 定定，故不飽和脂肪酸較易被自由基所攻擊。脂質過氧化1RH+OH R+H OR+O ROOEg:n氧化誘導期氧化誘導期 連鎖反應期連鎖反應期 終止期終止期n氧化誘導期：H被取代為單電子 22脂質過氧化2n連鎖反應期：1.脂肪酸自由基+一個氧分
14、子 脂肪酸過氧化自由基 RH+OH R+H OR+O ROO22Eg:脂質過氧化2n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 ROO22Eg:脂質過氧化2n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 ROO22脂質過氧化3n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 ROO22Eg:終止期之外的途徑n丙二醛；MDA(malondialdehyde)n具極強的毒性致病因子nLDL(low density l
15、ipoprotein):丙烯位丙烯位磷脂質.血管粥狀硬化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)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抗氧化的防禦機能有兩種l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。)l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)體內抗氧化酵素l超氧化物歧化酶（superoxide dismuta
16、se簡稱SOD）l過氧化氫酶（catalase）l麩氨基硫過氧化酶（glutathione peroxidase簡稱GPx)Superoxide dismutase(SOD)n存在於粒線體和細胞質中nCuZnSOD MnSOD FeSODnActive 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222-2222-2121-22O OH 2H2O -OH Cu-SOD2H O Cu-SOD O Cu-SOD O Cu-SOD 具有毒性的超氧陰離子轉變成毒性較低的過氧化
17、氫Catalasen通常出現在peroxisomen含Fe(III)catalasen含Mn(III)catalaseActive sites Catalase催化反應方程式22222222222O OH2O2H O OH Fe(III)-catalaseOH I compound OHI compoundOHFe(III)-catalase具有毒性的過氧化氫轉變成沒有毒性的水Glutathione peroxidase(GPx)l由由四個四個相同的次蛋白所組成，而每個次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蛋白都的反應位置都有一個化學元素Se，使之具有活性。使之具有活性
18、。lGPx、GSH和和GSSG三三者共同作用，將，將過氧化的有機分子還原過氧化的有機分子還原。l可把vitamin C radical和vitamin E radical 轉變成正常的vitamin C 和vitamin EGlutathione(GSH)n是glutamic acid,cysteine,glycine 組合的化合物nGSH是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 GlutamatecysteineGlycinenGSSG(glutathione disulfide)是由兩個GSH以雙硫鍵連接的氧化態glutathioneGSHGSSG雙硫鍵GPx作
19、用機制GPx氧化態的GPxGPx作用機制GPx氧化態的GPxGPx作用機制有兩個GSH 參與反應氧化態的GPxGPx?NADPHGlutathione peroxidaseGlutathione reductaseGPx催化反應方程式NADPGSH2HNADPHGSSGOH 2 GSSG OH GSH 2OH ROH GSSG ROOH GSH 2GR2GPX222GPx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NADPGSH2HNADPHGSSGOH 2 GSSG OH GSH 2O0H2O2HO0H2H2OGR2GPX2222CAT22222SOD-2GSSGGSSGVitam
20、in C和Vitamin EnVitamin C和Vitamin E捕捉到自由基後，會變成Vitamin C radical和Vitamin E radical。nGSH 可以把他們轉變成有活性的Vitamin C和Vitamin ECytosolic NADH/NAD+,free radicals,and vascular dysfunction in early diabetes mellitus陳宏杰 B9702061糖尿病與血管疾病n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 n脂質氧化壓力增加 血管疾病糖尿病與細胞還原壓力nVascular dysfunctionnMe
21、tabolic imbalancenIncreased blood flownRetinanKidneynPeripheral nervenCellular reductive stressnIncreased ratio of cellular free NADH/NAD+Free radical形成還原壓力途徑nSubstrates oxidationnSorbitolnNon-esterified fatty acid(NEFA)nGlucuronic acidnAnimalsorbital pathwaynHumanNEFA and glucuronic acid pathway還原壓
22、力來源nCellular reductive stressnHypoxianmitochondrianIncreased substrate oxidationnCytosolFree radicalNADH/NAD+與血流增加ncytosolic NADH/NAD+vs.mitochondial NADH/NAD+ncytosolic NADH/NAD+sensornMitochondrianCytosolnExtracellular milieunOxygen tensionnEnergy metabolismnIncrease blood flow還原壓力導致自由基之機制 InReact
23、ive oxygen speciesnGlycation reactionnActivation of PKCnGlyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase(GAPDH)n glycerol 3-phosphate dehydrogenase(G3PDH)Free radicalnInhibition of xanthine dehydrogenasenAutoxidation of NADHnGlycation of CuZn-SOD還原壓力導致自由基之機制 IIFree radicalxanthine dehydrogenasenoxidative me
24、tabolism of purinesxanthine+NAD+H2O urate+NADH+H+Xanthine oxidasehypoxanthine+H2O+O2 xanthine+H2O2 xanthine+H2O+O2 uric acid+H2O2 Xanthine Hypoxanthine Autoxidation of NADHnO2+H+(DH)-NADH H2O2+(DH)-NADn(DH)-NAD+O2 O2+NAD+GlycationGlycationHyperglycaemiaSubstrate oxid.NAD+NADHReductive stress=NADH/NAD+GAP DHTriosesAutoxNEG DAGPKCPLA2Na+K+,ATPasesnG3P DHO2VEGFCa2+NOSPGVascular dysfunctionSorbitol,NEFA,Glucuronates/DAG：diacylglycerolPLA2：phospholipase A2PG：prostaglandinVEGF：vascular endothial growth factor
