FREIE RADIKALE,

OXIDATIVER STRESS

& NANOPARTIKEL

Tsewang

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Kurzer Überblick

• Was sind freie Radikale ?• Wo entstehen Freie Radikale ?• Wie entstehen Freie Radikale in Lebewesen ?• Warum brauchen Lebewesen wie der Mensch FR?• Warum sind sie dann schädlich ?• Wie werden sie in den Zellen neutralisiert ?• Der Zusammenhang zwischen Nanopartikeln und

der Bildung von freien Radikalen ?• Nanopartikel in Lebewesen.

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Was sind Freie Radikale?

Freie Radikale sind Atome oder Moleküle, die eine oder mehr ungepaarte Außenelektronen enthalten.

Dadurch sind die meisten Radikale hochreaktiv, da solche freien Elektronen immer bestrebt sind, in eine stabile, gepaarte Formüberzugehen.

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Beispiele von Freie Radikale

Hyperoxid-Anion ( O2.- ),

Hydroxyl-Anion ( HO. ), Wasserstoffperoxid (H2O2),

Ozon ( O3 ),

Stickstoffoxid (NO), etc

und so weiter

(ROS)

Reactive Oxygen Species

oder

Reaktive Sauerstoffspezies

}

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Wo entstehen Freie Radikale?

• in der Umwelt

• in Lebewesen

Wie entstehen Freie Radikale in Lebewesen?

• In aeroben Lebewesen werden freie Radikale während und durch den normalen Stoffwechsel erzeugt.

• Insbesondere werden freie Radikale während der Elektronübertragung in der Plasmamembran und hauptsächlich während der Elektronübertragung in der Mitochondrienmembran erzeugt. z.B. O2

.- Hyperoxid (Superoxid)

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Revisitting Mitochondrion

Mitochondrion oder Mitochondrium, Plural Mitochondrien

(griech. mitos, für Faden und chondros für Korn)

Quelle: wikipedia

Doppelmembran

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http://vcell.ndsu.edu/animations/etc/index.htm

Elektronübertragungskette in Mitochondrienmembran

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FR entstehen durch Elektronübertragungskette

Elektronübertragungskette: Electron Transport Chain

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• Etwa 3-10% (2) des Sauerstoffs in Mitochondrion wird nicht entsprechend reduziert oder

• 2 – 5% des inhalierten Sauerstoffs (3) nicht reduziert.

• ROS-Produktion ausgelöst.

• ROS wie Superoxyd können ins Zytosol (der flüssige Bestandteil des Zytoplasma) gelangen und reagieren mit anderen Substanzen und dabei werden andere RF produziert.

• Eine Kettenreaktion ist in Gang gesetzt.

(2) M. Simko, A. Gazso, U. Fiedeler, M. Nentwich, Mai 2009, Nanopartikel, Freie Radikale und Oxidativer Stress (3) Sjodin, T., Y.H. Westing, and F.S. Apple. Biochemical mechanisms for oxygen free radical formation during exercise. Sports Med. 10: 236 – 254, 1990

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Warum brauchen Lebewesen wie der Mensch FR?

• Immunabwehr - Freie Radikale wie Superoxyd sind hoch giftig für Pathogene

• Körpereigenen Tumorsuppression (Apoptose)

• Physiologische Funktionen wie Signalübertragungen

• Regulation von Zellfunktionen, die über Sauerstoffkonzentrationen kontrolliert werden

• Redox-Gleichgewicht

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Warum sind sie dann schädlich?1. Oxidativer Stress:- Das schädliche Ungleichgewicht zwischen der

Oxidation und der Antioxidation worin die Oxidation überwiegt.

2. Könnte Modifizierung der DNA oder Enzymstörungen stehen.

3. Oxidative Zerstörung von Makromolekülen wie z. B. Lipiden, Proteinen und Nukleinsäuren.

4. Fehlregulation der Apoptose (programmiertes Zelltod) - Alzheimer, Krebs

5. Chronische Entzündungen

6. Alterung (Funktionaler Untergang)

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Wie werden FR in der Zellen neutralisiert oder gehemmt ?

• Antioxidantien: Halliwell und Gutteridges Definition: Any substance that, when present at low concentrations compared with that of an oxidisable substrate, significantly delays or inhibits oxidation of that substrate'.

Zum Beispiel: Enzymen (SOD – Superoxid Dismutase), Vitaminen C, Glutathion, Vitamin E, Vitamin A, usw.

• Zellen sind in einem stabilen Zustand, wenn die Rate der ROS-Produktion und die Antioxidationskapazität im Gleichgewicht sind.

Dann spricht man von einer ausbalancierten Redox-Kapazität.

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Der Zusammenhang zwischen den Nanopartikeln und der Bildung von FR

• Verschiedene In-vitro- und In-vivo-Studien haben gezeigt, dass die Bildung freier Radikale durch Nanopartikel (Fullerene, Karbon-Nanoröhrchen, Quantum Dots, Abgaspartikel), ausgelöst werden kann (1,2).

• Nanopartikel können aktiv (Phagozytose) durch bestimmte Zellen (Makrophagen) aufgenommen werden und die Bildung von ROS einleiten.

• ROS können auch direkt auf der Oberfläche der Partikel entstehen, dies ist allerdings abhängig von der Beschaffenheit der Partikel (z. B. fungieren metallische Partikel als Katalysatoren).

(1) Oberdorster, G., Oberdorster, E. und Oberdorster, J., 2005, Nanotoxicology: an emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles, Environ Health Perspect 113(7), 823-39.(2) Yamakoshi et al, 2003

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Nanopartikel in Lebewesen

• Außer auslösen vom Oxidativen Stress

• Nanopartikel können auch mechanische Schädigungen innerhalb der Zellen verursachen.

• Nadelförmige Nanoröhrchen können chronische Entzündungen hervorrufen, während kurze und/oder gekrümmte ebenso wie lange gekrümmte Nanoröhrchen keine solche Effekte induzieren.

• Dadurch können sie Mesotheliome (Bindegewebstumore) und/oder knotenartige Gewebsneubildungen, so genannte Granulome verursachen.

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Danke für Ihre Aufmerksamkeit

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• Komplex IV Cytochrom c• Komplex V ATP-Synthase

Komplex I NADH-DehydrogenaseKommplex II Ubichinon

Komplex III Ubihydrochinon

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• Nanopartikel• Freie Radikale• Oxidation• Oxidanten• Antioxidation• Antioxidantien• Redox • Oxidativer Stress

Fachbegriffe

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