Презентация на тему "Активные формы кислорода и антиоксидантная система"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Активные формы кислорода и антиоксидантная система. Регуляция клеточного редокс-статуса в норме и при патологии. Роль глутатиона и глутатион-зависимых ферментов в редокс-зависимых механизмах формирования лекарственной устойчивости опухолевых клеток. Редокс-зависимая регуляция механизмов гибели опухолевых клеток

• 
  Слайд 2
  

  Проблема свободных радикалов в последнее десятилетие произвела настоящую революцию в понимании многих процессов, происходящем в организме человека. Сегодня свободные радикалы рассматриваются в качестве источника многочисленных нарушений, приводящих к возникновению целого ряда болезней. В основе образования этих агрессивных радикалов, которые окрестили «молекулярными акулами», обладающими неутолимым аппетитом в результате потери одного электрона, как ни удивительно, лежит один из самых значительных элементов для жизни человека – кислород.

• 
  Слайд 3
  

  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

• 
  Слайд 4
  
• 
  Слайд 5
  

  Для биологических систем наиболее важны кислородные свободные радикалы, которые включены в группу активных форм кислорода – АФК. Поэтапное одноэлектронное восстановление кислорода протекает с образованием промежуточных свободнорадикальных состояний кислорода, в частности, супероксид-аниона и гидроксильного радикала: O2 + ē O2·–+ ē Н2О2 + ē •ОН + ē Н2O супероксид-анион радикалгидроксильный радикал время полужизни ≈ 10-9с

• 
  Слайд 6
  

  2)в результате «утечки» ē 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)за счет активности ферментов: НАДФН-оксидазы, ксантиноксидазы, циклооксигеназы, липоксигеназы, NO-синтазы, моноаминооксидазы, оксидазы АМК и др. Около 95% всего потребляемого кислорода в клетке восстанавливается в митохондриях до Н2O в процессе окислительного фосфорилирования. Остальные 5% процентов в результате различных реакций превращаются в АФК: 1) в результате «утечки» ē в электронтранспортной цепи митохондрий (I и IIIкомплексы - НАДН:убихинол-оксидоредуктаза и убихинол-цитохромс-оксидоредуктазасоответственно) с участием КоQ.

• 
  Слайд 7
  

  5) ионы Fe2+ (а также ионы других металлов переменной валентности Cu2+, Co2+) способствуют образованию •ОН радикалов посредством реакции Фентона 6)автоокисление гемоглобина Hb(Fe2+) 7) УФ, радиация НАДФН (Н+) Н2О2 миелопероксидаза Cl–, H+ HOCl гипохлорид Fe2+ •ОН 4) фагоциты (гранулоциты и моноциты крови) и тканевые макрофаги для борьбы с бактериями образуют O2·– при активации НАДФН-оксидазного комплекса на цитоплазматической мембране Hb(Fe2+) ē Hb(Fe3+)+

• 
  Слайд 8
  
• 
  Слайд 9
  

  Таким образом, ряд биохимических процессов, протекающих в аэробных организмах, сопряжен с образованием АФК, таких как супероксидныйанион-радикал (O2·–), гидроксильный радикал (•ОН ), перекись водорода (H2O2), синглетный кислород (1O2), гипохлорная кислота (HOCl). Ряд авторов к АФК относят также такие активные формы азота как окись азота (NO.) и пероксинитрит( ), обладающий высокой реакционной способностью.

• 
  Слайд 10
  

  Свободные радикалы разделяют на первичные, вторичные и третичные. 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.

• 
  Слайд 11
  

  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 12
  

  Образующиеся АФК могут выполнять полезные для клетки функции: участвуют (через АФК-зависимый сигналинг) в регуляции клеточных процессов (клеточное деление, дыхание и др.), бактерицидное действие, активируют иммунные реакции лейкоцитов. Однако это возможно при низком уровне АФК в клетке. При высоком уровне АФК развивается окислительный (оксидативный) стресс, который приводит к нарушению функций клетки, развитию ряда заболеваний (атеросклероз, ИБС, диабет, ХОБЛ, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, злокачественные образования и др.), гибели клеток путем апоптоза или некроза.

• 
  Слайд 13
  

  Таким образом, свободные радикалы совершенно необходимы, так как они участвуют во многих физиологических процессах организма. Однако свободные радикалы в организме могут причинять вред, когда их количество возрастает и значительно превосходит, необходимое для осуществления окислительных процессов.  Где та норма, при которой свободные радикалы полезны? Как контролировать свободнорадикальные процессы в организме?

• 
  Слайд 14
  

  Живые клетки имеют систему защиты от повышенной продукции свободных радикалов  - антиоксидантную систему, механизм действия которой направлен на блокирование действия свободных радикалов. Антиоксидантная система образована низкомолекулярными антиоксидантами и антиоксидантными ферментами.  Антиоксиданты «ловят» радикалы, отдавая им свои электроны, таким образом, обезвреживая их. При этом структура антиоксидантов остается стабильной.

• 
  Слайд 15
  

  Низкомолекулярные антиоксиданты: Токоферол (вит. Е) Ретинол (вит. А) Аскорбиновая кислота (вит. С) Глутатион восстановленный N-ацетилцистеин Мочевина, мочевая кислота, билирубин Карнозин и другие гистидинсодержащие дипептиды

• 
  Слайд 16
  

  Ключевыми антиоксидантными ферментами являются супероксиддисмутаза(СОД), каталаза, глутатионпероксидаза. Они катализируют реакции, в результате которых свободные радикалы и перекиси превращаются в неактивные соединения Супероксиддисмутаза (разные формы содержат Cu/Zn иMn): О2-  + О2-  + 2Н+Н2О2 +О2 Каталаза(гемсодержащий фермент): 2 Н2О2 2 Н2О + О2   Глутатионпероксидаза (содержит остаток селеноцистеина): 2GSH + Н2О2GSSG + 2Н2O

• 
  Слайд 17
  

  БАЛАНС АФК В ЖИВЫХ КЛЕТКАХ ТУШЕНИЕ АФК ГЕНЕРАЦИЯ АФК Дыхательная цепь митохондрий, NADPH-оксидазанейтрофилов, микросомальное окисление, неферментативное окисление биогенных аминов СОД, Каталаза, Пероксидазы, Низкомолек. антиоксиданты (мочевая кислота, таурин, витамины A, C, E, карнозин, N-ацетилцистеин, глутатион),xелаторы ионов железа

• 
  Слайд 18
  

  В норме существует балансмежду продукцией АФК и уровнем антиоксидантной системы, (активность антиоксидантных ферментов + содержание низкомолекулярных антиоксидантов), который обеспечивает физиологически необходимый уровень АФК. Баланс окислительно-восстановительных процессов в клетке определяет клеточный редокс-статус(от англ. redox — reduction-oxidationreaction). Баланс между продукцией АФК и уровнем антиоксидантной системы вносит значительный вклад в состояние клеточного редокс-статуса

• 
  Слайд 19
  

  Поддержание нормального редокс-статуса внутри клеток играет существенную роль в таких процессах как синтез ДНК, экспрессия генов, ферментативная активность. Изменения редокс-состояния молекул, являющиеся следствием стрессовых воздействий или результатом активности самих клеток, вовлечены вредокс-регуляцию клеточных процессов. Небольшие изменения внутриклеточного уровня АФК участвуют в клеточном АФК-зависимом сигналинге.

• 
  Слайд 20
  

  Важную роль в поддержании клеточного редокс-статуса и в редокс-регуляции играют тиолсодержащие молекулы: трипептидглутатион (GSH: γ-глутамил-L-цистеинилглицин)и редокс-зависимые белки - тиоредоксины, глутаредоксины и пероксиредоксины

• 
  Слайд 21
  

  Роль в поддержании клеточного редокс-статуса за счет участия в SH–S–S– обмене, что обеспечивает регуляцию целого ряда функций клетки, в том числе регуляцию генной экспрессии, делает GSH весьма важным для жизнеспособности клеток.

• 
  Слайд 22
  

  Благодаря высокой внутриклеточной концентрации (от 0,1 до 10 мМ) GSHявляется важным внутриклеточным антиоксидантом, играя роль “ловушки” свободных радикалов и косубстрата в реакциях детоксикации пероксидов, катализируемых глутатионпероксидазами(GPx) и глутатионтрансферазами (GST),а также в восстановлении окисленной формы глутаредоксина (Grx). Восстановление окисленной формы глутатиона (GSSG)катализирует глутатионредуктаза (GR)

• 
  Слайд 23
  

  GSX транспортер GSH транспортер γ-GT дипептидаза транспортеры аминокислот экстраклеточно внутриклеточно cys gly γ-glu-аминокислота cys-gly аминокислота GSH GSX GSSG γ-GCS GS GST γ-glu-аминокислота 5-оксопролин амино-кислота ATФ AДФ cys glu GR GPx gly γ-glu-cys ATФ ATФ AДФ AДФ GSH GSX X GSSG НАДФН НAДФ+ ROH ROOH γ-глутамилцикло- трансфераза 5-оксопролиназа Схема основных путей метаболизма глутатиона

• 
  Слайд 24
  

  Поддерживание оптимального для клетки соотношения GSH/GSSG является важным для ее жизнеспособности. Повышение уровня GSH способствует росту клеточной резистентности к действию радиации, подавляет гибель клеток путем апоптоза или некроза. Снижение уровня восстановленного GSH ниже обычных (для показателей нормы) значений служит индикатором дефицита антиоксидантной защиты. Нарушение внутриклеточного баланса GSH (снижение GSH/GSSG)наблюдается при ряде патологий, включая злокачественные новообразования, ВИЧ, ИБС, ХОБЛ, нейродегенеративные заболевания, болезнь Паркинсона, этиопатогенетическим фактором которых является окислительный стресс.

• 
  Слайд 25
  

  Глутатион S-трансферазы, использующие нуклеофильный GSH для конъюгации с неполярными соединениями, содержащими электрофильные атомы C, N и S. СуперсемействоGST подразделяется на три субсемейства: цитозольные, митохондриальныеGST и микросомальныеGST. Основными функциями GST являются: а) детоксикацияксенобиотиков; б) редокс-регуляция чувствительности клеток к апоптозу, б) детоксикация продуктов окислительного стресса:

• 
  Слайд 26
  

  Глутаредоксины (Grx) – GSH-зависимые оксидоредуктазы, играющие важную роль в клеточных редокс-зависимых процессах. В Grx-зависимой системе перенос электронов происходит от НАДФН-зависимой глутатионредуктазы на окисленный глутатион (GSSG) с образованием GSH, который в свою очередь восстанавливает окисленный Grx. Субстратами для Grx являются дисульфиды и смешанные дисульфиды. НAДФH + H+ НAДФ+ глутатионредуктаза GSSG 2 GSH Grx-(SH)2 Grx-S2 Субстрат-S2 Субстрат-(SH)2 У млекопитающих и человека обнаружены три изоформыGrx: цитозольнаяGrx1 с аминокислотной последовательностью в активном центре Cys-Pro-Tyr-Cysи две митохондриальныхизоформы – Grx2 и Grx5, активный центр которых содержит аминокислотные последовательности Cys-Ser-Tyr-Cys и Cys-Gly-Phe-Ser соответственно.

• 
  Слайд 27
  

  OXIDATIVE STRESS РЕДОКС-ЗАВИСИМАЯ ПРОТЕКТОРНАЯ РОЛЬ ГЛУТАРЕДОКСИНА 1 ПРОТИВ АПОПТОЗА Song J.J. et al., 2002 GRx-SH

• 
  Слайд 28
  

  Сочетание антиоксидантных свойств и способности активировать транскрипцию генов, в том числе некоторых антиоксидантных ферментов, а также ингибировать редокс-зависимые пути активации апоптоза свидетельствуют о важном вкладе тиоредоксина(Trx) в антиоксидантную защитную систему. Trxкак и Grx является дисульфидредуктазой и входит в состав суперсемействатиоредоксинов. Trx-зависимая система содержит помимо TrxНАДФ-зависимую тиоредоксинредуктазу (TrxR), которая восстанавливает окисленную форму Trx. Основными изоформамиTrx являются цитозольныйTrx1и митохондриальныйTrx2.

• 
  Слайд 29
  

  ТИОРЕДОКСИН И ЕГО РЕДОКС-ЗАВИСИМЫЕ ФУНКЦИИ Nordberg J., Arner E.S.J., 2001

• 
  Слайд 30
  

  Механизм действия пероксиредоксинов Пероксиредоксины (Prx),образующие суперсемействоSe-независимых пероксидаз, открыты около 10 лет назад. Prxосуществляют ферментативную деградацию H2O2, органических гидропероксидов, пероксинитрита. Известно 6 изоформPrx(Prx 1-6). Типичные двухцистеиновыеPrx1 – Prx4являются гомодимерами, и их взаимодействие с Н2О2 приводит к образованию сульфеновой кислоты, которая может участвовать в формировании межпептиднойдисульфидной связи, восстанавливаемой действием Trx. Окисленный Prx6 использует в качестве источника электронов не Тrx, как другие Prx, а низкомолекулярные тиолы, в том числе GSH

• 
  Слайд 31
  

  ТАКИМ ОБРАЗОМ, в антиоксидантной системе клеток наряду с ключевыми антиоксидантными ферментами важную роль играют редокс-белки тиоредоксин(Trx), глутаредоксин (Grx), пероксиредоксин (Prx), участвующие в процессах клеточной редокс-зависимой регуляции посредством контроля тиол-дисульфидного обмена. Эти редокс-зависимые белки высоко значимы в поддержании клеточного редокс-гомеостаза и редокс-зависимой регуляции целого ряда внутриклеточных процессов, в том числе пролиферации, дифференцировки и апоптоза.

• 
  Слайд 32
  

  Нейроденеративные процессы Старение АФК AO система ДЕФИЦИТ антиокси-дантов Метаболические нарушения Токсиканты Тяжелые металлы ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ С Т Р Е С С

• 
  Слайд 33
  

  Нарушение баланса АФК/антиоксиданты приводит к развитию окислительного стресса, который сопровождается активацией перекисного (пероксидного) окисления липидов (ПОЛ). Наиболее чувствительные к ПОЛ полиненасыщенные ВЖК липидного бислоя клеточных мембран

• 
  Слайд 34
  

  ПЕРЕКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ Малоновыйдиальдегид

• 
  Слайд 35
  

  Перекисное окисление липидов (ПОЛ) является важной причиной накопления клеточных дефектов. Основным субстратом ПОЛ являются полиненасыщенные жирные кислоты, входящих в состав клеточных мембран, а также липопротеинов. Атака кислородными радикалами приводит к образованию гидрофобных радикалов.Образующиеся липидные радикалы, а также 4-гидроксиноненаль и малоновыйдиальдегид могут атаковать молекулы белков и нуклеиновых кислот. Альдегидные группы этих соединений образуют межмолекулярные сшивки, что сопровождается нарушением структуры макромолекул и их функций. ПОЛ изменяет свойства мембран: нарушается микровязкость (↑) образуются “мега” поры растет проницаемость мембран → набухание изменяется ионная проницаемость (разрушение ионных каналов и ионных насосов, например, Nа,К-АТФазы)

• 
  Слайд 36

  ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС И ДЕСТРУКЦИЯ КЛЕТКИ

• 
  Слайд 37
  

  Факторы, вызывающие оксидативныйстресс  (нарушение окислительно-восстановительного равновесия в сторону окисления и образования вторичных свободных радикалов), многочисленны и напрямую связаны с нашим образом жизни. Это радиация, курение, напитки с высокой окислительной способностью, хлорированная вода, загрязнение окружающей среды, антибиотики и ксенобиотики. Окислительный стресс может являться причиной или осложнять течение многих опасных заболеваний, таких как астма, артрит, рак, диабет, атеросклероз, ИБС, ХОБЛ, флебиты, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, эпилепсия, рассеянный склероз, депрессии и др.

• 
  Слайд 38
  

  В настоящее время установлено, что АФК могут играть существенную роль на всех этапах канцерогенеза: инициации, промоции и прогрессии, а также что хронический окислительный стресс может приводить к злокачественной трансформации [Эмануэль Н.М., Саприн А.Н.]. Число данных в пользу свободнорадикальной теории рака увеличивается, поэтому она получила широкое признание и актуальна на сегодняшний день.

• 
  Слайд 39
  

  Одним из наиболее значительных ограничений эффективности химиотерапии рака является развитие множественной лекарственной устойчивости. Среди хорошо известных факторов, вызывающих развитие множественной лекарственной устойчивости, включая повышенную экспрессию трансмембранных транспортеров (Р-гп, MRP, LRP, BCRP), повышение уровня системы детоксикации, в значительной степени связанной с ростом экспрессии глутатион-S-трансфераз, снижение экспрессии и активности топоизомеразыII, изменение экспрессии генов, блокирующее развитие апоптоза, остаются малоизученными свободнорадикальные механизмы.

• 
  Слайд 40
  

  доксорубицин Образование АФК в результате редокс-цикла доксорубицина

• 
  Слайд 41
  

  Цитотоксический эффект противоопухолевого препарата доксорубицина (DOX) в значительной степени связан с прооксидантным действием, обусловленным наличием хинона в его структуре. При действии ряда флавопротеинов, в том числе NADPH-цитохром Р-450-редуктазы, NADH-дегидрогеназы, ксантиноксидазы, катализирующих одноэлектронное восстановление, происходит образование свободнорадикальнойсемихинонной формы DOX, легко способной к рециклу в присутствии молекулярного кислорода с образованием супероксид-аниона и последующего каскада генерации АФК, включая Н2О2 и высокореакционноспособные.ОН радикалы, образование которых резко ускоряется в присутствии ионов Fe2+

• 
  Слайд 42
  

  Установлено, что 1) формирование лекарственной устойчивости опухолевых клеток к DOXсвязано с редокс-зависимым скоордининированным повышением экспрессии генов ключевых ферментов, контролирующих синтез GSH de novo.

• 
  Слайд 43
  

  2) формирование лекарственной устойчивости опухолевых клеток к DOXсопровождается ростом отношения содержания восстановленного GSH к уровню его окисленной формы GSSG (GSH/GSSG), что демонстрирует повышение клеточного редокс-статуса.

• 
  Слайд 44
  

  3) формирование лекарственной устойчивости опухолевых клеток к DOX сопровождается ростом экспрессии генов GSH-зависимых ферментов: глутатионтрансферазы, глутатионпероксидазы, глутаредоксина, что свидетельствует в пользу важной роли GSH-зависимых процессов в редокс-механизме развития лекарственной резистентности.

• 
  Слайд 45
  

  4) формирование лекарственной устойчивости опухолевых клеток к DOX сопровождается повышением экспрессии генов тиоредоксина и пероксиредоксина, что способствует росту редокс-зависимых процессов восстановления дисульфидов и перекисей

• 
  Слайд 46
  

  Рост внутриклеточного уровня глутатионтрансферазы Р1-1, Trx, Grxиграет важную роль в регуляции клеточного сигналинга путем белок-белковых взаимодействий с ключевыми киназами, контролирующими развитие апоптоза – ASK1 и JNK1. Связываясь с ASK1 и JNK1 эти белки блокируют пути активации апоптоза. Поэтому рост экспрессии генов глутатионтрансферазы Р1-1, Trx, Grx в резистентных к DOX опухолевых клетках подавляют механизмы активации апоптотической гибели клеток.

• 
  Слайд 47
  

  5) формирование лекарственной устойчивости опухолевых клеток к DOXсопровождается редокс-зависимой активацией транскрипционного фактора Nrf2, что приводит к скоординированному росту экспрессии генов ферментов, контролирующих синтез GSH de novo, GSH-зависимых ферментов (глутатионтрансферазы, глутатионпероксидазы, глутаредоксина), редокс-зависимых белков тиоредоксина, пероксиредоксина

• 
  Слайд 48
  

  ТРАНСКРИПЦИОННЫЙ ФАКТОР Nrf2 И АКТИВАЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ АНТИОКСИДАТНЫХ ФЕРМЕНТОВ И ФЕРМЕНТОВ ДЕТОКСИКАЦИИ Активные формы кислорода Nrf2 Активация Nrf2 TGA(G/C)NNNGC Maf Maf ARE/EpRE HO-1, Mn-SOD, каталаза, γ-GCS, Trx1, TrxR1, Prx1, Prx2, GR, γ-GT, GSTP1-1, GSTA4-4, NQO1, H-ферритин, L-ферритин

• 
  Слайд 49
  

  Таким образом, развитие адаптивного антиоксидантного ответа на окислительный стресс, вызываемый доксорубицином является важным фактором формирования редокс-зависимой резистентности опухолевых клеток к противоопухолевому действию этого препарата. Развитие адаптивного антиоксидантного ответа доказывается скоординированным изменением экспрессии генов антиоксидантных ферментов, ферментов, контролирующих синтез GSH de novo, GSH-зависимых ферментов (глутатионтрансферазы, глутатионпероксидазы, глутаредоксина), редокс-зависимых белков тиоредоксина и пероксиредоксина