PDF (Ещё одни билеты готовые), страница 7

9.10. Взаимопревращения свободных радикалов и их основныефункции в тканях [Болдырев А.А., 1996].Как гипохлорит-анион, так и гидроксил-радикал являются сильнымиокислителями. Они способны модифицировать белки, нуклеиновыекислоты, индуцировать перекисное окисление липидов (от которогонаиболее сильно «страдают» полиненасыщенные мембранные липиды)и в результате цепных реакций приводить к множественнымнарушениям мембран и к гибели клеток. Важным дополнением этихреакций является способность NO-радикала при взаимодействии ссупероксид-анионом образовывать пероксинитрит, который можетиндуцировать так называемый апоптоз (запрограммированная гибельклеток), а в ходе своего спонтанного распада превращаться в гидроксилрадикал. Последний может образовываться также из гипохлорит-анионав присутствии ионов железа.Процессы, протекающие до момента образования гипохлорит-анионаили гидроксил-радикала, локализованы в цитоплазме и контролируютсяцитоплазматическими ферментами или природными водорастворимымиантиоксидантами.

Например, таурин способен связывать гипохлоританион в форме хлораминового комплекса, дипептид карнозин и егопроизводные нейтрализуют гидроксил-радикал, а такие соединения, какбелок ферритин, связывают железо. Перекисное окисление липидов, инициируемое в гидрофобном пространстве клеточныхмембран, способен прерывать широко известный гидрофобный антиоксидант α-токоферол (витамин Е).

Его высокаяконцентрация в биологических мембранах препятствует их повреждению свободными радикалами.Полное подавление перекисных процессов в тканях, по-видимому, нецелесообразно, свободные радикалы обладаютполезными свойствами. Они индуцируют апоптоз, участвуют в формировании клеточного иммунитета. Образованиегидроперекисей жирнокислотных цепей полиненасыщенных фосфолипидов повреждает бислой и, стимулируяработуфосфолипаз, способствует высвобождению жирных кислот из состава мембранных липидов. Полиненасыщеннаяарахидоновая кислота является обычной мишенью для свободнорадикальной атаки.

Этот процесс может стимулироватьферментативные превращения ее по одному из двух путей – липоксигеназному или циклооксигеназному. В результате вклетке образуются важные биологические регуляторы: простагландины,лейкотриены, тромбоксаны. Лизофос-фолипиды,образующиеся при отщеплении модифицированной жирной кислоты, могут быть восстановлены до исходного состояния сиспользованием другой жирной кислоты (в форме ацил-КоА). Таким образом может регулироваться жирнокислотныйсостав липидных молекул в клеточной мембране.Высокореакционные свободные радикалы кислорода, характеризующиеся высоким окислительным потенциалом испособностью к быстрым превращениям, могут индуцировать цепные реакции.

В настоящее время признается важная рольсвободнорадикальных процессов в развитии возрастных и патологических состояний в тканях[Владимиров Ю.А. и др., 1983].Свободнорадикальные превращения вовлекаются в механизмы, повышающие выживаемость клеток в неблагоприятныхусловиях, а снижение генерации свободных радикалов в организме способствует ослаблению клеточного иммунитета. Однакоусиленная генерация свободных радикалов сопровождает патологические состояния (болезнь Паркинсона, Альцгеймера) и сампроцесс биологического старения.У растений при любом виде стресса наблюдается увеличение уровня ФАК, в том числе супероксидрадикала.

Например,приразвитии окислительного стресса перекись и супероксидрадикал выступают активаторами экспрессии генов альтернативнойоксидазы, которая препятствует распространению стресса. При подавлении цитохромного дыхания это позволяет не обрыватьцепь на втором комплексе, а сбрасывать е на АО.Билет 8.Типы объемных взаимодействий в макромолекулах.

Физические характеристикиобъемных взаимодействий.Типы объемных взаимодействий. Первичная структура полимерной цепи определяетсяхимическими или валентными взаимодействиями. Объемные взаимодействия в основномопределяют вторичную структуру макромолекул. Общим критерием стабильностимолекулярной структуры является наличие минимума на кривой U(r) зависимости энергиивзаимодействия от расстояния между взаимодействующими частями. Картинка «Электронныйтерм для двухатомной молекулы».На малых расстояниях преобладают силы отталкивания, а на больших расстоянияхпревалирует притяжение.

При r = ro силы притяжения и отталкивания уравновешивают другдруга. Значение энергии U(r) свободных частиц при r -> к бесконечности равно нулю, аэнергия образованной ими стабильной структуры отрицательна U(ro) < 0. На малыхрасстояниях, где частицы отталкиваются, U(r) > 0. Минимум U(r0) соответствует максимальнойпо абсолютной величине и отрицательной по знаку энергии взаимодействия.

В образованиивторичной структуры белка играют большую роль силы Ван-дер-Ваальса. Они имеют электромагнитную природу и связаны свзаимодействием электрических диполей в соседних молекулах. Наиболее распространены дисперсионные взаимодействиямежду молекулами, которые не обладают постоянными дипольными моментами. Природа этих сил носитквантовомеханический характер.Неопределенности в значениях координаты дельта х и импульса дельта р связаны соотношением неопределенностейдельта х дельта р = hЭто значит, что и в основном невозбужденном состоянии существуют быстрые смещения заряда электрона от положенияравновесия, а следовательно, в молекуле в состоянии покоя появляются "мгновенные" дипольные моменты.

Появлениетакого момента в одной молекуле индуцирует появление его в соседней молекуле. Возникает взаимодействие двухбыстроменяющихся дипольных моментов, которые, таким образом, становятся связанными и притягиваются друг к другу.Энергия притяжения двух мгновенных диполей, или энергия дисперсионного взаимодействия, быстро убывает с расстояниемUдисп~1/r6.Кроме дисперсионного взаимодействия возможно и электростатическое притяжение между постоянными диполями вполярных молекулах. Кроме того, существуют также индукционные взаимодействия, которые возникают между постояннымдипольным моментом в одной молекуле и наведенным им диполем в соседней поляризуемой молекуле.

Суммарное вандерваальсово взаимодействие двух молекул зависит от вклада всех типов дипольных взаимодействий и составляет повеличине от 1,0 до нескольких десятков ккал/моль.В выражении для полной энергии или полного потенциала взаимодействия необходимо учесть не только притяжениеUпритяж(r)~1/r6, но и отталкивание на близких расстояниях Uотт(r)~1/r12) сложение этих величиндает формулу на картинке ,где А и В - константы притяжения и отталкивания, r,k - расстояние между взаимодействующимиатомами (i и k).Наряду с силами Ван-дер-Ваальса большую роль в стабилизации биоструктур играютводородные связи и электростатические взаимодействия между заряженными и полярнымигруппами.

Водородные связи, например, стабилизируют вторичную структуру полипептидныхцепей. В энергию водородной связи дают вклад электростатические взаимодействия, притяжение и отталкивание, а такжеэнергия делокализации электронов. Величины энергии водородной связи сильно варьируют (3 - 8 ккал/моль). Так, водороднаясвязьО-Н ... О обладает энергией 8,6 ккал/моль.Электростатические взаимодействия задаются формулой ,где qi, qk - заряды на атомах (i и k), rik - расстояние между атомами, эйпсилон диэлектрическая постоянная.Условия существования клубка и глобулы. Вследствие объемных взаимодействий сблизившиеся участки могут либопритягиваться, либо отталкиваться друг от друга.

Повышение температуры приводит к увеличению отталкивания междумономерами, понижение — способствует их взаимному притяжению. Существует температура, при которой отталкиваниемономеров полностью компенсируется их взаимным притяжением. Эта температурная точканазывается тета-точкой или тета-температурой. В тета-точке объемные взаимодействияотсутствуют, и макромолекула представляет собой клубок с размерами R ~ lN1/2, которыйсохраняется и при повышении температуры Т > тета.

Однако в области Т > тета из-за увеличениясил отталкивания размеры клубка возрастают: R > lN1/2. где а — коэффициент набухания макромолекулы; а > 1 в области Т >тета и а = 1 при Т = тета.В хороших растворителях притяжение атомов цепи и растворителя больше, чем между атомами цепи, что равносильноувеличению их взаимного отталкивания в таком растворителе (область Т > тета; здесь а > 1). Наоборот, в плохих растворителяхвзаимное притяжение звеньев полимера больше, чем их притяжение к молекулам растворителя (область Т < тета; а < 1). Вобласти Т < тета в объемном взаимодействии превалируют силы притяжения, которые могут привести к конденсацииполимерного клубка в плотную слабо флуктуирующую глобулу.

Эта глобула стабилизируется самосогласованным сжимающимполем, обусловленным силами притяжения между мономерами.Общая топография белковой глобулы определяется тем, что полярные группы расположены в основном на поверхности, анеполярные находятся внутри глобулы и образуют ее гидрофобное ядро. На поверхностях основных элементов вторичнойструктуры альфа - спиралей и бета - структур также имеются целые гидрофобные области. Внутримолекуярные водородныесвязи между пептидными группами максимально насыщены и стабилизируют глобулу.Картинка 2. На ранних стадияхсворачивания в развернутой цепи образуются альфа - илибета - участки вторичной структуры за счет локальных взаимодействий.

Затем эти участкистабилизируются в результате действия гидрофобных сил, водородных связей и объемныхвзаимодействий с другими участками цепи с образованием уже третичной структуры.Самосборка структуры белка носит направленный кооперативный характер. Она протекаетчерез определенное число промежуточных стадий, а не путем перебора всех возможныхвариантов укладки до достижения минимального по энергии состояния.Реальное времясворачивания белковой глобулы - несколько секунд.Выгодные низкоэнергетические состояния появляются сразу на ранних этапахсворачивания в небольших участках цепи, включающих два - три остатка. Вначале длярасчета низкоэнергетической конформации белка находят низкоэнергетические состояниядипептидов.

Низкоэнергетические формы трипептидов представляют собой комбинациинизкоэнергетических форм смежных дипептидов, что является результатом согласованноститри - и дипептидных взаимодействий. Конформационный анализ более сложныхолигопептидов проводится методом последовательного увеличения цепи на один остаток.Важно, что новые взаимодействия, возникающие при удлинении цепи, стабилизируютфрагмент и не нарушают уже сложившихся взаимодействий и низкоэнергетических форм.

Внастоящее время такой полуэмпирический метод расчета дает возможность определить пространственную структурудостаточно сложных полипептидов, включающих до сотни остатков.Особенности пространственной организации нуклеиновых ки-слот.Структура ДНК более стабильна. Тепловые флуктуации не приводят кразрыву водородных связей и не меняют меж-плоскостные расстояния междуоснованиями.