Окисление липидов в составе липопротеинов и клеточных мембран
Транспорт липидов и многих жирорастворимых соединений осуществляется липопротеинами плазмы крови. В плазме крови человека свободнорадикальному окислению подвержены все классы липопротеинов, в том числе и высокой плотности, содержащие мало фосфолипидов и триглицеридов. Однако основной вклад в образование первичных и вторичных продуктов ПОЛ вносят липопротеины низкой плотности.
Спонтанное окисление липопротеидов имеет малую интенсивность. Окислению в составе ЛП – частиц подвергаются:
1. полиненасыщенные ЖК (линолевая, арахидоновая),
2. входящие в состав липопротеидных частиц альфа и гамма токоферолы,
3. белковые частицы, т.е. апо-протеины.
В качестве окислителей липопротеидных частиц могут выступать:
1. Перекись
2. Липоперекиси
3. Пероксинитрит
4. Гипогалогеноводороды
5. Супероксиданион - радикал.
Наличие ионов металлов переменной валентности благоприятствует окислительной модификации ЛП.
Следствием подобной модификации может служить изменение кинетических параметров ЛП, что может привести к формированию атеросклероза.
Установлено, что ЛПНП, подвергшиеся перекисному окислению, нарушают эндотелий – зависимую вазорелаксацию, инициируют внутриклеточный окислительный стресс, активируют экспрессию гена р53. Активация р53 ведёт к нарушению клеточного цикла, некрозу и апоптозу.
Окисление липидов в составе клеточных мембран и липопротеинов существенно различается, что связано с разницей в их составе и структурной организации. Главным субстратом окисления в цитоплазматических мембранах слежат полиненасыщенные ЖК, в особенности арахидоновая, содержание которой превалирует над другими кислотами. Кроме того, цитоплазматические мембраны содержат около 20 % свободного холестирина, который подвергается свободнорадикальному окислению, с образованием оксистеролов, которые не участвуют в прдолжении и разветвлении цепей окисления. Мембраны и ЛП различаются между собой по содержанию липофильных антиоксидантов, витамина Е и убихинона. Так содержание альфа – токоферола в ЛПНП в 10 раз больше, чем в мембране эритроцитов, а содержание убихинонов значительно выше в микросомальных имитохондриальных мембранах клеток, чем в липопротеинах.
Антиоксидантная система
Система антиоксидантной защиты организма противостоит процессу запуска и развития свободно-радикальных реакций ПОЛ, предотвращая свободно-радикальную деградацию липопротеинов плазмы крови и липидной составляющей клеточных мембран. Способность антиоксидантов тормозить окисление, зависит от следующих факторов:
1. Строения молекулы антиоксиданта
2. Концентрации антиоксиданта
3. Строения и свойств субстрата и продуктов его окисления
4. Температуры и парциального давления кислорода
5. Наличия синергистов, либо других инициаторов окислительного процесса
При нарушении баланса реакций свободно-радикального окисления и активности антиоксидантной системы в сторону преобладания окислительных реакций происходит повреждение внутриклеточных структур за счёт:
1. реакций ПОЛ,
2. разрыва цепей ДНК,
3. снижения интенсивности гликолиза, уменьшения пула АТФ,
4. увеличение концентрационного содержания внутриклеточного Са2+,
5. морфологических изменений клеточной мембраны.
Поскольку эти процессы становятся необратимыми при дефиците антиоксидантной системы, то гибель клетки становится неминуема.
Антиоксиданты делятся:
1. в зависимости от растворимости делятся на водо- и жирорастворимые,
2. по механизму действия распределяются на ферментативные и неферментативные антиоксиданты,
3. по взаимодействию с радикалами, и элиминации их из системы: на превентивные антиоксиданты, оказывающие тормозящее действие на стадии инициации, например каталаза и другие пероксидазы и на антиоксиданты, прерывающие цепную реакцию на стадии развития, например СОД или витамин Е.
4. на вещества, оказывающие мембранотропное действие, так называемые «структурные антиоксиданты».
Поскольку интенсивность свободно-радикальных реакций во многом зависит от содержания супероксидного анион-радикала, то системам перехвата этого радикала принадлежит особая роль в осуществлении антирадикальной защиты организма. В тканях дисмутацию супероксидных радикалов осуществляют в основном ферменты - супероксиддисмутазы (СОД), а в жидких средах организма и, в первую очередь, плазмы крови супероксид перехватывающую активность проявляют низкомолекулярные соединения: комплексы меди и цинка с ароматическими аминокислотами, пептидами, средне- и длиноцепочечные жирные кислоты, мочевая кислота, катехоламины, кортикостероиды, аскорбиновая кислота, токоферолы, а также ряд тканеспецифических веществ меланин кожи, билирубин крови и т.д.).
Однако известно, что запасы в организме человека неферментативных оксидантов невелики и при взаимодействии со свободными радикалами они сами могут превращаться в свободно-радикальные формы, т.к. механизм их действия основан на способности отдавать электрон свободным радикалам, превращая их в более устойчивые соединения.
Неферментные антиоксиданты могут отдавать электрон ионам металлов переходной валентности (Fe2+, Cu2+, Zn2+, Mn+), входящих в хромопротеины и способные высвобождать восстановленные формы этих металлов из протеидных комплексов.
Ферментные антиоксиданты обладают значительным преимуществом перед неферментными за счёт большей нейтрализующей мощности, способности к регенерации и субстратной индукции. Среди ферментных систем АОС выделяют три основных системы:
1. СОД,
2. каталаза,
3. глутатионпероксидаза.
СОД играет ключевую роль в нейтрализации продуктов СРО. Различают несколько видов СОД, в зависимости от металла, входящего в его ферментный центр: Cu, Zn, Mn-СОД, являются внутриклеточными ферментами, в незначительном количестве в митохондриях может присутствовать Fe-СОД, выделяют также эктрацеллюлярную СОД (Э-СОД). Э-СОД наиболее активна в лёгких, где синтезируется альвеолярными пневмоцитами. Кроме того, Э-СОД найдена в сыворотке, синовиальной жидкости, спинномозговой жидкости, в тканях организма, где на 99% Э-СОД присутствует в интерстициальной жидкости и только 1% связан с клеточными мембранами. В сосудах Э-СОД синтезируется в основном гладкомышечными клетками. Антиоксидантная активность СОД связана с её способностью одновалентно восстанавливать супероксидрадикал до перекиси водорода в реакциях:
СОД-Cu2+ + О2 ¯ —> СОД- Cu + + О2
СОД-Cu¯ + О2 ¯ +2Н + —> СОД- Cu2+ + Н2О2
СОД-Mn3+ + О2 ¯ —> СОД- Mn2+ +Н2О2
СОД-Mn2+ + О2 ¯ +2Н + —> СОД- Mn3+ + Н2О2
Считается, что активность Mn-СОД в 1,5-2 раза ниже, чем Cu, Zn-СОД.
Другим ферментом, участвующим в восстановлении АМК, в частности Н2О2 является каталаза, которая катализирует восстановление перекиси в следующей реакции:
Каталаза- Fe3+ + Н2О2 —> Комплекс-1(Fe5+)
Комплекс-1(Fe5+) + Н2О2 —> Каталаза- Fe3+ + 2Н2О + О2
Глутатионпероксидаза (ГП), существует в нескольких видах в зависимости от её присутствия в тканях. Различают эритроцитарную Se-содержащую ГП, плазменную и ГП выделенную из клеток печени и кишечника. ГП восстанавливает Н2О2 (1), а также нейтрализует гидроперекиси липидов с последующим восстановлением окисленного глутатиона с участием глутатионредутазы (2):
(1) Н2О2 + 2GSH —> 2Н2О +GSSG
ROOH + 2GSH —> ROH +2GSSG +H2O
(2) GSSG +NADPH + H+ —> 2GSH +NADP+
АОС каждого человека индивидуальна и зависит от генетического кода, заложенного в генах каждого отдельного организма. Известно, что у человека ген, кодирующий СОД 1 расположен в 21-ой хромосоме, СОД 2 в 6-ой хромосоме, СОД 3 в 4-ой, ген каталазы в 11-ой, ген ГП1 в 14-ой. Существует ряд заболеваний, при которых отсутствие синтеза какого-либо из ферментов или его недостаточность играет ключевую роль в развитии патологии, к таким заболеваниям относятся - болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, латеральный амиотрофический склероз и др.
Индукторами синтеза антиоксидантов могут выступать непосредственно АМК, а также некоторые продукты ПОЛ, особенно при влияние негативных внешних факторов.
Доказано, что повышение уровня продуктов свободно-радикального окисления (диеновых и триеновых конъюгатов, малонового диальдегида) и снижение активности антиоксидантных ферментов – каталазы и глутатионредуктазы связана с дисбалансом между адаптивным потенциалом интрацеллюлярных энзимов АОС и активностью свободно-радикальных процессов.