Клиническая биохимия / Кленова Н.А. Биохимия патологических состояний

УДК 612.015 ББК 28.902

К 484

Рецензенты : д-р мед.наук И.Г. Кретова; д-р биол. наук В.С. Григорьев

Кленова Н.А.

К 484 Биохимия патологических состояний: учебное пособие / Н.А. Кленова; Федеральное агентство по образованию. Самара: Изд-во «Самарский университет», 2006 – 216 с.

Учебное пособие включает современные сведения о биохимических основах воспалительного процесса, параметрах гомеостаза и их регуляции, сдвигах гомеостаза при патологических состояниях. Подробно представлены диагностически важные ферментативные тесты с принципами определения. Содержатся современные данные о нарушениях обмена веществ, болезнях рецепции, «конформационных» болезнях. На основе новых исследований рассмотрены вопросы транспорта липопротеидных частиц кровью, взаимодействия их с клетками и современные механизмы развития атеросклероза.

Предназначено для студентов биологических факультетов, специализирующихся по биохимии, а также для аспирантов, медиков.

УДК 612.015 ББК 28.902

©Кленова Н.А.,2006

©Самарский государственный университет, 2006

©Издательство «Самарский университет», оформление, 2006

2

вклетках ………………………………………………………………… 160

3.1.Гипоксия как причина нарушений метаболических процессов

3.4.«Изнанки метаболизма» – химические процессы в клетках и организме………………………………………………………………… 204

Библиографический список………………………………………………… 208

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Еще в глубокой древности люди пытались понять, что лежит в основе

происходят в конце XIX – начале XX веков. Выдвинутая Р. Вирховым концепция «болезни» как результата повреждения клеток была подвергнута критике со стороны многих физиологов в основном из-за трактовки Р. Вирховым организма как простой совокупности клеток. Хотя в самой концепции Вирхова, особенно в регистрации им характерных повреждений соединительной ткани в процессе воспаления, очень много рационального.

Выдающийся физиолог И.В. Давыдовский трактовал болезнь как особую форму приспособленности. Причем Давыдовский высказывал мысль об относительной степени патогенности повреждающих факторов, которая определяется состоянием организма. Новый смысл понятие «болезнь» приобретает после формулировки состояния гомеостаза К.Бернаром. Вскоре У. Кэннон выдвигает концепцию нарушения гомеостаза как основу болезненного процесса [20].

Существенное значение для понимания реакции организма на действие повреждающих факторов и механизмов развития патологических процессов оказала концепция общего адаптационного синдрома Г.Селье, появившаяся в середине XX века [34]. Согласно современным представлениям, болезнь представляет собой «извращенный жизненный процесс», который включает как повреждения на уровне молекул и/или процессов, так и сдвиг гомеостаза (гомеокинез) и установление новых параметров системы, выходящих за рамки нормы реакции на изменение факторов среды. Если раньше основной причиной заболеваний считали действие факторов внешней среды на организм, то сейчас все большую популярность приобретает мнение, что молекулярные механизмы возникновения болезней заключены в самом организме, приводя в сочетании с факторами окружающей среды или самостоятельно к развитию заболевания [27].

Патологическая биохимия, представляя болезнь как нарушение физи- ко-химических процессов в клетках и организме, исходит из положения, что любые изменения нормальных функций в организме имеют в своей основе нарушения на молекулярном уровне.

4

При понимании болезни как извращенного жизненного процесса можно привести яркий пример, иллюстрирующий разницу между изменениями под действием определенного фактора на организм и взаимодействием повреждающего воздействия и ответной реакции организма на него. Обнаружено, что, применяя определенную методику охлаждения, можно крысу заморозить до состояния кусочка льда (-30С), а потом, согревая, также особым способом снова вернуть ее к жизни. Результаты такого эксперимента вполне объяснимы с точки зрения процессов жизни, основанных на функциях определенных молекул. Дело в том, что большая часть сил, соединяющих молекулы в живых организмах, относятся к «слабым» силам: таковы ван-дер-ваальсовы, гидрофобные и электростатические взаимодействия, водородные и ионные связи. Все эти силы в нормальных условиях уравновешены энергией термических столкновений молекул. Это обеспечивает возможность постоянного образования и разрыва связей, а также участие молекул в реакциях за счет изменения конформации в процессе выполнения своей функции (например, ферменты). Снижение температуры среды, в которой протекает реакция, вызывает снижение термической энергии соударения молекул. Результатом является преобладание сил связывания, в итоге обусловливающих полную неподвижность молекул и прекращение реакций. Почему же при действии даже более высоких, чем минусовые, температур организм может погибнуть? И что за условия необходимы для неповреждающего замораживания-оттаивания? Оказывается, что при обычном замерзании ферментные системы и метаболические процессы не прекращаются сразу, а некоторое время работают более напряженно. Это связано с возбуждением терморецепторов и мобилизацией гипоталамусом защитных механизмов повышения теплопродукции за счет стимуляции обменных процессов. Активация процессов обмена ведет к накоплению недоокисленных продуктов распада углеводов, жиров и белков, которые не успевают утилизироваться из-за блокирования ферментативной активности и нарушения регуляции и оказывают токсическое действие на организм. После согревания организм становится настолько поврежденным, что возвращение к жизни уже невозможно. Если же с помощью определенных веществ блокировать терморецепторы или центр терморегуляции в гипоталамусе и снижать температуру со скоростью одного градуса в минуту для предотвращения выхода воды из клеток и ее кристаллизации, то можно избежать повреждающего замораживания. Согревание организма в том же режиме позволит сохранить все жизненные функции. Именно поэтому у хладнокровных организмов, где в ходе эволюции сформировались соответствующие механизмы предотвращения кристаллизации воды внутри клеток, мы встречаем благополучное возрождение после полного замерзания (насекомые, лягушки).

Основные причины, приводящие к развитию заболеваний, в настоящее время делят на:

5

- генетические, метаболические

Сюда относятся поломки в наследственном материале, повреждения мембран и значимых функциональных молекул; дефицит или избыток нутриентов.

- экологические

Повреждения, вызванные факторами внешней среды при взаимодействии с внутренними процессами жизнедеятельности: болезнетворные микроорганизмы, действие физических факторов, ксенобиотиков.

- регуляторные

Изменение порогов чувствительности рецепторов, эндокринные нарушения, нарушения иммунитета.

У организмов имеется лишь ограниченный набор процессов реагирования на патогенные факторы. Наиболее универсальными из них являются воспаление, общий адаптационный синдром, склероз, дегенерация, гипертрофия и атрофия, неоплазия, фиброз, некроз и апоптоз клеток.

В настоящей книге мы попытались представить молекулярнобиохимические механизмы развития основных патологических состояний клеток и организма человека и высших млекопитающих, а также рассмотреть диагностическую ценность некоторых показателей клеточного и организменного метаболизма.

6

ГЛАВА 1

БОЛЕЗНЬ КАК ИЗВРАЩЕННЫЙ ЖИЗНЕННЫЙ ПРОЦЕСС

1.1. Биохимические основы процессов воспаления [3,26,27,42]

Воспалительная реакция – наиболее общая, универсальная (в определенном смысле) система процессов реагирования на действие разнообразных патологических факторов. Достаточно длительный период времени термин «воспаление» отождествлялся с определением болезни как таковой. Однако понятие «воспаление» очень сложно трактовать однозначно из-за чрезвычайного разнообразия явлений, сопровождающих развитие воспалительного процесса.

С одной стороны, любое повреждение тканей, действие чужеродных агентов приводят к воспалительной реакции организма. С другой, течение воспалительного процесса при бактериальной инфекции или попадании эндотоксинов в организм отлично от воспаления, вызванного травмой, ожогом, охлаждением, или от воспаления, сопровождающего аллергические явления.

В формировании представлений о природе воспалительного процесса существенное значение имели работы великих врачей-физиологов XIX века. Р. Вирхов, изучая состояние соединительной ткани при воспалении, выдвинул концепцию приоритета дегенеративных изменений клеток и основного матрикса соединительной ткани в развитии воспалительного процесса. Конгейм считал, что главным симптомом и следствием воспаления является повреждение сосудов. В 80-х годах XIX века И.И. Мечников обнаружил фагоцитарную активность лейкоцитов, скопление их и других мезехимальных клеток в месте воспаления. В настоящее время только комплексный подход к исследованию воспалительного процесса с точки зрения биохимических, патофизиологических, иммунологических и морфологических изменений позволяет осветить на достаточно хорошем уровне эту важную и очень сложную совокупность процессов.

Общебиологическая роль воспаления. Раскрытие общебиологической ро-

ли системы воспалительных процессов являлось и продолжает даже в настоящее время являться одной из труднейших задач. Начало воспаления может восприниматься как безусловно защитная реакция организма на чуже-

7

родную агрессию или повреждение под действием физико-химических факторов внешней среды. Затем воспалительная реакция становится похожей на извращенный жизненный процесс и может трактоваться как болезнь. Наблюдается сдвиг гомеостатических параметров: повышение температуры, рост давления, увеличение частоты дыхания и сердечных сокращений, а также содержания глюкозы в крови, изменение гормонального и иммунологического статуса. И, наконец, в случае действия сильно повреждающих факторов воспалительная реакция становится похожей на самоубийство. Если последовательно проследить за стремительно развивающимся процессом, например, септическим шоком, то убеждаешься в том, что смерть организма в данном случае хорошо спланирована самим организмом. Лавинообразно нарастающий поток медиаторов воспаления наносит такие повреждения самому организму, что смерть становится неизбежной.

Этот, казалось бы, парадоксальный эффект понятен с точки зрения эволюционной концепции. Как показали исследования, некоторые штаммы E.coli имеют неактивную форму специфической протеазы, которая активируется в условиях заражения штамма определенным вирусом. Активирует фермент небольшой вирусный полипептид, который связывается с ним. Активная протеаза расщепляет фактор элонгации трансляции EFTU, что приводит к прекращению синтеза белков и гибели клетки. Гибель зараженной вирусом бактерии предотвращает распространение опасной инфекции и спасает популяцию [38].

Раскрывая общебиологическую роль системы воспалительных процессов, необходимо рассмотреть фазы развития воспалительной реакции организма. Общепринято выделять следующие фазы воспалительных процессов:

–освобождение низкомолекулярных медиаторов воспаления;

–активация протеаз крови и тканей и образование высокомолекулярных медиаторов, представляющих собой фрагменты белков, распавшихся при усилении свертывания, фибринолиза, кининогенеза;

–активация комплемента.

Низкомолекулярные медиаторы воспаления. К низкомолекулярным медиаторам воспаления следует отнести гистамин, серотонин, кинины (главным образом, брадикинин), гепарин.

Гистамин образуется в тучных клетках из гистидина под действием гистидиндекарбоксилазы:

8

Наряду со специфическим ферментом эта реакция катализируется декарбоксилазой ароматических L-аминокислот, осуществляющей также декарбоксилирование дофамина (3,4-диоксифенилаланина), 5-гидрокси-триптофана, фенилаланина, тирозина и триптофана. Данная малоспецифическая декарбоксилазаin vivo и in vitro ингибируется α-метиламинокислотами, которыеприменяютсявклиникевкачествегипотензивныхсредств[26].

Гистамин присутствует в тучных клетках в качестве готового продукта в виде гранул, содержащих также гепарин и серотонин. Небольшое количество гистамина обнаруживается у человека также в тромбоцитах [2].

Освобождение гистамина из тучных клеток происходит либо без их разрушения, либо после разрушения этих клеток, которое характерно для состояния анафилактического шока. Освобождениегистамина без разрушения тучных клетокпредставляетсобойсложныйидоконцаещенеизученныйпроцесс.

Освобождение стимулируется взаимодействием с тучной клеткой комплекса антиген-антитело. Для реализации эффекта необходимо присоединение не менее двух комплексов с помощью Fc-фрагментов антител к клетке. При связывании происходит изменение проницаемости плазматической мембраны для ионов кальция, и кальций устремляется внутрь тучных клеток. Далее события развиваются по следующей схеме: Са2+→активация проэстеразы → активация эстеразы → активация профосфолипазы А → активация фосфолипазы А → лизис фосфатидов → каналы в мембране → выход гистамина.

Роль кальция не сводится только к активации Са2+-зависимых ферментов (проэстеразы, эстеразы, фосфолипазы), но и включает запуск сократительной активности микротрубочек и микрофиламентов, продвигающих гранулы с гистамином к мембране.

Основная роль в освобождении гистамина отводится фосфолипазе А. Действие фосфолипазы А включает ряд последовательных этапов: (1) превращение фосфатидов мембраны в лизофосфатиды путем отщепления арахидоновой кислоты, при этом уменьшается вязкость бислоя фосфолипидов, так как фосфатиды имеют слоистое строение, а лизофосфатиды – гранулярное; (2) отщепление специфического фосфолипида от рецепторного участка аденилатциклазы, что препятствует ее активации и образованию цАМФ, который угнетает освобождение гистамина; (3) подавление активности Са2+-АТФ-азы, осуществляющей откачку кальция из клеток.

Регулирующее действие на освобождение гистамина оказывают цАМФ (тормозит освобождение) и цГМФ (стимулирует освобождение). Поэтому адреналин, активирующий аденилатциклазу через β-адренорецепторы, угнетает освобождение гистамина. Ингибиторы β-адренорецепторов (β-блокаторы), наоборот, стимулируют выход гистамина из тучных клеток. Препараты, воздействующие на α-адренорецепцию, повышают выделение гистамина за счет снижения уровня цАМФ. Наконец, вещества, угнетающие фосфодиэстеразу цАМФ

9

(фермент, разрушающий цАМФ), например никотинамид, подавляют освобождениегистаминазасчетподдержаниявысокогоуровняцАМФ.

Механизмы взаимодействия гистамина с клетками-мишенями. Ре-

цепторы, воспринимающие гистамин, относятся к семейству одноцепочечных рецепторных гликопротеидов, локализованных в плазматической мембране. Характерной особенностью данных рецепторов является наличие семи гидрофобных α-спирализованных «стопкообразных» структур в толще мембраны и соединяющих их трех примембранных петель. N-конец (экстрацеллюлярный) имеет два углеводных фрагмента и ответственен за связь с лигандом. С-конец (интрацеллюлярный) свободно погружен в цитозоль. Связывание гормона изменяет конформационное состояние «стопкообразных» структур и примембранных петель, резко повышая их сродство к ГТФ-зависимым белкам (G-белкам). В случае гистамина (α-адренорецепция) рецептор сопряжен с Gi-белком, α-субъединица которого блокирует активность аденилатциклазы, что сопровождается транслокацией в мембрану и активацией фосфолипазы А.

Лизис фосфатидов ведет к резкому увеличению проницаемости плазматической мембраны клетки-мишени, чем и обусловлены физиологические эффекты гистамина: образование покраснения в месте локального действия, появление отека. Действие фосфалипазы А приводит также к освобождению арахидоновой кислоты и ее производных, обладающих высокой биологической активностью: простагландинов, простациклинов, тромбоксанов, лейкотриенов. Все эти соединения играют важную роль в развитии воспалительной реакции, обеспечивая такие физиологические эффекты, как повышение температуры, сосудистые изменения, активацию свертывающей и противосвертывающей систем крови и иммунокомпетентных клеток.

Разрушение гистамина осуществляет фермент диаминоксидаза (К.Ф.1.4.3.6.), которая действует также на некоторые другие диамины: кадаверин и путресцин.

Серотонин является производным триптофана и синтезируется в клетках пищеварительного тракта, нервных (серотонинэргических) и тучных клетках. Первой реакцией синтеза служит гидроксилирование под действием специфической гидроксилазы в 5-окситриптофан. Затем 5-окситриптофан с помощью 5-окситриптофандекарбоксилазы превращается в 5-окситриптамин (серотонин):

10