ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт фундаментальной биологии и биотехнологии

Кафедра биохимии и физиологии человека и животных

О.А. Голубев

Студент 3 курса

Антиоксидантная система плазмы крови в норме и при патологии

(Курсовая работа)

Научные руководители:

канд. биол. наук

Титова Н.М. ____________

док. мед. наук

Черданцев Д.В.____________

Красноярск 2008

Содержание

Глава 1. Обзор литературы.. 5

1.1. Активные формы кислорода и оксидативная модификация макромолекул: польза, вред и защита. 5

1.2. Характеристика антиоксидантной системы организма. 7

1.2.1. Неферментативная антиоксидантная система………………………...8

1.2.2. Ферментативная антиоксидантная система…………………………..

1.3. Антиоксиданты плазмы крови. 17

Глава 2. Материалы и методы.. 21

2.1. Объект исследования. 21

2.2. Методика определения церулоплазмина……………………………….21

2.3 Статистическая обработка результатов. 22

Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение…………………………23

ВЫВОДЫ.. 25

ЛИТЕРАТУРА.. 26

Приложение. 28

Введение

Человек в покое вдыхает около 280 мл О2 /мин, или не менее 400 л/сут, что соответствует 18 молям О2 . Основное количество О2 (95-98%) расходуется на выработку энергии и окислительный катаболизм субстратов. Относительно небольшая часть (2-5%) переходит в активные формы кислорода (АФК) [1, 2] и затем частично используется для оксидативной модификации (ОМ) макромолекул. Это означает, что в АФК переходит ~ 0,4-0,9 моля О2 . При отсутствии метаболизма средняя концентрация АФК в организме достигла бы 6-14 мМ. Однако реальный уровень в тканях равен 10- 8 М, то есть в 106 раз меньше [2].

Возникают вопросы: 1) какое значение имеют АФК и ОМ макромолекул – это просто утечка с главного пути использования О2 или важные процессы, но тогда они полезны или вредны; 2) как осуществляется мощный метаболизм АФК и активных окисленных молекул и почему это нужно?

Целью данной работы было изучение изменения активности церулоплазмина плазмы крови у больных эндемическим зобом для выяснения возможной взаимосвязи антиоксидантной функции данного энзима с болезнью.

В задачи работы входило:

1) анализ литературы по изучаемому вопросу;

2) отработка методики определения содержания церулоплазмина;

3) изучение содержания церулоплазмина в плазме крови людей, больных эндемическим зобом.

Данная работа выполнялась на базе кафедры биохимии и физиологии человека и животных Института фундаментальной биологии и биотехнологии Сибирского федерального университета и кафедры хирургических болезней №2 с курсом сердечно-сосудистой хирургии им. А.М. Дыхно Красноярской государственной медицинской академии и является частью комплексных исследований состояния АОС в норме и при различных патологических состояниях.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Активные формы кислорода и оксидативная модификация макромолекул: польза, вред и защита

Кроме полного четырехэлектронного восстановления молекулы О2 до воды в дыхательной цепи митохондрий в аэробных клетках всегда происходит и неполное – одно-трехэлектронное восстановление с последовательным образованием различных АФК, к которым относятся свободный радикал-анион супероксид, перекись водорода Н2О2 и наиболее активный радикал – гидроксил НОJ (реакции (1)): Донорами электрона могут быть Fe2 +, Сu+ или семихиноны, а для второй и третьей реакций – также и :

H2O2 + Fe2 + HO- + HOJ + Fe3 +

Термин «АФК» шире, чем «свободные радикалы кислорода» (НОJ), так как кроме последних включает также молекулы Н2О2 , синглетный кислород О2 , озон О3 и гипохлорит HOCl.

АФК генерируются во всех частях клетки. Наибольший вклад вносит дыхательная цепь митохондрий, особенно при низкой концентрации АДФ. Важна роль и системы цитохрома Р-450, локализованной в эндоплазматической сети. Участвуют ядерная мембрана и другие части клетки, при этом АФК часто возникают не только спонтанно, но и ферментативно (НАДФН-оксидаза дыхательного взрыва в плазматической мембране и ксантиноксидаза в гиалоплазме). Концентрации АФК в тканях невысоки: Н2О2 – 10- 8 М, – 10-11 М, НОJ < 10-11 М. АФК вызывают образование органических гидропероксидов ROOH – ДНК, белков, липидов, а также малых молекул [1, 3]. ROOH образуются и в реакции с обычным молекулярным О2 при участии ферментов диоксигеназ (реакция (4)) или циклооксигеназ:

RH + O2 ROOH

ROOH по своей структуре подобны Н2О2 (R-O–O-H и Н-О-О-Н) и химически тоже активны, при последующем метаболизме они переходят в спирты, альдегиды, эпоксиды и другие окисленные соединения. Образование ROOH называют перекисным окислением (пероксидацией), а совокупность описанных реакций (рис. 1) теперь именуют ОМ молекул.

АФК вызывают в липидах (L), в основном в остатках полиненасыщенных жирных кислот, цепные реакции с накоплением липидных радикалов LJ, пероксилов LOOJ, гидропероксидов LOOH и алкоксилов LOJ:

Первые три реакции – это инициация и продолжение цепи, а реакция LOOH c Fe2+ создает ее разветвление. Далее образуются диеновые конъюгаты, а затем минорные метаболиты: малоновый диальдегид, этан, пентан и др. [1, 3]. На протяжении многих лет перекисное окисление липидов (ПОЛ) считали преимущественно спонтанным (неферментативным) и неспецифическим самоускоряющимся процессом и ему придавали ведущее значение в ОМ и ее последствиях. Однако затем стало ясно, что: 1) огромное значение имеют и ферментативные реакции типа (4), катализируемые липоксигеназами [4] и циклооксигеназами – первыми ферментами путей, приводящих к образованию специфических регуляторов – эйкозаноидов [5-7]; 2) в организме главными продуктами ПОЛ являются 4-гидроксиалкенали типа С5Н9-СНОН-СН=СН-СНО, то есть снова специфические вещества; 3) большое значение имеет ОМ и других макромолекул – ДНК и белков, усиленно изучаемая в 90-е годы [8, 9].

АФК вызывают ОМ нуклеотидов и нуклеиновых кислот, особенно ДНК. Это приводит к гидропероксидам ROOH (так, из _емма_ образуется 5-СН2ООН-урацил), а затем к гидроксипроизводным ROH или R(OH)2 , основными из которых являются 8-ОН-2'-дезоксигуанозин и тимингликоль (их определение в тканях и моче используют как индексы ОМ ДНК) [8]. ОМ белков также вызывает образование в организме ROOH, а затем ROH (o- и m-тирозины), R(OH)2 (ДОФА), карбонилов и других окисленных производных; образуются и димеры (дитирозины); происходит также аутооксидативное гликозилирование белков [9].

1.2. ХАРАКТЕРИСТИКА АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА

Антиоксидантная система (АОС) включает:

1. Энзиматические перехватчики, такие как супероксиддисмутазу (СОД), дисмутирующую О2- до Н2О2, каталазу и глутатионпероксидазу (ГПО), которые конвертируют Н2О2 до воды. ГПО и глутатион-S-трансфераза (ГSТ) участвуют в детоксикации гидропероксидов жирных кислот;

2. Гидрофильные скэвенджеры радикалов – восстановленный глутатион (ГSН), аскорбат, урат, тиолы (цистеин, эрготионеин);

3. Липофильные перехватчики радикалов – токоферолы, флавоноиды, каротиноиды, убихиноны, билирубин.;

4. Ферменты, осуществляющие восстановление окисленных низкомолекулярных биоантиоксидантов (глутатионредуктаза) или участвующие в поддержании в функционально активном состоянии белковых тиолов (тиоредоксинредуктаза);

5. Ферменты ,участвующие в поддержании внутриклеточного стационарного уровня восстановительных эквивалентов (глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, катализирующая образование НАДФН в пентозофосфатном пути окисления глюкозы);

6. Антиоксидантные белки (церулоплазмин, альбумин, ферритин, трансферрин, лактоферрин и др.), участвующие в хранении, транспорте или обезвреживании ионов металлов переменной валентности.

Клеточная АОС представлена семейством супероксиддисмутаз, глутатионпероксидаз и глутатион-S-трансфераз, а также глутатионредуктазой, найденных в цитоплазме, митохондриях и ядре. Каталаза локализована в пероксисомах и цитоплазме, а в такой высокодифференцированной и специализированной клетке, как эритроцит, существует в растворимой (в цитоплазме) и мембраносвязанной формах.

Состав низомолекулярных антиоксидантов достаточно обширен: восстановленный глутатион и аскорбиновая кислота находятся в водной фазе клетки, защищая компоненты цитозоля и матрикса митохондрий, токоферолы и каротиноиды – плазматическую и внутриклеточные мембраны.

АФК постоянно генерируются в водной фазе плазмы крови и других биологических жидкостей. О2- и Н2О2 могут образовываться ферментами активированных фагоцитирующих клеток, в продукцию О2- вовлечен и сосудистый энодотелий. Активированные нейтрофилы, кроме того, при участии миелопероксидазы генерируют внеклеточный гипохлорит [ ].

1.2.1. Неферментативная антиоксидантная система

В качестве компонентов неферментативной АОС могут выступать низкомолекулярные вещества, имеющие высокую константу скорости взаимодействия с АФК.

Неферментативная АОС включает различные по химическому строению и свойствам соединения: водорастворимые – глутатион, аскорбат, цистеин, эрготионеин, и гидрофобные - a-токоферол, витамин А, каротиноиды, убихиноны, витамины группы К, которые снижают скорость образования свободных радикалов и уменьшают концентрацию продуктов реакций, протекающих с участием радикалов [Гуськов, Кения, Лукаш, 1993].

Основная направленность действия низкомолекулярных АО связана с защитой белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, а также биомембран от окислительного разрушения при свободнорадикальной процессах. Важное значение низкомолекулярные АО приобретают в условиях окислительного стресса, когда ферментативная АОС оказывается менее эффективной в сравнении с их протекторным действием. Причины этого – быстрая инактивация конститутивного пула ферментов свободными радикалами и значительное время, необходимое для индукции их синтеза [Зенков, Меньщикова, Шергин, 1993].

Гидрофобные (липидные) антиоксиданты

В липидах содержатся природные антиоксиданты (АО), существенно влияющие на скорость реакции обрыва цепей окисления. К гидрофобным АО фенольного типа относятся три группы веществ: токоферолы, убихиноны и витамины группы К. Каждое из этих веществ образует группу структурно-родственных соединений, включающую хиноны, хинолы, хроманолы и хроменолы [Смирнов, 1974; Рочинский, 1988]. В липидном бислое мембран эти формы могут переходить одна в другую. Каждая группа природных АО присутствует в липидах преимущественно в одной, наиболее стабильной для данных соединений форме: витамины группы К находятся в виде хинонов, токоферолы находятся в липидах, в основном, в циклической форме 6-оксихроманов как в виде свободного токоферола, так и в виде его эфиров, для убихинонов наиболее устойчивой является хинонная форма. Гидрохинонная форма убихинонов довольна нестабильна и окисляется кислородом воздуха, однако в клетках до 70% убихинона может находится в восстановленной форме. Более стабильными являются циклические формы – убихроменолы, не участвующие в процессе переноса электрона по дыхательной цепи. Предполагают, что эта форма выполняет в липидах роль АО.

Характерной особенностью вышеназванных соединений является наличие в их структуре боковых алифатических заместителей, состоящих из нескольких изопреноидных звеньев, различающихся степенью ненасыщенности [Бурлакова, Крашаков, Храпова, 1998].

В состав природных АО, содержащихся в липидах, входят восстановленные фенольные формы, активно реагирующие с пероксирадикалами липидов (ROO·) и окисленные хинонные формы, взаимодействующие с алкильными радикалами (R·) [Бурлакова, Храпова, 1985]. Значительным сродством к пероксирадикалам обладают витамины группы К и токоферол, константы скоростей реакций составляют 5,8*106 и 4,7*106 М-1с-1 соответственно. Убихинолы и убихроменолы в 10 раз менее активны, чем токоферолы [Бурлакова, Храпова, 1985]. Высокое сродство природных АО к пероксирадикалам обусловлено наличием в их молекулах лабильных гидроксильных групп, а длина и степень ненасыщенности боковых цепей не оказывает существенного влияния.

Хиноны легко реагируют с алкильными радикалами липидов (R·), доля которых в общем количестве свободных радикалов при ПОЛ велика, по механизму:

R·+ Q®RQ·; RQ· + R·®RQR

и могут эффективно тормозить окисление.

Хиноны и их производные способны реагировать с АФК, в частности, хиноны способны связывать радикалы супероксид-аниона, участвующие в инициировании цепей свободнорадикального окисления липидов, с образование семихинонов. Вместе с тем предполагают, что убисемихиноны и убихиноны могут, подобно менасемихинону и менадиолу, реагировать с молекулярным кислородом с образованием супероксидных анион-радикалов.

Один и тот же АО в зависимости от концентрации может тормозить или ускорять окисление. Такие двойственные свойства по отношению к окислению липидов были установлены для токоферолов различного строения, витамина А и каротиноидов, соединений группы убихинона, ионов железа и аскорбиновой кислоты [Бурлакова, Храпова; 1985; Бурлакова, Крашаков, Храпова; 1998, Капитанов, Пименов, 1993].

В липидах биомембран всегда присутствуют несколько АО, изменяющих скорость окисления липидов. Между АО может наблюдаться эффект синергизма. Аскорбиновая кислота является синергистом по отношению к токоферолам. Восстанавливая радикалы токоферола до активной фенольной формы, аскорбиновая кислота увеличивает эффективность действия токоферола. Аналогичной способностью регенерировать токофероксильные радикалы обладают и убихинолы. Отдельные компоненты неферментативной АОС могут дополнять или подменять друг друга, осуществляя ингибирование на разной глубине окисления липидов [Бурлакова, Крашакова, Храпова, 1998].

Среди липидных мембранных АО фенольного типа ведущая роль принадлежит токоферолам, поскольку именно они находятся в липидах в устойчивой фенольной форме [Бурлакова, Храпова, 1985].

Реакция с пероксирадикалами липидов на стадии обрыва цепи не является единственно возможным путем воздействия токоферола на скорость ПОЛ. Токоферолы эффективно взаимодействуют с другими АФК (О2·, ·НО, НО2·,ROО·), выполняющих роль инициаторов окисления. Выводя из сферы реакции АФК, токоферолы тем самым снижают общую скорость окисления за счет уменьшения суммарной скорости инициирования. Токоферолы являются тушителями синглетного кислорода [Шинкарев, 1986].

Витамин Е представлен несколькими гомологами (a-, b-, g-, d- токоферолами) из которых наибольшей антиоксидантной активностью обладает a-токоферол [Айдарханов и др., 1989]. Эффективность действия a-токоферола, как природного аниоксиданта, обусловлена его исключительно высокой антирадикальной активностью (константа скорости его взаимодействия с перекисными радикалами составляет 3,1±0,3 ´ 106 л/моль с, что на 1 – 2 порядка выше соответствующих констант скоростей для многих известных синтетических и биоантиоксидантов) и стабилизацией липидного бислоя мембран путем образования прочных комплексов с полиеновыми жирными ацилами липидов [Бурлакова, Храпова, 1985; Козлов и др., 1983]. a-Токоферол взаимодействует с перекисными радикалами в качестве донора водорода: ROO· + a-Т-ОН ®ROOH + a-Т-О·. Радикал токоферола регенерируется аскорбатом.

Время полураспада a-токоферола, определенное с помощью изотопной метки варьирует от 5 дней в печени и эритроцитах до 30 дней в клетках головного мозга [Евстигнеев, Волков, Чудинова, 1998].

К гидрофобным антиоксидантам также относятся витамины группы А: А1 (ретинол), А2 и цис-форма витамина А1, отличающиеся дополнительными двойными связями в кольце b-ионона. Все соединения представляют собой циклический непредельный одноатомный спирт, состоящий из 6-членного кольца (b-ионон), двух остатков изопрена и первичной спиртовой группы. Всасывание происходит в кишечнике в присутствие липидов. В организме легко окисляются с образованием цис- (сетчатка глаза) и транс-альдегидов (остальные ткани); откладываются про запас в печени в форме более устойчивых сложных эфиров: ретинилпальмитат, ретинилацетат и ретинилфосфат. Известны также предшественники (провитамины) витамина А – каротины. Различают a-, b- и g-каротины. Наибольшей биологической активностью обладает b-каротин, поскольку он содержит два b-иононовых кольца и при расщеплении в кишечнике, и возможно в печени, при участие b-каротин-диоксигеназы, в присутствие молекулярного О2, из него образуются две молекулы витамина А. Повышенное содержание b-каротина в пищевом рационе и плазме крови оказывает профилактическое действие в отношении целого ряда заболеваний [Алимова, Аствацатурьян, 1975; Рябина, Калмыкова, 1997; Хохлова, Кудрина, 1996; Хазанов, 1997]. Существует предположение, что благодаря наличию двойных связей в молекуле, витамин А может участвовать в окислительно-восстановительных реакциях, поскольку он способен образовывать перекиси, которые в свою очередь увеличивают активность АО ферментов в клетке. Также предполагается участие витамина А в делении и дифференцировке клеток, обусловленного его действием на инициацию репликации; на рост костной ткани – участие в синтезе хондроитинсульфата [Зенков, Меньщикова, 1993]. Неотъемлемым является участие витамина А в фотохимическом акте зрения.

Гидрофильные антиоксиданты

Глутатион:

Глутатион – тиол небелковой природы, встречающийся во всех животных и растительных тканях, а также у ряда микроорганизмов [Меньшиков, Кения, 1993; Косовер, Косовер, 1979]. Глутатион существует в двух формах восстановленный (ГSH) и окисленный (ГSSГ). Восстановленный глутатион – трипептид g-L- глутамилцистеинилглицин (g-L-Глу- Цис- Гли). Химическая активность ГSH связана с тиоловой группой остатка Цис, являющейся донором протонов для многих соединений. Отдавая протон, ГSH легко окисляется с образованием димера с S-S- мостиком.

Функции глутатиона многообразны: восстановление и изомеризация дисульфидных связей; влияние на активность ферментов и других белков, поддержание барьерных функций мембран, коферментные функции, резервирование цистеина, влияние на биосинтез нуклеиновых кислот и белка, пролиферацию и др. [Meister, Anderson, 1983; Кулинский, Колесниченко, 1990].

Аскорбат:

Витамин С (L-аскорбиновая кислота) по химическому строению является лактоном гулоновой кислоты со структурой, близкой a-глюкозе. Благодаря наличию двух асимметричных атомов углерода, аскорбиновая кислота образует четыре стереоизомера, биологической активностью обладает только L-аскорбат.

Присутствие в аскорбате двух двойных связей обуславливает ее способность к обратимому окислению, продуктом которого является дегидроаскорбиновая кислота (ДАК). ДАК устойчивое соединение. В ходе необратимого разрыва лактоновой связи часть ДАК превращается в 2,3 –декетогулоновую кислоту (ДКГК). При окислении ДКГК расщепляется на щавелевую и трионовую кислоты [Дегли, Никольсон, 1973].

1.2.1. Ферментативная антиоксидантная система Супероксиддисмутаза:

Организмы различной степени сложности, утилизирующие кислород в процессах обмена веществ содержат ферменты, обладающие способностью дисмутировать супероксидные радикалы, обрывая тем самым опасную цепь свободнорадикальных превращений в самом зародыше. Эти ферменты называют супероксиддисмутазами (КФ 1.15.1.1., супероксид: супероксид оксидоредуктаза, СОД). СОД являются, в основном внутриклеточными ферментами и лишь небольшая часть СОД- активности обнаружена во внеклеточных жидкостях млекопитающих в виде гликозилированного тетрамера Cu,Zn-СОД с Mr 135 кДа. Этот гликопротеин проявляет сродство к сульфатированным полисахаридам таким, как гепарин и гепарансульфат [Marclund, 1984; Fridovich, 1997].

Каталаза:

Каталаза (КФ I.II.1.6, Н2О2: Н2О2- оксидоредуктаза, КТ), фермент участвующий в детоксикации нерадикальной активной формы кислорода – Н2О2.

По химическому составу является гемопротеином и состоит из 4-х идентичных субъединиц, каждая из которых в качестве простетической группы содержит _емм с трёхвалентным железом. Апобелки каталаз животного происхождения видоспецифичны [Вайнштейн, Мелик-Адамян, 1986]. _емм в белковой глобуле каталазы находится в гидрофобном окружении.

Глутатионтрансферазы:

Глутатионтрансфераза (КФ 2.5.1.18, донор: восстановленный глутатион трансфераза, ГТ) входит в семейство ферментов, нейтрализующих токсическое влияние различных гидрофобных и электрофильных соединений путем их конъюгации с восстановленным глутатионом.

Глутатионредуктаз а:

Во многих реакциях, катализируемых ГП и ГSТ, отдавая протоны, две молекулы ГSH соединяются дисульфидной связью и образуют, так называемый, окисленный глутатион. Для восстановления ГSSГ и, следовательно, рециклирования ГSH, в клетках существует специальный фермент – глутатионредуктаза [Косовер, Косовер, 1979; Мартинчик, Бондарев, 1986] .

Глутатионредуктаза (НAДФH: окисленный глутатион оксидоредуктаза, КФ 1.6.4.2, ГР) ‑ широко распространенный флавиновый фермент, поддерживающий высокую внутриклеточную концентрацию восстановленной формы глутатиона.

Глюкозо‑6‑фосфатдегидрогеназ а:

Для восстановления окисленного глутатиона глутатионредуктазой в качестве доноров водорода используется НAДФH, который образуется в пентозофосфатном пути в ходе глюкозо–6–фосфатдегидрогеназной реакции [Атауллаханов, 1981].

ВТОРИЧНАЯ АНТИОКСИДАНТНАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ

Аэробные


8-09-2015, 19:54