Радиационно-химические превращения структурных компонентов биомембран

Процесс свободнорадикального пероксидного окисления ли­пидов мембран рассматривают в настоящее время как один из механизмов “биохимического усиления” эффекта ионизирующей

радиации, который играет важную роль в развитии лучевого по­ражения живых систем.

При первичном взаимодействии (физическая стадия) ионизи­рующего излучения электромагнитной или корпускулярной при­роды с атомами вещества образуются положительно и отрицатель­но заряженные ионы, а также возбужденные электронные состоя­ния атомов и молекул. В элементарном акте ионизации расходу­ется около 10—12 эВ энергии ионизирующей радиации (потенци­ал ионизации). Бели передаваемая электрону энергия больше этой величины, то он сам становится источником ионизации других атомов; если меньше потенциала ионизации, имеет место возбуж­дение атома (молекулы). Физико-химическая стадия воздействия радиации на биообъекты существенно зависит от особенностей их структурно-функциональной организации. При этом большое зна­чение имеет процесс радиолиза воды:

Молекулярный кислород, растворенный в биологических жид­костях, вступая в реакцию с продуктами первичного радиолиза, является источником образования супероксидного анион-ради­кала, гидропероксидов, органических пероксидов, эпоксидов:

Все последующие реакции, развивающиеся в живых систе­мах под влиянием вышеуказанных продуктов взаимодействия ионизирующей радиации с веществом, носят свободнорадикаль­ный характер (см. главу 3). Вклад косвенного действия (т. е. с участием воды) ионизирующего излучения на биологические молекулы составляет 85—90 %. АФК, образующиеся при луче­вом воздействии, индуцируют окислительные реакции в макро­молекулах по оксидазному или оксигеназному пути.

Сравнительный анализ величин радиационно-химического выхода G (равного числу изменившихся или вновь образован­ных молекул на 100 эВ поглощенной энергии), используемого для характеристики радиочувствительности молекул, показал, что наиболее радиочувствительным компонентом клетки яв­ляются фосфолипиды (G>1), выступающие в качестве источни­ка образования первичных продуктов радиолиза — органичес­ких радикалов и пероксидов, участвующих в реакциях иници­ации, продолжения и разветвления цепей свободнорадикально­го окисления.

Активные радикальные метаболитыи

продукты радиолиза липидов мембран индуцируют в белках про­цессы окисления тиоловых и аминогрупп, образования внутри- и межмолекулярных сшивок, сопровождающиеся их инактива­цией. В нуклеиновых кислотах и нуклеотидах происходят одно- и двутяжевые разрывы, модификация азотистых оснований, об­разование сшивок ДНК—ДНК и ДНК—белок.

Таким образом, в результате воздействия ионизирующей ра­диации на биомембраны происходит нарушение структурной орга­низации всех ее компонентов, изменяется протекание транспорт­ных и метаболических процессов, становится возможным выход лизосомальных ферментов (в частности, протеаз и нуклеаз), раз­рушение внутриклеточных структур и гибель клетки.

Важную роль в инактивации токсичных продуктов ПОЛ иг­рают фосфолипазы, особенно фосфолипазы А₂. В процессе фосфо­липазного гидролиза происходит удаление из мембран наиболее глубоко деградированных фрагментов ненасыщенных жирных кислот липидов. В результате токсичные продукты ПОЛ пере­ходят в гидрофильное окружение и подвергаются ипактивации с участием монооксигеназной системы (в том числе цитохрома Р-450) эндоплазматического ретикулума.

В 60-х гт. было показано, что ионизирующее излучение инги­бирует работу натриевого насоса эритроцитов человека.

Результаты исследования влияния общего рентгеновского об­лучения на функциональные свойства Na⁺, К⁺-АТФазы мембран клеток печени крысы показали, что торможение удельной, ак­тивности фермента отмечается в течение длительного времени (1ч — 60 сут) после прекращения воздействия радиации. Че­рез 1 ч потеря активности фермента составляла 87 %. Через 30 и 60 сут у выживших животных наблюдалась полная инакти­вация фермента.

Следовательно, ингибирование активного мембранного транс­порта под действием ионизирующего излучения происходит в клетках различных типов, в разных условиях облучения в ши­роком диапазоне доз. Предполагают, что сохранение жизнедея­тельности клеток при дезактивации натриевого насоса связано с включением компенсаторных механизмов поддержания гомео­стаза. Например, в мембранах эритроцитов при торможении ак­тивности Na⁺, К⁺-АТФазы активность Са²⁺-АТФазы превышает контрольный уровень, а в плазматических мембранах печени увеличивается Мё²⁺-АТФазная активность. Известно, что Са²' и Mg²⁺ способствуют связыванию белков, в том числе АТФаз, с мем­браной. В липидных бислоях Са²⁺ обеспечивает образование мо­стиков между фосфатидами, в результате которого упаковка ли­пидной фазы становится более плотной и уменьшается прони­цаемость мембраны. Кроме того, после рентгеновского облуче­ния животных в дозе 5 Гр обнаруживается повышение актив­ности щелочной фосфатазы, связанной с плазматическими мем­бранами клеток печени мышей. Щелочная фосфатаза — интег­ральный фермент плазматических мембран некоторых клеток — участвует в активном транспорте ионов Na⁺ и К⁺.

Воздействие ионизирующего излучения приводит к существен­ному подавлению активности другого транспортного белка — НСО₃"-АТФазы плазматических мембран клеток печени и эрит­роцитов, в результате которого возможно нарушение кислотно­щелочного равновесия в клетке и организме.

Торможение функциональной активности АТФаз, участвую­щих в активных транспортных процессах, коррелирует с нару­шением баланса электролитов в облученной клетке, а также с изменением проницаемости плазматических и внутриклеточных мембран, вследствие чего регистрируется выход внутриклеточ­ного калия, подавление окислительного фосфорилирования, утеч­ка К⁺ из митохондрий.

Функциональная активность мембраносвязанной 5'-нуклео- тидазы печени крыс значительно возрастает при действии иони­зирующей радиации как в ранние, так и в поздние сроки после облучения. Считают, что повышение активности этого фермента не связано с синтезом фермента de novo, а обусловлено перерас­пределением белка в растворе и в составе мембран.

По-видимому, механизмы пострадиационной вариабильнос- ти активности мембранных белков предусматривают реализацию регуляторных эффектов целого ряда факторов: например, влия­ния нейроэндокринной системы на функционирование фермен­тов в облученном организме, биологически активных веществ, продуктов пероксидного окисления липидов, изменений зарядо­вого состояния поверхностных участков мембраны и др.

Ионизирующее излучение индуцирует снижение общего уров­ня мембранных фосфолипидов и повышение содержания холе­стерина, что сопровождается возрастанием коэффициента холе- стерин/фосфолипиды до 1,05 при норме 0,60. Однако уровень индивидуальных фосфолипидов изменяется разнонаправленно: происходит накопление сфингомиелина и фосфатидилсерина и снижение содержания фосфатидилхолина, фосфатидилэтанол­амина и особенно фосфатидилинозитола. В целом коэффициент насыщенности мембранных липидов повышается. Все это приво­дит к значительным нарушениям текучести мембраны, увели­чению ее вязкости, изменению функциональных свойств мемб­ранных белков.

Вместе с тем необходимо отметить, что липиды клеточных мембран животных защищены от процесса ПОЛ при воздей­ствии ионизирующей радиации по сравнению с искусственны­ми мембранными структурами, в частности, липосомами. На­копление холестерина может препятствовать приросту уровня пероксидов липидов и приводить к торможению других про­цессов в мембране, связанных с развитием лучевой патологии. Кроме того, в мембранах локализованы собственные низкомо­лекулярные антиоксиданты (например, а-токоферол) и защит­ные антиокислительные ферментные системы. Так, результаты модельных исследований свидетельствуют о том, что витамин В образует комплексы с мембранными фосфолипидами, содержа­щими остатки арахидоновой кислоты. Формирование этих ком­плексов способствует стабилизации и снижению проницаемос­ти клеточных мембран с высоким содержанием полиненасы­щенных жирных кислот.

При изучении влияния минимальных летальных доз (154,8 мКл/кг) рентгеновского излучения на активность неко­торых ферментов углеводного обмена клеток костного мозга крыс выявлено, что после облучения в популяциях миелокариоцитов активность лактат-, малат- и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназ зна­чительно угнетается в течение 72 ч после облучения и достига­ет минимального значения на 3-й сутки эксперимента. На 10-е сутки наблюдается увеличение значений скорости реакций, ка­тализируемых. малат- и лактатдегидрогеназой, при снижении активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Следовательно, в ранние сроки после воздействия ионизирующей радиации на организм животных происходит усиление интенсивности анаэ­робных процессов и ослабление дыхания и пентозофосфатного пути.

Облучение животных ионизирующей радиацией вызывает не только изменения активности многих ферментов, регулирующих процессы клеточного метаболизма, но и относительного содержа­ния изоферментов.

А. И. Дворецким (1986) предложена гипотеза вероятной пос­ледовательности процессов нарушения энергетических и регуля­торно-транспортных функций мембран в условиях воздействия ионизирующей радиации.

Инициирующим процессом при действии лучевого фактора является активация пероксидного окисления липидов в клетке, происходящая на фоне резкого усиления эндогенного фосфоли­пазного гидролиза. В результате накопления продуктов ПОЛ про­исходит изменение баланса между эндогенными радиопротекто­рами и радиосенсибилизаторами в пользу последних.

Окисление мембранных липидов и повышенный эндогенный фосфолипазный гидролиз приводят к нарушению проницаемос­ти биомембран для катионов. Это вызывает уменьшение уровня калия, увеличение содержания натрия и возрастание концентра­ции кальция в цитозоле, поэтому происходит насос-зависимое увеличение объема клетки, нарушение структурно-функциональ­ного состояния Na⁺, К?-АТФазы за счет конформационных изме­нений молекул фермента на фоне липид-белковых перестроек в мембране. В ответ на изменение ионного гомеостаза возможно компенсаторное увеличение количества молекул Na⁺, К⁺-АТФазы за счет “резервных”. Однако вследствие деэнергизации клетки, индуцированной нарушением окислительного фосфорилирова­ния и дефицита АТР, функционирование Na⁺, К⁺-АТФазы оказы­вается затрудненным. Изменяется и активность Са²⁺-АТФазы. Все это, наряду с нарушением пассивной проницаемости, вызывает резкое увеличение уровня внутриклеточного кальция. В резуль­тате выявляются необратимые последствия, связанные с модифи­кацией мембранного скелета и изменением формы клетки. Су­щественным моментом в патофизиологии клеточной гибели яв­ляется вторичная активация фосфолипаз кальцием. Это приво­дит к фосфолипазному истощению мембран клеток и внутрикле­точных органелл и возрастанию их проницаемости. Нарушения в функционировании всех клеточных систем способны индуци­ровать необратимые изменения в процессе жизнедеятельности клеток.

Необходимо отметить, что компоненты биологических мемб­ран играют ключевую роль в развитии свободнорадикальных ре­акций в клетках и тканях, индуцируемых воздействием ионизи­рующего излучения, и патогенезе лучевого поражения живых организмов. Процессы нарушения липидного состава, текучести липидных компонентов, подвижности липидных и белковых мо­лекул, липид-белковых взаимодействий, изменения активности мембраносвязанных ферментов, собственных систем антиради- кальной защиты представляют собой комплексный и взаимосвя­занный механизм, индуцирующий пострадиационные структур­но-функциональные перестройки биомембран и обеспечивающий переход клеток и организма на новый метаболический уровень функционирования.

4.2.