MEDDAILY.INFO
медицинская энциклопедия
ГлавнаяКарта сайта Контакты
 

Действие радикалов на белки, нуклеиновые кислоты и липиды

фото Действие радикалов на белки, нуклеиновые кислоты и липиды
Главным повреждающим радикалом в живых системах можно назвать радикал гидроксила. Его действие направлено на внутри и внеклеточные мишени 3 типов: белки, нуклеиновые кислоты и липиды биологических мембран.

B делящихся клетках главный биологический эффект свободнорадикальных реакций - летальный и мутагенный, основанный на повреждении нуклеиновых кислот. Второе важнейшее действие радикала гидроксила - инициирование цепного окисления липидов в биологических мембранах, которое приводит к нарушению их барьерных и других свойств и к расстройству функций клетки. Третий эффект проявляется в постепенном накоплении изменений в белковых структурах, длительно сохраняющихся в клетке или присутствующих во внеклеточном пространстве.

Повреждающее действие радикалов на белковые структуры
Примером могут служить кристаллины хрусталика или волокна коллагена. Под действием радикалов в этих белках происходят окисление серусодержащих и ароматических аминокислот, образование внутри- и межмолекулярных сшивок. Повреждение белков под действием свободных радикалов может служить причиной нарушения физиологических функций. В 1991 г. Д. Карни и соавт. показали, что у песчанок содержание окисленных белков увеличивается с возрастом, а применение антиоксиданта фенилбутилнитрона может снизить окисление белков до уровня, свойственного молодому организму.




Применение антиоксиданта фенилбутилнитрона в течение 2 нед. позволяло старым животным добиться тех же результатов, что и у молодых, в тесте на кратковременную память (способность ориентироваться в лабиринте), где до введения препарата старые животные давали заметно худшие результаты. После прекращения введения препарата этот эффект утрачивался.

Долго не было ясности в том, происходит ли связанное с возрастом накопление продуктов свободнорадикального повреждения белков в организме человека и животных. Ответить на этот вопрос помогла разработка в конце 1980-х годов метода определения карбонильных групп, которые являются побочным продуктом окисления белков. Измерения, проведенные с помощью этого метода, показали, что количество окисленного белка в различных клетках человека экспоненциально увеличивается с возрастом. При генетических расстройствах, вызывающих преждевременное старение (прогерия, синдром Вернера), уровень карбонильных групп также существенно повышался по сравнению с возрастной нормой. Было также показано, что у пожилых людей больше половины белков, в том числе ферментов, может быть повреждено в результате окисления.

Действие радикала гидроксила на нуклеиновые кислоты
Диффузия радикала гидроксила в клетке ограничена из-за его высокой реакционной способности: он реагирует «со всякой встречной и поперечной» молекулой.


Пероксид водорода, образующийся в результате дисмутации супероксидных радикалов, напротив, может распространяться как в пределах клетки, так, по-видимому, и между клетками. Реагируя с ионами железа или геминовыми соединениями непосредственно у поверхности нуклеиновых кислот, пероксид водорода образует радикалы гидроксила. Эти «местные» радикалы могут модифицировать молекулы ДНК как в ядре, так и в митохондриях, вызывая мутации (в основном делеции, но также и точечные мутации). Одновременно образуются продукты, которые обнаруживаются биохимическими методами; среди них наиболее известен 8-гидрокси-дезоксигуанозин (8-ОН-дГ). Кинетика накопления 8-ОН-дГ и при старении носит экспоненциальный характер как в мтДНК, так и в ядерной ДНК.

Повреждающее действие на нуклеиновые кислоты оказывает, согласно сказанному, в основном пероксид водорода, который образует радикалы гидроксила в результате реакции с ионами двухвалентного железа, связанными с самой ДНК или по меньшей мере находящимися где-то вблизи молекулы ДНК. Мысль о накоплении двухвалентных ионов железа в клетках как одной из главных причин старения была высказана более 30 лет тому назад Б.Н. Гольдштейном, который обратил внимание на возрастание концентрации железа именно в ДНК.


Так, в слизистой оболочке тонкой кишки у крыс в возрасте 24-30 мес. железа было в 1,5 раза больше, чем у месячных крыс. В пользу того, что повреждения в геноме могут определяться нарушениями обмена переходных металлов, свидетельствуют данные о значительном повреждении ДНК в биоптатах печени при болезнях, сопровождающихся увеличением концентрации меди (гепатоцеребральная дистрофия) или железа (гемохроматозы) в тканях.

Комбинация ферментов суммарной очаговой дозы + каталаза ингибирует образование гидроксильного радикала из супероксида. Такое же действие оказывают соединения, связывающие ионы железа. Все эти вещества предотвращают повреждения в ДНК в системах, где образуются радикалы супероксида.

Наряду с прямыми эффектами радикалы могут опосредованно вызывать повреждение ДНК. Ниже будет рассмотрена активация апоптоза (запрограммированной смерти клеток) радикалами супероксида, генерируемыми митохондриями. При апоптозе происходит разрушение нуклеиновых кислот ферментами эндонуклеазами. Другой пример - повреждение ДНК в результате окисления липидов. Накопление промежуточных (гидроперекиси ненасыщенных жирных кислот) и конечных продуктов окисления липидов в клетке само по себе приводит к повреждению ДНК и мутациям. Окисление липидов и его действие на биологические мембраны и липопротеины.

Радикалы гидроксила и гипохлорит способны проникать в липидный слой мембран, вызывая цепную реакцию липидной пероксидации, обычно называемую окислением липидов. Так называемые липидные антиоксиданты служат ловушками липидных радикалов и обрывают цепи окисления липидов. Такое действие оказывают альфа-токоферол, убихинон, тироксин, женские половые гормоны, растительные флавоноиды, гидрокситолуол, другие природные и синтетические антиоксиданты. Ионы двухвалентного железа, реагируя с продуктами цепного окисления, гидроперекисями, разветвляют цепи и резко активируют окисление липидов. Соединения, связывающие эти ионы (комплексоны), тормозят окисление липидов. К таким веществам относится дипептид карнозин, содержащийся в очень значительных количествах во многих клетках. Антиоксидантное действие оказывает также фермент глутатионпероксидаза, который катализирует восстановление гидроперекисей липидов глутатионом и тем самым предотвращает разветвление цепей. Подробнее о реакциях липопероксидации можно прочесть в монографиях и обзорах.

B неделящихся клетках окисление липидов - основная причина повреждающего действия свободных радикалов. Радикалы липидов, образующиеся в ходе окисление липидов, весьма агрессивны, поэтому перекисное окисление приводит к многочисленным химическим реакциям в мембранных составляющих, включая белки и липиды. Процесс сопровождается нарушением барьерных свойств и структуры мембран, расстройством функций и повреждением клеток.

Как уже говорилось, продукты окисление липидов могут воздействовать на нуклеиновые кислоты. Однако основное разрушительное действие пероксидации липидов направлено на мембранные структуры и липопротеины. Мишенями служат либо сам липидный слой мембран, либо белки, входящие в состав мембранных структур и липопротеинов.

Действие перекисного окисления на липидный слой мембран и липопротеинов
Как известно, липидный бислой выполняет две основные функции: барьерную (ограничение проницаемости) и структурную, которая состоит в том, что в липидный слой, как в матрикс, встроены другие компоненты мембран (белки и гликопротеины).

Липидный слой как фосфолипидных, так и биологических мембран в результате перекисного окисления становится более проницаемым для H+/OH- и ионов кальция. С использованием метода протонного пульса, впервые предложенного Митчеллом и Мойл, мы показали вызванное перекисным окислением повышение проницаемости мембран для протонов также и в митохондриях. Одно из важных следствий этого - разобщение окислительного фосфорилирования в митохондриях. Биологические следствия увеличения клеточной и внутриклеточной ионной проницаемости мембран для ионов водорода и кальция весьма драматичны. Повышенная протонная проницаемость мембран приводит к недостатку энергии в клетке и является эквивалентом недостатка кислорода.

Другим драматическим следствием окисление липидов в биологических мембранах оказалось снижение электрической стабильности мембран, которое проявляется в снижении потенциала электрического пробоя. Это было показано в опытах на искусственных фосфолипидных мембранах, мембранах эритроцитов и мембранах митохондрий. Если неокисленные мембраны имели потенциалы пробоя соответственно 120-150, 100 и 200 мВ, то в результате пероксидации потенциал снижался в отдельных случаях до 10-30 мВ. Поскольку потенциал на биологических мембранах всего на 25-30 мВ ниже потенциала их пробоя, снижение электрической прочности приводит в «самопробою» мембран собственным потенциалом и потере ими свойств барьера для ионов и водорастворимых молекул.

Потерю барьерной функции мембран в результате окисление липидов можно рассматривать как причину острого повреждения клетки. Вместе с тем многие эффекты окисления липидов не столь драматичны, но приводят к изменению свойств мембран и хроническим патологическим состояниям. Очевидно, эти изменения обусловлены «мягкой» модификацией физических свойств липидного бислоя мембран при окисление липидов. При использовании главным образом различных флуоресцентных и спиновых зондов были зарегистрированы структурные изменения липидного бислоя мембран в результате окисление липидов.

Как было показано в нашей лаборатории в серии работ, по мере пероксидации липидного бислоя происходит целый каскад структурных модификаций его физических свойств:
• увеличение числа отрицательных зарядов на его поверхности, обусловленное взаимодействием продуктов пероксидации - альдегидов с аминогруппами фосфатидилэтаноламина;
• увеличение вязкости (ригидности) бислоя на глубине 0,6-0,8 нм от поверхности раздела липид - вода, при этом в более глубоких слоях (2,0-2,2 нм) заметных изменений не обнаруживалось;
• резкое увеличение полярности поверхностных слоев бислоя («водная коррозия мембран»), объясняемое проникновением в фосфолипидный бислой молекул воды, образующих водородные связи с полярными группами, возникающими в результате пероксидации липидо;
• уменьшение площади (до 20%) поверхности фосфолипидных мембран, объясняемое деструкцией остатков ненасыщенных жирных кислот и соответствующим уплотнением мембран, что, возможно, приводит к уменьшению площади белок-липидных контактов.

Наблюдаемые феномены уплотнения и проникновения в бислой воды на первый взгляд противоречат друг другу, но, по-видимому, в мембранах происходит двумерное фазовое разделение на области с плотной упаковкой липидов и оводненные щели со сниженной устойчивостью к электрическому пробою и увеличенной ионной проницаемостью. Прообразом такой картины является пересохший и растрескавшийся слой глины - щстынный такыр. Наблюдаемые изменения фосфолипидного слоя в липосомах также были обнаружены в монослое липопротеидов, подвергнутых пероксидации.

Действие липидной пероксидации на мембранные белки
Окисление липидов в мембранах сопровождается повреждением функциональных групп многих мембранных белков; особенно чувствительны те из них, в активный центр которых входят тиоловые группы. Важным примером может служить калыгий-транспортный белок Ca-АТФаза. Этот фермент содержится как в цитоплазматических мембранах, так и в мембранах эндоплазмати-ческого (в частности, саркоплазматического) ретикулума. Благодаря его функционированию в клеточном соке поддерживается низкая концентрация ионов кальция (10-8 - 10-7 М), тогда как во внеклеточной среде и внутри везикул ретикулума оно составляет 10-3 М. В результате окисления липидов происходит подавление транспортной функции Ca-АТФазы; более того, из насоса она превращается в канал для кальция.

Таким образом, окисление липидов цитоплазматической мембраны и внутриклеточных мембран приводит к увеличению концентрации кальция в клетке. В свою очередь ионы кальция способны запускать каскад реакций внутриклеточной сигнализации, из которых для нас наиболее важны активация гидролитических ферментов фосфолипаз и протеаз и запуск системы программируемой смерти клетки (апоптоза). Оба этих процесса, как мы увидим ниже, имеют непосредственное отношение к гибели функционально-активных клеток и старению тканей и органов.



Новые статьи

» Стронгилоидоз
Стронгилоидоз
Стронгилоидоз - хронически протекающий геогельминтоз с преимущественным поражением ЖКТ и общими аллергическими проявлениями. Основной источник заражения стронгилоидозом - больной человек. Некоторые... перейти
» Трихинеллез
Трихинеллез
Трихинеллез у человека - это острый зооноз с природной очаговостью, протекающий с лихорадкой, мышечными болями, отеком лица, кожными высыпаниями, высокой эозинофилией, а при тяжелом т... перейти
» Энтеробиоз
Энтеробиоз
Энтеробиоз - кишечный гельминтоз, вызываемый мелкой нематодой Enterobius vermicularis, со стертым и невыраженным течением, наиболее распространенный признак которого - перианальный зуд, возникающий на... перейти
» Аскаридоз
Аскаридоз
Аскаридоз - кишечный гельминтоз, вызываемый нематодой Ascaris lumbricoides, протекающий с поражением ЖКТ, интоксикацией, аллергическими реакциями. Аскаридоз - один из самых распространенных гельмин... перейти
» Альвеококкоз
Альвеококкоз
Альвеококкоз (Alveococcosis) - зоонозный биогельминтоз, вызываемый личиночной стадией цепней Echinococcus multilocularis, с хроническим прогрессирующим течением, развитием в печени и других органах мн... перейти
» Эхинококкоз
Эхинококкоз
Эхинококкоз (Echinococcosis) - зоонозный биогельминтоз, вызываемый личиночной стадией цепня Echinococcus granulosus, характеризуемый хроническим течением и развитием преимущественно в печени, реже в л... перейти