« Механизмы окислительной модификации макромолекул » материал для студентов ЛФ (стоматология) кафедра биохимии и молекулярной биологии с курсом КЛД СибГМУ Жаворонок Т.В.
Статическая биохимия – раздел о химическом составе организма, структуре и свойствах молекул живых тканей Динамическая биохимия – раздел о химических реак-циях живого организма, их взаимосвязях, регуляции и сопряженных с ними превращениях энергии Функциональная биохимия – изучает как биохимичес-кие превращения реализуются в функции органов. Иными словами, рассматривает биохимические процессы, лежа-щие в основе жизнедеятельности тканей и органов, проявлений их специфических функций Клиническая биохимия – раздел изучает нарушения био-химических процессов в организме и методы выявления этих нарушений с целью их устранения или исправления. Это прикладной раздел, для его освоения необходимо знание основ биохимии
Ферментативные (дыхательная цепь МХ, микросомальное окисление, респираторный взрыв, ксантиноксидаза и др.) Неферментативные (свободные радикалы, АФК, ионы металлов с переменой валентностью, реакции взаимопревращения оксидов азота ; переменный ток, рентгеновское и радиоактивное излучение, УФО; дегидроаскорбат в высоких концентрациях, витамины А и D ; восстановители, способные частично восстанавливать и др.)
катализ окислительно-восстановительных реакций, лежащих в основе биологического окисления, микросомального окисления, перекисного окисления. Коферменты НАД +, НАДФ +, ФАД, ФМН, убихинон, глутатион, липоат. 22 подкласса ( действующие на СН-ОН-группу доноров Н, СН-СН-группу доноров Н, СН-NН2-группу доноров Н, гемосодержащие доноры ȇ и др.) Примеры: Дегидрогеназы – катализируют дегидрирование субстрата с использо-ванием в качестве акцептора водорода любых молекул, кроме кислорода. Редуктазы – если перенос водорода от молекулы донора трудно доказуем. Оксидазы – катализируют окисление субстратов с О 2 в качестве акцептора электронов без включения кислорода в молекулу субстрата. Монооксигеназы – катализируют внедрение одного атома кислорода в молекулу субстрата с О 2 в качестве донора кислорода. Диоксигеназы – катализируют внедрение 2 атомов кислорода в молекулу субстрата с О 2 в качестве донора кислорода. Пероксидазы – катализируют реакции с пероксидом водорода в качестве акцептора электронов.
Сочетание белков с окрашенными веществами: флаво-, гемо-, ретинальпротеины и другие Гемопротеины: их небелковый компонент – гем. Ферменты: каталаза (Н 2 О 2 → Н 2 О + О 2 ↑), цитохромы дыхательной цепи митохондрий (а, а 3, b, c, с 1 ), микросомальной цепи окисления (Р 450 ) ( неферментативные белки мио- и гемоглобины) Флавопротеины: окислительно-восстановитель-ные ферменты, их небелковый компонент –витамин В 2 (рибофлавин) в виде ФМН или ФАД. ФМН – фосфорилированный витамин, ФАД – к ФМН присоединён АМФ
2) витамин РР- н икотинамидные кофакторы переносят 1Н и 1 ê НАД + → НАДН НАДФ + → НАДФН
Субстраты -макромолекулы: - белки (АК, полипептидная цепь), - нуклеиновые кислоты (азотистые основания, D- рибоза цепи ДНК) - липиды (ПНЖК) Локализация субстратов ОММ: - в клетке: первый удар принимает мембрана (первичность окисления белков или липидов?), фатальность ОММ в ядре - в организме: транспортные липопротеины и др.
Информация об организме записана в генах (ДНК). Реализация информации и поддержание жизнедеятельности организма основаны на построении белков из аминокислот. редокс-чувствительны: 1) аминокислоты и пептидные цепи, 2) нуклеотиды и нуклеотидные цепи Жизнь – водная форма существования белковых тел
Белки фосфорилируются через боковые радикалы аминокислот, имеющих ОН-группу: СЕР, ТРЕ, ТИР. В противоположность протаминам, гистонам с их основными свойствами, фосфат придаёт белкам выраженный кислый характер.
Содержат углеводную часть, соединённую с белком ковалентно через боковые радикалы СЕР, ТРЕ (атом О) или АСН (атом N). Сахарная часть защищает белок от протеолиза, придаёт белку новые свойства (биологическую активность, заряд, растворимость, устойчивость к t º C ), влияет на взаимодействие с мембранами клеток и трансмембранный перенос, является важным компонентом межклеточных контактов.
Связь ГАГ-полисахаридов с к ó ровым белком: 1. О-гликозидная между СЕР и ксилозой 2. О-гликозидная между СЕР(ТРЕ) и N -ацетилглюкозамином 3. N -гликозиламидная между АСН и N -ацетилглюкозамином Гликозаминогликан - связующий трисахарид (КОР) - серин кóрового белка N- ацетилированный сахар
В норме в коллагене- I необходимо окисление ПРО, ЛИЗ : 1) ПРО → ОН-ПРО до ~ 1 /4 АК, стабилизируют II- структуру; 2) 1% ЛИЗ→ ОН-ЛИЗ,аль-ЛИЗ. Образуют ковал.сшивки. Обычный белок Стерическое напряжение гидрофобных колец Pro
Сшивки коллагена, сформированные гидрокси ЛИЗ и гидрокси аль -ЛИЗ
Окисление остатков ЦИС → дисульфидные мосты
В ходе синтеза белка SS- связи образуются при спонтанном окислении SH -групп сближающихся остатков ЦИС первичной структуры. Особо много SS- связей в секретируемых белках Связь - SS- разрушается при восстановлении до -SH или еще более сильном окислении до кислот
Фолдинг – спонтанное сворачивание синтезированной полипептидной цепи в уникальную пространственную структуру: на внешней поверхности глобулы белка формируются полости активных центров, места контакта субъединиц белка между собой, с регуляторами, мембраной клетки. Рефолдинг – восстановление нативной конформации белка после денатурирующих воздействий и возврата в оптимальные для него условия. Рефолдинг нуждается в участии специальных белков-«нянек» – шаперонов. Фолдинг/рефолдинг энергозатратен ( комплексы шаперонов имеют белки с АТФ азной активностью).
ДЕНАТУРАЦИЯ БЕЛКА при ОС окисление и осаждение белка с нарушением пространственной структуры и потерей биологических свойств. При этом поисходит: 1) не только разрыв слабых связей с разрушением нативной структуры белка, но и 2) окислительная модификация боковых радикалов редокс-чувствительных аминокислот, 3) окисление и разрыв самой пептидной цепи. Денатурация в процессе ОМБ бывает 1) обратимая 2) необратимая
Обратимое окисление и РЕНАТУРАЦИЯ При ренатурации белок вновь сворачивается в нативную конформацию и его биологическая активность восстанавливается – в случае сохранения первичной структуры и возвращения в условия, оптимальные (или допустимые) для существования и функционирования этого белка. При этом: ренатурация окисленного БЕЛКА – возможна после работы ферментов-редуктаз по его вос-становлению ( доноры Н – НАДФН, GSH, спецбелки ). ренатурация восстановленного БЕЛКА – возможна при окислении его избыточно восстановленных химических групп.
В отличие от дисульфидов и сульфенов невозможно вос-становить до SH -группы сульфиновые и сульфоновые кислоты, в которые может окислиться тиол (ЦИС белка). Примеры других сульфенов и сульфонов
Получение свободнорадикальных продуктов при атаке по аромати-ческим боковым цепям АК, как в составе белка, так и свободных АК Вариант конъюгации двух свободнорадикаль- ных форм тирозина в битирозин, возможна конъюгация через атом О группы –ОН. Битирозины и окисленный ТРИ не репарируются и накапливаются в белках при ОС
АРГ → алутаминовый полуальдегид ЛИЗ → Аминоадипиновый полуальдегид ТРЕ → 2-амино-3-кетобутират
ЛИЗ АРГ ГЛУ
КАРБОНИЛИРОВАНИЕ ЦЕПИ и ПРОЛИН При избыточном окислении пептидной цепи обычно происходит разрыв белка по месту ПРО Этот тип фрагментации белка используют при расшифровке последовательности АК в белке
Содержат ионы одного или нескольких металлов. Характерна связь ионов с Асп, Глу, Цис, Гис белка (см «цинковые пальцы», в Hb связь Fe с Гис белка). Функции металлопротеинов. 1) являются фермент ами ( Cu,Zn- СОД, Mn -СОД ). Здесь металлы функционируют в активном центре фермента: • н икель – кофактор уреазы, расщепляющей мочевину на аммиак и углекислый газ; • ванадий – кофактор нитратредуктазы 2) транспортируют металлы 3) хранят металлы (наиболее важно связывать металлы переменной валентности Fe,Cu и др.). Например, для Fe : ферритин - депо Fe, трансферрин - транспорт ионов Fe Часто с Металлопротеинами соотносят Гемопротеины ( гемоглобин, миоглобин, цитохромы, каталаза и др. ) Снижение содержания гем-содержащего фермента каталазы в эритроцитах человека ведёт к тяжелым явлениям, например, гангрене полости рта.
Белки-металлопротеины Связывание металлов предупреждает металл-катализируемое окисление (МКО) белка – исключает передачу ȇ. Металлопротеины в качестве ферментов-антиоксидантов Борьба за железо клеток организма и микрофлоры
Строение церулоплазмина (содержит Cu, играет роль СОД плазмы крови ) Белок лактоферрин из семейства трансферринов
гемоглобин (а), его субъединица (б), Расположение гема и белковой части в миоглобин е структура гема (в) С вязь Fe в геме с: 1) молекулой кислорода 2) боковым радикалом гистидин а в белке
Необратимо повреждённые белки могут разрушаться несколькими способами: 1) протеазы ( с разной субстратной специфичностью ) 2) протеасомы ( убиквитинирование ) 3) лизосомы ( аутофагосомы ) Необратимо окисленные белки могут предварительно получить «чёрную метку» в виде присоединённого спецбелка убиквитина, по которому они распознаются при утилизации ( Убиквитин полифункционален, может использоваться также при пролиферации и дифференцировке клеток; экспрессии, активации и изменениях функций белков )
Апобелки НП защищают нуклеиновые кислоты от окисления и иных повреждений. При синтезе нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) организм репарирует только возможные нарушения ДНК. При ошибках в РНК – клетке проще заново синтезировать РНК при транскрипции, чем исправлять повреждения. ДНК РЕДОКС-чувствительна к ОН-радикал у, другим АФК много сложнее или невозможно её повредить. Мишенями окисления в составе ДНК служат: 1) азотистые основания, 2) -СН 2 -группа дезокси-рибозы сахарофосфатной цепи
АПОБЕЛКИ НП – гистоны и протамины протамины - простые белки, не содержат серы, у некоторых видов играют роль гистонов, подобны им по свойствам, в составе ≈ 80% АРГ. Апобелки выполняют не только структурную, но и защитную роль: гистоны в соматических клетках, протамины в сперматозоидах (защита азотистых оснований от окисления и др. повреждений) Взаимодействие α -спирали протамина с ДНК аргинин
Редокс-чувствительная мишень для ОН-радикалов: -СН 2 - группы дезокси - рибозы ДНК
При ОС: критично повреждение азотистых оснований ДНК ОН-радикалами
Подробно механизмы повреждения – на практическом занятии
Сшивки ДНК
Плазматическая мембрана клетки и транспортные липопротеины содержат в составе фосфолипидов полиненасыщенные жирные кислоты. Именно они подвергаются атакам АФК разной природы и различного генеза.
Фосфолипиды транспортных ЛП крови
1) транспортные ЛП крови – надмолекулярные структуры, содержат все классы липидов и белки, контакт через гидрофобные связи. Функция – перенос липидов по организму с током крови. Строение – гидрофобные липиды (ТАГ, эфиры холе-стерола ) окружены оболочкой из амфифильных фосфолипидов, холестерола, апобелков ( А,В,С,Д ). Снаружи оболочка ЛП гидрофильна. Классы трансп. липопротеинов : хиломикроны ( ХМ ) и липопротеины разной плотности - очень низкой ( ЛПОНП ), низкой ( ЛПНП ), высокой ( ЛПВП ). От ХМ к ЛПВП постепенно снижается количество ТАГ, растёт – ФЛ (до 25%) и белка (до 50%).
2) структурные ЛП мембран есть в тканях зуба, кости. В мембране липопротеины осуществляют функцию механической целостности Пример : наружная стенка бледной трепонемы состоит из липопротеинов и белков. Липопротеины поддер- живают механическую целостность мембраны, а встроенные в мембрану белки–рецепторы определяют способность бактерии к поражению клеток организма).
Продукты ПОЛ образуют ковалентные сшивки с белками и липидами мембран
Влияние промежуточных продуктов ПОЛ на белок может быть обратимым (зависит от дозы и мишени)
