Слайд 2
Свободные радикалы – причина многочисленных нарушений, приводящих к
возникновению целого ряда болезней.
Свободный радикал - это молекулярная частица
(атом или молекула), имеющая на внешней электронной оболочке один или несколько неспаренных электронов.
Радикалы обладают высокой реакционной способностью:
стремятся вернуть себе недостающий электрон, отняв его от окружающих молекул;
или избавляются от «лишнего» электрона, отдавая его другим молекулам.
Слайд 3
Молекула кислорода (диоксиген) содержит на внешней оболочке два
неспаренных электрона.
Диоксиген – это бирадикал и, подобно другим
радикалам, обладает высокой реакционной способностью.
Слайд 4
Неспаренный электрон в радикалах принято обозначать точкой.
Радикал гидроксила
- HO˙, радикал пероксида водорода - HOO˙, радикал супероксида-
OO˙- или O2˙-.
Слайд 5
Все радикалы, образующиеся в организме, можно разделить на:
природные и чужеродные;
первичные (могут быть полезными), вторичные (чаще повреждающие)
и третичные (радикалы антиоксидантов).
Слайд 7
Для биологических систем наиболее важны кислородные свободные радикалы,
и реактивные молекулы – пероксиды, пероксинитрит и гипохлорит.
Около
95% всего потребляемого кислорода в клетке восстанавливается в митохондриях до Н2О в процессе окислительного фосфорилирования.
Остальные 5% процентов в результате различных реакций превращаются в активные формы кислорода (АФК):
Слайд 8
1) в результате «утечки» электрона в электронтранспортной цепи
митохондрий
(I и III комплексы - НАДН:убихинол-оксидоредуктаза и убихинол:цитохром с-оксидоредуктаза
соответственно) с участием КоQ.
Слайд 9
2) в результате «утечки» электрона в электронтранспортной системе
мембран эндоплазматического ретикулума и ядра, включающие в себя цитохромы
Р-450 и b5, а также НАДФН- и НАДН-зависимые редуктазы (в том числе НАДФН-цитохром Р-450-зависимую редуктазу в микросомах).
3) при работе ферментов: НАДФН-оксидазы, ксантиноксидазы, оксидазы аминокислот, циклооксигеназы, липоксигеназы, NO-синтазы, моноаминооксидазы и др.
Слайд 10
4) в процессе функционирования фагоцитов (гранулоцитов, моноцитов крови)
и тканевых макрофагов. Для борьбы с бактериями образуют О₂
при активации НАДФН-оксидазного комплекса
Слайд 11
5) в присутствии ионов Fe²⁺(а также ионов других
металлов переменной валентности Cu²⁺, Co²⁺), способствующих образованию гидроксильных радикалов
посредством реакции Фентона:
6) при автоокислении гемоглобина Hb(Fe²⁺):
7) при действии на организм УФ, радиации и др.
Слайд 12
У всех аэробных организмов супероксидный анион-радикал кислорода, гидроксильный
радикал, пероксид водорода, монооксид азота и другие являются обычными
метаболитами, образующимися в нормально функциони- рующих клетках.
Образующиеся радикалы взаимодействуют между собой и с другими молекулами и ионами, это продуцирует новые токсические продукты.
Слайд 13
Образование биорадикалов в организме можно разделить на две
группы:
физиологически значимые (полезные) пути;
нефизиологические пути.
Деление очень относительное.
1. Физиологические пути ().
При внедрении в организм патогенов усиливается образование радикалов кислорода и пероксида водорода, происходит т.н. «дыхательный взрыв» (увеличение потребления кислорода нейтрофилами, макрофагами и др.).
В пероксисомах оксидазы воостанавливают кислород до пероксида водорода (уратоксидаза, гликолатоксидаза, оксидаза L-аминокислот).
Радикалы и активные формы кислорода (АФК) обладают бактерицидным действия.
Слайд 14
Физиологические механизмы реализации бактерицидного действия АФК:
участие в образовании
активных оксидантов в реакции Хабера- Вейса. Вносят небольшой вклад.
Слайд 15
вовлечение пероксида водорода в реакции, катализируемые миелопероксидазой (МПО),
в результате образуюся активные формы хлора, в первую очередь,
гипохлорит.
Гипохлорит является чрезвычайно эффективным бактерицидным агентом, способным разрушить бактериальные стенки, основной бактерицидный агент нейтрофилов.
Т.о., образование гипохлорита под действием МПО играет важную роль в процессах неспецифи-ческого иммунитета и, в частности, фагоцитоза.
Слайд 16
реакция анион-радикала кислорода с моноокисдом азота и образование
пероксинитрита.
NO образуется из L- аргинина в результате ферментативной
реакции, катализируемой NO-синтетазой.
Пероксинитрит является важным цитотоксическим агентом, продуцируемым макрофагами и действующим на патоген.
К физиологическим механизмам можно также отнести продукцию АФК при работе липоокси-геназ и циклооксигеназ.
Слайд 17
Кроме бактерицидного действия ˙ОН участвует в сборке и
разборке биологических мембран, запуске митогенеза, процессах клеточной пролиферации и
дифференцировки, деградации белков.
Н₂О₂ принимает участие в действии инсулина и сам обладает инсулиноподобным действием.
АФК нужны для протекания ПОЛ в стационарном режиме, выполняют сигнальную и адаптационную функции - являются вторичными последниками в передаче гормональных сигналов.
Слайд 18
2. Механизмы нефизиологической продукции биорадикалов в оганизме:
окисление органических
соединений, в первую очередь фенолов и полифенолов;
утечка электронов с
компонентов электронтранспортных цепей (митохондриальной, ЭПР) при переносе на кислород;
биотрансформация и токсификация некоторых ксенобиотиков монооксигеназами и другими оксидоредуктазами;
спонтанное окисление нейромедиаторов;
при переходе оксигемоглобина в гемоглобин.
Слайд 19
Образование АФК в организме происходит под действием:
ионизирующей радиации;
ультрафиолетового
излучения;
магнитного и электрического полей;
гипероксидации и др.
Количество АФК возрастает
при переломах, ожогах, обморожениях, старении...
Слайд 20
Окислительный стресс (оксидативный стресс, от англ. oxidative stress) — нарушение обмена веществ
и энергии, накопление активных повреждающих агентов (свободных радикалов, прооксидантов,
АФК), инициирующих повреждение клеток и ведущих к развитию различных патологических состояний.
Оксидативный стресс, как правило, вызывается и сопровождается массированным образованием свободных радикалов.
Окислительный стресс развивается, если равновесие между свободнорадикальными (окислительными) и антиоксидантными реакциями в организме смещается в сторону активации свободнорадикального окисления, а собственные антиоксиданты не могут его компенсировать.
Слайд 21
В результате окислительного стресса происходит повреждение клеточных мембран,
инактивация или трансформация ферментов, подавление деления клеток и накопление
инертных полимеров типа липофусцина.
Перекисное окисление липидов приводит к повреждению макромолекул и мембран. Это влечет за собой нарушение барьерной функции клеточных мембран, разбалансировку процессов окисления и фосфорилирования в митохондриях. Дефицит энергии отражается на всех процессах, включая пролиферацию, дифференцировку клеток, синтез различных веществ.
Слайд 23
Модификация нуклеиновых кислот АФК
Слайд 25
Взаимодействие белков, липидов и углеводов
при оксидативном стрессе
Продукты Амадори – модифицированные белки (при
образовании с углеводами оснований Шиффа формируют более стабильные гликозилированные продукты). Образуются также при неферментативном гликозилировании белков.
Слайд 26
Шиффово основание (или азометин) —функциональная группа, названная
в честь Гуго Шиффа. Содержит двойную
связь углерод-азот, где азот соединен с
арильной или алкильной группой, но не
с водородом.
Шиффовы основания
обладают общей формулой R1R2C=N-R3,
где R3 — арильная или
алкильная группа, которая делает
Шиффово основание стабильной
имино-группой.
Слайд 27
Важное значение играет процесс, протекающий в организме под
действием свободных радикалов – процесс перекисного окисления липидов (ПОЛ)
В
результате ПОЛ образуются гидропероксиды липидов. Подвергаясь дальнейшим превращениям, особенно в присутствии железа (II), они приводят к образованию альдегидов, диальдегидов, кетонов, кислот, эпоксидов и др. высокореакционных соединений.
При выходе процессов ПОЛ из под контроля продукты ПОЛ способны, реагируя с биомолекулами, привести к полному распаду клеточных мембран и клетки в целом.
Слайд 28
Классификация ПОЛ:
спонтанное, инициированное свободными радикалами и аскорбатзависимое;
ферментативное –
в результате работы липооксигеназ и циклооксигеназ
Слайд 29
Повреждающие эффекты продуктов ПОЛ
HNE –
гидроксиноненали ( диальдегиды)
Слайд 30
Потеря контроля над АФК в способствует появлению более
100 различных заболеваний.
Начинается разрушительная цепная реакция, которая губительно
действует на живые клетки. В результате организм начинает преждевременно СТАРЕТЬ, развиваются патологические изменения, которые могут стать причиной:
рака, возникшего из-за экзогенных факторов;
гипертонической болезни;
ишемической болезни сердца и мозга,
артериосклероза ( вызывать коронарные, церебральные, периферические нарушения кровообращения);
легочных заболеваний (хронический, обструктивный бронхит, бронхиальная астма);
диабета, ослабления зрения, памяти и др.
Ученые предполагают, что начальной стадией многих заболеваний – от простого кашля до онкозаболевания – является именно большое количество свободных радикалов в организме, снижение антиоксидантной защиты.
Слайд 32
Антиоксидантная система
Природа создала сложную антиоксидантную систему, способную нейтрализовать
свободные радикалы, возникающие в результате обмена веществ, и избежать
оксидативного стресса.
Биооксиданты обладают способностью реагировать с активными формами кислорода, пероксидными радикалами липидов, инактивировать их и, таким образом, обрывать цепи свободнорадикального окисления.
Слайд 33
Факторы антиоксидантной защиты клеток
Единой универсальной классификации антиоксидантов нет.
Высказывается
точка зрения о нескольких уровнях защиты клеток макроорганизма от
активных форм кислорода (Петрович Ю.А., Гуткин Д.В.,1986):
1-й уровень - системная защита клеток за счет значительного снижения напряжения O2 в тканях по сравнению с атмосферным воздухом;
2-й уровень - обеспечивается в процессе четырехэлектронного восстановления основной массы внутриклеточного O2 при участии цитохромоксидазы без освобождения свободных радикалов;
3-й уровень - ферментативное удаление образовавшихся супероксидного анион-радикала и H2O2;
4-й уровень - наличие ловушек свободных радикалов (антиоксидантов);
5-й уровень - ферментативное восстановление гидропероксидов полиненасыщенных жирных кислот.
Число эндогенных соединений, относимых к антиоксидантам, постоянно возрастает.
Слайд 34
Некоторыми авторами предпринята следующая попытка классификации антиоксидантов (2
группы).
1. Высокомолекулярные соединения:
- ферменты антиоксидантной защиты – СОД,
церулоплазмин, каталаза, глутатионзависимые ферменты, обеспечивают комплексную антирадикальную защиту биополимеров.
Для ферментативных антиоксидантов характерны высокая специфичность, строго определенная органная и клеточная локализация, а также использование в качестве катализаторов металлов Cu, Fe, Mn, Zn, Se (Меньшикова Б.Е., Зенков Н.К., 1993);
Слайд 35
белки, способные связывать ионы Fe и Cu, являющиеся
катализаторами свободнорадикальных процессов. К их числу относят альбумины крови,
трансферрин, ферритин, лактоферрин, церулоплазмин. Белки-восстановители - тиоредоксины и др.
Многие из них весьма эффективны, но слабо проникают через мембраны и тканевые барьеры (Белизи С. и соавт., 1997; Синичкин А.Н., 1997; Синичкин А.А., Медведева И.А., Маслова М.Н., 1997; Кошпаева Е.С., 1997).
2. Низкомолекулярные антиоксиданты: некоторые аминокислоты, полиамины, мочевина, глутатион, аскорбиновая кислота, билирубин, -токоферол, витамины группы A, K, Р, убихинон, изофлавоны и др. (Соколовский В.В., 1988, Кения М.В., Лукиш А.И., Гуськов Е.П.,1993).
Слайд 36
Ферментативная защита
Супероксиддисмутаза (СОД; КФ 1.15.1.1.) катализирует
реакцию восстановления анион радикала кислорода (·О2-) до пероксида водорода,
т.о. она является ключевым ферментом антиоксидантной системы аэробных организмов.
2·О2- + 2H+ → H2O2 + O2
Слайд 37
В клетках эукариот СОД имеет несколько форм:
а) медь
и цинксодержащая СОД – локализована в цитозоле, межмембранном пространстве
митохондрий, лизосомах и пероксисомах;
б) марганецсодержащая СОД – локализована в матриксе митохондрий и у прокариотов;
в) позднее был выявлен и железосодержащий фермент, встречающийся только у прокариотов;
г) экстрацеллюлярная форма СОД – функционирует в плазме крови, лимфе и синовиальной жидкости.
Слайд 38
Каталаза (Кат.; КФ 1.11.1.6) обладает свойствами разлагать пероксид
водорода по двум путям: каталазному или пероксидазному.
В обоих случаях
процесс идёт через образование промежуточного фермент-субстратного комплекса (компл.1).
Кат.+Fe3+ + Н2О2 к1 (компл.1)
Компл.1 + Н2О2 к2 Кат.-Fe3+ + 2Н2О + O2
Компл.1 + AН2 к2Кат.-Fe3+ + 2Н2О + A
В первом случае (каталазный путь– реакции 1, 2), разложение 2-х молекул Н2О2 идет с образованием Н2О и триплетного кислорода.
Во втором (пероксидазный путь – реакции 1, 3), одна молекула Н2О2 образует фермент-субстратный комплекс (компл.1) и окисляет донор водорода (АН2). В качестве доноров водорода могут выступать одноатомные спирты, органические доноры водорода, ксенобиотики, например, аминобифенилы и др.
Слайд 39
Пероксидазы — подкласс геминовых ферментов. Восстанавливают пероксид водорода
до H2O, при этом обязательно идет окисление восстановителя.
Наиболее
активна глутатионпероксидаза (селен содержащий фермент). Донором водорода (вторым субстратом) является глутатион — γ-глутамил-цистеил-глицин.
2Н2О2 + 2Г-SH—> H2O + Г-S-S-Г
Г-SH – восстановленный глутатион,
Г-S-S-Г – окисленный глутатион.
Регенерация глутатиона идет с участием НАДФН+Н+ и глутатион-редуктазы.
Г-S-S-Г + НАДФН+Н+ —> 2Г-SH + НАДФ+.
Слайд 40
Наряду с «классической» селен-зависимой глутатионпероксидазой, в организме присутствует
ряд других ферментов, выполняющих сходную функцию, это – глутатионтрансферазы
(КФ 2.5.1.18). Они катализируют реакции конъюгации глутатиона с многочисленными электрофильными субстратами и реакции восстановления органических гидропероксидов, включая пероксиды фосфолипидов, эндопероксиды (эпоксиды). Неактивны в отношении гидропероксида водорода.
Слайд 41
Важную роль в поддержании редокс-баланса в клетке играют
- тиоредоксины, глутаредоксины и пероксиредоксины.
-
Слайд 42
Тиоредоксины (TRX) – полифункциональные низкомолекулярные белки, имеющие в
своей структуре двухцистеиновый участок и образующие при окислении внутримолекулярную
дисульфидную связь. (Таким образом способны окисляться и восстанавливаться).
Мощные антиоксиданты, регуляторы апоптоза, метатической активности клеток др.
Восстанавливают каталитическую активность пероксиредоксинов и гултатионпероксидаз. Способны восстанавливать Н2О2 и окисленный глутатион, играют роль «ловушки» ˙ОН радикалов.
Слайд 43
Пероксиредоксины (тиоредоксиновые пероксидазы)— широкораспространенное большое семейство неселеновых антиоксидантных ферментов.
В отличие от тиоредоксинов, не имеют двухцистеиновых участков. Остатки
цистеинов, присутствующие в структуре пероксиредоксинов , способны образовывать межмолекулярные дисульфидные связи.
Слайд 44
Главная функция пероксиредоксинов – восстановление и детоксикация Н2О2,
органических гидропероксидов и пероксинитрита.
У млекопитающих, например, контролируют уровень цитокин-индуцированных
пероксидов, участвующих в передаче клеточных сигналов.
Слайд 45
Глутаредоксины – Г-SH-зависимые полифункциональные оксидоредуктазы с низкой молекулярной
массой (9-14 kДa). В отличие от тиоредоксинов имеют высокую
степень гомологии аминокислотной последовательности, особенно в области активного центра. Функционально сопряжены с работой глутатионредуктазы и с соотношением Г-SH/ГS-SГ.
Также как тиоредоксины и пероксиредоксины, играют важную роль в поддержании клеточного редокс-гомеостазиса. Обезвреживают АФК, участвуют в регуляции пролиферации, дифференцировки и апоптоза.
Слайд 46
Неферментативные компоненты
антиоксидантной системы
По механизму действия могут
быть классифицированы на следующие группы:
классические антиоксиданты (обрывающие цепь агенты);
ловушки
инициаторов свободнорадикальных реакций;
хелаторы (железосвязывающие агенты);
кофакторы и низкомолекулярные компоненты защитных антиокислительных ферментов и их предшественники.
Слайд 47
Витамин Е (токоферол)
Токоферолы участвуют в процессе разрушения свободных
радикалов в клетках и регулируют интенсивность процессов перекисного окисления
липидов на различных уровнях организации живых систем. Наиболее активные антиокислители.
α-токоферол
Слайд 48
α-Токоферол способен реагировать с АФК и радикалами
жирных кислот. В реакции принимает участие ОН-группа фенольного ядра,
способная окисляться, отдавая электрон, с образованием малоактивного свободного радикала:
Синергистом является витамин С. Аскорбат восстанавливает токоферол, превращаясь в дегидроаскорбат, последний восстанавливается аскорбатредуктазой.
Слайд 49
Витамин С (аскорбиновая кислота)
Вит.С – наиболее
эффективный водорастворимый антиоксидант.
В желудке препятствует образованию в кислой
среде из нитритов и аминов нитрозоаминов, являющихся канцерогенами. Предотвращает разрушение ферментов свободными радикалами, защищает клетки от окисления.
L-аскорбиновая Дегидро-L-аскорбиновая
кислота кислота
Слайд 50
Вит. С участвует в окислительно-восстановительных реакциях, защищая гемоглобин
от окисления, способствует синтезу коллагена (реакции гидроксилирования), обеспечивает образование
гормонов коры надпочечников, желчных кислот. Его добавляют во многие напитки и пищевые продукты в качестве антиоксиданта и вкусовой добавки.
Слайд 51
Витамин А (ретинол)
Антиоксидантное действие вит.А и каротиноидов направлено
на предотвращение кератинизации эпителия. Кератинизация обуславливается окислением SH-содержащих белков
с образованием в них поперечных сшивок S-S связей между отдельными аминокислотами. Вит.А способствует поддержанию SH-групп в восстановленном состоянии.
Усиливает антиоксидантное действие токоферола.
Слайд 52
Флавоноиды эффективно нейтрализуют радикалы, благодаря наличию гидроксильных и
карбонильных групп.
Способны акцептировать свободные радикалы и хелатировать ионы
металлов переменной валентности с образованием комплексов. Наиболее известны кверцетин, морин, таксифолин, силибины и др.
Стимулируют выработку антиоксидантов самим организмом.
Благодаря их присутствию, красное вино – хороший антиоксидант (можно регулярно принимать в небольших количествах), например помогает предотвращать сердечные приступы.
В поддержании физиологических значений АФК большой вклад вносят тиолсодержащие молекулы: глутатион, серосодержащие аминокислоты.
Слайд 53
Убихинон (коэнзим Q) обладает антиоксидантной активностью, образуя окислительно-восстановительную
систему убихинол-убихинон.
Его важнейшая биологическая роль определяется участием в
митохондриальной электрон-транспортной цепи в качестве кофермента.
Антиоксидантные свойства:
восстановленная форма (убихинол) может реагировать с пероксильным радикалом, препятствуя образованию алкильных радикалов, что ведет к обрыву цепи ПОЛ;
Слайд 54
обеспечивает эффективную защиту мембранных липидов, белков и ДНК
от действия АФК;
восстанавливает витамин Е, взаимодействуя с его
токофероксильным радикалом;
Убихинон вляется единственным липидорастворимым антиоксидантом, который синтезируется в клетках и постоянно регенерируется из окисленной формы с помощью ферментных систем организма.
Слайд 55
Высокая антиокислительная активность выявлена у некоторых гормонов, в
частности, содержащих фенольную группу эстрогенов (женских половых гормонов) -
эстрадиола, эстриола и эстрона.
Химическая модификация этих соединений и исследование антиокислительного и защитного действия полученных производных при развитии окислительного стресса – перспективное направление по созданию новых антиоксидантов, более эффективных, чем их эндогенные аналоги.
Мелатонин - связывает жиро- и водорастворимые радикалы.
Слайд 56
Выраженной биологической активностью обладают синтетические хиноны, например
производные
о-бензохинона. Эти соединения оказывают хороший защитный эффект в условиях ишемии головного мозга, сердца, почек. Они легко восстанавливаются компонентами электрон-транспортной цепи митохондрий и микросом в диоксибензолы, способные легко отдавать атомы водорода гидроксильных групп на восстановление радикалов.
Слайд 57
Эффективными антиоксидантами являются транспортеры металлов переменной валентности (цеоулоплазмин,
трансферрины, в частности лактоферрин и др.).
На их основе
разрабатываются новые лекарственные препараты, обладающие антиоксидантными свойствами в сочетании низким токсическим действием.
Слайд 58
Церулоплазмин - медная оксидаза, медьсодержащий белок плазмы крови, играющий
важную роль в метаболизме меди и железа. Полифункционален, обладает
антиоксидантными свойствами, способен разрушать супероксидные радикалы кислорода, предотвращая активацию ПОЛ.
К внеклеточным антиоксидантам относятся транспортеры железа и железо-связывающие белки – трансферрин, лактоферрин и др. Находясь в составе указанных протеинов, железо не катализирует свободнорадикальные процессы.
