Состояние глутатионового звена антиоксидантной системы крови практически здоровых людей с лор-паталогиями, проживающих в различных районах города Красноярска

1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФОУ ВПО «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ БИОЛОГИИ И БИОТЕХНОЛОГИИ

Кафедра биохимии и физиологии человека и животных

А.В.Тимохина

Студентка V курса

СОСТОЯНИЕ ГЛУТАТИОНОВОГО ЗВЕНА АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ КРОВИ ПРАКТИЧЕСКИ ЗДОРОВЫХ ЛЮДЕЙ И ЛЮДЕЙ С ЛОР-ПАТОЛОГИЯМИ, ПРОЖИВАЮЩИХ В РАЗЛИЧНЫХ РАЙОНАХ ГОРОДА КРАСНОЯРСКА

(дипломная работа)

Допустить к защите: Зав.кафедрой, д.м.н., проф. А.А.Савченко ____________	Научный руководитель: к.б.н., доцент Т.Н. Субботина ___________

Красноярск 2008

СОДЕРЖАНИЕ

• Список сокращений 3
• Введение 4
• Глава 1. Обзор литературы 6
• 1.1. Уровень антропогенной нагрузки на здоровье населения в условиях промышленного города 6
• 1.2. Активные формы кислорода: свойства и механизмы образования 9
• 1.3. Характеристика антиоксидантной системы 15
• Глава 2. Материалы и методы 24
• 2.1. Объект исследования 24
• 2.2. Приготовление эритроцитов 25
• 2.3. Определение содержание гемоглобина 25

2.4. Определение количества восстановленного глутатиона…………………26

• 2.5. Определение активности глутатионпероксидазы 28
• 2.6. Определение активности глутатион-S-трансферазы 29
• 2.7. Определение активности глутатионпероксидазы 30
• 2.8. Статистическая обработка результатов 32
• Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение 33
• 3.1. Анализ содержания GSH и активности глутатионзависимых ферментов в эритроцитах крови практически здоровых людей и людей с ЛОР-заболеваниями 33
• 3.2. Анализ содержание GSH и активность глутатионзависимых ферментов в эритроцитах крови практически здоровых людей, проживающих в различных по уровню загрязнения районах г.Красноярска 37
• 3.3. Анализ содержание GSH и активность глутатионзависимых ферментов в эритроцитах крови здоровых мужчин и женщин 40
• 3.4. Содержание GSH и активность глутатионзависимых ферментов в эритроцитах крови практически здоровых людей различного возраста 41
• Выводы 44
• Список литературы 45
• Summary 52
• СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
• АФК - активные формы кислорода
• АОС - антиоксидантная система
• ДНК - дезоксинуклеиновая кислота
• КрАЗ - Красноярский Алюминиевый Завод
• ПОЛ - перекисное окисление липидов
• ПДК - предельно допустимая концентрация
• РНК - рибонуклеиновая кислота
• ТЭЦ - топливо-энергитический центр
• цАМФ - цикло-аденозинмонофосфат
• GSH - восстановленный глутатион
• GPO - глутатионпероксидаза
• GR - глутатионредуктаза
• GST - глутатион-S-трансфераза
• NADP - никотинамидадениндинуклеотидфосфат окисленный
• NADFH - никотинамидадениндинуклеотидфосфат восстановленный
• СРО - свободнорадикальное окисление
• NRF - ядерный респираторный фактор
• ВЕДЕНИЕ
• В последние десятилетия в связи с огромным развитием промышленности экология индустриальных городов значительно ухудшилась, это результат больших техногенных выбросов предприятий стоящих на территории городов или вблизи них [Иванова с соавт., 2001].
• По степени загрязнения атмосферы город Красноярск входит в число наиболее загрязненных городов Российской Федерации. На территории города располагаются крупные предприятия, которые являются основными поставщиками загрязняющих веществ в атмосферу города, к таким предприятиям относятся две ТЭЦ, алюминиевый, цементный, целлюлозно-бумажный, фармацевтический заводы [Симонова, 2002]. Только ОАО «Красноярский Алюминиевый завод» имеет объемы выбросов в атмосферу в размере 58,6 тыс. в год. Основными компонентами химического загрязнения окружающей среды от КрАЗа являются: фтористый водород, плохорастворимые неорганические фториды, оксиды алюминия, оксид углерода бенз(а)пирен, сернистый ангидрид [Игамбердиев, 2004]. Превышение ПДК наблюдается по фторидам газообразным - до 2,79 раз; по бенз(а)пирену - до 4,42 раз; по плохо растворимым фторидам - до 3,16 раз. При этом уровень загрязнения атмосферы жилой зоны города по фторидам газообразным составил 1,19-1,57 ПДК на 2003 год [Реброва, 2003]
• По данным ряда авторов фтор и его производные в умеренных дозах является необходимым элементом живых организмов, наибольшее его содержание отмечено в зубах и костях, низкие концентрации - повышают устойчивость зубов к кариесу, стимулируют кроветворение, репаративные процессы при переломах костей и реакции иммунитета, участвуют в росте скелета, избыточное поступление фтора в организм вызывает флюороз. При ингаляционном поступлении в организм газообразных соединений фтора и содержащих фтор аэрозолей возникают атрофические изменения слизистой оболочки верхних дыхательных путей и бронхов, возможно развитие ринита, фарингита, ларингита [Богданов, Гембицкий, 1975].
• Дыхательная система является входными воротами для попадания в организм поллютантов техногенного происхождения. Действия пылевых частиц на респираторные органы вызывает образование большого числа активных форм кислорода (АФК), и приводят к развитию окислительного стресса. Антиоксидантная система осуществляет защиту организма от пагубного действия прооксидантов и ограничивает развитие окислительного стресса [Ковальчук, 2004].
• ЦЕЛЬ: оценить состояние глутатионового звена антиоксидантной системы в эритроцитах крови практически здоровых людей и людей с ЛОР-заболеваниями, проживающих в различных по уровню загрязнённости районах города Красноярска.
• ЗАДАЧИ РАБОТЫ:
• 1. Изучить содержание GSH и активность GPO, GST и GR в эритроцитах крови практически здоровых людей и людей с хроническим ЛОР-заболеваниями.
• 2. Определить содержание GSH и активность GPO, GST и GR в эритроцитах крови практически здоровых людей проживающих в различных по уровню загрязнения районах г. Красноярска.
• 3. Провести сравнительный анализ содержания GSH и активности GPO, GST и GR в эритроцитах крови практически здоровых мужчин и женщин.

4. Выяснить содержание GSH и активность глутатионзависимых ферментов в эритроцитах крови практически здоровых людей различного возраста, проживающих в районах с разной техногенной нагрузкой г. Красноярска.

Работа выполнена на базе кафедры биохимии и физиологии человека и животных Института фундаментальной биологии и биотехнологии Сибирского федерального университета.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Уровень антропогенной нагрузки на здоровье населения в условиях промышленного города

Анализ исследований за последнее десятилетие показал, что атмосферный воздух загрязняется вследствие образования загрязняющих веществ в концентрациях, превышающих нормативы качества или уровня естественного содержания. Мощность антропогенного воздействия на атмосферу увеличивается с каждым годом. За последние 25 лет ее техногенная запыленность возросла на 70%. Ежегодно, в результате деятельности человека, в атмосферу выбрасываются миллионы тонн загрязняющих веществ: диоксиды серы, оксидов азота, углерода, хлорфторуглероды (фреоны), которые отрицательно действуют на физико-химические свойства атмосферы и на здоровье людей [Пинигин, 1991; Новиков,1999].

Наиболее активными поставщиками поллютантов - веществ, загрязняющих атмосферу, являются автомобили, коксохимические, цементные, нефтеперерабатывающие, сталеплавительные, целлюлозобумажные, металлургические заводы, ТЭЦ, то есть отрасли, без процветания которых современный человек не мыслит своего существования [Онищенко, 2003].

Практически каждый поллютант является высокотоксичным веществом, постепенно разрушающим здоровье человека. Так, например, при сгорании угля и мазута выделяется двуокись серы, она вызывает легочные и аллергические заболевания, окись углерода, образующаяся при сгорании всех видов топлива, поражает сердечно-сосудистую систему, углеводороды, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей, канцерогены, пылевидные отходы (цементный завод выбрасывает около 15 тонн пыли в сутки) провоцирует развитие бронхиальной астмы, заболеваний легких [Савин, 2001].

Как известно, человек подвержен экологическому влиянию не только в широком смысле понимания этого термина как окружающей человека среды, но и непосредственно во время его производственно - профессиональной деятельности. Трудовая деятельность человека не только ухудшает качество среды, но и обеспечивает условия труда, которые, являясь существенным фактором части окружающей среды (производственной среды), зачастую оказывают негативное влияние на работающего человека [Haglof, 2003]. Абсолютные величины предельно допустимых концентраций (ПДК) одних и тех же веществ в воздухе рабочей зоны от нескольких десятков до нескольких тысяч раз выше среднесуточных ПДК для атмосферы [Кучма, 2002]. Поэтому суммарная нагрузка вредными веществами на рабочего во столько же выше по сравнению с нагрузкой на население в целом. Наиболее распространенным профессиональным заболеванием рабочих алюминиевого производства является хроническая фтористая интоксикация - профессиональный флюороз, который составляет 70 % всех профессиональных заболеваний в данной области [Коцнельсон с соавт., 2000]. Обязательным проявлением профессионального флюороза является не только остеосклероз, но и дегенеративно-дистрофические изменения опорно-двигательного аппарата по существу возрастного характера, что развиваются они намного раньше и носят не только двухсторонний, но и симметричный характер. Явно опережающей хронологические сроки наступление кардинального признака старения (вероятности смерти по мере взросления) является и демографическая ситуация. Так продолжительность жизни рабочих алюминиевого завода составляет около 44 лет. Сроки развития профессионально флюороза зависят в большей степени от возраста начала работы в контакте с фтористыми соединениями и мышечных нагрузок [Гичев, 2002].

Изучение закономерностей формирования здоровья населения, проживающего в зоне влияния выбросов алюминиевых производств, остается актуальной гигиенической задачей. Как известно, основными вредными факторами алюминиевого производства является фтор, его соли и фтористый водород. По данным ряда авторов уровень загрязнения атмосферного воздуха фтористыми соединениями в зоне влияния выбросов алюминиевого завода превышает ПДК в 1,6-2,1 раза. Фтористые соединения так же обнаруживаются в воде и почве и превышают контрольные в 5 раз [Иванова с соавт., 2001]. Токсичные соединения фтора в значительном количестве поступают через дыхательные пути, с продуктами питания, питьевой водой. Имеется ряд исследований о влиянии фтористых соединений на состояние перекисного окисления липидов мембран клеток и антиоксидантной защиты [Cavalca, et al., 2001]. Длительное воздействие на организм токсичных соединений фтора, фтористоводородной кислоты приводит к формированию выраженных функционально-структурных нарушений, к угнетению биоэнергетического обмена в эритроцитах, белково-образовательной функции печени, усилению пролиферативно-клеточной реакции. Высокая реакционность фтора делает возможным его проникновение через защитные барьеры организма, нарушая целостность мембран, усиливая процессы липопероксидации. Результаты ряда исследований свидетельствую о том, что фтор и его соединения вызывают системное поражение организма, которое проявляется рядом специфических заболеваний [Кацнельсон с соавт., 2000].

В литературе приводятся данные, что для интоксикации фтором характерно разнообразное воздействие на обменные процессы. Этот элемент обладает высоким сродством к некоторым элементам, например, кальцию и магнию, с которыми он комплексуется в клетке [Мамырев, Богатова, 2002]. Фтор способен выступать в качестве регулятора ферментативной активности в клетке. Он обладает ингибирующим действием на металлопротеины. Это, по-видимому, обусловлено тем, что он представляет собой один из наиболее “жестких” лигандов, то есть, способен образовывать прочные комплексы с ионами “жестких” металлов, к которым относятся почти все металлы в биологических системах [Генкин, Глотов, Ждахина, 1983]. В силу этого обстоятельства при увеличении концентрации фтор способен “вклиниваться” в структуру биокоординационных соединений и замешать некоторые ионы-лиганды (например, гидроксил-ионы), в результате чего изменяется конформация соединения, что и приводит к “ухудшению” взаимодействия фермента с субстратом, то есть к ингибированию ферментативной активности [Ройт,1991]. Наибольшей прочностью отличается соединение фтора с ионами магния, в силу чего большинство Мg²⁺-зависимых ферментных систем по своей чувствительности к ингибирующему воздействию фтора в несколько раз превосходят ферменты, активируемые другими ионами, например Мn²⁺.Существуют данные о влиянии фтора на активность некоторых энзимов, например липаз, через их лабильный компонент - кофермент [Разумов, 1997]. Из литературных источников известно, что фтор способен оказывать ингибирующее влияние на ферменты цикла трикарбоновых кислот и цепи переноса электронов: НАДН- зависимые дегидрогеназы, цитохромоксидазу, сукцинатдегидрогеназу, -кетоглутаратдеги-дрогеназу. Наибольшей чувствительностью из них к фтору обладает сукцинатдегидрогеназа [Abiaka, 2000].

1.2. Активные формы кислорода: свойства и механизмы образования

Обязательным атрибутом нормальной аэробной жизни является генерация АФК - прооксидантов. Функционирование и развитие клеток не могло быть возможным без существования защитных систем, к которым относиться специализированные ферментативные и неферментативные актиоксиданты [Меньщикова c соавт, 2006]. Постоянное образование прооксидантов уравновешенно их дезактивацией антиоксидантами, поэтому для поддержания гомеостаза необходимо непрерывная генерация антиоксидантной способности. Отсутствие или сбой этой непрерывности приводят к развитию окислительного стресса, к возникновению и накоплении окислительных повреждений, что сопровождает ряд физиологических процессов - таких как воспаление, реперфузионное поражение тканей, бронхо-легочное заболевание, старение и др.

В живых организмах существует два разных источника АФК: радикальные окислительные реакции и металопротеиновые ферментативные системы. В обоих случаях молекулярный кислород выступает акцептором электронов. Наличие у молекулярного кислорода двух неспаренных электронов существенно ограничивает его реакционную способность. В процессе эволюции у живых организмов выработались специальные ферментативные системы, которые восстанавливают молекулярный кислород, перенося на него один, два или четыре электрона. Главные ферменты, которые осуществляют метаболизм кислорода в организме млекопитающих - оксидазы и оксигеназы. В активных центрах этих ферментов кислород превращается в этих продуктах и не выходит в окружающую среду, но при этом они не подвергают опасности органические молекулы, а опасными являются активные формы кислорода, которые образуются как побочные вещества в ходе этих превращений [Меньщикова c соавт, 2006].

Главные АФК: супероксидный радикал , перекись водорода , гидроксильный радикал , синглетный кислород , гипогалоиды алкоксильный радикал и перекисный радикал ^.

Характеристика основных форм АФК

Супероксидный радикал. Присоединение одного электрона к молекуле кислорода в основном состоянии приводит к образованию супероксидного анион радикала (), который при взаимодействии с протоном переходит в гидроперекисный радикал () [Бурлакова с соавт., 1992]. В живых системах супероксидный анион является промежуточным продуктом многих биохимических реакций - окисление тиолов, флавинов, хинонов, катехоламинов, птеринов, ксонобиотиков. Но основные источники его образование - ферментативные системы: NADFH-оксидаза фагоцитирующих клеток, ксантиноксидаза, митохондриальная цитохром-с-оксидаза и микросомальные монооксигеназы. При активации фагоцитов в очаге воспаления генерация служит пусковым звеном целого каскада реакций, приводящих к образованию других форм АФК. Для регуляции уровня в клетках служит высокоспецифичный фермент - антиоксидант супероксиддисмутаза, которая существенно ускоряет реакции дисмутации до перекиси водорода [Зенков, Меньщикова, 2004].

Перекись водорода. Присоединение двух электронов к молекуле кислорода или одного электрона к аниону сопровождается образованием двухзарядного аниона , который в свободном состоянии не существует, присоединяя протоны он переходит в гидроперекисный анион [Brune, Messmer, 1995]. Перекись водорода - слабый окислитель, в отсутствии каталазы и ионов металлов переменной валетности она относительно стабильна и может мигрировать в клетке и ткани. В живых организмах источниками служат ферментативные реакции с оксидазами, реакция дисмутации, катализируемая SOD [Зенков, Меньщикова, 2004].

Клетки млекопитащих достаточно устойчивы к воздействию , благодаря наличию глутатионпероксидазной и каталазной ферментативных систем, первая из которых эффективно работает при малых концентрациях перекиси, вторая - при высоких.

Гипогалоиды. Образуются главным образом в результате ферментативной реакции перекиси водорода с галидами, катализируемой миелопероксидазой, пероксидазой эозинофилов, которые различаются по структуре и субстратной специфичности. Основным продуктом миелопероксидазы является , пероксидаза эозинофилов катализирует образование и. Гипогалоиды инактивируют -антитрипсин, переводят коллагеназу в активную форму Б, окисляют лейкотриены, иммуноглобулины, альбумин, церулоплазмин, трансферрин. Вызывают структурную модификацию и инактивацию ,-SOD могут как индуцировать, так и ингибировать процессы ПОЛ.

Гидроксильный радикал является наиболее реакционноспособным АФК, образующимся в биологических системах, он может разрывать любую углеродную связь [Андреев, 1999]. Образование ОН-радикала показано в реакциях окисления арахидоновой кислоты, в реакции Габера-Вейса, при микросамальном окислении, в реакциях с флавиновыми ферментами и убихиноном, но основным источником OH-радикалов в биологических системах служит реакция Фентона с участием металлов переменной валентности, главным образом :

Обратное восстановление возможно в реакции с :

а также при взаимодействии с аскорбиновой кислотой, глутатионом, цистеином и другими окисляющимися соединениями [Зенков, Меньщикова, 2004].

Синглетный кислород. В кислороде внутримолекулярно происходит перестройка электронов и возникает более высокий энергетический уровень [Владимиров, 1998]. Источником синглетного кислорода являются реакции фотосенсибилизированного окисления биологических субстратов, при не фотохимических реакциях не ферментативная дисмутация супероксидных радикалов, протекающие с образованием перекиси водорода. обладает высокой химической активностью, особенно по отношению к молекулам, содержащим участки повышенной электронной плотности.

Алкоксильные и перекисные радикалы. При развитии радикальных окислительных процессов взаимодействие органических радикалов молекулярным кислородом приводят к образованию перекисных радикалов, которые с алкоксильными радикалами могут образовываться в реакциях разложения перекиси в присутствии ионов металлов переменной валентности. По физико-химическим свойствам алкоксильные и перекисные радикалы это очень гетерогенный класс соединений, включающий высокореакционный OH-радикал и мало активные радикалы фенольных антиоксидантов. Взаимодействие и с углеводородами, приводящие к образованию и - это наиболее медленная стадия развития радикальных окислительных процессов [Владимиров, 1998].

Биологический эффект и реализуется через повреждающее действие на белки, ферменты, нуклеиновые кислоты, через продукты ПОЛ - органические перекиси, альдегиды, кетоны, эпоксиды, которые высокотоксичны для клеток. Ингибиторы - аскорбиновая кислота, мочевая кислота, убихинон, селен, -токоферол [Андреев, 1999].

Все формы АФК обладают высокой цитотоксичностью для клеток и клеточных образований. Можно выделить четыре мишени окислительной цитотоксической атаки АФК: индукция процессов ПОЛ в биологических мембранах, повреждение мембрансвязанных белков, инактивация ферментов и повреждение ДНК клеток.

Аминокислоты, из которых состоят белки, подвержены окислительному действию АФК, что приводит к трем вариантам изменения физико-химических свойств белков: фрагментации, агрегации и повышению чувствительности к протеолизу. В первую очередь воздействию кислородных радикалов подвергаются остатки пролина гистидина и аргинина. Окислительное повреждение приводит к денатурации и агрегации белков (хрусталика глаза). Агрегация белков связана со способностью АФК образовывать межмолекулярные сшивки. В результате денатурации белков нарушается их конформация, и они становятся более уязвимыми к действию протеолитических ферментов [Зенков, Меньщикова, 2004].

Окислению АФК в первую очередь подвергаются SН-содержащие группы белков; их окисление приводит к снижению содержания восстановленных и повышению уровня окисленных SН-групп, поэтому соотношение окисленных и восстановленных SН-групп белков может быть использовано в качестве показателя развития окислительного стресса. Наиболее подвержена окислительному стрессу Са²⁺-АТФаза, ее повреждение приводит к нарушению транспорта кальция через мембрану [Владимиров, 1999].

Карбонильные группы и гидроперекиси, образующиеся при окислении белков, также является показателем свободнорадикального окисления.

Окисление липидных молекул приводит к необратимому изменению мембранных структур, нарушению их проницаемостью для ионов. Наиболее подвержены перекисному окислению входящие в состав мембран ненасыщенные жирные кислоты: линолевая, арахидоновая, докозагексаеновая [Козлов, 2006]. Одним из важнейших следствий избыточного образования АФК является избыточная и неконтролируемая в этих условиях активация процессов ПОЛ. Процессы ПОЛ можно условно подразделить на три последовательных этапа, или фазы развития: процессы зарождения цепей, процессы развития цепных реакций и обрыв цепей. На стадии зарождения цепей под действием свободных радикалов кислорода, ионизирующей радиации, ультрафиолетового облучения и ряда химических веществ, относящихся к прооксидантам, происходит образование органических радикалов (R).

На следующей стадии радикал быстро взаимодействует с кислородом, который выступает в качестве акцептора электронов. В результате происходит образование пероксирадикала (RО₂), который атакует ненасыщенные липиды. Возникновение в результате этой реакции органических перекисей и нового радикала (R) способствует продолжению окислительных реакций, приобретающих цепной характер:

R + О₂ RО₂

Органические перекиси (RООН) включаются в процесс генерации радикалов, в присутствии металлов переменной валентности (меди, кобальта, марганца, железа) происходит образование реакционного алкоксильного радикала:

Часть образующихся органических радикалов взаимодействует друг с другом, при этом происходит образование неактивных молекул, что обрывает ход реакций свободнорадикального окисления. Гидроперекиси липидов способны подвергаться нерадикальным окислительным превращениям, что приводит к образованию первичных (диеновые коньюгаты, диальдегиды), промежуточных (основания Шиффа) и конечных продуктов ПОЛ, а также спиртов, кетонов и альдегидов. Обрыв цепных реакций перекисного окисления возможен при взаимодействии радикалов со специализированными ферментными системами, а также с рядом низкомолекулярных веществ, совокупно формирующих биохимический компонент антиоксидантной системы организма [Меньщикова с соавт., 2006].

Одним из конечных продуктов ПОЛ является насыщенные низкомолекулярные углеводороды (этан, гексан, пентан), которые в нормальных условиях переходят в газообразное состояние.

Идентифицировано более 20 типов окислительных повреждений молекул нуклеиновых кислот: различные повреждение оснований, возникновение одно- и двух цепочечных разрывов, сшивок и хромосомных аберраций. Прямое действие и на ДНК не вызывает повреждения оснований или образования сшивок между основаниями. Основным повреждающим агентом выступает OH-радикал, который эффективно взаимодействует с дезоксирибозой, пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. Синглетный кислород более специфично, чем , взаимодействует с гуанином. Перексинитрит вызывает нитрозилирование и дезаминирование аминогрупп в основаниях ДНК, при этом 8-нитрогуанин является индикатором повреждающего действия пероксинитрита. В условиях окислительного стресса в наибольшей степени повреждается ДНК митохондрий, что связано с низкой активностью систем репарации и низким содержание гистоновых белков, оказывающие защитное действие [Зенков, Менщикова, Шергин, 1993].

1.3. Характеристика антиоксидантной системы

В процессе эволюции в клетках для защиты от АФК выработались специализированные системы: ферментативная антиоксидантная система (АОС) и неферментативная АОС. В качестве неферментативной АОС могут выступать: жирорастворимые антиоксиданты (витамин Е, в-каротин, убихиноны) [Абрамова, 2004], водорастворимые (аскорбат, рутин, глутатион). Гидрофобные антиоксиданты локализованы в биомембраннах, гидрофильные - в цитозоле клетки.

Ферментативная АОС включает: супероксиддисмутазу (SОD), катализирующую реакцию дисмутации О₂? в Н₂О₂, каталазу (CАТ), разлагающей Н₂О₂, глутатионпероксидазу (GPO), глутатион-S- трансферазу (GSТ), глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу (G6FD), глутатионредуктазу (GR), глутатионзависимые ферменты удаляют органические перекиси [Брискин, Рыбаков 2000].

Супероксиддисмутаза имеет несколько изоферментных форм, различающихся строением активного центра. Медь-цинковая форма чувствительна к цианиду и содержится в цитозоле и межмембранном пространстве митохондрий клеток эукариот, марганецсодержащая форма локализована в митохондриях клеток эукариот, а так же бактерий, экстрацеллюлярная высокомолекулярная форма SOD (Э-SOD) [Биленко,1999]. Э-SOD обладает высоким сродством к гепарину и хорошо связывается с гепаринсульфатом гликокаликса эндотелиоцитов. Нативная форма SOD выдерживает нагревание при 100^єС в течение одной минуты, устойчив к колебаниям значений pН в широком диапазоне. SOD существенно ускоряет реакцию дисмутации О₂?, обрывая тем самым опасную цепь свободнорадикальных превращений кислорода:

О₂? + О₂? > H₂O₂ + O₂

HO + HO^. > H₂O₂ + O₂

HO^.₂ + Н⁺ > H₂O₂ + O₂

В определенных условиях медьсодержащая форма SOD может взаимодействовать с перекисью водорода и выступать в качестве прооксиданта, инициируя образование радикалов - супероксида и гидроксила:

Cu²⁺-СОД + H₂O₂ <> Cu⁺-СОД + 2Н⁺ + О₂?

Cu⁺-СОД + H₂O₂ <> Cu²⁺-СОД + ОН^. + ОН⁺

СОД играет важную роль в защите клеток от действия супероксид-анион радикала, стабилизирует клеточные мембраны, предотвращая процессы ПОЛ, снижая уровень О₂?, она защищает от его дезактивирующего действия CAT и GPO [Александров,2007].

Регулирующее влияние на активность SOD оказывают глутатион, цистеин, другие SH-содержащие соединения, а также опосредованно ферменты глутатионового обмена [Зенков, Меньщикова, 2004].

Каталаза - фермент, участвующий в детоксикации нерадикальной активной формы кислорода - Н₂О₂. Эта гемсодержащий фермент, локализованный преимущественно в пероксисомах клеток. Большая молекулярная масса фермента препятствует его проникновению через клеточную мембрану [Биленко, 1999]. Разложение Н₂О₂ каталазой осуществляется в два этапа.

CAT + Н₂О₂ > CAT - Н₂О₂

CAT - Н₂О₂ + Н₂О₂ > CAT + 2Н₂О + О₂

При этом в окисленном состоянии каталаза работает и как пероксидаза, катализируя окисление спиртов или альдегидов:

CАТ - Н₂О₂ + >CHOH > CАТ + 2Н₂О + >C=O

Каталаза ингибируется азидом, цианидом, пероксидом водорода в высоких концентрациях и некоторыми органическими гидроперекисями. Каталаза может выступать источником образования АФК. 0,5% кислорода, образующегося в результате разложений перекиси водорода, возникает в возбужденном синглетном состоянии.

Глутатионпероксидаза - фермент, служащий для инактивации перекиси водорода в клетках высших животных. GPO- гликопротеин, имеющий в активном центре четыре атома селена. Он является гидрофильным соединением, что затрудняет его проникновение в липидный слой мембран, основная часть фермента локализована в цитозоле, а остальная - в митохондриях. GPO имеет селеновые изоферменты: внеклеточное GPO, обнаруженная в плазме и молоке, GPO- G1, выделенная из цитозоля клеток печени и кишечника, а также неселеновый изофермент, идентичный GSТ.

«Классическая» GPO представляет собой тетрамер, состоящий из четырех идентичных сферических субъединиц. Каждая субъединица содержит по одному атому селена, на тетрамер имеется два активных GSH-связывающих центра. При уменьшении уровня GPO снижается устойчивость организма к окислительному поражению, что может приводить к развитию свободнорадикальной патологии [Белоусов, Суслова, Трунова, 1998].

GPO катализирует реакцию восстановления глутатионом нестойких органических гидропероксидов, включая гидропероксиды полиненасыщенных жирных кислот, стабильные соединения - оксикислоты:

2GSH + ROOH > GSSG + ROH + H₂O

Все GPO, подобно каталазе, способны также утилизировать перекись водорода:

2GSH + H₂O₂ >GSSG + 2H₂O

Также селенсодержащая GPO участвует в обезвреживании пероксинитрита:

2GSH + ONOO^- > GSSG + NO + H₂O

Сродство GPO к Н₂О₂ выше, чем у каталазы, поэтому первая более эффективно работает при низких концентрациях перекиси водорода, в то же время в защите клеток окислительного стресса, вызванного высокими концентрациями Н₂О₂, ключевая роль принадлежит каталазе. В целом же, GPO значительно важнее, чем каталаза, так как каталаза сосредоточена в микросомах, а GPO - в цитозоле и митохондриях, сродство GPO к пероксиду водорода значительно выше, поэтому Н₂О₂ элиминируется GPO, в некоторых тканях каталаза почти ответствует и GPO играет главную роль в валовом метаболизме Н₂О₂ [Зубакова, Варакина, Николенко, 1999]. В клетках млекопитающих также обнаружен изофермент GPO, названный «GPO гидроперекисей фосфолипидов». Изофермент помимо Н₂О₂ и липидных гидроперекисей способен восстанавливать гироперекиси фосфолипидов, он эффективно взаимодействует с гидроперекисями фосфотидилхолина, холестерина и эфира холестерина в мембранах и липопротеинах низкой плотности. Совместно с токоферолом GPO гидроперекисей фосфолипидов практически полностью подавляет ПОЛ в биомембранах.

Активность GPO в живых клетках увеличивается при действии ионизирующей радиации, интоксикации этанолом, акрилонитрилом, при Е-авитаминозе. Особо важна роль GPO в условиях окислительного стресса, так как он предупреждает возникновение и развитие пероксидации, устраняет ее источники и продукты, GPO - является одним из важнейших компонентов ферментативной АОС [Брискин, Рыбакова, 2000].

Глутатион-S-трансфераза входит в семейство ферментов, нейтрализующих токсическое влияние различных гидрофобных и электрофильных соединений путем их коньюгации с восстановленным глутатионом, GST локализованы преимущественно в цитозоле клеток. Основная функция GST-защита клеток от ксенобиотиков и продуктов ПОЛ посредством их восстановления, присоединения к субстрату молекулы глутатиона или нуклеофильного замещения гидрофобных групп:

ROOH + 2GSH > ROH + GSSG + H₂O

R + GSH > HRSG

RX + GSH > RSG + HX

GST способны восстанавливать гидроперокси-группы окисленных фосфолипидов непосредственно в мембранах без их предварительного фосфолипидного гидролиза свободными жирными кислотами. Этот фермент конъюгирует с GSН токсичные продукты ПОЛ (ноненали, децинали, холестерин-б-оксид) и тем способствуют их выведению из организма. Таким образом, GST является важным компонентом антиоксидантной защиты, особенно от эндогенных метаболитов, образующих при окислительном стрессе [Владимиров, 1998].

Глутатионредуктаза. Во многих реакциях, катализируемых GPO и GST, две молекулы GST соединяются дисульфидной связью и образуют окисленный глутатион. Для восстановления GSSG в клетках существует специальный фермент - глутатионредуктаза [Зенков, Меньщикова, 2004].

ГР широко распространенный флавиновый фермент, поддерживающий высокую внутриклеточную концентрацию GSH, катализируя обратимое NFDFH- зависимое восстановление GSSG с образованием двух молекул GSH.

GSSG + NADFH + H⁺ > 2GSH + NADF⁺

ГР содержится в основном в растворимой части клетки.

Глюкоза-6-фосфатдегидрогеназа. Для восстановления окисленного глутатиона ГР в качестве донара водорода используется NADFH, который образуется в пентозофосфатном пути в ходе глюкозо-6-фосфатдегидрогеназной реакции [Андреев, 1999]

G6FD - фермент, катализирующий начальную реакцию пентозофосфатного пути: восстановление глюкозо-6-фосфата в 6-фосфоглюконат. Она состоит из двух типов субъединиц, которые состоят из 479 аминокислотных остатков, имеют один и тот же СООН - концевой участок, но разные NH₂-концы, Эти субъединицы различаются по длине и последовательности аминокислот. Реакцию, катализируемую G6FD, с кинетической точки зрения можно рассматривать как двухсубстратную реакцию, протекающую с участием субстрата и кофермента, выполняющего роль второго субстрата. Фермент очень сильно ингибируется NADFH и ATF, по типу конкурентного ингиирования.

Глутатион - трипептид (L-г-глутамил-L-цистеинилглицин), который при физиологических значениях рН имеет две отрицательно заряженные карбоксильные группы и положительно заряженную аминогруппу.

Наличие г-глутамильной связи защищает трипептид от деградации внутриклеточными пептидазами, а сульфгидрильная группа цистеина может служить донором электронов, придавая глутатиону свойства восстановителя и способность удалять свободные радикалы. Одноэлектронная реакция GSH со свободными радикалами приводит к образованию тиильного радикала GS^., который при димеризации с другим GS^. радикалом дает дисульфид глутатиона (GSSG). Второй тип окислительно-восстановительных реакций, в которых принимает участие глутатион - это реакции тиол-дисульфидного обмена [Brune,1995]. При окислительно-восстановительных реакциях третьего типа происходит двухэлектронное окисление с образованием интермедиата, который затем реагирует со второй молекулой, идентичной первой или отличной от нее. При этом в первом случае образуется GSSG, а во втором-смешанный дисульфид.

В клетках всех типов GSH синтезируется в ходе двух последовательных реакций, катализируемых г-глутамилцистеинсинтетазой (г-GCS) и GSН-синтетазой (GS). г-GCS катализирует образование пептидной связи между г-карбоксильной группой глутамата и б-аминогруппой цистеина. Глутатионсинтетаза образует пептидную связь между б-карбоксильной группой цистеина в составе г-глутамилцистеина и б-аминогруппой глицина. Обе реакции являются ATF-зависимыми, имеют сходный каталитический механизм и протекают через образование ацилфосфатного интетрмедиата [Davies,1995].

Статус глутатиона определяется как общая концентрация глутатиона и количественное соотношение между различными формами, в которых он существует в клетке. Статус глутатиона обусловлен динамическим равновесием между реакциями синтеза, деградации, транспорта, окисления и восстановления и поэтому может изменяться в зависимости от преобладания тех или иных реакций, что определяется состоянием клетки и окружающей среды. Изменение статуса GSH может наблюдаться как при нормальных физиологических ситуациях, так и при стрессах. Для ингибирования синтеза GSH у эукариот широко используется ингибитор г-глутамилцистиинсинтетазы [Gebhardt,1984].

Редокс-активность глутатиона при одновременной его устойчивости к окислению кислородом, высокая концентрация и возможность поддержания в восстановленном состоянии делают GSH важнейшим внутриклеточным редокс-буфером. Редокс система глутатиона включает в себя сам глутатион, GPO и ГSТ [Davies,1995].

GSH реагирует с очень большим числом электрофильных компонентов с образованием GSH-конъюгатов. Эта реакция может происходить спонтанно или катализироваться ферментами GSТ, затем коньюгаты деградируют до относительно безвредных меркаптуровых кислот. Глутатион также участвует в детоксикации некоторых реактивных альдегидов, которые могут образовываться при окислительных процессах в клетках. У эукариот глутатион играет ключевую роль в защите от окислительного стресса как кофактор селенозависимых и независимых GPO (Рис. 2). При окислительном стрессе идет интенсивное окисление GSH, и снижение соотношения GSH/GSSG является одним из основных признаков окислительного стресса в клетках [Brune,1995].

Защита живых организмов от окислительных повреждений не ограничивается рассмотренными выше антиоксидантными системами, а осуществляется так же большим количеством репарационных систем, специфическими протеолитическими ферментами; макрофагами и гепатоцитами, эффективно захватывающими окисленные липопротеины через специальные «скэвенджнр-рецепторы». Эта еще раз свидетельствует о важности и сложности окислительных процессов с участием АФК, протекающих в живом организме.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1. Объект исследования

Объектом исследования явились эритроциты крови практически здоровых людей, проживающих в Советском и Октябрьском районах г. Красноярска, а так же эритроциты крови людей с ЛОР-патологиями.

Всего обследовано 131 человек в возрасте от 18 до 54 лет, забор материала исследования проводился в клиническо-диагностической лаборатории ГУ НИИ медицинских проблем Севера СО РАМН. Группу контроля составили 102 практически здоровых человека, неболевших острыми респираторными заболеваниями в течение последнего месяца и не имеющих хронических ЛОР-заболеваний. Здоровые люди были отобраны в 2-х районах города Красноярска ЛОР-врачом по данным клинического осмотра. Группа людей с ЛОР-заболеваниями составила 29 человек, проживающих в различных районах г. Красноярска.

Таблица 1

Характеристика материала исследования и объёма проведенных работ

Методы исследования	Здоровые	ЛОР-больные	Всего
Определение содержания GSH в эритроцитах крови Определение активности GPO в эритроцитах крови Определение активности GST в эритроцитах крови Определение активности GR в эритроцитах крови Определение содержания гемоглобина в эритроцитах крови	91 89 90 67 91	29 20 28 6 29	120 109 118 73 120
Всего	428	112	540

Определение активности глутатионзависимых ферментов - GPO, GST и GR, а так же содержание GSH проводили в упакованных эритроцитах крови (табл. 1).

2.2. Приготовление эритроцитов

Гепаринизированную кровь центрифугируют 20 минут при 3000 об/мин. (1700g). После центрифугирования убирают слой плазмы и тонкую белую лейкоцитарную пленку. Плазму отбирают отдельно и сохраняют. Оставшуюся после отбора плазмы эритроцитарную массу трижды отмывают физиологическим раствором (0,9%-ным NaCl) и центрифугируют по 15 минут при 3000 об/мин. (1700g). Супернатант отбрасывают. Последнее центрифугирование проводят в течение 20 минут для более плотной упаковки клеток [Авраамова, Титова, 1978].

2.3. Определение содержание гемоглобина

Содержание Hb определяют унифицированным гемиглобинцианидным методом с использованием набора реактивов фирмы “Агат-Мед”.

Принцип метода заключается в следующем: Hb крови при взаимодействии с железосинеродистым калием (красная кровяная соль) окисляется в Met-Hb, образующий с ацетонциангидрином гемиглобинцианид (цианметгемоглобин), оптическая плотность которого при 540 нм пропорциональна концентрации Hb в образце крови [Меньшиков, 1987]. Содержание Hb в опытных образцах выражали в граммах на литр упакованных эритроцитов.

Реактивы:

1. Трансформирующий реагент - сухая смесь натрий углекислый кислый, 1,0г, калий железосинеродистый, 200 мг.

2. Ацетонциангидрин.

3. Калибровочный раствор гемоглобин с концентрацией 120 г/л.

Ход определения

К 5 мл трансформирующего раствора добавляют 0,02 мл крови (разведение в 251 раз) или гемолизата, хорошо перемешивают. Определение проводят через 10 минут против холостой пробы (трансформирующего раствора), окраска устойчива в течение не менее 1 часа.

При использовании фотоколориметра определение проводят в диапазоне длин волн 500-560 нм (зелёный светофильтр). Калибровочный раствор гемоглобина обрабатывают также, как и пробу цельной крови. Расчёт содержания гемоглобина производят по формуле:

,

где:

Hb - содержание гемоглобина в опытной пробе, г/л;

Dо - оптическая плотность опытной пробы;

Dx - оптическая плотность калибровочной пробы;

120 - содержание гемоглобина в калибровочном растворе, г/л.

2.4. Определение количества восстановленного глутатиона

Принцип метода основан на взаимодействии GSH с ДТНБК (5,5'-дитио-бис-2-нитробензойной кислотой) с образованием окрашенного в желтый цвет аниона 2-нитро-5-тиобензоата. Увеличение концентрации желтого аниона в ходе данной реакции регистрировали спектрофотометрически при длине волны 412 нм [Beutler, 1990].

Ход определения

Готовим гемолизат добавлением 0,2 мл отмытых от плазмы и упакованных эритроцитов к 1,8 мл дист. Н₂О, охлаждённой до 0єС. Для осаждения белков к гемолизату добавляли 3 мл осаждающего раствора. Пробы тщательно перемешивали и после 20 минутного стояния при комнатной температуре фильтровали через крупнопористый фильтр. Фильтрат должен быть прозрачным и бесцветным. 1 мл фильтрата помещали в спектрофотометрическую кювету объёмом 3 мл, добавляли 4 мл фосфатного буфера. Затем в пробу вносили 500 мкл раствора ДТНБК. Сразу же после перемешивания должна появиться жёлтая окраска из-за образования дисульфида глутатиона с ДТНБК. Пробу фотометрировали при длине волны 412 нм в кювете с толщиной слоя 1,0 см. Поскольку раствор ДТНБК имеет слабожелтую окраску, параллельно с опытной пробой готовили контрольную, содержащую вместо фильтрата осаждающий раствор, разведённый дист. Н₂О в отношении 2:5.

Реактивы:

1. Осаждающий раствор: 1,67 г ледяной ортофосфорной кислоты, 0,2 г ЭДТА и 30 г хлористого натрия растворяли в дист. Н₂О и доводили до метки 100 мл.

2. Фосфатный буфер: 0,3 М Na₂HPO₄

3. ДТНБК: 0,02%-ный раствор, приготовленный на 1%-ном растворе цитрата натрия

Содержание восстановленного глутатиона рассчитывали с учетом коэффициента молярной экстинкции (13600 М^-1см^-1) окрашенного аниона, образующегося при взаимодействии GSH с ДТНБК и выражали в мкмоль на грамм Hb.

Содержание глутатиона рассчитывают по формуле:

,

где:

С - концентрация восстановленного глутатиона, мкмоль/г Hb;

Е₁ - оптическая плотность опытной пробы до добавления ДТНБК;

Е₂ - оптическая плотность опытной пробы после добавления ДТНБК;

138 - разведение эритроцитов в реакционной пробе;

Hb - гемоглобин, г/л;

1000 - коэффициент для пересчета концентрации глутатиона от молярной к миллимолярной;

F - отношение оптической плотности контрольной пробы до добавления ДТНБК (Е₁ ) и после добавления (Е₂ );

13600 - коэффициент молярной экстинции окрашенного катиона, образующегося при взаимодействии GSH с ДТНБК;

2.5. Определение активности глутатионпероксидазы

Принцип метода: глутатионпероксидаза катализирует реакцию взаимодействия GSH с гидроперекисью трет-бутила (ГПТБ). Активность фермента при этом может быть оценена по изменению содержания GSH в пробах до, и после инкубации с модельным субстратом в ходе цветной реакции с ДТНБК [Paglia, Valentine, 1967].

Ход определения

Отмытые и упакованные эритроциты гемолизировали охлаждённой до 0єС водой в соотношении 1:200. 0,2 мл гемолизата смешивали с 0,73 мл сложного буфера и термостатировали 10 мин при 37°С. Реакцию инициировали внесением в реакционную смесь 0,07 мл 0,14%-ного раствора ГПТБ (коммерческий препарат). Строго по секундомеру через 5 мин инкубации при 37°С реакцию останавливали добавлением 0,2 мл 20%-ного раствора ТХУ. В контрольные пробы 0,14%-ный раствор ГПТБ вносили после осаждения белка ТХУ. Полученные пробы центрифугировали при 1700g в течение 10 мин. Супернатант использовали для определения количества восстановленного глутатиона: к 0,1 мл супернатанта добавляли 2,65 мл 0,1 М трис-HCl буфера. После перемешивания пробы фотометрировали на СФ-26 при длине волны 412 нм в кювете с длиной оптического пути 1,0 см против дист. Н₂О. Активность фермента в эритроцитах выражали в мкмолях GSH, окисленного за 1 минуту на грамм Hb, используя коэффициент молярной экстинкции (13600 М^-1см^-1) окрашенного аниона, образующегося при взаимодействии GSH с ДТНБК.

Реактивы:

1. Сложный буфер: 0,1М Трис-HCl-буфер, pH8,5, содержащий 6мМ ЭДТА и 12мМ азид натрия. Непосредственно на этом буфере готовят 4,8 мМ раствор GSH

2. 0,14%-ный раствор трет-бутил гидропероксида

3. 20%-ный раствор ТХУ

4. 0,1 М трис-HCl буфер, pH8,5

5. ДТНБК на абсолютном метаноле, 0,01М

Активность рассчитывают по формуле:

,

где:

А - активность фермента, мкмоль/минЧл;

?С - разность концентраций GSH в опытной и контрольной пробах;

V_пр. - объем пробы, используемый для определения концентрации GPO

t - время инкубации;

V_р.с..- объем реакционной смеси;

201 - степень разведения эритроцитов в гемолизате;

1000 - коэффициент для пересчета активности GPO от молярной к миллимолярной;

Hb - гемоглобин г/л;

Активность GPO можно также выразить в мкмоль\мин на 1 г Hb

2.6. Определение активности глутатион-S-трансферазы

Принцип метода: активность глутатион-S-трансферазы определяли по скорости образования глутатион-S-конъюгатов между GSH и 1-хлор-2,4-динитробензолом (ХДНБ).

Увеличение концентрации конъюгатов в ходе реакции регистрировали спектрофотометрически при длине волны 340 нм (максимум поглощения глутатион -S- ХДНБ) [Habig et al., 1974].

Ход определения

Источником фермента служил осмотический гемолизат, который готовили добавлением к одному объему упакованных эритроцитов двадцати объемов дист. Н₂О, охлажденной до 0С. В кювету с длиной оптического пути 1,0 см, содержащую 2,5 мл 0,1 М калий-фосфатного буфера рН=6,5, добавляли 0,2 мл 0,015 М раствора восстановленного глутатиона и 0,1 мл гемолизата. Реакцию инициировали внесением в кювету 0,2 мл 0,015М ХДНБ (готовили на абсолютном метаноле). Параллельно опытной готовили контрольную пробу, в которую вместо гемолизата вносили дист. Н₂О. Регистрацию оптической плотности проводили при t=25C и длине волны 340 нм против воды сразу после перемешивания в течение трех минут. Активность фермента рассчитывали, используя коэффициент экстинкции для ГS-ХДНБ при длине волны 340 нм, равный 9,6 мМ^-1*см^-1, и выражали в ммолях образующихся глутатион S-конъюгатов в минуту на грамм Hb.

Реактивы:

1. 0.1М калий - фосфатный буфер РН6,5;

2. 0.015М раствор GSН;

3. 0.015М раствор ХДНБ.

Активность GPO рассчитывают по следующей формуле:

где:

А - активность фермента, моль\минЧHb

?E - изменение оптической плотности в мин.

d - толщена кюветы (1см)

f - коэффициент разведения эритроцитов в пробе

е - коэффициент молярной экстинкции при ч=340нм (9600М^-1Чсм^-1)

Hb - гемоглобин г/л

1000 - коэффициент для пересчета активности GST от молярной к миллимолярной;

V_пр. - объем пробы, используемый для определения активности GST

V_р.с..- объем реакционной смеси;

2.7. Определение активности глутатионпероксидазы

Принцип метода: определение активности глутатионредуктазы основано на измерении скорости окисления NADPH, которая регистрируется спектрофотометрически по уменьшению оптической плотности при длине волны 340 нм .

Для определения активности глутатионредуктазы использовали осмотический гемолизат, приготовленный следующим образом. К одному объему упакованных и отмытых от плазмы эритроцитов добавляли девяти кратный объем холодной дистиллированной воды.

Ход определения:

В спектрофотометрическую кювету с расстоянием между рабочими гранями 10 мм последовательно вносят 2,7 мл калий-фосфатного буфера, 0,1 мл раствора NADPH, 0,1 мл гемолизата и 0,1 мл раствора GSSG. Реакция запускается добавлением в пробу окисленного глутатиона. Смесь перемешивают. Изменеие оптической плотности регистрируют через 1 минуту в течение 3 минут против пробы, содержащей все компоненты, кроме GSSG.