Значение активации процессов липопероксидации в дестабилизации биологических мембран, нарушениях структуры и функции клеток

Говоря о значимости индукции образования избыточных концентраций свободных радикалов в целом для организма, нельзя не остановиться на проблемах свободно радикального ПОЛ, так как эти два процесса неразрывно связаны.

В процессе ПОЛ выделяют следующие стадии развития: инициирование, продолжение, развитие и обрыв цепей окисления липидов.

В то же время свободные радикалы чаще всего образуются при окислении ненасыщенных жирных кислот.

Как указывалось выше, инициаторами ПОЛ служат высокоактивные формы кислорода: супероксидный анион-радикал, гидроксильный радикал, перекись водорода, синглетный кислород. АФК вступают во взаимодействие с ПНЖК: линолевой, линоленовой, арахидоновой — важнейшими компонентами фосфолипидов биологических мембран. В молекуле арахидоновой кислоты имеется наибольшее количество двойных связей, поэтому она легче подвергается свободнорадикальному окислению. Отрыв атома водорода от молекулы ПНЖК под воздействием АФК легче всего происходит в a-положении по отношению к двойной связи, что приводит к перемещению этой двойной связи с образованием диенового конъюгата.

Дальнейшая реакция с молекулярным O₂ ведет к внедрению его в молекулу ПНЖК с образованием перекисного радикала. В последующем реакция перекисного радикала ROO· с другой молекулой ПНЖК приводит к появлению перекиси этой кислоты и нового радикала R1, поддерживающего свободнорадикальное окисление по цепному механизму.

Следует отметить, что гидроперекиси липидов (ROOH) теряют свою стабильность в присутствии Fe²⁺, распадаясь с образованием радикалов RO· и OH·. При дальнейшей окислительной дегенерации RO· в клетке образуются высокотоксичные продукты ПОЛ — альдегиды, кетоны, спирты, накопление которых приводит к повреждению и гибели клеток.

Таким образом, схема повреждения клетки свободными радикалами в результате ПОЛ ее мембран может быть представлена следующим образом:

1) формирование АФК, прежде всего, гидроксильного радикала, обладающего максимальной реактогенностью, под влиянием различных инициирующих факторов инфекционной и неинфекционной природы;

2) извлечение водорода из боковых цепей ненасыщенных жирных кислот с образованием углеродсодержащего радикала и H₂O;

3) взаимодействие углеродсодержащего радикала с молекулярным кислородом с образованием перекисного радикала RCOORC + O₂ → RCOO;

4) извлечение водорода из боковой цепи ненасыщенных жирных кислот пероксидным радикалом с образованием липидной гидроперекиси и еще одного углеродсодержащего радикала;

5) липидные гидроперекиси увеличивают концентрацию цитотоксических альдегидов, а углеродсодержащий радикал поддерживает реакцию формирования пероксидных радикалов по цепочке.

Ферментативное перекисное окисление осуществляется гемсодержащей циклоксигеназой и содержащей негемовое железо липоксигеназой, субстратом которых является арахидоновая кислота. Последняя образуется в процессе расщепления мембранных фосфолипидов под влиянием фосфолипазы A₂ лизосомального происхождения, активируемой под влиянием разнообразных патогенных факторов, в том числе и инфекционных, а также на фоне развития гипоксии, ишемии, некомпенсированных сдвигов кислотно-основного и электролитного баланса клеток, воздействия стрессорных раздражителей.

Гемсодержащая циклоксигеназа образует эндоперекиси арахидоната при биосинтезе простагландинов, простациклинов и тромбоксанов. Метаболиты липоксигеназного пути — лейкотриены A₄, B₄, C₄, D₄, образуются главным образом в лейкоцитах, тромбоцитах. В ретикулоцитах липоксигеназа обеспечивает деградацию митохондриальной мембраны при их превращении в эритроциты.

В нейтрофилах и других клетках крови имеются кальцийзависимая и кальцийнезависимая формы липоксигеназы, которые функционируют с образованием радикального интермедиата. Активность липоксигеназы поддерживается β‑липопротеидами, подавляется арахидоновой и другими ненасыщенными жирными кислотами, токоферолом.

Субстратами животных липоксидаз могут быть эфиры холестерина. Липоксигеназа и циклоксигеназа инактивируются избытком своих продуктов — перекисей арахидоната. Ферментативное перекисное окисление компартментализировано физиологически, а неферментное свободнорадикальное окисление структурно не упорядочено и может индуцироваться в любом компартменте клетки, приводя к разрушению не только липидов, но и белков, нуклеиновых кислот, углеводов.

ПОЛ в основном затрагивает фосфолипиды мембран клеток и поэтому вызывает выраженные нарушения мембранного транспорта.

Касаясь патологических эффектов воздействия продуктов ПОЛ, следует отметить, что накопление в гидрофобном слое мембран клеток гидрофильных группировок ROOH вызывает появление своеобразных пор, резко нарушает мембранный транспорт, в том числе и селективный.

Одновременно имеет место повреждение мембраносвязанных ферментов с ингибированием их активности, что приводит к нарушению трансмембранного переноса ионов, аминокислот, глюкозы с последующим нарушением трофики, электрогенеза, возбудимости и функциональной активности клеток. Индуцируемое свободными радикалами повреждение клеточных мембран неизменно сопровождается увеличением концентрации свободного кальция в цитозоле за счет снижения работы кальциевых насосов и патологического открытия пор и кальциевых каналов в цитоплазматических мембранах. Одновременно усиливается освобождение кальция из внутриклеточных депо — митохондрий и эдоплазматического ретикулума. Мембранопротекторные и метаболические эффекты многих природных и синтетических антиоксидантов реализуются за счет эффективного воздействия на трансмембранный перенос кальция и нормализацию его внутриклеточного содержания.

Обращает на себя внимание тот факт, что цитотоксические эффекты различны у различных соединений, относимых к АФК. Известно, что супероксидный анион-радикал дает ограниченный токсический эффект и скорее является восстанавливающим, чем окисляющим агентом. Перекись водорода оказывает ограниченное повреждающее действие, вызывая, в частности, нарушение гомеостаза Ca²⁺ в клетке. Гидроксильный радикал считается наиболее активной формой O₂, поскольку он чрезвычайно реактогенен по отношению ко всем макромолекулярным соединениям клетки, включая ДНК, белки, липиды, углеводы. Константа скорости окисления липидов для HO· составляет 10-9М-1с-1, что в 106 раз выше, чем для супероксидного анион-радикала. Гидроксильный радикал является не только самым реактогенным, но и самым короткоживущим. Супероксидный анион-радикал и перекись водорода (H₂O₂) относятся к наиболее стабильным соединениям, могут диффундировать с места их генерации через клеточные и внутриклеточные мембраны путем прямой диффузии либо по анионным каналам. Реакционная способность АФК может меняться в зависимости от места их генерации. Так, активность супероксидного анион-радикала возрастает в гидрофобном окружении. Биологическая активность АФК связана с синтезом простагландинов, лейкотриенов, тромбоксанов, а также с окислительной модификацией белков, нуклеиновых кислот, липидов.

Степень выраженности окислительной модификации макромолекул под влиянием АФК зависит от соотношения емкости антиоксидантной системы и интенсивности образования прооксидантов.

Следует отметить, что характер вызываемых свободными радикалами повреждений определяется не только агрессивностью продуцируемых радикалов, но и структурными и биохимическими особенностями объектов воздействия. Так, во внеклеточном пространстве свободные радикалы разрушают гликозаминогликаны основного вещества соединительной ткани, что приводит к развитию деструктивного процесса.

Как известно, цитопатогенное действие АФК на молекулы клетки может быть обусловлено прямым ковалентным связыванием с белками мембран или опосредованным через активацию процессов ПОЛ.

Взаимодействуя с белками, АФК снижают уровень мономеров, образуют продукты белковой интеграции и липопротеиновые комплексы. Образование межмолекулярных белковых сшивок, скорее всего, не связано с окислением сульфгидрильных групп, а обусловлено соединениями типа альдегидов, выступающих в качестве сшивающих агентов. Степень устойчивости белков к цитопатогенному воздействию АФК зависит от аминокислотного состава белка, причем наиболее чувствительны циклические и серусодержащие аминокислоты, в частности цистеин и цистин, а наиболее устойчивы — пролин и оксипролин. Однако под действием HO-радикалов гидролизируются и устойчивые белки.

Характер окислительной модификации белка зависит от типа АФК. Так, радикал OH· чаще вызывает агрегацию белков, а в комбинации с супероксидным анион-радикалом или O₂ — фрагментацию. В процессе агрегации белков под влиянием АФК образуются димеры, тримеры, тетрамеры. Установлено, что образование 90 % агрегатов белков под действием HO· обусловлено не образованием C–C связей, а битирозинобразованием.

Процесс фрагментации белка под влиянием OH· или супероксидного анион-радикала связан с отщеплением H⁺ от карбоксильной группы аминокислот за счет OH· с последующим образованием перекисных соединений, при взаимодействии с супероксидным анион-радикалом или O₂ фрагментация белков сопровождается образованием низкомолекулярных фрагментов, 98 % которых имеют ММ около 5 кДа.

Комбинация OH· и супероксидного анион-радикала вызывала изменение первичной, вторичной и третичной структуры белков. Окислительным превращениям подвергаются все аминокислоты, но особенно триптофан, тирозин, гистидин.

Одним из проявлений токсического действия АФК является окислительная модификация около 240 различных ферментов под влиянием свободных радикалов O₂.

Касаясь значимости отдельных типов АФК в инактивации ферментов, следует отметить, что H₂O₂ вызывает инактивацию СОД, ацетил-КоА-гидролазы, каталазы и миелопероксидазы, цитохрома P-450.

Обнаружено инактивирующее действие OH· на активность ГПО, гексокиназы, лактатдегидрогеназы, трипсина, химотрипсина.

Супероксидный анион-радикал ингибирует активность каталазы, ацетилхолинэстеразы, ГПО и других ферментов.

Интенсивность окислительной модификации белков определяется особенностями аминокислотного состава белка. Акцепторными группами, способными захватывать электроны при взаимодействии с АФК и образовывать анион-радикалы, служат дисульфидные, сульфгидрильные, карбонильные, карбоксильные и аминогруппы. Среди аминокислот наибольшей реакционной способностью обладают цистеин и цистин. Показано, что триптофан, гистидин, серосодержащие аминокислоты обладают реакционной способностью по отношению к продуктам миелпероксидазы, в том числе HClO. Известно, что фрагментацию белков могут вызывать радикалы липидов.

Увеличение содержания АФК сопровождается разрушением основных ферментов антиоксидантной защиты за счет окислительной модификации и инактивации ферментов-антиоксидантов. Последнее приводит к истощению антиоксидантной системы и гибели клеток. Показано, что три основных фермента — СОД, каталаза, ГПО инактивируются последовательно. Каждый из этих ферментов защищает друг друга от повреждающего воздействия АФК. Так, СОД, разрушая супероксидный анион-радикал, снижает тем самым восстановление Fe³⁺ и возможность образования радикала OH·. Каталаза и ГПО предохраняют СОД от инактивации, устраняя H₂O₂.

В физиологических условиях и в условиях патологии возможно так называемое металлокатализируемое окисление белков, затрагивающее ту часть белковой молекулы, которая участвует в связывании металлов переменной валентности (Fe, Cu). К числу таких белков относят ряд ферментов: ацетилхолинэстеразу, алкогольдегидрогеназу, каталазу, СОД, креатинкиназу, пируватдегидрогеназу, лактатдегидрогеназу.

К металлокатализируемому окислению чувствительны пролин, гистидин, агринин, лизин, что приводит к разрыву пептидных связей, снижению изоэлектрической точки белка. АФК вызывают окислительную деградацию белков в интактных клетках и интрацеллюлярных органеллах, так как окисленные белки служат субстратом действия для протеолитических ферментов (трипсина, химотрипсина, пепсина, катепсина D, субтилопептидазы A).

Скорость оборота внутриклеточных белков зависит от соотношения окисленной модификации белков с последующим их протеолизом и синтеза их de novo.

Окислительная модификация белков — один из ранних признаков поражения тканей при оксидативном стрессе, воспалительных процессах, при ишемии, реперфузионном синдроме, атеросклерозе, при старении организма.

Как известно, цитотоксические эффекты АФК могут приводить к модификации, разрыву нитей ДНК и соответственно к возникновению хромосомных мутаций. Высокую реактогенность в отношении ДНК проявляют радикалы OH·, быстро реагирующие с дезоксирибозой и азотистыми основаниями ДНК в водных растворах.

Продукты липопероксидации, в частности МДА, контролируют клеточное деление на стадии репликации ДНК.

Касаясь функциональной значимости избыточного накопления свободных радикалов и продуктов липопероксидации в крови и тканях в условиях патологии, следует отметить универсальность повреждающего действия на клеточные структуры различных органов и тканей и полиморфизм клинических проявлений на клеточном, органном, системном уровнях.

Установлено, что АФК способствуют переходу протромбина в тромбин, что приводит к развитию гиперкоагуляции. Выяснено, что усиление продукции АФК различными химическими соединениями способствует десиализации мембран эритроцитов. При этом обнажаются терминальные остатки β‑галактозы, которые входят в антиген Томпсена-Фриденрейха, являющийся сигналом для разрушения и удаления объекта из организма.

Воздействие кислородных радикалов на ДНК служит промотором соматических мутаций, канцерогенеза.

Как известно, важнейшая роль в регуляции активности клеток различной локализации, в том числе тромбоцитов, эндотелиальных клеток, клеток мононуклеарной фагоцитирующей системы, печени, играющих важную роль в регуляции коагуляционного потенциала крови, отводится рецепторному аппарату, обеспечивающему трансформацию сигнала. Под влиянием АФК возникает сбрасывание фрагментов мембран, так называемый шеддинг. В числе сбрасываемых компонентов мембран имеются и ганглиозиды — важнейшие составные компоненты многих мембранных рецепторов. При этом, с одной стороны, нарушается нервная и гуморальная регуляция функциональной активности клеток. С другой стороны, ганглиозиды, обладая иммуногенной активностью, стимулируют через липоксигеназу цитотоксичность лимфоцитов.

В последние годы высказывается точка зрения о значении активации процессов пероксидации в развитии аутоиммунных заболеваний, поскольку перекисная деструкция белков, нуклеиновых кислот, липидов приводит к образованию значительного количества вторичных аутоантигенов.

В экспериментальных исследованиях показано, что активация процессов липопероксидации в условиях индукции микросомального окисления феноксигербицитом сопровождалось развитием цитолиза макрофагов. Использование комплекса витаминов-антиоксидантов (А, С, Е) обеспечивало мембранопротекторный эффект и повышение функциональной способности макрофагов.

Избыточное образование свободных радикалов составляет основу так называемой теории свободно радикального старения, имеющей солидную экспериментальную основу.

В ряде работ имеются указания на наличие прямой коррелятивной взаимосвязи процессов липопероксидации, дестабилизации биологических мембран и расстройств коагуляционного потенциала крови.

Резюмируя в целом приведенные выше данные литературы о функциональной и метаболической значимости активации процессов липопероксидации при различных формах патологии инфекционной и неинфекционной природы необходимо акцентировать внимание на следующих закономерностях:

1. Дестабилизация цитоплазматических мембран в связи со структурными изменениями белковых и липидных компонентов приводит к нарушениям трансмембранного переноса ионов, электролитного баланса клеток, их возбудимости. Одновременно возникает утрата мембранных рецепторов, гуморального и нервного контроля за внутриклеточной метаболической активностью.

2. Дестабилизация лизосомальных мембран клеток на фоне активации процессов липопероксидации, повышение активности протеаз, фосфолипаз сопровождается каскадом реакций активации циклоксигеназной и липоксигеназной систем, усилением синтеза лейкотриенов, простагландинов, тромбоксана, активацией калликреин-кининовой системы, расстройствами коагуляционного потенциала крови, реологии, микроциркуляции. В процессе метаболизма избыточных концентраций эйкозаноидов, простаноидов, дефицита кислорода в тканях образуется новый пул свободных радикалов, процесс приобретает замкнутый и в ряде случаев необратимый характер.

3. Избыточное образование свободных радикалов может индуцировать развитие генных и хромосомных мутаций, канцерогенеза, ускорение процессов старения организма.

4. Активация процессов липопероксидации при заболеваниях инфекционной природы, с одной стороны, усиливает цитопатогенные эффекты бактериальных токсинов, а с другой стороны, способствует образованию вторичных аутоантигенов и трансформации токсической фазы инфекционного процесса в аллергическую.

Выяснение особенностей нарушения взаимосвязи прокоагулянтной, антикоагулянтной и фибринолитической систем, активации процессов липопероксидации при бактериальных инфекциях и интоксикациях, в частности при холерной, позволит разработать патогенетически обоснованные принципы медикаментозной коррекции вторичных неспецифических метаболических расстройств, коагуляционного потенциала крови, микроциркуляции, оксигенации и трофики тканей и соответственно предотвратить развитие полиорганной недостаточности, свойственной эндотоксиновому шоку.

Дата добавления: 2015-07-17