Биохимия эндотоксикоза

1 Биохимические механизмы развития  эндоксикоза

 

 

Круг веществ, способных  вызвать самоотравление организма, достаточно широк. В известном смысле понятие "эндотоксина" условно, поскольку  любой нормальный метаболит при  чрезмерном накоплении в организме  начинает проявлять токсические  свойства. В то же время, реальное практическое значение в качестве "эндотоксинов" имеет ограниченный круг веществ. К  их числу относятся:

1. продукты распада тканевых белков - "средние молекулы";
2. низкомолекулярные токсины (мочевина, креатинин, билирубин и др.);
3. пероксиды и другие продукты свободнорадикального окисления;
4. токсины микроорганизмов;
5. биологически активные амины - гистамин, серотонин, брадикинин и др.;
6. продукты гниения белков в кишечнике;
7. при ряде состояний, связанных с дефицитом глюкозы в тканях, токсические свойства начинают проявлять накапливающиеся в организме нормальные метаболиты - ацетон, ацетоуксусная и бета-оксимасляная кислоты, известные как кетоновые тела.

Можно выделить несколько  важнейших биохимических механизмов развития эндотоксикоза:

1. активация тканевого протеолиза;
2. активация процессов свободнорадикального окисления;
3. действие бактериальных токсинов [2]. 

 

1.1 Активация протеолиза. Связь  с воспалительными заболеваниями  легких

 

Активация протеолиза - гидролитического распада белков, осуществляемого  тканевыми протеазами (катепсинами), представляет одни из наиболее общих  молекулярных механизмов повреждения  тканей в условиях патологии. Различают  несколько классов катепсинов - B, D, E, G, H, K, L, O и S. Все они имеют оптимум  рН в кислой области в пределах 4,0-6,0  и сохраняются в клетке в неактивном состоянии в лизосомах, будучи стерически изолированы от контакта с цитоплазматическими белками  лизосомальной мембраной. Наряду с  катепсинами, в распаде тканевых белков принимают участие и некоторые  другие протеазы, в частности, эластаза нейтрофилов, атакующая фибриллярные белки соединительной ткани легких.

В условиях физиологии посредством  протеолиза подвергаются посттрансляционным модификациям вновь синтезированные  полипептидные цепи белков, обновляются  тканевые структуры, перевариваются в  желудочно-кишечном тракте пищевые  белки, функционирует система гемостаза, образуются биологически активные пептиды, активируются неактивные предшественники биологически активных белков.

Активация протеолиза представляет важнейший биохимический механизм развития фундаментального патологического  процесса - воспаления. Смещение реакции среды в очаге воспаления в кислую сторону, способствует лабилизации мембран лизосом, выходу в цитоплазму протеаз, их активации и протеолитической деструкции вовлеченной в процесс ткани. В результате действия протеаз микробных клеток и клеток макроорганизма активируются бактериальные токсины. С помощью катепсинов патогенные простейшие, например Entamoeba histolytica, разрушают клетки, в которых паразитируют, а клетки злокачественных опухолей проникают в ткани в ходе метастазирования. Поэтому катепсины рассматривают как прогностические маркеры рака, увеличение которых указывает на высокую вероятность метастазирования. В частности, катепсин D - маркер рака груди, катепсин В - поджелудочной железы и толстого кишечника, катепсины B и L - желудка.

В 1965г. Scribner установил, что  за развитие уремической интоксикации ответственны вещества, проникающие  через брюшину при перитонеальном диализе, но задерживаемые целлофановыми  мембранами, т.е. обладающие средней  молекулярной массой - от 300 до 5000 дальтон. В последующем была подтверждена роль МСМ как уремических токсинов. Постепенно стало очевидным, что  МСМ имеют самое непосредственное отношение к патогенезу интоксикационного  шока, острой ожоговой токсемии, инфаркта миокарда, абсцессов легких, онкологических заболеваний, воспалительных болезней легких. Они выполняют роль неспецифических  маркеров интоксикации.

Приводимая ниже схема  отражает современные представления  о природе МСМ, накоплении их в  организме при ряде заболеваний, механизмах токсического действия и  последствиях этого действия, регуляции  содержания в организме.

 

 

МСМ (молекулы средней массы - от 300 до 5000 а.е.м.) – вещества преимущественно пептидной природы, образующиеся в тканях в результате протеолитического распада белков и вызывающие состояние интоксикации в организме.

МСМ выполняют роль неспецифических  маркеров интоксикации при:

1. почечной недостаточности;
2. острой ожоговой токсемии;
3. инфаркте миокарда;
4. абсцессах легких;
5. злокачественных новообразованиях.

В состав МСМ входят около 30 биологически-активных пептидов, среди  них: вазопрессин, окситоцин, глюкагон, кальциотонин, а также полиамины, многоатомные спирты, углеводы.

Токсический эффект МСМ обусловлен суммарным влиянием всех входящих в их состав соединений вследствие развития эффектов потенцирования и синергизма

Механизмы токсического действия МСМ:

1. суммарное действие высокоспецифических естественных пептидных биорегуляторов, присутствующих в аномально высоких количествах;
2. блокирование рецепторов естественных пептидных биорегуляторов пептидами из группы МСМ, имеющими схожее строение;
3. неспецифическая модификация пептидами МСМ структурно-функциональных свойств клеточных мембран - мембранотропное действие;
4. связывание пептидов группы МСМ с транспортными белками с вытеснением переносимых метаболитов.

Биологические последствия  действия МСМ:

- Нарушение микроциркуляции  и гемолиз эритроцитов;

- Угнетение эриторопоэза;

- Развитие вторичной иммунодепрессии;

- Угнетение синтеза белка;

- Нарушения энергетики  клеток.

- Стационарная концентрация  МСМ в крови определяется:

- Образованием в тканях;

- Разрушением в крови  под действием пептидаз;

- Выведением из организма  почками.

 

По химической природе  группа МСМ неоднородна. Установлена  химическая структура многих индивидуальных представителей МСМ, получены их синтетические  аналоги и доказано наличие у  них токсических свойств.

Трудности в оценке токсического действия индивидуальных компонентов  МСМ связаны с тем, что каждый из них, взятый в отдельности, не проявляет  токсические свойства. Токсический  эффект обусловлен суммарным влиянием всех компонентов МСМ вследствие развития эффектов потенцирования и  синергизма. Совместное действие мочевины, креатинина, метилгуанидина и гуанидинсукцината  приводит к уменьшению ударного объема и потребления кислорода изолированным  сердцем. В отдельности эти вещества не оказывают подобного эффекта  в аналогичных концентрациях.

Среди МСМ особый интерес  представляют пептиды - продукты деградации фибрина. Высокий уровень МСМ  часто обусловлен интенсивными процессами тромбообразования и тромболизиса. Образующиеся при этом фибринопептиды А и Б ингибируют действие тромбина на фибриноген, оказывают сильный  вазоконстрикторный эффект. В составе  МСМ обнаружен аналог энкефалина - пентапептид из бета-цепи фибриногена. В протромбине найден фрагмент, эквивалентный  молекуле ангиотензина.

Результаты ряда исследований указывают на неравномерное распределение  МСМ между плазмой кровью и  эритроцитами с преобладанием МСМ  в последних.

В физиологических условиях 95% МСМ удаляется почками путем  гломерулярной фильтрации. Внутри проксимальных  тубул почек основная масса пептидов полностью или частично разрушается  и освободившиеся аминокислоты реабсорбируются. В условиях патологии накопление МСМ в крови развивается на фоне повышенной активности тканевых протеаз и не связано с нарушением экскреции МСМ почками. При этом активность экзопептидаз, осуществляющих расщепление пептидов в крови, оказывается  недостаточной для их оперативного удаления. Определенная роль в удалении из кровотока МСМ принадлежит  легким. Уровень МСМ в артериальной крови ниже чем в венозной, т.е. существует шунт в содержании МСМ  в крови притекающей к легким и оттекающей от них. Следовательно, легкие, удаляя из кровотока МСМ, выполняют  детоксицирующую функцию, особенно важную в условиях эндотоксемии.

Активации протеолиза препятствуют антипротеазы - вещества белковой природы, образующие комплексы с протеазами, в составе которых последние утрачивают свою активность. Чрезвычайно широкое распространение антипротеаз в природе и обнаружение их практически во всех тканях животных и растений косвенно указывает на их важную биологическую роль. Сегодня антипротеазы рассматриваются как вещества, препятствующие развитию некоторых форм злокачественных новообразований, атеросклероза, гипертонической болезни и ряда других заболеваний.

К важнейшим антипротеазам  человека относятся ингибиторы сериновых  протеаз альфа-1-АТ, альфа-1-антихимотрипсин  и альфа-2-МГ, циркулирующие в плазме крови и тканевой жидкости, а также  расположенные в цитоплазме клеток. В антипротеазную активность ткани  легких вносят вклад секретируемые  лейкоцитами низкомолекулярные  ингибиторы протеаз, отличные от альфа-1-АТ.

Важнейшая физиологическая  роль альфа-1-АТ связана с защитой  ткани легких от протеолитического  разрушения эластазой нейтрофилов. Специфичность альфа-1-АТ к эластазе определяется остатком метионина в  положении 358. Альфа-1-АТ синтезируется  преимущественно клетками паренхимы  печени и секретируется в кровь.

Врожденный дефицит альфа-1-АТ, при котором синтезируется его  нормальный М-тип, но в недостаточных  количествах, является наиболее общей  генетической причиной развития эмфиземы легких во взрослом возрасте. Снижение содержания альфа-1-АТ в плазме крови  менее 11 нмоль/л (80 мг/дл), что соответствует 35% от нормальных величин, ассоциируется  с резким увеличением риска возникновения  эмфиземы легких. С недостаточностью альфа-1-АТ связывается и возникновение  бронхиальной астмы. На содержание ингибиторов  протеаз в крови и тканях заметное влияние оказывают курение и  некоторые химические и физические факторы окружающей среды.

Дисбаланс протеаз и антипротеаз  связывается с развитием острого  бронхита, хронической обструктивной  болезни легких, эмфиземы легких, бронхолегочной дисплазии, туберкулеза, ростом и метастазированием  злокачественных опухолей. В бронхоальвеолярных лаважах больных бронхоэктатической болезнью выявлено пропорциональное тяжести  течения заболевания возрастание  активности эластазы и катепсина G. У лиц со среднетяжелым и тяжелым  течением болезни также была снижена  активность антипротеаз вследствие их окислительной или протеолитической модификации.

Активация протеолиза сопутствует  неспецифическим воспалительным заболеваниям легких. Выявлены различия антитриптической активности крови у больных хроническим  бронхитом, раком легких и здоровых людей, обусловленные характером патологического  процесса и фенотипическими вариантами альфа-1-АТ.

При исследовании факторов, ответственных за происхождение  хроническим бронхитом у некурящих  людей установлено, что общий  выход бронхоальвеолярной жидкости и содержание в ней клеток были одинаковы в группах здоровых людей и больных хроническим  бронхитом, но количество нейтрофилов  было выше у больных. Общее содержание белка, а также содержание альбуминов, иммуноглобулинов классов G, A, M, C 43 0 и С 44 0, трансферрина и альфа-1-АТ, способность к генерации суперокиси практически не различалось между группами. Активность эластазы в супернатантах также не различалась, но в клеточных элементах была выше в группе больных хроническим бронхитом. Таким образом, единственные различия заключались в нейтрофилии и, связанной с ней большей эластазной активности в бронхоальвеолярный  лаваж больных хроническим бронхитом. Это характерно и для курильщиков, у которых показана связь между развитием хроническим бронхитом и изменениями баланса протеазы - антипротеазы и оксиданты - антиоксиданты.

В развитии повреждений легких при муковисцидозе, проявляющихся  хроническим гнойным бронхитом, ведущая роль отводится действию эластазы, освобождаемой нейтрофилами на поверхность эпителия дыхательных  путей. При исследовании активности этого фермента, а также специфичной  к нему антипротеазы и альфа-1-АТ в смывах с респираторного эпителия у детей с муковисцидозом установлено, что, несмотря на нормальное содержание антигенов альфа-1-АТ и секреторного ингибитора протеазы нейтрофилов у 25 из 27 обследованных больных детей, в легких выявлены признаки опосредованного  нейтрофилами воспаления. У 20 детей, в  том числе двух в возрасте до 1 года, определялась активная эластаза нейтрофилов, большая часть молекул  альфа-1-АТ и секреторного ингибитора протеазы нейтрофилов была закомплексирована  или разрушена.

Активация протеолиза может  развиваться на фоне нормального  и даже повышенного содержания ингибиторов  протеаз. Так уровень МСМ в  крови д с хирургической инфекцией  увеличивается при одновременном  возрастании протеолитической активности и активности антипротеаз [3].

 

1.2 ПОЛ в биологических мембранах  и развитие

эндотоксикоза при заболевания  легких

 

Перекисное (свободнорадикальное) окисление липидов представляет один из путей утилизации кислорода  в клетке. Основным субстратом в  реакциях ПОЛ выступают ненасыщенные жирнокислотные остатки липидов  биологических мембран. Важно ответить на вопросы - почему активацию ПОЛ  можно рассматривать в качестве общего биохимического механизма возникновения  эндотоксикоза и как она связана  с развитием воспалительных заболеваний  легких?

ПОЛ представляет универсальный  механизм разборки липидных компонентов  клетки. Продукты ПОЛ - органические пероксиды  и гидропероксиды, являются неустойчивыми  и высокореакционноспособными соединениями, обладающими выраженными токсическими свойствами. Однако, в силу особенностей локализации в клетке, токсичное  действие могут оказывать и многие другие окислительно модифицированные производные липидов, например, содержащие гидрокси-группы, которые обычно не рассматриваются в качестве токсичных  соединений. Для понимания механизма  токсичного действия полярных продуктов  ПОЛ необходимо в самом общем  виде рассмотреть современные представления  о структуре и функциях биологических  мембран.

Биомембраны - это липопротеидные образования, которым принадлежит  исключительно важная роль в процессах  жизнедеятельности клетки. Основа строения мембраны - двойной молекулярный слой липидов, в который встроены молекулы белков, выполняющие роль ферментов, переносчиков, ионных каналов и рецепторов. Именно липидный бислой обеспечивает барьерную функцию мембран. Обращенные друг к другу длинные углеводородные цепи жирнокислотных остатков фосфолипидов, образуют гидрофобную область, плохо  проницаемую для ионов, воды и  водорастворимых веществ. С барьерной  функцией мембран связаны метаболическая специализация отдельных клеточных  органелл, активный и пассивный транспорт  веществ и ионов, возникновение  на мембранах ионных градиентов. На плазматической мембране осуществляются процессы рецепции сигналов, управляющих  поведением клеток. В мембранах локализованы важнейшие ферментные системы: аденилат- и гуанилатциклазные, аденозинтрифосфатазные, дыхательная цепь митохондрий, монооксигеназная система эндоплазматического ретикулума, ферменты биосинтеза белка и многие другие. Повреждение структуры мембран  и нарушение их функций в результате активации ПОЛ приводят к тяжелым  нарушениям жизнедеятельности клеток, которые, в свою очередь, сопровождаются развитием патологических состояний  на уровне целого организма.