WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Свиряева Ирина Владимировна СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ КИСЛОРОДА И АНТИОКСИДАНТЫ В МИТОХОНДРИЯХ СЕРДЦА И МОДЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ Специальность 03.00.02 – биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова и в НИИ экспериментальной кардиологии ФГУ «Российский кардиологический научнопроизводственный комплекс Федерального агентства по высокотехнологичной медицинской помощи»

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Рууге Энно Куставич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Петрусевич Юрий Михайлович доктор биологических наук, профессор Панасенко Олег Михайлович

Ведущая организация: Институт химической физики им. Н.Н.Семенова РАН

Защита состоится «17» апреля 2008 г. в 16:00 ч.

на заседании диссертационного совета Д 501.002.11 при Московском государственном 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 факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан «14» марта 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002.11 доктор физико-математических наук Г.Б. Хомутов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время можно считать доказанным, что вклад митохондрий в функции клеток сердечной мышцы значительно шире, чем только роль в энергетическом метаболизме кардиомиоцитов в качестве основного поставщика ATP. Митохондрии сердца имеют ключевое значение в регуляторных и сигнальных процессах, являющихся ответом на физиологические стрессы, такие как гипоксия и реоксигенация, нарушение баланса между прооксидантными и антиоксидантными процессами в клетках, действие различных гормонов и фармакологических препаратов. В связи с крайне важной ролью митохондрий в жизнедеятельности клеток, в последнее десятилетие огромное внимание уделяется исследованию т.н. митохондриальных болезней, которые включают нарушения, тем или иным образом влияющие на митохондриальные функции и/или вызваны повреждениями митохондриальной ДНК. В случае митохондриальных болезней, клетки подвержены окислительному дисбалансу.

Основное воздействие при этом испытывают органы с интенсивным окислительным метаболизмом и высокой энергетической потребностью: сердце, скелетные мышцы, почки и печень.

Необратимые повреждения компонентов клеток миокарда, являющиеся, в конечном счете, причиной их гибели в результате апоптоза и/или некроза, в первую очередь, обусловлены избыточным образованием активных форм кислорода и токсичных метаболитов оксида азота в условиях окислительного стресса. Образование свободных радикалов кислорода в биологических системах происходит постоянно и является как прямым результатом функционирования специальных ферментативных систем, так и следствием побочного процесса множества окислительно-восстановительных реакций. Значительный интерес в отношении короткоживущих свободных радикалов кислорода (время жизни супероксида ~10-6 с, гидроксильного радикала ~10-9 с) обусловлен, прежде всего, их высокой химической активностью. Наличие неспаренного электрона на *2рорбитали кислорода приводит к тому, что окисление практически любого клеточного компонента (мембранных липидов, белков и нуклеиновых кислот) становится термодинамически выгодным процессом. В обычных условиях, когда скорость образования активных форм кислорода и азота относительно невысока, антиоксидантные системы клетки в состоянии не допускать возникновения окислительного стресса. Однако, в условиях пониженного энергетического метаболизма клеток миокарда, при существенном увеличении внутриклеточной концентрации кислорода, могут происходить значительные сдвиги в редокспотенциалах переносчиков дыхательной цепи, способствующие резкому возрастанию скорости генерации митохондриями свободных радикалов кислорода. Применение ингибиторов электронного транспорта, обладающих специфичностью по отношению к различным участкам дыхательной цепи, позволяет установить расположение центров, наиболее активно генерирующих супероксидные радикалы, а также оценить относительный вклад каждого из этих центров в суммарную величину скорости образования активных форм кислорода в митохондриях.

Хорошо известно, что активные формы кислорода и азота участвуют в развитии патологических состояний сердечной мышцы, возникающих после длительной ишемии. Ишемия характеризуется недостаточным снабжением ткани кислородом и необходимыми метаболитами и обусловлена нарушениями в системе кровообращения. Вследствие энергетической недостаточности во время ишемии происходит активация анаэробного гликолиза, направленного на синтез ATP, тем не менее, гликолиза оказывается недостаточно для обеспечения потребностей клеток миокарда. Как результат, в клетках возникают множественные нарушения ионного гомеостаза, следствием которых является невозможность нормального функционирования сердечной мышцы. Следующая за длительной ишемией реоксигенация миокарда сопровождается значительными тканевыми повреждениями и нарушениями сократительной функции – появлением аритмий и временной механической дисфункции. Это явление, получившее название “кислородный парадокс”, обусловлено резким увеличением образования активных форм кислорода при восстановлении нормального уровня внутриклеточного кислорода.

Адриамицин (доксорубицин) – антибиотик, являющийся одним из наиболее часто применяемых лекарственных препаратов при химиотерапии злокачественных опухолей человека. В то же время хорошо известно, что адриамицин характеризуется рядом нежелательных побочных эффектов, в первую очередь, значительной кардиотоксичностью. Опубликовано множество работ, авторами которых были предложены разнообразные молекулярные механизмы, объясняющие вызываемую адриамицином кардиотоксичность. В настоящее время считается, что терапевтическое и кардиотоксическое действия адриамицина представляют собою единый мультифакторный процесс, инициированный окислительным стрессом и приводящий в конечном счете к апоптозу – процессу запрограммированной гибели клеток. Важным фактором, который может опосредовать токсическое действие адриамицина на клетки сердечной мышцы, является высокое сродство адриамицина к кардиолипину – анионному фосфолипиду, специфичному для внутренней мембраны митохондрий. Кардиолипин важен не только для структуры и функций митохондрий, но также для общего энергетического метаболизма и выживания клетки. Связывание адриамицина с митохондриальной мембраной ведет к изменению ее свойств, при этом изменяется функционирование электронных переносчиков в мембране. Таким образом, накопление редокс активного адриамицина в митохондриях сердца должно усиливать генерацию активных форм кислорода и азота этими органеллами.

В связи с тем, что митохондрии являются главным источником активных форм кислорода в клетке, эти органеллы нуждаются в постоянной защите от повреждений, вызываемых окислительным стрессом. Такая защита обеспечивается ферментативными системами, а также различными низкомолекулярными антиоксидантами. Наиболее важными среди антиоксидантов оказались коэнзим Q и витамин Е. Однако, их использование недостаточно эффективно. Одной из причин этого, возможно, является то, что только очень малые количества таких антиоксидантов могут проникнуть сквозь клеточные мембраны и достигнуть митохондрий. Поэтому решением этой проблемы было изобретение антиоксидантов, избирательно накапливающихся в митохондриях.

Такие митохондриально-направленные антиоксиданты получили, присоединив трифенилфосфоний – липофильный катион к убихинону (mitoQ) или -токоферолу (mitoVitE). Полученные антиоксиданты легко проходят через биологические мембраны и в несколько сот раз лучше накапливаются внутри митохондрий, обеспечивая эффективную защиту от окислительного стресса.

Оказалось, что при незначительном увеличении дозы mitoQ он может вести себя как прооксидант, что ограничивает его применение в медицине. Поэтому были предприняты попытки создать другой возобновляющийся антиоксидант, не обладающий подобным побочным действием. Этого удалось добиться, заменив убихинон на пластохинон (SkQ1). В одинаковых условиях для mitoQ концентрации, вызывающие анти- и прооксидантное действие, различались меньше, чем в два раза, а для SkQ1 это различие возросло до тридцати раз.

Цель работы Целью работы являлось выяснение закономерностей регуляции процессов образования и гибели активных форм кислорода и азота в клетках сердечной мышцы и модельных системах в условиях, моделирующих окислительный стресс и защитное действие антиоксидантных систем клетки.

Задачи работы Исходя из поставленной цели, в диссертации решались следующие задачи:

1. Изучение влияния длительности гипоксии и реоксигенации на генерацию активных форм кислорода митохондриями сердца и функциональные характеристики дыхательной цепи митохондрий.

2. Изучение воздействия адриамицина – противоопухолевого препарата широкого спектра действия – на генерацию супероксидных радикалов митохондриями сердца.

3. Выяснение взаимосвязи между генерацией активных форм кислорода митохондриями сердца и образованием и деструкцией динитрозильных комплексов железа.

4. Определение спектральных и кинетических характеристик семихинонов митохондриально-направленных антиоксидантов – производных убихинона и пластохинона – и их аналогов.

Научная новизна Основными новыми результатами и положениями, которые составляют предмет диссертации, являются:

1. С помощью спектроскопии ЭПР спиновых ловушек впервые изучена кинетика образования и гибели активных форм кислорода в изолированных митохондриях сердца в условиях небольшого парциального давления кислорода в среде инкубации.

2. Впервые показано, что гипоксия и последующая реоксигенация изолированных митохондрий сердца приводят к увеличению скорости генерации супероксидных радикалов, однако, в отличие от митохондрий, выделенных после ишемии-реперфузии миокарда, эффект не зависит от длительности периода гипоксии.

3. Впервые продемонстрировано, что адриамицин – противоопухолевый препарат широкого спектра действия – вызывает изменения в митохондриях сердца, приводящие к значительному увеличению скорости генерации супероксидных радикалов, обусловленному взаимодействием с молекулярным кислородом электронных переносчиков комплекса III и свободнорадикальных интермедиатов редокс-цикла адриамицина.

4. Впервые обнаружено, что динитрозильные комплексы железа могут являться перехватчиками активных форм кислорода в системах, моделирующих окислительный стресс в клетках сердечной мышцы.

5. Проведено исследование спектральных и кинетических характеристик семихинонных свободных радикалов митохондриально-направленных антиоксидантов – производных убихинона и пластохинона – и их аналогов.

Впервые показано, что анион-радикалы mitoQ, SkQ1, SkQ3 и их короткоцепочечные аналоги отличаются существенным образом распределением плотности неспаренного электрона по атомам хиноидного кольца.

6. Впервые установлено, что митохондриально-направленные антиоксиданты mitoQ и SkQ1 могут действовать также как прооксиданты и образовывать в модельных системах супероксидные радикалы в процессе одноэлектронного окисления молекулярным кислородом.

Научно-практическая ценность диссертации Представленные в диссертации экспериментальные данные могут быть использованы для выяснения молекулярных механизмов процессов, влияющих на энергетический метаболизм сердечной мышцы в условиях ишемии миокарда, а также для разработки методов лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы с помощью митохондриально-направленных антиоксидантов.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы были представлены на 9 всероссийских и международных конференциях, в том числе, на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов 2004» (Москва, 2004), III съезде биофизиков России (Воронеж, 2004), 6th Workshop on EPR Applications in Biology and Medicine (Krakow, 2004), 4-ой национальной научно-практической конференции с международным участием «Активные формы кислорода, оксид азота, антиоксиданты и здоровье человека» (Смоленск, 2005), II Евразийском конгрессе по медицинской физике «Медицинская физика – 2005» (Москва, 2005), Международной научной конференции «Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем» (Минск, 2006), Научной конференции МГУ «Ломоносовские чтения», секция физики (Москва, 2006), 5ой национальной научно-практической конференции с международным участием «Активные формы кислорода, оксид азота, антиоксиданты и здоровье человека» (Смоленск, 2007), VIIth International Workshop on EPR (ESR) in Biology and Medicine (Krakow, 2007).

Публикации По материалам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, в числе которых 4 статьи в реферируемых журналах.

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, обзора литературы (глава 1), методической части (глава 2), описания собственных экспериментальных результатов и их обсуждения (глава 3), заключения, выводов и списка цитированной литературы. Объем работы составляет 117 страниц, включая рисунка и библиографию из 163 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы.

Обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»