Оксид азота и его физиологические комплексы в системах, моделирующих карбонильный стресс и их динамику в организме

На правах рукописиГубкина Светлана АлександровнаОксид азота и его физиологические комплексы всистемах, моделирующих карбонильный стресс и ихдинамику в организмеСпециальность 03.00.02 − биофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква − 20091Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета МГУ имениМ.В.Ломоносова и в НИИ экспериментальной кардиологии ФГУ РКНПКРосмедтехнологий.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорРууге Энно КуставичНаучный консультант:кандидат биологических наукШумаев Константин БорисовичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессорПетрусевич Юрий Михайловичдоктор биологических наук,профессорПанасенко Олег МихайловичВедущая организация:Институт химической физикиим. Н.Н.

Семенова РАНЗащита диссертации состоится 19 марта 2009 г. в «17» часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.11 при Московском государственномуниверситете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, МГУ имени М.В.Ломоносова, физический факультет,аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «____» февраля 2009 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.11доктор физико-математических наукХомутов Г.Б.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследования.В настоящее время одной из актуальных задач в медицинскойбиофизике, физиологии и медицинской химии является изучение процессов вкоторых участвуют активные короткоживущие молекулы, являющиесярегуляторами на различных уровнях организации живых организмов.

К такимсоединениям, в первую очередь, относятся оксид азота (NO) и егопроизводные. В последние годы появляется все больше данных о новыхфизиологическихфункцияхоксидаазотаиегометаболитов.Кромесигнальной роли NO, актуальной областью исследования являются реакцииоксида азота с активными формами кислорода. Возникающие в этих реакцияхактивные соединения – пероксинитрит, диоксид азота, NO2Cl и др. являютсяважными компонентами иммунного ответа в организме человека и животных,а также участвуют в процессах апоптоза.

С другой стороны, изменениеконцентрации оксида азота под действием различных свободных радикалов идругих высокореакционных интермедиатов служит важнейшим фактором,влияющим на физиологическую активность NO, в том числе на сигнальнуюфункцию этой молекулы. Кроме того, активные формы кислорода и азотаучаствуют в развитии патологий, связанных с окислительным стрессом:атеросклероз,ишемическаяболезньсердца,нейродегенеративныезаболевания, катаракта, рак, диабет.

Однако, взаимодействия активных формкислорода с такими производными NO как S-нитрозотиолы (RSNO) идинитрозильные комплексы железа остаются мало изученными. Существенно,что сам оксид азота и S-нитрозотиолы в различных модельных системах и ворганизмепроявляютцитопротекторныеиантиоксидантныесвойства.Предполагается, что редокс-активные ионы железа связываются в составенитрозильных комплексов, при этом ингибируются реакции свободнорадикального окисления биологических молекул. Известно также, чтоперекисное окисление липидов ингибируется благодаря взаимодействию NO салкилпероксильными и алкоксильными радикалами и гемовыми группаминекоторых белков.3В ходе ряда связанных с диабетом патологий окислительный стресссочетаетсяскарбонильным,концентрацииактивныхкарбонильныегруппы.возникающимсоединений,Кэтимврезультатесодержащихсоединениямальдегидныеотносятсяметилглиоксаль, 3-гидроксиглюкозон, представляющиеокисленияглюкозыидругихсахаров.увеличениясобойАктивнымииглиоксаль,продуктыкарбонильнымисоединениями являются также малоновый диальдегид и 4-гидроксиноненаль,возникающие при перекисном окислении липидов.

Выше перечисленныесоединения модифицируют аминокислотные остатки белков и азотистыеоснования нуклеиновых кислот, меняя свойства этих важнейших биомолекул.В литературе имеются противоречивые данные о влиянии карбонильногострессанаметаболизмоксидаазота.Предполагают,чтопродуктывзаимодействия активных карбонильных соединений с белками могутопосредованно влиять на активность NO-синтазы и в то же времянепосредственно перехватывать NO. Тем не менее, механизм этих процессовостаетсянеясным.Известно,чтовреакцииметилглиоксалясаминокислотами образуется супероксидный радикал. Поскольку супероксидчрезвычайно эффективно взаимодействует с оксидом азота, последнийдолжен элиминироваться в ходе карбонильного стресса.

В связи с этим,особый интерес представляет изучение взаимного влияния интермедиатовкарбонильного стресса и физиологических метаболитов оксида азота (ДНКЖи S-нитрозотиолов). Из выше сказанного следует, что эти физиологическиепроизводные оксида азота могут играть чрезвычайно важную роль, как внормальных условиях существования живого организма, так и в ходепатологическихпроцессов,сопровождающихсяокислительнымикарбонильным стрессом. Исследование механизмов процессов, происходящихс участием оксида азота, активных форм кислорода и карбонильныхсоединений, особо интересно, так как эти процессы являются пересечениемключевых регуляторных путей в клетках и тканях живого организма.4Цель и задачи исследования.Целью работы являлось выяснение роли оксида азота и динитрозильныхкомплексов железа при карбонильном и окислительном стрессе, а такжеисследование распределения оксида азота и его метаболитов в тканях и органахживотных.Исходя из поставленной в диссертационной работе цели, решалисьследующие задачи:1.Выяснить физико-химические механизмы антиоксидантного действияДНКЖ в различных модельных системах.2.Изучить закономерности взаимодействия кислорода и азота в условиях,моделирующих карбонильный стресс.3.Выяснить механизмы образования новых типов ДНКЖ, связанных спродуктамивзаимодействияметилглиоксалясосвободнымиаминокислотами.4.Исследовать влияние ингаляционного введения NO и влияние инъекцийпрепарата ДНКЖ на уровень оксида азота в тканях разных органов.Научная новизна диссертации.1.МетодомспектроскопииЭПРвыясненызакономерностивзаимодействия низкомолекулярных и белковых динитрозильныхкомплексов железа с активными формами кислорода.2.Установлен молекулярный механизм неферментативного образованиясупероксида при взаимодействии L-лизина с активным карбонильнымсоединением - метилглиоксалем.3.Впервые обнаружены новые типы динитрозильных комплексовжелеза,лигандамикоторыхявляютсяпродуктыреакцийметилглиоксаля с аминокислотами.4.Выявлены особенности взаимодействия новых типов ДНКЖ и тиолсодержащих динитрозильных комплексов с компонентами крови.5.Впервые изучено влияние различных методов введения оксида азота ворганизм экспериментальных животных на накопление в органах итканях физиологических форм NO.5Научно-практическая значимость исследования.Представленные в диссертации экспериментальные данные позволяютлучше понять роль оксида азота и его метаболитов в процессах модификациибиомолекул активными формами кислорода и карбонильными соединениями имогут быть использованы для оптимизации применения препаратов доноровоксида азота (пролонгированные нитраты и другие) в условиях различныхпатологий, сопровождающихся окислительным и карбонильным стрессом.Апробация результатов исследования и публикации.По материалам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ,в том числе 3 статьи в научных журналах, еще 4 статьи в данный моментнаходятся в печати.Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IIЕвразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии (Москва, 2005), IVи V международной научно-практической конференции с международнымучастием “Активные формы кислорода, оксид азота антиоксиданты и здоровьечеловека” (Смоленск.

2005, 2007), XIV, XV и XVI международной конференциии дискуссионном научном клубе “Новые информационные технологии вмедицине, биологии, фармокологии и экологии” (Ялта-Гурзуф, 2006, 2007 и2008), международной научной конференции и 6-ом, 7-ом, 8-ом съездеБелоруссокого общественного объединения фотобиологов и биофизиков«Молекулярные,мембранныеиклеточныеосновыфункционированиябиосистем» (Минск, 2006, 2007 и 2008), VIIth International Workshop on EPR(ESR) in Biology and Medicine (Krakow, 2007).Структура и объем диссертационной работы.Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы (глава 1),методической части (глава 2), описания собственных результатов и ихобсуждения (главы 3 – 6), заключения, выводов и списка цитируемойлитературы.

Объем работы составляет 111 страниц, включая 39 рисунков играфиков, 1 таблицу и список литературы из 135 наименований.6КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснованаактуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, кратко изложенынаучная новизна и практическая ценность полученных результатов.Первая глава содержит литературный обзор, посвященный активнымформам кислорода, оксиду азота и его производным, а также активнымкарбонильным соединениям. Кратко изложены основные физико-химическиесвойства этих активных форм, описаны их источники в организме.

В разделах 1.3 и1.4 дана систематизация биологических функций оксида азота, обусловленных какпрямым его взаимодействием с биомолекулами, так и влиянием NO производных.Описана взаимосвязь между окислительным нитрозильным и карбонильнымстрессами.Значительноевниманиевобзореуделенофизиологическимметаболитам оксида азота: S-нитрозотиолам и динитрозильным комплексамжелеза. В разделе 1.5 описывается их обнаружение в организме, метаболизм ифункции в биологических системах. Заканчивает главу раздел 1.6 о примененииразличных доноров оксида азота в медицине, в этом разделе рассматриваютсятакже преимущества и недостаткиингляции воздухом с повышеннымсодержанием NO, как метода лечения пациентов при легочной гипертензии исвязанных с ней заболеваний.