Биофизические основы патологических процессов Свободные радикалы и болезни человека Ю.А. Владимиров, А.Н. Осипов 2024 На предыдущей лекции мы говорили о … Образование свободных радикалов при отрыве атома водорода Радикал может образоваться из молекулы при ее окислении, например, при отрыве атома водорода (т.е. электрона вместе с протоном) H H C O H H метанол H C O H H радикал метанола Образование свободных радикалов путем разрыва химической связи фотолиз H O H Вода (H2O) H O радиолиз + гидроксильный радикал (OH●) H атом водорода (H●) Не путайте фотолиз с диссоциацией диссоциация H O H Вода (H2O) H O - гидроксиланион (OH-) + H + ион водорода (H+) Образование свободных радикалов в результате восстановления +e¯ O O Кислород ¯ + H+ Супероксидный анионрадикал + H+ +e¯ H O O ( ¯ O O ) Супероксидный анион-радикал ( ) O O ( ) H O O Гидроперекисный радикал H O O H Пероксид водорода + H+ +e¯ O H Гидроксильный радикал Классификация свободных радикалов Вторичные Радиация Радикалы токсических веществ Природные Радикалы молекулхромофоров Третичные Радикалы воды и биомолекул Радикалы антиоксидантов Первичные Радикалы липидов Гидроксил Нитроксид Супероксид Семихиноны Свободные Радикалы Чужеродные Ксенобиотики Ультрафиолет, лазерное облучение Первичные радикалы: ( ¯ O O ) N O супероксидный анион-радикал оксид азота (нейтральный радикал) H O H O -е -Н O H гидрохинон O -е -Н O • Семихинонный радикал O хинон Вторичные радикалы: O H гидроксильный радикал R-С алкильный радикал R-O алкоксильный радикал R-OO перекисный радикал радикалы липидов Третичные радикалы: OH O HO OH O HO O + R + RH OH O Asc аскорбиновая кислота радикал аскорбиновой кислоты Фитильный остаток HO CH3 O H3C CH3 O O AscH CH3 O CH3 H CH3 H CH3 CH3 -токоферол + R радикал -токоферола CH3 •O CH3 O H3C CH3 CH3 H CH3 H CH3 CH3 Свободные радикалы: образование в биологических системах Факты, способствовавшие широкому исследованию свободных радикалов в биологических системах 1968 – Джон МакКорд и Ирвин Фридович открыли эритрокупреин (супероксиддисмутазу) - фермент, субстратом которого является свободный радикал. 1973 – Бернард Бабиор обнаружил, что нейтрофилы генерируют супероксидные радикалы. Обзорные статьи в базе MEDLINE по темe Radicals AND Human diseases за 1980-2000 г. Число статей в MEDLINE Число статей 91 100 80 83 81 60 86 44 40 17 20 0 1975 2 1980 1985 1990 Годы 1995 2000 Обзорные статьи в базе MEDLINE по темe Radicals AND *** за 2001-2010 гг Перевод *** Brain diease Cancer Aging Immune system Inflammation Heart disease Atherosclerosis Diabetes Lung disease Liver disease Kidney disease Eye disease Blood disease 120 100 94 84 84 83 67 44 36 29 15 11 5 Болезни мозга Рак Старение Иммунная система Воспаление Болезни сердца Атросклероз Диабет Болезни легких Болезни печени Болезни почек Глазные болезни Болезни крови 120 100 94 84 84 83 67 44 36 29 15 11 5 Активные формы кислорода (Reactive oxygen species) Электронная структура некоторых радикалов +e¯ O O Кислород ¯ + H+ Супероксидный анионрадикал H O O ( ¯ O O ) Супероксидный анион-радикал ( ) O O ( ) + H+ +e¯ H O O Гидроперекисный радикал H O O H Пероксид водорода + H+ +e¯ O H Гидроксильный радикал Активные формы кислорода при одноэлектронном восстановлении молекулы кислорода O2 +e- 1 O 2 H O 2 2 +2H +e- +e- + 2 3 OH- + OH H2O +H +e- + 4 Активные формы кислорода – это соединения (свободные радикалы и нерадикальные молекулы), связанные общим происхождением и превращениями Взаимосвязь активных форм кислорода NO ONOO+ +hn +e +e +e +e 1O O2 O2 H2O2 OH H2O 2 - - +2H+ - - +H+ + Cl- HOCl/OCl+Миелопероксидаза Какие частицы относят к активным формам кислорода? 1. ●O2─ супероксидный радикал 2. H2O2 пероксид водорода 3. ●OH гидроксильный радикал 4. 1O2 синглетный кислород 5. ClO─ гипохлорит 6. ONOO─ пероксинитрит 7. NO● оксид азота 8. Радикалы липидов: LO● (алкоксильный), LOO● (перекисный) Метаболизм супероксидного радикала и пероксида водорода NADPH – оксидаза: O2 + e¯ ·O2¯ Миелопероксидаза: H2O2 + Cl¯ H2O + ClO¯/HOCl Реакция Фентона: H2O2 + Fe2+ Fe3+ + HO¯ + ·OH Реакция c HOCl: HOCl + Fe2+ Fe3+ + Cl¯ + ·OH Супероксиддисмутаза (СОД): ·O2¯ + ·O2¯ + 2H+ O2 + H2O2 Глутатионпероксидаза: 2H2O2 + 2GSH 2H2O + O2 + GSSG Каталаза: 2H2O2 2H2O + O2 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. Активация фагоцита внешним стимулом а а—схематическое изображение клетки фагоцита; 1 — захват клеткой чужеродной частицы (фагоцитоз); 2 — активация клетки химическим веществом, например хематтрактантом; б 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. НАДФН-оксидаза Образование супероксида происходит при переносе двух электронов от НАДФН к кислороду. кислород NADPH e¯ НАДФН-оксидаза NADP+ OO OO OO¯ OO¯ e¯ H+ супероксид Эта реакция катализируется ферментным комплексом НАДФН - оксидазой, которая содержится в плазматической мембране фагоцитов, а также в мембранах внутриклеточных везикул фагосом. Образование активных форм кислорода в электрон-транспортной цепи митохондрий Электрохимический градиент протонов Межмембранное пространство Матрикс Образование супероксидных радикалов в митохондриях Дыхательные комплексы митохондрий при нормоксии NAD+ + H+ Матрикс NADH 4H+ 2H2O 2e¯ IV III I Q NADH-дегидрогеназа QH2 Цитохром c оксидаза Цитохром b-c1 II e¯ C(Fe+3) e¯ C(Fe+2) O2 Внутренняя мембрана митохондрий C(Fe+3) Межмембранное пространство Римскими цифрами обозначены дыхательные комплексы. Строчными буквами обозначены цитохромы. Комплекс II (сукцинат дегидрогеназа) на рисунке не показан. Образование супероксидных радикалов в митохондриях NAD+ + H+ NADH Дыхательные комплексы митохондрий при гипоксии 4H+ 2e¯ I Q QH2 IV III II e¯ C(Fe+3) C(Fe+3) e¯ C(Fe+2) O2 2H2O Образование супероксидных радикалов в митохондриях NAD+ + Дыхательные комплексы митохондрий при реоксигенации H+ NADH +О2 4H+ 2H2O 2e¯ I III II Q QH2 IV e¯ C(Fe+3) e¯ C(Fe+2) O2 О2НО2Н2О2ОН +О2 +О2 О2НО2Н2О2ОН О2НО2Н2О2ОН Факторы, способствующие образованию супероксида митохондриями 1. Гипоксия и последующая реоксигенация 2. Отравление дыхательной цепи (например цианидом) 3. Ингибирование цитохромоксидазы (например, нитроксидом) 4. Выход цитохрома c из митохондрий через мегапоры при апоптозе Реакции супероксидного радикала и оксида азота 5 OONO (пероксинитрит) .NO 1 Интоксикация Вазодилатация Cl¯ миелопероксидаза .OO¯ СОД ClO¯ Антимикробное O2 + H2O2 действие 2 3 каталаза 4 Детоксикация H2O2 6 пероксидазы Fe3+ 7 Fe2+ 8 LOOH LO . 9 HOOH HO. 10 HClO HO. Токсическое действие Реакции 1-4 протекают в нормальных условиях; реакции 5-10 – при патологии.
