活性酸素の生化学

活性酸素の生化学
１
活性酸素 フリーラジカル
● 分子は最外殻の電子軌道の電子を出し合って電子ペアをつくり結合している
● ペアをつくっている2個の電子の自転方向は（スピン）はお互いに逆向き
● １重項：電子ペアによって原子同士がお互いに結合している分子
● ラジカル（2重項分子）：ペアをつくっている電子の1個がとれた状態
● 3重項：1分子にペアになっていない電子を2個持つ分子
● 酸素は3重項（バイラジカル）で最も安定で反応性が低い
２
酸素分子は特殊な分子内電子配置をもっている
活性酸素種：Reactive Oxygen Species (ROS)
πx*
πy*
πx
πy
σz
2S1*
2S1
1S1
1S2
3O
2
3重項酸素
（基底状態）
1O
2
１重項酸素
（励起状態）
singlet oxygen
安定な酸素分子
O2スーパーオキシド
アニオン
superoxide anion
O22ペルオキシド
（過酸化水素）
hydrogen
peroxide
３
活性酸素種のなかで，過酸化水素と遷移金属の反応で生成されるヒドロキシルラジカルは
最も反応性が高く，まわりにある高分子を酸化する。
酸素分子（3重項分子）は電子ペアをもつ普通の分子（1重項分子）とは反応できない ４
酸素分子が反応するには
１．遷移金属イオンによる活性化
鉄、銅、マンガンなどの金属イオンは最外殻の電子軌道（３ｄ軌道）に
ペアになっていない電子をもち、一種のラジカル
生体内の遊離金属は危険
遷移金属結合タンパク質：
（鉄） hemosiderin ヘモシデリンとferritin フェリチン(鉄貯蔵） 疾患：ヘモシデローシス
血中の輸送タンパク質transferrin トランスフェリン, 母乳lactoferrin ラクトフェリン
（銅） セルロプラスミン 疾患：ウイルソン病
２．酸素分子の還元、励起による活性化
活性酸素種
３．ラジカル（2重項分子）とは非常に反応しやすい
ラジカルはペアになっていない電子を酸素に与え、スーパーオキシドアニオンを生成
４．生体内の色素は光エネルギーを吸収し、3重項励起状態になる
励起された色素分子のエネルギーが酸素に移動し、1重項酸素分子が生じる
ポルフィリン病
５．酸化還元電位の低い基質
酸化還元電位が非常に低い基質は電子を受け取りラジカルになりやすく、
まわりの酸素に電子を与える事が出来る （例） パラコート中毒
細胞内での活性酸素の主な産生場所
スーパーオキシド
色素
過酸化脂質
スーパーオキシド
５
６
生体内での
スーパーオキシド
産生源
生体内でのラジカル分子の生成
a
b
７
生体内でのラジカル分子の生成
８
生体内でのラジカル分子の生成
９
１０
過酸化脂質の生成反応
共役二重結合：水素引き抜き反応が起こりやすい
１１
多価不飽和脂肪酸の過酸化反応
Initiation (開始反応）
水素引き抜き反応
多価不飽和脂肪酸
-H・
脂肪酸ラジカル （Ｒ・）
Prolongation （伸展反応）
R・ + O2
→
ROO・
ROO・ + RH →
ROOH + R・
Termination （終止反応）
2 R・ → RR
2ROO・ → O2 + ROOR
ROO・ + R・ → ROOR
ラジカルスカベンジャー
ビタミンＥ
１２
１３
過酸化脂質の生体内での還元反応
グルタチオン還元酵素
Ｒ
Ｒ・
ビタミンＥラジカル
ビタミンＥ
膜（疎水性）
ビタミンＣ
ＧＳＳＧ
デヒドロビタミンＣ
ＧＳＨ
親水性
ＮＡＤＰＨ
ＮＡＤＰ＋
血管内皮細胞由来血管弛緩因子（ＮＯ；一酸化窒素）も重要なラジカル
NO synthase (NOS；一酸化窒素合成酵素)
Neuronal NOS (nNOS or NOS1):シグナル伝達
Inducible NOS (iNOS or NOS2)：炎症、生体防御
Endothelial NOS (eNOS or NOS3）：血管拡張
L-arginine
NOとO2-の反応
peroxinitrate
１４
１５
活性酸素・過酸化脂質に対する生体防御
１．抗酸化酵素
１） スーパーオキシドジスムターゼ：superoxide dismutase (SOD)
Cu, ZnSOD (細胞質型，SOD1遺伝子）、
MnSOD（ミトコンドリア型，SOD2遺伝子）
ECSOD（細胞外型，SOD3遺伝子）
O2- + O2- + 2 H+ → O2 + H2O2
１６
（スーパーオキシドアニオンの付均化反応を触媒）
２） カタラーゼ：catalase （ペルオキシソーム）
2 H2O2 → 2 H2O + O2
３） グルタチオンペルオキシダーゼ：glutathione peroxidase（細胞質）
2 GSH + H2O2 → GSSG + 2 H2O
Glutathione Oxidation Reduction (Redox) Cycle
2 GSH + ROOH → GSSG + ROH + H2O
（過酸化水素と脂質ペルオキシドを水とアルコールにそれぞれ還元）
４） グルタチオンＳ-トランスフェラーゼ
glutathione S-transferase
GSH + ROOH → GSOH + ROH
GSOH + GSH → GSSG + H2O
（脂質ペルオキシドをアルコールに還元）
１７
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Cu, Zn-SOD
Mn-SOD
１９
２．金属結合タンパク質による活性酸素産生の抑制
１） トランスフェリン (transferrin)
血液中の鉄輸送タンパク質
２） ラクトフェリン (lactoferrin)
母乳、好中球から分泌される。感染細菌の生育に必要な鉄を除去
３） ヘモシデリン (hemosiderin)、フェリチン (ferritin)
細胞内の鉄貯蔵タンパク質
４） セルロプラスミン (celuroplasmin)
細胞外液、特に、血液中に多く存在する銅結合タンパク質
５） メタロチオネイン (metallothionein)
カドニウム、銅、亜鉛などの重金属被爆で誘導される
構成アミノ酸の１／３がシステインでSH基を介して1分子あたり
7分子の金属を結合させる
２０
生体内の抗酸化剤
天然抗酸化物の化学構造
サケ・エビ・カニや海藻などの魚介類に多く含まれる赤い色素
β-カロテンの一種、一重項酸素に有効
２１
２２
活性酸素によるDNAの損傷
(8-HDG)
２２
生体内での活性酸素の役割
●活性酸素
ＤＮＡ （ＤＮＡ損傷、突然変異）
膜脂質 （過酸化脂質）
タンパク質 （変性・失活）
細胞障害
炎症
組織障害
加齢に伴う
疾患
寿命
●活性酸素： 細胞増殖、アポトーシス、発がんのシグナル
●活性酸素： 生体防御
Nuclear Respiratory Factor 2 (NRF2)
抗酸化剤応答配列ARE（antioxidant response element）
好中球・マクロファージのNADPH oxidase
慢性肉芽腫症（chronic granulomatous disease; CGD）
・食細胞機能異常を原因とする原発性免疫不全症候群の一疾患
・スーパーオキシド産生酵素NADPH oxidaseの遺伝子異常
・伴性遺伝のgp91phox欠損型は，常染色体劣性遺伝のp22phox，p47phox，
p67phox欠損型より重症
・乳幼児期より重症細菌・真菌感染症を反復し， 諸臓器に肉芽腫形成を伴うのが特徴
予後不良で青年期までに大半が死亡していた．
抗菌療法の発達やインターフェロンγの導入，骨髄幹細胞移植等で予後は改善
PMN Phagocytosis
PMN
Primary
Granules
Superoxide
2O2-
Specific
Granules
MPO
+
Cl- H2O2
2O2
HOCl (~bleach)
Proteases
pH = 7.5-8.0
Antimicrobial
Proteins & Peptides
FR DeLeo
２３
２４
Flavocytochrome b558
N 240
N 149
N 132
gp91phox
p22phox
Fe
VI
I
II
IV
Fe
NH2
COOH
COOH
Dinauer and coworkers, 1998
Segal and coworkers, 1997
NH2
２５
NADPH Oxidase: unassembled & inactive
2O2
2O22egp91phox
Fe
p22phox
Fe
CYTOPLASM
p40
p67
p47
+
Sequestered SH3 Domains
and Cationic Region
Conformational changes of p47phox
C--- P
SH3
autoinhibitory region
P
SH3
Resting cell
N---
Protein kinase(s)
N--- PX (wt)
SH3
SH3
P P
---C
Stimulated cell
２６
２７
2O2
NADPH Oxidase Activation
and Assembly
2O22egp91phox
Fe
p22phox
Fe
Rap1A
FAD
NADPH
7
P
P
P
FAD
6
8
1
p67
p40
CYTOPLASM
9
Rac
GTP
?
p40
3
p67
2
3
1
4
p47
NADPH
P P
ACTIVATED
RESTING
Rho Rac
GDI GDP
5
Rho
GDI
Phosphorylation
p40
2
p47
3
p67
1
+
Sequestered SH3 Domains
and Cationic Region
NAD(P)H oxidases
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z Phagocyte NADPH oxidase (gp91phox) Nox2
z Non-phagocyte oxidase
(smooth muscle cells, endothelial cells, fibroblasts)
z Gastric pit cell NAD(P)H oxidase (Teshima, Gastroenterology 1998)
z Mitogen oxidase 1 (Mox1) (Lambeth, Nature 1999) Nox1
z Renox (Leto, ProNAS 2000; Sumimoto, JBC 2001) Nox4
z Thox 1, 2 (Duphy, JBC 1999; Edens, JBC 2001) Duox1, 2
z Nox3 (Kikuchi, Gene 2000) Nox3
z Nox5 (Lambeth, JBC 2001) Nox5
z Nox organizer 1, Nox activator 1 (Leto; Krause; Sumimoto; JBCs 2003)
z Nox1 in innate immunity (Kawahara et al. J Immunol 2004)
NADPH oxidase (Nox) / Dual oxidase (Duox) family
２９
Nox1
outside
6 x transmembrane
H
I
II
Fe
IV
III
H
Fe
Nox2 (gp91phox)
H
V
H
VI
NH2
inside
NADPH FAD
Nox1
Nox3
COOH
Nox4
Nox5
Duox1
Duox2
Peroxidase domain
EF-hand
FAD , NADPH binding domains
Ca++-binding domain
1 x transmembrane
(Lambeth et al, Trends. Biochem. Sci. 2000,
Gordon Research Conference, 2001)
Functions of the Nox/Duox family
Nox1: local host defense, inflammation
cell growth, transformation (?)
regulation of vascular tone
Nox2 : host defense, recognition & memory ?
Nox3 : development, otoconial morphogenesis
Nox4 : aging, atherosclerosis, oxygen sensing
Nox5 : regulation of immune cell functions
Duox1, Duox2 : thyroid hormone synthesis
host defense