Лекция 2 Обмен эйкозаноидов в норме и при патологиях

Эйкозаноиды В середине 30-х годов 20 века шведский ученый Эйлер (V. Euler) обнаружил в экстракте из предстательной железы (простаты) биологически активные вещества, которые он назвал простагландинами (PG), полагая, что они присутствуют только в предстательной железе. Позже было установлено, что простагландины образуются практически во всех органах и тканях. В 1962 г. была расшифрована химическая структура простагландинов. Простагландины вместе с лейкотриенами и тромбоксанами составляют группу эйкозаноидов – биологически активных веществ, содержащих 20 атомов углерода (эйкоза по-гречески 20).

Функции эйкозаноидов Эйкозаноиды регулируют тонус гладкой мускулатуры, влияя на артериальное давление, состояние бронхов, кишечника, матки. Регулируют секрецию воды и натрия почками, влияют на свертывание крови. Регулируют состояние слизистой оболочки желудка. Участвуют в формировании процесса воспаления при повреждении тканей и инфекции (боль, отек, лихорадка). Избыточная секреция эйкозаноидов приводит к развитию таких заболеваний как бронхиальная астма и других аллергические реакции, а также к тромбозам. Недостаточная секреция эйкозаноидов приводит к возникновению язвы желудка.

Что такое простагландины? Простагландины – биологически активные вещества, являющиеся производными ненасыщенных жирных кислот, состоящие из 20 атомов углерода. Молекула простагландина содержит пятичленный цикл и две боковые цепи. Обычно в 15-м положении у них имеется гидроксильная группа.

Классификация простагландинов В зависимости от строения цикла и характера боковых цепей простагландины делят на несколько типов, обозначаемых буквами: А, В, С, D, Е, F, H, I, J. Внутри типа простагландины делят на 1-ю, 2- ю и 3-ю серии в зависимости от числа двойных связей в боковых цепях молекулы. С учетом типа и серии простагландины обозначают как PGE2, PGD1, PGH2 и т.д.

Разделение простагландинов на типы А В С D E F H J

Простациклины PGI Имеют 2 кольца: одно пятичленное (как другие простагландины), а другое – пятичленное с кислородом в цикле

ТРОМБОКСАНЫ Имеют шестичленное кольцо, включающее атом кислорода, синтезируются только в тромбоцитах, стимулируя их агрегацию при образовании тромба

Синтез простагландинов семейств 1, 2 и 3 из разных субстратов Арахидоновая кислота (20:4; С5, С8, С11, С14; -6 ряд) PGE2 PGF2 PGI2 Эйкозатриеновая кислота (20:3; С8, С11,С14; -6 ряд) PGE1 PGF1 PGI1 Эйкозапентаеновая кислота (20:5, С5, С8, С11, С14, С17; -3 ряд) PGE3 PGF3 PGI3

Источники субстратов Полиеновые кислоты поступают в организм с пищей или образуются из незаменимых жирных кислот с 18 атомами углерода (линолевая и линоленовая кислоты) Линолевая кислота 18:2 (9,12) 18:320:3 20:4 ( -6 ряд) Линоленовая кислота 18:3 (9,12,15) 18:4 20:4 20:5 ( -3 ряд)

Биологические эффекты различных простагландинов PGE2 (большинство тканей) – расслабление гладкой мускулатуры, расширение сосудов, инициация родовой деятельности, подавление миграции лимфоцитов, пролиферации Т-клеток. PGF2 (большинство тканей) – сокращение гладкой мускулатуры, сужение сосудов, бронхов, стимуляция сокращения матки. PGD3 (клетки гладкой мускулатуры) – расширение сосудов, снижение агрегации тромбоцитов и лейкоцитов. PGI2 (сердце, эндотелий сосудов) - снижение агрегации тромбоцитов, расширение сосудов. TXA2 (тромбоциты) – стимуляция агрегации тромбоцитов, сужение сосудов, бронхов TXA3 (тромбоциты) – те же функции, что и у TXA2, но значительное менее эффективен

Синтез эйкозаноидов из арахидоновой кислоты Катехоламины, брадикинин, ангиотензин II, гистамин, цитокины Циклооксигеназа 1/2 5-липоксигеназа

Циклооксигеназный и липоксигеназный пути превращения полиеновых жирных кислот Синтез простагландинов начинается только после освобождения полиеновых кислот из фосфолипидов мембраны. Активация этого процесса происходит под действием гормонов, цитокинов, гистамина, механического воздействия После освобождения полиеновой кислоты в цитоплазму в зависимости от типа клеток происходит ее превращение в простагландины (циклооксигеназный путь) или в лейкотриены (липоксигеназный путь) Циклооксигеназный путь – включение в арахидоновую кислоту 4 атомов кислорода и формирование 5-членного кольца. Образуется нестабильное гидропероксипроизводное (PGG2), которое в результате действия пероксидазы превращается в PGH2 (восстановленная OH-группа у 15 атома углерода) Липоксигеназный путь начинается с присоединения к одному из атомов углерода у двойной связи молекулы кислорода с образованием гидропероксидов

Синтез простагландинов и тромбоксанов Время полужизни PGH s) Время полужизни PGH2 90 c простагландин Е2 эндотелий тромбоциты

Для синтеза простагландинов необходим набор ферментов Получение первого интермедиата PGH2 обеспечивает мембранный фермент простагландин (РGH2)-синтетаза (циклооксигеназа), имеющая две ферментативные активности: циклооксигеназную и пероксидазную Дальнейшие превращения осуществляют соответствующие изомеразы, набор которых в разных тканях различается

Циклооксигеназа Циклооксигеназа (ЦОГ; простагландин G/H синтаза, КФ ), катализирует первые 2 стадии синтеза простагландинов. Гомодимер из идентичных гликопротеинов (576 и 581 а.к.) с двумя активными центрами, обладающими разной ферментативной активностью. Катализирует включение в арахидоновую кислоту (АА) 4 атомов кислорода и формирование пятичленного кольца (образование нестабильного PGG2). Затем у PGG2 происходит восстановление гидропероксида у 15 атома углерода до гидроксильной группы (пероксидаза) с образованием стабильного PGH2. Локализована в ЭПР, каждая субъединица димера содержит три домена: домен фактора роста эпидермиса (34–72), мембранный домен (73–116) и каталитический домен с пероксидазным и циклооксигеназным активными центрами В активном центре циклооксигеназы – тирозин (Tyr385), в активном центре пероксидазы – гем. Гем находится на дне неглубокой щели. Благодаря такой структуре к гему имеют доступ многие гидрофильные соединения, препятствие обеспечивается небольшим кластером из нескольких гидрофобных аминокислот, формирующим купол над частью щели. Структура активного центра объясняет широкую субстратную специфичность пероксидазы ЦОГ, которая восстанавливает многие органические пероксиды.

Циклооксигеназа Активный центр циклооксигеназы находится на вершине канала в виде буквы L, сформированного мембранным доменом. Вход в канал состоит из широкого прохода, который сужается и должен открываться, чтобы субстрат или ингибитор смогли войти вглубь канала Когда AA связывается с активным центром циклооксигеназы, она располагается так, что ее ω-метильная группа находится в узком конце канала. При этом С-13 располагается близко к Tyr-385 активного центра Первая стадия превращения AA в гидрокси-эндопероксид, PGG2, представляет собой отделение атома водорода (в S-конфигурации) у C-13. Основной вклад ЦОГ в формирование PGG2 - обеспечение стереоспецифичности. Катализ циклооксигеназной реакции требует, чтобы фермент был сначала активирован, что зависит от пероксидазной активности. Двухэлекторонное восстановленре пероксидного субстрата приводит к окислению железа гема до оксо-феррилпорфиринового радикала. Перенос электрона к гему от Tyr-385 обеспечивает появление тирозильного радикала в циклооксигеназном центре. Именно это обеспечивает удаление атома водорода от С-13 AA, инициируя циклооксигеназную реакцию. Конечная стадия реакции, восстановление пероксильного радикала до гилроксипероксида с образованием PGG2 регенерирует тирозильный радикал. Таким образом, активированная ЦОГ может совершить много оборотов без повторения стадии активации. После инициации циклооксигеназной реакции функция пероксидазы сводится к восстановлению15-гидроперокси группировки PGG2 до соответствующей спиртовой группировки PGH2

Лейкотриены Характерная особенность лейкотриенов – отсутствие циклической структуры и наличие трех сопряженных связей (три-ен). Вырабатываются они в основном в полиморфоядерных лейкоцитах (5- липоксигеназа), хотя этот процесс происходит также в тромбоцитах (12-липоксигеназа) и эозинофилах (5-липоксигеназа). Выделяют типы лейкотриенов А, В, С, D и Е, в зависимости от количества двойных связей их делят на серии 3, 4 и 5.

Образование лейкотриенов 5-липоксигеназа Липоксигеназы проводят окисление 5-го, 12-го и 15-го атома углерода в зависимости от типа ткани Лейкоциты и тучные клетки Лейкотриены имеют три сопряженные двойные связи

Лейкотриен В4 Лейкоциты и клетки эпителия сосудов

Лейкотриены LTD4 и LTE4 Лейкротриен LTС4 в 6-м положении содержит глутатион Лейкотриен LTD4 в 6-м положении содержит глицилцистеин, присоединенный через SH-группу Лейкотриен LTЕ4 в том же положении содержит цистеин Формулы этих соединений напишите на экзамене

Функции лейкотриенов LTС4, LTD4, LTE4, клетки белой крови, альвеолярные макрофаги: расширение сосудов, увеличение их проницаемости, сокращение бронхов, основной «медленный компонент анафилактической реакции» LXA4, лейкоциты: активация хемотаксиса и образование супероксид аниона в лейкоцитах

Фармакологическое устранение эффектов лейкотриенов В настоящее время имеется два способа фармакологического устранения эффектов лейкотриенов: антагонисты рецепторов цистеиновых лейкотриенов (С4, D4 и Е4 содержат цистеин, поэтому их называют цистеиновыми лейкотриенами): монтелукаст, зафирлукаст Ингибитор 5-липоксигеназы (зилеутон)

Регуляция скорости синтеза простагландинов Скорость биосинтеза эйкозаноидов зависит от общего количество свободных жирных кислот. Вещества, влияющие на расщепление фосфолипидов и эфиров холестерина, содержащих полиненасыщенные жирные кислоты, влияют на их синтез. Некоторые гормоны (катехоламины, брадикинин, ангиотензин) увеличивают освобождение жирных кислот из фосфолипидов, увеличивая синтез простагландинов (например, при ишемии). Метаболизм простагландинов, приводящий к их быстрой инактивации, осуществляется во всех тканях, но особенно активно в легких, печени и почках. Кортикостероиды подавляют воспаление за счет индукции синтеза липокортинов, которые ингибируют активность фосфолипазы А2 (лечение бронхиальной астмы).

Липокортин (аннексин) Липокортин 1 (аннексин-1) белок, состоящий из 346 аминокислот, имеет молекулярный вес 38,716 Да. Липокортин-1 один из представителей семейства липокортинов (аннексинов), синтезируемый в различных клетках под воздействием глюкокортикоидов. Липокортин-1 опосредует различные иммуносупрессивные, противовоспалительные, противоаллергические эффекты глюкокортикоидов. Липокортин-1 подавляет активность фосфолипазы A2, благодаря чему снижается синтез различных эйкозаноидов, в частности простагландинов и лейкотриенов. Липокортин-1 угнетает активность циклооксигеназы типов 1 и 2, что усиливает ингибиторный эффект на биосинтез простагландинов. Связываясь с специфическими липокортиновыми рецепторами на мембране лейкоцитов, липокортин-1 угнетает различные стороны активности лейкоцитов: эпителиальную адгезию, миграцию лейкоцитов из сосудистого русла, хемотаксис, фагоцитоз, окислительный метаболизм. Липокортин-1 снижает освобождение различных медиаторов аллергии и воспаления (в частности, лизосомальных ферментов, цитокинов, тканевого активатора плазминогена) из нейтрофилов, макрофагов и мастоцитов (тучных клеток).

Инактивация эйкозаноидов Все типы эйкозаноидов инактивируются быстро, величина Т 0,5 для свободных эйкозаноидов оставляет обычно от нескольких секунд до нескольких минут Инактивация происходит за счет окисления гидроксильной группы в положении 15, особенно важной для активности, до кетогруппы. Далее восстанавливается двойная связь в положении 13. Затем происходит окисление боковых цепей. Конечные продукты – дикарбоновые кислоты, выделяются из организма с мочой.

Трансклеточный синтез эйкозаноидов Некоторые клетки имеют полный набор ферментов, необходимых для продукции биологически активных простагландинов и лейкотриенов. Часто биосинтез простагландинов является результатом межклеточных взаимодействий и переноса химически реактивных интермедиатов, PGH2 и лейкотриена A4, между клетками. Этот процесс называется трансклеточный биосинтез эйкозаноидов

Трансклеточный синтез простагландинов 1. Превращение арахидоната осуществляется в клетке одного типа (клетка донор), а затем интермедиат передается во вторую клетку (клетка акцептор) для полной трансформации в биологически активный медиатор. 2. Перенос осуществляет белок, связывающий жирные кислоты (FABP). Связывание простагландинов с этим белком существенно увеличивает время их полужизни (до мин) Клетка-донор ЦОГ PGH2 Клетка-акцептор Синтазы PGs, ТХА FABР PGH2

Роль эйкозаноидов в развитиии воспаления Воспаление – реакция организма на повреждение или инфекцию, направленная на уничтожение инфекционного агента и восстановление поврежденных тканей. Продукция простагландинов, а также гистамина и кининов активируется каскадами реакций, запускаемых при внедрении инфекционных агентов Результат – увеличение проницаемости капилляров, перемещение лейкоцитов через сосудистую стенку. Мощным фактором хемотаксиса является лейкотриен А4.

Физиологический антагонизм между простациклином (PGI 2) из эндотелия кровеносных сосудов и тромбоксаном А2 (TXA2) из тромбоцитов

Роль эйкозаноиов в формировании тромба В норме клетки эндотелия продуцируют простациклин I2, который препятствует агрегации тромбоцитов и сужению сосудов При разрушении клеток эндотелия (при формировании бляшек) синтез PGI2 снижается Тромбоциты, соприкасаясь со стенкой сосудов, активируют фосфолипазу А2, увеличивая секрецию TxA2 TxA2 стимулирует агрегацию тромбоцитов и образование тромба При диете с преобладанием арахидоновой кислоты над эйкозапентаеновой, действие TxA2 уравновешено действием PGI2. Преобладание омега-3 кислот обеспечивает образование более сильных ингибиторов тромбообразования (PGI3, PGE3, PGD3), снижая риск образования тромба

Механизмы действия простагландинов Простагландины взаимодействуют с рецепторами цитоплазматических мембран; Один и тот же простагландин может действовать по паракринному и аутокринному механизму (TxA2 влияет на тромбоциты и клетки эндотелия, увеличивая агрегацию тромбоцитов и сужая сосуд) Простагландины способны проникать через мембраны (включая гематоэнцефалический барьер) и связываться с внутриклеточными белками, влияя, например, на синтез ДНК. Некоторые простагландины индуцируют перенос катионов через биологические мембраны, изменяя физиологическое состояние клеток.

Мембранные рецепторы простагландинов PGE2: четыре подтипа рецепторов (EP-1, EP-2, EP- 3, EP-4 ), мозг, гладкие мышцы сосудов, макрофаги, почки, тромбоциты EP-1EP-2EP- 3EP-4EP-1EP-2EP- 3EP-4 PGD2: два подтипа рецепторов(DP1 и DP2), тучные клетки, мозг, дыхательные пути DP1DP2DP1DP2 PGF2: рецептор FP, матка, дыхательные пути, гладкие мышцы сосудов FP PGI2, простациклин: рецептор PG-I2, эндотелий, почки, тромбоциты, мозг. PG-I2 TX-A2: рецептор подтипа TR, тромбоциты, макрофаги. рецептор подтипа TRрецептор подтипа TR Мембранные рецепторы для простагландинов относятся к серпентиновым рецепторам с 7 трансмембранными сегментами, локализованы они в плазматической мембране.

Изоформы ЦОГ У человека описано два гена, кодирующих ЦОГ: COX-1 и COX-2. Альтернативный сплайсинг продукта первого гена дает две формы фермента ЦОГ-1 считали конститутивной формой, которая работает практически постоянно и выполняет физиологически важные функции. ЦОГ-1 ингибируется неселективными НПВС (аспирин), и это порождает многие побочные эффекты, в частности, бронхоспазм. Это обусловлено тем, что активность фосфолипазы А2 остается постоянной, простагландины не синтезируются, вся арахидоновая кислота идет на синтез лейкотриенов, которые и обеспечивают бронхоспазм.

Изоформы ЦОГ ЦОГ-2 считали индуцибельной изоформой, которая включается при определённых ситуациях, например при воспалении. ЦОГ-2 экспрессируется макрофагами, синовиоцитами, фибробластами, гладкой сосудистой мускулатурой, хондроцитами и эндотелиальными клетками после индуцирования их цитокинами или факторами роста.

Изоформы циклооксигеназы (ЦОГ-2 гипотеза) Циклооксигеназа (ЦОГ) ЦОГ-1 конститутивный фермент ЦОГ-2 конститутивный фермент в мозге и корковом слое почек, в других тканях - индуцибельный фермент, активность которого при воспалении возрастает в раз, время полужизни много меньше, чем у ЦОГ-1 простагландин: PGE2 и тромбоксан А2 Регуляция желудочно-кишечной, почечной, сосудистой функций Воспаление и боль (напр. ревматодный артрит), активация метастатического перерождения клеток

Изоформы ЦОГ Ген ЦОГ-1, Ptgs-1, кодирует mRNA 2.8 kb, которая является относительно стабильной. Ген ЦОГ-2, Ptgs- 2, активируется под действием различных воспалительных и пролиферативный агентов, у mRNA ЦОГ-2 4 kb время жизни очень короткое за счет присутствия нестабильных последовательностей в 3-нетранслируемой области. Различия в характере экспрессии генов двух изоформ ЦОГ объясняли тем, что ЦОГ-1 производит простагландины, которые необходимы для поддержания гомеостаза, включая сохранение функции слизистой оболочки и свертывания крови, тогда как ЦОГ-2 играет роль преимущественно в образовании PG во время патогенеза,, например, при воспалении или канцерогенезе.

Ингибирование циклооксигеназы ацетилсалициловой кислотой. Необратимое ацетилирование остатка серина в положении 529 (530) в молекуле циклооксигеназы тромбоцитов человека приводит к образованию стерического препятствия для взаимодействия между этим ферментом и его субстратом арахидоновой кислотой (по Shimikawa и Smith, 1992).

Неспецифические ингибиторы ЦОГ Аспирин – необратимо ингибирует ЦОГ-1 и ЦОГ-2 за счет ацетилирования серина вблизи активного центра (Ser530) (J. Vein, 1971) Ибупрофен и ацетоминофен – конкурентные обратимые ингибиторы обеих изоформ ЦОГ Считают, что терапевтическое действие этих препаратов связано в основном с ингибированием ЦОГ-1. Однако ингибирование этой изоформы обеспечивает повреждение слизистой оболочки желудка (в США за счет этого смертей в год)

Специфические ингибиторы изоформ ЦОГ Селективные ингибиторы ЦОГ-2 (вальдекоксиб, рофекоксиб, целекоксиб) были синтезированы для уменьшения токсического воздействия на желудочно- кишечный тракт. Селективные ингибиторы ЦОГ-2 (вальдекоксиб, рофекоксиб, целекоксиб) были синтезированы для уменьшения токсического воздействия на желудочно- кишечный тракт. Селективность ингибиторов ЦОГ-2 увеличивается в ряду: рофекоксиб > валдекоксиб > парекоксиб > целекоксиб) Рофекоксиб был отозван фирмой Merk в связи с повышенным риском возникновения инфаркта миокарда и инсульта

С чем связаны проблемы применения ингибиторов ЦОГ-2? Воздействия на ЦОГ отражаются на синтезе регуляторов гемостаза - тромбоксана (TxA2) и простациклина (PGI2). Тромбоксан активирует тромбоциты, вазоконстрикцию и пролиферацию гладкомышечных клеток. Значимость тромбоксана для внутриартериального тромбообразования доказана высокой эффективностью его антагониста аспирина при острых коронарных синдромах и при вторичной профилактике инфаркта миокарда и инсультов. В тромбоцитах содержится только ЦОГ-1, поэтому коксибы не влияют на уровень тромбоксана.

С чем связаны проблемы применения ингибиторов ЦОГ-2? Простациклин - вазодилататор и мощный ингибитор активации тромбоцитов. Он вырабатывается клетками эндотелия сосудов и рассматривается как часть защитного механизма, ограничивающего последствия активации тромбоцитов «in vivo». Ингибиторы ЦОГ-2 (в частности, целекоксиб) уменьшают общее (системное) образование простациклина (было оценено по уровню экскреции его метаболитов с мочой). Соответственно, был сделан вывод о том, что в нормальных условиях (в здоровом сосуде) в клетках эндотелия индуцируется выработка ЦОГ-2, и что эта изоформа ЦОГ определяет уровень синтеза простациклина в организме Ингибиторы ЦОГ-2 (в частности, целекоксиб) уменьшают общее (системное) образование простациклина (было оценено по уровню экскреции его метаболитов с мочой). Соответственно, был сделан вывод о том, что в нормальных условиях (в здоровом сосуде) в клетках эндотелия индуцируется выработка ЦОГ-2, и что эта изоформа ЦОГ определяет уровень синтеза простациклина в организме

С чем связаны проблемы применения ингибиторов ЦОГ-2? У здоровых людей возрастание риска тромбообразования при ингибировании ЦОГ-2 невелико, так как эндотелий выделяет другие защитные вещества, в частности, оксид азота. Однако оно становится реальным при наличии различных сопутствующих заболеваний, которые часты у кандидатов на терапию ингибиторами ЦОГ-2, при которых вероятность возникновения тромбозов итак повышена (например, при атеросклерозе)

Последствия ингибирования ЦОГ-2 в нормальных и атеросклеротических артериях норма атеросклероз Ингибитор ЦОГ-2 PGI TxA2 PGI

Новый взгляд на изоформы ЦОГ Исследование мышей генетически дефицитных по ЦОГ-1 или ЦОГ-2, как и клинические эксперименты с селективными ингибиторами ЦОГ-2 поставили под сомнение парадигму о функциях двух этих изоформ. ЦОГ-2 была обнаружена почти во всех тканях человека, хотя активность ее была существенно различной. Конститутивная экспрессия ЦОГ-2 была выявлена в мозге, почках, репродуктивном тракте женщин. Были получены данные об индукции ЦОГ-1 под действием липополисахаридов, имитирующем воспалительный ответ, и при дифференциации клеток. Было установлено, что ЦОГ-1 конститутивно экспрессируется в клетках, обеспечивающих воспалительный ответ, данные по нокауту ЦОГ-1 у мышей и по применению селективных ингибиторов ЦОГ-2 у человека ставят под сомнение парадигму о том, что ЦОГ-2 – это индуцибельный фермент. Данные о том, что удаление ЦОГ-2 или ее ингибирование может привести к снижению или устранению воспалительного ответа зависят от модели. Возникновение язв представляет собой процесс, который возникает при совместном действии селективных ингибиторов ЦОГ-1 и ЦОГ-2. Исследование мышей с нокаутом ЦОГ-2 свидетельствует о гомеостатической функции этой изоформы. Генетическое удаление ЦОГ-2 приводит к нарушению постнатального развития почек, нокаутные самки стерильны, что связано с отсутствием овуляции и имплантации эмбриона Это свидетельствует, что ЦОГ-2 гипотеза, описывающая функцию ЦОГ-1 как гомеостатическую и ЦОГ-2 как патофизиологическую, является несостоятельной.

Применения простагландинов Препараты простагландинов и их производных используют в экспериментальной и клинической медицине для прерывания беременности и родовспоможения, терапии язвы желудка, бронхиальной астмы и некоторых сердечно- сосудистых заболеваний, коррекции гемостаза, как антикоагулянты при операциях с искусственным кровообращением и при гемодиализе. Некоторые производные простагландинов используют для синхронизации полового цикла при искусственном осеменении в ветеринарии.

Спасибо за внимание Спасибо за внимание!