Молекулярные механизмы участия каротиноидов в профилактике ВМД

1. ФГБОУ ВО «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»‎ МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВО «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
IV Международный молодежный научно-практический форум «Медицина
будущего: от разработки до внедрения»
СЕКЦИЯ «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОХИМИИ»
«МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
УЧАСТИЯ КАРОТИНОИДОВ В
ПРОФИЛАКТИКЕ ВМД»
Подготовила:
студентка 2 курса,
210 группы,
лечебного
факультета
Серебрякова П.Е.,
Научный
руководитель:
к.биол.н., доцент,
Карнаухова И.В.

2. Актуальность исследования

Сегодня одним из наиболее актуальных
вопросов офтальмологии является профилактика
и лечение возрастной макулярной дегенерации
(ВМД), которая является одной из самых частых
причин слепоты у людей старше 55 лет

3.

Возрастная макулярная дегенерация
(ВМД) – хроническое прогрессирующее заболевание,
характеризующееся дистрофическими процессами в
центральной зоне сетчатки и сосудистой оболочке глаза

4.

В России заболеваемость ВМД составляет более 15 на 1000 населения;
По данным ВОЗ, к 2050 г. число людей старше 60 лет во всём мире
увеличится приблизительно втрое (в 2000 г. – примерно 606 млн человек);
Общая поражённость населения этой патологией увеличивается с
возрастом:
- ранние проявления ВМД встречаются у 15% людей в возрасте 65–74 лет,
25% – в возрасте 75–84 лет, 30% – в возрасте 85 лет и старше;
- поздние проявления ВМД встречаются у 1% людей в возрасте 65–74 лет,
5% – в возрасте 75–84 лет, 13% – в возрасте 85 лет и старше;
ВМД встречается чаще в возрасте старше 65 лет. Преобладающий пол –
женский, причём у женщин в возрасте старше 75 лет ВМД встречается в 2
раза чаще

5.

До сих пор нет однозначного мнения о причине
развития ВМД.
Предрасположенность обусловлена совокупностью
факторов риска, основными из которых являются:
• окислительный стресс в результате воздействия
света;
• гиперхолестеринемия;
• курение;
• атеросклероз;
• особенности диеты и т.д
• возраст
• пол

6.

Существует естественные защитные факторы, которые
помогают предупредить повреждение сетчатки, а особенно ее
макулярной области
К ним относятся:
- ресницы
- оптические среды глаза (роговица, хрусталик,
стекловидное тело, влага передней и задней камеры)
- некоторые ферменты
- оксикаротиноиды (лютеин и зеаксантин)

7. Цель исследования

Цель данного исследования – охарактеризовать
роль и молекулярные механизмы участия
макулярных каротиноидов в работе естественной
системы защиты сетчатки и профилактике
возрастной макулярной дегенерации (ВМД)

8. Задачи исследования

1. Рассмотреть особенности функционирования
зрительного анализатора на этапе восприятия
светового сигнала
2. Охарактеризовать некоторые повреждающие факторы,
воздействующие на сетчатку глаза
3. Охарактеризовать и объяснить механизмы участия
макулярных каротиноидов в защите сетчатки и
предупреждении развития ВМД

9. Некоторые особенности зрительного анализатора

Светопроводящие структуры глаза, в т.ч хрусталик, создают на
сетчатке изображение (Иоганн Кеплер, 1611)
Цветовое зрение основано на восприятии трех основных
цветов: синего, зеленого и красного (Томас Юнг ,1802; Дж.
Максвелл, 1861; Герман Гельмгольц, 1856)
Абсолютная чувствительность зрительной клетки глаза
(С. Лэнгли, 1889; Ю.Б. Харитон, 1929; С. Хехт, 1942)
«Поглощение всего одного кванта света
палочкой сетчатки глаза достаточно для возникновения в ней
фоторецепторного сигнала»

10. Диапазон поглощения света зрительными пигментами сетчатки Цветовое зрение основано на восприятии трех основных цветов: синего,

зеленого и красного

11.

Механизм
преобразования
светового сигнала
в фоторецепторе
• В фоторецепторах
сетчатки осуществляется
преобразование энергии
электромагнитного
излучения (света) в
энергию колебаний
мембранного потенциала
клетки.
• Процесс преобразования
протекает в несколько
этапов

12.

На 1-м этапе фотон видимого света,
попадая в молекулу светочувствительного
пигмента, поглощается π-электронами
сопряженных двойных связей 11-цисретиналя, при этом ретиналь переходит в
транс-форму. Стереизомеризация 11-цисретиналя вызывает конформационные
изменения белковой части молекулы
родопсина
На 2-м этапе происходит активация
белка трансдуцина, который в неактивном
состоянии содержит прочно связанный
GDP. После взаимодействия с
фотоактивированным родопсином
трансдуцин обменивает молекулу GDP на
GTP
На 3-м этапе GTP-содержащий
трансдуцин образует комплекс с
неактивной сGMP-фосфодиэстеразой, что
приводит к активации последней
На 4-м этапе активированная cGMPфосфодиэстераза осуществляет гидролиз
внутриклеточного сGMP до GMP
На 5-м этапе падение концентрации cGMP
приводит к закрытию катионных каналов и
гиперполяризации мембраны
фоторецептора

13. Первый этап - фотолиз родопсина

На 1-м этапе фотон видимого света, попадая в молекулу
светочувствительного пигмента, поглощается π-электронами сопряженных
двойных связей 11-цис-ретиналя, при этом цис-ретиналь переходит в
транс-форму.
Стереоизомеризация 11-цис-ретиналя вызывает конформационные
изменения белковой части молекулы родопсина.

14. Трансдукция - усиление сигнала

15.

В ходе трансдукции сигнала по фосфодиэстеразному
механизму происходит его усиление
За время фоторецепторного ответа одна единственная молекул возбужденного
родопсина успевает активировать несколько сот молекул трансдуцина. Т.о. на первом
этапе трансдукции сигнала происходит усиление в 102-103 раз.
Каждая активированная молекула трансдуцина активирует лишь одну молекулу
фосфодиэстеразы, зато последняя катализирует гидролиз нескольких тысяч молекул
сGMP. Т.о. на этом этапе сигнал усиливается еще в 103-104 раза.
Следовательно, при передаче сигнала от фотона до cGMP может происходить более
чем 105-кратное его усиление.
ц ГМФ

16. Регенерация родопсина

17. Регенерация родопсина

Способность к регенерации чувствительный тест на сохранение
физиологических нативных свойств зрительного пигмента
родопсина

18. Фотобиологический парадокс зрения

Свет – не только носитель зрительной информации,
НО и потенциально опасный повреждающий фактор
ПОЧЕМУ ?

19. Фотобиологический парадокс зрения

Генерация супероксидных радикалов (Островский, 1993)

20. Фотобиологический парадокс зрения

Свет определенной длины волны является
фактором, ускоряющим развитие дегенеративных
заболеваний сетчатки, в том числе ВМД

21. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения

• Свето-фильтрующая система: оптические
среды глаза как светофильтры (роговица,
хрусталик и др.)
• Набор антиоксидантов (макулярные
каротиноиды и другие АО, ферменты АОЗ)
• Постоянное обновление наружных
сегментов зрительных клеток

22. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения

23. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

Химическая структура макулярных ксантофиллов: лютеина, зеаксантина, мезозеаксантин и
двух пищевых каротиноидов: неполярный β- каротин и монополярный β- криптоксантин

24.

Системы защиты сетчатки от фотоповреждения
(макулярные каротиноиды – ксантофиллы)
По своей химической структуре ксантофиллы как и другие каротиноиды
являются изопреноидами, состоящими из 8 изопреновых фрагментов (С40),
но в отличие от каротинов ксантофиллы содержат гидроксильные и/или
кето- и/или эпоксидные группы.
Для ксантофиллов характерны два иононовых кольца, расположенных
по краям молекулы.
Центральная часть молекулы представляет собой систему
сопряженных связей и состоит из 18 атомов углерода (без учёта метильных
групп).
Система сопряженных связей играет роль хромофорной группы.
Ксантофиллы имеют жёлтую окраску различных оттенков
обусловленную характерным спектром поглощения с тремя более или
менее выраженными пиками в фиолетово-синей области спектра
(400 - 500 нм).

25. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

26. Разрушению под действием АФК подвергаются:

Системы защиты сетчатки от фотоповреждения
(макулярные каротиноиды – ксантофиллы)
Разрушению под действием АФК подвергаются:

27.

Системы защиты сетчатки от фотоповреждения
(макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

28. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

29. Системы защиты сетчатки от фоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

• Возрастная дегенерация желтого пятна (ВМД) связана с
низким уровнем макулярных каротиноидов в сетчатке
глаза.
• Только два каротиноида (лютеин и зеаксантин)
избирательно накапливаются в сетчатке глаза человека
из плазмы крови, где доступно более двадцати других
каротиноидов.
• Третий каротиноид, который находится в сетчатке
человека, мезозеаксантин, образуется непосредственно
в сетчатке из лютеина.
• Все эти каротиноиды, называемые также макулярными
ксантофиллами, играют ключевую роль в заболеваниях
сетчатки.

30.

Системы защиты сетчатки от фотоповреждения
(макулярные каротиноиды – ксантофиллы)
• Зеаксантин доминирует в центральной области, тогда как
лютеин является доминирующим в периферической области
сетчатки.
• В сетчатке, концентрация каротиноидов достигает уровня от
0,1 до 1 мМ в центральной ямке, что примерно в 1000 раз
выше, чем в других тканях.
• Оба ксантофилла накапливаются в области фоторецепторных
аксонов и в пределах наружных сегментов фоторецепторов
(POSs).
• Хотя, макулярные ксантофиллы составляют около 10-25% от
количества во всей сетчатке, местная концентрация
макулярных ксантофиллов в мембранах наружного сегмента
на ~ 70% выше, чем в остальных мембранах сетчатки.

31. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

• Кантофилл-мембранные взаимодействия
- высокая растворимость ксантофиллов в мембранах
клеток макулы (растворены в липидном бислое как
мономеры);
- также образуют «включения» - присутствуют в
липидном бислое в виде мономеров, димеров,
олигомеры и агрегатов

32. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

• Кантофилл-мембранные взаимодействия
- Трансмембранная локализация
Наличие полярных гидроксильных групп на концах молекулы
ксантофилла обеспечивает их близость к перпендикулярной
ориентации в бислое. Неполярные каротиноиды ориентированы
довольно случайно.

33. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

Макулярные ксантофиллы с трансмембранной
ориентацией и высокой мембраной растворимостью
сильно влияют на свойства мембраны:
- уменьшают текучесть мембраны, изменяя свойства
мембраны;
- влияют на химические реакции, происходящие в
липидном бислое, часто эти изменения делают
мембраны менее чувствительными к окислительным
повреждениям;
- препятствуют индуцированному повреждению сетчатки

34. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

• Таким образом:
трансмембранная ориентация макулярных ксантофиллов
отличает их от других пищевых каротиноидов, повышает их
стабильность в мембранах сетчатки и максимизирует их
защитное действие на сетчатку глаза

35. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

• Существует два основных функциональных объяснения
селективного присутствия и локализации лютеина и зеаксантина в
сетчатке:
1) Необходимость фотозащиты от окислительного стресса и макулярные
ксантофиллы выполняют эту роль очень хорошо;
2) Пигменты локализуются в основном в слое Генле и, следовательно,
образуют фильтр для синего света:
- максимум ультрафиолета ниже 300 нм поглощается роговицей, тогда как
ультрафиолет в диапазоне 300–400 нм блокируется хрусталиком;
- тем не менее, некоторая часть синего излучения достигает сетчатки и
может активировать фотосенсибилизаторы сетчатки: полный трансретиналь,, цитохром с-оксидазы, порфирины и, следовательно, образуют
активные формы кислорода;
- макулярные ксантофиллы, из-за соответствующей локализции могут
значительно снизить воздействие синего света на сетчатку и улучшить
защиту от окислительного повреждения.
- поглощение синего света может считаться косвенным антиоксидантным
действием, потому что это предотвращает генерацию активнык форм
кислорода, которые могут повредить фоторецепторные клетки

36. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

37. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

• Хорошо известно, что каротиноиды в форме мономеров
поглощают свет в диапазоне 390 - 540 нм. с максимумом
поглощения в области 450 нм, тогда как в форме агрегатов
максимум поглощение может быть смещен в более
коротковолновую область.
• Поглощение синего света макулярными ксантофиллами
чрезвычайно важно в молодом возрасте, где прозрачность
хрусталика составляет почти 95%. При старении хрусталик
постепенно теряет свою прозрачность, становится мутным и
лучше фильтрует УФ и синий свет.
• Макулярные ксантофиллы могут не только действовать как
фильтр синего света, но и оптимизировать производительность
зрения. Считается, что слой макулярных ксантофиллов
уменьшает хроматические аберрации, снижает ослепление и
рассеяние света, что усиливают контрастность зрения.

38. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

Скорость перекисного окисления
липидов снижается в присутствии
лютеина, причем больше в
мембранах, содержащих плотные
домены, чем в гомогенных
мембранах (Рисунок).
Можно сделать вывод: доменная
структура позволяет локализовать
макулярные ксантофиллы в
наиболее уязвимых регионах POS
мембран.
Эта локализация идеальна, если
макулярные ксантофиллы
действуют как липидный
антиоксидант, который является
наиболее приемлемым
механизмомом с помощью
которого лютеин и зеаксантин
защищают сетчатку от ВМД

39. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

Физическое гашение реактивного
кислорода и фотосенсибилиза-торов
Каротиноиды являются
наиболее
эффективными
гасителями синглетного
кислорода, и их
активность намного
выше, чем у другого
антиоксидантного
пигмента сетчатки α токоферола

40. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

Они способны гасить синглетный кислород двумя различными
механизмами:
Первый включает в себя передачу энергии (физическое гашение) – основной
путь дезактивации синглетного кислорода. Каротиноиды дезактивируют
синглетный кислород до нереактивного триплетного состояния.
Во время этого процесса молекулы каротиноидов становятся возбужденными до
триплетного состояния и могут вернуться в основное состояние, рассеивая
избыток энергии в виде тепла. Преимущество физического тушения заключается в
том, что каротиноиды могут действовать без изменения их собственной
химической структуры.
Второй называется химическим гашением. Включает химическую реакцию между
каротиноидами и синглетным кислородом, что приводит к аутооксидации
пигмента. Емкость каротиноидов для гашения синглетного кислорода в
органическом растворителе в основном зависит от числа сопряженных двойных
связей в хромофоре, но также меняется в зависимости от функциональных группы.
Таким образом, зеаксантин (11 сопряженных двойных связей) обладает более
высокой способностью гасить синглетный кислород, чем лютеин (10 сопряженных
двойных связей)

41. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

• Макулярные ксантофиллы могут гасить синглетный кислород напрямую,
потому что уровень их триплетной энергии ниже уровня энергии
синглетного кислорода.
• Они также способны гасить возбужденные триплетные состояния сильно
действующих фотосенсибилизаторов синглетного кислорода. Это
свойство хорошо известно как фотохимическое тушение, например, у
растений. По этому механизму большая часть избыточной энергии
переносится из потенциально вредных активированных соединений в
лютеин и рассеивается в виде тепла.
• Доменная структура играет важную роль в усилении защиты сетчатки от
окислительного повреждение путем совместной локализации
макулярных ксантофиллов с вредными молекулами (синглетный
кислород) и вредными процессами (образование синглетного кислорода
и формирование фотосенсибилизаторов).
• Действие макулярных ксантофиллов дополняется и сочетается с
действием других антиоксидантов

42. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

43. Суммарные антиоксидантные эффекты макулярных ксантофиллов

44. Системы защиты клетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

• Интересные выводы могут быть сделаны при сравнении
антиоксидантных свойств макулярных ксантофиллов с
антиоксидантными свойствами других пищевых каротиноидов.
• Например, зеаксантин и неполярный β-каротин проявляют
сходные антиоксидантные свойства в органических
растворителях.
• Однако их антиоксидантные свойства различаются при
включении в мембраны.
• Было показано, что зеаксантин реагирует со свободными
радикалами немного более эффективно, чем β -криптоксантин
и гораздо эффективнее, чем β- каротин.
• β- каротин и ликопин способны эффективно реагировать только
с радикалами, образующимися внутри мембраны клеток
макулы, ксантофиллы с их гидроксильными группами,
находящимися в водной среде, также могут удалять свободные
радикалы, образующиеся в водной фазе

45. Системы защиты сетчатки от фотоповреждения (макулярные каротиноиды – ксантофиллы)

• Наличие полярных
гидроксильных групп на
концах макулярных
ксантофиллов и их
трансмембранная
ориентация усиливают
их антиоксидантные
свойства по сравнению с
антиоксидантными
свойствами других
каротиноидов

46. Выводы

• Возрастная Макулярная Дегенерация (ВМД) является
сложным офтальмологическим заболеванием
• Старение и окислительный стресс являются основными
факторами, определяющими патогенез.
• Многие эпидемиологические исследования показывают,
что высокое потребление лютеина и зеаксантина снижает
риск развития ВМД
• Защитная роль макулярных ксантофиллов связана с их
антиоксидантным действием
• Почему природа выбрала только лютеин и зеаксантин из
других каротиноидов для защиты сетчатки?
• Очевидно, должно быть конкретное свойство или свойства
этих ксантофиллов, которые могли бы объяснить их
селективное присутствие в сетчатке глаза

47. Выводы

Макулярные каротиноиды
• Избирательно поглощают коротковолновую синюю часть видимого
спектра
• Осуществляют физическое гашение синглетного кислорода
• Осуществляют химическое гашение синглетного кислорода
• Оказывают прямое химическое антиоксидантное действие за счет
системы сопряженных двойных связей, обеспечивающей высокую
химическую реакционную способность
• Локализованы в макулярных доменах, богатых полиненасыщенными
фосфолипидами и поэтому восприимчивы к СРО, являются
идеальными химическими антиоксидантами
• Удаляют липопероксидные радикалы путем образования аддуктов
радикалов, которые менее реакционно способны, чем
липидалкилпероксидные радикалы
Таким образом, ксантофильные каротиноиды являются
эффективными антиоксидантами, разрушающими цепь окисления
биомембран путем захвата инициирующей или распространяющей
цепи пероксидных радикалов

48. Литература

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
В.Н. Алексеев, Е.А. Егоров, Ю.С. Астахов, Т.В. Ставицкая Офтальмология.
Учебник для вузов / под ред проф. Егорова Е.А. // Издательство: ГэотарМедиа, 2010
А.А. Гветадзе, М.Г. Рабаданова К вопросу о клинических исследованиях
каротиноидов и витаминно-минеральных комплексов в офтальмологии
//Russian Journal of Clinical Ophthalmology Vol. 19, №1, 2019
А.С. Измайлов Лечение «сухой» формы возрастной макулярной
дегенерации //Клиническая офтальмология № 1, 2017
Т.Е. Егорова Антиоксиданты в лечении и профилактике сухой формы
возрастной макулярной дегенерации. Обзор литературы //Клиническая
офтальмология Том 11, № 1, 2010
Е.А. Егоров Некоторые аспекты патогенеза и лечения возрастной
макулярной дегенерации //Клиническая офтальмология ТОМ 16, 2016, №1
А.В. Корнеева Лютеин-зеаксантиновый комплекс: выбор офтальмологов
//Russian Journal of Clinical Ophthalmology Vol. 19, №1, 2019
М.В. Симонова Возрастная макулярная дегенерация: патогенез и
антиоксидантная терапия //Ремедиум № 4 (134) май, 2015
J. Widomska, W. K. Subczynski Why has Nature Chosen Lutein and Zeaxanthin
to Protect the Retina? //J Clin Exp Ophthalmol. Author manuscript; available in
PMC 2014 May 30.