<<
>>

ПОВРЕЖДЕНИЕ БИОМОЛЕКУЛ АКМ

Все формы АКМ обладают высокой цитотоксичностью в отношении любых типов клеток и клеточных образований, что определяется их химической реактивностью. Не­смотря на то, что показывается участие АКМ-индуцированных окислительных повреж­дений в гибели клеток, конкретные механизмы этой гибели зачастую неизвестны.

Мож- м но выделить четыре наиболее вероятные мишени окислительной цитотоксической атаки АКМ: индукция процессов ПОЛ в биологических мембранах [14], повреждение мем- брансвязанных белков [837], инактивация ферментов [316] и повреждение ДНК клеток [483].~В~зависимости от конкретных причин индукции синтеза АКМ~активнобти меха­низмов защиты от их действия в живом организме все основные классы биомолекул (белки, липиды, нуклеиновые кислоты) могут стать критическим элементом повреж­дающего действия АКМ.

г* Аминокислоты, также как и состоящие из них белковые макромолекулы, подверже­ны окислительному действию АКМ, что приводит к различным вариантам изменения их физико-химических свойств: модификация аминокислотных остатков, образование кар­бонильных групп, формирование белок-белковых сшивок иJS-S-мостиков. фрагмента­ция молекул и их агрегация, изменение каталитической активности, вязкости и флюо­ресценции, снижение термической стабильности и повышение подверженности к проте­олизу [1074]. В первую очередь АКМ окисляются серосодержащие аминокислоты цистещ^и метионин, которые способны образовывать дисульфидныесвязи [901]. Цис­теиновые дисульфидные связи могут вновь восстанавливаться в ферментативных реак­циях, что служит основой для создания в клетках эффективных механизмов защиты от АКМ и окислительных повреждений, таких как «ГПО-глутатион-глутатионредуктаза», «тиоредоксин-тиоредоксинредуктаза», «пероксиредоксин-глутатион» (см. главу 2). Ме­тионин также способен обратимо окисляться АКМ и восстанавливаться метионинсуль- фоксидредуктазами, которые используют в качестве восстановителя тиоредоксин [938]. Среди ароматических аминокислот с АКМ радикальной природы (ОН*, NO *, NO*, RO *) эффективно взаимодействует тирозин, имеющий легко окисляющуюся ОН-группу [401].

Ьюбразующиеся после отрыва атома водорода радикалы тирозина (Туг*) также достаточно реакционны и способны взаимодействовать с другими радикалами и между собой, по­этому реально в биологических системах протекают разные реакции модификации тиро- зиновых остатков [111]:

ТугН + ОН* > ТугОН* (95%) или Туг* + Н20 (5%) (k= 1,4х 1010MV)

ТугН + N0 \ > Туг* + N0 2 + Н+ (к = 3,2 х 105 М^с'1)

Туг* + N0 * > TyrN02 (к = 3 х 109 МАс])

Туг* + Туг* > Tyr-Tyr (к = 4,5 х 108 Млс])

ТугОН* > Туг* + Н02 (к = 1,8 х 108 Млс]).

) После окисления и протеолиза белков выявляется множество продуктов окислитель­ной модификации тирозина, характерными из которых являются 3-гидрокситирозин,

\ 3-нитротирозин, дитирозин (рис. 39).

он


В организме образование продуктов окисления тирозина может служить показателем развития окислительного стресса.
В этом плане удобен для определения дитирозин, так как он имеет интенсивную флюоресценцию в области 420 нм при действии возбуждаю­щего излучения с длиной волны 284 нм (кислые растворы или 315 нм (щелочные рас­творы) [4011. В липопротеинах низкой плотности, выделенных из атеросклеротических бляшек,1"Содержание дитирозина было в 100 раз выше по сравнению с нормальными ли­попротеинами [4681.

Окислительному действию кислородных радикалов подвергаются также все другие аминокислотные остатки, прежде всего - пролина, гистидина и аргинина [10951. В лите­ратуре подробно описано фрагментирование альбумина [661], коллагена [1074] и а- глобулинов. Окислительное повреждение приводит к денатурации и агрегации белковых молекул, что продемонстрировано на примере белков хрусталика глаза [382] и церуло­плазмина [1071]. Агрегация белков связана со способностью АКМ образовывать межмо- ^ лекулярные сшивки.

Фрагментация белков и образование внутри- и межпептидных сшивок сопровожда­ются изменением конформации молекул, их агрегационных свойств и повышением спо­собности к протеолизу [431]. Рассмотрение устойчивости широкого спектра белков к повреждающему действию АКМ показывает, что нативные белки более устойчивы по сравнению к конформационно изменёнными. По-видимому, эволюционно отбирались и закреплялись именно устойчивые конформации молекул. Воздействия АКМ в близких к физиологическим концентрациях повреждают молекулы и повышают их доступность к действию протеолитических ферментов, результатом чего является высвобождение сво­бодных аминокислотных остатков, обладающих выраженным ингибирующим эффектом на АКМ. Таким образом, в условиях развития окислительного стресса белки в нативном состоянии, ввиду их высокого содержания и в клетках и межклеточных жидкостях, про­тивостоят повреждениям, с одной стороны, поддерживая оптимальную структуру, а с другой - усиливая антиоксидантную защиту. Это свойство белков чрезвычайно важно для живых организмов, так как позволяет сохранять структуру в условиях регулярных изменений концентраций АКМ.

Окисление БН-содержащих групп белков приводит к снижению восстановленных и повышению уровня окисленных БН-групп [95], поэтому соотношение окисленных и восстановленных БН-групп белковых молекул может быть использовано в качестве по­казателя развития окислительного стресса [6]. Критическим элементом, содержащим БН-группы и подверженным токсическому действию АКМ, в клетках является Са2+- АТФаза [548], её повреждение приводит к нарушению транспорта ионов кальция через мембрану (в нормальных условиях внутриклеточная концентрация кальция в 10.000 раз ниже, чем_внеклеточцая). Снижение активности некоторых клеточных ферментов - та­ких, как тимидинкиназа [519] или Са2+-АТФаза [548] является дополнительным свиде­тельством усиления свободнорадикальных процессов. При развитии индуцированной АКМ молекулярно-клеточной деструкции повышается содержание в биологических субстратах окисленных гемовых белков [453] и производных аминокислот, в частности, метионинсульфоксида в лаважной жидкости [157] или 3-нитротирозина в сыворотке и синовиальной жидкости больных ревматоидным артритом [5431. Карбонильные группы и гидроперекиси, образующиеся при окислении белков, также могут служить показате­лями свободнорадикального окисления [397], при этом гидроксилирование Э- фенилаланина является достаточно специфическим показателем продукции ОН- радикалов [174].

Окисление липидных молекул приводит к необратимому изменению или поврежде­нию мембранных структур, нарушению их проницаемости для ионов, в результате чего, в частности, усиливается гемолиз эритроцитов и изменяются их реологические показа­тели [1006, 1017]. Наиболее подвержены перекисному окислению входящие в состав мембран ненасыщенные жирные кислоты: линолевая (18:2), арахидоновая (20:4), докоза- гексаеновая (22:6). Окисление липидов приводит к образованию перекисей и увеличе­нию гидрофильности молекул, в результате чего происходит ротация липидного состава мембран. Продукты окисления липидов, содержащие сопряжённые двойные связи (дие­новые конъюгаты) или альдегидные группы (рис. 36), также обладают высокой реакци­онной активностью. Так, главный продукт окисления 1,6-арахидоновой кислоты,

гидроксиноненаль, обладает цитотоксическим и мутагенным действием и может сши­вать белковые молекулы, вызывая нарушение структуры и инактивацию ферментов. Де­структивный эффект 4-гидроксиноненаля во многом реализуется за счет образования ковалентных аддуктов с аминокислотными остатками гистидина, лизина и цистеина в составе белков [999]. Одним из конечных продуктов ПОЛ являются насыщенные низко­молекулярные углеводороды (этан, пентан, гексан), которые в нормальных условиях легко переходят в газообразное состояние; оценка их содержания в выдыхаемом воздухе с помощью газовой хроматографии [433, 546, 561, 991] иногда используется в качестве интегрального показателя процессов ПОЛ в организме, однако в последнее время цен­ность данного метода ставится под сомнение [566].

В плазме крови АКМ вызывают окислительную модификацию липопротеинов низ­кой плотности (ЛНП), в результате чего те становятся цитотоксичными и эффективно захватьГваемымгГ^макрофагами через «скэвинджер»-рецепторы (см. главу 3). Окисли­тельная модификация ЛНП заключается в деградации полиненасыщенных жирных ки­слот с образованием реакционных коротких фрагментов, часть из которых ковалентно связывается с аполипопротеином В, преимущественно с е-аминогруппами лизиновых остатков. Окисленные ЛНП обладают более высокой электрофоретической подвижно­стью и повышенной гидрофильностью, их рецепция макрофагами увеличивается в 3-10 раз [336], что может использоваться для их выявления в биологических образцах. Одна­ко наиболее чувствительным методом обнаружения окисленных ЛНП является иммуно­химический метод с использованием меченых антител к модифицированным липопро- \ теинам [761], позволивший установить их наличие и локализацию на гистологических срезах аорты кролика [192, 760]. Выявление в тканях и плазме крови окисленных липо­протеинов может служить интегральным показателем окислительного повреждения в организме.

Идентифицировано более 20 типов окислительных повреждений молекул нуклеино­вых кислот: различные виды повреждения оснований, возникновение одно- и двухцепо­чечных разрывов, сшивок и хромосомных аберраций [496]. В нормальных условиях для ДНК человека характерно образование около 300 сшивок на клетку в день, для РНК - 700; у разных животных повреждаемость нуклеиновых кислот хорошо коррелирует с насыщением тканей кислородом и, по-видимому, играет важную роль в процессах ста­рения [97]. Как правило, прямое действие Oj и Н202 на ДНК не вызывает повреждения оснований или образования сшивок между основаниями; основным повреждающим агентом выступает ОН-радикал, который эффективно взаимодействует с дезоксирибо- зой, пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. Синглетный кислород более специ­фично чем ОН* взаимодействует с гуанином. Пероксинитрит вызывает нитрозилирова- ние и деаминирование аминогрупп в основаниях ДНК, при этом 8-нитрогуанин является \ индикатором повреждающего действия ONOCT. 1 -г*

У позвоночных животных митохондриальный геном представлен кольцевой мито­хондриальной ДНК. Несмотря на то, что в клетках человека и животных вся митохонд­риальная ДНК по размерам не превышает 0,1 % ядерной ДНК, в условиях окислительно­го стресса в наибольшей степени повреждается^ДЦК митохондрий, что связано с низкой активностью систем репарации, а также низким содержанием гистоновых белков, ока­зывающих защитное действие. Как было показано на культуре вирус- трансформ ированных фибробластов, обработка клеток Н202 в концентрации 200 мкМ в течение 60 минут вызывает в 3 раза больше повреждений в митохондриальной ДНК по сравнению с равным фрагментом ядерной ДНК [1088]. При этом повреждения ядерного фрагмента полностью устранялись через 1,5 часа, в то время как восстановления мито­хондриальной ДНК не наблюдалось, репарация проходила только при малых временах экспозиции с Н202 (15 минут). Возможно, что защитой от окислительных повреждений является присутствие митохондриальной ДНК в клетках во множестве копий, обычно 1000 - 10 000, при этом в одной митохондрии содержится от 2 до 10 копий ДНК.

Для обнаружения окислительных повреждений ДНК, появляющихся in vivo, разрабо­тан чувствительный аналитический метод измерения 8-гидрокси-2'-дезоксигуанозина [538]. Проведённая с помощью данного метода оценка степени повреждения ДНК в об­разцах печени, мозга, почки, кишечника и яичках крыс показала, что из каждых 106 ос­татков дезоксигуанозина от 8 до 83 были гидроксилированы, при этом с возрастом со­держание 8-гидрокси-2'-дезоксигуанозина повышалось в печени, почках и кишечнике, но не изменялось в мозге и яичках [363]. Повреждённые фрагменты нуклеиновых кислот удаляются ферментами репарации и выводятся из организма в виде тимингликоля, ти- мидингликоля, гидроксиметилурацила и т.д. (рис. 40). Определение данных соединений в моче или других биологических средах служит интегральным показателем радикаль­ного повреждения нуклеиновых кислот [397, 442, 1072]. Развитие окислительного стрес­са в клетках сопровождается нарушением синтеза нуклеиновых кислот, поэтому интен­сивности включения 3Н-тимидина в ДНК или 3Н-фенилаланина в белки, отражающие скорость синтетических процессов, также служат неспецифическими показателями окислительных повреждений в клетках (например, при гипероксии) [519].


Углеводы (глюкоза и другие моносахариды) также подвержены окислительному дей­ствию АКМ. Было показано, что глюкоза может выступать в качестве ингибитора ОН- радикалов [861]. Однако в физиологических условиях углеводы могут претерпевать ау­тоокисление с образованием дикарбонильных соединений, Н202 и гидроксильных ради­калов [490, 711] и, таким образом, скорее усиливают образование АКМ, нежели ингиби­руют. При диабете в плазме крови значительно повышается содержание глюкозы, её аутоокисление может быть причиной интенсификации процессов ПОЛ и окислительной модификации ЛНП [491, 711]. Так как метаболизм углеводов значительно интенсивней метаболизма липидов и белков, то окисленные продукты данных соединений достаточно быстро удаляются из организма и, как правило, не являются причиной драматических последствий окислительного стресса.

тимин цитозин аденин гуанин

<< | >>
Источник: Меныцикова Е. Б. и др.. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты / Е.Б. Меныцикова, В.З. Ланкин, Н.К. Зенков, И.А. Бондарь, Н.Ф. Круговых, В.А. Труфакин. - М.: Фирма «Слово»,2006. - 556 с.. 2006
Помощь с написанием учебных работ

Еще по теме ПОВРЕЖДЕНИЕ БИОМОЛЕКУЛ АКМ:

  1. 10.3. Повреждения, нехарактерные для автотравмы и симулирующие другие виды повреждений
  2. ПОВРЕЖДЕНИЯ ПОЗВОНОЧНИКА
  3. ПОВРЕЖДЕНИЯ ОРГАНОВ ШЕИ
  4. ПОВРЕЖДЕНИЯ ГРУДНОЙ СТЕНКИ
  5. ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛЕГКИХ
  6. ПОВРЕЖДЕНИЯ СРЕДОСТЕНИЯ
  7. ПОВРЕЖДЕНИЯ ДИАФРАГМЫ
  8. 8.7. Повреждения пилящими орудиями
  9. ПОВРЕЖДЕНИЯ ТКАНЕЙ ЗАБРЮШИННОГО ПРОСТРАНСТВА
  10. ПОВРЕЖДЕНИЯ СЕЛЕЗЕНКИ