文档介绍：ROS引发的病理过程实例分析
1. 白内障
白内障(cataract)是以眼球晶状体蛋白(crystallin,CR)变性,分子量增加为特征的显示视力降低症状。在眼科疾病中为多发病。致病原因多样。病因学统计发现的危险因子包括糖尿病、辐射、痢疾、营养不良、肾功能衰竭,药物副作用等。但是相关性最明显的病因有二:(ⅰ)紫外线照射,如眼睛暴露在紫外线下的工人的职业性白内障(光致白内障)和(ⅱ)糖尿病后期并发的糖致白内障。老年人白内障多发,大约是在长年不断被光照和不断受各种因素损伤渐渐造成的。虽然致病因素不同,但都与产生ROS有关。因此,可以认为白内障与ROS损伤有明显联系。
(一) 眼球晶状体结构、性质和功能的关系
晶状体相当于一个透镜。但是,这个“透镜”要有特殊的结构和性质以满足特殊功能的要求。首先,它必须没有吸收可见光的能力(无色的),还要没有散射光的能力,要有一定的折射率,要能变焦。这些是这个透镜的物理要求。从化学上说,应该稳定,不发生相变。从生物学上说,从胎儿到婴儿到成年,晶状体必需随年龄发育成长,那就需要细胞参与。但是这里有矛盾:既要细胞参与又要没有散射和吸收可见光。如何解决?
眼球晶状体(lens)从结构和性质上基本上满足了这些要求。粗略地说,它是由一层上皮细胞构成的膜包着一个高浓度(35%-40%)的晶状体蛋白的溶液。细胞从前方分裂,被推向两侧,转向中央,变成失去细胞核的纤维细胞。这些纤维集中在晶状体中央成为晶状体核。这样形成的晶状体在结构上和组成上的特征是:
(1)没有血管,否则血管和血液成分会造成光吸收和光散射。
(2)只有一层由上皮细胞构成的膜,由它们负责合成CR,并且包容晶状体。这种细胞只在生长区(前方)分裂,推动细胞,向赤道方向移动。到达赤道后,便失去分裂功能,代谢停止。而此时分化开始,细胞失去核并延长成纤维,纤维向内集中成为晶状体核的一部分。到达这里,细胞分化停止。这一巧妙的机制使眼球得以发育,CR不断供应。但是这些功能的细胞不能像其他组织那样增长,始终只有一层膜上的上皮细胞在工作。
(3)CR的结构决定了它在溶液中不能有、也不能产生造成光散射的蛋白质聚合物、缔合物以及其他难溶物。一般来说, 蛋白质的巯基容易形成二硫键, 从而形成难溶蛋白质聚合物。蛋白质构象也容易改变,特别是线性分子。球蛋白构象不易变, 但它们又是在很大程度上依赖二硫键
结合维持构象。因此,这是一矛盾。CR是一组蛋白,包括αA1,αA2,αB1,αB2,βH,βL,γ等等。在白内障病理过程中主要靶分子是γCR。γCR单体相对分子量<28000,是可溶性球蛋白。它的结构特征是, 富含芳香氨基酸残基(色氨酸,酪氨酸,苯丙氨酸)及含硫氨基酸(甲硫氨酸,半胱氨酸),但少二硫键, 少α螺旋,多β折叠。以上种种都为维持和保护结构,稳定构象起重大作用。
(4) 在组成上,晶状体中氧分压低, 维生素C 含量高。皮质内GSH 高,其次为核,再次为上皮细胞。它们(还有SOD等酶)构成抗氧化机制, 能在一定范围内防御ROS造成氧化性损伤和交联。
(二)白内障病理过程中的靶分子
CR 是主要靶分子。它富含芳香族氨基酸和含硫氨基酸,
特别是半胱氨酸残基。这些残基既是作用靶点,也起保护作用。前面讲过,要维持球蛋白构象不易变(刚性比较大),需要半胱氨酸形成的二硫键。半胱氨酸与交联二硫键之间的转变是一个可逆过程,为光辐射催化,也为ROS推动。
ROS,hν…
γCR-SH γCR-S-S-CR
单从这一反应看,二硫键的增加会导致交联度增加、构象改变以及分子聚集态改变。但事实上, 生活在光照之中并且不断接触ROS并没有造成晶状体内发生影响视力的变化。这是因为CR 分子有一套自我保护的结构特点,在晶状体内也有一套保护系统(如GSH、NADPH等)。因此ROS能够被及时清除, 交联物能够被及时逆转。但是白内障患者晶状体蛋白的-S-S-含量增加,而且,随着病情发展,越来越不能逆转。
甲硫氨酸残基的硫醚键可以被氧化成亚枫:
-SCH3 -S-CH3
色氨酸残基在CR氧化上起两种作用。第一,它和酪氨酸、苯丙氨酸等芳香族氨基酸残基一起起着电子受体的作用。当巯基在光照下变成二硫键时,释放的电子在蛋白质结构深处, 这些电子被缺电子的芳香环接受。为-S-S-逆转为-SH保留所需的电子,因而起着保护作用。但是,色氨酸(酪氨酸和苯丙氨酸不是)可以起光敏化剂的作用,把基态氧变成单线态氧,成为光致白内障的触发环节(见后)。
虽然蛋白质的氨基不是ROS主要靶部位,但是由磷脂过氧化产生的羰基化合物,如丙二醛,可以与氨基形成 Schiff碱,使蛋白链交联,水溶性下降。不过与CR的氧化性交联比,后者贡献小。
ROS
O
(1)引发白内障形成