5.3. Перекисное окисление липидов

Одним из последствий избытка кислорода в организме является образование свободных радикалов, повреждающих клеточные элементы и не в последнюю очередь мембранные структуры клетки. Впрочем, увеличенное образование свободных радикалов в организме и связанное с этим усиление процессов пероксидации липидов (которое иногда называют оксидативным или окислительным стрессом) могут происходить не только из-за избытка кислорода, но и большого числа иных причин. Так или иначе, окислительный стресс сопровождается нарушениями в свойствах биологических мембран и функционировании клеток. Наиболее изучены три прямых следствия перекисного окисления липидов.

Первый результат – перекисное окисление липидов сопровождается окислением тиоловых (сульфгидрильных) групп мембранных белков. Так, например, связанное с перекисным окислением липидов окисление белков и образование белковых агрегатов в хрусталике глаза заканчиваются его помутнением. Этот процесс играет важную роль в развитии старческой и других видов катаракты у человека. Окисление тиоловых групп приводит к появлению дефектов в мембранах клеток и митохондрий. Под действием разности электрических потенциалов на мембранах через такие поры в клетки входят ионы натрия, а в митохондрии – ионы калия. В результате происходят увеличение осмотического давления внутри клеток и митохондрий и их набухание. Это приводит к еще большему повреждению мембран. Значительную роль в патологии клетки играет также инактивация ионтранспортных ферментов, например Ca²⁺-АТФаз, в активный центр которых входят тиоловые группы. Инактивация Ca²⁺-АТФазы приводит к замедлению «откачивания» ионов кальция из клетки и одновременно к ускорению входа кальция в клетку. Это сопровождается увеличением внутриклеточной концентрации ионов кальция и повреждением клетки.

Второй результат перекисного окисления липидов связан с тем, что продукты такого окисления обладают способностью непосредственно увеличивать ионную проницаемость липидного слоя. Так, показано, что продукты перекисного окисления липидов делают липидную фазу мембран проницаемой для ионов водорода и кальция. Это приводит к тому, что митохондрии теряют способность к синтезу АТФ и клетка оказывается в условиях энергетического голода. Одновременно в цитоплазму выходят ионы кальция, которые повреждают клеточные структуры.

Третий результат перекисного окисления липидов – это уменьшение стабильности липидного слоя, что может привести к электрическому пробою мембраны под действием разности потенциалов, которую сама мембрана и создает.

Изучение воздействия разного рода повреждающих агентов на изолированные клетки (эритроциты, митохондрии, фосфолипидные везикулы (липосомы), плоские бислойные липидные мембраны и другие модельные объекты) показало, что, в конечном счете, существуют четыре основных процесса, которые непосредственно обусловливают нарушение барьерных свойств липидного слоя мембран (мембран в целом) в патологии: перекисное окисление липидов, действие мембранных фосфолипаз, механическое (осмотическое) растяжение мембраны, адсорбция поликатионов или полианионов.

Молекула кислорода представляет собой бирадикал и может реагировать с соединениями, отрывая от них электрон и превращаясь в активные формы кислорода. Наиболее чувствительны к действию активных форм кислорода полиеновые жирные кислоты, которые в основном локализованы в фосфолипидах мембран.

Свободные радикалы атакуют метиленовые группы -СН₂-, находящиеся между двумя связями полиеновых кислот. При этом образуются свободные радикалы жирных кислот, которые в результате развития цепной реакции превращаютя в перекиси и гидроперекиси липидов. Свободнорадикальное окисление нарушает структуру многих молекул и различные мембранные структуры клеток. Результатом перекисного повреждения мембран клеток является увеличение их проницаемости. Вода, ионы Ca²⁺ и na⁺ входят в клетки и субклеточные частицы, вызывая их набухание и разрушение. Свободные радикалы проникают в ядро и митохондрии, окисляя ДНК. Это приводит к разрыву цепей ДНК и мутациям. Одним из конечных продуктов деградации жирных кислот при ПОЛ является малоновый диальдегид, который взаимодействует с NH2-группами белков, вызывая их необратимую денатурацию.

Повреждение клеток в результате активации перекисного окисления липидов происходит при многих патологиях (атеросклероз, канцерогенез, цирроз печени, мышечная дистрофия, отравления) и при старении организма.

Перекисное окисление активируется также в тканях, подвергшихся сначала ишемии, а затем реоксигенации, что происходит, например, при спазме коронарных артерий и последующем их расширении. Такая же ситуация возникает и при образовании тромба в сосуде, питающем миокард. Формирование тромба приводит к окклюзии просвета сосуда и развитию ишемии в соответствующем участке миокарда. Если принять лечебные меры по расширению тромба, то в ткани восстанавливается снабжение кислородом. В связи с этим резко возрастает образование активных форм кислорода, которые могут повреждать клетку за счёт активации перекисного окисления.

Окисление липидов молекулярным кислородом – цепная свободнорадикальная реакция, одним из важных продуктов которой являются гидроперекиси (ROOH). На первых стадиях метаболической цепи 92–98 % всех продуктов окисления составляют гидроперекиси, образованию которых предшествует появление гидроперекисного радикала ROO˙. Этот радикал образуется в акте одноэлектронного окисления, что сопровождается появлением системы сопряжённых двойных связей. Молекулы с двумя сопряжёнными связями (диеновые конъюгаты) могут быть обнаружены способом абсорбционной ультрафиолетовой фотометрии, поскольку они обладают максимумом поглощения при 233 нм. Преобразование обычных липидов в гидроперекиси жирных кислот приводит к тому, что в мембранах появляются участки («дыры»), через которые, словно через поры, устремляется наружу содержимое, как самих клеток, так и их органелл. В результате формируется синдром цитолиза, в ряде случаев инициируется самопереваривание клеток, возрастает перекисный и осмотический гемолиз эритроцитов. Из мембраны исчезают легкоокисляемые фосфолипиды (кефалины и др.), обусловловливающие текучесть, малую микровязкость клетки, в результате чего мембрана обогащается насыщенными, малоподвижными фосфолипидами и «стареет». Изменяется липидное окружение рецепторов, воспринимающих сигналы со стороны гормонов. Более того, те липиды, которые, будучи гидрофобными, сосредоточиваются в середине липидного слоя, став в результате такого процесса гидрофильными (содержащими сильно полярные группировки), оказываются на поверхности мембраны, что приводит к её структурной дезорганизации.

Первичные продукты ПОЛ (гидроперекиси липидов), будучи веществами, весьма нестойкими, довольно скоро разрушаются с образованием вторичных продуктов перекисного окисления липидов: альдегидов, кетонов, спиртов и эпоксидов. Среди них наиболее известен малоновый диальдегид (МДА), определяемый по реакции с тиобарбитуровой кислотой.

Его накоплением в крови объясняется, в частности, формирование хорошо известного синдрома «весенней слабости», а также сопровождающего многие заболевания внутренних органов синдрома интоксикации. Реагируя с SH- и CH₃-группами белков, МДА подавляет активность ферментов: цитохромоксидазы (угнетая тем самым тканевое дыхание), гидроксилазы, осуществляющей превращение холестерола в желчные кислоты. Будучи способным реагировать с аминогруппами белков, малоновый диальдегид характерно изменяет структуру эластических волокон лёгочной ткани, нарушая функцию аэрогематического барьера, усугубляя прогрессирование артериолосклероза и пневмосклероза при пневмонии. Взаимодействуя же с белками атерогенных липопротеинов плазмы, он сообщает им отрицательный заряд, делает невозможным «узнавание» липопротеина специфическими рецепторами и обусловливает тем самым ускоренное развитие атеросклероза за счёт неспецифического связывания клеткой атерогенных апо-В-липопротеинов. Воздействие МДА на волокнистые элементы субэндотелиального слоя способствует формированию артериосклероза и липидоза.

Доказана патогенетическая роль активации ПОЛ в формировании нарушений в организме при хроническом (пролонгированном) стрессе. Продукты перекисного окисления липидов во многом способствуют агрегации тромбоцитов, уменьшению синтеза простагландинов, оказывающих антикоагулянтное действие, разрушению клеточных мембран (формирование синдрома «цитолиза») и повышению их проницаемости, выходу факторов свёртывания крови, подавлению деления и регенерации клеток (антифиброзный эффект). Литературные данные дают основание считать, что активация свободнорадикального окисления и нарушение соотношения в системе перекисное окисление-антиоксиданты имеют важное значение в обеспечении адаптационных реакций на повреж­дающие воздействия окружающей среды. Показано, что именно в острую фазу адаптации интенсифицируются процессы ПОЛ и происходят изменения в активности антиоксидантов – угнете­ние активности супероксиддисмутазы, неоднознач­ная направленность и индивидуальные различия в каталазной активности. И только с увеличе­нием сроков адаптации отмечается мобилизация этих ферментов, направленная на поддержание сбалансированности между интенсивностью гене­рации продуктов ПОЛ и активностью антиоксидантной системы организма. Обнаружено так­же нарушение соотношения активности про- и антиоксидантных систем сердца в процессе развития экспериментального стресса у крыс. Авторы полагают, что стресс реализует свое действие на липидный обмен путем активации выброса катехоламинов, которые увеличивают содержание в тканях цАМФ, что в свою очередь ведет к повы­шению активности липаз, проявлению разрушаю­щего действия на мембраны лизофосфолипидов и активацию ПОЛ.

При взаимодействии МДА с аминогруппами фосфолипидов образуются конечные продукты ПОЛ – способные к флюоресценции шиффовы основания. Эти соединения представляют собой довольно плотные структуры, вызывающие нарушения фильтрационной способности клубочков почек, артериоло- и пневмосклероз.

Изменение структуры тканей в результате ПОЛ можно наблюдать на коже: с возрастом увеличивается количество пигментных пятен у людей, особенно с дорсальной поверхности ладоней. Этот пигмент называется липофусцин. Он представляет собой смесь липидов и белков, связанных поперечными ковалентными связями и денатурированными в результате взаимодействия с химически активными группами продуктов ПОЛ. Липофусцин фагоцитируется, но не гидролизуется ферментами лизосом, поэтому накапливается в клетках, нарушая их функции.

Реакции перекисного окисления липидов в норме происходят в клетке постоянно, но с низкой активностью, так как клетки имеют различные системы защиты от активных форм кислорода (антиоксидантные системы). Антиоксидантные системы организма подразделяют на неферментативные (витамины Е, С, каротиноиды) и ферментативные (супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза). Длина цепи свободнорадикального окисления сокращается в присутствии антиоксидантов. Этим объясняется их действие в качестве ингибитора свободнорадикальных процессов.