Окислительная модификация нуклеиновых кислот
Тема Радикально-цепное окисление в клетке
Перекисное окисление липидов (ПОЛ)
Опасность окислительных повреждений липидов для организма связана с тем, что они представляют собой основной материал клеточных мембран (для эукариотических организмов вся организация внутриклеточного метаболизма, реализуемая компартментализацией его отдельных процессов, обеспечивается именно биологическими мембранами). Отличительной особенностью окислительного повреждения липидов в составе биологических мембран является аккумуляция молекулярного кислорода в гидрофобной области их жирнокислотных остатков. В результате этого, а также тесного и параллель-ного расположения друг по отношению друга соседних жирнокислотных ос-татков создаются условия для реализации окислительных повреждений по ти-пу цепных реакций. Благодаря ключевой роли в таком процессе органических гидропероксидов (пероксидов (перекисей)) данный процесс получил название перекисного окисления липидов (ПОЛ).
Перекисное окисление липидов является одним из основных типов по-вреждения биологических мембран и происходит при многих патологических процессах в живом организме. Основная цепь превращений при перекисном окислении липидов (ПОЛ) может быть представлена четырьмя этапами: 1) инициирование цепи (инициация) процесса ПОЛ; 2) продолжение (рост) цепи ПОЛ; 3) разветвление цепи (амплификация процесса); 4) обрыв цепей (терминация процесса).
|
|
|
Инициируют ПОЛ следующие процессы: разложение присутствующих в материале гидропероксидов в результате акцепции электрона у восстанов-ленных ионов переходных металлов или их окисления гидропероксидным (супероксидным) и другими радикалами, либо окисленным ионом металла; присоединение свободного радикала к двойной связи ненасыщенной жирной кислоты; присоединение синглетного кислорода к двойной связи с последую-щим разложением образовавшегося пероксида и др. Полиненасыщенные жирные кислоты фосфолипидов клеточных мембран особенно легко подвергаются атаке свободными радикалами. Обусловлено это тем, что двойные связи у таких кислот соединены друг с другом че-рез цис-метиленовые структуры (-СН2-). Такие бис-аллильные участки позволяют электрону делокализоваться на пяти углеродных атомах и обеспечивают более легкий отрыв радикалом атома водорода у метилена, чем у -СН2- насыщенной структуры (энергия диссоциации С-Н-связи в бис-аллильном участке (около 314 кДж/моль) значительно ниже, чем у вторичного углерода, который не окружен двойными связями (около 397 кДж/моль)):
Поэтому бис-аллильные участки полиненасыщенных жирных кислот атакуются гидроксильным, алкоксильным, пероксидным радикалами, что является важным условием как для продолжения, так и развития процесса ПОЛ. Менее эффективен в этом отношении гидропероксильный радикал (НО2•), сродство к электрону у которого (293 кДж/моль) лишь несколько уступает значению энергии диссоциации С-Н связи в бис-аллильном участке жирных кислот.
|
|
|
Последовательность реакций развития процесса ПОЛ можно представить следующей схемой:
(взаимодействие с антиоксидантами - "ловушками" радикалов, где InH – антиоксидант).
На основе металлзависимых реакций и формируется своеобразный "реактор" для редокс-каталитической наработки свободных радикалов:
среди которых алкоксильные радикалы (RО•) обладают достаточной способностью окислять интактные молекулы и интенсифицировать процессы ПОЛ. Аналогичную роль в качестве каталитических центров в таком реакторе могут выполнять и ионы меди (Сu+/Сu2+). Реакция роста цепи определяет скорость всего суммарного процесса, как самая медленная стадия. В присутствии кислорода концентрация RОО•, как правило, превышает концентрацию R•, то есть обрыв цепи осуществляется рекомбинацией двух пероксидных радикалов с образованием практически «мгновенно» распадающегося на соответствующие альдегиды, кетоны и спирты тетраоксида.
|
|
|
Таким образом, окисление приводит к повреждению биомембран. Биологические последствия такого повреждения мембран для жизнедеятельности клетки следующие:
1. действие перекисного окисления на мембранные белки: окисление SH-групп белков; повреждение переносчиков; появление проницаемости для ионов; повреждение транспортных АТФаз;
2. действие перекисного окисления на липидный слой мембран: увеличение микровязкости мембран; изменение поверхностного заряда мембран и липопротеидов; уменьшение гидрофобного объема; увеличение полярности липидной фазы; увеличение проницаемости для ионов водорода и кальция.
Несмотря на то, что перекисное окисление приводит к деструктивным процессам в биологических мембранах, некоторое количество продуктов ПОЛ постоянно присутствует в мембранах клеток, и уровень их содержания связан с функциональным состоянием клетки. Следовательно, продукты ПОЛ являются обязательными структурными элементами клеточных мембран, количественное содержание которых находится под строгим контролем. Продукты ПОЛ оказывают влияние на фазовое состояние липидного бислоя, усиливают гидратацию поверхности клетки, модифицируют проводимость мембраны для ионов и малых молекул и др. В организме существует физиологический путь генерации пероксидов липидов, механизм которого принципиально отличается от выше описанного механизма самопроизвольных цепных реакций ПОЛ. "Санкционированно" продуцируемые гидро- и эндоперекиси липидов образуются в активных центрах специализированных для этой цели ферментов (циклооксигеназа и липоксигеназа). Структурно они строго стереоспецифичны и обладают важнейшими биологическими функциями.
|
|
|
Механизм перекисного окисления липидов на примере окисления линоленовой кислоты.
Окислительная модификация нуклеиновых кислот
Окислительной модификации подвергаются и молекулы ДНК, и РНК, а также их структурные фрагменты. Так состав компонентов, входящих в ДНК и РНК, близок по химической природе, то и процессы окисления протекающие с ними близки. Однако закрепившиеся окислительные повреждения ДНК являются более существенными для клетки, чем повреждения РНК. Поэтому рассматривать механизмы окислительной трансформации нуклеиновых кислот будем в основном на примере ДНК, подразумевая, что с РНК происходят схожие изменения.
В результате взаимодействия активных форм кислорода (АФК) с молекулой ДНК могут происходить следующие преобразования:
a) структурная модификация азотистых оснований;
b) разрушение пятичленного кольца дезоксирибозы;
c) расщепление фосфодиэфирных связей, что ведет к фрагментации этого полимера.
In vivo окислительное повреждение ДНК вызвано рядом причин, среди которых немаловажная роль принадлежит так называемому окислительному стрессу, характеризующемуся увеличением внутриклеточного уровня АФК. Но даже в нормальных условиях ядерная ДНК постоянно подвергается действию АФК. Около 90000 окислительных повреждений ядерной ДНК происходит в день в одной клетке и устраняется с помощью эффективных механизмов репарации.
Основным источником АФК в клетке является аппарат окислительного фосфорилирования: из-за "утечки" электронов в результате шунтирования электронтранспортной цепи молекулярным кислородом - преимущественно на полувосстановленном коэнзиме Q (убисемихиноне СоQН• ). В равновесных условиях реакция окисления молекулярным кислородом этой свободнорадикальной структуры характеризуется необычайно малой для межрадикальных процессов константой скорости: k=40 М-1с-1. Очевидно, что данное обстоятельство является эволюционно отобранным признаком. Однако, даже в пределах физиологической нормы около 2% от утилизируемого в митохондриях кислорода превращается в супероксидный радикал. При избыточном давлении кислорода наблюдается почти линейная зависимость образования О2-• от концентрации О2 в митохондриях. Поэтому окисление митохондриальной ДНК в условиях избыточной продукции АФК протекает на порядок интенсивнее, чем ядерной. Аналогичная ситуация касается и других митохондриальных структур.
Наиболее вероятным инициатором окислительных повреждений ДНК является НО• (образующийся в ходе реакции взаимодействия О2-• и H2О2 с металлами переходной группы, поскольку сами эти окислители не реагируют достаточно эффективно с ДНК). Гидроксильный радикал вызывает разнообразные повреждения дезоксирибозы и оснований в ДНК. Основной мишенью действия этого радикала являются азотистые основания. Объектом атаки гидроксильного радикала в структуре ДНК выступают и фосфатные группировки. Однако их вклад в общую картину деградации этого полимера весьма незначителен. Если значения констант скоростей реакций взаимодействия НО• с углеводами близки к диффузионному пределу (k~109-1010 М-1с-1), то величина аналогичной константы в отношении фосфата составляет только 2⋅106 М-1с-1. Следовательно, скорость взаимодействия этого радикала даже не с основанием, а с углеводным компонентом ДНК будет на много порядков выше, чем с фосфатным (учитывая одинаковое их содержание в структуре этого биополимера).
Первичным продуктом взаимодействия НО• с гуанином, цитозином, аденином и тимином являются их радикальные формы, которые в дальнейшем подвергаются окислительной деструкции, с образованием следующих конечных продуктов:
Среди азотистых оснований окислительной деструкции в наибольшей степени подвергается гуанин, модифицированные формы которого составляет около 45% от общего количества окисленных оснований. При взаимодействии гидроксильного радикала с молекулой ДНК в присутствии ионов двухвалентного железа происходит расщепление ее сахарнофосфатного остова и фрагментация. Первичным продуктом такой реакции является радикальная форма С4-углеродного атома дезоксирибозы:
Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 46; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!