Глутатион-зависимые процессы в развитии лекарственной устойчивости опухолевых клеток

Федеральное Бюджетное  Государственное Образовательное  Учреждение Высшего Профессионального  Образования 

« Московская Государственная  Академия Ветеринарной Медицины и Биотехнологии  имени К.И.Скрябина »

 

Кафедра химии  имени профессоров С.И.Афонского, А.Г.Малахова

 

Курсовая  работа по дисциплине биоэнергетика  на тему:

« Глутатион-зависимые процессы в развитии лекарственной устойчивости опухолевых клеток »

 

 

Выполнила: Студентка 4 курса,

1 группы ВБФ 

Еромасова В.

Работу  приняла:

доцент кафедры, к.б.н. Зарудная Е.Н.

 

 

 

Москва, 2012 г.

 

	Содержание
		Стр.
	Глава 1.
1.	Введение
1.1.	Общие сведения	3-6
1.2.	Актуальность  проблемы	7
1.3.	Научная и практическая значимость	8
	Глава 2.
2.1.	Глутатион против хронических болезней	9
2.2.	Дисбаланс в  системе глутатион-зависимых ферментов при острых воспалительных заболеваниях	10-12
2.3.	Глутатион: роль в антиоксидазной защите	13
2.4.	Глутатионпероксидаза	14-16
2.5.	Множественная лекарственная устойчивость опухолевых клеток к химитерапевтическим препаратам	17-18
2.6.	Система глутатиона и множественная лекарственная  устойчивость	19
3.	Заключение	20
4.	Использованная  литература	21

 

 

 

Глава 1.

1. Введение

1.1. Общие сведения

Глутатион(2-амино-5-{[2-[(карбоксиметил)амино]-1-(меркаптометил)-2-оксоэтил]амино}-5-оксопентаноевая кислота, англ. glutathione, GSH) — это трипептид γ-глутамилцистеинилглицин. Глутатион содержит необычную пептидную связь между амино-группой цистеина и карбокси-группой боковой цепи глутамата. Важность глутатиона в клетке определяется его антиоксидантными свойствами. Фактически глутатион не только защищает клетку от таких токсичных агентов, как свободные радикалы, но и в целом определяет редокс-статус внутриклеточной среды.

В клетке тиоловые группы находятся в восстановленном состоянии (SH) в концентрации около 5 мМ. Фактически, такая высокая концентрация глутатиона в клетке приводит к тому, что он восстанавливает любую дисульфидную связь (S-S), образующуюся между цистеинами цитозольных белков. При этом восстановленная форма глутатиона GSH превращается в окисленную GSSG. Восстанавливается окисленный глутатион под действием фермента глутатионредуктаза, которая постоянно находится в клетке в активном состоянии и индуцируется при оксидативном стрессе. Отношение восстановленный/окисленный глутатион внутри клетки является одним из важнейших параметров, который показывает уровень внутриклеточной токсичности (уровень оксидативного стресса).

 

 

Рисунок 1. Структурная формула глутатиона

 

 

 

 

 

Рисунок 2. Трёхмерная модель глутатиона

Специфический метод  определения глутатиона основан  на его способности активировать превращения  метилглиоксаля в молочную кислоту  под действием фермента глиоксалазы.

Глутатион найден у животных, растений, микроорганизмов. Его внутриклеточная концентрация составляет 0,5-10 мМ, что существенно выше концентрации своб. цистеина. Биол. ф-ции глутатиона: защищает SH-группы ферментов и др. белков от окисления; восстанавливает Н₂О₂ и др. пероксиды; связывает своб. радикалы; участвует в тиол-дисульфидном обмене и в обезвреживании мн. чужеродных для организма соед. (см. Глутатионтрансферазы); восстанавливает рибонуклеотиды в дезоксирибонуклеотиды; переносит аминокислоты через мембрану клеток (см. Г лутамилтрансфераза); является кофактором ряда ферментов, напр. глиоксалазы и формальдегиддегидрогеназы [1, С.231-234].

Биосинтез глутатиона. Г— SH синтезируется в двух последовательных АТФ-зависимых реакциях, катализируемых γ-глутамилцистеинсинтетазой (1) И глутатионсинтетазой (2):

Рисунок 3. Схема  биосинтеза глутатиона

Г—SH синтезируется  в двух последовательных АТФ-зависимых  реакциях, катализируемых γ-глутамилцистеинсинтетазой (1) и  глутатионсинтетазой (2).

Эти ферменты обнаружены в цитозоле и хлоропластах и обладают примерно одинаковой активностью.

Функции глутатиона. Г—SH — запасная и транспортная форма серы у растений. Например, Г— SH транспортируется из щитков кукурузы в развивающиеся корни и побеги, из зрелых листьев в молодые листья и корни у растений Ricinus, При созревании плодов грейпфрута идет перераспределение глутатиона из листьев в плоды и т. д. Происходит обмен Г—SH между ксилемой и флоэмой.

Система 2Г—SH/Г—SS—Г работает на поддержание окислительно-восстановительного потенциала в клетке за счет взаимопревращений дитиол ↔ Дисульфид. В норме глутатионовый пул на 95 % представлен восстановленной формой. Баланс ферментативно сдвинут в сторону Г—SH за счет активности глутатионредуктазы (ЕС 1.6.4.2), донором Е Служит НАДФН (рис.4).

Рисунок 4. Редокс-контроль, или поддержание окислительно-восстановительного потенциала, в клетке за счет взаимопревращений дитиол/дисульфида.

Пул восстановленного глутатиона поддерживает в активном состоянии многие белки-ферменты в  разных клеточных компартментах: цитозоле, строме хлоропластов, матриксе митохондрий. Когда баланс сдвигается в сторону окисленного глутатиона, ферменты переходят в неактивное состояние в результате образования дисульфидных связей по цистеиновым остаткам.

Защитная функция  Г—SH и некоторых глутатионзависимых ферментов (глутатионтрансферазы (ГТазы), формальдегиддегидрогеназы, глиоксилазы, глутатионпероксидазы, глутатионэстеразы, глутатионизомеразы и др.) проявляется в детоксикации электрофильных низкомолекулярных соединений эндогенного происхождения и ксенобиотиков, в первую очередь гербицидов. Глу-татионтрансферазы катализируют конъюгацию электрофильных и часто гидрофобных токсических соединений с глутатионом, образуя нетоксичные производные пептида, которые изолируются в вакуоли:

R-X + Г-SH → Г-S-R + НХ

При стрессовых ситуациях увеличиваются биосинтез и содержание восстановленного глутатиона. И злаки, и широколиственные древесные растения с высоким содержанием и активностью ГТаз более устойчивы к действию гербицидов.

О производных  Г—SH в вакуоли на основе субстратов эндогенного происхождения известно мало. Ими могут быть антоциановые пигменты, флавоноиды, растительные гормоны[2].

 

1.2. Актуальность проблемы

Одним из наиболее значительных ограничений эффективности химиотерапии рака является развитие множественной  лекарственной устойчивости. Среди хорошо известных факторов, вызывающих развитие множественной лекарственной устойчивости, включая повышенную экспрессию трансмембранных транспортеров (Р-гп, MRP, LRP, BCRP), повышение уровня системы детоксикации, в значительной степени связанной с ростом экспрессии глутатион-Б-трансфераз, снижение экспрессии и активности топоизомеразы II, изменение экспрессии генов, блокирующее развитие апоптоза, остаются малоизученными свободнорадикальные механизмы. Поэтому исследование роли адаптивного антиоксидантного ответа на прооксидантное действие противоопухолевых препаратов в формировании лекарственной резистентности опухолевых клеток, несомненно, имеет актуальное значение[3,С.33-34; 4,С.121-127; 5, С.112; 6, С. 79-81; 7, С.1024-1026].

В настоящее время  хорошо известно, что окислительный стресс является патогенетическим фактором развития целого ряда заболеваний, включая кардиоваскулярные заболевания и хронические обструктивные заболевания легких. На существенный вклад свободнорадикальных процессов в патогенез таких заболеваний указывает ряд недавних эпидемиологических исследований, установивших, что повышение антиоксидантного статуса приводит к снижению риска их развития . В связи с тем, что снижение уровня глутатиона и антиоксидантных ферментов является одним из ведущих факторов в развитии процессов не только ишемической болезни сердца и хронического обструктивного бронхита, но и старения, большой интерес вызывают препараты, которые могут повышать содержание глутатиона и активировать глутатион-зависимые реакции. В связи с этим актуальными являются исследования роли глутатиона и редокс-зависимой регуляции в антиоксидантном действии препаратов, используемых в терапии пожилых больных ишемической болезнью сердца и хроническим обструктивным бронхитом[8,С. 1574-1576; 9,С. 343-352; 10,С. 1183-1190; 11,С.1281-286].

Исходя из актуальности темы, целью курсовой работы является:

исследование основных биохимических механизмов развития адаптивного антиоксидантного ответа при формировании лекарственной  устойчивости опухолевых клеток, а также изучение роли глутатиона  и глутатион – зависимых процессов в развитии лекарственной устойчивости опухолевых клеток.

В соответствии с обозначенной целью в работе решаются следующие конкретные задачи:

- изучить функции глутатиона

- оценить вклад глутатион - зависимых ферментов

- определить роль глутатиона в антиоксидазной  защите

-изучить  систему глутатиона и его множественной  лекарственной  устойчивости.

 

1.3. Научная  и практическая значимость

Настоящая работа вносит вклад в развитие фундаментальных знаний о механизмах формирования лекарственной устойчивости опухолевых клеток. Расширяют существующие представления об особенностях развития лекарственной устойчивости опухолевых клеток к противоопухолевым препаратам с прооксидантным действием и могут быть использованы для разработки практических подходов, направленных на повышение эффективности химиотерапии.

 

Глава 2.

2.1. Глутатион против хронических болезней

Глутатион является ключевым элементом антиоксидантной  защиты по одной простой причине: он способен восстанавливать другие антиоксиданты. Дело в том, что со свободными радикалами борются и витамин С, и витамин Е, и бетакаротин, но они при этом сами окисляются и становятся опасными для организма. Глутатион, жертвуя собой, реанимирует этих защитников, но, поскольку он, как птица Феникс, обладает способностью возрождаться, боезапас нашей защитной системы постоянно пополняется.

А вот если истощаются запасы глутатиона, может наступить  полный крах. Ослабление антиоксидантной  защиты ведет к распаду функций иммунной системы, и мы входим в нисходящую спираль хронических заболеваний и ускоренного старения.

Поэтому, если вы часто болеете или страдаете  хроническим заболеванием, если ваш  биологический возраст больше календарного, или вы просто чувствуете себя не в своей тарелке, то, скорее всего, вам не хватает глутатиона. В одной из публикаций британский медицинский журнал "Ланцет" сообщал, что высокие уровни глутатиона отмечаются у здоровых молодых людей, более низкие - у здоровых пожилых людей, еще ниже у пожилых больных, и самые низкие - у госпитализированных людей преклонного возраста[12, С.126-139].

Глутатион вырабатывается в печени, откуда он поступает в  кровоток и в желчь. Неудивительно, что в самой печени содержится и наибольшее количество глутатиона, так как печень - наш главный детоксикационный орган. Глутатион не только инициирует выработку в печени детоксикационных ферментов, но и защищает клетки самой печени от повреждений, и даже способствует их регенерации.

Для производства глутатиона необходимы три аминокислоты - цистеин, глицин и глутамин. При этом наиболее критичной аминокислотой является цистеин, так как, хотя он и может вырабатываться в организме, но в небольших количествах, и должен поступать из пищи, а с этим настоящая проблема. Просто потому, что значительная часть цистеина разрушается при промышленной обработке продуктов, а также в желудочно-кишечном тракте.

Кроме того, для  производства и метаболизма глутатиона необходимы такие минеральные вещества, как селен, магний и сера, а также липоевая кислота.

Выработка глутатиона в организме зависит от возраста. Начиная с 28 лет, его производство уменьшается с каждым годом примерно на 1%, и с каждым процентом падения  уровня активного глутатиона возрастает риск возникнове-ния опасных заболеваний.

Ученые считают, что при падении уровня глутатиона до 90% от оптимального процесс ухудшения  здоровья становится необратимым. Накопление токсинов в организме приводит к  еще большему падению уровня глутатиона, а когда его становится меньше 70%, наступает крах.

2.2. Дисбаланс в системе глутатион-зависимых ферментов при острых воспалительных заболеваниях

Многие патологические процессы в организме сопровождаются развитием острого воспаления. Эффекторными клетками воспаления являются нейтрофилы, фагоцитирующие микробы и продуцирующие активные формы кислорода (АФК). Образующийся в результате НАДФН-оксидазной реакции супероксидный анион-радикал и его производные – синглетный кислород, Н2О2, гидроксил-радикал – инициируют перекисное окисление липидов (ПОЛ) в мембранах.

В контроле свободнорадикального повреждения важнейшее место  занимает система глутатиона. Восстановленный  глутатион (ВГ) как один из главных  компонентов системы антиоксидантной  защиты (АОЗ), способен реагировать  со свободными радикалами, ингибировать ПОЛ. В системе защиты клеток от избытка АФК функции ВГ чаще всего осуществляются посредством ферментативного звена, представленного спектром глутатион-зависимых ферментов . Недостаточная эффективность АОЗ при повышенной выработке АФК в очаге воспаления может приводить к развитию «окислительного стресса», характеризующегося накоплением токсических продуктов ПОЛ, что усугубляет течение острого воспаления[13,С.3-5]

Целью настоящего исследования является изучение интенсивности ПОЛ и оценка активности глутатионзависимых ферментов в эритроцитах и плазме крови у больных хирургического профиля с различным течением и локализацией острого воспаления.

Материал и методы. Обследовано 39 пациентов с острыми воспалительными заболеваниями хирургического профиля в возрасте от 18 до 55 лет. Из них 10 человек с флегмонами и абсцессами, локализованными в области мягких тканей голени, бедра, ягодиц, плеча и предплечья, 30 – с острым аппендицитом (гангренозным – 7 пациентов, флегмонозным – 16, катаральным – 6). Группу контроля составили 12 практически здоровых доноров. Исследование проводилось при поступлении больных в стационар в острый период болезни и при выписке из стационара в стадию клинического выздоровления. Материалом для исследования служили эритроциты и плазма крови.