Основные механизмы нарушения барьерных свойств липидного слоя

Изучение воздействия разного рода повреждающих агентов на изолированные клетки (например, эритроциты), митохондрии, фосфолипидные везикулы (липосомы), плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) и другие модельные объекты показало, что, в конечном счете, существует всего четыре основных процесса, которые непосредственно обусловливают нарушение целостного липидного бислоя в патологии [Владимиров Ю. А., 1973]:

• перекисное окисление липидов;
• действие мембранных фосфолипаз;
• механическое (осмотическое) растяжение мембраны;
• адсорбция на бислое полиэлектролитов, включая некоторые белки и пептиды.

Чтобы понять роль этих процессов в развитии патологического состояния, надо знать химические и физические условия протекания каждого из них, пути их регуляции в живой клетке и причины ее нарушения, характер повреждения свойств мембран под действием данного процесса, биологические последствия такого повреждения мембран для жизнедеятельности клетки и организма в целом. Рассмотрим эти вопросы на примере наиболее изученного процесса – перекисного окисления (пероксидации) липидов.

Свободнорадикальное (перекисное) окисление липидов

Реакции, в которых образуются свободные радикалы

См. также соответствующий раздел в лекции №7.

Перекисное окисление (пероксидация) липидов - пример процесса, идущего с участием свободных радикалов. Свободные радикалы - это молекулярные частицы, имеющие непарный электрон на внешней орбитали и обладающие высокой реакционной способностью. Их изучение ведется методом ЭПР (спиновые ловушки), хемилюминесценции и путем применения ингибиторов реакций, в которых участвуют радикалы определенного типа. В таблице 1 дан перечень основных типов свободных радикалов, образующихся в организме человека.

 

Таблица 1. Свободные радикалы, образующиеся в клетках нашего организма

Радикал	Основной источник	Вредные реакции
Первичные радикалы:
Семихиноны	Цепи переноса электронов	HQ· + O2 -> Q+ ·O^2- + H^+
Супероксид	Клетки-фагоциты	·O^2- + Fe^3+ -> O2 + Fe^2+
Монооксид азота(NO)	Клетки эндотелия и многие другие	NO· + ·O^2- -> OONO^- (пероксинитрит)
Вторичные радикалы:
Радикал гидроксила	H2O2 + Fe^2+ -> Fe^3+ + HO^- + HO· (реакция Фентона) HOCl + Fe^2+ -> Fe^3+ + Cl^- + HO· (реакция Осипова)	Повреждение ДНК и РНК, цепное окисление липидов
Радикалы липидов	Цепное окисление липидов	Повреждение липидного бислоя и мембранных ферментов
Радикалы антиоксидантов	Цепное окисление липидов	Иногда оказывают прооксидантное действие
Радикалы, обрзующиеся при метаболизме ксенобиотиков	Промышленные токсины инекоторые лекарства	Образование вторичных радикалов
Радикалы, образующиеся при действии света	Поглощающие свет вещества	Образование вторичных радикалов

 

Первичные радикалы

Основные радикалы, образующиеся в клетках - это радикалы кислорода (супероксид и гидроксильный радикал), монооксид азота, радикалы ненасыщенных жирных кислот, радикалы, образующиеся в окислительно-восстановительных реакциях (например, убихинол). Радикалы образуются также при действии ультрафиолетовых лучей и в ходе метаболизма некоторых чужеродных соединений (ксенобиотиков), в том числе некоторых препаратов, одно время применявшихся в качестве лекарств.

Активные формы кислорода

Основная масса молекулярного кислорода, потребляемого клетками нашего организма, непосредственно восстанавливается до воды, окисляя органические субстраты в цепях переноса электронов. Меньшая часть кислорода расходуется на неполное окисление органических соединений. Наконец, заметная часть кислорода восстанавливается клетками нашего организма до супероксидного радикала. Так клетки – фагоциты (моноциты и гранулоциты крови и тканевые макрофаги) выделяют супероксид в реакции, катализируемой ферментным комплексом – НАДФН-оксидазой:

НАДФН + 2O2 -> НАДФ^+ + 2O^•- (супероксид)

Дальнейшая судьба супероксидных радикалов может быть разной (см. схему на рис. 2). В норме и при отсутствие ионов металлов переменной валентности супероксидные радикалы превращаются в перекись водорода; эта реакция катализируется ферментом супероксиддисмутазой (СОД) (реакция 2 на рис. 2):

2O^•- -> H2O2 + O2

Клетки-фагоциты используют перекись водорода, превращая ее в гипохлорит – соединение, разрушающее стенки бактериальных клеток; эта реакция катализируется ферментом миелопероксидазой (реакция 3 на рис. 2):

H2O2 + Cl^- -> H2O + ClO^-

Избыток перекиси водорода удаляется под действием двух ферментов: глутатионпероксидазы или каталазы (реакция 4 на рис. 2):

В условиях патологии могут произойти нарушения либо системы защитных ферментов (в частности, снижение активности СОД), либо ферментных систем, связывающих ионы железа в плазме крови (церулоплазмин и трансферрин) и в клетках (ферритин). В этом случае супероксидные радикалы и перекись водорода вступают в альтернативные реакции: Образование двухвалентного железа из трехвалентного (реакция 7 на рис. 2):

Fe^3+ + O^•- -> Fe^2++ O2

Реакция перекиси водорода и гипохлорита с ионами двухвалентного железа (реакции 9 и 10 на рис. 2):

Fe^2+ + H2O2 -> Fe^3+ + HO^- + HO· (радикал гидроксила)

Fe^2+ + ClO^- + H^+ -> Fe^3+ + Cl^- + HO· (радикал гидроксила)

Совокупность продуктов, образуемых активированными клетками-фагоцитами (радикалы супероксида и гидроксила, перекись водорода и гипохлорит) называют активными формами кислорода; некоторые авторы называют гипохлорит и продукты его метаболизма в тканях (такие как хлорамины R-NHCl) называют активными формами хлора. Радикалы гидроксила химически исключительно активны и вызывают повреждение белков, нуклеиновых кислот и липидов биологических мембран. Особенно тяжелые последствия имеют две последние реакции. Радикалы ·OH вызывают разрыв нитей ДНК, обладая, в зависимости от ситуации, мутагенным, канцерогенным или цитостатическим действием. С другой стороны, реагируя с ненасыщенными жирными кислотами, входящими в состав мембранных липидов, радикалы гидроксила инициируют цепную реакцию их пероксидации (перекисного окисления).

Цепное окисление липидов

См. также соответствующий раздел в лекции №7.

См. также лекцию «Кинетика реакций цепного окисления липидов».

Реакция цепного окисления липидов играет исключительную роль в клеточной патологии, и следует остановиться на ее механизме. Она протекает в несколько стадий, которые получили название инициирование, продолжение, разветвление и обрыв цепи (см. рис.3 и 4). Рассмотрим эти стадии подробнее.

Инициирование цепи

Радикал гидроксила, будучи небольшой по размеру незаряженной частицей, способен проникать в толщу гидрофобного липидного слоя и вступать в химическое взаимодействие с полиненасыщенными жирными кислотами (которые принято обозначать как LH), входящими в состав биологических мембран и липопротеинов плазмы крови. При этом в липидном слое мембран образуются липидные радикалы:

HO· + LH -> H2O + L·

Липидный радикал (L·) вступает в реакцию с растворенным в среде молекулярным кислородом; при этом образуется новый свободный радикал - радикал липоперекиси (LOO·):

L· + O2 -> LOO·

Продолжение цепи

Радикал LOO· атакует одну из соседних молекул фосфолипида с образованием гидроперекиси липида LOOH и нового радикала L·:

LOO· + LH -> LOOH + L·

Чередование двух последних реакций как раз и представляет собой цепную реакцию перекисного окисления липидов (см. рис.3).

Разветвление цепи

Существенное ускорение пероксидации липидов наблюдается в присутствии небольших количеств ионов двухвалентного железа. В этом случае происходит разветвление цепей в результате взаимодействия Fe²⁺ c гидроперекисями липидов:

Fe^2+ + LOOH -> Fe^3+ + HO^- + LO·

Образующиеся радикалы LO· инициируют новые цепи окисления липидов (рис. 4):

LO· + LH -> LOH + L·;

L· + O2 -> LOO· -> и т. д.

Обрыв цепей

В биологических мембранах цепи могут состоять из десятка и более звеньев. Но в конце концов цепь обрывается в результате взаимодействия свободных радикалов с антиоксидантами (InH), ионами металлов переменной валентности (например, теми же Fe²⁺) или друг с другом:

LOO· + Fe^2+ + H^+ -> LOOH + Fe^3+