Структурно-функциональные модификации молекулярных компонентов биомембран под действием УФ-излучения

Биологически значимое УФ-излучение занимает участок спектра от 200 до 400 нм и подразделяется на три области: ко­ротковолновую (200—280 нм), средневолновую (280—315 нм) и длинноволновую (315—400 нм).

В биосистемах УФ-свет индуцирует главным образом фото- деструктивные реакции, связанные с фотохимическими превра­щениями белков и нуклеиновых кислот, относящихся к основ­ным акцепторам УФ-излучения в клетке. Однако в биомембра­нах и других липидных системах под действием УФ-излучения эффективно протекает процесс пероксидного фотоокисления (ПФО) ненасыщенных жирных кислот липидов, который приво­дит к значительным изменениям структурно-функционального состояния всех мембранных компонентов. Таким образом, био­мембраны содержат различные хромофорные группы, поглоща­ющие энергию УФ-излучения в разных диапазонах длин волн, — ароматические и серосодержащие аминокислоты мембраносвя­занных белков, полиненасыщенные жирные кислоты липидов, а также коферменты, включающие пиридиннуклеотиды, флавины, кофермент Q, железопорфирины, витамины.

Результаты исследования фотохимического действия опти­ческого излучения на биомембраны клеток показывают, что наи­более эффективным является УФ-излучение с длинами волн КО-

роче 300 нм. Главный путь фотолиза мембранных липидов - фо­тоокисление цепей полиненасыщенных жирных кислот фосфо­липидов. Следует отметить, что липиды поглощают УФ-свет в коротковолновой области спектра (Х< 240 нм), а максимумы по­глощения ненасыщенных жирных кислот находятся в области < 220 нм. Однако фотоокисление липидов развивается при воз­действии на мембраны более длинноволнового излучения, что обус­ловлено поглощением УФ-света гидропероксидами липидов, при­сутствующими в норме в липидных системах вследствие проте­кания ферментативных процессов ПОЛ (см.

и др. — константы скоростей реакций. Реакции (а) и (е) — фото­химические, реакции (б)—(д) — темновые. Реакция (а) носит на­звание реакции фотоинициирования, если ROOH — предсуще-

ствующие гидропероксиды, или разветвление цепей окисления, (б), (в), (г), (д) — соответственно продолжение цепи, “квадратич­ный” обрыв цепи (диспропорционирование радикалов ROO'), “ли­нейный” обрыв цепи на антиоксиданте, инициирование цепи окис­ления свободным радикалом антиоксиданта. УФ-облучение мем­бран и других липидных систем индуцирует темновое пероксид- ное окисление ненасыщенных жирных кислот липидов. Процесс автоокисления в облученных мембранах протекает гораздо мед­леннее фотоокисления, но за длительный темновой период он может приводить даже к более сильному окислению мембран­ных липидов, чем фотоокисление. Темновое автоокисление ли­пидов в облученных мембранах блокируется антиоксидантами в низких концентрациях. Под действием УФ-излучения в некото­рых клетках стимулируется темновое ферментативное пероксид- ное окисление липидов с участием циклооксигеназы, в результа­те которого образуются простагландины. Это явление обнаруже­но в коже и играет важную роль в развитии эритемной реакции в ответ на УФ-облучение.

Следует подчеркнуть, что процесс пероксидного фотоокисле­ния липидов (ПФОЛ) является двухквантовым и протекает по сложному механизму. Первая фотохимическая стадия его — ге­нерация гидропероксидов в результате присоединения кислоро­да; вторая стадия, не зависящая от присутствия кислорода, — фотолиз гидропероксидов до вторичных продуктов (альдегидов и кетонов), поглощающих УФ-излучение в диапазоне длин волн 260—280 нм. При воздействии видимого света и длинноволново­го УФ-излучения процесс заканчивается в основном на стадии образования гидропероксидов, а при облучении липидных сис­тем более коротковолновым светом (X - 233 нм) накапливается большое количество вторичных продуктов.

Один из вторичных продуктов ПОЛ — малоновый диальдегид — при взаимодействии с тиобарбитуровой кислотой (ТБК) дает ок­рашенное соединение, поглощающее свет с длиной волны -533 нм. Эту реакцию используют для определения уровня интенсивности протекания ПФОЛ. Второй подход, позволяющий судить об эф­фективности пероксидного окисления липидов, связан с регистра­цией хемилюминесценции, являющейся следствием реакции дис­пропорционирования пероксидных радикалов липидов.

Каково же значение пероксидного окисления липидов в фо­топовреждении биологических мембран? Фотолиз липидов мо­

жет приводить прежде всего к существенным нарушениям струк­турной организации компонентов биомембран. Продукты фото­окисления липидов обладают достаточно выраженными токси­ческими свойствами. Пероксиды липидов и продукты их даль­нейших превращений (альдегиды и кетоны) могут индуцировать повреждение белковых молекул, в частности, их сульфгидриль- ных групп. Повреждение белков может быть обусловлено как их окислением, так и образованием стабильных ковалентных свя­зей между молекулами белков и продуктами пероксидного фото­окисления липидов. Последние способны инактивировать мно­гие мембраносвязанные ферменты. Кроме того, вышеуказанные продукты окисляют также такие биологически важные соедине­ния, как цистеин, глутатион, нуклеотиды, витамины А и Д, липо- евую кислоту и др.

Таким образом, действие УФ-излучения приводит к значи­тельным модификациям структурно-функционального состоя­ния компонентов различных мембранных структур и их взаимо­действий: изменяется пассивная проницаемость липидного бис­лоя для ионов, разобщается окислительное фосфорилирование, изменяются конформация и каталитическая активность мембра­носвязанных ферментов, нарушаются межклеточные взаимодей­ствия, происходит набухание и лизис клеток и их органелл.

Ряд исследователей считает, что мембранные эффекты УФ- облучения в основном индуцированы ПФОЛ и лишь частично обусловлены фотохимическими превращениями белков.

Катион-радикал — сильная кислота и при 77—140 К диссо­циирует на протон и нейтральный радикал:

Нейтральные радикалы являются неустойчивыми соединени­ями и при температуре выше 200 К вступают в дальнейшие пре-

вращения. Взаимодействуя с соседними группами полипептид- ной цепи, они могут образовывать межмолекулярную сшивку, являющуюся стабильным фотопродуктом:

В присутствии кислорода происходит фотоокисление трипто­фана, тирозина и фенилаланина. Большое значение в фотохимии белков имеют фотосенсибилизированные реакции с участием сольватированного электрона. Наибольшим сродством к электро­ну обладают цистин и цистеин. Они быстро разрушаются в резуль­тате взаимодействия с сольватированными электронами е~, выби­тыми из ароматического кольца:

Если фотолизу подвергается остаток аминокислоты, непосред­ственно входящей в состав активного центра фермента, уже это­го может быть достаточно, чтобы белок потерял ферментатив­ную активность. Если сшивка находится вне активного центра фермента, то она способна изменить баланс водородных, гидро­фобных и других слабых связей (множественные разрывы свя­зей), поддерживающих нативную конформацию макромолекулы.

Необходимо отметить, что фоточувствительность мембрано­связанного белка может существенно отличаться от таковой для этого же биополимера в свободном состоянии (в растворе), что обусловлено особенностями микроокружения белковых молекул в мембране, их взаимодействием с другими компонентами над­молекулярного комплекса.

Иными словами, уровень фоточувствительности мембранных белков-ферментов будет эффективно контролироваться структур­ным состоянием их микроокружения.

Доказательства мембранного контроля УФ-чувствительности ферментов были получены С. В. Коневым и И. Д. Болотовским (1979) на основании анализа изменений величины поперечного

сечения инактивации ацетилхолинэстеразы в свободном состоя­нии, в составе интактной мембраны, в мембране, обработанной фосфолипазами А₂, С и D, в мембране, обедненной по холестери­ну, Под поперечным сечением инактивации (о) понимают про­изведение поперечного сечения поглощения (S) активного света и квантового выхода инактивации („/(Фі)_СІ = = ¹ + ^кД),ЯЪ

где