Post on 03-Oct-2020
transcript
Свободные радикалы и болезни человека
Ю.А. Владимиров, А.Н. Осипов
2020
Биофизические основы
патологии клетки
•O2- H2O2
•OH H2O
Взаимосвязь активных форм кислорода
+e- +e- +e-+e-
+2H+ +H+
O2
1O2
+ Cl- HOCl/OCl-+MPO
+ NO• ONOO-
+hn
оксид азота пероксинитрит
гипохлорит
синглетный
кислород
супероксидный
анион-радикал
пероксид
водорода
гидроксильный
радикал
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Какие частицы относят к активным
формам кислорода?
1. ●O2─ супероксидный радикал
2. H2O2 пероксид водорода
3. ●OH гидроксильный радикал
4. 1O2 синглетный кислород
5. ClO─ гипохлорит
6. ONOO─ пероксинитрит
7. NO● оксид азота
8. Радикалы липидов: LO● (алкоксильный),
LOO● (пероксильный)
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
а—схематическое изображение клетки фагоцита;1 — захват клеткой чужеродной частицы (фагоцитоз);2 — активация клетки химическим веществом, например хематтрактантом;
Активация фагоцита внешним стимулом
б—участок клеточной мембраны; НАДФН, образующийся при окислении глюкозы (гексозомонофосфатный шунт), окисляется ферментным комплексом цитоплазматической мембраны (НАДФН-оксидазой) с образованием супероксидных радикалов. В присутствии люминола наблюдается интенсивная хемилюминесценция.
а
б
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
О2➔НО2⚫➔Н2О2➔ОН⚫
III III
IV
NAD+ + H+
NADH
Q
QH2
2e¯
C(Fe+3)
e¯
4H+ 2H2O
O2C(Fe+2)
e¯
О2➔НО2⚫➔Н2О2➔ОН⚫
О2➔НО2⚫➔Н2О2➔ОН⚫
+О2
+О2+О2
Образование супероксидных
радикалов в митохондриях
Дыхательные комплексы митохондрий при реоксигенации
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Препараты, используемые для фотодинамической терапии:
Аласенс, Аминолевулиновая кислота, Гелеофор, Димегин, Радахлорин,
Фотосенс, Хлорин Е6, Фотолон, Фотогем
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Гипохлорит
Образуется миелопероксидазой нейтрофилов из H2O2 и Cl-
H2O2 + Cl- ➔ OCl-/HOCl
pK (OCl-/HOCl) = 7.5
Это означает, что при нормальном рН концентрации
OCl- и HOCl почти равны
Обладает хлорирующим действием и таким образом
разрушает бактерии и вирусы в очаге воспаления
Может образовывать ОН ⚫ радикалы в реакции с ионами железа:
HOCl + Fe2+➔ Cl- + OH⚫ + Fe3+
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Пероксинитрит: химические свойства
Образуется в реакции оксида азота и супероксидного радикала:
NO⚫ + ⚫O2-➔ ONOO-/ONOOH
Является сильным окислителем, может
взаимодействовать с липидами, белками и нуклеиновыми
кислотами.
ONOOH ➔ OH⚫ + ⚫NO2
ONOOH ➔ HNO3/NO3-
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Какие частицы относят к активным
формам кислорода?
1. ●O2─ супероксидный радикал
2. H2O2 пероксид водорода
3. ●OH гидроксильный радикал
4. 1O2 синглетный кислород
5. ClO─ гипохлорит
6. ONOO─ пероксинитрит
7. NO● оксид азота
8. Радикалы липидов: LO● (алкоксильный),
LOO● (пероксильный)
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Оксид азота
•участвует в процессе внутриклеточной передачи сигналов у
млекопитающих, включая человека. Он играет ключевую роль в
неврологии, физиологии и иммунологии.
•как свободный радикал - обладает высокой химической активностью. Он
легко взаимодействует с кислородом и озоном, превращаясь в двуокись
азота (•NO2) или с супероксидом, превращаясь в пероксинитрит (ONOO-).
В 1992 году Американское химическое общество присвоило
оксиду азота титул – «молекула года»
ON
Химические свойства NO
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Химические свойства NO
1. Реакция с кислородом:
2NO• + O2 2NO2•
2. Реакция с супероксидным радикалом:
NO• + O2 •- ОNOО-
3. Реакция с тиолами:
NO• + RSH RSNO
4. Реакция с металлопротеинами:
NO• + Hb(Fe3+) Hb(Fe2+)NO
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
В каких формах NO существует в организме?
Нитрозотиолы (RSNO):
нитрозоцистеин (CysNO), нитрозоглутатион (GSNO), нитрозоальбумин (AlbNO) и др.
Нитрозометаллопротеины (Hb(Fe2+)NO):
нитрозогемоглобин (HbNO), нитрозомиоглобин (MbNO), нитрозоцитохром (CytNO) и др.
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Оксид азота синтезируется в организме из L-аргинина
ферментом NO-синтазой.
В организме есть 3 типа NO-синтаз (NOS):
1. eNOS – эндотелиальная (эндотелий),
2. nNOS – нейрональная (глиальные клетки) и
3. iNOS – индуцибельная (тканевые макрофаги)
eNOS и nNOS активируются ионами Ca2+, в то время как
активация iNOS происходит в макрофагах в присутствии
ФНО или интерферона-g.
Образование NO в организме
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Физиологические функции NO
NO важен для
передачи
сигнала между
нервными
клетками в мозге
NO участвует в защите
от бактериальной
инфекции и паразитов
Макрофаг
Нейроны в мозге
NО регулирует
тонус сосудов
Сосуды в организме
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
•тормозит агрегацию тромбоцитов и адгезию лейкоцитов к
эндотелию.
•может вызывать повреждения при гипокии-реперфузии: при
гипоксии синтезируется много оксида азота, а при
реперфузии появляется супероксид, который реагируя с
оксидом азота, образует токсичный пероксинитрит
Физиологические функции NO
Кроме того:
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Схема образования NO в сосудах и тканях
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Нитроглицерин, взрывчатка 100 летней
давности, и сердечное лекарство
При атеросклерозе бляшки уменьшают кровоток в артериях. Это уменьшает доставку
кислорода к сердечной мышце и вызывает боль в груди (стенокардию), а иногда - даже
инфаркт миокарда. Лечение нитроглицерином приводит к выделению NO, который
расширяет сосуды и увеличивает кровоток. Благодаря Нобелевским лауреатам 1998 года
мы теперь понимаем, как работает нитроглицерин, это важное сердечное лекарство. Он
действует как донор NO, вызывая расширение кровеносных сосудов, увеличивая их
снабжение кислородом и тем самым защищая клетки сердца от повреждения.
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Роберт Фуршготт, Родился в 1916. Работает в Отд.
Фармакологии,
SUNY Health Science Center
New York
Луис Иньяро, Родился
в 1941.
Работает в Отд. Молекулярной
фармакологии, UCLA School of
Medicine, Los Angeles
Ферид Мурад, Родился в 1936. Работает в
Отд. Интегративной биологии,
фармакологии и физиологии,
University of Texas Medical
School, Houston
Нобелевская Премия по Физиологии и
Медицине 1998
"за открытие касающееся окиси азота как сигнальной молекулы в сердечно-сосудистой системе"
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Бутерброд ФуршготтаРоберт Ф Фурчготт показал, что вызванное ацетилхолином расслабление
кровеносных сосудов зависит от эндотелия. Его эксперимент "бутерброда" было
важным этапом в последующем развитии науки. Он использовал две
различных части аорты; одна имела неповрежденный слой эндотелия, в другой
этот слой был удален.
Эндотелий удален –
ацетилхолин вызывает
сокращение стенки сосуда
Эндотелий сохранен –
ацетилхолин вызывает
расслабление сосуда
Так был открыт EDRF –
эндотелиальный фактор
расслабления
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Спектральный анализ Иньярро
Луи Иньярро сообщил, что EDRF расслабляет кровеносные сосуды. Он также
идентифицировал EDRF как молекулу, используя спектральный анализ
гемоглобина. Когда гемоглобин был подвергнут действию EDRF, максимум
поглощения света сдвигался; такое же изменение спектра наблюдали при
действии на гемоглобин окиси азота. Так был открыт новый принцип
передачи сигналов между клетками человеческого организма.
Спектрофотометр
Гемоглобин (желтый) при
взаимодействии с клетками
эндотелия давал сдвиг спектра,
точно такой же, как при действии на
гемоглобин окиси азота (зеленый).
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Активация гуанилат-циклазы
(по данным Мюрада)
Ферид Мюрад знал, что нитроглицерин вызывает расслабление клеток гладкой
мышцы. Фермент, гуанилатциклаза, был активирован, и это вызвало рост концентрации
циклического ГМФ, что привело к расслаблению мышцы. Нитроглицерин действовал
через образование оксида азота? Мюрад барботировал NO-газ через ткань,
содержащую фермент; циклический GMP увеличивался. Так был обнаружен новый
способ действия лекарственного средства!
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Расслабление стенок сосудов благодаря
передаче сигнала между клетками
NO индуцирует синтез ц-ГМФ путем активации гуанилат-циклазы. Это
приводит к релаксации миозина гладких мышц
Ацетилхолин стимулирует синтез
оксида азота, в клетках эндотелия.
Затем NO проникает в
гладкомышечные клетки и вызывает их
расслабление.
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Расслабление стенок сосудов благодаря передаче
сигнала между клетками
Ацетилхолин стимулирует синтез оксида
азота, в клетках эндотелия. Затем NO
проникает в гладкомышечные клетки и
вызывает их расслабление.
NO индуцирует синтез цГМФ путем
активации гуанилат-циклазы.©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Оксид азота
регуляция пероксидазнойактивности цитохрома С с
помощью оксида азота
Влияние АФК на развитие процессов в клетке
Апоптоз НекрозАутофагия/
Митофагия
Выживание клетки Гибель клетки
Ингибиторы
апоптоза
Деполяризация
Истощение
резерва АТФ
Разрыв внешней мембраны
Необратимые
морфологические изменения
АФК
Цитохром с
Количество Активных Форм Кислорода
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
контакт
ымитохондрии
ядро
повреждающее воздействиеНекроз
Клетки и органеллы
набухают. Начало
конденсации хроматина
Растворение клеточных
органелл
Лизис клеток. Внедрение
фагоцитов. Воспаление.
Этапы развития некроза
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
контакт
ымитохондрии
ядро
Повреждение межклеточных контактов
Начало конденсации хроматина
Клетки сжимаются
Хроматин конденсируется у периферии ядра
Клетки фрагментируются.
Продолжается конденсация хроматина
Клетки превращаются в
апоптотические тельца
Апоптотические тельца подвергаются
фагоцитозу
Апоптоз
Этапы развития апоптоза
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Общая схема апоптотических реакций
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Кинетика процессов при апоптозе
Окисление
кардиолипина
митохондриальных
мембран (пмоль/нмоль
общего кардиолипина)
Активность
каспаз 3/7 (ЕА/мг
белка)
Окисление
кардиолипина
митохондриальных
мембран (пмоль/нмоль
общего кардиолипина)
Активность
каспаз 3/7 (ЕА/мг
белка)
Цитохром С
(пмоль/мг белка)
Аннексин V (+)
клетки (% от
общего
количества)
(V. Kagan et al., 2005)©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Фагоцит
Апоптотическая
клетка
RAC-1
DOCK 180
CRKII
ELMO
Перестройка цитоскелетадля формирования фагосомы
C1q рецептор
лиганд C1q
МестосвязыванияC1q
PS
Рецепторы PS
Рецепторы
?
Фагоциты распознают на поверхности апоптотической клетки сигнал «съешь меня», формируемый фосфатидилсерином (PS) на внешней мембране клетки. Этот сигнал запускает процесс фагоцитоза апоптотической клетки
Механизм фагоцитоза при апоптозе
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
His18
Met80Lys72
Lys73
Heme
TOCL
Fe
Trp59
Trp59
Wavelength, nm
320 360 400 440 480
Trp
flu
ore
sc
en
ce
, a
.u.
0
5
10
15
20
Native state
+CL
NO, H2O2
Кардиолипин
0
0.02
0.04
0.06
0.08
640 690 740Wavelength, nm
Ab
so
rban
ce,
AU
Cyt c
2.009
2.094
100 G
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
His
Fe
H2O2
Met-80
His-18
Fe
H2O2
В пероксидазе H2O2 имеет
свободный доступ к атому
железа в активном центре
В цитохроме c H2O2 не имеет
доступа к атому железа в
активном центре т.к. 6
координационную связь
занимает Met80
Строение активного центра пероксидазыи цитохрома с
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Met-80
His-18
Fe
H2O2
Met-80
His-18
Fe
H2O2 CL
Кардиолипин смещает Met80 в
активном центре и облегчает
доступ H2O2 к атому железа в
активном центре
Изменения в активном центре в присутствии кардиолипина
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Met-80
His-18
Fe
NOCL
Не только H2O2 но и NO может
взаимодействовать с железом
гема, когда активный центр
модифицирован кардиолипином
H2O2Met-80
His-18
Fe
NOCL
Когда NO связался с
железом, H2O2 не может
прореагировать с железом
Связывание NO в активном центре
цитохрома С в
присутствии кардиолипина
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Нитрозильный комплекс
цитохрома с чувствителен к
действию видимого света и
может быть разрушен при
облучении видимым светом
H2O2
Met-80
His-18
Fe
NO
CL
Если NO удалено
облучением, то H2O2 легко
реагирует с гемом.
Met-80
His-18
Fe
NO CL
hn
Лазерный фотолиз нитрозильного
комплекса в активном центре в
присутствии кардиолипина
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
His-18
Met-80
Met-80
+ cardiolipin
+ NO
+ hט
Met-80
His-18
Fe
H2O2
His-18
Fe
NOCL
H2O2
Fe
NO
CLH2O2
His-18
Fe
H2O2 CL
Met-80
Суммарная схема
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
регуляция тонуса сосудов с помощью оксида азота
Оксид азота
Гуанилат-циклаза гладких мышц
Расслабление
сосудов
NO
NO-гемоглобин
Перенос Оксида азота с Гемоглобина на
Гуанилат-циклазу под действием Лазерного
излучения
NO
GTP cGMP
гемоглобин
hn
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Индукция cGMP при лазерном облучении NO-Hb
0
20
40
60
80
100
120
Контроль Облучение NO-HbОблучение
NO-Hb
cG
MP
[%
]-NOHb +NOHb
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Допплерография сосудов
Аппарат для Допплерографии
Принцип Допплерографии
Допплерограмма
Аппарат для Допплерографии
Принцип Допплерографии
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Операция
Выделение A. carotis Выделение A. femoralis
Облучение A. epigastrica
Подготовительные хирургические процедуры
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Контроль
Введение
NO-Hb
Облучение
После
облучения
Результаты Допплерографии
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
HbNO + облучение
Hb+облучение
Изменение кровотока в A. epigastrica
(по данным допплерографии)
70%
80%
90%
100%
110%
120%
130%
140%
Пе
рф
узи
я
Контроль Введение Облучение После обл.
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Какие частицы относят к активным
формам кислорода?
1. ●O2─ супероксидный радикал
2. H2O2 пероксид водорода
3. ●OH гидроксильный радикал
4. 1O2 синглетный кислород
5. ClO─ гипохлорит
6. ONOO─ пероксинитрит
7. NO● оксид азота
8. Радикалы липидов: LO● (алкоксильный),
LOO● (пероксильный)
©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
ПерекисноеОкисление Липидов
Общая схема реакций перекисного окисления липидов
???€????‚‡??? €???
RH
OO
LOO •LH
LOH
LOOH
R•
L• L • LOO •
LH
LO •
Fe2+
OOL
LOO •
LH
инициирование цепи
OO
продолжение цепи
разветвление цепиL •
Fe3+
новая цепь©2020 Владимиров Ю.А., Осипов А.Н
Вопросы к зачету:
1. Кому и за что была присуждена Нобелевская
премия по физиологии в 1998 г.?
2. Расскажите об исследованиях Фуршготта.
3. Расскажите об исследованиях Иньяро.
4. Расскажите об исследованиях Мурада.
5. Расскажите о роли оксида азота в апоптозе.
6. Расскажите о роли оксида азота в регуляции тонуса
сосудов.
7. Дайте определение процессу перекисного
окисления липидов.
8. Каковы основные стадии процесса перекисного
окисления липидов?