Лекция №5 Механизмы окислительного повреждения аминокислот, пептидов, белков,

Дисфункция клеточных и тканевых процессов как результат окислительного повреждения белков. Роль

окисленных белков в формировании липофусциновых гранул. Мутации и транскрипционные нарушения как результат окислительного повреждения ДНК.

первую очередь, рассматриваются активные формы кислорода (АФК), увеличение свободного железа,

продукты перекисного окисления липидов при снижении антиоксидантной защиты.
При действии АФК происходит нарушение нативной конформации белков с образованием крупных белковых агрегатов или фрагментация белковой молекулы. Гидроксильный радикал чаще всего вызывает агрегацию белков, а в комбинации с супероксиданионом - фрагментацию с образованием низкомолекулярных фрагментов. Радикалы липидов могут также вызывать фрагментацию белковых молекул. Механизм формирования агрегатов следующий: при действии оксидантов происходит нарушение нативной конформации ряда доменов белков. В результате увеличивается число гидрофобных остатков на поверхности глобул, что и обуславливает формирование крупных белковых конгломератов.

на белок начинается с удаления электрона от α-С- атома. Образовавшийся

радикал может прореагировать с себе подобным, в результате произойдет димеризация белка. 
Алкил-радикал легко присоединяет молекулярный кислород. В результате образуется алкил-пероксил-радикал, который преобразуется в гидропероксид белка, а затем — в алкоксил-радикал и в гидроксильную производную белка. Алкил-радикалы, алкил-пероксил-радикалы и алкоксил-радикалы могут отнимать электроны от других α -С-атомов той же или другой полипептидной цепи. Таким образом, происходит цепная реакция, механизм которой, как видим, аналогичен механизму цепной реации пероксидации липидов. Возникновение алкоксил-радикала ведет к разрыву полипептидной цепи. Разрываться может связь окисленного α -С с азотом либо с углеродом карбонильной группы.

Наиболее уязвимы цистеин и метионин, однако их окисление репарируется. Репарация

окисленного метионина происходит с помощью протеин-метионин-сульфоксидредуктазы. Донором электронов в этой реакции выступает белок тиоредоксин, который затем восстанавливается при участии тиоредоксинредуктазы. Восстановление дисульфидных мостиков в белках происходит с помощью протеин-дисульфидредуктазы, а также в результате окисления редокс-белков. Если в клетках возникает сильный окислительный стресс, то происходит более глубокое окисление остатков цистеина, вплоть до образования цистеин-сульфоновой кислоты. Такие повреждения репарируются при участии системы пептидных антиоксидантов.

как встроенный в белок предохранитель от АФК, своего рода «аварийный

сброс». Остатки метионина принимают на себя удар АФК. Окисление метионина менее опасно для белка, чем окисление других аминокислот. Ведь в клетках имеется эффективная система репарации окисленного метионина. Особенно богаты метионином белки митохондрий. Оказалось, что у многих биологических видов в ДНК митохондрий даже произошло изменение генетического кода: кодон АУА (один из трех кодонов, кодирующих изолейцин) стал прочитываться белоксинтезирующим аппаратом как метиониновый кодон. Поэтому белки митохондрий обогащены метионином.

белков

их окисления, а также в результате окисления полипептидной цепи в

белках возрастает количество карбонильных групп. Поэтому увеличение содержания карбонильных групп используется как интегральный показатель окислительного повреждения белков. Новые карбонильные группы появляются в белках при их взаимодействии с продуктами окисления липидов и в результате гликирования.

составе белков

цепи. Разрыв цепи, обусловленный окислением пролина, вызывает накопление γ -аминомасляной

кислоты (γ-aminobutyric acid — GABA). Таким образом, присутствие γ -аминомасляной кислоты в гидролизатах белка является индикатором того, что полипептидные цепи были разорваны по остатку пролина с помощью АФК.

– коньюгация липидных пероксидов с аминокислотными остатками гистидина, цистеина и

лизина в белках.
Второй механизм - окисление при участии АФК с образованием карбонильных производных, а также дисульфидов Cys-S-S-Cys, цистеин-сульфеновой (SO), -сульфиновой (SO2-) или -сульфоновой (SO3-) кислот, сульфоксида метионина (MetSO).
В последнее время к ОМБ предложено относить и гликирование и гликоксидацию лизиновых и аспарагиновых остатков.

вызывают инактивацию мембранных транспортеров, таких, как Na+-K+-ATP-азы, транспортеров глюкозы в

головном мозге, что приводит к нейродегенеративным расстройствам. Другим примером является инактивация альдегидами шаперона Hsp90 и протеин-дисульфидизомеразы, осуществляющих контроль фолдинга. Альдегиды чаще всего взаимодействуют с остатками цистеина или гистидина киназ, принимающих участие в сигнальной трансдукции, что приводит к утрате их активности.

кислот живого организма, протекающая без участия ферментов.
Гликированные белки — это продукты Амадори.

Реакция по механизму подобна реакции аминогрупп белков с малоновым диальдегидом. Вначале происходит взаимодействие белка и редуцирующего сахара с образованием основания Шиффа, затем в результате внутримолекулярной перегруппировки возникают продукты Амадори. Особенно активно белки взаимодействуют с сахарами, окисленными АФК. Претерпевшие дальнейшие окислительные изменения продукты гликирования белков обозначаются как AGE (advanced glycation end products). Среди них много димеров белков, так как гликированные белки склонны к димеризации.
Многие возрастные болезни человека связаны с гликированием белков.

Амадори – модифицированные белки (при образовании с углеводами оснований Шиффа

формируют более стабильные гликозилированные продукты). Образуются также при неферментативном гликозилировании белков.

стрессе

особенно ДНК. В этом случае повреждается не только ядерная ДНК,

но и ДНК митохондрий. Окисление затрагивает преимущественно азотистые основания, в меньшей степени — дезоксирибозу. Гидроксил-радикал присоединяется по двойным связям азотистых оснований. При этом образуется неустойчивый аддукт-радикал. Он может окисляться, восстанавливаться, претерпевать раскрытие кольца.

кислот с образованием производных пиримидина.
Кроме того, гидроксил-радикал может отнимать

атом водорода от метильной группы тимина или от группы восстановленного углерода (С-Н) 2'-дезоксирибозы

гидроксил-радикала происходит к С4, С5 и С8. Самый распространенный —

8-гидроксигуанин. Часто встречаются 2-ги- дроксиаденин и 8-гидроксиаденин.
Присоединение *ОН к С5-С6 двойной связи пиримидинов приводит к образованию С5-ОН аддукт-радикала либо С6-ОН аддукт-радикала. Эти радикалы затем подвергаются окислительно-восстановительным превращениям, преобразуясь в целый ряд окисленных производных цитозина, тимина и урацила.

Репарация окислительных повреждений ДНК

Окисленные основания ДНК удаляются двумя способами. Первый способ — BER

(base excision repair) — заключается в замене отдельных нуклеотидов с окисленными азотистыми основаниями. Эта репарация начинается с удаления азотистого основания посредством гликозилазной активности. Есть специфическая оксо- гуанингликозилаза, удаляющая 8-оксогуанин. Затем особые нукле- азы — АР-эндонуклеаза (apurinic/ apyrimidinic endonuclease) и ДНК- фосфодиэстераза — гидролизуют фосфодиэфирную связь и удаляют весь нуклеотид. ДНК-полимераза, используя дезоксиГТФ, заполняет «пробел». Наконец, ДНК-лигаза снова наводит фосфодиэфирную связь. Второй способ репарации ДНК — NER (nucleotide excision repair) — направлен на замену больших поврежденных участков ДНК. Эта репарация начинается с вырезания целого олигонуклеотида.

– ≪темный≫;), также известный как
≪пигмент старения≫, — жёлто-коричневый аутофлюоресцирующий пигмент,

состоящий из
гликолипопротеидного матрикса, встречающийся повсеместно во всех тканях и органах человека. В клетках
обычно концентрируется вокруг ядра в лизосомах в виде остаточных, резидуальных, телец. По разным
мнениям, липофусцин образуется и накапливается в результате окисления ненасыщенных жиров или в
случае повреждения мембран органелл, в особенности — из-за повреждения митохондрий и лизосом.
Наибольшее содержание липофусцина отмечается в митотически неактивных клетках, например, в нейронах
или кардиомиоцитах.

Флавиновые соединения
- Каротиноиды
Ультраструктура липофусцина:
Представляет из себя электронно-плотные гранулы, окруженные двойной

мембраной, содержащей
миелиноподобные структуры. Эти гранулы называют цитосомами или каротиносомами.
Роль липофусцина:
Ранее его расценивали как ≪пигмент старения≫, образующийся при перекисном окислении липидов,
входящих в состав клеточных мембранных структур.
В настоящее время липофусцин относят к разряду клеточных органоидов.
Функция липофусцина – депонирование кислорода. В условиях дефицита кислорода, он
обеспечивает процессы окисления.
Увеличение количества липофусцина в клетке – адаптивный процесс, позволяющий ей нормально
функционировать в условиях нарушения окислительных процессов.

структуры. Эти гранулы называют цитосомами или каротиносомами.

окислении липидов,
входящих в состав клеточных мембранных структур.
В настоящее время липофусцин

относят к разряду клеточных органоидов.
Функция липофусцина – депонирование кислорода. В условиях дефицита кислорода, он
обеспечивает процессы окисления.
Увеличение количества липофусцина в клетке – адаптивный процесс, позволяющий ей нормально
функционировать в условиях нарушения окислительных процессов.