Окисление белков, жиров и углеводов

Хорошо известно, что молекулы жиров участвуют в реакциях со свободными радикалами. Аминокислоты, составные части белковых макромолекул и пептидов, также являются мишенями атаки свободными радикалами (см. ОКИСЛЕНИЕ ЛИПОПРОТЕИДОВ (ЛИПИДОВ).

Окисление аминокислот в составе белка неизбежно приводит к физическим изменениям самих белков (характеризующимися изменениями флуоресценции). Эти физические изменения можно разбить на три группы: фрагментация, аггрегация и чувствительность к протеолизу .

Пероксидация жиров при реакции со свободными радикалами считается основным источником вреда, наносимого воздействием свободных радикалов . Хотя пероксидация жиров происходит при реагировании со свободными радикалами, этот процесс in vivo еще недостаточно изучен. Исследования in vitro показали, что пероксидация полиненасыщенных жирных кислот обычно состоит из трех стадий: инициация, элонгация и терминация .

Пероксидация липидных молекул необратимо нарушает их структуру ( Yu et al., 1992 ). Эти нарушения наиболее заметны, если повреждаются липиды - составные части биологической мембраны; пероксидация мембранных липидов приводит к нарушению липидного бислоя и структурной организации мембраны.

Исследования химии свободных радикалов показали, что нет таких биологических веществ, которые бы не подвергались воздействию свободных радикалов. Поэтому, неудивительно, что глюкоза и другие моносахара подвергаются окислению в определенных условиях.

Наиболее распространенный и легко обнаруживаемый тип повреждения белков - образование карбонильных групп при окислении аминокислот : лизина , аргинина и пролина [ Stadtman ea 1992 ]. В таблице представлены данные по концентрации карбонильных групп в белках в различных тканях человека и крысы, а также в белках мухи, нематоды и бактерии. Из таблицы видно, что концентрация карбонильных групп и, следовательно, уровень окислительных повреждений в белках не зависят ни от вида организма, ни от типа ткани. При анализе использовали данные для молодых организмов, так как уровень поврежденных белков, как будет видно из дальнейшего изложения, зависит от возраста. Этот уровень составляет 1.5-2.5 нмоль/мг белка, и у молодых особей никогда не превышает 3 нмоль/мг. Такой результат представляется особенно удивительным, поскольку разные организмы, а также различные ткани сильно различаются по интенсивности метаболизма, а следовательно, и по интенсивности продукции свободных радикалов. Каким же образом концентрация поврежденных белков в клетке поддерживается на постоянном уровне? Скорость производства свободных радикалов в клетке зависит, прежде всего, от интенсивности дыхания. Для того, чтобы при усилении дыхания степень повреждения белков поддерживалась на постоянном уровне, необходимо, чтобы при этом происходило увеличение скорости обновления поврежденных белков. То есть скорости дыхания и обновления белков в различных тканях и организмах должны быть коррелированы.

В условиях окислительного стресса происходит окислительная модификация белков. Свободные радикалы атакуют белки по всей длине полипептидной цепи, нарушая не только первичную, но и вторичную, и третичную структуру белков, что приводит к агрегации или фрагментации белковой молекулы ( Дубинина и соавт., 2002 ; Agarwal S. and Sohal R., 1995 ). Многие ферменты, содержащие SH-группы, такие как АТФазы или дегидрогеназы, легко окисляются в результате свободнорадикальной атаки.

Интересный пример окислительной модификации белков представляет ксантиндегидрогеназа , которая превращает ксантин (и гипоксантин) в мочевую кислоту, а мочевая кислота выступает как неферментативный компонент антиоксидантной системы.

В результате действия АФК происходит окисление SH-групп этого белка и превращение ксантиндегидрогеназы в ксантиноксидазу . Последняя, одновременно с мочевой кислотой, начинает образовывать супероксид-анион кислорода. В итоге происходит дополнительное увеличение концентрации свободных радикалов в тканях ( Болдырев, 2001 ).

Если белок содержит металл с переменной валентностью, в присутствии перекиси водорода образуется гидроксид-радикал , окисляющий аминокислоты в активном центре фермента, что может привести к его инактивации.

Так, повреждение комплекса I митохондрий , сукцинатдегидрогеназы и ферментов, содержащих железо-серные кластеры, в организме мышей, нокаутных по гену Mn-СОД , где супероксид-анион не утилизируется в достаточной степени, приводит к нарушению функции цикла трикарбоновых кислот и работы митохондриальной дыхательной цепи ( Raha and Robinson, 2000 ).

Карбоксильные группы белков под действием АФК превращаются в карбонильные группы, которые, в свою очередь, могут взаимодействовать с аминогруппами, образуя Шиффовы основания, приводящие в конечном итоге к образованию поперечных сшивок между белковыми молекулами и нарушению их активности ( Richter et al., 1988 ). Процесс химического сшивания наблюдается и при гликировании белков, который существенно активируется при окислительном стрессе.

Ссылки: