Химия БАВ: Перекисное окисление липидов. Механизм, принципы регуляции, биомедицинское значение.

Введение

Живая клетка существует в среде с высоким содержанием кислорода, который даже в физиологических условиях способен образовывать активные формы, вызывающие окисление белков, липидов, нуклеиновых кислот. В 1954 году G.Gershman и N.Gilbert выдвинули гипотезу, что большая часть повреждающих эффектов повышенного содержания кислорода у живых организмов может быть обусловлена свободными радикалами. В 60-х годах свободно-радикальная патология стала самостоятельным разделом медицинской науки [9]. С тех пор интерес к роли свободных радикалов и перекисного окисления липидов в протекании нормальных и патологических процессах живой клетки остается неизменно высоким.
Ухудшение экологической ситуации, связанное с загрязнением воздуха пылевыми частицами, выхлопами, токсическими веществами, почв и воды – нитритами и нитратами, усиление радиационного фона, химизация сельского хозяйства и другие реалии современного мира привели к тому, что образование свободных радикалов выше, чем мощности антиоксидантных систем организма. Перекисное окисление липидов связывают со многими заболеваниями, широко распространенными в наше время. Поэтому его изучение является весьма актуальным.
Целью данной работы является рассмотрение механизмов и медико-биологической роли перекисного окисления липидов по материалам литературных источниках.


1. Источники свободных радикалов в клетке.
Кислород необходим клетке для функционирования дыхательной цепи переноса электронов, но он же является одновременно и токсическим веществом, из которого образуются активные формы кислорода.
К ним относят:
•ОН• - гидроксильный радикал;
•О2• - супероксидный анион;
•Н2О2 - пероксид водорода.
О2
О2•
Н2О2
Н2О2 +ОН•
ē
ē, 2Н+
ē, Н+
Большой вклад в образование радикалов вносят митохондрии из-за перехода части электронов с митохондриальной цепи на молекулярный кислород [5]. В результате последовательного одноэлектронного присоединения 4 электронов к молекуле кислорода образуется вода, но по ходу реакции возникают химически активные формы кислорода.
Ферменты оксидазы непосредственно восстанавливают кислород, образуя пероксид водорода - Н2О2 по схеме:
О2 + SH2 → S + Н2О2,
где SH2 - окисляемый субстрат.
Считается, что основное повреждающее действие на биологические молекулы оказывает гидроксильный радикал ОН• [7].
Типичный пример реакции, в которой образуется радикал - это реакция Фентона - взаимодействие пероксида водорода с ионом двухвалентного железа:
Fe2+ + Н2О2 → Fe3+ + ОН- + ОН• [4]
ОН• образуется также в цикле Хаберта-Вайса в присутствие ионов железа:
О2• + Н2О2 → О2 + ОН• + ОН-
Повышенному образованию свободных радикалов способствуют экологически неблагоприятные факторы среды, ультрафиолетовое облучение, лучевая терапия, гипербарическая оксигенация [3].
2. Стадии перекисного окисления липидов.
Перекисное окисление липидов (ПОЛ) протекает по свободно-радикальному механизму с участием активных форм кислорода, но может быть инициировано и собственными клеточными ферментами циклооксигеназами и липоксигеназами [6].
В результате свободно-радикальной атаки, липиды теряют атом водорода и переходят в свободно-радикальную форму (L•), в которой взаимодействуют с молекулярным кислородом и переокисляются (LO•). Этот процесс и называется перекисным окислением липидов.
Наиболее чувствительны к перекисному окислению полиненасыщенные жирные кислоты, а именно СН2 группы в их структуре. Углерод-водородная связь в этой метиленовой группе, которая находится в последующем положении за двойной связью СН = СН – СН2, имеет более низкую энергию диссоциации, чем в других группах и является мишенью для радикалов. Начальным этапом перекисного окисления является удаление атома водорода от этого углеродного атома [8].
Перекисное окисление липидов является цепной реакцией, и проходит через несколько стадий:
1) инициации;
2 ) развития цепи;
3) разрушения структуры липидов;
4) обрыва цепи.
Рассмотрим эти стадии подробнее.
1. Фаза инициации: образование свободного радикала (L•)
Чаще всего реакцию инициирует гидроксильный радикал •ОН. Будучи небольшой по размеру незаряженной частицей, он способен проникать в толщу гидрофобного липидного слоя и вступать в химическое взаимодействие с полиненасыщенными жирными кислотами (которые принято обозначать как LH), входящими в состав биологических мембран и липопротеинов плазмы крови [2]

. При этом в липидном слое мембран образуются липидные радикалы:
- СН2 - СН = СН - СН2 - → - СН2 - СН = СН - СН• - + Н


Свободный радикал отделяет атом водорода от углеродного атома, в результате у последнего формируется радикальный центр. Из жирной кислоты образуется алкильный радикал L•. Инициатор, присоединив атом водорода, перестает быть свободным радикалом.
Фаза инициации сопровождается конфигурационными перестройками исходной молекулы жирной кислоты. Двойные связи располагаются ближе друг к другу, что приводит к образованию конъюгированных двойных связей. Это – признак ранней стадии перекисного окисления липидов, и может быть выявлено с помощью спектрофотометрических методов. Некоторые двойные связи переходят из цис-конфигурации, характерной для неповрежденных жирных кислот, в транс-конфигурацию [8].
2. Фаза развития цепи
Развитие цепи происходит при присоединении О2 к алкильному радикалу, в результате чего образуется липопероксирадикал LOO•
L • + О2 → LOO •
В результате внутримолекулярного взаимодействия пероксильный радикал может превращаться в различные циклические производные, например изопростаны. Содержание изопростанов в биологических жидкостях и тканях человека увеличивается при многих заболеваниях.
Пероксильный радикал отделяет атом водорода от ближайших молекул, которыми могут быть другие полиненасыщенные жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, белки. В результате образуются неустойчивые липидные гидропероксиды LOOH. Жирная кислота, которая потеряла атом, сама становиться новым алкильным радикалом и продолжает цепную реакцию.
LOO• + LH → LOOH + LR•
Липидный гидропероксид способен к спонтанной декомпозиции на алкоксильный радикал LO• и гидроксильный радикал.
ПОЛ представляет собой разветвленные цепные реакции, т.е. каждый образовавшийся радикал инициирует образование нескольких других [2].
3. Разрушение структуры липидов
Алкоксильный радикал может распадаться с образование альдегидов и алкильных радикальных фрагментов. Наиболее частые конечные продукты перекисного окисления полиеновых кислот - малоновый диальдегид и гидропероксид кислоты.

Альдегиды реакционноспособны и могут взаимодействовать с нуклеиновыми кислотами, белками, липидами с образованием карбонильных производных [6]. Малоновый диальдегид является индикатором окислительного стресса в медицинских исследованиях.
4. Обрыв цепи – результат взаимодействие радикалов между собой. При этом процесс перекисного окисления завершается в результате образования кислородных мостиков между радикалами, или алкильные радикалы образуют С-С связи с другими алкильными радикалами. Полученные соединения не обладают свободно-радикальной активностью, но являются высокотоксичными [2].
Механизм обрыва цепи зависит от концентрации кислорода. При сравнительно низких значениях О2 следует ожидать преобладания следующих реакций:
LOO• + L• → LOOH + LH
LOO• + LOO• → L=O + LOH + фотон.
Последняя реакция сопровождается свечением – хемилюминесценцией.
При гипоксических состояниях возможна такая реакция [7]:
L•+ L• → LL
Таким образом, процесс перекисного окисления липидов биологических мембран протекает по механизму цепных реакций, характерному для всех реакций окисления органических соединений.
3. Биологическое значение перекисного окисления липидов.
Перекисное окисление липидов в клетке поддерживается на определенном уровне благодаря многоуровневой антиоксидантной системе защиты. Сбалансированность между двумя процессами – перекисным окислением с одной стороны и антиоксидантной активностью в другой – необходимое условие для поддержания нормальной жизнедеятельности клетки [9].
Любая воспалительная реакция сопровождается усилением генерации фагоцитирующими клетками активных форм кислорода. Эта реакция – необходимый механизм защиты организма от бактериальных инфекций. кроме того, свободные радикалы - постоянные продукты кислородного метаболизма клеток, принимающие участие во многих физиологических функциях. Они не представляют опасности, так как сразу нейтрализуются антиоксидантной системой клетки.
Процессы перекисного окисления липидов заложены в механизме обновления состава и поддержания функциональных свойств биологических мембран, в клеточном делении, синтезе биологически активных вечеств. Через стадию перекисных производных ненасыщенных жирных кислот осуществляется биосинтез простагландинов и лейкотриенов