Биологические последствия пероксидации липидов

См. также соответствующий раздел в лекции №5.

Увеличенное образование свободных радикалов в организме и связанное с этим усиление процессов пероксидации липидов (которое иногда называют "оксидативным стрессом") сопровождается рядом нарушений в свойствах биологических мембран и функционировании клеток. Повреждаются либо белковые структуры, либо липидный бислой в целом. В последнее время ученые уделяют все большее внимание взаимодействию мембран с нуклеиновыми кислотами в ядре и митохондриях. По-видимому, одним из результатов пероксидации липидов может стать повреждение этих макромолекул со всеми вытекающими последствиями. Наиболее изучены три прямых следствия перекисного окисления липидов. Во-первых, перекисное окисление липидов сопровождается окислением тиоловых (сульфгидрильных) групп мембранных белков (Pr). Это может приводить в результате неферментативной реакции SH-групп со свободными радикалами липидов; при этом образуются сульфгидрильные радикалы, которые затем взаимодействуют с образованием дисульфидов либо окисляются кислородом с образованием производных сульфоновой кислоты:

Pr-SH + L· -> LH + Pr-S· Pr1-S· + Pr2-S· -> Pr1-SS- Pr2 Pr-S· + O2 -> Pr-SO2· -> молекулярные производные

Связанное с перекисным окислением липидов окисление белков и образование белковых агрегатов в хрусталике глаза заканчивается его помутнением; этот процесс играет важную роль в развитии старческой и других видов катаракты у человека. Большую роль в патологии клетки играет также инактивация ион-транспортных ферментов, в активный центр которых входят тиоловые группы, в первую очередь Ca2+-АТФазы. Инактивация этого фермента приводит к замедлению "откачивания" ионов кальция из клетки и, наоборот, к входу кальция в клетку, увеличению внутриклеточной концентрации ионов кальция и повреждению клетки. Наконец, окисление тиоловых групп мембранных белков приводит к появлению дефектов в липидном слое мембран клеток и митохондрий. Под действием разности электрических потенциалов на мембранах через такие поры в клетки входят ионы натрия, а в митохондрий – ионы калия. В результате происходит увеличение осмотического давления внутри клеток и митохондрий и их набухание. Это приводит к еще большему повреждению мембран. Второй результат перекисного окисления липидов связан с тем, что продукты пероксидации обладают способностью непосредственно увеличивать ионную проницаемость липидного бислоя. Так показано, что продукты перекисного окисления липидов делают липидную фазу мембран проницаемой для ионов водорода и кальция. Это приводит к тому, что в митохондриях окисление и фосфорилирование разобщаются, а клетка оказывается в условиях энергетического голода (т.е. недостатка АТФ). Одновременно в цитоплазму выходят ионы кальция, которые повреждают клеточные структуры. Третий (и быть может, самый важный) результат пероксидации – это уменьшение стабильности липидного слоя, что может привести к электрическому пробою мембраны собственным мембранным потенциалом, т.е. под действием разности электрических потенциалов, существующей на мембранах живой клетки. Электрический пробой приводит к полной потере мембраной ее барьерных функций (подробнее см. в лекции «Электрический пробой мембран»).

См. также раздел «Клеточные системы антирадикальной защиты» в лекции №5.

Заключение

Суммируем основное содержание данной лекции. Свободные радикалы – это молекулярные частицы, на внешней орбитали которых имеются неспарные электроны. Радикалы обладают высокой реакционной способностью, и их стационарная концентрация в клетках всегда очень мала. Изучение свободных радикалов и реакций, в которых они участвуют, ведется методами ЭПР, хемилюминесценции и другими с использованием ингибиторного анализа. Активные формы кислорода, окись азота, липидные радикалы, радикалы антиоксидантов и ксенобиотиков постоянно образуются и исчезают в живых клетках. УФ – излучение и облучение ионизирующей радиацией тоже приводит к образованию свободных радикалов молекул-мишеней. Драматические последствия для мембранных структур клетки может иметь реакция цепного (перекисного) окисления липидов. Скорость ее протекания существенно зависит от присутствия ионов двухвалентного железа, которые участвуют в образовании радикала гидроксила, инициирующего цепное окисление, и в разветвлении цепей окисления. Повреждающее действие цепного окисления липидов на биологические мембраны вызвано окислением тиоловых групп белков, увеличением ионной проницаемости мембран и снижением электрической прочности липидного слоя мембран, что приводит к "самопробою" мембран электрическим полем. Живая клетка выработала целую систему защиты от повреждения свободными радикалами. Вещества, тормозящие реакции с участием свободных радикалов локализуются как в водной среде, так и в липидной фазе клеточных структур.

Вопросы для самоконтроля

1. Свободные радикалы. Определение и классификация.

2. Происхождение и метаболизм супероксид-радикала.

3. Происхождение и действие на клеточные структуры радикала гидроксила.

4. Основные реакции цепного окисления липидов.

Рекомендуемая литература

1. Владимиров Ю.А., Азизова О.А., Деев А.И., Козлов А.В., Осипов А.Н., Рощупкин Д.И. Свободные радикалы в живых системах. Итоги Науки и Техники, серия Биофизика, том.29. In: Москва: ВИНИТИ, 1992:3-250.

2. Владимиров Ю.А., Литвин Ф.Ф. Исследование сверхслабых свечений в биологических системах. Биофизика 1959;4(5):601-605.

3. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в билогических мембранах. Москва, Наука, 1972.

4. Владимиров Ю.А., Свободнорадикальное окисление липидов и физические свойства липидного слоя биологических мембран. Биофизика 1987;32(5):830-844.

5. Осипов А.Н., Якутова Э.Ш., Владимиров Ю.А. Образование гидроксильных радикалов при взаимодействии гипохлорита с ионами железа. Биофизика 1993;38(3):390-396.

6. Арчаков А.И. Микросомальное окисление. Москва, Наука, 1978

 

 

Лекция 8