Перекисное окисление липидов Характеристика продукты биологическая и патофизиологическая

Перекисное окисление липидов Характеристика, продукты, биологическая и патофизиологическая роль

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).

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» . Сирил Норман Хиншелвуд Академик Н. Н. Семёнов

Тарусов Б. Н. Автор гипотезы о ведущей роли свободнорадикальных реакций ПОЛ в развитии патологических процессов в клетке Владимиров Ю. А. Бурлакова Е. Б.

Эмануэль 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.

Общее уравнение свободнорадикального ПОЛ имеет следующий вид: (L • + LO • ) + LH + O 2 → (L • + LO • ) + LOOH + H 2 O L • , LO • - липидные радикалы LH - полиненасыщенная жирная кислота (ПНЖК) LOOH – гидроперекись липида

Важнейшие особенности ПОЛ: 1. О 2 - зависимый процесс. О 2 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 (Q 10 > 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.

Схема участия молекулярного кислорода в окислительных превращениях субстратов (S) в клетке

Активаторы и ингибиторы продукции АФК

Основными "фабриками" по производству свободных радикалов в нашем организме служат маленькие продолговатые тельца внутри живой клетки — митохондрии, самые главные её энергетические станции.

В 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.

неспаренный электрон спаренные электроны 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.

Восстановление кислорода в биосистемах и образование активных форм кислорода (АФК)

Активированные 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

Меньщикова Е. Б. и др. , 2006

Владимиров Ю. А. , 2000

Метаболизм природных свободных радикалов (Владимиров Ю. А. , 1998) Образование радикалов Удаление радикалов Первичные радикалы: О 2‾ • , Восстановители, СОД, гемогло. NO • , Ko. Q • бин, альбумин Радикалообразующие Каталаза, пероксидаза, глутатион молекулы: Н 2 О 2, LOOH, HOCl, -пероксидаза, церулоплазмин, ионы Fe 2+ ферри-тин, комплексоны Вторичные радикалы: ОН • , LO • , LO 2 • Ловушки радикалов Третичные радикалы: радикалы Антиоксиданты и ингибиторы антиоксидантов и др. свободнорадикальных процессов

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.

Классификация АКМ 1. Активные формы кислорода (АФК) – продукты одно, двух- и трехэлектронного восстановления молекулярного кислорода (О 2 • ‾, НО 2 • , Н 2 О 2, ОН • ) или изменения спина одного из электронов внешней орбитали (1 О 2). 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) - (NO 2 • , 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 2 • ) - образуются при протекании ПОЛ, при высоких концентрациях - цитотоксическое действие, при стационарных концентрациях - регуляторы биологических процессов.

Окислительный 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 ↑)

Различные 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

АФК → ПОЛ↑ → окислительный стресс → гибель клетки

Источники супероксидного анион-радикала (О 2●▬) 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 О 2●▬ в клетке 1. Супероксиддисмутазы 2. Низкомолекулярные антиоксиданты - α-токоферол, аскорбат, мочевая кислота и др.

Ксантиноксидоредуктаза – 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 Mo 6+ и Fe 2+-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.

Схема катаболизма пуринов, катализируемого ксантиноксидоредуктазой. Ксантиноксидаза – источник супероксида и перекиси водорода

ЭТЦ митохондрий – источник АФК. Два лика митохондрий как «силовых станций клетки» и важнейших продуцентов АФК

Продукция супероксида и перекиси водорода в митохондриях

Роль митохондрий в индукции апоптоза. Открытие апоптоз-индуцирующегл фактора (AIF ) Гвидо Крэмером (1994)

Образование митоптического тельца и митоптоз .

Конформационные 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.

Роль ЭТЦ митохондрий в развитии нейродегенеративных заболеваний – болезни Паркинсона (PD), бокового амиотрофического склероза (ALS), болезни Гентингтона (HD), болезни Альцгеймера (AD)

Болезнь 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.

Нарушение 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.

Механизмы болезни Альцгеймера Наиболее признанной гипотезой развития БА является гипотеза патологического амилоидного каскада и связанного с ним гиперфосфорилирования тау-протеина [Hardy, Higgins, 1992].

Болезнь 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.

Боковой амиотрофический склероз (болезнь Лу Герига, болезнь мотонейронов, нарушение II и IV ФК ЭТЦ) Белковое скопление в нейроне при болезни Лу Герига

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.

Митохондриально-направленная терапия нейродегенеративных заболеваний

Структура и механизм действия митохондриально-направленного антиоксиданта Sk. Q 1 С сохданного в МГУ

ЭТЦ микросом – источник АФК Образование О 2‾ • и Н 2 О 2 в системе микросомального окисления (75% АФК) Главной функцией монооксигеназ является детоксикация ксенобиотиков путем гидроксилирования: ХН + О 2 + АН 2 → ХОН + Н 2 О + А

НАДФН-оксидаза фагоцитов – источник АФК Образование супероксида и гидропероксида НАДФН-оксидазой фагоцитов

Образование АФК при респираторном взрыве фагоцитов.

Структура НАДФН-оксидазы. 1) Состоит из 6 гетерогенных субъединиц: 2 мембраносвязанных (gp 91, p 22) и 4 цитозольных (p 47, p 40, р67, Rac), которые под влиянием стимуляторов объединяются в ферментативный комплекс, генерирующий О 2‾ • . 2) Важнейший компонент НАДФН-оксидазы – цитохром b 558 состоит из гликопротеина - -субъединицы (gp 91) и αсубъединицы (р22). -субъединица (gp 91) содержит 6 трансмембранных α-спиралей на N-конце и участки гликозилирования. С-конец имеет сайты связывания ФАД и НАДФН, в состав цит b 558 входит 2 гема

Строение флавоцитохрома b 558 НАДФН → ФАДН • → гем(внутр) → гем(внеш) → О 2‾ •

Роль 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, злокачественная гранулема) – злокачественное заболевание лимфоидной ткани, характерным признаком которого является наличие гигантских клеток Березовского. Штернберга и ингибирование НАДФН-оксидазы.

Микропрепарат: биоптат лимфоузла. Характерная клетка Рид — Березовского — Штернберга при болезни Ходжкина

Супероксиддисмутазы (СОД) – суперсемейство ферментов, относящихся к классу оксидоредуктаз и катализирующих реакцию дисмутации супероксидного анион-радикала с образованием перекиси водорода и кислорода: О 2‾ • + О 2‾ • → Н 2 О 2 + 3 О 2 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)

Структура различных изоферментов СОД

Источники перекиси водорода в клетке: 1. 2. 3. 4. 5. НАДФН-оксидаза Электрон-транспортная цепь митохондрий Электрон-транспортная цепь микросом Ксантиноксидоредуктаза (КОР) Супероксиддисмутаза Пути удаления перекиси водорода: 1. Каталаза 2. Глутатионпероксидаза 3. Пероксиредоксины

Элиминация перекиси водорода в клетке осуществляется ферментативным путем: 1. Каталаза – гемсодержащий внутриклеточный фермент (тетрамер): 2 Н 2 О 2 → 2 Н 2 О + О 2 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. 2 GSH + H 2 O 2 → GSSG + 2 H 2 O 3. Пероксиредоксины – цитозольные белки, обладающие перксидазной активностью, которые имеют фиксированные цистеиновые остатки на концах молекул, восстанавливают Н 2 О 2

Индукция ПОЛ 1. Самый эффективный индуктор ПОЛ – гидроксильный радикал ОН • , который образуется в реакциях Фентона, Осипова, в реакции оксида азота и супероксида. Н 2 О 2 + Fe 2+ → OH • + OH▬ + Fe 3+ HOCl + Fe 2+ → OH • + Cl▬ + Fe 3+ NO • + O 2 • ▬ → ONOOH → OH • + NO 2 • 2. Fe 2+ активирует ПОЛ через реакцию разветвления цепи, а также реакции Фентона и Осипова. LOOH + Fe 2+ → LO • + OH▬ + Fe 3+

Стадии ПОЛ

Цепная реакция перекисного окисления липидов: 1 -старая цепь окисления, 2, 3 - новые цепи окисления

Стадии ПОЛ

Зарождение цепного процесса ПОЛ

Продукты ПОЛ Первичные продукты ПОЛ Вторичные продукты ПОЛ Конечные продукты ПОЛ

Первичные продукты ПОЛ

Структура карбонильных соединений – вторичных продуктов ПОЛ

Липофусцин (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.

Изопростаны –стабильные продукты ПОЛ Изопростаны – группа простагландинподобных компонентов, образующихся при свободнорадикальном окислении арахидоновой кислоты, не зависимо от ЦОГ-пути

Влияние ПОЛ на липидный бислой мембран

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 1) ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Окислительное 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)

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.

Калинина Е. В.

Гибель митохондрий и клеток под действием АФК и продуктов ПОЛ

Свободнорадикальные патологии (более 300 заболеваний)