V.Механизмы повреждающего действия окислительного стресса: повреждение белков, нуклеиновых кислот, деградация мембранных фосфолипидов, образование межмолекулярных комплексов

Активные формы кислорода химически очень агрессивны: они повреждают белки и ДНК и, главное, вызывают перекисное окисление липидов - самоподдерживающийся процесс, ведущий к тяжелому повреждению мембран

Повреждение ДНК

Молекула ДНК может повреждаться напрямую, в основном - гидроксид-радикалом и (в гораздо меньшей степени) супероксид-анионом кислорода. Гидроксид-радикал HO∙ может действовать на пуриновые и пиримидиновые основания, а также на остатки рибозы и дезоксирибозы.

Супероксид-анион обладает избирательным действием, взаимодействуя с гуаниновыми основаниями, в результате чего образуются их разнообразные окисленные производные, в том числе и конечный продукт окисления гуаниновых оснований, 7,8-дигидро-8-гидроксигуанозин. Радикалы, образующиеся при перекисном окислении липидов, также повреждают молекулы ДНК. В ряде экспериментов было показано, что митохондриальная ДНК (мтДНК) подвергается окислительному действию АФК даже в большей степени, чем ядерная, так как она находится в непосредственной близости от источников АФК и не защищена гистонами. При взаимодействии перекиси водорода, образующейся в дыхательной цепи с ионами Fe²⁺ и Сu²⁺, которые присутствуют в митохондриальных мембранах, образуется гидроксид-радикал, который и повреждает мтДНК. Она может повреждаться также и при действии перекиси водорода, образующейся в моноаминооксидазной реакции. Повреждение мтДНК приводит к неправильному синтезу компонентов дыхательной цепи, вследствие чего нарушается дыхательная цепь митохондрий и усиливается утечка супероксид-аниона. Повреждение ДНК происходит и в результате действия эндонуклеаз, которые активируются при повышении концентрации внутриклеточного Ca²⁺, наблюдаемом в ходе окислительного стресса.

В результате действия АФК на молекулу ДНК возникают хромосомные аберрации, которые представляют собой нарушения структуры хромосомы.

Повреждение белков

Наиболее распространенный и легко обнаруживаемый тип повреждения белков - образование карбонильных групп при окислении аминокислот: лизина, аргинина и пролина. 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. Многие ферменты, содержащие SH-группы, такие как АТФазы или дегидрогеназы, легко окисляются в результате свободнорадикальной атаки.

В процессе окислительной модификации белка образуются различные стабильные метаболиты аминокислот.

Обсуждение возможной окислительной деструкции белков в организме до последнего времени носило, в основном, теоретический характер. В ряде исследований этот процесс рассматривается как одна из возможных причин инактивации ферментов, изменения структурной организации белков при состоянии окислительного стресса. Примером окислительной модификации белков является фермент - ксантиндегидрогеназа, которая превращает ксантин (и гипоксантин) в мочевую кислоту, а мочевая кислота, в свою очередь, 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, что вызывает дополнительное увеличение концентрации свободных радикалов в тканях.

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, в организме мышей, мутантых по гену Mn-СОД, где супероксид-анион не утилизируется в достаточной степени, повреждение комплекса I митохондрий, сукцинатдегидрогеназы и ферментов, содержащих железосерные кластеры, приводит к нарушению функции цикла трикарбоновых кислот и работы митохондриальной дыхательной цепи.

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. Процесс химического сшивания наблюдается и при гликировании белков, который существенно активируется при окислительном стрессе.