Свободные радикалы и болезни человека презентация

Фосфолипазы
Фосфолипаза В работает как сумма фосфолипаз А1 и А2, т.е. гидролизует обе сложноэфирные связи с жирнокислотными остатками R1 и R2.

Как образуются свободные радикалы ?
1) Путем разрыва химической связи:
hν

Кислород
Супероксидный
анион-радикал
+e¯ ( )
Пероксид водорода
Гидроксильный
радикал
+ H+
+e¯
2) Путем восстановления кислорода (присоединения электрона):
Как образуются свободные радикалы ?

Классификация свободных радикалов
Первичные
Вторичные
Третичные
Супероксид
Нитроксид
Семихинонные
Гидроксил
Радикалы
липидов
Радикалы
антиоксидантов
Свободные радикалы

Активные формы кислорода
(Reactive oxygen species, ROS)

O2 ⇒ ∙O2- ⇒ H2O2 ⇒ OH- + ∙OH ⇒ H2O
Стадии последовательного одноэлектронного восстановления кислорода
+e-
+e-
+e-
+e-
+2H+
+H+
1
2
3
4

Какие частицы относят к активным формам кислорода?
●O2─ супероксидный радикал
H2O2 пероксид водорода
●OH гидроксильный радикал
1O2 синглетный кислород
ClO─ гипохлорит
ONOO─ пероксинитрит
NO● оксид азота
Радикалы липидов: LO● (алкоксильный),
LOO● (пероксильный)

Метаболизм супероксидного радикала и пероксида водорода в водной среде
NADPH – оксидаза: O2 + e¯ → ·O2¯
Супероксиддисмутаза (СОД): ·O2¯ + ·O2¯ + 2H+ → O2 + H2O2
Глутатионпероксидаза: 2H2O2 + 2GSH → 2H2O + O2 + GSSG
Каталаза: 2H2O2 → 2H2O + O2
Миелопероксидаза: H2O2 + Cl¯ → H2O + ClO¯/HOCl
Реакция Фентона: H2O2 + Fe2+ → Fe3+ + HO¯ + ·OH
Реакция c HOCl: HOCl + Fe2+ → Fe3+ + Cl¯ + ·OH

Супероксидный радикал

Образование супероксидного радикала фагоцитами
Одним из основных источников супероксидных радикалов в нашем организме являются клетки-фагоциты, к которым относятся гранулоциты и моноциты крови, и тканевые макрофаги
Встретив бактерию, фагоцит прикрепляется к ней и начинает выделять активные формы кислорода, первая из которых - супероксидный радикал. Кроме него образуются пероксид водорода и гипохлорит.

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

НАДФН-оксидаза
Образование супероксида происходит при переносе двух электронов от НАДФН к кислороду.
Эта реакция катализируется ферментным комплексом НАДФН - оксидазой, которая содержится в плазматической мембране фагоцитов, а также в мембранах внутриклеточных везикул - фагосом.

Строение электрон-транспортной цепи митохондрий
Межмембранное пространство
Матрикс
Электрохимический градиент протонов

Дыхательные комплексы митохондрий в норме
Римскими цифрами обозначены дыхательные комплексы. Строчными буквами обозначены цитохромы. Комплекс II (сукцинат дегидрогеназа) на рисунке не показан.
Образование супероксидных радикалов в митохондриях
C(Fe+3)
e¯
NADH-дегидрогеназа
Цитохром b-c1
Цитохром c
оксидаза

C(Fe+3)
e¯
Образование супероксидных радикалов в митохондриях
Дыхательные комплексы митохондрий при гипоксии

e¯
+О2
+О2
+О2
Образование супероксидных радикалов в митохондриях
Дыхательные комплексы митохондрий при реоксигенации

Факторы, способствующие образованию супероксида митохондриями
Гипоксия и последующая реоксигенация
Отравление дыхательной цепи (например цианидом)
Ингибирование цитохромоксидазы (например, нитроксидом)
Выход цитохрома c из митохондрий через мегапоры при апоптозе

Реакции супероксидного радикала и оксида азота
Реакции 1-4 протекают в нормальных условиях; реакции 5-10 – при патологии.

Синглетный кислород
1О2

Синглетный кислород: строение электронных оболочек

Синглетный кислород: строение электронных оболочек
1О2 – является возбужденным состоянием обычного 3О2
Обычно образуется при фотохимических реакциях в присутствии фотосенсибилизаторов
Используется при фотодинамической терапии опухолей (обычно поверхностных, кожных).
Полифенолы (флавоноиды) и каротеноиды могут защищать клетки от повреждающего действия 1О2.

Препараты, используемые для фотодинамической терапии: Аласенс, Аминолевулиновая кислота, Гелеофор, Димегин, Радахлорин, Фотосенс, Хлорин Е6, Фотолон, Фотогем

Фотографии пациентов, получавших фотодинамическую терапию
Лечение базальноклеточной рака кожи лица методом ФДТ. А – до лечения. Обширная опухоль кожи щеки с изъязвлением. В – после курса лечения методом ФДТ.

Гипохлорит
OCl-/HOCl

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+

Пероксинитрит
ONOO-

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-

Пероксинитрит: биологическое действие

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»
Химические свойства NO

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

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.

Оксид азота синтезируется в организме из L-аргинина ферментом NO-синтазой.
В организме есть 3 типа NO-синтаз (NOS):
eNOS – эндотелиальная (эндотелий),
nNOS – нейрональная (глиальные клетки) и
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

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

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:

Схема образования NO в сосудах и тканях

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.

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"

Бутерброд Фуршготта
Роберт 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

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).

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!

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.