Клиническая биохимия / Кленова Н.А. Биохимия патологических состояний
.pdfПрямому цитотоксическому действию макрофага на опухолевые клетки предшествует процесс распознавания. Распознавание протекает по универсальным механизмам: связывание Fc-фрагмента-рецептор макрофагов с Fc-фрагментами антиопухолевых антител, фиксированных к антигенам на поверхности опухолевых клеток. После этих контактов макрофаг способен повреждать ее с помощью секретируемых им факторов: ФНОα (интерферон), лизосомальных ферментов, активных форм кислорода.
Макрофаг оказывает противоопухолевое действие и опосредованно путем выделения им опухолецидных монокинов, а также через активацию им Т-киллеров, NK-клеток и полиморфноядерных лейкоцитов. Основными опухолецидными цитокинами являются: ФНОα (кахектин), ИЛ-1, ИНФγ.
Почему же иммунная система, как правило, не может эффективно защищать организм от развития опухоли? Причины данного явления могут быть следующие:
1.Антигенность большинства спонтанных опухолей низкая, что делает их трудно распознаваемыми клетками иммунной системы.
2.На поверхности клеток опухоли нарушена экспрессия антигенов к I классу ГКГС, что отрицательно сказывается на связывании Т-киллеров с опухолевой клеткой.
3.Ряд опухолей имеет упрощенный антигенный состав.
4.Рост опухоли при связывании его противоопухолевых антител усиливается, что маскирует ее от Т-киллеров и NK-клеток.
5.Имеется общая и местная иммунодепрессия.
Клетки многих опухолей способны выделять простагландины и лейкотриены, вызывающие развитие функционального дефицита иммунной системы. Также они стимулируют их синтез клетками иммунной системы
– макрофагами, В и Т-лимфоцитами. Опухолевый рост сопровождается прогрессирующим, генерализованным антигеннеспецифическим иммунодефицитом.
В трансформированных клетках нарушен синтез кейлонов (вещества, способствующие дифференцировке), что может быть одной из причин изменения их дифференцировки.
Многообразное действие на клетки оказывают гормоны. Стрессорные гормоны (адреналин, кортизон) блокируют деление опухолевых клеток. Гормоны яичников стимулируют развитие рака молочной железы, андрогены тормозят его развитие. Эстрогены же уменьшают скорость образования рака предстательной железы.
Опухоль оказывает как местное, так и генерализованное воздействие на организм-опухоленоситель. Местные изменения возникают в результате паракринных воздействий на клетки прилежащих тканей и ЭЦМ стромы. Опухолевые клетки секретируют онкобелки, факторы роста, другие цитокины и метаболиты. Взаимодействие трансформированных клеток с компонентами ЭЦМ происходит за счет адгезивных молекул и интегриновых
191
рецепторов и имеет большое значение при инвазии и метастазировании. Системное действие опухоли выражается в развитии общей иммунодепрессии, кахексии и паранеопластических синдромов: нейропатий, миопатий, дерматопатий, тромбопатий, гормонального дисбаланса. Нейропатии нередко сопровождают рак легкого, молочной железы, яичников, нейроопухоли. Миопатии встречаются у больных с раком легкого, молочной железы, толстой кишки. Дерматопатии, дерматиты, экземы, герпес, пигментации встречаются у многих онкобольных. Пигментация очень часто сопровождает рак поджелудочной железы. Мигрирующий тромбофлебит характерен для карциномы желудка.
Гормональные синдромы многочисленны и могут быть подразделены на синдромы, вызванные гормонально активными опухолями эндокринных желез; и синдромы, связанные с эктопической продукцией гормонов опухолями других тканей.
Прогрессия опухоли – это сложный многостадийный процесс, который включает бесконтрольный автономный рост, поликлоновость, способность к инвазии и метастазированию. В ходе опухолевой прогрессии происходят качественные изменения опухолевой ткани, увеличивающие различия между ней и исходной нормальной тканью. Изменение метаболизма опухолевых клеток выражается в усилении гликолитических процессов, пентозофосфатного окисления глюкозы за счет недостаточного снабжения кровью и дефицита кислорода. Наблюдаются упрощение спектра и даже утрата ряда ферментов, регуляторных и структурных белков, а также рецепторов. Происходят антигенное упрощение опухолевых клеток или появление новых, опухолеспецифических антигенов, экспрессия эмбриональных антигенных структур. Автономность опухоли обеспечивается переходом на аутокринный и паракринный механизмы регуляции. Ключевыми событиями прогрессии опухоли становятся инвазия и метастазирование. Инвазия проходит в три стадии.
1). Ослабление контактов между опухолевыми клетками; снижение концентрации адгезивных молекул и Са2+ на поверхности клеток, что приводит к повышению клеточного заряда. Затем опухолевая клетка прикрепляется интегриновыми рецепторами к компонентам ЭЦМ.
2). Опухолевая клетка секретирует протеолитические ферменты, под действием которых разрушается ЭЦМ. Продукты деградации компонентов ЭЦМ являются хемоаттрактантами для опухолевых клеток, которые мигрируют в зону деградации ЭЦМ.
3). Рост опухоли в сторону деградации ЭЦМ.
Метастазирование опухолевых клеток обеспечивается рядом свойств, которыми должны обладать клетки данной опухоли. Прежде всего, это возможность проникновения в мелкие кровеносные сосуды, оно может быть активным и пассивным. Далее клетки должны успешно отделиться от стенки сосуда в кровеносное русло, сохранить жизнедеятельность после
192
контакта в крови с иммунокомпетентными клетками и другими факторами иммунной защиты и осуществить инвазию и рост на новом месте, в новом окружении [18].
В настоящее время предлагается гипотеза, в которой раковые клетки рассматриваются как киллеры, запускающие программу гибели организма, в клетках которого превышен «критический уровень мутагенеза». Реализация программы гибели «выбраковывает» из популяции особь, генетическая ущербность которой представляет угрозу для популяции [15].
3.3. Действие ксенобиотиков на клетки [3,20,26]
Термин ксенобиотики означает в буквальном переводе «чужие для жизни». К ним относят действительно чужеродные для клеток и организмов соединения, обычно не встречающиеся в их составе. Такими веществами являются многие лекарственные соединения, пестициды, промышленные яды, отходы производств, ряд пищевых добавок, косметические средства и пр. Сам термин довольно условный, поскольку для одних организмов то или иное вещество может быть естественным, а для других будет ксенобиотиком. Например, алколоиды и яды растений, яд пчел, змей, бактериальные токсины. Некоторые соединения (например, этиловый спирт) могут быть одновременно естественными и чужеродными для одного и того же организма.
Понятие о токсичности ксенобиотиков. Их классификация
К ксенобиотикам относят:
•различные газообразные вещества, загрязняющие биосферу;
•тяжелые металлы;
•удобрения;
•органические соединения (лекарства, пестициды, гербициды и пр.);
•радиоактивные вещества.
Из газообразных соединений опасность представляют оксиды углерода, азота и серы. Монооксид углерода (угарный газ) образуется при неполном сгорании топлива, при активации вулканической деятельности, окислении метана. Много монооксида углерода содержится в выхлопных газах автомобилей, в табачном дыме и дыме, образующемся при сгорании органических веществ (в печах, кострах, при пожарах). Поступая в организм человека и животных, угарный газ вступает во взаимодействие с гемовыми структурами, образуя стойкие соединения, утрачивающие свою функцию. Прежде всего, опасно образование карбогемоглобина, который трудно подвергается расщеплению и неспособен присоединять кислород. Монооксид углерода химически агрессивен и образует высокотоксические соединения – карбонилы.
Скорость связывания монооксида углерода с гемом зависит от его концентрации, интенсивности обмена веществ в клетках и организме, в частно-
193
сти, от частоты дыхания. Насыщение гемоглобина монооксидом углерода, содержание которого в воздухе составляет 0,1%, при интенсивности дыхания 10 л/мин происходит через 6 часов, а при значительных физических нагрузках и более интенсивном дыхании (30 л/мин) – через 2 часа [26].
Утилизацию выделяемого в атмосферу монооксида углерода осуществляют микроорганизмы, имеющие в клетках СО-дегидрогеназный комплекс ферментов, катализирующий реакцию включения монооксида в органические соединения. Особенно много бактерий, способных к данным превращениям, обитает в почве. Растения способны включать СО в метаболизм через реакцию связывания с серином и дальнейшего окисления в СО2.
Оксиды азота и серы выбрасываются в атмосферу промышленными предприятиями при сжигании мазута, торфа, каменного угля и других ископаемых видов топлива. Количество выбросов оксидов азота и аммиака составляет примерно 200-300 млн тонн в год. Часть присутствующих в атмосфере оксидов азота и серы образуется естественным путем: при вулканических извержениях, электрических разрядах, жизнедеятельности бактерий. За счет естественных процессов в биосфере ежегодно накапливается 110 млн т оксидов азота, еще 53 млн т привносится антропогенно. Велико содержание оксида и диоксида азота в табачном дыме, выкуривание одной сигареты сопровождается выделением в воздух 160-500 г оксида азота.
Основную токсикологическую опасность представляет диоксид азота. Его биохимические эффекты обычно связаны с быстрым снижением концентрации глутатиона в тканях легких и печени, вступлением в реакции с образованием нитритов и нитратов, ферментативным их восстановлением в окись азота и дальше в пероксинитрит. Опасность представляют также реакции с образованием нитрозоаминов. Диоксид азота в концентрациях 40-140 мг/л при экспозиции не более часа может вызвать развитие бронхита и бронхопневмонии. Наиболее опасное проявление острого отравления оксидами азота – отек легких.
Выбросы крупных промышленных предприятий вместе с оксидами азота также содержат оксиды серы. При выплавке меди, свинца и цинка количество образующегося диоксида серы достигает 15 млн. т. Воздействие оксидов серы на дыхательные пути вызывает развитие респираторных заболеваний у человека и животных, ослабляет иммунную систему. Часть оксидов азота и серы сорбируется почвой, попадает в воду и выпадает в виде кислотных дождей, которые снижают интенсивность фотосинтетических процессов у растений, подкисляют водоемы и почву.
При накоплении в атмосфере фторсодержащих углеводородов уменьшается содержание озона. Общие выбросы углеводородов в атмосферу составляют не менее 200 млн т в год. Особенно опасны для живых организмов полициклические ароматические углеводороды, в частности бензапирен, образующиеся при сгорании различных видов топлива и вызывающие канцерогенные и мутагенные эффекты.
194
К солям тяжелых металлов, отличающихся наибольшей токсичностью, относят соли ртути, свинца, кадмия и хрома. Соли цинка, меди, титана менее токсичны для наземных животных, но в малых концентрациях губительны для водных экосистем. Соли тяжелых металлов распространяются в биосфере за счет выброса их при переработке руд, при сжигании топлива, сбросов в водоемы сточных вод предприятий, с полей, где использовались пестициды,
всостав которых они входят. Часто происходит депонирование металлов в придонных слоях, особенно в холодное время, при потеплении они переходят
врастворенное состояние и отравляют водоемы.
Токсичность тяжелых металлов в основном определяется их ингибирующим действием на ферментативную активность. Комплексы ферментов с ионами тяжелых металлов устойчивы, и ингибирование принимает необратимый характер. Многие металлы накапливаются в организмах, и при попадании их действие осуществляется длительный период времени. Кадмий, например накапливается в печени, почках, поджелудочной и щитовидной железах. Высокой чувствительностью к кадмию характеризуются водные организмы. Соли кадмия накапливаются в водных растениях и, поедая их, животные погибают.
Основным источником свинца является этилированный бензин, много свинца содержится и в табачном дыме. Токсикологическое действие свинца обусловливается его активным всасыванием в пищеварительном тракте животных и последующим накоплением в костной и других тканях. Случаи хронического отравления свинцом отмечаются при содержании его в питьевой воде 0,04-1 мг/л. Биохимические механизмы отравляющего действия свинца связаны с необратимым ингибированием большого количества ферментов, особенно энергетического катаболизма, гемсодержащих ферментов. Свинцовая интоксикация вызывает нарушение биосинтеза гемовых структур за счет ингибирования левулинатдегидрогеназы и гемсинтетазы. В связи с этим отмечается нарушение функций всех гемсодержащих белков: цитохромов, гемоглобина и миоглобина.
Определенную роль в накоплении свинца в экосистемах играют растения, поглощающие его из почвы. С растительной пищей свинец попадает в животные организмы.
Ртуть и ее соли относятся к веществам общетоксического действия. Наиболее токсична двуххлористая ртуть (сулема), однократная летальная доза составляет для человека 0,2-0,5 г. Основной точкой приложения соединений ртути также являются ферменты, активность которых необратимо блокируется. Ртуть характеризуется высокой нефротоксичностью, поражением нервной системы и органов чувств.
Самую большую и многообразную группу ксенобиотиков представляют органические соединения. Сюда относятся нефть и нефтепродукты, пестициды, поверхностно-активные соединения, лекарства, многие краси-
195
тели, органические токсины. Полную их характеристику можно найти в специальной литературе, посвященной ксенобиологии.
Широкое использование ксенобиотиков-пестицидов (гербицидов, инсектицидов, фунгицидов) в сельском хозяйстве создает определенную опасность загрязнения окружающей среды, попадания этих соединений и их производных в растения, животных и человека. Поэтому немало усилий направлено на создание более эффективных, но менее опасных для других организмов ксенобиотиков-пестицидов. В настоящее время наиболее распространены два класса пестицидов: фосфорноорганические (ФОП) и хлорорганические (ХОП). Первые очень опасны для высших животных, в том числе человека. В основе их токсичности лежит необратимое ингибирование ацетилхолинэстеразы и нарушение обмена ацетилхолина, что сопровождается подавлением процессов передачи нервных импульсов в холинэргических синапсах. Кроме того, установлено повреждающее действие ФОП на мембраны клеток путем инициации перекисного окисления липидов, нарушения транспорта Са2+ в микросомах за счет ингибирования кальциевой АТФ-зы. Положительными сторонами ФОП является быстрая деградация их при попадании в почву. При попадании в водоемы ФОП подвергается гидролитическому расщеплению. Хлорорганические соединения еще более опасны, так как плохо деградируют и способны накапливаться как в почве, так и в некоторых организмах, особенно в организмах насекомых. Классическим примером является дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ), запрещенный к производству во многих странах в 60-е годы XX века. Длительное пребывание ДДТ в почве приводит к накоплению его в растениях. Липофильность ХОП определяет их повреждающее действие на биологические мембраны, также они влияют на активность ферментов уг- леводно-фосфорного обмена. Большинство ХОЛ, как мощные ксенобиотики, стимулируют индукцию микросомальных гидроксилаз, в частности системы цитохрома Р-450.
В настоящее время серьезную угрозу экологического загрязнения представляют полихлорфенилы, применяемые в гидравлических системах, в трансформаторах, в составе смазочных масел и в качестве пестицидов. Неимоверно возросло производство поверхностно-активных веществ, которые, являясь амфифильными соединениями, легко переносятся в водную среду и распространяются на большие расстояния. Их эффекты обусловлены солюбилизирующим действием на мембраны. Детергенты растворяют водонерастворимые белки, удаляя их из мембран, модифицируют активность ферментов, активируя ряд их при низких концентрациях и ингибируя большинство при высоких.
Негативное воздействие многих ксенобиотиков осуществляется за счет продвижения их по пищевым цепям и концентрации в организмах. Ряд ксенобиотиков относят к сильнодействующим ядам и токсинам. Яды и токсины – вещества высокой биологической активности и исключительной
196
селективности, вызывающие структурные и функциональные изменения, ведущие к развитию патологических состояний (отравлений). Поэтому все пищевые продукты, лекарственные соединения, биоактивные пищевые добавки, парфюмерные и косметические средства проходят тест на токсичность. Тот или иной ксенобиотик обладает своей мерой токсичности, которая обычно определяется как концентрация, вызывающая 50% гибель клеток (цитотоксичность LС50), или доза, вызывающую гибель 50% организмов (LD50). Тогда как многие яды в минимальных дозах используются как лекарственные соединения. Понятие токсичности часто отличают от понятия опасности. Тогда как токсичность – это мера несовместимости ксенобиотика с жизнью, опасность – вероятность появления вредных для организма эффектов при их соприкосновении с организмом. Наиболее токсичен ботулинический токсин – белок из Clostridium botulinum, из не-
белковых соединений очень токсичны майтотоксин и палитоксин. Цианид натрия слабее их по токсичности в 105 раз.
В зависимости от источника и практического применения токсины делят на несколько групп:
1)промышленные яды (органические растворители, красители, химические реагенты органического синтеза);
2)химические удобрения и пестициды;
3)лекарства и отходы фармацевтической промышленности;
4)бытовые химикаты;
5)растительные и животные яды;
6)боевые отравляющие вещества.
Для человека токсины классифицируют по преимущественному поражению тех или иных органов или клеток и подразделяют на следующие категории:
1)сердечные яды (сердечные гликозиды, трициклические антидепрессанты, растительные и животные яды);
2)нервные яды (ФОП, угарный газ, алкоголь, сероуглерод, лекарственные препараты);
3)печеночные яды (хлорированные углеводороды, органические растворители, спирты, фенолы, тяжелые металлы, грибные токсины);
4)почечные яды (соединения тяжелых металлов, этиленгликоль, щавелевая кислота);
5)гемические яды (бензол, анилин и его производные, нитриты, мышьяковистый водород, цианиды);
6)желудочно-кишечные яды (концентрированные кислоты и щелочи, соединения мышьяка и тяжелых металлов);
7)легочные яды (паракват, оксиды азота, фосген и др.).
197
Устойчивость живых систем к воздействию ксенобиотиков определяется не только интенсивностью влияния химического реагента (доза, длительность), но и способностью его к биотрансформации и производству токсичных продуктов, а также скоростью разрушения ксенобиотика в окружающей среде. В связи с этим ксенобиотики различают также по типу биологического действия на клетки и организмы (мембранотропный, разобщитель дыхания и фосфорилирования, ингибиторы ферментов и процессов синтеза ДНК, РНК); по видам токсичности и опасности (мутагенная, канцерогенная и пр.); по избирательности действия; по пороговым значениям токсического действия; по характеру фармакологического действия (нейролептики, снотворные, гормональные и пр.).
Связь между структурой и действием ксенобиотиков. Основные механизмы действия ксенобиотиков
В настоящее время эффективно применяется программа для установления предполагаемой биологической активности вновь синтезируемого ксенобиотика по его структуре и функциональным группам. Однако структура отражает только физические и химические свойства данного соединения, но не полностью определяет его активность по отношению к биологическому тест-объекту и различным организмам. Под активностью ксенобиотика понимают его способность к взаимодействию с центрамимишенями, цепь возможных химических реакций, следующих после взаимодействия, и формирующийся затем физиологический эффект.
Как правило, биологическая активность ксенобиотиков коррелирует с его способностью определенным образом распределяться между липидной и водной фазами. Например, даже инертные в химическом отношении органические вещества, но растворимые в липидах обладают биологической активностью (обычно наркотической). Поэтому одним из самых значительных механизмов действия ксенобиотиков на биологические объекты являются мембранотропные эффекты. Под мембранотропным эффектом можно понимать как прямую, так и косвенную модификацию мембранных структур клеток: внедрение в фосфолипидный бислой; воздействие на рецепцию; нарушение транспортных процессов и др.
Условно можно выделить следующие типы мембранотропности ксенобиотиков:
•действие на мембранную рецепцию;
•стимуляция или угнетение процессов, протекающих в мембранах;
•изменения барьерно-транспортных свойств мембран;
•функциональное взаимодействие с мембранотропными соединениями (лигандами, агонистами, антагонистами и т.д.).
При рассмотрении всякого экзогенного влияния ксенобиотика на биологический объект предполагается, что молекула эффектора сначала свя-
198
зывается мембранными центрами, инициируя затем реакцию клетки. Анализ этого процесса делят на три этапа:
-установление характера и локализации центров связывания в мембране;
-оценка сродства к ним эффектора;
-исследование развития реакции объекта на образование комплексов
центров связывания с молекулами эффекторов [26].
Следует помнить, что большинство ксенобиотиков чужды клеткам и организмам, но многие из них (особенно лекарственные препараты) могут химически быть похожими на биологически активные соединения, к которым у клеток имеются специфические рецепторы. В этом случае ксенобиотики действуют либо как агонисты (ряд синтетических гормональных препаратов), либо как антагонисты (бета-блокаторы, антагонисты кальциевых каналов).
Наибольшим мембранотропным эффектом обладают амфифильные ксенобиотики, так как бислой фосфолипидов также имеет амфифильный характер. Типичными амфифильными ксенобиотиками являются поверх- ностно-активные вещества (ПАВ) (детергенты). При поэтапной обработке клеток детергентом увеличивающейся концентрации выявлены четыре различные стадии: связывание детергента с мембраной; лизис; диссоциация мембраны на смесь комплексов липид-детергент; протеин-липид- детергент и высвобождение из комплексов чистых белков.
Важное значение в механизме действия ксенобиотика на клетку имеет его способность проникать внутрь нее. Ксенобиотики могут поступать
вклетки по всем известным на настоящий момент механизмам мембранного транспорта. В случае пассивной диффузии ксенобиотик проходит через мембрану в результате случайного молекулярного движения, причем так как сердцевина мембраны – гидрофобная область, неполярные соединения проходят по данному механизму сравнительно легко. Гидрофобные группировки способствуют пассивному транспорту, гидрофильные уменьшают его вероятность. Например, пропиловый спирт проникает в клетку в три раза быстрее, чем этиловый, а бутиловый – в 10 раз быстрее. Вещества, не растворимые в липидах, с размером молекул более 0,4 нм не диффундируют через мембраны. Типичным таким соединением является глюкоза, шестиатомный спирт с размером молекулы 0,42 нм. Однако глюкоза и другие гексозы прекрасно транспортируются в клетку за счет облегченной диффузии с помощью белка-переносчика. Наличие специфических переносчиков, взаимодействующих с веществами определенного строения, обусловливает резко выраженную зависимость проникающей способности вещества от его химической структуры, и в частности, от пространственной конфигурации его молекул [3,20].
Ксенобиотики могут изменять проницаемость мембран, а, поступив
вклетку, вступают во взаимодействие с компонентами цитоплазмы, могут
199
вызвать гель-золь переходы, подвергаться химической деградации. Известно, что действие многих антибиотиков связано с изменением проницаемости бактериальных мембран за счет уплотнения фосфолипидного слоя, уменьшения гидрофильных пор, блокирования переносчиков, ингибирование синтеза белков, участвующих в транспорте. К подобным ксенобиотикам относятся хлорпромазин, таннин, уабаин, динитрофенол, цеклогексамид и др. Установлено, что в клетку плохо поступают антибиотики, обладающие выраженными кислотными или основными свойствами (пенициллин, стрептомицин, новобицин) и хорошо – нейтральные (левомицитин, тетрациклин).
Основными путями поступления ксенобиотиков в организм человека являются проникновение через органы дыхания и кожу, а также через пищеварительный тракт. Через слизистую оболочку дыхательных путей поступают ксенобиотики, находящиеся в газо- и парообразном состоянии, в виде аэрозолей и пыли. Через кожу проникают преимущественно липофильные вещества, находящиеся в жидком или газообразном состоянии, при непосредственном контакте. В пищеварительный тракт ксенобиотики могут поступить случайно с отравленными продуктами питания, водой и закономерно с целью лечения (лекарственные препараты).
Распределение ксенобиотиков в жидкостях и тканях организма человека определяется способностью данных соединений к абсорбции, механизмом транспорта внутрь клеток (активный, пассивный). Существенным моментом является липофильность ксенобиотика: чем больше, тем выше способность распределяться в тканях; а также возможность чужеродного соединения связываться с белками крови, в частности, с сывороточным альбумином.
Довольно легко чужеродные соединения поступают в растения, накапливаются в них, а затем с растительной пищей попадают в организмы животных. Корневой системой растений поглощается широкий спектр как гидрофильных, так и липофильных ксенобиотиков: алифатических и ароматических углеводородов, спиртов, фенолов, аминов, гетероциклических веществ и др. При наличии ксенобиотиков в атмосфере (опыление или опрыскивание различными пестицидами или регуляторами роста) они поступают в растения через листовые пластинки. Ксенобиотик проникает в ткани листьев через устьица или кожицу листа. В распределении ксенобиотиков в тканях растения большую роль играют сосуды ксилемы и флоэмы. Ряд гербицидов, переносимых через сосуды ксилемы, поступает в корни растений и быстро создает токсические концентрации в различных наземных органах растений. В то же время очень редко отмечается аккумуляция ксенобиотиков, продвигающихся по флоэме.
Ряд гидрофильных ксенобиотиков выделяется из организма в неизменном виде, но большая часть попавших в клетку ксенобиотиков подвергается метаболическим превращениям с участием в основном гидроксилаз,
200