ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Структурно-функциональные модификации молекулярных компонентов биомембран под действием УФ-излучения из "Биологические мембраны Структурная организация, функции, модификация физико-химическими агентами" 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). Поверхности Земли достигает УФ свет в диапазоне длин волн 287—400 нм с энергией квантов 3—4 эВ. Коротковолновая часть спектра УФ-излучения Солнца полностью поглош ается озоновым слоем атмосферы. [c.126] 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. [c.126] 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 (к 233 нм) накапливается большое количество вторичных продуктов. [c.128] 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. [c.129] 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. В большинстве случаев конечным результатом действия УФ-света на белки является их инактивация, т.е. потеря ферментативной, регуляторной, транспортной, гормональной, иммунологической и других видов активности. Вместе с тем для ряда белков (кар-боксипептидаза А, супероксиддисмутаза, цитохром С, гемоглобин) выявлена их активация под влиянием УФ-излучения. [c.130] 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. [c.130] Иными словами, уровень фоточувствительности мембранных белков-ферментов будет эффективно контролироваться структурным состоянием их микроокружения. [c.130] В ходе проведения экспериментов было выявлено, что поперечное сечение инактивации мембраносвязанной эритроцитарной ацетилхолинэстеразы больше, чем у свободного фермента. Нарушение структурного состояния эритроцитарной мембраны с помош ью фосфолипаз приводит к уменьшению фоточувствительности ацетилхолинэстеразы. Такой же эффект вызывает и удаление из мембраны значительного количества холестерина, опре-деляюш его текучесть липидной фазы мембраны. Влияние мембранного окружения на УФ-чувствительность ацетилхолинэстеразы реализуется, по крайней мере, двумя путями посредством изменения конформационного состояния фермента за счет межмолекулярных взаимодействий и посредством повреждения белковой молекулы продуктами фотохимических превраш ений липидов. То есть состояние мембранного фермента зависит не только от эффективности протекания фотохимических процессов в самом белке, но и от фотохимических реакций в соседних компонентах, инициируюш их структурные перестройки мембраны. [c.131] При сравнении кинетики УФ-инактивации свободной и мембраносвязанной ацетилхолинэстеразы обнаружено, что при изучении мембранного фермента наблюдается отклонение от кинетики реакции первого порядка, проявляюш ееся в искажении линейной зависимости остаточной активности от дозы облучения. Одновременно изменяются и каталитические параметры остаточного фермента. [c.131] К одной из главных особенностей УФ-повреждения белков в составе биомембран относится так называемый феномен фотохимической аллотопии. Под ним понимают эффект изменения структурно-функционального состояния фермента в составе биомембраны, обусловленный стерическим возмуш ением его конформации вследствие фотомодификации других структурных компонентов мембраны. Проявление феномена фотохимической аллотопии связывают преимуш ественно с фотохимическими повреждениями белков, способных под влиянием УФ-света взаимодействовать с соседними мембранными компонентами за счет образования межмолекулярных ковалентных сшивок. [c.132] Модификация структуры биомембран с помош ью ферментов (например, фосфолипаз, трипсина, нейраминидаз) или в результате дезинтеграции мембраны ультразвуком вызывает исчезновение названного феномена. Следовательно, феномен фотохимической аллотопии характерен только для интактных мембран. [c.132] Рассмотрим совокупность фотопроцессов, связанных с поглощением УФ-света хромофорными группами биомембран третьего типа, т.е. различными кофакторами мембранных ферментов. В некоторых случаях в качестве первичных акцепторов энергии излучения выступают вещества, которые передают эту энергию на другие молекулы, а сами при этом обычно не претерпевают химических превращений. Такие вещества называют фотосенсибилизаторами, а процессы, в которых они участвуют, — фото-сеисибилизированными. Фотосенсибилизаторы индуцируют химические реакции, которые в их отсутствие не происходят. Они имеют две системы электронно-возбужденных состояний — син-глетную ( 8) и триплетную ( 8). [c.133] Отметим, что пероксидное фотоокисление полиненасыщенных жирных кислот фосфолипидов мембран может происходить при поглощении квантов света как липидом, так и другими молекулами — фотосенсибилизаторами. Фотосенсибилизирующим действием обладают триптофановые и тирозиновые хромофоры белков, порфирины, флавины, пиридиннуклеотиды. Следовательно, ПОЛ может инициироваться не только УФ-излучением, но и видимым светом. [c.133] Как правило, фотосенсибилизированное окисление происходит с участием сенсибилизатора в триплетном состоянии, так как оно является более длительным (10 —10 с). Поэтому наиболее эффективными являются сенсибилизаторы, образующие долгоживущие триплетные состояния с высоким квантовым выходом. К ним относятся многие синтетические красители (метиленовый голубой, бенгальский розовый, эозин), природные пигменты (хлорофилл, гематопорфирин, флавины) и ароматические углеводороды (рубрен, некоторые антрацены). Большинство из них поглощает видимый и длинноволновый УФ-свет, поэтому эти диапазоны длин волн наиболее эффективны при фотосенсибилизи-рованном окислении. [c.133] Основная часть изученных фотосенсибилизированных процессов осуществляется с участием кислорода. Фотоповреждение биосистем в присутствии сенсибилизаторов с згчастием молекулярного кислорода называют фотодинамическим действием. Его рассматривают как частный случай фотосенсибилизированных процессов. [c.134] Особенности фотосенсибилизированных процессов, протекающих в мембранных системах, определяются чувствительностью липидов и белков к сенсибилизированным фотоповреждениям. [c.135] Сенсибилизированному фотоокислению наиболее эффективно подвергаются ненасыщенные жирные кислоты, а также холестерин. Процессы их фотоокисления сходны с таковыми, протекающими при пероксидном окислении липидов. Сенсибилизированное фотоокисление липидов может осуществляться и по реакциям типа П и типа I. Тип реакции фотоокисления различных мембранных структур зависит от соотношения концентраций сенсибилизатор — липид и от способности молекул сенсибилизатора образовывать агрегаты. [c.135] Более подробно изучены фотосенсибилизированные повреждения белковых макромолекул с участием синглетного кислорода. Следует подчеркнуть, что Ю2, с одной стороны, является участником многих фотосенсибилизированных реакций, а с другой — степень его участия в фотопроцессах служит критерием для выявления механизма их протекания. [c.135] Вернуться к основной статье