Окислительное повреждение белков как индикатор патологических и стрессовых состояний живых организмов
В настоящее время признано, что окислительное повреждение различных макромолекул (нуклеиновых кислот, белков, липидов), составляющих структурную основу всех живых организмов – это основное проявление окислительного стресса. Последний понимается как нарушение обмена веществ и энергии, накопление активных повреждающих агентов (свободных радикалов, прооксидантов и т.п.), инициирующих повреждение живых организмов на различных уровнях их организации (начиная, в первую очередь, с молекулярного) и ведущих, тем самым, к развитию различных патологических состояний. Окислительное повреждение ДНК и липидов к настоящему времени обстоятельно изучено, а следствия их повреждения хорошо поняты. В то же время, окислительная модификация белков представляется не столь важной и значимой и, по этой причине, гораздо менее изученной (особенно в аспекте анализа связи их окисления с функциональным состоянием организма, как-то: старение, гипероксия и гипоксия, повышение температуры, а также разного рода патологии). К настоящему времени уже достаточно четко и объемно сформировано представление об окислительной деструкции протеинов, как о раннем и наиболее надежном индикаторе окислительного стресса. Поскольку белки присутствуют во всех тканях и органах, именно их модификация может выступать надежным индикатором патологических процессов как на местном (локальном), так и общеорганизменном уровне. Поскольку белки выполняют специфические функции (зачастую имеющие ясно видимое и легко фиксируемое проявление), оценка качественных и количественных аспектов окислительной модификации белков имеет ряд преимуществ в диагностике патологических состояний. Показано, что при широком спектре патологий самой разнообразной этиологии именно окислительная модификация и именно протеинов (а не липидов или нуклеиновых кислот) является одним из самых ранних и надежных маркеров их наличия и даже еще только возникновения. Кроме того, установлено, что окислительно модифицированные протеины могут находиться в живых организмах длительное время (часы, дни и даже годы (например, липофусцин)), в то время как первичные интермедиаты окислительного стресса (свободные радикалы, продукты ПОЛ) существуют в свободном состоянии гораздо менее продолжительно (обычно несколько минут, максимум несколько часов). Это обстоятельство также позволяет рассматривать феномен окислительно модифицированных протеинов в живых организмах в качестве относительно стабильных диагностических параметров их структурно-функционального состояния, что имеет большое значение в клинической практике.
В настоящее время несомненной представляется взаимосвязь между уровнем продуктов окисления белков и широким рядом функциональных состояний организма. Так, старение, гипер- и гипоксия, повышение температуры, патологические состояния (в первую очередь, сердечно-сосудистые заболевания, ишемия/реперфузия, диабеты, нейродегенеративные состояния) четко связаны с увеличенным уровнем окислительно модифицированных белков. Однозначно утверждать, что именно модификация белков служит первопричиной отмеченных изменений сложно (точнее, что только модификация белков), но во многих случаях для этого существуют основания. Имеется достаточно примеров, когда снижение степени окисленности белков коррелировало с улучшением состояния организма. Поэтому считается, что уровень окисленных белков (и качественный характер такой окисленности), по меньшей мере, может служить маркером названных изменений и, тем самым, быть полезным в деле разработки защитных мероприятий, иметь прогностическое значение при заболеваниях, использоваться для профилактики и оценки правильности и эффективности лечения.
В качестве объекта исследования могут выступать белки обширного перечня биологических образцов (сыворотка и плазма крови, лимфа, тканевая жидкость, слюна, тканевые биоптаты и др.). В современной медицинской диагностике и фундаментальной биологии, наиболее распространены нижеперечисленные биохимические маркеры окислительного повреждения протеинов.
Уровень карбонилов белков – наиболее распространенным неспецифическим типом окислительных протеиновых модификаций является окисление аминокислотных остатков с образованием карбонильных групп. Образование дополнительных карбонильных групп в результате окислительной модификации считается надежным показателем их свободно радикальной модификации. Повышение уровня протеиновых карбонилов обнаружено при широком перечне патологий, а также предпатологических ситуаций (например, их повышенный уровень отмечается в тканях легких при курении).
AOPP (advanced oxidation protein product) – продукты окисления белков, структурно-химически представляющие собой, преимущественно, битирозиновые “сшивки” отдельных молекул белков в надмолекулярные (высокомолекулярные) агрегаты, галоген-производные (галогенированные аминогруппы белков (R-NH-Cl, -Br, -I –галогенамины белков), продукты нитрования (нитротирозин) и карбонилы белков, образующиеся в результате реакции белков с активными формами галогенов (АФГ), в первую очередь, с гипохлоритом (ClO-) и свободными радикалами в целом. Гипохлорит-анион и некоторые свободные радикалы продуцируются в живых организмах в результате функционирования фермента миелопероксидазы (МПО), которая (в крови) локализована, преимущественно, в нейтрофилах и моноцитах. В плазме крови человека AOPP представлены, в основном, окислительно модифицированными воздействием АФГ и свободных радикалов фибриногеном и альбумином. В силу этого, определение уровня AOPP может служить индикатором не только патологического действия МПО, но и свободно-радикальной патологии в целом, поскольку продуцируемые сильные окислители (гипохлорит, гипобромид, свободные радикалы) инициируют окислительную деградацию белков, липидов и нуклеиновых кислот в виде их галогенирования, нитрования и образования “сшивок”. Это вызывает повреждение собственных тканей организма (в первую очередь в очагах воспаления). Таким ообразом, активность МПО и непосредственно с нею связанный уровень AOPP являются биохимическими маркерами воспалительных и патологических процессов свободно-радикального характера (в т.ч. связанных с дегрануляцией, разрушением и гибелью нейтрофилов и моноцитов). В настоящее время показана диагностическая ценность AOPP как индикатора воспалительно-патологических процессов при возникновении и развитии широкого спектра заболеваний (атеросклероз, сердечно-сосудистые заболевания, онкология, нейродегенеративные расстройства, нарушения дыхательной функции лёгких, заболевания почек (в первую очередь, хроническая почечная недостаточность, у больных которой AOPP и были впервые обнаружены), ревматоидный артрит, системные васкулиты и др.). Наличие, появление и накопление в организме AOPP связано не только с возникновением и развитием заболеваний, но и характерно для здорового организма, так как сопровождает, в частности, процесс его естественного старения. AOPP обладают и собственным биологическим значением (например, как сигнальные молекулы проапоптотических процессов). Оценка уровня АОРР получает все большее распространение в клинико-диагностической медицине.
Оценка окисления боковых радикалов аминокислотных остатков протеинов и пептидов – наряду с серосодержащими аминокислотными остатками (метионин и цистеин), наиболее чувствительными к окислению являются ароматические (гистидин, триптофан, тирозин, фенилаланин). Известно, что собственная флуоресценция подавляющего большинства белков обусловлена практически только остатками триптофана, что позволяет использовать собственную флуоресценцию как индикатор окисленности белков. Продукты окислительной модификации триптофана (кинуренин и N-формилкинуренин, образующиеся под действием ультрафиолета, АФК и АФА) также обладают собственной характерной флуоресценцией. Дочерний продукт окисления тирозина – битирозин, в свою очередь, обладает собственной характерной флуоресценцией, что позволяет использовать его как индикатор АФК-индуцированных повреждений белков. Возможно проведение оценки влияния тушителей (акриламид, хлорид цезия, йодид калия) на собственную флуоресценцию белков, что будет отражать доступность остатков триптофана для тушителей и характеризовать свойства микроокружения этих остатков, а, следовательно, конформационные изменения молекул белков (известно, что триптофановые остатки, будучи неполярными, как правило, экспонированы (обращены) внутрь белковых глобул и характеризуются гидрофобным окружением).
Определение концентрации N-галогенаминов белков – галогенамины белков (моно- и дигалогенамины), в первую очередь хлорамины, представляют собой продукты воздействия на аминогруппы белков активных форм галогенов (АФГ). В живых организмах образуются, преимущественно N-хлорамины. Основной источник образования последних – воздействие на аминогруппы белков высокореактивного гипохлорит-иона (ClO-), который генерируется ферментом миелопероксидазой. Бром- и йодамины белков могут образовываться, например, на фоне приёма бром- и йодсодержащих лекарственных препаратов (наряду с хлорид-ионами, миелопероксидаза может окислять бромид- и йодид-ионы). Они всегда присутствуют в организме (в частности, человека) на каком-то базальном уровне. Самостоятельной, чётко проявленной, функции у N-галогенированных белков пока не выявлено. Но они вполне могут оказывать неспецифическое влияние. Например, вполне могут быть неспецифическими проапоптотическими стимулами. Или же АФГ-обусловленная модификация протеинов может выступать в роли регулятора функциональной активности. Также N-галогенамины могут выступать в качестве маркеров воспалительных процессов, характерных для широкого спектра заболеваний, что, как правило, связано с гиперпродукцией АФГ клетками иммунной системы (в первую очередь, нейтрофилами, в которых и отмечается наиболее высокая активность миелопероксидазы).
Главная картинка взяла с сайта по ссылке.
© Александр Козлов, младший научный сотрудник лаборатории эндокринологии и биохимии
e-mail: cozlov.aleksander@yandex.ru
Добавить комментарий