авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

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

На правах рукописи

Губкина Светлана Александровна

Оксид азота и его физиологические комплексы в

системах, моделирующих карбонильный стресс и их

динамику в организме

Специальность 03.00.02 биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва 2009 1

Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова и в НИИ экспериментальной кардиологии ФГУ РКНПК Росмедтехнологий.

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

Научный консультант: кандидат биологических наук Шумаев Константин Борисович

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 диссертации состоится 19 марта 2009 г. в «17» часов на заседании диссертационного совета Д 501.002.11 при Московском государственном университете 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 факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан «» февраля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002. доктор физико-математических наук Хомутов Г.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования.

В настоящее время одной из актуальных задач в медицинской биофизике, физиологии и медицинской химии является изучение процессов в которых участвуют активные короткоживущие молекулы, являющиеся регуляторами на различных уровнях организации живых организмов. К таким соединениям, в первую очередь, относятся оксид азота (NO) и его производные. В последние годы появляется все больше данных о новых физиологических функциях оксида азота и его метаболитов. Кроме сигнальной роли NO, актуальной областью исследования являются реакции оксида азота с активными формами кислорода. Возникающие в этих реакциях активные соединения – пероксинитрит, диоксид азота, NO2Cl и др. являются важными компонентами иммунного ответа в организме человека и животных, а также участвуют в процессах апоптоза. С другой стороны, изменение концентрации оксида азота под действием различных свободных радикалов и других высокореакционных интермедиатов служит важнейшим фактором, влияющим на физиологическую активность NO, в том числе на сигнальную функцию этой молекулы. Кроме того, активные формы кислорода и азота участвуют в развитии патологий, связанных с окислительным стрессом:

атеросклероз, ишемическая болезнь сердца, нейродегенеративные заболевания, катаракта, рак, диабет. Однако, взаимодействия активных форм кислорода с такими производными NO как S-нитрозотиолы (RSNO) и динитрозильные комплексы железа остаются мало изученными. Существенно, что сам оксид азота и S-нитрозотиолы в различных модельных системах и в организме проявляют цитопротекторные и антиоксидантные свойства.

Предполагается, что редокс-активные ионы железа связываются в составе нитрозильных комплексов, при этом ингибируются реакции свободно радикального окисления биологических молекул. Известно также, что перекисное окисление липидов ингибируется благодаря взаимодействию NO с алкилпероксильными и алкоксильными радикалами и гемовыми группами некоторых белков.

В ходе ряда связанных с диабетом патологий окислительный стресс сочетается с карбонильным, возникающим в результате увеличения концентрации активных соединений, содержащих альдегидные и карбонильные группы. К этим соединениям относятся глиоксаль, метилглиоксаль, 3-гидроксиглюкозон, представляющие собой продукты окисления глюкозы и других сахаров. Активными карбонильными соединениями являются также малоновый диальдегид и 4-гидроксиноненаль, возникающие при перекисном окислении липидов. Выше перечисленные соединения модифицируют аминокислотные остатки белков и азотистые основания нуклеиновых кислот, меняя свойства этих важнейших биомолекул.

В литературе имеются противоречивые данные о влиянии карбонильного стресса на метаболизм оксида азота. Предполагают, что продукты взаимодействия активных карбонильных соединений с белками могут опосредованно влиять на активность NO-синтазы и в то же время непосредственно перехватывать NO. Тем не менее, механизм этих процессов остается не ясным. Известно, что в реакции метилглиоксаля с аминокислотами образуется супероксидный радикал. Поскольку супероксид чрезвычайно эффективно взаимодействует с оксидом азота, последний должен элиминироваться в ходе карбонильного стресса. В связи с этим, особый интерес представляет изучение взаимного влияния интермедиатов карбонильного стресса и физиологических метаболитов оксида азота (ДНКЖ и S-нитрозотиолов). Из выше сказанного следует, что эти физиологические производные оксида азота могут играть чрезвычайно важную роль, как в нормальных условиях существования живого организма, так и в ходе патологических процессов, сопровождающихся окислительным и карбонильным стрессом. Исследование механизмов процессов, происходящих с участием оксида азота, активных форм кислорода и карбонильных соединений, особо интересно, так как эти процессы являются пересечением ключевых регуляторных путей в клетках и тканях живого организма.

Цель и задачи исследования.

Целью работы являлось выяснение роли оксида азота и динитрозильных комплексов железа при карбонильном и окислительном стрессе, а также исследование распределения оксида азота и его метаболитов в тканях и органах животных.

Исходя из поставленной в диссертационной работе цели, решались следующие задачи:

1. Выяснить физико-химические механизмы антиоксидантного действия ДНКЖ в различных модельных системах.

2. Изучить закономерности взаимодействия кислорода и азота в условиях, моделирующих карбонильный стресс.

3. Выяснить механизмы образования новых типов ДНКЖ, связанных с продуктами взаимодействия метилглиоксаля со свободными аминокислотами.

4. Исследовать влияние ингаляционного введения NO и влияние инъекций препарата ДНКЖ на уровень оксида азота в тканях разных органов.

Научная новизна диссертации.

1. Методом спектроскопии ЭПР выяснены закономерности взаимодействия низкомолекулярных и белковых динитрозильных комплексов железа с активными формами кислорода.

2. Установлен молекулярный механизм неферментативного образования супероксида при взаимодействии L-лизина с активным карбонильным соединением - метилглиоксалем.

3. Впервые обнаружены новые типы динитрозильных комплексов железа, лигандами которых являются продукты реакций метилглиоксаля с аминокислотами.

4. Выявлены особенности взаимодействия новых типов ДНКЖ и тиол содержащих динитрозильных комплексов с компонентами крови.

5. Впервые изучено влияние различных методов введения оксида азота в организм экспериментальных животных на накопление в органах и тканях физиологических форм NO.

Научно-практическая значимость исследования.

Представленные в диссертации экспериментальные данные позволяют лучше понять роль оксида азота и его метаболитов в процессах модификации биомолекул активными формами кислорода и карбонильными соединениями и могут быть использованы для оптимизации применения препаратов доноров оксида азота (пролонгированные нитраты и другие) в условиях различных патологий, 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 момент находятся в печати.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: II Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии (Москва, 2005), IV и V международной научно-практической конференции с международным участием “Активные формы кислорода, оксид азота антиоксиданты и здоровье человека” (Смоленск. 2005, 2007), XIV, XV и XVI международной конференции и дискуссионном научном клубе “Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармокологии и экологии” (Ялта-Гурзуф, 2006, 2007 и 2008), международной научной конференции и 6-ом, 7-ом, 8-ом съезде Белоруссокого общественного объединения фотобиологов и биофизиков «Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем» (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 их обсуждения (главы 3 – 6), заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Объем работы составляет 111 страниц, включая 39 рисунков и графиков, 1 таблицу и список литературы из 135 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, кратко изложены научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Первая глава содержит литературный обзор, посвященный активным формам кислорода, оксиду азота и его производным, а также активным карбонильным соединениям. Кратко изложены основные физико-химические свойства этих активных форм, описаны их источники в организме. В разделах 1.3 и 1.4 дана систематизация биологических функций оксида азота, обусловленных как прямым его взаимодействием с биомолекулами, так и влиянием NO производных.

Описана взаимосвязь между окислительным нитрозильным и карбонильным стрессами. Значительное внимание в обзоре уделено физиологическим метаболитам оксида азота: S-нитрозотиолам и динитрозильным комплексам железа. В разделе 1.5 описывается их обнаружение в организме, метаболизм и функции в биологических системах. Заканчивает главу раздел 1.6 о применении различных доноров оксида азота в медицине, в этом разделе рассматриваются также преимущества и недостатки ингляции воздухом с повышенным содержанием NO, как метода лечения пациентов при легочной гипертензии и связанных с ней заболеваний. Целью обзора литературы было не только показать современное представление о разделе биофизики, посвященном свободным радикалам кислорода и азота, но и показать место данной работы в этом разделе, обосновать актуальность поставленных в ней задач.

Во второй главе представлены материалы и методы исследования. В разделе 2.1 перечислены препараты, используемые в работе, описывается их получение.

Раздел 2.2 посвящен регистрации спектров ЭПР и регистрации образования супероксидного радикала при моделировании карбонильного стресса. Спектры ЭПР регистрировали на спектрометре E-109Е фирмы Varian (США). Условия регистрации спектров ЭПР: СВЧ мощность 5 мВт, СВ частота 9,15 ГГц, амплитуда ВЧ модуляции 0,05 мТл для TIRON и СВЧ мощность 10 мВт, амплитуда ВЧ модуляции 0,4 мТл для ДНКЖ. Спектры феноксильного радикала пробукола регистрировали при СВЧ мощности 50 мВт. В экспериментах по моделированию карбонильного стресса генерирование супероксидного анион-радикала (О2•) регистрировали по восстановлению супероксидом нитросинего тетразолия (НСТ). Кинетику накопления продукта восстановления НСТ - формазана определяли по поглощению при 560 нм на спектрофотомере Hitachi- (Япония) при температуре 25о. Реакцию инициировали добавлением 10 мМ метилглиоксаля или 10 мМ МДА к среде, содержащей 100 мкМ нитросинего тетразолия и 10 мМ L-лизина в 100 мМ карбонатном буфере pH 9,5.

В разделе 2.3 описывается методика исследования уровня оксида азота в тканях органов крыс после ингаляции воздухом с повышенным содержанием NO и инъекции препарата динитрозильных комплексов железа с глутатионом.

Эксперименты проводились на крысах Wistar. Уровень оксида азота в тканях определяли с помощью спиновой ловушки, компоненты которой вводились животным путем инъекций: диэтилдитиокарбамат (DETC, 620 мг/кг в 1,0 мл физиологического раствора, внутрибрюшинно) и FeSO4•7H2O с цитратом Na (25 и 125 мг/кг, соответственно, в 1,0 мл физиологического раствора, подкожно в область левого плеча). По окончанию физиологической части эксперимента, животных забивали и экстрагировали органы. Изолированные органы промывали в физиологическом растворе, после чего их измельчали и помещали в пластиковые трубки диаметром 5,0 мм, замораживали и хранили в жидком азоте. Спектры ЭПР всех образцов регистрировали при температуре жидкого азота. Амплитуда модуляции магнитного поля составляла 0,2 мТл при частоте 100 кГц. Частота СВЧ поля составляла 9,32 ГГц, а её мощность во всех случаях устанавливалась на уровне 10 мВт. Раздел 2.4 посвящен описанию получения изолированных митохондрий и определению их функциональной активности. Митохондрии выделяли из сердец крыс. Животных усыпляли, используя 20% раствор уретана (1,8 мг/кг массы животного). Затем быстро извлекали сердце и помещали в охлажденную (4С) среду выделения. Состав среды выделения: 300 мM сахароза, 10 мM HEPES (N-2 гидроксиэтилпиперазин-N-2-этансульфоновая кислота), 0,5 мM EDTA (этилендиаминтетрауксусная кислота);

рН 7.4. Измельченную ткань переносили в гомогенизатор (стекло-тефлон), добавляли 25-30 мл среды выделения в соответствии с соотношением 1:8 и гомогенизировали 2-3 минуты до превращения суспензии в гомогенную. Осаждение митохондрий производили в два этапа на центрифуге К-24 (ГДР). Полученный осадок митохондрий суспензировали в 150 мл БСА. Далее помещали в маленькую пробирку и хранили во льду или замораживали при –20°С. Концентрация белка в митохондриальной суспензии, определенная по биуретовому методу, составляла 30-35 мг/мл.

В третьей и последующих главах представлены результаты исследований.

Третья глава посвящена изучению антиоксидантных свойств ДНКЖ в различных модельных системах. В качестве источника О2•- использовались митохондрии, в которых генерация супероксида индуцировалась антимицином А. Образование О2•- в этих условиях фиксировалось с помощью спиновой ловушки TIRON. На рис. показана деструкция глутатионовых ДНКЖ при их инкубации с митохондриями из сердечной мышцы крыс в присутствии сукцината, в качестве субстрата, и антимицина А. При добавлении в систему супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы скорость распада ДНКЖ значительно снижалась. Этот факт указывает на то, что деструкцию ДНКЖ О2•-, вызывает именно генерируемый дыхательной цепью митохондрий.

Рис. 1. Деструкция ДНКЖ при генерации Сигнал ЭПР, отн. ед.

О2•- митохондриями из сердца крысы. (1) – инкубационная среда + 0,2 мМ ДНКЖ + 1 мкг/мл антимицина А + 5 мМ сукцината;

(2) то же что и (1) + СОД (150 ед/мл) + каталаза (400 ед/мл).

Кроме супероксида в развитии 0 4 8 12 окислительного стресса в организме Время, мин человека и животных участвуют и другие соединения. Известно, что гемопротеиды стимулируют процессы перекисного окисления. В связи с этим, антиоксидантное действие ДНКЖ оценивалось по ингибированию образования в системе гемин/H2O2 феноксильного радикала пробукола. Последний является синтетическим антиоксидантом близким по структуре и механизму действия к -токоферолу. Из рис. 2 видно, что ДНКЖ как с глутатионовыми так и с цистеиновыми лигандами, в молярных соотношениях сравнимых с H2O2 и гемином, более чем на 70% ингибируют образование радикала пробукола. Динитрозильные комплексы с фосфатными лигандами несколько менее эффективны (~50% ингибирования). Из этого следует, что тиольные лиганды, как и NO, вносят вклад в снижение концентрации радикала пробукола. Представляется вероятным, что активные окислители, образующиеся при взаимодействии гемина с H2O2 (оксоферрилформа гемина или гидроксильный радикал), перехватываются и нейтрализуются динитрозильными комплексами.

Рис. 2. Влияние ДНКЖ с различными g = 2,0 0 лигандами на образование радикала пробукола. Реакционная смесь содержала:

изопропанол/K,Na-фосфатный буфер, 1, мМ пробукола и 0,25 мМ гемина.

1 спектр ЭПР феноксильного радикала пробукола, образовавшегося после добавления в реакционную среду 2 мМ Н2О2;

2 то же что и (1) + 0,5 мМ ДНКЖ, содержащих цистеин;

3 то же что и (1) + 0,5 мМ ДНКЖ, содержащих глутатион;

4 то же что и (1) + 0,5 мМ ДНКЖ с фосфат-анионом в качестве лиганда. 324 325 326 327 328 М а гн и т н о е п о л е, м Т л Приведенные выше модельные системы касались в первую очередь низкомолекулярных динитрозильных комплексов.

Но в литературе уже давно обсуждается вопрос о возможной роли и функциях S нитрозотиолов и динитрозильных комплексов, связанных с белками. Такая уникальная молекула, как гемоглобин способна связывать NO тремя разными способами. Оксид азота нитрозилирует гем (Fe2+-NO), может входить в состав S-нитрозогемоглобина (белковый S-нитрозотиол) и, наконец, по цистеиновым остаткам может формироваться ассоциированный с гемоглобином динитрозильный комплекс железа (Hb-ДНКЖ). Этот комплекс имеет характерный спектр ЭПР (рис. 3, спектр 1). Для понимания роли супероксида и роли таких интермедиатов окислительного стресса как органические гидропероксиды в метаболизме этого типа ДНКЖ, исследовалось взаимодействие гемоглобиновых ДНКЖ с O2•– и гидропероксидом трет-бутила. Как видно из рис. 3, при взаимодействии гемоглобинового ДНКЖ с гидропероксидом трет-бутила происходит зависимая от концентрации последнего деструкция Hb-ДНКЖ. При этом гидрофильный антиоксидант – аскорбат защищает эти комплексы.

Рис. 3. Деструкция гемоглобиновых ДНКЖ под действием гидропероксида трет-бутила;

(1) - Hb- ДНКЖ, получаемые при смешивании 0,3 мM фосфатных ДНКЖ с 20 мM Hb в 2 М Na фосфатном буфере (2,5 мин. инкубации);

(2) - (1) + 0,2 мM t-BOOH;

(3) - (1) + 0,4 мM t BOOH;

(4) - после t-BOOH добавлен аскорбат 8 мM. 310 315 320 325 Вероятнее всего деградация Hb-ДНКЖ происходит в результате образования оксофериллформы гемоглобина и перекисного радикала трет-бутила.

Четвертая глава посвящена изучению окислительной модификации белков и других биомолекул при карбонильном стрессе. В качестве модели была использована система взаимодействия L-лизина и метилглиоксаля. В результате такого взаимодействия в анаэробных условиях происходит образование свободнорадикальных интермедиатов, регистрирующихся методом ЭПР. Их спектр имеет многокомпонентную сверхтонкую структуру и, по литературным данным, является суперпозицией спектров анион-радикала метилглиоксаля (МГ•) и катион радикала диалкилимина. На рис. 4 представлены последовательности реакций, приводящие к образованию свободных радикалов при взаимодействии аминокислот с карбонильными соединениями. Видно, что диалкилимин представляет собой основание Шиффа (имин), возникающее в процессе взаимодействия карбонильных групп метилглиоксаля с двумя молекулами L-лизина. В реакции диалкилимина с ещё одной молекулой -кетоальдегида образуются, соответственно, катион-радикал основания Шиффа и семидион метилглиоксаля (МГ•).

метил глиоксаль лизин H3C H + продукты конечного 2 H 2 N C H(R)C O O- анион-радикал гликирования метил глиоксаля O O H3C H -.

O O H3C H H3C H.

+ -O O C(R)H C N N C H(R)C O O -O O C(R)H C N N C H(R)C O O катион-радикал д иалкилим ина диал килимин метил глиоксаля метилглиоксаля Рис. 4. Схема возможных реакций L-лизина с метилглиоксалем.

Важно отметить, что в условиях аэрации реакционной смеси нами зарегистрированы лишь следовые количества свободнорадикальных интермедиатов.

Замена газовой среды на азот после инкубации смеси метилглиоксаля с L-лизином в аэробных условиях приводит к значительному (почти на порядок) росту уровня свободных радикалов, предположительно диалкилимина и метилглиоксаля.

Существенно, что в этих условиях содержание свободнорадикальных интермедиатов возрастало при добавлении СОД к реакционной смеси. Вызываемый СОД эффект связан с тем, что этот фермент удаляет супероксидный радикал, генерируемый в исследуемой модельной системе. В работе показано, что О2• интенсивно генерируется при взаимодействии L-лизина с метилглиоксалем в карбонатном буфере рН 9,5.

Оценку образования супероксида проводили по накоплению формазана при восстановлении НСТ. Исходя из того, что СОД значительно (более чем в 4 раза) подавляла образование формазана в описанных условиях, можно утверждать, что большая часть НСТ восстанавливается под действием О2•. Снижение концентрации регистрируемых методом ЭПР свободных радикалов в аэрируемой реакционной среде, вероятно, не связано с ингибированием их образования. Представляется вероятным, что свободно-радикальные интермедиаты непосредственно реагируют с кислородом, в следствии чего образуются нерадикальные продукты и супероксид.

МГ•+ О2 МГ + О2• (1) Диалкилимин•+ + О2 Диалкилимин+2 (дикатион) + О2• (2) Таким образом, вероятно, что окислительная модификация белков и других локального генерирования О2• при биомолекул может быть следствием взаимодействии остатков L-лизина (и, по-видимому, других аминокислот) с кетоальдегидами. Этот феномен неферментативного генерирования супероксида может быть элементом автокаталитического усиления патофизиологического действия карбонильного стресса.

В пятой главе описывается образование новых типов ДНКЖ, связанных с продуктами реакции метилглиоксаля с цистеином и L-лизином. В присутствии избытка метилглиоксаля в реакционной среде, содержащей фосфатный буфер и цистеиновые ДНКЖ, исчезает характерный для этих комплексов спектр ЭПР с g фактором равным 2,03 (рис. 5, спектр a), но появляется сигнал фосфатных ДНКЖ и новый сигнал ЭПР с g фактором равным 2,018 (рис. 5, спектр b).

g = 2,0 1 g = 2,0 б a c д 3 2 6 31 8 320 322 3 24 318 320 322 М а гн и тн о е п о л е, м Т л М а гн и тн о е п о л е, м Т л Рис. 5. Спектры ЭПР различных типов ДНКЖ. (a) - 3,6 мМ цистеиновых ДНКЖ;

(b) - 100 мМ метилглиоксаля + 3,6 мМ цистеиновых ДНКЖ;

(c) - 50 мМ цистеина + 150 мМ метилглиоксаля, после 5 мин инкубации добавлены фосфатные ДНКЖ;

(d) – то же что и (b) + 1,5 мМ батофенантролина. Все реакционные смеси содержали 150 мМ Na-фосфатный буфер (рН 7,2). Спектры ЭПР регистрировались через 8 мин инкубации при постоянной продувке азотом.

Этот сигнал, имеющий хорошо разрешённую сверхтонкую структуру из семи компонент, возникает также при добавлении фосфатных ДНКЖ в реакционную среду, содержащую цистеин и метилглиоксаль (рис. 5, спектр с). Новый сигнал, как и спектры ЭПР исходных динитрозильных комплесов, исчезает в присутствии хелатора железа – батофенантролина (рис. 5, спектр d). Эти факты указывают на образование нового типа динитрозильных комплексов железа (ДНКЖ-цис/МГ). В то же время при взаимодействии с метилглиоксалем глутатионовых ДНКЖ снижается интенсивность сигнала ЭПР, характерного для комплексов с тиольными лигандами, но сигналы нового типа не возникают. Существенно, что при добавлении фосфатных ДНКЖ к реакционной среде, содержащей метилглиоксаль и N-ацетилцистеин, также не происходит образования нового типа ДНКЖ. Таким образом, модификация аминогруппы цистеина предотвращает образование входящих в состав ДНКЖ цис/МГ лигандов. Представляется вероятным, что такими лигандами могут быть основания Шиффа, образующиеся в реакции карбонильных групп метилглиоксаля с аминогруппой цистеина. Известно, что основания Шиффа могут участвовать в формировании комплексов металлов переменной валентности. Взаимодействие метилглиоксаля с тиольными лигандами ДНКЖ может быть затруднено, так как атомы серы в этих комплексах образуют координационные связи с ионом железа.

Тем не менее, эффективно модифицирующий SH-группы агент - N-этилмалеимид (NEM) предотвращает образование ДНКЖ-цис/МГ в реакционной смеси, содержащей метилглиоксаль и цистеиновые ДНКЖ (рис. 6, спектр 1). При этом, под действием NEM, цистеиновые ДНКЖ превращаются в фосфатные динитрозильные комплексы (рис. 6, спектры 1, 2).

Рис. 6. (1) - 1,8 мМ цистеиновых ДНКЖ + 24 мМ NEM + 48 мМ метилглиоксаля;

(2) - 1,8 мМ цистеиновых ДНКЖ + 24 мМ NEM;

(3) - 1,8 мМ цистеиновых ДНКЖ + 48 мМ метилглиоксаля, после 5 мин инкубации добавлены 24 мМ NEM;

(4) - 1,8 мМ глутатионовых ДНКЖ + 24 мМ NEM;

(5) - 1,8 мМ глутатионовых ДНКЖ + 48 мМ метилглиоксаля, после 5 мин инкубации добавлены 24 мМ NEM.

Все реакционные смеси содержали 100 мМ Na-фосфатном буфер (рН 7,2). Спектры ЭПР регистрировались через 8 мин инкубации при постоянной продувке азотом.

319 320 321 322 323 324 М а гн и т н о е п о л е, м Т л В то же время добавление NEM после инкубации цистеиновых ДНКЖ с метилглиоксалем не влияет на образование ДНКЖ-цис/МГ (рис. 6, спектр 3). Таким образом, ковалентная модификация тиольных групп N-этилмалеимидом разрушает цистеиновые ДНКЖ, но не новый тип динитрозильных комплексов железа. Эти факты свидетельствуют, что и образование гемитиоацеталя, в ходе реакции метилглиоксаля с SH-группой цистеина, необходимо для формирования ДНКЖ-цис/МГ. Следует отметить, что фосфатные ДНКЖ образуются и при взаимодействии NEM с глутатионовыми ДНКЖ, но их концентрация существенно меньше (приблизительно в 7 раз), чем в случае с цистеиновыми комплексами. Интересно, что образование фосфатных ДНКЖ в этих условиях не зависит от присутствия метилглиоксаля (рис. 6, спектры 4, 5). Исходя из этого, можно предположить, что сера глутатионовых лигандов ДНКЖ, в отличии от цистеиновых лигандов, менее доступна модификации NEM. На рис. 7 представлены спектры ЭПР цистеиновых ДНКЖ и ДНКЖ-цис/МГ, зарегистрированные при температуре жидкого азота. По литературным данным, форма низкотемпературного спектра ЭПР ДНКЖ-цис/МГ, характерна для комплексов, имеющих октаэдрическую пространственную структуру, в отличии от ромбической структуры, характерной для ДНКЖ с цистеиновыми и a глутатионовыми лигандами.

Рис. 7. Спектры ЭПР при температуре жидкого азота.

а - цистеиновые ДНКЖ;

б б - производных цистеиновых ДНКЖ с метилглиоксалем (ДНКЖ-цис/МГ).

Cигнал ЭПР с g фактором равным 2,018 также 320 324 328 332 336 возникает в реакционной смеси, содержащей лизин, Магнитное поле, мТл метилглиоксаль, фосфатные ДНКЖ или синтетические доноры оксида азота (DETA/NO, PAPA/NO) в сочетании с ионами Fe2+ (рис.

8). Видно, что спектр ЭПР динитрозильных комплексов железа (ДНКЖ-лиз/МГ), возникающих при взаимодействии метилглиоксаля с лизином, имеет менее разрешенную структуру. В то же время сигналы ЭПР ДНКЖ-лиз/МГ не регистрируются при замене лизина на N-ацетиллизин. Таким образом, аминогруппа лизина аналогично ДНКЖ цис/МГ необходима для образования входящего в состав ДНКЖ-лиз/МГ лиганда. Скорее всего, в координации ионов железа в этих комплексах участвует азот основания Шиффа и карбоксильная группа аминокислоты.

g = 2,0 1 Рис. 8. Спектры ЭПР ДНКЖ, зарегистрированные через 5 мин после добавления к смеси лизина с метилглиоксалем доноров оксида азота.

(1) - реакционная смесь + 0,5 мМ фосфатных ДНКЖ;

(2) - реакционная смесь + 7,5 мМ DETA/NO.

В последнем случае в реакционную смесь также добавляли 0,5 мМ FeSO4. Существенно, что в условиях 315 320 325 аэрации реакционной среды ДНКЖ- М а гн и тн о е п о л е, м Т л лиз/МГ быстро разрушается, при этом скорость деструкции этого комплекса уменьшается в присутствии СОД (рис. 9). Этот факт согласуется с полученными нами данными о интенсивной генерации супероксида в ходе взаимодействия аэрация лизина с метилглиоксалем.

1, 1, Сигнал ЭПР, отн.ед.

0, Рис. 9. Кинетика деструкции ДНКЖ лиз/МГ в условиях аэрации. 0, (1) - в присутствии СОД (600 ед./мл);

(2) - без добавок.

0, 0, 0, 2 4 6 8 10 12 Время, мин В шестой главе, в разделе 6.1 описано взаимодействие низкомолекулярных динитрозильных комплексов железа с компонентами крови животных. Предполагается, что одной из основных функций ДНКЖ в организме животных является транспорт оксида азота в кровеносной системе. В связи с этим, представляло несомненный интерес исследование взаимодействия низкомолекулярных ДНКЖ с компонентами крови. С этой целью цистеиновые ДНКЖ и их производные с метилглиоксалем добавлялись в образцы гепаринизированной крови, отобранные у экспериментальных животных. В контроле ДНКЖ добавлялись в физиологический раствор.

Рис. 10. Введение цистеиновых ДНКЖ в цельную кровь.

1 - ДНКЖ в физиологическом растворе 1 Модуляция 2 Гс (отношение железа к цистеину 1:20);

2 - крысиная кровь + ДНКЖ;

3 - плазма (кровь после добавления ДНКЖ инкубировали в течении 7 мин. и далее фракционировали);

4 - эритроцитарная масса (из крови, 2 4 Гс содержавшей ДНКЖ) ресуспензированая в физиологическом растворе.

3 4 Гс В цельной крови и плазме цистеиновые ДНКЖ (спектр 1) полностью переходят на 4 Гс белковые компоненты, при этом возникает 316 320 324 сигнал, характерный для белковых ДНКЖ с Магнитное поле, мТл аксиальной симметрией (спектры 2 и 3), в которых железо связано с двумя тиольными лигандами. Введение в образцы цельной крови ДНКЖ-цис/МГ, также приводит к образованию белковых ДНКЖ (рис. 11, спектр 2). Однако, эти ДНКЖ имеют ромбическую симметрию. Более низкая симметрия этих комплексов обусловлена тем, что железо в них координировано разными лигандами, вероятно, цистеином и гистидином. Известно, что такие сигналы характерны для ДНКЖ, связанных с альбумином.

Таким образом, более низкая симметрия белковых комплексов, возникающих в цельной крови и плазме, под действием ДНКЖ-цис/МГ, подтверждает, что в составе последних нет свободных тиольных групп. В то же время следует отметить что как цистеиновые ДНКЖ, так и ДНКЖ-цис/МГ не вызывают образования динитрозильных комплексов, связанных с эритроцитами.

Рис. 11. Введение ДНКЖ-цис/МГ в цельную кровь. ДНКЖ-цис/МГ получены М од ул яц и я 2 Гс при обработке метилглиоксалем цистеиновых ДНКЖ (1:20).

1 - ДНКЖ-цис/МГ в физиологическом растворе;

2 - крысиная кровь + ДНКЖ-цис/МГ;

2 4 Гс 3 - плазма (кровь после добавления ДНКЖ инкубировали в течении 7 мин. и далее фракционировали);

4 - эритроцитарная масса (из крови, 3 4 Гс содержавшей ДНКЖ) ресуспензированая в физиологическом растворе.

4 Гс В разделе 6.2 описано исследование 316 3 20 3 24 32 избирательного мониторинга уровня NO М а гн и тн о е п о л е, м Т л в тканях важнейших органов в контроле, и его изменение в результате 30-минутной ингаляции воздухом с повышенным содержанием NO. Работа проводилась методом ЭПР с применением в качестве спиновой ловушки NO липофильных комплексов ионов железа и диэтилдитиокарбамата (Fe3+-DETC3), способных формироваться и накапливаться в гидрофобных компонентах клеток органов. Известно, что такие комплексы способны эффективно взаимодействовать с низкомолекулярным NO с NO-Fe2+-DETC2.

образованием парамагнитных аддуктов Поэтому для регистрации уровня NO проводилось исследование образцов ткани органов животных с включённой в них спиновой ловушкой.

На рис. 12 представлены полученные при температуре жидкого азота характерные спектры ЭПР образцов ткани органов крыс из контрольной группы в области g=2,04. Из этого рисунка видно, что во всех спектрах регистрируется триплет из узких эквидистантных линий в области g=2,04 (компоненты e, f, j).

Этот триплетный сигнал отражает появление в образцах квазистабильных NO-Fe2+-DETC2, парамагнитных аддуктов образующихся в результате взаимодействия молекул ловушки и короткоживущего радикала оксида азота.

d a b c Рис. 12. Спектры ЭПР e f j образцов замороженной ткани органов крыс из контрольной группы. 1 – сердце, 2 – лёгкое, 3 – печень, 4 – почка, I 5 – скелетная мышца.

Температура – жидкий азот. 320 325 330 335 Для количественных оценок уровня NO в ткани исследуемых органов для всех образцов рассчитывали амплитуду высокопольной компоненты спектра ЭПР этого аддукта (I1, рис. 12), с нормировкой на массу ткани в активной зоне резонатора спектрометра. Значения таких параметров (N), усреднённые для всех животных из контрольной группы, представлены на рис. 13.

Максимальные значения параметра N получены для образцов ткани печени животного. Но нельзя исключить, что этот эффект связан с более высоким содержанием ловушки NO в ткани печени, по сравнению с другими органами, вследствии более эффективного переноса компонентов комплексов Fe3+-DETC2 из крови в печень. Рис. 13. Усреднённые значения параметра N (отношение амплитуды высокопольной компоненты спектра ЭПР NO-Fe2+-DETC2 N (контр.) к массе образца ткани в активной зоне резонатора спектрометра). 1 – сердце, 2 – лёгкое, 3 – печень, 4 – почка, 5 – скелетная мышца. Образцы ткани органов крыс, получавших ингаляцию воздухом с 1 2 3 4 высоким содержанием NO, исследовались по аналогичной методике. В результате ингаляции наибольшее увеличение содержания оксида азота регистрируется в сердце, лёгких и печени животного, а для почки и скелетной мышцы данный эффект практически отсутствует (рис. 14.). В целом можно сделать вывод, что в результате длительной ингаляции воздухом с повышенным содержанием оксида азота наблюдается существенное увеличение содержания NO в гидрофобных областях клеток органов малого круга кровообращения (сердце, лёгкое) и в печени.

КОНТРОЛЬ 100 ИНГАЛЯЦИЯ NO Рис. 14. Усреднённые значения параметра N (отношение амплитуды высокопольной компоненты спектра N, отн.ед.

ЭПР NO-Fe2+-DETC2 к массе образца ткани в активной зоне резонатора спектрометра), соответствующие органам животных из обеих экспериментальных групп. В разделе 6.3 описано СЕРДЦЕ ЛЁГКОЕ ПЕЧЕНЬ ПОЧКА МЫШЦА исследование изменения уровня NO в организме в результате внутривенного введения препарата ДНКЖ с лигандами глутатиона. На рис. 15 представлены характерные спектры ЭПР цельной крови животного непосредственно после инъекции препарата ДНКЖ (спектр 1), а также в конце опыта (спектр 2). Полученные в начале опыта сигналы соответствуют ДНКЖ, связанными с высокомолекулярными тиол-содержащими лигандами (альбумин, гемоглобин). К концу опыта регистрировались компоненты остаточного парамагнитного ДНКЖ. При этом положение и форма линий этого комплекса соответствовали сигналу, полученному в начале опыта, а его амплитуда была ниже, что отражает распад этих комплексов в крови и/или их выход из кровотока в ткань органов. Кроме этого, в спектре 2 (рис. 15) в области g=2,03 регистрируются три узкие эквидистантные линии, которые, как известно, принадлежат парамагнитному спиновому аддукту NO-Fe2+-DETC2, образующемуся в результате взаимодействия спиновой ловушки и радикала NO.

Вероятно, что после введения в организм спиновой ловушки, в липидных компонентах эритроцитов формируются комплексы Fe3+-DETC2, которые далее переходят в NO-Fe2+ DETC2, в результате взаимодействия с NO. Следовательно, в ходе эксперимента, после инъекции низкомолекулярного ДНКЖ в кровоток, происходит его переход на высокомолекулярные лиганды с последующим медленным распадом этих комплексов, в результате чего часть молекул ловушки переходит в форму парамагнитного аддукта NO.

Сигнал ЭПР Рис. 15. Спектры ЭПР цельной крови животного после введения ДНКЖ (1) и через 30 мин (2). a, b, c – компоненты спектра ЭПР NO-Fe2+- b ДЭТК2. c 310 315 320 325 Магнитное поле, мТл Значения этих соотношений, соответствующих всем органам, представлены на рис. 16.

Рис. 16. Влияние введения ДНКЖ N (ДНКЖ) / N (контр.) на уровень NO в ткани различных органов. 1-сердце;

2-лёгкое;

3-печень;

4-почка;

5-скелетная мышца.

Видно, что в результате введения ДНКЖ происходит 1 2 3 4 интенсивное увеличение уровня NO в тканях всех исследуемых органов, но наиболее сильно этот эффект выражен для сердца и печени животного. Меньший эффект наблюдался для почки, а для лёгкого и скелетной мышцы увеличение уровня NO, в результате введения ДНКЖ, было минимальным, по сравнению с другими органами.

В заключении подведены итоги и сформулированы выводы диссертационной работы.

ВЫВОДЫ 1. Показано, что тиол-содержащие динитрозильные комплексы железа проявляют антиоксидантные свойства в различных модельных системах, реагируя с супероксидом и органическими радикалами.

2. Показано, что при взаимодействии L-лизина с интермедиатом карбонильного стресса метилглиоксалем в условиях близких к физиологическим, происходит неферментативное образование органических свободных радикалов и супероксидного анион-радикала.

3. Установлено, что продукты взаимодействия L-цистеина и L-лизина c метилглиоксалем могут быть лигандами для новых типов динитрозильных комплексов железа.

4. Показано, что новый тип динитрозильных комплексов железа, лигандом которого являются модифицированный метилглиоксалем цистеин, при введении в кровь образует белковые динитрозильные комплексы с компонентами плазмы, но не с эритроцитами.

5. Установлено, что в результате длительной ингаляции воздухом с повышенным содержанием оксида азота наблюдается существенное увеличение содержания NO в гидрофобных зонах клеток органов малого круга кровообращения (сердце, легкое) и в печени.

6. Показано, что в результате введения глутатионовых динитрозильных комплексов железа происходит интенсивное увеличение уровня NO в ткани всех исследуемых органов, наиболее сильно этот эффект выражен для сердца и печени животного.

Результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Шумаев К.Б., Губкина С.А., Гудков Л.Л., Лакомкин В.Л., Топунов А.Ф., Ванин А.Ф., Рууге Э.К. Взаимодействие связанных с альбумином динитрозильных комплексов железа и активных форм кислорода // Биофизика 2007. Т. 52 (3). С. 534-538.

2. Гудков Л.Л., Шумаев К.Б., Каленикова Е.И., Губкина С.А., Ванин А.Ф., Рууге Э.К. Антиоксидантное и прооксидантное действие доноров и метаболитов оксида азота // Биофизика 2007. Т. 52 (3). С. 503-509.

3. Шумаев К.Б., Губкин А.А., Губкина С.А., Гудков Л.Л., Свиряева И.В., Тимошин А.А., Топунов А.Ф., Ванин А.Ф., Рууге Э.К. Взаимодействие динитрозильных комплексов железа с интермедиатами окислительного стресса // Биофизика 2006. Т. 51 (3). С. 472-477.

4. Шумаев К.Б., Космачевская О.В., Губкина С.А., Топунов А.Ф.

Модификация гемопротеидов метилглиоксалем. Влияние активных форм азота // Материалы XVI международной конференции и дискуссионного научного клуба «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии (Ялта-Гурзуф, 31 мая-9 июня 2008) С.

386-387.

5. Тимошин А.А., Дроботова Д.Ю., Губкина С.А., Цкитишвили О.В., Серебрякова Л.И., Лакомкин В.Л., Рууге Э.К., Ванин А.Ф. Исследование динитрозильных комплексов железа в организме млекопитающих методом ЭПР // Материалы XVI международной конференции и дискуссионного научного клуба «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии» (Ялта-Гурзуф, 31 мая-9 июня 2008) С.

384-386.

6. Шумаев К.Б., Гудков Л.Л., Губкина С.А., Кумскова Е.М., Рууге Э.К., Космачевская О.В., Топунов А.Ф., Ванин А.Ф. Роль метаболитов оксида азота в условиях моделирующих окислительный и карбонильный стресс // Международной научная конференция и 8-ой съезд Белоруссокого общественного обединения фотобиологов и биофизиков «Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем» (Минск, 25-27 июня 2008) Сборник статей. Т. 2. С. 164-166.

7. Тимошин А.А., Дроботова Д.Ю., Губкина С.А., Орлова Ц.Р., Цкитишвили О.В., Серебрякова Л.И., Рууге Э.К., Ванин А.Ф. Парамагнитные динитрозильные комплексы железа в организме млекопитающих // Международная научная конференция и 8-ой съезд Белорусского общественного объединения фотобиологов и биофизиков (Минск, 25- июня 2008). Сборник статей. Т. 2. С. 143-145.

8. Timoshin A.A., Dobrotova D.Yu., Gubkina S.A., Vanin A.F., Ruuge E.K. Effect of NO donors and acute regional cardiac ischemia on NO level in rat organs: an EPR study // VIIth International Workshop on EPR (ESR) in Biology and Medicine (Krakow, 3-6 October 2007). Abstracts. P. 76.

9. Шумаев К.Б., Губкина С.А., Гудков Л.Л., Топунов А.Ф., Ванин А.Ф., Рууге Э.К., Ланкин В.З. Возможные механизмы регенерацииоксида азота из продуктов его взаимодействия с активными формами кислорода // Материалы XV международной конференции «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии» (Ялта-Гурзуф, 31 мая-9 июня 2007). С. 403-405.

10. Губкина С.А., Шумаев К.Б., Рууге Э.К., Космачевская О.В., Ланкин В.З., Топунов А.Ф., Ванин А.Ф. Действие оксида азота на модификацию аминокислот метилглиоксалем // 5-я национальная научно-практическая конференция с международным участием «Активные формы кислорода, оксид азота, антиоксиданты и здоровье человека» (Смоленск, 18-22 сентября 2007). Сборник трудов. С. 22-23.

11. Тимошин А.А., Орлова Ц.Р., Губкина С.А., Ванин А.Ф., Рууге Э.К. Регистрация оксида азота в ткани органов после инъекции динитрозильных комплексов железа, а также ингаляции NO // 5-я национальная научно-практическая конференция с международным участием «Активные формы кислорода, оксид азота, антиоксиданты и здоровье человека» (Смоленск, 18-22 сентября 2007). Сборник трудов. С. 191-193.

12. Рууге Э.К., Свиряева И.В., Губкина С.А., Шумаев К.Б. Митохондрии сердца: ответ на патологический стресс // Научная конференция МГУ «Ломоносовские чтения», секция физики (Москва, 17-27 апреля 2006). С. 107-108.

13. Рууге Э.К., Шумаев К.Б., Губкин А.А., Губкина С.А., Гудков Л.Л., Свиряева И.В., Топунов А.Ф. Влияние ионов железа и железосодержащих белков на взаимодействие метаболитов оксида азота с активными формами кислорода // Международная научная конференция «Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем» (Минск, 21-23 июня 2006). Сборник статей.

Т. 2. С. 236-238.

14. Свиряева И.В., Рууге Э.К., Губкина С.А., Шумаев К.Б. Ответ митохондрий сердца на патологический стресс // Международная научная конференция «Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем» (Минск, 21- июня 2006). Сборник статей, Т. II. С. 239-241.

15. Шумаев К.Б., Губкина С.А., Губкин А.А., Гудков Л.Л., Ланкин В.З., Ванин А.Ф.

Антиоксидантные и прооксидантные свойства метаболитов оксида азота // Материалы XIV международной конференции «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии» (Ялта-Гурзуф, 31 мая - 9 июня 2006). С. 416-417.

16. Шумаев К.Б., Губкина С.А., Губкин А.А., Гудков Л.Л., Каленикова Е.И., Топунов А.Ф., Рууге Э.К. Антиоксидантная роль производных оксида азота, содержащих катион нитрозония // II Евразийский конгресс по медицинской физике «Медицинская физика – 2005» (Москва, 21-24 июня 2005). Сборник материалов. С. 304-305.

17. Шумаев К.Б., Ванин А.Ф., Топунов А.Ф., Губкина С.А., Губкин А.А., Гудков Л.Л., Каленикова Е.И., Городецкая Е.А., Ланкин В.З., Рууге Э.К.

Взаимодействие с активными формами кислорода как механизм антиоксидантного действия динитрозильных комплексов железа и S нитрозоглутатиона // 4-я национальная научно-практическая конференция с международным участием «Активные формы кислорода, оксид азота, антиоксиданты и здоровье человека» (Смоленск, 26-30 сентября 2005).

Сборник трудов. С. 114-115.

18. Рууге Э.К., Свиряева И.В., Губкина С.А., Шумаев К.Б. Митохондриальные болезни: современные концепции // 4-я национальная научно-практическая конференция с международным участием «Активные формы кислорода, оксид азота, антиоксиданты и здоровье человека» (Смоленск, 26- сентября 2005). Сборник трудов. С. 150-151.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.