Биологические последствия пероксидации липидов

Увеличенное образование свободных радикалов в организме и связанное с этим усиление процессов пероксидации липидов (которое иногда называют "оксидативным стрессом") сопровождается рядом нарушений в свойствах биологических мембран и функционировании клеток. Повреждаются либо белковые структуры, либо липидный бислой в целом. Последствия перекисного окисления липидов. Повреждающее действие цепного окисления липидов на биологические мембраны вызвано окислением тиоловых групп белков, увеличением ионной проницаемости мембран и снижением электрической прочности липидного слоя мембран, что приводит к "самопробою" мембран электрическим полем. Живая клетка выработала целую систему защиты от повреждения свободными радикалами.Во-первых, перекисное окисление липидов сопровождается окислением тиоловых (сульфгидрильных) групп мембранных белков (Pr).

Pr-SH + R· -> RH + Pr-S· Pr-S· + O₂ -> Pr-SO₂· -> молекулярные производные

Связанное с перекисным окислением липидов окисление белков и образование белковых агрегатов в хрусталике глаза заканчивается его помутнением; этот процесс играет важную роль в развитии старческой и других видов катаракты у человека. Большую роль в патологии клетки играет также инактивация ион-транспортных ферментов, в активный центр которых входят тиоловые группы, в первую очередь Ca2+-АТФазы, что ведет к увеличению внутриклеточной концентрации ионов кальция и повреждению клетки. Второй результат перекисного окисления липидов связан с тем, что продукты пероксидации обладают способностью непосредственно увеличивать ионную проницаемость липидного бислоя. Так показано, что продукты перекисного окисления липидов делают липидную фазу мембран проницаемой для ионов водорода и кальция. Это приводит к тому, что в митохондриях окисление и фосфорилирование разобщаются, а клетка оказывается в условиях энергетического голода (т.е. недостатка АТФ). Одновременно в цитоплазму выходят ионы кальция, которые повреждают клеточные структуры. Третий (и быть может, самый важный) результат пероксидации – это уменьшение стабильности липидного слоя, что может привести к электрическому пробою мембраны собственным мембранным потенциалом, т.е. под действием разности электрических потенциалов, существующей на мембранах живой клетки. Электрический пробой приводит к полной потере мембраной ее барьерных функций.

3. Конформации макромолекул и типы взаимодействий в них

Огромное разнообразие функций макромолекул в клетке определяется их пространственной организацией. Поэтому одной из важнейших задач молекулярной биофизики является выяснение физических основ формирования пространственной структуры и биологической специфич­ности. Здесь имеется в виду то, что биологическая актив­ность чувствительна к изменениям пространственной структуры макромолекул.

В настоящее время чисто условно выделяют несколько уровней – первичная, вторичная, третичная и четвертичная.

Первичная структура макромолекул - последовательность звеньев в цепи биополимера, связанных друг с другом прочными ковалентными связями. В белках - это последовательность соединении аминокислот, а в НК – последовательность нуклеотидов. Цепи в полимерах образованы прочными ковалентными связями.

Вторичная структура- это локальное, т.е. местное упорядочивание отдельных участков биомакромолекул (упорядоченное строение основной цепи биополимера).

Под третичной структурой понимают пространственную компоновку всей. Четвертичную структуру - под ней понимают пространственное расположение нескольких компактно организованных полимерных цепей, цепей с образованием надмолекулярного комплекса.

Так что же понимают под конформацией? Конформация макромолекулы - это способ укладки полимерной цепи (без разрыва ковалентных связей) за счет образования большого числа слабых связей, в результате этого формируется термодинами­ческая наиболее выгодная и стабильная пространственная структура макромолекулы. Изменения параметров окружающей среды (температу­ра, рН, ионная сила, действие денатурирующих факторов) вызывают конформационную перестройку биомакромолекул с образованием новой стабильной пространственной структуры.

Все виды взаимодействий между атомами независимо от их физической природы при формировании различных макромолекулярных связей можно разделить на 2 основных типа:

1. взаимодействия ближнего порядка между атомами соседних звеньев (ковалентные связями);

2. дальние взаимодействия между атомами, которые хотя и отстоят по цепи далеко друг от друга, но случайно встретились в пространстве в результате изгибов цепи (слабые взаимодействия – Ван-дер-Ваальсовы силы, гидрофобные силы, электростатические взаимодействия и водородные связи).

Ван-дер-Ваальсовы силы

Реакционные свойства в химии определяются, прежде всего, сильными взаимодействиями химическими валентными связями. В биологических же системах ответственными за передачу и рецепцию химичес­ких сигналов - слабые невалентные взаимодействия. Это связано с тем, что клетка и весь организм существуют в мягких условиях физиологической температуры и нормального давления. Биохимические процессы реализуют тонкую перестройку химических связей, зачастую не сопровождаемую значительными изменениями свободной энергии,но суммарный вклад слабых взаимодействий в эти изменения может быть соизмерим, с “химическим”.

Существование биологической системы определя­ется наличием слабых (невалентных) взаимодействий между отдель­ными группами макромолекул, различают несколько слабых взаимодействий в биологических макромолекулах: Ван-дер-ваальсово взаимодейст­вие - это неспецифические взаимодействия между атомами и молекулами, имеющие электрическую природу. Они обусловлены взаимодействиями электронных оболочек атомов и молекул. Взаимодействие электронных оболочек характеризуют две физические величины - это дипольный момент и поляризуемость. Дипольный момент молекул выражается асимметричным распределением электрических зарядов в электрической нейтральной молекуле. Поляризуемость характеризует способность электронной оболочки деформироваться под действием внешнего электрического поля.

Рассматриваемое Ван-дер-ваалъсово взаимодействие дипольных молекул (в данном случае взаимное притяжение) слагается из трех эффектов: ориентационного (Кезон), индукционного (Дебай) и дисперсионного (Лондоном).

Дисперсионное взаимодействие - возникает тогда, когда молекула лишена собственного дипольного момента и между ними действуют лишь дисперсионные силы.

Индукционный эффект состоит во взаимодействии диполя одной молекулы с диполем соседней молекулы.

Ориентационный эффект возникает при взаимодействии двух диполей (электрически заряженных групп с несимметричным зарядом).

Гидрофобные взаимодействия.

Очень важное значение для пространственной структуры макромолекул имеют гидрофобные взаимодействия. Физическая природа гидрофобных взаимодействий своеобразна. Плохая растворимость углеводоро­дов связана с уменьшением энтропии. В частности, образование мицелл молекулами в воде сопровождается значительным понижением энтропии. Батлером показано, что эти эффекты характеризуют изменение состояния воды, а не углеводорода. Гидрофобные силы - отталкивание молекул воды и неполярных молекул. Гидрофобное взаимодействие - это взаимодействие полярных молекул воды. Это можно понимать как внедрение неполярных молекул в структуированные (льдоподобные) области воды и в более плотные неструктурированные области. В первом случае молекулы размещаются в пустотах рыхлой структуры (имеются полости в структуре H₂O). В другом случае увеличение числа контактов углеводород-вода приводит к нарушению упорядоченности структуры воды и уменьшается число контактов водорода. В результате этого и происходит увеличение энергии системы. В настоящее время имеется ряд попыток построения количественной теории гидрофобных взаимодействий, основанных на моделях структуры воды. Шерага и сотрудники предложили модель, которая учитывает возможные состояния воды без водородных связей и с 1,2,3 и 4/мя водородными связями. Последнее состояние отвечает льдододобной структуре. В принципе можно сказать, что гидрофобное взаимодействие (силы) это обычные Ван-дер-Ваальсово взаимодействие с Н₂О, как с упорядоченнойструктурой.

Водородная связь

Наряду c Ван-дер-ваальсовыми и гидрофобными взаимодействиями водородные связи являются важнейшими для формирования биомакромолекул. Биополимеры функционируют в водном окруже­нии. Вода - особая жидкость, обладающая рядом аномалий, которые обусловлены во многом водородными связями. Понятие «водород­ная связь» было впервые введено в 1920 г. Латимером и Родебушем. Природа водородной связи специфична. Атом Н не обобществляется. Методом - нейтроно­графии установлено, что обычная связь 0-Н – короче, а значит и прочнее. Водородная связь всегда образуется между заряженными атомами, и она определяет структуру и свойства воды и даже макро­молекулы.

Вода, как один из основных компонентов биологических систем, обладает весьма необычными свойствами. В отличие от многих других жидкостей, для воды характерно увеличение объема при замерзании. При плавлении льда происходит уменьшение объема и при 4°С вода имеет максимальную плотность: при 273,15 К ρ=0,9167*10³кг*м^-3. при 277,15 К =1*10³кг*м^-3. Вода кипит и затвердевает при аномально высоких, для ее малого молекулярного веса, температурах. Действительно, вода  —  Н₂О  —  кипит при 373^оК, а твердеет при 273^оК, в то время как О₂ кипит при 90^оК и твердеет при 54^оК; Н₂ кипит при всего 20^оК и плавится при 4 ^оК; СН₄ кипит при 114^оК Все эти аномалии связаны со структурой вода.

       Водородная связь молекул воды носит электрическую природу. То, что она связана именно с электронами и зарядами, а не с ядрами водородных атомов, прямо следует из того, что температуры и теплоты кипения и плавления легкой (Н₂О) и тяжелой (D₂О) воды практически совпадают,  —  несмотря на двукратное различие в массах ядер D и Н.

Все электронное облако атома водорода (у водорода только 1 электрон) сильно смещено к атому, с которым водород ковалентно связан, отталкивание оболочек контактирующих партнеров мало и притяжение зарядов может их еще более сблизить.

Каждая молекула воды может выступать донором и акцептором водо­родных связей, в результате чего вода сильно ассоциирована с коор­динационным число 4. Атомы кислорода молекул воды 1,2, 3 и 4 располагается в вершинах тетраэдра, в центре которого размещает­ся молекула воды "О". Одновременно каждая молекула тетраэдра свя­зана водородными связями с соседними молекулами воды. Это способ­ствует образованию трехмерной сетки водородных связей. Если моделировать молекулы воды в виде шариков радиусом 0,14 нм, то структура льда да представляет плотную упаковку. Образуется ажурная конструк­ция, скрепленная водородными связями. В результате наличия внут­ренних пустот кристаллическая вода представляет собой рыхлую структуру с меньшей плотностью.

Водородная связь образуется между полярными грушами, содержащими атом водорода (О-H, N-Н, S-H) и такими атомами, как 0, N, S. Водородные связи имеют резко направленным характер обозначаются пунктирными линиями. Энергия водородных связей -4... -30 кДж*моль. Раньше считалось, что водородная связь обусловлена в значительной мере электростатическим притяжением, возникающим из-за наличия нескомпенсированного положительного заряда на водороде и электроотрицательного заряда на атомах 0, N, S. Квантово-механические расчеты показали, что наряду с электростатическим взаимодействием определенный вклад в энергии водородной связи вносит дисперсионное взаимодействие между атомами. Водородные связи играют главную роль в стабилизации вторичной структуры белков (связь между пептидными группами) и вторичной структурой ДНК (связь между основаниями).

Водородная связь осуществляется между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом кислорода (О), азота (N), фтора (F), или хлора (Cl), принадлежащего другой молекуле (известны случаи образования и внутримолекулярных водородных связей). Природа водородной связи сложна и не сводится только к электростатическому притяжению, хотя оно и дает основной вклад в энергию водородной связи.