Перекисное окисление белков плазмы крыс при экспериментальной гипоксии мозга крыс

1 – Изменение свойств  липидного слоя

2 – Увеличение микровязкости мембран

3 – Изменение поверхностного  заряда мембран и липопротеинов

4 – Уменьшение гидрофобного  объема

5 – Увеличение полярности  липидной фазы

6 – Увеличение проницаемости  для ионов водорода

7 – Увеличение проницаемости  для ионов кальция

Увеличение проницаемости  для ионов кальция второй результат  перекисного окисления липидов  связано с тем, что продукты пероксидации обладают способностью непосредственно увеличивать ионную проницаемость липидного бислоя. Так показано, что продукты перекисного окисления липидов делают липидную фазу мембран проницаемой для ионов водорода и кальция. Это приводит к тому, что в митохондриях окисление и фосфорилирование разобщаются, а клетка оказывается в условиях энергетического голода (т.е. недостатка АТФ). Одновременно в цитоплазму выходят ионы кальция, которые повреждают клеточные структуры. Третий (и быть может, самый важный) результат пероксидации это уменьшение стабильности липидного слоя, что может привести к электрическому пробою мембраны собственным мембранным потенциалом, т.е. под действием разности электрических потенциалов, существующей на мембранах живой клетки электрический пробой приводит к полной потере мембраной ее барьерных функций[6].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 2

 

МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ  ИЗМЕНЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ ПРИ  ГИПОКСИИ

 

 

Чувствительность различных  органов и тканей к гипоксии неодинакова  и находится в зависимости  от следующих факторов:

♦ интенсивности обмена веществ;

♦ мощности системы гликолитического фосфорилирования;

♦ запасов энергии в  виде макроэргических соединений;

♦ потенциальной возможности  генетического аппарата пластически  закрепить гипоксическую гиперфункцию.

При гипоксии наиболее ранние изменения возникают в сфере  энергетического обмена. При этом наблюдается дефицит макроэргических  соединений: снижение запасов АТФ  при одновременном увеличении АДФ, АМФ и Фн.

Характерным признаком гипоксии является увеличение потенциала фосфорилирования.

Ранним признаком является расходование фосфокреатина. В зависимости от тяжести гипоксии наблюдается снижение синтеза АТФ. Расходование запасов фосфокреатина сопровождается увеличением уровня активности креатинкиназы.

В условиях дефицита кислорода  происходит активирование бескислородных путей метаболизма. Наиболее распространенным видом анаэробного метаболизма  в клетках тканей человека и животных является гликолиз (окисление глюкозы) и гликогенолиз (окисление гликогена). Напомним, что гликоген откладывается в цитозоле клеток в виде гранул диаметром 100-400 А в форме |3-частиц. Имеются также р-частицы диаметром до 1000 А, которые наиболее часто встречаются в цитозоле гепатоцитов человека. Кроме того, имеются гликоген-мембранные комплексы, например, в сердечной мышце.

Каждая из перечисленных  форм запасов гликогена определяет метаболические пути его утилизации при гипоксии. Модификация гликолитического пути заканчивается сходством их заключительного этапа. У человека этот процесс оканчивается образованием лактата, что способствует снижению цитоплазматического рН, развитием ацидоза.

Катаболизм липидов в  клетке начинается с экзогенных свободных  жирных кислот или эндогенных триацилглицеролов. У млекопитающих большинство тканей (кроме мозга) способно к мобилизации триацилглицеролов. Главным депо липидов служит жировая ткань, которая способна удовлетворить всю потребность организма в жирных кислотах. Жирные кислоты окисляются до ацетил-СоА, затем происходит перенос ацильных групп в митохондрию, где происходит β-окисление.

В условиях дефицита кислорода  происходит накопление недоокисленных продуктов обмена, таких, как β-оксимасляная, ацетоуксусная кислоты. 
Дефицит кислорода приводит к нарушению обмена белков. Организм может катаболизировать белки и аминокислоты, которые поступают из двух источников:

♦ белки пищи;

♦ структурные белки.

В организме происходит гидролиз белка до аминокислот, последние расщепляются до аммиака. Аммиак может быть использован в организме для синтеза азотсодержащих соединений, большая часть его выделяется в виде азотистых продуктов. У большинства позвоночных аммиак превращается в мочевину. На синтез одной молекулы мочевины расходуется 4 молекулы АТФ. В условиях дефицита энергии происходит нарушение утилизации аммиака. Следовательно, в условиях гипоксии будут наблюдаться увеличение концентрации аммиака в тканях и крови, нарастание катаболических процессов над анаболическими.

В условиях гипоксии наблюдаются  нарушения электролитного обмена. Основными  причинами, вызывающими данное явление, служат:

♦ нарушения функционирования транспортных систем клетки по причине  снижения уровня активности ферментов-переносчиков, нехватки высокоэнергетических веществ для обеспечения их устойчивого функционирования;

♦повреждение клеточных мембран с увеличением количества ионов во внеклеточной среде.

В условиях гипоксии наблюдается  увеличение свободно-радикального окисления. В основе данного процесса лежат  следующие механизмы:

♦ увеличение субстрата  свободно-радикального окисления неэстерифицированных жирных кислот;

♦ накопление в результате первичной стрессорной реакции, вызванной гипоксией катехоламинов, обладающих прооксидантным действием;

♦ нарушение утилизации кислорода в ходе ферментативного  окисления. 
В условиях гипоксии наблюдается снижение активности антиоксидантных систем клетки, в частности уменьшение уровня активности супероксиддисмутазы и глютатионпероксидазы.

Активирование свободно-радикального окисления приводит к следующим  явлениям:

• повреждению цитоплазматических мембран;
• повреждению мембран митохондрий, которое усиливает степень разобщенности окислительного фосфорилирования;
• повреждению мембран лизосом с лабилизацией лизосомальных ферментов
• повреждению мембран саркоплазматического ретикулума, приводящему к нарушению микросомального окисления
• нарушению функционирования транспортных систем клетки;
• снижению мембранного потенциала[12].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 3

ВЛИЯНИЕ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ НА БЕЛКИ

Организм взрослого человека состоит  примерно из ста триллионов клеток. Как мы состоим из клеток, так  и клетки состоят из органов –  органоидов: ядра, лизосом, митохондрий  и т.п. Как сама клетка, так и  органоиды окружены мембранами из липидов, белков и углеводов.

Мембраны клеток – это живое  вещество, которое выполняет множество  жизненно важных функций. В мембрану встроены белки, которые выполняют транспортную функцию и функцию узнавания гостя – вещества, которое собирается проникнуть в клетку. Углеводы в мембране обеспечивают стабильность белковых молекул, слипание их, обеспечивают иммунный статус клетки и межклеточное взаимодействие. Представьте себе живую, обладающую памятью и способностью узнавать, имеющую плотность оливкового масла, колышущуюся поверхность, по которой со скоростью 120 м/сек, подобно молниям, проносятся изменения электрического потенциала, – мембрану, которая живет, поглощает и выделяет.Но эту красоту разрушают свободные радикалы[16].

Избыток свободных радикалов приводит к повреждению не только клеточных мембран, но и других клеточных структур, в том числе сосудистого эндотелия, способствует ускоренному развитию атеросклероза. Свободные радикалы могут приводить к появлению мутантных клеток, развитию онкологических заболеваний, гибели ДНК. 

Свободные радикалы повреждают ДНК, что  в свою очередь приводит к изменениям в структуре кода ДНК. Что является причиной изменения свойств ДНК, его мутации? Смутированные клетки не могут выполнять свои прежние функции; они могут вырваться из – под контроля и хаотически, бешено размножаться, конечно же, никакого плана и порядка тоже не будет- он будет нарушен. Со временем такие «бешеные» клетки становятся раковой опухолью.

Результатом атаки белка является резкое старение клетки. Это хорошо видно по внешности. Кожа становится сухой, старой, обвислой. Мышцы ослабевают, утрачивая при этом свою пружинистость (собранность). Как Вы уже догадались, то же самое происходит и внутри организма, только результаты намного  хуже. Стареет целый организм, поскольку  стареют все клетки, в которых  белок атакован свободными радикалами[17].

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 супероксид 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.

 Одним из проявлений токсического  действия АФК является окислительная  модификация около 240 ферментов  различной значимости, в том числе  и с антиоксидантной активностью. 

 Резюмируя в целом приведенные  выше данные, необходимо отметить, что под влиянием избыточного  образования свободных радикалов,  инициируемых различными этиологическими  факторами, формируются следующие  типовые нарушения структуры  и функции клеток:

1. Дестабилизация цитоплазматических  мембран в связи со структурными  изменениями белковых и липидных  компонентов, которая 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, индуцирующих развитие  генных и хромосомных мутаций,  канцерогенеза, ускорение процессов  старения организма. 

Естественно, что природа создала  эволюционно выработанную систему  эндогенной защиты от токсических промежуточных  продуктов восстановления кислорода. Конечно, у высоко тренированных  атлетов развиваются адаптационные защитные реакции, которые нейтрализуют действие свободных радикалов. Приспособительные реакции связаны с работой антиокислительной, или антиоксидантной системы.

Понятие системы антиоксидантной  защиты неоднозначно. В эту систему  входит множество действующих элементов  и звеньев. Система работает внутри нас с рождения и всю жизнь, постепенно слабея с годами. Возникает  необходимость подпитки, поддержки  данной системы. Особенно это важно  в условиях тренировочного стресса[16].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 4

АНТИОКСИДАНТНАЯ ЗАЩИТА КЛЕТОК

4.1 Клеточные системы антирадикальной защиты

В нормальных условиях процесс  перекисного окисления липидов  находится под строгим контролем  ферментативных и неферментативных систем клетки, от чего скорость его невелика. Принято делить химические соединения и физические воздействия, влияющие на скорость перекисного окисления липидов, на прооксиданты (усиливают процессы перекисного окисления) и антиоксиданты (тормозят перекисное окисление липидов). К прооксидантам в живой клетке относятся высокие концентрации кислорода (например, при длительной гипербарической оксигенации больного), ферментные системы, генерирующие супероксидные радикалы (например, ксантиноксидаза, ферменты плазматической мембраны фагоцитов и др.), ионы двухвалентного железа. Хотя сам процесс перекисного окисления развивается в виде цепных реакций в липидной фазе мембран и липопротеинов, начальные (а возможно, и промежуточные) стадии этой сложной системы реакций протекают в водной фазе. Часть защитных систем клетки также локализуется в липидной фазе, а часть – в водной фазе. В зависимости от этого можно говорить о водорастворимых и гидрофобных антиоксидантах[11].

В таблице 1.4 – приведены  наиболее известные антиоксиданты.

Таблица 1.4 – Наиболее известные антиоксиданты

Антиоксиданты	Действие
Церулоплазмин (плазма крови)	Окисляет Fe2+ до Fe3+ молекулярным кислородом
Апо-белок трансферрина (плазма крови)	Связывает Fe3+
Ферритин (цитоплазма)	Окисляет  Fe2+ и депонирует Fe3+
Карнозин	Связывает Fe2+
Супероксиддисмутазы (повсеместно)	Удаляет супероксид с образованием пероксида водорода
Каталаза (внутри клеток)	Разлагает пероксид водорода с выделением кислорода
Глутатионпероксидазы (в цитоплазме)	Удаляет пероксид водорода за счет окисления глутатиона Удаляет гидроперекиси липидов
Глутатионредуктаза	Восстанавливает окисленный глутатион
Токоферол, тироксин, стероиды	Перехватывает радикалы липидов
Аскорбиновая кислота	Регенерирует окисляющийся убихинон, служит донором электронов для радикалов витамина Е.
Глутатион	Используется для восстановления пероксидов