Свободные радикалы кислорода и антиоксиданты в митохондриях сердца и модельных системах (1104785)
Текст из файла
На правах рукописиСвиряева Ирина ВладимировнаСВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ КИСЛОРОДА И АНТИОКСИДАНТЫ ВМИТОХОНДРИЯХ СЕРДЦА И МОДЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХСпециальность 03.00.02 – биофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2008Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета Московскогогосударственногоуниверситетаим.М.В.ЛомоносоваивНИИэкспериментальной кардиологии ФГУ «Российский кардиологический научнопроизводственный комплекс Федерального агентства по высокотехнологичноймедицинской помощи»Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Рууге Энно КуставичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Петрусевич Юрий Михайловичдоктор биологических наук,профессор Панасенко Олег МихайловичВедущая организация:Институт химической физикиим.
Н.Н.Семенова РАНЗащита состоится «17» апреля 2008 г. в 16:00 ч.на заседании диссертационного совета Д 501.002.11 при Московскомгосударственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва,Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет,аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «14» марта 2008 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.11доктор физико-математических наукГ.Б. ХомутовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ настоящее время можно считать доказанным, что вклад митохондрий вфункции клеток сердечной мышцы значительно шире, чем только роль вэнергетическом метаболизме кардиомиоцитов в качестве основного поставщикаATP.
Митохондрии сердца имеют ключевое значение в регуляторных исигнальных процессах, являющихся ответом на физиологические стрессы, такиекак гипоксия и реоксигенация, нарушение баланса между прооксидантными иантиоксидантными процессами в клетках, действие различных гормонов ифармакологических препаратов. В связи с крайне важной ролью митохондрий вжизнедеятельности клеток, в последнее десятилетие огромное вниманиеуделяется исследованию т.н. митохондриальных болезней, которые включаютнарушения, тем или иным образом влияющие на митохондриальные функциии/иливызваныповреждениямимитохондриальнойДНК.Вслучаемитохондриальных болезней, клетки подвержены окислительному дисбалансу.Основноевоздействиеприэтомиспытываюторганысинтенсивнымокислительным метаболизмом и высокой энергетической потребностью: сердце,скелетные мышцы, почки и печень.Необратимые повреждения компонентов клеток миокарда, являющиеся, вконечном счете, причиной их гибели в результате апоптоза и/или некроза, впервую очередь, обусловлены избыточным образованием активных формкислорода и токсичных метаболитов оксида азота в условиях окислительногостресса.
Образование свободных радикалов кислорода в биологических системахпроисходит постоянно и является как прямым результатом функционированияспециальных ферментативных систем, так и следствием побочного процессамножества окислительно-восстановительных реакций. Значительный интерес вотношении короткоживущих свободных радикалов кислорода (время жизнисупероксида ~10-6 с, гидроксильного радикала ~10-9 с) обусловлен, прежде всего,их высокой химической активностью. Наличие неспаренного электрона на π*2рорбитали кислорода приводит к тому, что окисление практически любого3клеточного компонента (мембранных липидов, белков и нуклеиновых кислот)становится термодинамически выгодным процессом. В обычных условиях, когдаскорость образования активных форм кислорода и азота относительно невысока,антиоксидантные системы клетки в состоянии не допускать возникновенияокислительного стресса.
Однако, в условиях пониженного энергетическогометаболизма клеток миокарда, при существенном увеличении внутриклеточнойконцентрации кислорода, могут происходить значительные сдвиги в редокспотенциалахпереносчиков дыхательнойвозрастаниюскоростигенерациицепи, способствующие резкомумитохондриямисвободныхрадикаловкислорода. Применение ингибиторов электронного транспорта, обладающихспецифичностью по отношению к различным участкам дыхательной цепи,позволяет установить расположение центров, наиболее активно генерирующихсупероксидные радикалы, а также оценить относительный вклад каждого из этихцентров в суммарную величину скорости образования активных форм кислородав митохондриях.Хорошо известно, что активные формы кислорода и азота участвуют вразвитии патологических состояний сердечной мышцы, возникающих последлительной ишемии.
Ишемия характеризуется недостаточным снабжениемткани кислородом и необходимыми метаболитами и обусловлена нарушениями всистеме кровообращения. Вследствие энергетической недостаточности во времяишемии происходит активация анаэробного гликолиза, направленного на синтезATP, тем не менее, гликолиза оказывается недостаточно для обеспеченияпотребностейклетокмиокарда.Какрезультат,вклеткахвозникаютмножественные нарушения ионного гомеостаза, следствием которых являетсяневозможность нормального функционирования сердечной мышцы.
Следующаязадлительнойишемиейреоксигенациямиокардасопровождаетсязначительными тканевыми повреждениями и нарушениями сократительнойфункции – появлением аритмий и временной механической дисфункции. Этоявление, получившее название “кислородный парадокс”, обусловлено резкимувеличением образования активных форм кислорода при восстановлениинормального уровня внутриклеточного кислорода.4Адриамицин (доксорубицин) – антибиотик, являющийся одним изнаиболее часто применяемых лекарственных препаратов при химиотерапиизлокачественных опухолей человека.
В то же время хорошо известно, чтоадриамицин характеризуется рядом нежелательных побочных эффектов, впервую очередь, значительной кардиотоксичностью. Опубликовано множестворабот, авторами которых были предложены разнообразные молекулярныемеханизмы, объясняющие вызываемую адриамицином кардиотоксичность. Внастоящее время считается, что терапевтическое и кардиотоксическое действияадриамицинапредставляютсобоюединыймультифакторныйпроцесс,инициированный окислительным стрессом и приводящий в конечном счете капоптозу – процессу запрограммированной гибели клеток. Важным фактором,который может опосредовать токсическое действие адриамицина на клеткисердечной мышцы, является высокое сродство адриамицина к кардиолипину –анионномуфосфолипиду,специфичномудлявнутреннеймембранымитохондрий.
Кардиолипин важен не только для структуры и функциймитохондрий, но также для общего энергетического метаболизма и выживанияклетки. Связывание адриамицина с митохондриальной мембраной ведет кизменению ее свойств, при этом изменяется функционирование электронныхпереносчиков в мембране. Таким образом, накопление редокс активногоадриамицина в митохондриях сердца должно усиливать генерацию активныхформ кислорода и азота этими органеллами.В связи с тем, что митохондрии являются главным источником активныхформ кислорода в клетке, эти органеллы нуждаются в постоянной защите отповреждений,вызываемыхокислительнымстрессом.Такаязащитаобеспечивается ферментативными системами, а также различными низкомолекулярными антиоксидантами.
Наиболее важными среди антиоксидантовоказались коэнзим Q и витамин Е. Однако, их использование недостаточноэффективно. Одной из причин этого, возможно, является то, что только оченьмалые количества таких антиоксидантов могут проникнуть сквозь клеточныемембраны и достигнуть митохондрий. Поэтому решением этой проблемы былоизобретение антиоксидантов, избирательно накапливающихся в митохондриях.5Такие митохондриально-направленные антиоксиданты получили, присоединивтрифенилфосфоний–липофильныйкатионкубихинону(mitoQ)илиα-токоферолу (mitoVitE). Полученные антиоксиданты легко проходят черезбиологические мембраны и в несколько сот раз лучше накапливаются внутримитохондрий, обеспечивая эффективную защиту от окислительного стресса.Оказалось, что при незначительном увеличении дозы mitoQ он может вести себякак прооксидант, что ограничивает его применение в медицине.
Поэтому былипредприняты попытки создать другой возобновляющийся антиоксидант, необладающий подобным побочным действием. Этого удалось добиться, заменивубихинон на пластохинон (SkQ1). В одинаковых условиях для mitoQконцентрации, вызывающие анти- и прооксидантное действие, различалисьменьше, чем в два раза, а для SkQ1 это различие возросло до тридцати раз.Цель работыЦелью работы являлось выяснение закономерностей регуляции процессовобразования и гибели активных форм кислорода и азота в клетках сердечноймышцы и модельных системах в условиях, моделирующих окислительныйстресс и защитное действие антиоксидантных систем клетки.Задачи работыИсходя из поставленной цели, в диссертации решались следующие задачи:1.Изучение влияния длительности гипоксии и реоксигенации на генерациюактивных форм кислорода митохондриями сердца и функциональныехарактеристики дыхательной цепи митохондрий.2.Изучение воздействия адриамицина – противоопухолевого препараташирокого спектра действия – на генерацию супероксидных радикаловмитохондриями сердца.3.Выяснение взаимосвязи между генерацией активных форм кислородамитохондриями сердца и образованием и деструкцией динитрозильныхкомплексов железа.4.Определение спектральных и кинетических характеристик семихиноновмитохондриально-направленных антиоксидантов – производных убихинонаи пластохинона – и их аналогов.6Научная новизнаОсновными новыми результатами и положениями, которые составляютпредмет диссертации, являются:1.С помощью спектроскопии ЭПР спиновых ловушек впервые изученакинетика образования и гибели активных форм кислорода в изолированныхмитохондриях сердца в условиях небольшого парциального давлениякислорода в среде инкубации.2.Впервыепоказано,чтогипоксияипоследующаяреоксигенацияизолированных митохондрий сердца приводят к увеличению скоростигенерации супероксидных радикалов, однако, в отличие от митохондрий,выделенных после ишемии-реперфузии миокарда, эффект не зависит отдлительности периода гипоксии.3.Впервые продемонстрировано, что адриамицин – противоопухолевыйпрепарат широкого спектра действия – вызывает изменения в митохондрияхсердца, приводящие к значительному увеличению скорости генерациисупероксидныхрадикалов,обусловленномувзаимодействиемсмолекулярным кислородом электронных переносчиков комплекса III исвободнорадикальных интермедиатов редокс-цикла адриамицина.4.Впервые обнаружено, что динитрозильные комплексы железа могутявлятьсяперехватчикамиактивныхформкислородавсистемах,моделирующих окислительный стресс в клетках сердечной мышцы.5.Проведено исследование спектральных и кинетических характеристиксемихинонныхсвободныхрадикаловмитохондриально-направленныхантиоксидантов – производных убихинона и пластохинона – и их аналогов.Впервые показано, что анион-радикалы mitoQ, SkQ1, SkQ3 и их короткоцепочечные аналоги отличаются существенным образом распределениемплотности неспаренного электрона по атомам хиноидного кольца.6.Впервые установлено, что митохондриально-направленные антиоксидантыmitoQ и SkQ1 могут действовать также как прооксиданты и образовывать вмодельных системах супероксидные радикалы в процессе одноэлектронногоокисления молекулярным кислородом.7Научно-практическая ценность диссертацииПредставленные в диссертации экспериментальные данные могут бытьиспользованы для выяснения молекулярных механизмов процессов, влияющихна энергетический метаболизм сердечной мышцы в условиях ишемии миокарда,а также для разработки методов лечения заболеваний сердечно-сосудистойсистемы с помощью митохондриально-направленных антиоксидантов.Апробация работыОсновные результаты диссертационной работы были представлены на9всероссийскихимеждународныхконференциях,втомчисле,наМеждународной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых пофундаментальным наукам «Ломоносов 2004» (Москва, 2004), III съездебиофизиков России (Воронеж, 2004), 6th Workshop on EPR Applications inBiology and Medicine (Krakow, 2004), 4-ой национальной научно-практическойконференции с международным участием «Активные формы кислорода, оксидазота, антиоксиданты и здоровье человека» (Смоленск, 2005), II Евразийскомконгрессе по медицинской физике «Медицинская физика – 2005» (Москва,2005), Международной научной конференции «Молекулярные, мембранные иклеточные основы функционирования биосистем» (Минск, 2006), Научнойконференции МГУ «Ломоносовские чтения», секция физики (Москва, 2006), 5ойнациональнойнаучно-практическойконференциисмеждународнымучастием «Активные формы кислорода, оксид азота, антиоксиданты и здоровьечеловека» (Смоленск, 2007), VIIth International Workshop on EPR (ESR) inBiology and Medicine (Krakow, 2007).ПубликацииПо материалам диссертационной работы опубликовано 17 печатныхработ, в числе которых 4 статьи в реферируемых журналах.Структура и объём работыДиссертация состоит из введения, обзора литературы (глава 1),методической части (глава 2), описания собственных экспериментальныхрезультатов и их обсуждения (глава 3), заключения, выводов и списка8цитированной литературы.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
