Патобиохимия свободно-радикальных процессов

Процессы свободно-радикального окисления (СРО), протекающие в клетке, затрагивают все без исключения клеточные структуры и модифицируют работу многочисленных систем клеточного метаболизма. Наиболее активным процессом, идущим на поверхности клеточных мембран, является ПОЛ. Это сложный, зависящий от множества факторов процесс, который заключается во взаимодействии активных кислородных частиц с ацильными остатками липидов мембраны, липопротеидами различной плотности и свободными ненасыщенными жирными кислотами (ЖК), присутствующими в клетке в свободном состоянии (4, 14).

Биологическая значимость процессов ПОЛ проявляется в обновлении состава и поддержании свойств биомембран, регуляции их проницаемости, активности мембраносвязанных ферментов, участии в энергетических процессах клеточного деления, синтезе биологически активных веществ (БАВ). Через стадию перекисных производных ненасыщенных ЖК осуществляется синтез простагландинов и лейкотриенов, а тромбоксаны, оказывающие мощное влияние на адгезивно-агрегационные свойства форменных элементов крови и микроциркуляцию, сами являются гидроперекисями. Образование гидроперекиси холестерина - одно из звеньев некоторых стероидных гормонов, в частности прогестерона (22). ПОЛ приводит к уменьшению количества жидких гидрофобных липидов в бислойных участках, вследствие этого увеличивается вязкость мембран. Появление поперечных межмолекулярных сшивок и возрастание количества упорядоченных липидов ведет к ограничению подвижности в бислое, также происходит увеличение отрицательного заряда на поверхности мембран, обусловленное появлением вторичных продуктов ПОЛ, содержащих карбоксильные и карбонильные группы. Следствием этих изменений является нарушение барьерных свойств, проницаемости, гормон-рецепторных взаимодействий, трансдукция сигналов в клетку (рис. 3).

Реакции инициации ПОЛ осуществляются путем взаимодействия АФК с полиненасыщенными жирными кислотами (ПНЖК) гидрофобной части мембран. Это сложный многостадийный процесс, которому присуща разнообразная природа промежуточных продуктов.

 

Рисунок 3. Токсическое действие продуктов ПОЛ на клетку.

 

ПОЛ обладает гидроксильный радикал. Радикалы •ОН, реагируя с ПНЖК (RH), инициируют цепную реакцию окисления липидов. На первой стадии происходит образование свободного радикала (СР) липида (R•):

 

. RH + •ОН → H₂О + R• (инициирование цепи)

 

R• вступает в реакцию с растворенным в среде молекулярным кислородом, при этом образуется новый СР - радикал липоперекиси (ROO•):

 

. R• + О₂ → RОО•

 

RОО• атакует одну из соседних молекул ФЛ с образованием гидроперекиси липида ROOH и нового радикала R•:

3. RОО• + RH → ROOH + R•

 

В биологических мембранах цепи могут состоять из десятка и более звеньев, это зависит от состава ФЛ мембран, от количества и прочности двойных связей в ПНЖК, входящих в их состав. Важнейшая особенность ПОЛ в биологических мембранах заключается в том, что по ходу реакции происходит разветвление цепей. Это происходит в присутствии ионов металлов переменной валентности (в частности ионов Fe²⁺) в результате разложения гидроперекисей:

 

. ROOH + Fe²⁺ → RO• + Fe³⁺ + H₂О

ROOH + Fe³⁺ + •ОН → ROO• + Fe³⁺ + H₂O

 

Восстановленные и окисленные формы железа вступают в реакции с гидроперекисями по механизму одноэлектронного переноса, обуславливая распад гидроперекисей сразу по двум направлениям с образованием или алкоксильных (RO•), или алкилперекисных (ROO•) радикалов липидов, также способных атаковать непредельные ацилы ФЛ мембран. В условиях клетки скорость разветвления цепей определяется концентрацией и локализацией ионов металлов с переменной валентностью. Экспериментально доказано, что ионы Fe²⁺ в зависимости от концентрации могут выступать как прооксиданты, так и ингибиторы ПОЛ. В отсутствие реакций обрыва цепи, однажды возникший свободно-радикальный центр потенциально способен окислить весь имеющийся субстрат. ПОЛ может быть инициировано атакой и других радикалов и синглетным кислородом, который образует гидроперекиси и эндоперекиси прямым внедрением О₂' в ненасыщенный углеродный скелет ЖК (22).

Цепь обрывается в результате взаимодействия СР R• или ROO• друг с другом или АО.

Продукты, образующиеся в реакциях ПОЛ, условно можно разделить на несколько групп:

.   Промежуточные продукты ПОЛ. Имеют радикальную природу и наиболее нестабильны. Алкоксильные и перекисные радикалы представляют собой чрезвычайно гетерогенный класс соединений. Биологический эффект ROO• и RО• реализуется как непосредственно через их повреждающее действие на белки, ферменты, нуклеиновые кислоты (НК), так и через продукты ПОЛ - органические перекиси, альдегиды, кетоны, эпоксиды, некоторые из которых высокотоксичны для клеток, являются очень активными и способны изменить стационарность процессов ПОЛ.

.   Первичные продукты ПОЛ. На стадии разветвления цепей являются гидроперекиси липидов (ГПЛ). ГПЛ достаточно лабильные вещества, способные к самопроизвольному распаду на СР. Гидроперекись образуется в результате разрыва двойной связи, т.е. отрыва атома водорода от углерода, находящегося в α-положении по отношению к двойной связи. Олеиновая, линолевая, линоленовая и арахидоновая кислоты содержат соответственно 2, 3, 4 и 5 таких α-углеродных атомов. Этим и объясняется увеличение реакционной способности (в отношении ПО) ЖК с увеличением двойных связей. К первичным продуктам относятся и диеновые конъюганты - молекулы с сопряженными двойными связями.

.   Вторичные продукты ПОЛ. Образуются при окислительной деструкции ГПЛ, включают триеновые конъюгаты и большое количество (более 18) карбонильных соединений. Самыми характерными продуктами ПОЛ являются альдегиды. Высокая химическая активность альдегидной группы определяет ее участие в дальнейших окислительных процессах, протекающих через образование промежуточных свободно-радикальных форм. Одним из таких интермедиатов является малоновый диальдегид (МДА):

 

О=СН-СН₂-СН=О.

 

4. Конечные продукты ПОЛ. Между карбонильными производными, образовавшимися при окислении ПНЖК (в первую очередь МДА, а также другими альдегидами и кетонами), и аминосодержащими компонентами (АК и их эфиры, белки, НК, фосфатэдиламин (ФЭА), фосфатидилфенилаланин (ФФА)) формируются ковалентные межмолекулярные сшивки. При этом синтезируются ненасыщенные вещества, содержащие 1-амино-3-имино-группировку, общего строения типа R-N=CH-CH=CH-NH-R, так называемые основания Шиффа (ОШ), которые можно расценивать как конечные продукты ПОЛ. Кроме того, к конечным продуктам ПОЛ относится ряд газообразных соединений - этан, этилен, пентан (22).

Появление в углеводородных цепочках ненасыщенных ЖК, входящих в ФЛ биомембран, таких полярных группировок, как перекисная, может привести к нарушению и ослаблению гидрофобных связей в мембранах. Жирнокислотные цепочки с возникшими в них гидрофильными кислородсодержащими группировками будут выталкиваться из гидрофобного окружения и приближаться или входить в контакт с внешней водной фазой. При этом разрыхляется гидрофобная область липидного бислоя, и в нем образуются дефекты, гидрофильные "поры", вследствие чего белковые компоненты мембраны оказываются легко доступными для протеолитических ферментов (22, 33).

ПОЛ поддерживается в клетке на стационарном уровне, благодаря взаимодействию систем ингибиторов и промоторов СРО (рис. 4). Ингибиторами ПОЛ являются витамины A, E, C, B₅, биофлавоноиды, некоторые стероидные гормоны, серосодержащие АК. Важным неспецифическим фактором регуляции ПОЛ, действующим практически на всех стадиях процесса, является так называемый структурный АО-эффект, под которым понимают комплекс свойств мембранного бислоя, ограничивающих доступность кислорода и его активных интермедиатов, а также катализаторов ПОЛ, к полиеновым жирнокислотным остаткам ФЛ (22).

 

Рисунок 4. Радикалы в организме человека.