2.2. Активация фосфолипаз
Фосфолипазы катализируют гидролиз фосфолипидов, формирующих клеточные мембраны. Эти энзимы широко представлены в различных клетках. Особое внимание исследователи уделяют фосфолипазе А2 - группе липаз, основная функция которых состоит в удалении из мембраны поврежденных фосфолипидов, путем высвобождения жирных кислот, подвергшихся пероксидации. Фосфолипаза А2 является Ca2+- и кальмодулин-зависимым энзимом, и, следовательно, чувствительным к повышению кальция в цитоплазме. Стимуляция фосфолипазы кальцием приводит к усилению разрушения фосфолипидов мембран и повреждению клеток. Повышение содержания кальция в цитоплазме, активацию фосфолипазы, ускорение оборота фосфолипидов с последующей гибелью гепатоцитов регистрировали при токсическом поражении печени четыреххлористым углеродом. Аналогичные изменения наблюдали в миокардиоцитах и гепатоцитах, инкубируемых в условиях аноксии и т.д. Хлорпромазин, угнетающий активность фосфолипаз, защищает клетки от повреждающего действия циототоксикантов, нарушающих внутриклеточный гомеостаз кальция. Эти и другие многочисленные данные подтверждают значение механизма в развитии токсического повреждения клеток.
2.3. Активация протеаз
К числу протеаз, с оптимумом активности в области нейтральных значений рН, относятся: АТФ-зависимые, убиквитин-зависимые, Са2+_зависимые (кальпаины) протеазы. Кальпаины присутствуют практически во всех клетках млекопитающих. Они локализуются вне лизосом, в мембранных структурах в форме неактивного комплекса с ингибиторными протеинами (кальпастатины). Основные функции кальпаинов - репарация цитоскелета и клеточных мембран, разрушение рецепторных протеинов и их обновление, активация некоторых энзимов, участие в процессах митоза.
Идентифицированы две изоформы энзимов - с высоким и низким сродством к кальцию, обе активируемые этим ионом. В эксперименте показано, что стойкая, неуправляемая активация кальпаинов кальцием приводит к повреждению микрофиламентов цитоскелета тромбоцитов, клеточных мембран эритроцитов, гибели клеток печени, миокардиоцитов и т.д.
2.4. Активация эндонуклеаз
При завершении клеткой жизненного цикла активируется процесс «программированной» физиологической клеточной гибели - апоптоз. На ранних этапах в апаптотической клетке проявляются морфологические изменения: «вскипание» клеточной и ядерной мембран, уплотнение органел, конденсация хроматина. Самым надежным маркером развивающегося процесса является активация эндонуклеаз, энзимов, расщепляющих хроматин на фрагменты - олигонуклеосомы. Активация эндонуклеаз отмечается при гибели тимоцитов и лимфоцитов в облученном организме.
Установлено, что кальций участвует в активации эндонуклеаз. Вызванная глюкокортикоидами фрагментация ДНК тимоцитов и гибель этих клеток связаны со стойким повышением содержания Са2+ в цитоплазме. Одним из постоянных проявлений отравления экспериментальных животных диоксином является атрофия тимуса. Установлено, что при этом в тимоцитах значительно активируется процесс фрагментации ДНК, причем периоду разрушения хроматина предшествует период повышения концентрации кальция в цитоплазме. Возможно, что механизм цитотоксичности ТХДД хотя бы отчасти связан с кальциевой активацией эндонуклеаз.
Активация эндонуклеаз может быть причиной гибели клеток печени, миокарда, почек при отравлениях многими химическими веществами.
3. Активация свободно-радикальных процессов в клетке
3.1. Сущность явления
Многие ксенобиотики, попав во внутренние среды организма, подвергаются метаболическим превращениям (см. раздел «Биотрансформация ксенобиотиков в организме»). Одним из возможных результатов метаболизма является образование реактивных промежуточных продуктов. Взаимодействие этих реактивных метаболитов, либо вторичных продуктов их превращения, с молекулами-мишенями приводит к нарушению клеточных функций. Изменения в клетках могут быть следствием как избирательного повреждения какой либо одной биохимической структуры, так и сочетанного повреждения нескольких структурно-функциональных элементов. Достаточно часто в ходе исследований удается идентифицировать реактивный метаболит, изучить особенности его взаимодействия с молекулами-мишенями, оценить факторы облегчающие и модулирующие эти взаимодействия. Становиться все более очевидным, что многие реактивные промежуточные продукты метаболизма ксенобиотиков появляются в форме свободных радикалов, т.е. на внешней орбитали молекулы метаболита находится неспаренный электрон. Центром образования такого радикала в молекуле могут быть атомы углерода, азота, кислорода, серы (рисунок 8):
Рисунок 8. Примеры простых свободных радикалов
Хорошо доказана возможность образования радикалов при метаболизме ацетаминофена, адриамицина (и других цитостатиков антрациклиновой группы), нитрофурантиона, параквата, фенилгидразина, четыреххлористого углерода, бенз(а)пирена и т.д. (рис. 9).
Рисунок 9. Структура веществ, подвергающихся биотрансформации с образованием активных радикалов
Наличие неспаренного электрона на внешней орбитали делает метаболит чрезвычайно реакционно-способным. Активные радикалы вступают внутри клетки в многочисленные реакции, в том числе, связываются с ненасыщенными жирными кислотами, отщепляют водород от других молекул, взаимодействуют друг с другом с образованием димеров и т.д.
Свободные радикалы, такие как анионы семихинонов, азо-анионы, анионы нитроароматических соединенй, биспиридиниевые катионы, могут активировать молекулярный кислород путем одновалентного восстановления последнего до супероксид-аниона (О2-*). Супероксид при взаимодействии с водой с большой скоростью дисмутирует с образованием перекиси водорода (Н2О2) и чрезвычайно активного оксиданта - гидроксильного радикала (*ОН). Некоторые металлы с переменной валентностью (медь, железо) способны катализировать в организме реакции такого типа. Эти, так называемые, вторичные радикалы представляют высокую опасность для клетки, поскольку, обладая достаточной стабильностью, также взаимодействуют с самыми разными биомолекулами, повреждают их и провоцируют формирование цепных реакций дальнейшего образования третичных и т.д. активных радикалов из липидов, аминокислот, компонентов нуклеиновых кислот, аскорбиновой кислоты, глутатиона и т.д. Интегральный эффект такого каскада радикал-инициирующих реакций приводит к значительному нарушению физиологии клетки, её повреждению, что на макроскопическом уровне проявляется в острой фазе некрозом ткани, развитием фиброза в пораженных органах, а в отдаленный период - появлением новообразований (рисунок 10).
Рисунок 10. Активация свободно-радикальных процессов в клетках и их последствия