Биохимические механизмы злокачественного роста

Размещено на http://allbest.ru

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный медицинский университет»

Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации

(ГБОУ ВПО НГМУ Минздравсоцразвития России)

Кафедра медицинской химии

УИРС

По биоорганической химии

Биохимические механизмы злокачественного роста

Выполнил:

Студентка 2 курса лечбного Ряскина П. А.

Проверил: Доктор биологических наук

О. И. Гимаутдинова

Новосибирск, 2014

Содержание

Введение

1. Химический канцерогенез

2. Генотоксические канцерогены

3. Метаболическая активация и детоксикация химических канцерогенов

4. Негенотоксические канцерогены

5. Канцерогеноопасные соединения химических веществ

6. Генетический полиморфизм ферментов метаболизма канцерогенов

7. Генетический полиморфизм ферментов восстановления ДНК

8. Наследственные дефекты в генах, контролирующих клеточное размножение

Заключение

Список литературы

Введение

Злокачественные опухоли всегда были частью человеческого опыта, они были неоднократно описаны в письменных источниках, начиная с древнейших времён. К наиболее древним описаниям опухолей и способов их лечения относятся древнеегипетские папирусы примерно 1600 года до н. э. Такой термин, как «рак» ввел древнегреческий врач Гиппократ (460--377 годы до н. э.), обозначавший злокачественную опухоль с перифокальным воспалением. Гиппократ назвал опухоль карциномой, потому что она внешне напоминает краба из наличия выростов, направленных в разные стороны.

К 2013 году стало известно более 100 видов злокачественных новообразований, которые имеют различные варианты и механизмы развития, но можно выделить что-то общее во всех случаях.

Выбранная мною проблема биохимических механизмов злокачественного роста в настоящее время приобретает особое значение. На данный момент смертность от злокачественных новообразований стоит на втором месте после заболеваний сердечно-сосудистой системы. А значит, изучение и понимание процессов возникновения опухолей становится одним из важнейших вопросов сегодняшнего дня.

Из всего вышесказанного следует, что цель работы - это понять биохимические механизмы злокачественного роста. Важно сказать, что для достижения этой цели были поставлены такие задачи:

1) Ознакомиться с механизмами биохимии злокачественного роста;

2) Понять данные процессы;

3) Сделать соответствующие выводы.

1. Химический канцерогенез

Химические канцерогены ответственны за возникновение до 80-90% всех злокачественных опухолей человека. Канцерогенез в настоящее время большинством исследователей рассматривается как многостадийный процесс, в котором следует различать 3 главные стадии: инициацию, промоцию и прогрессию. Принято считать, что существуют 2 типа агентов, различающиеся по механизмам своего действия: инициаторы и промоторы. Действие инициаторов необратимо, действие промоторов до определенного момента обратимо. Оказалось, что большинство «сильных» канцерогенов обладают и инициирующими, и промоторными свойствами, а все промоторы, за редкими исключениями проявляют канцерогенную активность, если их применять в высоких дозах и достаточно долго. Деление на инициаторы и промоторы в определенной степени соответствует делению канцерогенов на генотоксические и негенотоксические.

2. Генотоксические канцерогены

Соединения этого класса взаимодействуют с компонентами генома клетки, вызывая мутации ДНК. Мутации приводят к изменению свойств продуктов генов, что в конечном итоге вызывает нерегулируемый рост потомков этих клеток.

Генотоксические вещества могут быть разделены на 2 группы: прямодействующие канцерогены и соединения, не канцерогенные в исходной форме, но активирующиеся в клетке под действием соответствующих ферментов -- непрямые канцерогены.

Канцерогены прямого действия при растворении (в первую очередь, в воде) распадаются с образованием высокоактивных производных, содержащих избыточный положительный заряд (электрофильную группу). Например:

R-CH₂-CH₂-C1 > R-CH₂-CH₂⁺+Сl^- (хлорэтиламин)

Электрофильная группа взаимодействует с отрицательно заряженными (нуклеофильными) группами молекулы ДНК, образуя стабильную ковалентную связь. При репликации нуклеотид, связанный с остатком канцерогена, может быть неправильно считан ДНК полимеразой, что приводит к мутации.

К агентам такого рода относятся N-нитрозоалкилмочевины (НАМ), этил- и метил-метансульфонат (ММС), N-метил-N-нитронитрозогуанидин (МННГ) азотистый иприт, диэпоксибутан, бета-пропиолактон, этиленимин. Некоторые из них являются доказанными канцерогенами человека.

Канцерогены непрямого действия являются малореакционноспособными соединениями.

Факт включения остатков этих соединений в макромолекулы клетки ставил в тупик исследователей до тех пор, пока в 1956 г. супруги Миллер (J. and E. Miller) не высказали предположения, что эти вещества в процессе метаболизма подвергаются ферментативной активации с образованием высокоактивных электрофильных метаболитов, способных взаимодействовать с нуклеофильными группами ДНК.

Механизм действия генотоксических канцерогенов может быть представлен следующим образом [2]:



3. Метаболическая активация и детоксикация химических канцерогенов

Канцерогены непрямого действия метаболизируются в клетке специальными ферментными системами. Большинство проканцерогенов гидрофобны, поэтому способ их выведения из клетки сводится в основном к повышению водорастворимости. При этом первым событием в цепи метаболических превращений является окисление исходной молекулы.

Эта реакция осуществляется в основном изоформами цитохрома Р- 450. Продукты окисления подвергаются дальнейшему превращению с образованием соединений, которые еще легче выводятся из клетки и организма.

Этот этап осуществляется эпоксидгидролазами, глутатион-8-трансферазами, сульфатазами, ацетил- и глюкуронилтрансферазами и др. Наряду с основным процессом детоксикации ряд соединений в ходе этих реакций активируются, превращаясь в непосредственные канцерогены -- высокореактивные производные, ковалентно связывающиеся с клеточными белками и нуклеиновыми кислотами.

Как правило, электрофильные метаболиты образуются на первом этапе окисления проканцерогена микросомными монооксигеназами, которые локализованы главным образом, в эндоплазматическом ретикулуме и имеют в качестве терминального звена цитохром Р-450. [3]

4. Негенотоксические канцерогены

К негенотоксическим канцерогенам относятся соединения различной химической структуры и различного механизма действия: промоторы двухстадийного канцерогенеза, пестициды, гормоны, волокнистые материалы, прочие соединения (нужно заметить, что и пестициды, и гормоны могут быть промоторами канцерогенеза). [2]

Негенотоксические канцерогены часто называют канцерогенами промоторного типа. Промоторы, как уже говорилось, должны воздействовать в высоких дозах, длительно, и, что очень важно, беспрерывно. Более или менее длительный перерыв в их применении сопровождается остановкой канцерогенеза (новые опухоли больше не появляются) или даже регрессией возникших опухолей.

Они вызывают клеточную пролиферацию, тормозят апоптоз, нарушают взаимодействие между клетками.

Известны следующие механизмы действия негенотоксических канцерогенов:

1. промоция спонтанной инициации;

2. цитотоксичность со стойкой клеточной пролиферацией;

3. оксидативный стресс;

4. образование комплекса канцероген - рецептор;

5. торможение апоптоза;

6. нарушение межклеточных щелевых контактов.

Следует заметить, что в канцерогенном действии одного и того же соединения могут принимать участие несколько механизмов.

5. Канцерогенноопасные классы химических соединений

Полициклические ароматические углеводороды: К этому классу химических веществ относятся соединения с конденсированными бензольными ядрами. Степень канцерогенности зависит от числа ароматических колец в молекуле, взаимного их расположения, наличия заместителей в молекуле. Наибольшей канцерогенностью обладают вещества, имеющие 4-7 бензольных конденсированных колец. В структуре полициклических ароматических углеводородов выделены зоны, придающие соединению канцерогенную активность: так называемые бей- и фьорд-области [5]. Однако имеются вещества, обладающие канцерогенностью (например, антантрен), в структуре которых отсутствуют бей- и фьорд- области.

К соединениям, канцерогенное действие которых обусловлено наличием в структуре аминогруппы, можно отнести 3 группы химических веществ: ароматические амины, аминоазосоединения и нитроарены. Первые две содержат аминогруппу, у нитроаренов она появляется в процессе клеточного метаболизма путем восстановления нитрогруппы.

Ароматические амины: Канцерогенность ароматических аминов (бывших причиной рака мочевого пузыря у рабочих, занятых в производстве красителей) была впервые установлена в конце прошлого века в Германии. Известны 3 основных ароматических амина, вызывающих рак мочевого пузыря у человека: 2-нафтиламин, бензидин и 4-аминобифенил. Метаболическая активация ароматических аминов начинается с их ацетилирования до ароматических амидов.

Затем происходит микросомальное N-окисление ароматических аминов до N- гидроксиариламинов, которые могут напрямую взаимодействовать с ДНК, и окисление ароматических амидов до арилгидроксаминовых кислот. Конечными продуктами являются ацетилированные в случае амидов и неацетилированные в случае аминов аддукты ДНК, образующиеся при ковалентном присоединении азота к С-8 дезоксигуанозина.

Аминоазосоединения: Механизм канцерогенного действия этого класса веществ реализуется также посредством окисления аминогруппы с образованием гидроксиламина.

По своему канцерогенному действию они похожи на ароматические амины, но основным органом-мишенью является печень. Интерес к изучению этого класса соединений с выделением его в отдельную группу связан со спецификой его использования в промышленности. Азосоединения широко применяются в качестве красителей, а ароматические амины являются промежуточным продуктом при их синтезе.

В 30-е гг. в сливочное масло для придания ему аппетитного желтого цвета добавлялся диметиламиноазобензол (он так и назывался «маслянистый желтый»).

Впоследствии в опытах на животных была продемонстрирована его гепатоканцерогенность и его применение было немедленно запрещено.

Нитроарены имеют в структуре полициклическое ароматическое ядро и нитрогруппу. Несмотря на то, что полициклические ароматические углеводороды являются сильными канцерогенами, большинство исследователей считают, что эта составляющая молекулы нитроаренов не участвует в образовании конечного канцерогена. Окисление ароматической части молекулы нитроаренов является процессом детоксикации, а не активации.

Образование конечного канцерогена связано с восстановлением нитрогруппы в аминогруппу, а далее это аминосоединение подвергается ферментативным воздействиям, идентичным тем, которые происходят с ароматическими аминами.

Нитрозосоединения: Общим для этого класса соединений является наличие в структуре нитрозо-группы:



где R и R₁ - различные алкильные заместители.

Нитрозосоединения широко используются в промышленности в качестве растворителей, антиоксидантов, ракетного топлива и пр. Они образуются как побочные продукты при некоторых технологических процессах. Нитрозодиэтиламин вызывает у мышей, крыс, хомячков, морских свинок опухоли печени, 2,6-диметил -нитрозоморфолин вызывает у крыс опухоли пищевода, у мышей -- желудка, у хомячков -- поджелудочной железы, а у морских свинок -- печени. Нитрозометилдодециламин у крыс и хомяков вызывает опухоли мочевого пузыря, а у морских свинок -- печени. Хотя нет прямых доказательств канцерогенности нитрозосоеданений для человека, этот класс веществ рассматривается как канцерогеннопасный для людей.

Афлатоксины: Эти канцерогены являются продуктом гриба Aspergillus flavus, растущего на земляных орехах, злаках. Существуют несколько природных афлатоксинов, из которых наиболее мутагенным и канцерогенным, а также лучше всех изученным является афлатоксин В₁ (AFB₁). Именно с AFB₁, часто в сочетании с вирусом гепатита В, связывается высокая частота рака печени в Африке и Азии.

Как и рассмотренные выше канцерогены, AFB₁ нуждается в метаболической активации, проходящей ряд стадий с образованием нескольких метаболитов (в том числе AFB₁-диола) и нескольких аддуктов ДНК.

Металлы: Свойствами вызывать опухоли у человека и эксперментальных животных обладают некоторые тяжелые металлы и их соединения: никель, хром, беррилий, кадмий, кобальт, мышьяк,свинец, ртуть. Степень их канцерогенной активности и органы-мишени во многом определяются растворимостью в тканевых жидкостях и путях выведения из организма.

Волокнистые и неволокнистые силикаты: Другой тип канцерогенеза связан с воздействием на организм природных и синтетических силикатов. Они различаются по структуре кристаллической решетки, содержанию ионов металлов, но общим является наличие окислов кремния. Канцерогенными свойствами обладают вещества, имеющие волокнистую структуру. (см. Приложение)

Индивидуальная чувствительность к канцерогенам: «Канцерогены действуют на всех, а опухоли возникают лишь у некоторых. Почему?», -- этот вопрос чаще всего задают на лекциях. В аудитории обязательно кто -либо вспомнит своего деда, который безнаказанно курил и пил до глубокой старости. То же и о вредном производстве: весь цех работает в одинаковых условиях, а опухоли поражают лишь некоторых.

Можно ли заранее узнать, кто чувствителен к канцерогенам, а кто устойчив?

К этой задаче, которая в онкологии обозначается как проблема индивидуальной чувствительности, долгое время не было никаких подходов.

Злокачественное превращение клетки -- многостадийный процесс. Проясняться проблема стала сравнительно недавно, когда выяснилось, что процесс канцерогенеза складывается из ряда этапов. На этих этапах клетки становятся независимыми от организма, так как они: утрачивают чувствительность к сигналам прекращения деления; начинают сами генерировать сигналы размножения; в отличие от нормальных могут делиться бесконечное число раз; утрачивают нормальные функции и структуру.

Нарушается стабильность передачи наследственных свойств потомкам. Вследствие этого опухоль составляют клетки, значительно различающиеся по своим свойствам. Такая разнородность клеточного состава позволяет ей выживать в самых различных условиях, в том числе и при химиотерапии.

Первичный эффект химических канцерогенов зависит от ферментных систем клетки.

Условно эти системы можно разделить на 2 основные категории: способствующие канцерогенезу и препятствующие ему. Активность их наследуется по общим законам генетики и варьирует в широких пределах. Если у человека активны ферменты, способствующие канцерогенезу, и неактивны, препятствующие ему, то он особо чувствителен к канцерогенам, при обратном соотношении -- высоко устойчив. Такие крайние варианты относительно редки. У большинства людей процессы активации и детоксикации относительно сбалансированы.

Проканцерогены же после окисления превращаются в активные производные, способные повреждать компоненты клетки, в том числе и ДНК - хранитель наследственной информации. Точность передачи этой информации строго контролируется системами клетки, поскольку изменение строения ДНК родительской клетки приводит к необратимому изменению свойств дочерних клеток и их последующих потомков.

Специальные механизмы распознают поврежденные участки ДНК и либо восстанавливают их, либо дают клетке команду на самоуничтожение, если восстановление наследственного кода невозможно.

Иногда ферменты восстановления допускают небольшие ошибки или не полностью устраняют повреждение. В таком случае клетка может избежать гибели и дать начало потомству с измененными свойствами. Если пропущенный дефект касается участка ДНК, ответственного за нормальное размножение, это может стать первым шагом к злокачественному превращению.

6. Генетический полиморфизм ферментов метаболизма канцерогенов

С индивидуальными различиями в активности этих ферментов -- их генетическим полиморфизмом -- впервые столкнулись фармакологи при лечении гипертонии дебризохином [1]. У некоторых больных обычные дозы этого препарата вызывали катастрофическое падение кровяного давления. Как выяснилось, такая гиперчувствительность была результатом наследственно низкого уровня активности фермента, разрушающего дебризохин. То же касается и метаболизма других соединений.

Когда был измерен индивидуальный уровень ферментов, активирующих проканцерогены типа бенз(б)пирена, которые образуются при сгорании самых различных продуктов, -- от дров до табака и бензина, -- выяснилось, что от человека к человеку он различается до 80 раз.

Активность ферментов детоксикации канцерогенов также варьирует в широких пределах. Ароматические амины, вызывающие рак мочевого пузыря у работников анилинокрасочной промышленности, инактивируются ферментом N-ацетилтрансферазой-2.

По его активности люди делятся на быстрый, медленный и промежуточный типы. На примере рабочих, экспонированных к этим канцерогенам, было показано, что у медленных ацетиляторов опухоли возникают почти в 10 раз чаще, чем у быстрых.

Эпидемиологические данные, полученные на больших выборках курильщиков, также хорошо иллюстрируют роль генетического полиморфизма ферментов в химическом канцерогенезе. У людей с высокой активностью ферментов, превращающих бенз(б)пирен в реактивное производное, и отсутствием детоксицирующих, риск возникновения рака легкого при курении даже умеренного количества сигарет повышен примерно в 9 раз. химический фермент генетический

В то же время нулевой уровень фермента, активирующего другую группу канцерогенов табачного дыма -- табакоспецифические нитрозамины, делает человека мало чувствительным к онкологическим последствиям курения.

7. Генетический полиморфизм ферментов восстановления ДНК

Реактивные метаболиты проканцерогенов, образовавшиеся в процессе метаболизма, способны прочно связываться с участками молекулы ДНК, образуя так называемые аддукты, нарушающие ее нормальную структуру и функции.

Количество аддуктов в той или иной ткани и длительность их существования могут служить одним из показателей индивидуальной чувствительности к канцерогенам. Так, наиболее высокий уровень аддуктов канцерогенов из табачного дыма обнаруживается в лимфоцитах и легочной ткани больных, у которых опухоль возникла при коротком стаже курения. У курящих женщин уровень аддуктов более высокий, чем у мужчин, и это соответствует предварительным эпидемиологическим наблюдениям о большей чувствительности женщин к канцерогенному действию табачного дыма. Индивидуальные различия здесь таковы, что разница в уровне аддуктов бенз(б)-пирена с ДНК в бронхиальной ткани может достигать 75 раз, в стенке мочевого пузыря -- 70 раз, в пищеводе -- 100 раз.

Наблюдение над уровнем аддуктов ДНК у работников онкологически опасных профессий важно как для прогноза риска заболевания, так и для контроля соблюдения ими техники безопасности. В частности, у медсестер, занятых введением химиопрепаратов онкологическим больным, наблюдались большие различия в уровне аддуктов в лимфоцитах в зависимости от аккуратности работы.

Активность систем распознавания аддуктов, их удаления и восстановления первичной структуры ДНК значительно варьируют. Крайние формы известны в качестве наследственных заболеваний. Например, при пигментной ксеродерме клетки кожи не могут восстанавливать ДНК, поврежденную ультрафиолетовым излучением. У таких больных солнечный свет вызывает рак кожи. В то же время было показано, что и у нормальных доноров способность ДНК лейкоцитов к репарации после воздействия ультрафиолета различается не менее, чем в 5 раз.

Индивидуальные особенности систем репарации ДНК в лимфоцитах отражают способность любых клеток данного организма восстанавливать ДНК. Поэтому лимфоциты, которые можно брать из крови легко и многократно, являются хорошим объектом для изучения индивидуальной чувствительности к канцерогенам.

В частности, показана хорошая количественная корреляция между уровнем аддуктов в ДНК лимфоцитов и клеток других органов, трудно доступных для исследования -- легкого у курильщиков, мочевыводящих путей у работающих с бензидином, печени и легких у работающих с канцерогенными полициклическими углеводородами.

Кроме того, на лимфоцитах можно изучать и последствия повреждения ДНК на уровне хромосом, т.е. выявлять под микроскопом нарушения их структуры в делящихся клетках. Качественный и количественный состав этих нарушений -- число микроядер, хромосомных перестроек, сестринских хроматидных обменов и т.д. может дать представление об эффективности действия канцерогена на клетки данного организма.

8. Наследственные дефекты в генах, контролирующих клеточное размножение

Наследственные заболевания, предрасполагающие к канцерогенезу, касаются не только репарации ДНК. Наиболее четко предрасположенность к злокачественному росту проявляется у лиц с измененной структурой регуляторных генов -- протоонкогенов и генов-супрессоров опухолевого роста (антионкогенов), а также генов-мутаторов.

В норме протоонкогены участвуют во многих основных процессах, главными из которых являются регуляция клеточного цикла, роста и дифференцировки клеток. Нарушение структуры этих генов, повышающее продукцию их белков, приводит к неконтролируемому размножению клеток и их атипичному росту. Такой же эффект вызывают и мутации, отменяющие функции антионкогенов. Нарушение структуры генов-мутаторов увеличивает общую частоту мутирования.

Для людей с врожденными дефектами этих генов обычные условия жизни являются непереносимыми, поскольку даже фоновый уровень канцерогенных воздействий вызывает у них опухолевый рост.

Насколько увеличивается при этом вероятность злокачественного превращения, ярче всего видно на примере ретинобластомы у детей с врожденной мутацией в гене-супрессоре опухолевого роста Rb. Работа этого гена, регулирующего вход и продвижение по S-фазе клеточного цикла, прекращается, если мутации инактивируют оба его аллеля.

У детей, унаследовавших один мутантный аллель, злокачественная опухоль сетчатки развивается в том случае, если и второй аллель инактивируется мутацией от какого-либо внешнего воздействия. У таких детей опухоли возникают с частотой до 90%, в то время как среди детей с нормальной наследственностью эта опухоль возникает в 30 000 раз реже.

Так как генетический полиморфизм систем метаболизма канцерогенов и репарации ДНК не зависят друг от друга, канцерогенный риск в каждом конкретном случае определяется многими переменными, т. е. сочетанием баланса активации/детоксикации проканцерогенов с различной эффективностью работы ферментов восстановления ДНК. При этом конечный высокий уровень образования канцерогенных метаболитов не всегда может быть показателем повышенного канцерогенного риска, поскольку он может сочетаться с высокой активностью систем восстановления ДНК, и наоборот.

Таким образом, риск возникновения рака при действии канцерогенов определяется: интенсивностью воздействия производственных канцерогенов на человека (экспозицией), которая зависит от особенностей технологического процесса и техники безопасности; индивидуальной предрасположенностью, которую необходимо выявлять при скрининге и учитывать при профотборе работников онкоопасных производств.

Прогноз индивидуального риска возникновения опухоли в результате воздействия генотоксических факторов внешней среды складывается из анализа индивидуальной экспозиции к канцерогену, в основе которой лежат методы молекулярной дозиметрии, и из изучения индивидуальной чувствительности, то есть из анализа факторов генетической предрасположенности/резистентности к канцерогенным воздействиям.

Заключение

Цель и задачи, поставленные в работе, выполнены. Исследовано понятие злокачественного роста - канцерогенеза, изучены механизмы злокачественного новообразования, рассмотрены различные виды онкогенов.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что существует два вида канцерогенов: промоторы и инициаторы. Действие последних является необратимым.

Также они делятся на генотоксические, взаимодействующие с компонентами генома клетки, вызывая мутации ДНК, и негенотоксические - соединения различной химической структуры и различного механизма действия.

Ученые выделяют несколько классов канцерогеноопасных химических соединений, например, нитрозосоединения, ароматические амины, некоторые соединения металлов, полициклические ароматические углеводороды и прочее.

Оказалось, каждый человек обладает индивидуальной чувствительностью к канцерогенам. Связано это с работой клеточных ферментных систем. Эти системы можно разделить на 2 основные категории: способствующие канцерогенезу и препятствующие ему. Баланс этих систем и определяет чувствительность человека к онкогенам.

Нарушение систем репарации ДНК также может привести к образованию злокачественных опухолей.

Однако, наиболее четко предрасположенность к злокачественному росту проявляется у лиц с измененной структурой регуляторных генов -- протоонкогенов и генов-супрессоров опухолевого роста (антионкогенов), а также генов-мутаторов.

Нарушение структуры этих генов приводит к неконтролируемому размножению клеток и их атипичному росту.

В заключение хочется еще раз отметить важность исследований в области онкологии. В 2012 году в мире умерли 56 миллионов человек, 8 из которых от заболеваний, связанных со злокачественными новообразованиями.

Это значит, что только крайне детальный и качественный подход к данной проблеме сможет уменьшить данную цифру.

Список литературы

1. Белицкий Г.А. Прогноз канцерогенности фармакологических средств и воспомогательных веществ в краткосрочных тестах. Ведомости фармкомитета, 1999, с. 18-31.

2. Белицкий Г. А. Химический канцерогенез. Проблемы клинической медицины, 2006.-N 1, с.10-15.

3. Кобляков В.А. (1990) Цитохромы семейства Р-450 и их роль в активации проканцерогенов. -- М.: ВИНИТИ.

4. Северин С. Е. Биологическая химия. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2011, 624 с.

5. Турусов B.C., Ракитский В.Н. Классификация пестицидов по степени канцерогенной опасности для человека. Вопр.онкологии, 1997, 43, 3, 299-303.

Размещено на Allbest.ru

...