Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) сделали удивительное открытие, которое может помочь объяснить наш риск развития хронических заболеваний или рака по мере старения, а также то, как наша пища разлагается с течением времени.
Более того, их результаты, о которых недавно сообщалось в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), указывают на неожиданную связь между химическим составом озона в нашей атмосфере и запрограммированной способностью наших клеток защищаться от болезней..
«Красота природы в том, что она часто решает использовать одинаковые химические вещества во всей системе, но мы никогда не думали, что найдем общую связь между атмосферной химией и химией нашего тела и пищи», - сказал Кевин. Уилсон, заместитель директора отдела химических наук лаборатории Беркли, руководивший исследованием. «Наше исследование является первым, в котором исследуется еще один химический механизм, который может влиять на то, насколько хорошо клетки нашего тела - и даже наша пища - могут со временем реагировать на окислительный стресс, такой как загрязнение окружающей среды».
Наши тела и некоторые из наших любимых продуктов, включая мясо, орехи и авокадо, имеют много общего: они состоят из органических молекул, таких как ненасыщенные липиды, которые являются важными строительными блоками для клеточных стенок.
Ненасыщенные липиды и другие органические молекулы, такие как углеводы и белки, медленно разлагаются с течением времени из-за цепной реакции, известной как самоокисление, запускаемой кислородом и гидроксильными радикалами, типом активных форм кислорода. Гидроксильные радикалы коварно атакуют ненасыщенные липиды в нашем организме и в нашей пище, превращая, например, самые свежие авокадо в коричневый цвет.
Вред, наносимый нашему организму гидроксильными радикалами, более разрушительный, чем окисленный авокадо. С возрастом десятилетия воздействия гидроксильных радикалов и других активных форм кислорода медленно, но верно истощают ненасыщенные липиды нашего организма. Такое необратимое повреждение увеличивает окислительный стресс и вероятность развития рака и возрастных хронических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера.
Неожиданная ссылка
На протяжении десятилетий ученые считали, что гидроксильные радикалы работают в одиночку, когда атакуют ненасыщенные липиды.
Но Уилсон и его исследовательская группа обнаружили, что у гидроксильных радикалов есть неожиданный партнер в преступлении, и он известен под названием «промежуточный продукт Криги».
Промежуточные вещества Криги - это высокореактивные экзотические молекулы, впервые предложенные химиком Рудольфом Криги в 1975 году для объяснения того, как загрязняющие вещества, выбрасываемые автомобилями и заводами, реагируют с озоновым слоем в нашей атмосфере.
Итак, в 2015 году, спустя десятилетия после новаторского открытия Криджи, Уилсон и соавтор Надя Хайне были удивлены, обнаружив химические соединения, называемые «вторичными озонидами» - молекулы, содержащие углерод, водород и кислород - во время гидроксильной реакции с ненасыщенными липидов в усовершенствованном источнике света (ALS) Berkeley Lab. (Хейн был научным сотрудником с докторской степенью в Отделе химических наук лаборатории Беркли на момент проведения исследования.)
Что озадачило исследователей, так это то, что вторичные озониды обычно не связаны с ненасыщенными липидами; скорее, они являются продуктами промежуточной реакции Криге с атмосферными альдегидами, которые представляют собой органические соединения, полученные из спиртов.
«Мы задались вопросом, работают ли промежуточные продукты Criegee с гидроксилом при деградации ненасыщенных липидов в пище, пластике и клетках нашего тела?» - сказал Уилсон.
Отправляемся на поиски мусора
Поскольку промежуточные звенья Criegee существуют недолго, их трудно наблюдать непосредственно. Поэтому исследователи использовали процесс исключения, чтобы сосредоточиться на них.
Ведущий автор Мейронг Зенг, исследователь с докторской степенью в Отделе химических наук лаборатории Беркли, использовал метод, называемый масс-спектроскопией, в ALS для освещения липидных нанокапель ультрафиолетовым светом. ALS - это синхротронная установка, финансируемая Министерством энергетики, которая доставляет лучи рентгеновского, ультрафиолетового и инфракрасного света для поддержки десятков одновременных экспериментов по изучению микроскопической структуры и химического состава образцов в широком диапазоне научных дисциплин.
Когда она добавила молекулы спирта-поглотителя, которые, как известно, реагируют только с промежуточными соединениями Криги, к липидным нанокаплям, она заметила, что скорость деградации липидов заметно замедлилась - следствие реакционной способности молекул-поглотителей с промежуточными соединениями Криги и таким образом делая их инертными, сказал Цзэн.
Они также обнаружили, что после того, как промежуточные продукты Криги были отключены молекулами-поглотителями, реакция дала продукты, подобные перекиси, и не высвобождала вторичные озониды, сказал Цзэн.
Исследователи считают, что эти результаты свидетельствуют о новом пути деградации липидов, где жадный до липидов гидроксил генерирует промежуточные продукты Криги, которые затем дают начало новой порции гидроксила; вновь образованный гидроксил дает новое поколение промежуточных соединений Криге; и цикл продолжается и продолжается.
«Это удивило нас, потому что было известно, что гидроксильные радикалы вызывают окислительное повреждение клеток, но что не было известно до нашего исследования, так это то, что гидроксил делает это посредством образования промежуточных соединений Криги», - добавил Уилсон..
Поскольку хронические заболевания, рак и порча пищевых продуктов связаны с повреждением клеток, вызванным гидроксильными радикалами, исследователи полагают, что промежуточные продукты Criegee также могут играть аналогичную роль в молекулярной деградации, которая делает нас уязвимыми для болезней по мере старения., что приводит к порче пищи.
Новый путь для антиоксидантов
Открытие может заложить основу для нового класса антиоксидантов - от витаминов до натуральных пищевых консервантов, добавил Цзэн.
«Это захватывающее открытие. Оно дало нам более полную картину механизмов клеточной деградации и болезней, что было совершенно неожиданно», - сказала она.
«Чтобы завершить эту работу, Наде и Мейронгу потребовались годы напряженной работы, а также уникальные возможности усовершенствованного источника света для исследования сложной химии», - сказал Уилсон. «Мы надеемся, что результаты нашего исследования вдохновят исследователей на дальнейшее изучение биохимии промежуточных продуктов Криги, липидов и антиоксидантов, которые необходимы, чтобы помочь людям разными способами: от предотвращения болезней до сохранения продуктов питания».
В дальнейшем исследователи планируют работать с теоретиками из лаборатории Беркли для изучения квантовых свойств, таких как электронная структура, играющих роль в промежуточной/гидроксильной реакции Криги, чтобы лучше оценить, как этот цикл может работать в клетках человека, пище, а также в материалах, содержащих ненасыщенные липиды, таких как пластмассы и топливо.