Молекулы и болезни

Лекторы: Гусев Николай Борисович , заведующий кафедры биохимии, член-корр. РАН Орлов Сергей Николаевич, профессор кафедры биофизики, академик РАЕН Максимов Георгий Владимирович, профессор кафедры биофизики Лопина Ольга Дмитриевна, профессор кафедры биохимии

Лекция 1.

Холестерин, атеросклероз и желчекаменная болезнь

Алекса́ндр Фле́минг

Александр Флеминг ( Sir Alexander Fleming) –английский бактериолог, открывший лизоцим (антибактериальный фермент, вырабатываемый у человека ) и впервые выделивший антибиотик пенициллин из плесневых грибов Penicillium notatum . В 1928 году он обнаружил, что на агаре в одной из чашек Петри с бактериями Staphylococcus aureus выросла колония плесневых грибов. Колонии бактерий вокруг грибов стали прозрачными, поскольку клетки бактерий погибали. Флемингу удалось выделить активное вещество, действующее на бактериальные клетки, пенициллин.

Нобелевская премия по физиологии и медицине 1945 года

Работу Флеминга продолжили Говард Флори и Эрнст Борис Чейн, разработавшие методы очистки пенициллина. Массовое производство пенициллина было налажено во время Второй мировой войны.

В 1945 Флеминг, Флори и Чейн были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины.

В первую очередь благодаря открытию антибиотиков продолжительность жизни в промышленно развитых странах увеличилась почти в 2 раза с 40-44 лет (1940 г.) до 70-72 (1975 г.).

Атеросклероз и холестерин 1. Атеросклероз: По данным ВОЗ на 2000 год результатом

атеросклероза является 21% смертности во всем мире. 2. В промышленно развитых странах последствия атеросклероза (в основном инфаркт и инсульт) являются главной причиной

смертности. 3. По данным Европейского кардиологического общества среди всех

европейских стран наивысшая смертность от последствий атеросклероза (инфаркта миокарда и инсульта) наблюдается в Белоруссии и России.

4. Есть корреляция между уровнем холестерина в крови и смертностью среди мужчин в европейской и североамериканской популяции.

Структура молекулы холестерина

Полярная голова

Стероидное ядро

Гидрофобная боковая цепь

Холестерин и лишний вес

Содержание холестерина в различных организмах 1. Холестерин содержится исключительно в продуктах животного происхождения (поэтому «подсолнечное масло без холестерина» - это рекламный трюк) 2. В клетках он находится главным образом в наружной (плазматической) мембране. 3. В крови человека холестерин присутствует в составе липопротеидных комплексов

Липиды

Липиды – это гидрофобные соединения, нерастворимые в воде и растворимые в органических растворителях: жирные кислоты и триацилглицериды; фосфолипиды и холестерин некоторые витамины, другие биологически активные вещества (стероидны гормоны, простагландины) и пигменты, например, хлорофилл)

Cтруктура молекулы жирной кислоты

Углеводородная цепь

Карбоксильная группа

Насыщенная жирная кислота Ненасыщенная жирная кислота

Жирные кислоты и триацилглицериды

Липидный бислой, мицелла и липосома

Строение липидного бислоя

Структура мембраны

Зачем организму человека нужен холестерин?

Формирование рафтов в плазматической мембране, которые обеспечивают процесс экзо(эндо)цитозаа Сырье для синтеза:

стероидных гормонов (глюко- и минералокортикоидов, мужских и женских половых гормонов);

витамина D; желчных кислот.

Всего в обмене холестерина участвует около 300 белков. В процесс синтеза холестерина вовлечено около 100 белков Холестерин нужен организму человека!

Последствия пониженного уровня холестерина в крови

Низкий уровень холестерина в крови опасен и может вызвать различные заболевания. Холестерин крайне необходим организму, при его дефиците увеличивается количество суицидов, легче возникают депрессивные состояния, может наступить бесплодие и некоторые заболевания нервной системы, например, болезнь Паркинсона. Причины этого пока неясны, возможно, это связано с тем, что холестерин в больших количествах входит в состав миелиновой оболочки, которая обеспечивает изоляцию нервных клеток и нормальное проведение нервного импульса.

Микродомены липидов и белков в плазматической мембране (RAFTS)

Липидный микродомен (RAFT) в мембране

Гормоны и медиаторы

эстрогены

прогестерон

Красным цветом обведены названия эндокринных желез, которые синтезируют гормоны из холестерина, и названия этих гормонов.

Минерало кортикоиды

Холестерин как предшественник стероидных гормонов

кортикостерон

холестерин

прегненолон

прогестерон

альдостерон

кортизол

тестостерон

эстрадиол

Стероидные гормоны

Половые гормоны

Синтетические противовоспалительные стероиды

Гормоны коры надпочечников

Холестерин как предшественник желчных кислот

Из холестерина синтезируются желчные кислоты, которые необходимы для эмульгации (диспергирования) липидов в желудочно-кишечном тракте. Диспергирование липидов необходимо для их полноценного переваривания. 7-альфа-гидроксилаза холестерина ингибируется желчными кислотами. Прерывание циркуляции желчных кислот активирует этот фермент.

Холестерин

Хенодезоксихолевая Холевая

Витамин Д3 (холекальциферол)

Что такое атеросклероз?

Атеросклероз – это образование наростов (бляшек) внутри сосудов, что приводит к значительному уменьшению количество крови, доставляемому к определенному органу (чаще всего сердцу или мозгу). Результатом этого является поражение жизненно важных органов (чаще всего сердца или мозга): инфаркт или инсульт.

Атеросклеротическая бляшка

Начало исследований Война в Корее (1950-1953). Погибшие молодые солдаты США подвергались тщательному патолого-анатомическому исследованию. Каково же было изумление паталогоанатомов, когда они обнаружили выраженный атеросклероз артерий сердца у 50% погибших солдат в возрасте до 21 года. У некоторых сосуды сердца были сужены более чем на 50%. При жизни у этих солдат не было никаких симптомов сосудистых заболеваний, поскольку первые симптомы появляются лишь только тогда, когда просвет сосуда закрыт уже на 75%.

Одна из причин атеросклероза Основная причина атеросклероза – нарушение баланса между поступлением в организм холестерина (с пищей и за счет синтеза молекул холестерина внутри организма) и его выведением из организма Может быть совсем отказаться от продуктов с холестерином?

Нет! Но почему?

?

Баланс холестерина в организме человека

Поступление с пищей 0,3-0,5 г

Синтез в организме около 1 г

Всего в организме около 140 г Клетки 93% Кровь 7%

Мембраны клеток ЛП крови Использование

(в сутки)

Желчные кислоты (0,6 г) Кожное сало

(100 мг)

Синтез витамина Д3 (10 мг)

Стероидные гормоны (40 мг)

Окисление, удаление с фекалиями (0,5 г)

Основные этапы синтеза холестерина

1.Образование мевалоновой

кислоты из ацетил-КоА 2. Образование

изопентенил-пирофосфата (5 атомов С)

3. Образование сквалена (30

атомов С) 4. Превращение сквалена в

холестерин (27 атомов С)

Холестерин

Сквален

Активированный изопрен изопрен

Мевалонат

Ацетил

Начальные этапы синтеза холестерина

Получения мевалоновой кислоты связано с функционированием 3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА-редуктазы (ГМГ-КоА-редуктаза)

Ингибиторы ГМК-КоА-редуктазы

Мевалоновая кислота

Компактин Симвастатин Правастатин Ловастатин

Уровень холестерина в крови

Норма: менее 5, 18 ммоль/л Пограничный уровень: 5,18-6,19 ммоль/л Повышенный уровень: более 6,2 ммоль/л

При повышении уровня холестерина наблюдается атеросклероз, при его снижении – депрессии, бесплодие

Экзогенный холестерин. Попадание липидов в кровь после еды

Плазма крови до (слева) и после еды (справа)

Транспорт холестерина Монослой фосфо- липидов

АпоВ-100

холестерин

эфиры холестерина

триацилглицериды

ХМ

ЛПНП

ЛПОНП

ЛПВП

Транспорт холестерина: «плохой» и «хороший» холестерин

Нет «плохого» и «хорошего» холестерина! Есть разные способы его транспортировки, которые обеспечивают либо выведение холестерина из организма, либо его сохранение в организме. Липопротеиды высокой плотности – «хороший холестерин». Липопротеиды низкой плотности – «плохой холестерин».

Почему?

кишечник печень

хиломикроны

ЛПНП

ЛПВП

Предшественники

ЛПВП из печени и

желудка

капилляр

Свободные жирные кислоты

Обратный транспорт

холестерина

ткани

1.

.

Транспорт экзогенного холестерина липопротеидами крови

1 После всасывания экзогенный холестерин транспортируется в печень в составе хиломикронов (ХМ) 2. Эндогенный холестерин секретируется из печени в составе липопротеидов очень низкой плотности (ЛПОНП) 3. ЛПОНП под действием ЛП-липазы превращаются в липопротеиды промежуточной плотности (ЛППП) (содержат около 45% холестерина), которые затем превращаются в липопротеиды низкой плотности (ЛПНП), содержащие около 55% холестерина 4. Обратный транспорт холестерина в печень осуществляется с использованием липопротеидов высокой плотности (ЛПВП)

Состав различных липопротеидов

Липо- про-теид

Плот- ность (г/мл)

Бе-лок

Фос- фо- липи-ды

Свобод- ный холе-стерин

Эфиры холестер

и на

Триацил гли-

цериды

ХМ

Менее 1,006

2

9

1

3

85

ЛПОНП

0,95-1,006

10

18

7

12

50

ЛПНП

1,006-1,063

23

20

8

37

10

ЛПВП

1,063-1,210

55

24

2

15

4

Kritchevsky, D. (1986) Atherosclerosis and nutrition, Nutr. Int. 2, 290-297.

Функция различных липопротеидов

ХМ - транспорт экзогенных триацилглицеридов ЛПОНП – транспорт эндогенных триацилглицеридов ЛППП – предшественник ЛПНП ЛПНП – транспорт холестерина ЛПВП – обратный транспорт холестерина

Аккумуляция холестерина клетками печени ЛПНП

Рецептор ЛПНП АпоВ-100

Капли эфиров холестерина Жирные кислоты

ЭР холестерин

эндосома

Лизосома

Синтез рецептора ЛПНП

Комплекс Гольджи

Ядро

Выведение холестерина из организма

Выведение холестерина осуществляется только за счет превращения холестерина в печени в желчные кислоты, которые накапливаются там, выделяются в пищеварительный тракт и покидают организм с фекалиями. Это основной путь выведения холестерина из организма

Желчекаменная болезнь

У большинства больных желчнокаменной болезнью повышена активность ГМК-КоА-редуктазы и снижена активность 7-альфа-гидроксилазы. В результате увеличен синтез холестерина и снижен синтез желчных кислот, что увеличивает долю холестерина, секретируемого в желчь.

Роль насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в обратном транспорте

холестерина в печень Жирные кислоты, входящие в состав липопротеидов низкой плотности, могут влиять на конформацию белка ApoB100. Чем больше насыщенных жирных кислот, тем больше вероятность изменения конформации ApoB100 в таком направлении, что он перестает связываться с рецепторами клеток печени и выводиться из организма.

Роль воспаления в патогенезе атеросклероза

Белки и липиды липопротеидов в русле крови химически модифицируются, в результате чего макрофаги (лейкоциты крови) начинают узнавать их как чужеродные молекулы Процесс воспаления, независимо возникшего в организме, увеличивает уровень макрофагов, которые «поедают» модифицированные липопротеиды.

Фагоцитоз липопротеидных частиц

Макрофаги захватывают химически модифицированные липопротеидные частицы и перемещаются под клетки, выстилающие сосуд

Развитие атеросклеротической бляшки в стенках сосудов

1. Норма

Клетки, выстилающие стенку сосуда эластичная мембрана

Клетки гладких мышц сосуда

2. Формирование жировых полосок После захвата окисленных липопротеидов макрофаги превращаются в «пенистые клетки», которые содержат большое количество холестерина. Они проникают под клетки, выстилающие стенку сосуда.

Развитие атеросклеротической бляшки в клетках эндотелия (2) 3. Воспаление, миграция ГМК в область бляшки

4. Образование фиброзной бляшки

Стенка сосуда повреждается, активируется агрегация тромбоцитов, что приводит к увеличению свертываемости крови

Клетки секретируют коллаген и другие белки, образующие фиброзную оболочку, внутри которой идет некроз клеток

Развитие атеросклеротической бляшки в клетках эндотелия (3)

липиды

5. В бляшке накапливаются омертвевшие ткани, пропитанные холестрином. Происходит кальцификация бляшки

Некротические клетки

Дефектные белки, не позволяющие выводить холестерин из организма

Рецептор липопротеидов Белок, связывающийся с рецептором (АпоВ100)

Структура рецептора ЛПНП и его гена Связывание ЛПРП

Рецептор ЛПНП

Типы мутаций в гене рецептора ЛПНП

1 2

1. Уменьшение связывания ЛПНП 2. Уменьшение транспорта внутрь клетки 3. Уменьшение обратного транспорта рецептор4. Уменьшение транспорта внутрь клетки 5. Нарушение связи рецептора с мембраной 6. Снижение эндоцитоза рецептора 7. Уменьшение синтеза мРНК рецептора (до -)

3 4

5 6 7

Дислипопротеидемии

Ксантомы

При дефекте рецепторов избыток холестерина откладывается в других клетках, где имеются молекулы, с которыми способны взаимодействовать макрофаги. На рисунке представлена ксантома (отложение холестерина) на сухожилиях у 14-летней девочки.

Ксантомы

Туберозные ксантомы ахилловых сухожилий

Пути снижения уровня холестерина в крови

1. Низкокалорийная диета с пониженным содержанием холестерина, твердых жиров и повышенным содержанием антиоксидантов, а также растительных стероидов (большое количество овощей и фруктов). 2.Увеличение подвижности, приводящее к «сжиганию» лишних калорий 3. Снижение уровня желчных кислот за счет их сорбции в кишечнике с последующим выведением 4. Увеличение уровня антиоксидантов (фрукты, овощи и небольшое количество сухого вина в диете) 5. Замещение твердых жиров жидкими (подсолнечное и оливковое масла), а также замещение мяса (особенно свинины) рыбой и морепродуктами

Нет - высококалорийной диете!

Да - диете с высоким содержанием овощей, фруктов и

рыбы!

Как жить, чтобы жить долго и с удовольствием?

Если Вы хотите жить долго, вспомните о том, чем болели Ваши предки (бабушки, прабабушки, дедушки и прадедушки). Примите надлежащие меры, чтобы избежать генетически заложенных в Ваш организм болезней. Ведите здоровый образ жизни: умеренные занятия спортом, длительные прогулки на свежем воздухе, сбалансированная диета с высоким содержанием антиоксидантов и ненасыщенных жирных кислот, полноценный отдых, но и напряженная работа. Радуйтесь жизни, получайте удовольствие от физической работы, интеллектуального труда и от общения с людьми. Любите жизнь!