Слайд 1Перекисное окисление липидов
Характеристика, продукты, биологическая и патофизиологическая роль
Слайд 2 Перекисное окисление липидов –
свободнорадикальный цепной процесс, протекающий в биомембранах и липопротеинах, сопровождается окислительной деградацией полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) с образованием свободнорадикальных и молекулярных продуктов.
Свободнорадикальные реакции ПОЛ постоянно протекают во всех организмах– от микроорганизмов до животных и человека.
Роль ПОЛ:
обновление мембранных липидов
поддержание структурного гомеостаза
биосинтез биологически активных соединений (простагландинов, тромбоксанов, лейкотриенов)
функционирование мембранных ферментов
- экспрессия генов
деление клеток
регуляция апоптоза
Чрезмерная активация ПОЛ приводит к развитию патологических процессов (окислительный стресс).
Слайд 3Академик Н.Н.Семёнов
Сирил Норман Хиншелвуд
В 1956 г. Н.Н.Семёнов совместно с С.Хиншелвудом получили Нобелевскую премию
по химии «За исследования механизма химических реакций, в особенности за создание теории цепных реакций».
Слайд 4Тарусов Б.Н.
Владимиров Ю.А.
Автор гипотезы о ведущей роли свободнорадикальных реакций ПОЛ в
развитии патологических процессов в клетке
Бурлакова Е.Б.
Слайд 5Эмануэль Н.М.
Тарусов Б.Н.
Выдвинули идею о роли ПОЛ в происхождении и патогенезе
различных болезней. Это легло в основу концепции о СРО как универсальном механизме в повреждении мембранных структур клетки, а также окислительной модификации биомолекул при различных патологических состояниях, действии экстремальных факторов, а также при старении.
Слайд 6Общее уравнение свободнорадикального ПОЛ имеет следующий вид:
(L• + LO•) +
LH + O2 → (L• + LO•) + LOOH + H2O
L•, LO• - липидные радикалы
LH - полиненасыщенная жирная кислота (ПНЖК)
LOOH – гидроперекись липида
Слайд 7Важнейшие особенности ПОЛ:
1. О2 - зависимый процесс. О2 необходим для образования
АКМ, для инициации процесса, реакций продолжения и разветвления цепи;
2. скорость процесса зависит не только от концентрации исходных и конечных веществ, но и от содержания промежуточных соединений – липидных радикалов;
3. большая зависимость ПОЛ от температуры среды
(Q10 > 5);
4. скорость ПОЛ сильно зависит от степени ненасыщенности липидов;
5. ПОЛ инициируется путем отрыва атома водорода от атома углерода в α-положении, т.е. соседнего с двойной связью;
6. по типу утилизации кислорода ПОЛ относится к диоксигеназному пути окисления.
Слайд 8
Схема участия молекулярного кислорода в окислительных превращениях субстратов (S) в клетке
Слайд 9Активаторы и ингибиторы продукции АФК
Слайд 11Основными "фабриками" по производству свободных радикалов в нашем организме служат маленькие
продолговатые тельца внутри живой клетки — митохондрии, самые главные её энергетические станции.
Слайд 12В физиологических условиях более 95% молекулярного кислорода вовлекается в процесс окислительного
фосфорилирования в митохондриях.
Однако молекула кислорода способна к неполному восстановлению, что приводит к возникновению чрезвычайно реакционно-способных кислородных радикалов.
Слайд 13
Свободные радикалы — это высокоактивные молекулы или атомы, имеющие один или
несколько неспаренных электронов на внешней орбитали, что делает их особенно активными и «агрессивными».
Свободные радикалы стремятся вернуть себе недостающий электрон, отняв его от окружающих молекул.
неспаренный электрон
спаренные электроны
Слайд 14Восстановление кислорода в биосистемах и образование активных форм кислорода (АФК)
Слайд 15Активированные кислородные метаболиты (АКМ) - высокореакционные, преимущественно радикальные кислородные соединения, образующиеся
в живых организмах в результате неполного восстановления молекулярного кислорода или изменения спина одного из его электронов, находящихся на внешних орбиталях.
Обнаружено от 300 до 800 различных органических радикалов: радикалы липидов, белков, низкомолекулярных пептидов, нуклеиновых кислот, фенолов, неорганических молекул
Слайд 18Метаболизм природных свободных радикалов (Владимиров Ю.А., 1998)
Слайд 19
Свободные радикалы разделяют на первичные, вторичные и третичные (Владимиров Ю.А.).
Первичные
свободные радикалы постоянно образуются в процессе жизнедеятельности организма в качестве средств защиты против бактерий, вирусов, чужеродных и опухолевых клеток. Так, фагоциты выделяют и используют свободные радикалы в качестве оружия против микроорганизмов и раковых клеток.
Вторичные радикалы, в отличие от первичных, не выполняют физиологически полезных функций.
Напротив, они оказывают разрушительное действие на клеточные структуры, стремясь отнять электроны у «полноценных» молекул, вследствие чего «пострадавшая» молекула сама становится свободным радикалом (третичным), но чаще всего слабым, не способным к разрушающему действию.
Слайд 20Классификация АКМ
1. Активные формы кислорода (АФК) – продукты одно, двух- и
трех-
электронного восстановления молекулярного кислорода (О2•‾, НО2•, Н2О2, ОН•) или
изменения спина одного из электронов внешней орбитали (1О2).
2. Гипогалогениты - активные формы галогенов (АФГ) - (HOCl, HOBr, HOI, HOSCN) – продукты ферментативной реакции перекиси водорода и галогенов, которая катализируется миелопероксидазой, эозинпероксидазой, лактопероксидазой. Маркеры воспаления.
3. Оксид азота NO• и его метаболиты - активные формы азота (АФА) - (NO2•, NO+, NO‾,ONOO‾, S-нитрозотиолы). Физиологические функции NO•: регуляция тонуса сосудов (эндотелиальный фактор расслабления), медиатор нового типа, бактерицидное и противораковое действие.
4. Липидные радикалы (L•, LO•, LO2•) - образуются при протекании ПОЛ, при высоких концентрациях - цитотоксическое действие, при стационарных концентрациях - регуляторы биологических процессов.
Слайд 21Окислительный стресс (ОС) - состояние сдвига динамического равновесия в системе прооксиданты↔антиоксиданты
(ПОЛ↔АО) в сторону усиления свободнроадикального окисления (СРО) на фоне нарушения работы антиоксидантной системы.
В механизмах ОС выделяют:
собственно ОС (АФК↑);
нитрозильный стресс (АФА↑);
галогенирующий стресс (АФГ↑)
карбонильный стресс (АКС – альдегиды, кетоны ↑)
Слайд 22Различные уровни АФК индуцируют различные клеточные процессы:
низкие уровни АФК являются сигнальными
молекулами, митогенами или промоторами дифференциации и пролиферации, высокие уровни АФК блокируют рост, гиперпродукция АФК вызывает ОС, активирует апоптоз
Слайд 23АФК → ПОЛ↑ → окислительный стресс → гибель клетки
Слайд 26Источники супероксидного анион-радикала (О2●▬)
в клетке
1. Аутоокисление органических соединений (например, гемоглобина).
2.
Ксантиноксидаза, которая катализирует окисление ксантина (гипоксантина) в мочевую кислоту.
3. ЭТЦ митохондрий (5-6% АФК).
4.ЭТЦ микросом (75% АФК)
5. НАДФН-оксидаза
Пути удаления О2●▬ в клетке
1. Супероксиддисмутазы
2.Низкомолекулярные антиоксиданты - α-токоферол, аскорбат, мочевая кислота и др.
Слайд 27Ксантиноксидоредуктаза – источник супероксида и перекиси водорода в клетке
Ксантиноксидоредуктаза представлена
двумя изоформами: ксантиндегидрогеназой (КД) и ксантиноксидазой (КО).
КД ↔ КО – это группа из двух близких по структуре Mo6+ и Fe2+-содержащих ферментов, локализованы в большинстве органов, обладают широкой субстратной специфичностью. Они окисляют пурины (через гипоксантин и ксантин до мочевой кислоты), пиримидины, адреналин, дегидрируют НАДН, НАДФН.
Слайд 28Схема катаболизма пуринов, катализируемого ксантиноксидоредуктазой. Ксантиноксидаза – источник супероксида и
перекиси водорода
Слайд 30ЭТЦ митохондрий – источник АФК.
Два лика митохондрий как «силовых станций клетки»
и важнейших продуцентов АФК
Слайд 31Продукция супероксида и перекиси водорода в митохондриях
Слайд 32Роль митохондрий в индукции апоптоза. Открытие апоптоз-индуцирующегл фактора (AIF ) Гвидо
Крэмером (1994)
Слайд 33Образование митоптического тельца и митоптоз
.
Слайд 34Конформационные болезни (КБ) – это заболевания, связанные с нарушнием механизмов нативной
укладки клеточных белков (фолдинг) в процессе их созревания и выполнения ими физиологических функций.
При всех этих заболеваниях наблюдается митохондриальная дисфункция, приводящая к повышенной продукции АФК, которые способствуют нарушению нормального фолдинга белков и накоплению молекул с аномальной конформацией.
Слайд 35Роль ЭТЦ митохондрий в развитии нейродегенеративных заболеваний – болезни Паркинсона (PD),
бокового амиотрофического склероза (ALS), болезни Гентингтона (HD), болезни Альцгеймера (AD)
Слайд 36Болезнь Паркинсона – впервые описана Джеймсом Паркинсоном в 1817 году в
«Эссе о дрожжательном параличе». Основу клинической картины БП составляет классическая триада: акинезия (гипокинезия), мышечная ригидность и тремор покоя.
Слайд 38Нарушение метаболизма при болезни Паркинсона
(Крыжановский и др., 2000):
1. митохондриальная дисфункция
- нарушение I ферментативного комплекса ЭТЦ (I ФК ЭТЦ);
2. энергетический дефицит нейрона;
3. усиление ПОЛ с образованием токсичных продуктов;
4. Са-перегрузка нейронов, гибель клетки;
5. мутации в гене α-синуклеина → изменение структуры белка α-синуклеина → его накопление в нейроне → агрегация белка с образованием телец Леви. В настоящее время α-синуклеин - ключевой молекулярный маркер БП.
Слайд 40Механизмы болезни Альцгеймера
Наиболее признанной гипотезой развития БА является гипотеза патологического амилоидного
каскада и связанного с ним гиперфосфорилирования тау-протеина [Hardy, Higgins, 1992].
Слайд 41Болезнь Альцгеймера (сенильная деменция) — нейродегенеративное заболевание, впервые описанное в 1906 году немецким психиатром Алоисом Альцгеймером. Как
правило, обнаруживается у людей старше 65 лет.
Общемировая заболеваемость на 2006 г. оценивалась в 26,6 млн. человек, а к 2050 году число больных может вырасти вчетверо.
Патоморфологические и биохимические механизмы БА связаны с:
- митохондриальной дисфункцией (нарушение IV ФК ЭТЦ);
- накоплением β-амилоидного пептида и образованием внеклеточных амилоидных бляшек;
- гиперфосфорилованием тау-белка, ассоциированного с микротрубочками, и образованием внутриклеточных нейрофибриллярных клубочков. Гибель нейронов.
Слайд 42Боковой амиотрофический склероз (болезнь Лу Герига, болезнь мотонейронов, нарушение II и
IV ФК ЭТЦ)
Белковое скопление в нейроне при болезни Лу Герига
Слайд 43
Генри Луи Гериг, прозванный за выносливость «Железный конь» — выдающийся бейсболист.
В возрасте 36 лет он заболел боковым амиотрофическим склерозом, который широко известен в США и Канаде как «болезнь Лу Герига».
Эксперт по черным дырам, Хокинг – один из самых выдающихся астрофизиков. Его достижения еще более значимы потому, что ученый страдает дегенеративным генетическим заболеванием, которое диагностировали, когда Стивену был 21 год; тогда будущему ученому врачи обещали всего несколько лет. Но Хокинг не только прожил более полувека, но и сделал множество фундаментальных открытий в области теоретической астрофизики.
Слайд 44Митохондриально-направленная терапия нейродегенеративных заболеваний
Слайд 45Структура и механизм действия
митохондриально-направленного антиоксиданта SkQ1С сохданного в МГУ
Слайд 46ЭТЦ микросом – источник АФК
Образование О2‾• и Н2О2 в системе микросомального
окисления (75% АФК)
Главной функцией монооксигеназ является детоксикация ксенобиотиков путем гидроксилирования:
ХН + О2 + АН2 → ХОН + Н2О + А
Слайд 47НАДФН-оксидаза фагоцитов – источник АФК
Образование супероксида и гидропероксида НАДФН-оксидазой фагоцитов
Слайд 48Образование АФК при респираторном взрыве фагоцитов.
Слайд 49Структура НАДФН-оксидазы.
Состоит из 6 гетерогенных субъединиц: 2 мембрано-связанных (gp 91, p
22) и 4 цитозольных (p47, p40, р67, Rac), которые под влиянием стимуляторов объединяются в ферментативный комплекс, генерирующий О2‾•.
2) Важнейший компонент НАДФН-оксидазы – цитохром b558 состоит из гликопротеина - β-субъединицы (gp91) и α-субъединицы (р22). β-субъединица (gp91) содержит 6 трансмембранных α-спиралей на N-конце и участки гликозилирования. С-конец имеет сайты связывания ФАД и НАДФН, в состав цит b558 входит 2 гема
Слайд 50Строение флавоцитохрома b558
НАДФН → ФАД → ФАДН• → гем(внутр) → гем(внеш)
→ О2 → О2‾•
Слайд 51Роль НАДФН-оксидазы в патогенезе заболеваний.
Хронический гранулематоз («детский фатальный хронический гранулематоз»; 1:200-250
тыс.) – генетические дефекты субъединиц НАДФН-оксидазы, невозможность развития дыхательного взрыва лейкоцитов.
Лимфогранулематоз (болезнь Ходжкина, злокачествен-ная гранулема) – злокачественное заболевание лимфоидной ткани, характерным признаком которого является наличие гигантских клеток Березовского-Штернберга и ингибирование НАДФН-оксидазы.
Слайд 52Микропрепарат: биоптат лимфоузла. Характерная клетка Рид — Березовского — Штернберга при
болезни Ходжкина
Слайд 53Супероксиддисмутазы (СОД) – суперсемейство ферментов, относящихся к классу оксидоредуктаз и катализирующих
реакцию дисмутации супероксидного анион-радикала с образованием перекиси водорода и кислорода:
О2‾• + О2‾• → Н2О2 + 3О2
СОД присутствуют у всех аэробных организмов.
СОД (эритрокупреин) была открыта Мак-Кордом и Фридовичем в 1969 г.
СОД классифицируют по строению активного центра и структурной организации молекулы.
Выделяют 3 семейства СОД:
- Cu,Zn-СОД (эукариоты, хлоропласты растений, бактерии)
- Fe-СОД, Mn-СОД (прокариоты, митохондрии эукариот, хлоропласты)
- Ni-СОД (Streptomyces, цианобактерии)
Супероксиддисмутазы
Слайд 54Структура различных изоферментов СОД
Слайд 55Источники перекиси водорода в клетке:
НАДФН-оксидаза
Электрон-транспортная цепь митохондрий
Электрон-транспортная цепь микросом
Ксантиноксидоредуктаза (КОР)
Супероксиддисмутаза
Пути удаления перекиси водорода:
Каталаза
Глутатионпероксидаза
Пероксиредоксины
Слайд 56Элиминация перекиси водорода в клетке осуществляется ферментативным путем:
1.Каталаза – гемсодержащий внутриклеточный
фермент (тетрамер):
2Н2О2 → 2Н2О + О2
2. Глутатионпероксидаза – конститутивное семейство ферментов, которые способны восстанавливать органические и неорганические гидропероксиды до гидроксисоединений или других восстановленных эквивалентов. Имеются селеновые и неселеновые ГПО. Селеновые ГПО содержат в активном центре селеноцистеин, который вовлекается в каталитический цикл.
2GSH + H2O2 → GSSG + 2 H2O
3. Пероксиредоксины – цитозольные белки, обладающие перксидазной активностью, которые имеют фиксированные цистеиновые остатки на концах молекул, восстанавливают Н2О2
Слайд 57Индукция ПОЛ
1.Самый эффективный индуктор ПОЛ – гидроксильный радикал ОН•, который образуется
в реакциях Фентона, Осипова, в реакции оксида азота и супероксида.
Н2О2 + Fe2+ → OH• + OH▬ + Fe3+
HOCl + Fe2+ → OH• + Cl▬ + Fe3+
NO• + O2•▬ → ONOO▬ → ONOOH → OH• + NO2•
2. Fe2+ активирует ПОЛ через реакцию разветвления цепи, а также реакции Фентона и Осипова.
LOOH + Fe2+ → LO• + OH▬ + Fe3+
Слайд 59Цепная реакция перекисного окисления липидов:
1-старая цепь окисления, 2, 3 -
новые цепи окисления
Слайд 62Продукты ПОЛ
Первичные продукты ПОЛ
Вторичные продукты ПОЛ
Конечные продукты ПОЛ
Слайд 65Структура карбонильных соединений – вторичных продуктов ПОЛ
Слайд 66Липофусцин (пигмент старения) - гликолипопротеид, в котором преобладают фосфолипиды. Он представлен
зернами золотистого или коричневого цвета в цитоплазме клеток печени, почек, миокарда, скелетных и гладких мышц, симпатических ганглиев и коры надпочечников. По химической природе образован по типу шиффовых оснований – конечных продуктов ПОЛ.
Слайд 67Изопростаны –стабильные продукты ПОЛ
Изопростаны – группа простагландинподобных компонентов, образующихся при свободнорадикальном
окислении арахидоновой кислоты, не зависимо от
ЦОГ-пути
Слайд 68Влияние ПОЛ на липидный бислой мембран
Слайд 69ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
Рост проницаемости для протонов –
нарушение работы дыхательной цепи. Дыхательная цепь – электрон-танспортная цепь (ЭТЦ) митохондрий содержит 5 ферментативных комплексов
NADH – дегидрогеназа (NADH-убихинол-редуктаза)
2) Сукцинатдегидрогеназа
3) Убихинон-цитохром-с-редуктаза
4) Цитохром-С-оксидаза 5) АТФ-синтетаза
Слайд 70Окислительное повреждение ДНК
Виды повреждений ДНК:
1) одно и двунитевые разрывы
ДНК
2) образование АП-сайтов (т.е. потеря пуринов или пиримидинов)
3) окислительная модификация оснований и сахаров в составе ДНК (тиминовые гликоли, тимин-тиминовые сшивки, 8-оксогуанозин)
Слайд 72
Живые клетки имеют систему защиты от повышенной продукции свободных радикалов -
антиоксидантную систему, механизм действия которой направлен на блокирование действия свободных радикалов. Антиоксидантная система образована антиоксидантными ферментами и низкомолекулярными антиоксидантами.
Антиоксиданты «ловят» радикалы, отдавая им свои электроны, таким образом, обезвреживая их. При этом структура антиоксидантов остается стабильной.
Слайд 79Гибель митохондрий и клеток под действием АФК и продуктов ПОЛ
Слайд 80Свободнорадикальные патологии (более 300 заболеваний)