🗊Презентация Редокс-статус клетки, окислительный стресс и митохондрии

Редокс-статус клетки, окислительный стресс и митохондрии Карманова Е. Е. магистратура 1 курс УЦ – биофизики и биомедицины (ИТЭБ РАН) Пущино - 2016

Содержание ВЕДЕНИЕ. РЕДОКС-СТАТУС КЛЕТКИ. АКТИВНЫЕ ФОРМЫ КИСЛОРОДА (АФК) Синглетный кислород Пероксид водорода Супероксид-анион радикал Гидроксил-радикал ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС Окислительная модификация липидов. ПОЛ. Окислительная модификация белков. ДЖРБ. Окислительная модификация нуклеиновых кислот. Повреждение ДНК.

Молекулярный кислород имеет спиновый запрет, поэтому Он относительно инертен Гланый биологический окислитель Одноэлектронное поэтапное ферментативное восстановление до воды (цитохромоксидазы): О2 + 4 е + 4 Н+ = 2 Н2О перекиси водорода (другие оксидазы): О2 + 2 е + 2 Н+ = Н2О2.

Источники АФК

Синглетный кислород 1O2 молекурный кислород в состоянии наименьшего электронного возбуждения (изменение спина одного из электронов, находящихся на π-орбиталях в молекуле кислорода) агрессивен в отношении молекул с двойной связью конечный продукт реакций 1O2 с биомолекулами – гидроперекиси органических молекул (В первую очередь – продукты ПОЛ) биологическое значение – фотосенсибилизация

Пероксид водорода Н2О2 субстрат-окислитель для пероксидаз восстановитель и окислитель в реакции дисмутации (каталаза) взаимодействует с веществами как радикальным, так и нерадикальным путем может выступать источником образования ОН•в присутствии двухвалентного железа или превращаться в гипохлорит-анион (ОС1-) ферментом миелопероксидазой принимает участие в возникновении и передаче клеточных сигналов

Супероксид-анион радикал О2-• Источник - ионы металлов переменной валентности и (или) органические соединений, способных к одноэлектронным реакциям при взаимодействии с протоном приводит к образованию гидроперекисного радикала (НО2-•). достаточно быстро неферментативно дисмутирует Основным источником являются НАДФ-оксидаза, ксантиноксидаза, митохондриальная цитохром-с-оксидаза и микросомальные миелооксидазы снижение уровня супероксид-анион радикала – супероксиддисмутаза (СОД) участие в многочисленных реакциях с образованием различных реактивных соединений

Гидроксил-радикал Результат одноэлектронного восстановления перекиси водорода супероксид-радикал в реакции, катализируемой металлами переменной валентности (Fe2+, Cu+, Co2+, Mn2+, V2+, Cr4+) – реакция Фентона - главный механизмом образования ОН•. взаимодействии Н2О2 и О2-• (реакция Хабера-Вайса):

является наиболее реакционноспособным радикалом среди АФК является наиболее реакционноспособным радикалом среди АФК Основные типы повреждений биомолекул гидроксильными радикалами - это отрыв атома водорода; присоединение к молекулам по двойным связям; отрыв электрона (редко). Способен разорвать любую С–Н связь, Индуцирует перекисное окисление липидов - ПОЛ для его элиминации в клетке не существует специализированных ферментных систем цитотоксическое действие кислородных радикалов более чем на 50% обусловлено ОН-радикалами два критических объекта повреждения: нуклеиновые кислоты и мембранные белки

Избыточную генерацию АФК свыше уровня антиоксидантной защиты, сопровождающуюся повреждением клеточного содержимого, называют окислительным стрессом 1. Низкий уровень - клетка обеспечивает себе достаточную защиту. При этом изменения наблюдаются большей частью в синтезе белков. В норме клетки могут длительное время пребывать в состоянии непрерывного окислительного стресса низкого уровня без серьезных последствий. 2. Средний уровень - клетка осуществляет адаптацию к стрессу. 3. Высокий уровень - клетка переходит в состояние выживания, клеточный рост и деление в этом случае практически останавливаются. Дальнейшее повышение концентрации активных форм кислорода приводит к массовой гибели клеток.

В процессе ПОЛ различают несколько этапов: 1. Атака сопряженных двойных связей ненасыщенных жирных кислот со стороны гидроксильного (НО•) и пероксильного (НО2•) радикалов, что приводит к появлению липидных радикалов в несколько основных этапов. 2. Липидный радикал может реагировать с О2 с образованием пероксильного радикала, который, в свою очередь, взаимодействует с новыми молекулами ненасыщенных жирных кислот и приводит к появлению липидных пероксидов, которые достаточно стабильны при температуре тела. 3. Образующиеся в процессе ПОЛ липидные радикалы, а также его продукты 4-гидроксиноненаль, кротональдегид, и малоновый диальдегид, могут реагировать с молекулами белков и нуклеиновых кислот

Окислительная модификация белков Количественно, белки более повреждаемая мишень, чем ДНК и липиды, они являются главной мишенью в клетках при воздействии наиболее реакционной формы АФК – гидроксильных радикалов в молекуле фермента обычно содержится несколько ароматических аминокислот, дисульфидных (-SS-) связей и сульфгидрильных групп (-SH) – гланые мишени для АФК

Взаимодействие пептидов и белков с АФК состоит из следующих ключевых реакций: Взаимодействие пептидов и белков с АФК состоит из следующих ключевых реакций: RCHR1R2 + HO  RCR1R2 + H2O RCR1R2 + O2  RC(O2)R1R2 RC(O2)R1R2 + HO2  RC(OOH)R1R2 + O2 RCR1R2 + HO  RC(OH)R1R2 где R, R1, R2 – различные аминокислотные остатки

Долгоживущие радикалы белка ДЖРБ долгоживущие активные формы белков (ДАФБ) Времена полужизни ДЖРБ достигают свыше 20 ч. ДЖРБ могут вызывать повреждения различных биологических молекулярных структур, так как белки участвуют во всех основных процессах в клетках и тканях ДЖРБ способны индуцировать повреждение ДНК с последующим возникновением хромосомных аббераций, мутаций и трансформаций в культурах клеток ДЖРБ способны создавать множество интермедиатов (промежуточных веществ) осложняющих протекание окислительного стресса в биологических системах

Окислительная модификация нуклеиновых кислот. Повреждение ДНК. нарушения в хранении и реализации генетического материала связывают с развитием ряда заболеваний, таких как хроническая дегенерация нейронов, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, а также ряд онкологических заболеваний Основными продуктами окислительного повреждения ДНК являются пиримидиновые димеры, ДНК-белковые сшивки, однонитевые разрывы ДНК, формамидопиримидиновые производные пуринов

Наиболее чувствительными к воздействию АФК в составе ДНК являются основания Наиболее чувствительными к воздействию АФК в составе ДНК являются основания Известно более 200 типов окисленных оснований ДНК

Основные редокс-пары клетки Соединения, существующие одновременно в окисленном и восстановленном состояниях, причем переход из одного состояния в другое обратим являются универсальными, поскольку выступают связующими звеньями во многих разных клеточных редокс- процессах

NAD+ и NADH Для большинства тканей общая концентрация NAD+ и NADH составляет примерно 10-5 М В митохондриях соотношение NAD+/NADH меняется в пределах от 7—8 до 1, в то время как в цитоплазме этот параметр имеет более широкий диапазон значений — от 700 до 1 В клетках существует несколько путей синтеза NAD, в т. ч. de novo Является ГЛАВНОЙ редокс-парой

Ключевым ферментом синтеза NAD, независимо от того, по какому пути он протекает, является никотинамидмононуклеотид-аденилилтрансфераза (NMNAT). NMNAT осуществляет обратимую реакцию синтеза NAD из никотинамидмононуклеотида (NMN) с использованием энергии ATP Ключевым ферментом синтеза NAD, независимо от того, по какому пути он протекает, является никотинамидмононуклеотид-аденилилтрансфераза (NMNAT). NMNAT осуществляет обратимую реакцию синтеза NAD из никотинамидмононуклеотида (NMN) с использованием энергии ATP Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для обеих форм NAD. Однако в клетке происходит постоянный обмен восстановительными эквивалентами между цитоплазмой и митохондриями, для этого существуют специализированные челночные механизмы. В зависимости от субстратной пары и типа клеток реализуется глицеролфосфатный или малатаспартатный механизмы

Низкомолекулярные антиоксиданты фенолы полифенолы (токоферолы, эвгенол, конидендрин, пирокатехин, производные галловой кислоты) флавоноиды (рутин, кверцетин) стероидные гормоны витамины Е, А, К, стерины, убихинон витамины С, В6, РР, серотонин, SH-содержащие соединения глутатион мочевая кислота хелатные соединения и др.

Источники Гармаш С. А. Образование активных форм кислорода под влиянием ионов уранила и их токсическое действие: дис…кандидата биол. наук. ИТЭБ РАН. Пущино – 2013. Гудков С. В. Механизмы образования активных форм кислорода под влиянием физических факторов и их генотоксическое действие: дис… доктора биол. наук. ИТЭБ РАН. Пущино – 2012. Зенков Н.К. Окислительный стресс: биохимический и патофизиологический аспекты. / Зенков Н.К., Ланкин В.З., Меньщикова Е.Б. - М.: МАИК «Наука Интерпериодика», 2001. - 343 с. Меньщикова Е.Б.. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты. / Меньщикова Е.Б., Ланкин В.З., Зенков Н.К., Бондарь И.А., Круговых Н.Ф., Труфакин В.А. - М.: Слово. - 2006. - 553 с. 42. Меньщикова Е.Б., Зенков Н.К., Ланкин В.З., Бондарь И.А., Труфакин В.А. Окислительный стресс: патологические состояния и заболевания / Меньщикова Е.Б., Зенков Н.К., Ланкин В.З., Бондарь И.А., Труфакин В.А.; под ред. Е.Б. Меньщиковой. – Новосибирск: АРТА - 2008. - 284 с. Смирнова В. С. Образование 8-оксогуанина и продуктов его окисления в ДНК in vitro по действием тепла, ионов уранила и-излучения : дис…кандидата биол. наук. ИТЭБ РАН. Пущино - 2005. Тодоров И. Н. Митохондрии: окислительный стресс и мутации митохондриальной ДНК в развитии патологий, процессе старения и апоптозе //Российский химический жур нал. – 2007. – Т. 51. – №. 1. – С. 93-106. РОГОВ А. Г. и др. АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ОКСИДАЗА: РАСПРОСТРАНЕНИЕ, ИНДУКЦИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, РЕГУЛЯЦИЯ, ФУНКЦИИ. Пашков А. Н. ОЦЕНКА И КОРРЕКЦИЯ АНТИОКСИДАНТНОГО СТАТУСА И АПОПТОТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ У БОЛЬНЫХ С ДИФФУЗНЫМИ ЗАБОЛЕВАНИЯМИ ПЕЧЕНИ. Рукша Т. Г., Постникова О. А. ВЛИЯНИЕ ПОЛИМОРФИЗМА ГЕНА КАТАЛАЗЫ НА ИНДУЦИРОВАННЫЙ ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ СТРЕССОМ АПОПТОЗ ЛЕЙКОЦИТОВ И КЛЕТОК МЕЛАНОМЫ КОЖИ. БИЛАН Д. С. и др. ОСНОВНЫЕ РЕДОКС-ПАРЫ КЛЕТКИ //БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. – 2015. – Т. 41. – №. 4. – С. 385.