Фармация, 2 курс, лекции биохимии / 23

ВОЕННО-МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Экз №__

Кафедра клинической биохимии и лабораторной диагностики

«УТВЕРЖДАЮ»

ИО начальника кафедры

клинической биохимии и

лабораторной диагностики

полковник медицинской службы

В.ПАСТУШЕНКОВ

«___» _____________ 2008 г.

доцент кафедры клинической биохимии и лабораторной диагностики

кандидат биологических наук доцент Е.ШЕЛЕПИНА

_____________________________________________________________________

должность, ученая степень, ученое звание, воинское звание, инициал имени, фамилия автора (авторов)

ЛЕКЦИЯ № 23

_________________________________________

(номер по тематическому плану изучения дисциплины)

по дисциплине: «Биохимия»

___________________________________________________________

(наименование учебной дисциплины)

на тему: «БИОХИМИЯ ПЕПТИДОВ И ЭЙКОЗАНОИДОВ»

________________________________________________

(наименование темы занятий по тематическому плану изучения дисциплины)

с курсантами и студентами 2 курса факультетов подготовки врачей

(военно-медицинских специалистов иностранных армий)

Обсуждена и одобрена на заседании кафедры

«____» ____________ 200___ г.

Протокол №______

Уточнено (дополнено):

«____» ____________ 200___ г.

_____________________________________

(воинское звание, подпись, инициал имени, фамилия)

План лекции.

1. Введение. Биологическая роль эйкозаноидов в организме.

2. Классификация эйкозаноидов. Номенклатура.

3. Особенности химического строения различных типов эйкозаноидов.

4. Биосинтез простагландинов, простациклинов, тромбоксанов. Циклооксигеназный путь.

5. Биосинтез лейкотриенов. Липоксиназный путь.

6. Роль эйкозаноидов в развитии воспаления.

7. Роль эйкозаноидов в тромбообразовании.

8. Механизм действия аспирина.

9. Механизм противовоспалительного действия стероидных препаратов.

10. Пептиды желудочно-кишечного тракта, обладающие гормональным эффектом.

Эйкозаноиды

Эйкозаноиды – это группа биологически активных веществ, с широким спектром биологической активности, синтезируемых клетками из 20-ти углеродных полиеновых жирных кислот, в основном, из арахидоновой кислоты. Слово «эйкоза» - греческое слово, означающее 20. Эти соединения образуются не в эндокринных железах, а в различных клетках организма и имеют небольшую дальность действия.

Эйкозаноиды, включающие в себя простагландины, тромбоксаны, простациклины, лейкотриены – высокоактивные регуляторы клеточных функций. Они имеют очень короткий период полураспада и влияют на метаболизм продуцирующей их клетки по аутокринному механизму, а на окружающие клетки – по паракринному механизму. Эйкозаноиды называют поэтому «гормонами местного действия».

Эйкозаноиды участвуют во многих процессах: участвуют в развитии воспалительного процесса и аллергических реакций, регулируют тонус ГМК, влияя на артериальное давление, оказывают влияние на состояние бронхов, кишечника, матки. Избыточная секреция эйкозаноидов приводит к таким заболеваниям как бронхиальная астма. Эйкозаноиды оказывают влияние на метаболизм костной ткани, иммунную систему, периферическую нервную систему.

Эйкозаноиды синтезируются в основном из арахидоновой кислоты. Это 20-ти углеродная жирная кислота, имеющая в своем составе 4 двойные связи. В меньшем количестве используется эйкозапентаеновая кислота, имеющая 5 двойных связей. Эти субстраты для синтеза эйкозаноидов входят в состав фосфолипидов мембран. Под действием фермента фосфолипазы А2, ассоциированной с мембраной, жирная кислота отщепляется от фосфолипида и используется для биосинтеза того или иного эйкозаноида.

Эйкозаноиды делятся на:

1. Простаноиды – сюда входят простагландины, простациклины, тромбоксаны.

2. Лейкотриены.

Простагландины – наиболее распространены в организме человека. Впервые они были выделены из предстательной железы, отсюда и получили свое название. Однако позже было показано, что и другие ткани организма синтезируют их. Основное биологическое действие простагандинов связано с их влиянием на ГМК. Так, простагандин Е2 расслабляет гладкую мускулатуры, а простагандин F 2 сокращает гладкую мускулатуру. Простагландины влияют и на агрегацию тромбоцитов, движение лимфоцитов.

Простациклины образуются в стенках кровеносных сосудов, их биологический эффект – это торможение агрегации тромбоцитов, расширение сосудов.

- 2 -

Тромбоксаны – это биоактивные соединения, синтезируемые в тромбоцитах с их последующим выходом в кровь. Их физиологические эффекты заключаются в сужении сосудов и стимуляции агрегации тромбоцитов.

Лейкотриены образуются в лейкоцитах, тромбоцитах и макрофагах. Эта группа соединений в основном стимулирует расширение сосудов, увеличивает их проницаемость, активирует хемотаксис.

Арахидоновая кислота имеет два пути метаболизма в клетках, приводящих к образованию эйкозаноидов: циклооксигеназный и липокидазный.

Простаноиды синтезируются в клетках по циклооксигеназному пути метаболизма арахидоновой кислоты. Фермент, катализирующий первый этап их синтеза называется простагландин Н2 синтазой.

Лейкотриены синтезируются в клетках по липооксигеназному пути метаболизма арахидоновой (эйкозаноевых) кислот, отличному от синтеза простациклинов. Фермент, катализирующий первый этап их биосинтеза называется липоксигеназой.

Особенности химического строения эйкозаноидов.

Все простагландины в своей структуре содержат 5-ти углеродное кольцо в центре цепи, т.е. линейная структура молекулы арахидоновой кислоты в центре цепи циклизуется на определенных этапах биосинтеза. Кроме того, в их структуре содержатся гидрокси- или кето- группы.

Простагландины обозначают символами РG, буква, следующая далее обозначает заместитель в пятичленном кольце молекулы эйкозаноида.

Каждая группа простагландинов состоит из 3 типов молекул, отличающихся по числу двойных связей в боковых цепях (именно в боковых цепях). Число двойных связей обозначается нижним цифровым индексом, например, РG Е2.

Все тромбоксаны имеют в своей структуре 6-ти членное кольцо, включающее атом кислорода. Тромбоксаны обозначают символами ТХ.

Все простациклины (РG 1) имеют в своей структуре 2 кольца: 1 – как у простагландинов (5-ти углеродное), а 2 – с атомом кислорода. Лейкотриены имеют в своем составе 3 коньюгированные двойные связи, циклизации арахидоновой кислоты во время их биосинтеза не бывает, поэтому они имеют линейную структуру. В их структуре циклы отсутствуют. Лейкотриены обозначают символами LT. Важным отличием лейкотриенов является наличие 3 коньюгированных двойных связей, хотя общее число двойных связей в молекуле может быть и больше.

- 3 -

Биосинтез простагландинов и тромбоксанов. Циклооксигеназный путь.

Синтез простагландинов начинается только после отделения полиеновых кислот (арахидоновой или эйкозапентаеновой) от фосфолипида мембраны под действием ферментов фосфолипазы А2 или фосфолипазы С. Эти мембраносвязанные фосфолипазы активируются под действием многих факторов: гормонов, цитокинов ( гормоноподобных белков, синтезируемых и секретируемых клетками иммунной системы), гистамина, механического воздействия. Стимулирующий агент связывается с рецептором на поверхности клетки и активирует соответствующий фермент. После отделения арахидоновой кислоты от фосфолипида она мигрирует в цитозоль и в различных типах клеток превращается в разные эйкозаноиды.

Семейства простагландинов, образующихся из 20 углеродных жирных кислот с различным количеством двойных связей, представлено на рис 1.

Структура тромбоксанов, синтезируемых из арахидоновой кислоты (ТХ А2) и синтезируемых из эйкозапентаеновой кислоты (ТХ А3), представлена на рис.2.

Отделение арахидоновой кислоты от глицерофосфолипидов представлено на рис.3. Фосфолипаза А2 освобождает арахидоновую кислоту из структуры фосфатидилхолина, в то время как фосфолипаза С освобождает арахидоновую кислоту из структуры фосфатидилинозитолбисфосфата. Однако освобождение арахидоновой кислоты из фосфатидилинозитола протекает в несколько этапов. Сначала под действием фосфолипазы С образуется 1,2-диацилглицерол и инозитол-3-фосфат. Далее из 1,2-диацилглицерола освобождается арахидоновая кислота и моноацилглицерол, из которого далее под действием моноацилглицеролипазы может освобождаться еще одна молекула арахидоновой кислоты.

Надо сказать, что активность ферментов, освобождающих арахидоновую кислоту из структуры фосфолипидов строго контролируется гормонами и перечисленными выше агентами, сопряженными с G-белками. Свободная арахидоновая кислота также является биологически активным соединением. Однако гораздо большее значение имеют ее метаболиты: простагландины, простациклины, тромбоксаны и лейкотриены.

- 5 -

Синтез простагландинов катализируется РG синтазой, которая имеет 2 каталитических центра. Один называется циклооксигеназой, а другой – пероксидазой. В активном центре циклооксигеназы находится аминокислота тирозин, а активный центр пероксидазы содержит простетическую группу, представленную гемом.

В организме имеется два типа циклооксигеназ: циклооксигеназа 1 – фермент, синтезирующийся с постоянной скоростью, и циклооксигеназа 2 – фермент, синтез которого резко возрастает при воспалении и индуцируется цитокинами. Результатом действия и той и другой циклооксигеназы является включение 4 атомов кислорода в арахидоновую кислоту и формированиев центре цепи пятичленного кольца. Образуется нестабильное гидропероксидпроизводное, называемое РG G2. Далее гидроксипероксид у 15-го атома углерода довольно быстро восстанавливается до гидроксильной группы пероксидазой с образованием РG Н2. Это соединение является базовым, общим для последующего биосинтеза всех простагландинов. И дальнейшие преобразования РG Н2 до тромбоксанов, простациклинов и простагландинов специфичны для каждого типа клеток. Пути биосинтеза представлены на схемах.

Биосинтез лейкотриенов.

В структуре лейкотриенов отсутствуют циклы, но они имеют обязательно 3 сопряженные двойные связи, именно сопряженные, что и обуславливает название «лейкотриен», хотя общее число двойных связей в молекуле может быть и больше. Липооксигеназный путь биосинтеза лейкотриенов начинается с присоединения молекулы кислорода к одному из атомов углерода у двойной связи, с образованием гидроперекиси кислоты – гидропероксидэйкозатетраеноатов (ГПЭТЕ). А далее они восстанавливаются в соответствующие гидроксикислоты (ГЭТЕ). Схема биосинтеза представлена на рис. 2 и 3.

- 7 -

- 8 -

Лейкотриены С4, Д4, Е4 имеют заместители в виде трипептида глутатиона, дипептида глицил-цистеина или цистеина соответственно.

Эйкозаноиды действуют на клетки через специальные рецепторы. Некоторые рецепторы эйкозаноидов связаны с аденилатциклазной системой и протеинкиназой А – это большинство простагландинов, простациклины. Тромбоксаны, эндоперекиси и лейкотриены действуют через механизмы, увеличивающие уровень кальция в цитозоле клеток-мишеней. Эйкозаноиды действуют на клетки почти всех тканей организма.

Особенно велика роль эйкозаноидов в развитии воспаления. Воспаление – реакция организма на повреждение или инфекцию, направленная на уничтожение инфекционного агента и воспаление поврежденных тканей. Скорость синтеза эйкозаноидов зависит от освобождения жирной кислоты под действием фосфолипазы А2. Фосфолипаза А2 активируется многими факторами – это и гистамин, это и кинины, это и контакт антиген-антитело с поверхностью клетки, это и механические воздействия на клетку. Активация фосфолипазы А2 приводит к увеличению синтеза эйкозаноидов.

Многие эйкозаноиды выполняют функцию медиаторов воспаления и действуют на всех этапах воспаления. В результате увеличивается проницаемость капилляров, транссудат и лейкоциты проходят через сосудистую стенку. Лейкотриен В4 является мощным фактором хемотаксиса, взаимодействуя с рецепторами он стимулирует движение лейкоцитов в область воспаления и секрецию ими лизосомальных ферментов и фагоцитоз чужеродных частиц.

Симптомы воспаления – покраснение и жар - вызываются факторами, увеличивающими приток крови к месту повреждения. Такой симптом воспаления как отек – результат увеличения притока жидкости из капилляров и движение клеток белой крови в область воспаления. Боль

вызывается химическими компонентами и сдавлением нервных окончаний.

Велика роль эйкозаноидов в тромбообразовании. Тромбоксаны образуются в тромбоцитах и после выхода в кровяное русло вызывают сужение кровеносных сосудов и агрегацию тромбоцитов. Простациклины образуются в стенках кровеносных сосудов и являются сильными ингибиторами агрегации тромбоцитов. Таким образом, тромбоксаны и простациклины выступают как антагонисты.

В норме клетки эндотелия сосудов продуцируют простациклин I 2, который препятствует агрегации тромбоцитов и сужению сосудов. При нарушении эндотелия сосудов (например, в случае образования атеросклеротической бляшки) синтез РG 12 снижается. Тромбоциты в этом случае будут контактировать с поврежденной стенкой сосуда, в

- 10 -

результате чего активируется фосфолипаза А2. Это приводит к увеличению синтеза и секреции ТХ А2, который стимулирует агрегацию тромбоцитов и образование тромба в области повреждения сосуда.

Следует отметить, что эйкозаноиды, образующиеся из эйкозапентоеновой кислоты, образуют гораздо более сильные

ингибиторы тромбообразования, чем те, которые образуются из арахидоновой кислоты.

Исследованиями последних лет установлено, что на семейство эйкозаноидов, синтезируемых в организме, влияет состав жирных кислот пищи. Было замечено, что эскимосы Гренландии весьма редко страдают сердечно-сосудистыми заболеваниями, у них существенно понижена агрегация тромбоцитов и замедлено свертывание крови. Изучение этого вопроса показало, что обусловлено это потреблением большого количества рыбы, а именно, эйкозапентоеновой кислоты. Эйкозапентаеновая кислота содержится в рыбьем жире. Поэтому, люди, потребляющие рыбий жир в большом количестве, гораздо реже повержены инфаркту миокарда, как и вообще риску образования тромбов.

Механизм действия аспирина.

Аспирин – препарат подавляющий основные признаки воспаления. Механизм действия аспирина заключается в том, что он тормозит циклооксигеназу - фермент метаболизма арахидоновой кислоты, ведущий к образованию медиаторов воспаления – эйкозаноидов. Циклооксигеназа необратимо ингибируется путем ацетилирования серина в положении 530 в активном центре. Однако эффект действия аспирина не очень продолжителен, т.к. экспрессия гена фермента не нарушается при этом и новые молекулы фермента продуцируются.

В желудке аспирин подавляет синтез простагландинов, которые стимулируют выделение мукоидов – полисахаридов, которые защищают слизистую оболочку от протеолитических ферментов желудка. Поэтому, продолжительный прием аспирина может приводить к язве желудка. Механизм инактивации циклооксигеназы аспирином представлен на рис.4.

- 12 -

Механизм действия стероидных препаратов.

Механизм действия стероидных препаратов на воспаление совсем

другой. Он заключается в индукции синтеза белков – липокортинов, соединений, которые ингибируют активность фермента фосфолипазы А2 и, следовательно, уменьшают синтез всех типов эйкозаноидов. В этом случае арахидоновая кислота не освобождается из фосфолипидов мембран, свободная арахидоновая каслота не образуется. Поэтому, стероидные препараты полностью ингибируют метаболизм арахидоновой кислоты (и по циклооксигеназному пути, и по липоксигеназному).

Использование стероидных противовоспалительных препаратов особенно важно для больных, страдающих бронхиальной астмой.

Развитие симптомов этого заболевания (бронхоспазм и экссудация слизи в проствет бронхов) обусловлено, в частности, избыточной продукцией лейкотриенов тучными клетками, лейкоцитами и клетками эпителия бронхов.

Прием аспирина у больных, имеющих изоформу липооксигеназы с высокой активностью, может вызвать приступ бронхиальной астмы. Причина « аспириновой» бронхиальной астмы заключается в том, что аспирин ( как и другие нестероидные противовоспалительные препараты) ингибирует только циклооксигеназный путь метаболизма арахидоновой кислоты и, таким образом, увеличивает доступность ее для действия липооксигеназы. Соответственно, увеличивается и синтез лейкотриенов.

Стероидные препараты, ингибируя и липоксигеназный путь превращений, и циклооксигеназный путь превращений арахидоовой кислоты, не могут вызывать бронхоспазма.

Препараты эйкозаноидов успешно используются в качестве лечебных препаратов при ряде заболеваний. Например, аналоги РG E1 и PG E2 подавляют секрецию соляной кислоты в желудке, блокируя гистаминовые рецепторы 11 типа в клетках слизистой оболочки желудка. Эти лекарства, известные как Н2-блокаторы, ускоряют заживление язв желудка и двенадцатиперстной кишки. Способность РG E2 и РG F2-альфа стимулировать сокращение мускулатуры матки используют для стимуляции родовой деятельности.

Эйкозаноиды инактивируются в течение нескольких секунд и благодаря быстрому разрушению дальность действия их ограничена. Инактивация простагландинов связана с их окислением (у С15-атома), восстановлением по месту двойных связей, с с последующим бэта-окислением, а затем омега-окислением боковой цепи. Конечные продукты (дикарбоновые кислоты) выделяются с мочой.

- 13 -

Некоторые биологически активные пептиды.

Из тканей желудочно-кишечного тракта выделено более 10 биологически активных пептидов. Многие из них по механизму действия могут быть причислены к истинным гормонам, проявляющим эндокринный эффект. К ним относятся гастрин, секретин, мотилин, холецистокинин, GIP, панкреатический полипептид и энтероглюкагон. Другие желудочно-кишечные пептиды обладают паракринным и нейроэндокринным действием: вазоактивный интестинальный пептид (VIP), соматостатин.

К особенностям эндокринной системы ЖКТ относят то, что ее клетки рассеяны по разным отделам, а не собраны в отдельном органе. Многие из этих пептидов найдены в нервах ЖКТ, а также в клетках ЦНС.

Гастроинтестинальные гормоны влияют на двигательную, секреторную, переваривающую активности ЖКТ, а также интенсивность абсорбции в кишечнике. Они регулируют выделение желчи, а также секрецию панкреатических гормонов, оказывают влияние на тонус сосудистых клеток, давление крови и сердечный выброс.

Основываясь на сходстве аминокислотных последовательностей, гастроинтестинальные гормоны подразделяют на несколько семейств:

- семейство гастрина-холецистокинина состоит из гастрина и холецистокинина;

- семейство секретина-глюкагона, состоящее из секретина, глюкагона, желудочного ингибиторного пептида, вазоактивного интестинального пептида, пептида гистидин-изолейцин;

- семейство РР, включающее панкреатический полипептид (РР), полипептид YY (PYY), нейропептид Y (NPY);

- другие гастроинестинальные гормоны, которые не относятся ни к одному из этих семейств, например, соматостатин, мотилин, вещество Р и т.д.

Сравнительно мало известно о механизмах действия гормонов ЖКТ. На ацинарных клетках поджелудочной железы идентифицировано шесть разных классов рецепторов. Один из них для семейства гастриксина функционирует при участии инозитолфосфатной системы; рецепторы секретина и VIP – компоненты аденилатциклазной системы.

- 14 -

Литература, использованная при написании лекции.

1. «Биохимия» – Под ред. Е.С.Северина. 2004 г, М., ГЭОТАР-МЕД.

2. «Наглядная биохимия» - Я.Кольман, К.Рем. 2000 г., М., Мир.

3. «Биологическая химия» - Т.Березов, Б.Коровкин, М., Медицина.

4. «Биохимия человека» - Р Мари, Д.Греннер, П.Мейес, В.Родуэл. 1993 г., М., Мир.