2 курс / Нормальная физиология / Механизмы_индивидуальной_адаптации_организма_Свирид_В_Д_

71

представленных фактов состоит в том, что своевременная блокада или простое ограничение центрального управляющего сигнала может механизмами саморегуляции исполнительного органа предупреждать разрушение жизненно важных структур органа в экстремальных ситуациях окружающей среды. Понятно поэтому, что организм располагает сложившимися в процессе эволюции, высоко специализированными механизмами для такой блокады, и эти механизмы играют важную роль в адаптации к стрессорным ситуациям.

72

Рис. 6.

73

7.5. Активация системы простагландинов какфактор профилактики стрессорных повреждений

Простагландины, являющиеся мощными вазодилятаторами и блокаторами действия катехоламинов, представляют собой низкомолекулярные вещества, образующиеся из имеющейся в липидах клеточных мембран ненасыщенной жирной кислоты, а именно арахидоновой кислоты.

Один из основных механизмов действия этой модулирующей системы состоит в том, что увеличение уровня катехоламинов вызывает активацию образования и высвобождения простагландипов Е (ПГЕ), которые, в свою очередь, ограничивают действие катехоламинов. Рассмотрим основные звенья этой системы обратной связи.

Образование ПГ происходит главным образом в наружной плазматической мембране из ненасыщенных жирных кислот; непосредственным предшественником ПГ является арахидоновая кислота. Синтез ПГ осуществляется с помощью ряда ферментов. При этом в различных тканях и даже в одной и той же клетке могут образовываться ПГ нескольких форм, поскольку возможно превращение ПГ из одной формы в другую. Ниже приведена упрощенная схема синтеза ПГ. Показано, что в основе образования ПГ лежит окислительная циклизация арахидоновой кислоты с помощью циклодиоксигеназы или ПГ-синтетазы, затем образуется ряд промежуточных продуктов — биологически активных эндоперекисей, которые, в свою очередь, под влиянием соответствующих ферментов переходят в основные формыПГ. Приводим схему синтеза простагландинов (ПГ) из арахидоновой кислоты.

Для понимания механизма образования ПГ существенно, что процесс синтеза возможен лишь при наличии достаточного количества свободных предшественников. Поскольку арахидоновая кислота в свободном состоянии в клетке почти не присутствует, а при высвобождении сразу включается либо в ПГ, либо обратно в липиды, то необходимым условием осуществления синтеза ПГ является предварительное расщепление липидов, содержащих это соединение. В связи с этим понятно, что нарушение активности клеточных фосфолипаз, высвобождающих арахидоновую кислоту из фосфолипидов, и триглицеридлипаз, высвобождающих жирные кислоты из нейтральных жиров, приводит к угнетению синтеза ПГ. Активность этих ферментов находится в большой зависимости от уровня Са+2 в клетке, и поэтому интенсивность синтеза ПГ также зависит от транспорта данного катиона. Помимо наличия свободных предшественников, для успешного синтеза ПГ необходима также определенная активность ПГ-синтетазы и других ферментов, ответственных за синтез ПГ. Существует ряд факторов, вызывающих угнетение или стимуляцию активности ПГ-синтетазы. Специфическими ингибиторами синтеза ПГ является также ряд фармакологических соединений; из них наиболее эффективны ингибиторы циклодиоксигеназы — индометацин и аспирин.

На рисунке 7 представлена схема, которая приближенно отражает процесс образования ПГ в клетке и характеризует предполагаемые механизмы активации его под влиянием катехоламинов. Как видно на схеме, при действии катехоламинов на клетку могут реализоваться четыре предположительных механизма активации синтеза ПГ. Первые два механизма наиболее исследованы, представляются наиболее вероятными и связаны с активацией высвобождения арахидоновой кислоты из клеточных депо — из триацилглицеридов клетки и фосфолипидов мембран. Два других механизма менее изучены.

I. Механизм активации синтеза ПГ связан с воздействием катехоламинов на β- адренорецепторы, активацией образования цАМФ и стимуляцией неспецифических липаз, вызывающих высвобождение жирных кислот из триацилглицеридов. При этом высвобождаются различные жирные кислоты, а не только арахидоновая кислота. Этот

74

процесс сопровождается включением арахидоновой кислоты в ПГ и выходом жирных кислот из клетки. Данный путь активации не является специфическим для образования ПГ, так как под влиянием увеличения концентрации цАМФ активируются и многие другие реакции в клетке.

Рис 7. Механизмы активации синтеза простагландинов (ПГ) катехоламинами (КА. Знаком (+) обозначено активирующее влияние, а знаком (-) тормозные.

II. Этот путь представляется наиболее специфическим, так как он реализуется через активацию специфических фосфолипаз (например, фосфолипазы А2), которые обеспечивают быстрое высвобождение из фосфолипидов мембраны именно арахидоновой кислоты.

Предполагается, что активация фосфолипаз может осуществляться и при I пути активации синтеза ПГ за счет действия цАМФ на фосфолипазы, но основная активация этого процесса идет, главным образом с помощью кининовой системы. Существо данного процесса состоит в том, что увеличение содержания катехоламинов приводит к активации калликреин-кининовой системы и образованию брадикинина. Брадикинин, в свою очередь, оказывает специфическое действие на мембрану, при котором происходят активация фссфолипазы А2, высвобождение арахидоновой кислоты и включение ее в ПГ. Эта реакция осуществляется в мембране и является весьма эффективной по использованию арахидоновой кислоты.

В отличие от приведенных основных путей активации синтеза ПГ катехоламинами два других пути менее изучены и играют скорее вспомогательную роль. Так, III путь предполагает прямое участие молекулы катехоламинов в активации ПГ-синтетазы в качестве кофактора фермента. Вероятно, это действие катехоламинов будет активировать образование ПГ лишь при реализации основного их действия — активации высвобождения арахидоновой кислоты. Столь же гипотетическим представляется IV путь, который предполагает осуществление активирующего действия катехоламинов на синтез ПГ через α- адренорецепторы. Данное заключение основывается на данных, в которых стимулирующее

75

выход ПГ действие катехоламинов в некоторых органах угнеталось блокаторами α- адренорецепторов и не изменялось при блокадеβ-адренорецепторов.

Несмотря на несколько гипотетический характер некоторых звеньев рассмотренной схемы, бесспорным является положение, что синтез и выделение ПГ действительно активируются под влиянием катехоламинов.

В пользу этого положения свидетельствуют по меньшей мере три группы данных: 1) под влиянием катехоламинов увеличивается высвобождение ПГ в кровь из различных тканей; 2) увеличенный под влиянием катехоламинов выход ПГ блокируется ингибиторами действия катехоламинов; 3) увеличение под влиянием катехоламинов выхода ПГ блокируется ингибиторами синтеза ПГ.

Эти факты, однозначно свидетельствующие об активации системы ПГ под влиянием катехоламинов, позволяют перейти к рассмотрению вопроса о том, какое влияние ПГ оказывают, в свою очередь, на эффекты катехоламинов.

Система ПГ модулирует действие катехоламинов. Это действие реализуется по типу обратной связидвумя основными путями (рис. 8.):

Рис.8. Влияние простагландинов (ПгЕ) на выделение норадреналина (НА) из синапса (I) и на действие катехоламинов (КА) в эфекторной клетке (II).

I) образовавшиеся под влиянием катехоламинов ПГ влияют на высвобождение норадреналина из симпатических терминалей и тем самым уменьшают или увеличивают уровень медиатора в зоне воздействия на эффекторные клетки; 2) образовавшиеся под влиянием катехоламинов ПГ ограничивают или усиливают непосредственное действие катехоламинов на эффекторные клетки.

Результат модулирующего действия ПГ на эффекты катехоламинов определяется динамическим соотношением форм ПГ и знаком их действия, а также характером эффекторных клеток.

Большинство имеющихся к настоящему времени данных свидетельствует о том, что при активации симпатической регуляции в целом ряде органов высвобождаются ПГ группы Е. Они

вызывают ограничение действия этой регуляции за счет угнетения выхода медиатора из симпатических нервных окончаний. Это угнетение осуществляется за счет действия ПГЕ на Са-зависимый механизм секреции норадреналина в мембране окончания; при этом выход норадреналина уменьшается, а обратный нейрональный захват не меняется.

В результате количество норадреналина в зоне действия уменьшается и соответственно ограничивается действие медиатора на эффекторные клетки, а в целом эффект возбуждения симпатическойрегуляцииоказывается уменьшенным.

Помимо влияния на механизм высвобождения симпатического медиатора, ПГ могут воздействовать также на реализацию эффекта катехоламинов в органах и тканях. Установлено, что влияние ПГ на эффект катехоламинов осуществляется на уровне адренорецепторов и аденилциклазной системы эффекторных клеток. Оно реализуется в клетке по типу обратной связи в виде угнетения образования цАМФ. Знак этого влияния определяется как формой ПГ, так и характером ткани (рис 9.).

76

липллитического действия катехоламинов (КА) простагландинами (ПгЕ).

Наиболее изученным к настоящему времени представляется вопрос о роли ПГЕ в модулировании эффекта катехоламинов и симпатической регуляции на жировую ткань и желудок. В обоих случаях ПГЕ ограничивают адренергическое влияние путем угнетения образования цАМФ.

В целом изложенное показывает, что усиление адренергического влияния на различные органы и увеличение высвобождения в них норадреналина приводят к активации синтеза и выделения ПГ группы

Е, которые по типу обратной связи могут ограничивать действие катехоламинов. Это ограничение может реализоваться за счет угнетения высвобождения норадреналина из симпатических терминалей, как это показано для сердца, семенного канатика, поджелудочной железы, селезенки, сосудов многих органов, а также за счет угнетения процесса взаимодействия катехоламинов с адренорецепторами эффекторной клетки, как это установлено для жировой ткани и желудка. Данный механизм, как показано, играет важную роль в предупреждении стрессорных повреждений внутренних органов.

Другой, не менее важный механизм, за счет которого ПГ играют роль в предотвращении стрессорных повреждений или болезней, потенцируемых стрессом, связан с тем, что эти соединения обладают прямым натрий-уретическим и вазодилататорным действиями, а в итоге вызывают выраженный антиспастический и гипотензивный эффект. Прямым натрий-уретическим и вазодилататорньм действием, как установлено, обладают ПГЕ1, ПГЕ2 и ПГА. Наиболее активны в этом отношении ПГА, синтезируемые в мозговом слое почек.

На основе этих представлений можно рассмотреть факты, непосредственно характеризующие действие ПГ как фактора, предупреждающего стрессорные повреждения или провоцируемые стрессом заболевания.

Наиболее четко профилактический эффект ПГЕ проявляется в их способности предупреждать развитие язвенных поражений слизистой желудка при различных стрессорных воздействиях.

Защитное действие ПГ против образования стрессорных язв, по-видимому, определяется как непосредственным вазодилататорным действием этих соединений, так и их действием как факторов, ограничивающих влияние катехоламинов.

В полном соответствии с этими экспериментальными данными был отмечен непосредственный гипотензивный и натрийуретический эффект ПГЕ и ПГА при гипертонической болезни у людей.

Таким образом, несомненно, что индуцированное увеличение биосинтеза ПГ может стать одним из факторов, препятствующих развитиюгипертонии.

7.6. Антиоксидантныефакторы организма как система естественной проф илактики стрессорныхповреждений

77

Активация тормозных и модуляторных систем центрального и периферического действия несомненно ограничивает стресс-синдром и может играть роль в предупреждении стрессорных повреждений. Однако при достаточно тяжелом стрессорном воздействии, несмотря на функционирование систем естественной профилактики, реализуется значительная и длительная активация ПОЛ, проявляющаяся в накоплении гидроперекисей жирных кислот, которые повреждают клеточные мембраны.

Факты свидетельствуют о том, что именно через активацию ПОЛ реализуется роль стресс-реакции в этиологии заболеваний кровообращения и опухолевого роста. Таким

образом, намечается представление, что цепь событий стресс → активация ПОЛ → повреждение составляет важное общее звено в патогенезе основных заболеваний, ограничивающих длительностьжизни человека.

В связи с этим мы кратко рассмотрим природу перекисного окисления липидов, механизмы активации этого процесса и возможность использования экзогенно вводимых антиоксидантов с целью предупреждения стрессорных и ишемических повреждений.

Перекисное окисление липидов представляет собой физиологический процесс, постоянно протекающий в клеточных мембранах. Наряду с обновлением мембран и регуляцией активности мембранно-связанных ферментов он играет роль в биосинтезе простагландинов, лейкотриенов, а также в процессах фаго- и пиноцитоза, разборке внутриклеточных мембран. Роль активации ПОЛ, т. е. переход этого физиологического процесса в патологический, до самого последнего времени изучалась на примерах, при которых ПОЛ активировался гипербарической оксигенацией, ионизирующим излучением и авитаминозом Е. При всей важности этих факторов они все, вместе взятые, встречаются неизмеримо реже, чем стрессорная активация ПОЛ, которая многократно повторяется на протяжении каждой индивидуальной жизни. Очевидно далее, что не все стрессорные ситуации, вызывающие активацию ПОЛ, приводят к болезням. Это само по себе указывает на существование в организме механизмов, ограничивающих длительность и интенсивность активации ПОЛ и предупреждающих стрессорные повреждения на уровне мембран. Такого рода антиоксидантные системы, регулирующие ПОЛ, действительно существуют, и для оценки их роли в предупреждении стрессорных повреждений необходимо кратко остановиться на самом существе процесса ПОЛ.

Теория цепных свободнорадикальных реакций перекисного окисления липидов (ПОЛ) возникла на основании исследований Баха, Семенова, Эмануэля. Роль этого процесса в норме и патологии явилась предметом многосторонних исследовании. Известно, что свободнорадикальное окисление составляет необходимое звено таких жизненно важных процессов, как перенос электронов многими флавиновыми ферментами, окислительное фосфорилирование в митохондриях, проведение нервного импульса и клеточное деление. Перекисное окисление липидов постоянно протекает в клеточных мембранах, меняет их липидный состав, а тем самым активность липидзависимых мембранно-связанных ферментов, к которым, по существу, относятся все основные ферментные системы организма.

В настоящем изложении мы кратко рассмотрим два вопроса, а именно природу ПОЛи механизм его активации при ишемических и стрессорных повреждениях, и более подробно остановимся на данных об использовании ингибиторов ПОЛ — антиоксидантов — для защиты от стрессорных повреждений.

78

Рис. 10. Пути использования кислорода иучастие его в перекисном окислении липидов.

Понимание природы ПОЛ предусматривает ясное представление о том, что в организме существуют два пути использования кислорода (рис. 10.). Первый — широко изучаемый и известный оксидазный путь, связанный с окислением энергетических субстратов, реализуемый конечным звеном дыхательной цепи — цитохромоксидазой. Эта реакция характеризуется тем, что кислород присоединяет к себе четыре электрона, и именно в результате такого четырехэлектронного восстановления кислорода образуется вода. Этот оксидазный путь окисления не предусматривает включения кислорода в молекулу окисляемого субстрата, в нормальных условиях он сопряжен с окислительным ресинтезом АТФ, является, таким образом, главным источником энергии в живых системах и поэтому в течение многих лет привлекает главное внимание.

Другой, гораздо менее изученный путь использования кислорода — оксигеназный путь — характеризуется тем, что полного четырехэлектронного восстановления кислорода не происходит, и в результате присоединения к кислороду одного, двух или трех электронов возникают так называемые активные формы кислорода.

Эти активные формы кислорода, являющиеся по существу свободными радикалами, обладают способностью реагировать с эндогенными субстратами, образующими структуры организма, причем один из атомов или вся молекула кислорода включается в окисляемый субстрат. Существенно, что среди эндогенных субстратов свободнорадикальных реакций важное место занимают полиненасыщенные жирнокислотные остатки фосфолипидов, образующих липидный бислой всех клеточных мембран. При свободнорадикальном окислении этих липидов образуются так называемые перекисные соединения, и поэтому весь процесс получил название перекисного окисления липидов (ПОЛ).

Схема (рис. 10.) позволяет сопоставить оксидазный и оксигеназный пути использования кислорода в организме и вместе с тем подчеркивает существенное положение, состоящее в том, что перекисное окисление липидов в условиях целого

79

организма, с одной стороны, является источником важнейших биологических соединений — простагландинов и лейкотриенов, а с другой стороны, является инструментом обновления, модификации, а при чрезмерной активации — и разрушения биомембраны.

Для того чтобы представить себе важный для патологии механизм такой чрезмерной, разрушительной активации ПОЛ, следует иметь в виду, что в условиях здорового организма специализированные ферментные системы, обеспечивающие оксигеназное использование кислорода, представлены главным образом в печени, где функционирует специализированная оксигеназная система, содержащая цитохром Р-450 и обеспечивающая детоксикационное разрушение стероидных гормонов, барбитуратов и т. д. В других органах, и в частности в мышце сердца, такого рода специализированные системы оксигеназного окисления представлены незначительно. Однако исследования последних лет показали, что и в этих условиях возможно значительное переключение использования молекулярного кислорода с оксидазного, дыхательного, пути на оксигеназный путь, составляющий основу перекисного окисления липидов. Дело в том, что протекающее на цитохромоксидазе четырехэлектронное восстановление О2 до Н2О возможно лишь при бесперебойной и согласованной работе « ансамбля» переносчиков дыхательной цепи. При блокаде дыхательной цепи в конечном звене, т. е. при действии ишемии, аноксии, цианидов, неизбежное восстановление НАД в НАДН и промежуточных переносчиков в цепи может привести к тому, что растворенный в липидном матриксе мембраны молекулярный кислород подвергнется восстановлению. Однако это будет не четырехэлектронное восстановление до конечного продукта Н2О, а неполное одно-, двух- и трехэлектронное восстановление, сопряженное с образованием активных форм кислорода — свободных радикалов. Представленные ниже уравнения (1, 2, 3)

__•

Меn+ ↓— ↓ Меn +1

показывают, что в результате одноэлектронного восстановления образуется анионрадикал суперокиси (1); при двухэлектронном восстановлении возникает перекись водорода (2), и, наконец, при трехэлектронном восстановлении образуется гидроксильный радикал (3). Эти процессы могут реализоваться как на флавинсодержащих компонентах, так и на гемсодержащих компонентах дыхательной цепи.

Весьма существенно, что в условиях целого организма все эти реакции и увеличенное образование свободных радикалов могут возникнуть не только при ишемии и аноксии, но и при прямо противоположной ситуации, а именно при гипербарической оксигенации, когда количество кислорода, растворенного в липидном матриксе митохондрий, резко увеличено и, соответственно, увеличена вероятность реакции кислорода с восстановленными переносчиками дыхательной цепи, несмотря на незначительное их количество.

В плане нашего изложения важно, что независимо от того, чем вызвано увеличение концентрации свободных форм кислорода, эти свободные радикалы, и, прежде всего, гидроксильный радикал, вступают в реакции с ненасыщенными жирнокислотными остатками фосфолипидов мембран и это приводит к активации перекисного окисления липидов. Подобное положение может возникнуть как следствие двух противоположных изменений кислородного режима в клетке. При ишемии и аноксии активация ПОЛ возникает как результат избытка доноров электронов восстановленных переносчиков, а при

80

гипербарической оксигенации — как результат избытка акцептора электронов молекулярного кислорода.

Помимо прочего, из этого положения следует, что самую большую активацию ПОЛ можно ожидать, когда оба эти условия сочетаются, а именно когда вслед за длительной аноксией и значительным накоплением восстановленных переносчиков возникает избыток кислорода.

Эта ситуация, обозначаемая как реоксигенация, к настоящему времени широко изучена и, как установлено, действительно характеризуется значительным накоплением вторичных продуктов ПОЛ и является фактором, наиболее эффективно разрушающим клеточные мембраны и вызывающим необратимые изменения сердца и других органов.

Уравнения (4), (5), (6) показывают, каким именно образом свободные формы кислорода активируют перекисное окисление липидов.

Видно, что гидроксильный радикал ОН•, взаимодействуя с непредельными липидами RH по реакции (4), дает первичный молекулярный продукт ПОЛ — гидроперекиси липидов

— ROOH.

Для дальнейшего развития ПОЛ вновь необходимы комплексы восстановленных металлов переменной валентности. При участии этих комплексов за счет радикального распада гидроперекисейлипидов по реакции (5) возникают радикалы RO•, способные так же, как гидроксильныйрадикал, атаковать непредельные липиды — реакция (6).

Разумеется, рассмотренные выше изменения кислородного режима клетки не являются единственно возможной причиной чрезмерной активации ПОЛ. Можно обозначить по меньшей мере шесть факторов, активирующих ПОЛ, которые могут действовать в условиях целого организма. Важную роль может играть увеличение генерации супероксидного радикала за счет избытка катехоламинов и накопления продуктов их неполного окисления. В этом случае донором электронов для О2 являются семихинонные формы катехоламинов: семихинон-адреналин, семихинон-норадреналин.

Подобная ситуация с большой долей вероятности наблюдается при интересующей нас стрессорной реакции, когда при окислении избытка адреналина в адренохром образуется семихинон адреналина, который может сбрасывать электрон на кислород и таким образом генерировать супероксид-радикал О2— важный индуктор ПОЛ.

В плане нашего изложения существенно, что независимо от того, каким из факторов вызвана чрезмерная активация ПОЛ, значение ее в организме состоит в том, что она влечет за собой модифицирующие, а в дальнейшем и повреждающие эффекты в клеточных мембранах. Ранее уже указывалось, что в соответствии с принятой жидкостно-мозаичной моделью в основе строения биомембраны лежит бимолекулярный слой фосфолипидов, в который встроены мембранные белки. При этом фосфолипиды образуют прерывистый бислой, в котором полярные головки обращены наружу, в так называемую водную, гидрофильную фазу, а углеводородные хвосты жирных кислот — во внутреннюю, гидрофобную фазу мембраны.

Основой всех модифицирующих или повреждающих эффектов ПОЛ в мембране является реакция ненасыщенных жирнокислотных остатков фосфатидилэтаноламина и других фосфолипидов липидного бислоя с активными формами кислорода — см. реакции