Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физиология адаптационных процессов. Учебное пособие
.pdf
Вызванное стрессом увеличение в синтезе NO может происходить
или вследствие активации имеющейся NO-синтазы, или за счет увеличенного формирования NO-синтазы de novo.
Активация NO-синтазы может быть вызвана: 1) увеличенной концентрацией внутриклеточного кальция; 2) активацией свободнорадикального окисления; 3) увеличенной концентрацией свободных
жирных кислот.
Индукция стрессом генов, кодирующих NO-синтазу, может происходить в результате активации факторов транскрипции. Активация
этих факторов может быть вызвана свободными радикалами, кальцием, цитокинами, интерликинами. Показано, что уровни факторов,
активирующих или стимулирующих NO-синтазу, неспецифично увеличены при любом стрессе.
Кроме того, показано, что увеличение содержания NO может не
зависеть от NO-синтазы. NO может образовываться из нитритов азотистокислыми реакциями редуктазы, например при гипоксии, или
не ферментной химической трансформацией, как показано для ишемии изолированного сердца. Однако запуск этих механизмов связан
с действием специфических факторов, таких как гипоксия или ишемия, а не с неспецифической стресс-реакцией.
Правая часть схемы иллюстрирует возможные NO-зависимые механизмы контроля стресс-реакцией (рис. 7).
Структурные, морфологические основы NO-зависимого контроля
центральных связей стресс-реакции обеспечиваются в действительности тем, что гипофиз иннервируется широко разветвленной NOергической сетью из гипоталамуса. NO модулирует секрецию основных гипофизарных гормонов стресса, таких как пролактин, лютеинизирующий гормон, кортикотропин-релизинг-фактор, вазопрессин
и гормон роста. Это предполагает важную роль NO в регулировании
гипофизарной функции и, следовательно, в предотвращении чрезмерной активации центральных отделов стресс-системы. Это подтверждается тем, что донор NO (динитрозильный комплекс железа,
DNIC) значительно снижает связанное со стрессом поведение крыс.
При блокировании выделения гипофизарных гормонов стресса
NO снижает активность периферического отдела стресс-системы.
Тем не менее, имеются другие NO-зависимые механизмы, которые
ограничивают стресс-реакцию непосредственно на уровне ее периферического отдела.
Это следует из схемы, на которой видно, что NO может блокировать выделение гормонов стресса на периферии и прямо защищать
клетки и организм от стрессорного повреждения (рис. 7).
NO ограничивает выделение симпатических медиаторов как
на уровне надпочечников, так и на уровне нервных окончаний.
91
NO-ергические нейроны обильно иннервируют мозговое вещество
надпочечника. Кроме того, нервные волокна непосредственно контактируют с хромафинными клетками, которые синтезируют катехоламины. Поэтому NO эффективно подавляет стрессорное освобождение катехоламинов из надпочечников. На уровне нервных терминалей NO подавляет выделение катехоламинов из пресинаптических
мембран. Процесс может эффективно потенцироваться NO, который
выделяется из тех же самых терминалей симпатических нервов. Важная роль NO в ограничении выделения катехоламинов на периферии
подтверждается тем, что ингибирование синтеза NO приводит к резкой активации симпатической нервной системы и устойчивой гипертонии.
Один из защитных механизмов NO связан с его способностью активировать антиоксидантные ферменты и экспрессию генов, кодирующих эти ферменты. Кроме того, сама молекула NO обладает антиоксидантными свойствами. Эти механизмы могут лежать в основе
эффективного ограничения активации свободнорадикального окисления при стрессе.
Показано, что NO может предотвращать увеличение в концентрации внутриклеточного Ca2+. Этот эффект NO может ограничивать
отрицательный эффект кальция на сердце и кровеносные сосуды.
Особенно важно, что этот эффект имеет место в условиях ингибирования Ca2+-ATPазы, который является типичным для повреждений
при стрессе.
Недавно установлено, что NO активирует синтез белков теплового шока (БТШ), предупреждающих стресс. БТШ участвуют в ренатурации белков, поврежденных стрессом. Это означает, что NOзависимая активация БТШ70 может составлять важный механизм
антистрессорной защиты клеток.
Один из механизмов вызванного стрессом повреждения мембран
связан с простагландинами группы E. Установлено, что NO может
активировать циклооксигеназу и, таким образом, стимулировать синтез этих цитопротекторных простагландинов. Имеются также данные
о том, что NO может ингибировать циклооксигеназу, связывая ее гемобелковую группу. Способ влияния NO на синтез простагландинов
определяется периодом воздействия и концентрацией NO.
Наконец, NO играет ключевую роль в агрегации и агдезии форменных элементов крови. Поэтому NO может ограничивать повышение тромбогенеза, вызванного стрессом, и, следовательно, снижать такие осложнения длительного стресса, как ишемическое повреждение сердца и мозга.
Таким образом, представленные факты позволяют заключить, что
NO должен способствовать регулированию стресс-реакции через
92
ограничение ее сверхактивации и повреждающего действия на центральном и периферическом уровнях.
Экспериментально было показано, что увеличение в уровнях NO,
вызванное, например, донорами NO, ограничивало сверхактивацию
стресс-системы и, наоборот, уменьшение в продукции NO, вызванное, например, ингибиторами NO-синтазы, потенцировало повреждающее действие факторов окружающей среды.
Изучали изменения в продукции NO и действии доноров NO и
ингибитора NO-синтазы на устойчивость крыс к четырем различным
мощным стрессогенным факторам: 1) плавание с большой нагрузкой
до отказа от плавания; 2) иммобилизация с погружением в воду на
3 ч, приводящая к явному образованию язв желудка; 3) острая гипобарическая гипоксия, вызванная нахождением в барокамере, имитирующей подъем на высоту 11 000 м, до остановки дыхательных
движений; 4) острый тепловой удар в течение 30 мин, который приводил к острой гипотонии и смерти некоторых животных.
Замечено, что к концу периода истощающего плавания или иммобилизации генерирование NO было фактически полностью подавлено. В этих условиях доноры NO значительно потенцировали,
в то время как ингибиторы NO-синтазы значительно уменьшали как
продолжительность плавания, так и области эрозионных язв после
иммобилизации. Эти результаты в принципе согласуются с гипотезой об антистрессорной роли NO.
Однако острая гипоксия и тепловой шок вызвали сверхсинтез NO.
В этих условиях ингибитор NO-синтазы оказывает явный защитный
эффект, который выражался в улучшенном выживании животных.
При анализе наблюдаемого противоположного эффекта ингибитора NO-синтазы на устойчивость животных к различным стрессорам надо иметь в виду, что ответ животного на действие вредных факторов состоит из специфических реакций адаптации и неспецифических реакций стресса. В этом процессе NO не только играет роль
в стрессорной реакции, но также может участвовать в механизмах
специфического повреждения. В зависимости от природы действующего фактора повреждение может быть связанно или с гипо- или
со сверхсинтезом NO.
Снижение продукция NO может быть вызвано липопротеинами
малой плотности, высокими концентрациями глюкозы и ишемией.
Снижение синтеза NO увеличивает сосудистый тонус, коагуляцию
крови и ослабляет иммунитет, способствуя, таким образом, развитию
гипертонии, атеросклероза, диабета, тромбоза, ишемической болез
ни сердца, инфекционных болезней и росту опухоли.
Чрезмерный уровень NO может стимулировать повреждения через
ингибирование окислительного фосфорилирования в митохондриях,
-
93
повреждение ДНК, ингибирование ферментов в цикле трикарбоновых кислот и формирование высокотоксичных перекисей азота.
Сверхсинтез NO вызывает сильную вазодилатацию и подавление вазоконстрикции, которые составляют важное звено в патогенезе острой
гипотонии при действии тепла, кардиогенного, септического и других
типах шока.
Поэтому роль NO в ответах организма на факторы окружающей
среды определена отношениями между стресс-лимитирующей ролью
NO при неспецифических реакциях стресса и патогенетической ролью изменения продукции NO в специфическом повреждении при
действии специфических факторов внешней среды.
Ингибирование NO-синтазы уменьшает стресс-лимитирующую
функцию, т. е. защитную функцию NO в неспецифических реакциях
стресса. В этом случае, когда неспецифический повреждающий эффект стрессогенного фактора был связан с подавлением продукции
NO, ингибиторы NO-синтазы уменьшали устойчивость организма
к стрессогенному фактору, и, наоборот, когда повреждение медиировалось сверхсинтезом NO, ингибиторы NO-синтазы повышали
устойчивость.
В целом описанные факты позволяют объяснить четыре основных эффекта NO в ответах организма на стресс.
1. Стресс, вызванный разными факторами окружающей среды,
является активатором синтеза NO.
2. NO участвует в ограничении выделения катехоламинов, основ-
ного компонента стресс-реакции.
3. NO непосредственно или через запуск локальных эндогенных
защитных систем повышает устойчивость клеток, органов и организма в целом к вредным влияниям окружающей среды.
4. Доноры NO и ингибиторы NO-синтазы могут обеспечивать направленное влияние на ответы организма на стресс.
8.1.2. Роль NO в адаптации
Срочная и долговременная адаптация – последовательные стадии
одного и того же процесса, адаптивного увеличения в устойчивости
организма к действию вредных факторов. Тем не менее, в этих стадиях участвуют различные механизмы, и они имеют различное биологическое значение.
На рис. 8 представлены основные стадии индивидуальной адаптации и возможная роль NO в этом процессе.
Мобилизация механизмов формирования системного структурного следа сопровождается стадией активации генов, которая играет
ключевую роль в переходе от срочной к долговременной адаптации.
94
Рис. 8. Основные стадии индивидуальной адаптации и роль NO в этом процессе
В процессе адаптации осуществляется последовательная скоординированная активация первоначально ранних регуляторных генов,
кодирующих протоонкогены и белки стресса БТШ, и затем поздних
структурных генов, кодирующих структурные белки типа миозина,
2+
-ATPaзы, антиоксидантные ферменты и т.д.
Ca
Активация ранних генов и увеличение в синтезе БТШ и протоонкогенов составляет неспецифическое звено в адаптации, потому что
они имеют место в адаптации к различным факторам.
Было показано, что БТШ участвуют в трех наиболее важных неспецифических механизмах генетического обеспечения адаптации
и ее защитных эффектов. Первый механизм заключается в том, что
БТШ может выполнять функцию ядерного сигнала в активации
95
экспрессии поздних генов. Второй механизм связан с участием
БТШ в регулировании сворачивания молекул и внутриклеточного
транспорта вновь синтезированных белков. Это особенно важно
в процессе адаптации, когда белковый синтез увеличен. Третий ме-
ханизм, по существу, связан с защитными свойствами БТШ. БТШ может ограничивать стрессорные повреждения дезагрегацией агрегатов
аномальных белков, участвует в удалении поврежденных белков
и увеличении мощности антиоксидантных систем.
Последующая активация поздних структурных генов является
специфической, потому что активированные гены могут обеспечивать адаптацию к специфическим факторам.
Роль NO в долговременной адаптации стала ясна недавно, после
открытия того, что адаптация к повторным ограниченным стрессам
и адаптация к повторным физическим тренировкам сопровождались
явным увеличением генерирования NO. Кроме того, показано, что
адаптация к гипоксии увеличила экспрессию гена NO-синтазы и содержание NO-синтазы, значительных изменений в концентрации
NO не отмечалось. Это предполагает, что в этом типе адаптации отсутствие согласованных изменений в продукции NO может быть общим результатом двух одновременных процессов: увеличенным синтезом NO и увеличенным депонированием NO.
Для получения доказательств участия NO в развитии долговременной адаптации использовали эффекты доноров NO и ингибиторов NO-синтазы на формирование защитных реакций различных
типов адаптации.
Эксперименты были выполнены на самцах крыс линии Вистар.
Защитный эффект адаптации к повторным ограниченным стрессам,
физической тренировке или гипоксии был оценен по уменьшению
язв в области желудка, вызванных ограниченным стрессом, увеличенным по продолжительности плаванием с нагрузкой и улучшенным выживанием животных, подвергнутых имитации подъема на
высоту 11 000 м выше уровня моря.
Отмечено, что во всех типах адаптации доноры NO увеличивали
эффективность, в то время как ингибиторы NO-синтазы фактически
полностью предотвращали развитие защитного эффекта адаптации.
Поэтому, используя целенаправленную модификацию системы генерирования NO, можно управлять адаптивным процессом.
Использование экзогенных доноров NO является, по существу,
«имитацией» стресс-лимитирующих систем организма, потому что
сам организм производит NO в условиях стресс-реакции (рис. 8).
Показано, что донор NO расширял устойчивость организма к ограниченному стрессу, напряженной физической тренировке и острой
гипоксии. Поэтому представленные факты убедительно показывают,
96
что NO играет существенную роль в развитии адаптация организма
к факторам окружающей среды.
Важно то, что независимо от типа адаптации ингибиторы NOсинтазы всегда предотвращали адаптацию, в то время как доноры
NO потенцировали и воспроизводили защитные эффекты адаптации.
Как упомянуто выше, протоонкогены и БТШ играют ключевую
роль в неспецифических эффектах адаптации. NO стимулирует экспрессию протоонкогенов и в то же время может или непосредствен
но активировать гены, или потенцировать их экспрессию, вызванную
Ca2+. NO вызывает стресс-опосредованную активацию синтеза БТШ.
Было установлено, что ингибиторы NO-синтазы предотвращали син
тез БТШ, вызванный тепловым шоком, тогда как доноры NO, по существу, вызывали накопление БТШ в культуральных клетках или
в целом организме. Это указывает на участие NO в неспецифических
механизмах адаптации, связанных с индукцией синтеза БТШ.
Некоторые белки, продуцируемые ранними генами, выполняют
функцию фактора транскрипции для структурных генов. Показано,
что NO активирует такие факторы, как фактор транскрипции генов,
кодирующих антиоксидантные ферменты. Поэтому роль NO в активации генетического аппарата при переходе от срочной к долговременной адаптации заключается в том, что NO участвует и в активации
ранних генов, и в передаче сигнала от ранних к структурным генам.
Стадия развитой долговременной адаптации характеризуется
мощными защитными эффектами и фактически полным отсутствием стресс-реакции в ответ на последующее действие фактора внешней среды. В этой стадии уровень NO стабильно увеличен. Биологическое значение этого феномена состоит в том, что он направлен на
поддержание устойчивости организма к действующему влиянию
фактора внешней среды без стресс-реакции.
Полная последовательность активации механизмов синтеза NO и
роли NO на различных стадиях адаптации может быть проиллюстрирована примером физической тренировки, самой лучшей из изученных форм адаптации. В течение острой физической нагрузки увеличенная скорость тока крови (сильный стресс) приводит к активации
NO-синтазы, локализованной в эндотелии. Увеличенная продукция
NO приводит к дилатации кровеносных сосудов, что особенно выражено в сердце и работающих скелетных мышцах. Это обеспечивает адекватную поставку кислорода и субстратов к основным органам,
вовлеченным в срочный ответ на физическую нагрузку. При последующей тренировке осуществляется активация существующей ранее
NO-синтазы повышенной экспрессией гена NO-синтазы. В этой
стадии мощность NO-продуцирующих систем увеличивается не
только в органах, подвергающихся срочной адаптация, но также
-
-
97
и в других органах, таких как печень, почки или мозг. Генерализованная активация синтеза NO, обеспечивающаяся экспрессией гена NOсинтазы, отражает переход от срочной к долговременной стадии адаптации. В стадии долговременной адаптации устойчивое увеличение
продукции NO способствует расширению устойчивости организма
не только к физической нагрузке, но и к другим факторам, таким как
стресс, гипоксия, ишемия, тромбоз и возбудители воспаления.
В целом данные о роли NO в адаптации, представленные в этой
лекции, могут быть суммированы следующим образом.
1. В различных типах адаптации к факторам окружающей среды
продукция NO последовательно увеличивается: первоначально
вследствие активации существующей ранее NO-синтазы и впоследствии также из-за увеличенной экспрессии гена NO-синтазы.
2. NO активирует ранние регуляторные гены (БТШ и протоонкогены) и факторы транскрипции некоторых поздних структурных генов, участвующих в адаптации.
3. Экзогенные доноры NO способствуют формированию долгосрочной адаптации, в то время как ингибиторы NO-синтазы препятствуют ему.
4. Защитный эффект адаптации к разнообразным факторам может быть воспроизведен с использованием доноров NO.
Вместе взятые, эти данные приводят к следующему заключению.
NO способствует формированию трех основных стадий долговременной адаптации: 1) в стадии срочной адаптации NO ограничивает чрезмерную стресс-реакцию и обеспечивает целенаправленное перераспределение источников энергии в органах, выполняющих адаптивный
ответ; 2) в переходной стадии NO активирует ранние гены и способствует передаче сигнала от ранних к поздним генам; 3) в стадии развитой долговременной адаптации NO участвует в поддержании повышенной устойчивости организма в отсутствие стресс-реакции.
8.1.3. Система генерации NO
как стресс-лимитирующая система
Важной особенностью NO-ергической стресс-лимитирующей системы является то, что большие количества NO, основного метаболита этой системы, высокотоксичны. Это означает, что NO был бы
не способен реализовать свои стресс-лимитирующие функции без
наличия механизма в пределах структуры, который мог бы ограничивать сверхактивацию продукции NO. Действительно показано, что
продукция NO, которая быстро увеличивалась в течение теплового
шока, очень скоро возвращалась к начальному уровню.
98
Было установлено, что в организме сверхсинтез NO ограничен
прежде всего отрицательной обратной связью, которая реализуется
несколькими механизмами.
1. Прямая инактивация NO-синтазы связыванием NO гем-
содержащей частью фермента или БТШ.
2. Подавление экспрессии гена NO-синтазы ингибированием
фактора транскрипции, индуцируемого NO-синтазой.
3. Предотвращение экспрессии гена NO-синтазы ингибировани-
ем связывания фактора транскрипции с ДНК.
4. Индукция и стабилизация эндогенного ингибитора фактора
транскрипции.
5. NO-зависимая активация синтеза антиоксидантных ферментов, которая снижает число свободных радикалов в клетках и, следовательно, уменьшает активацию фактора транскрипции.
6. NO-зависимая активация синтеза БТШ. БТШ, в свою очередь,
подавляет экспрессию индуцируемой NO-синтазы через уменьшение продукции фактора транскрипции.
Механизм отрицательной обратной связи ограничения сверхсин
теза NO характерен для всех известных изоформ NO-синтазы.
Механизм отрицательной обратной связи лежит в основе способности экзогенного NO, эндогенного NO и предшествующей адаптации к различным факторам ограничивать сверхсинтез NO и, соответственно, предотвращать острую гипотонию и токсические воздействия чрезмерных количеств NO при воспалении, остром
инфаркте миокарда, различных видах шока (тепловом, анафилактическом и др.).
Другой характерной особенностью недавно обнаруженной стресслимитирующей системы является то, что эта система универсальная,
т. е. она ограничивает стресс-реакцию и участвует в адаптации как на
центральном, так и на периферических уровнях.
Эта особенность связана с уникальными свойствами как самой
молекулы NO, так и NO-синтазы. Имеет значение и то, что NO синтезируется в организме в форме NО•. Далее, в ходе химической реакции, NО• может быть преобразован в NO– или NO+. Каждая форма NO имеет собственные клетки-мишени и, соответственно, способствует различным внутриклеточным процессам. Например,
известно, что активация гуанилатциклазы в ходе NO-зависимой вазодилатации и передачи нервного сигнала связана с NО•, в то время
как регулирование активностей ферментов и факторов транскрипции медиировалось нитрозилированием белковых структур, связанных с NO+.
Помимо этого, молекула NO может существовать в различных
электронных состояниях; универсальная природа NO-ергической
-
99
стресс-лимитирующей системы определяется фактом, что NOсинтаза обладает шестью кофакторами для контроля ее активности.
Это один из наиболее управляемых ферментов, известных в биохимии. Данный факт предполагает, что система генерирования NO является наиболее универсальным и чувствительным датчиком для внутриклеточных изменений, вызванных факторами окружающей среды.
8.1.4. Возможные направления дальнейших исследований
Среди основных аспектов проблемы участия NO в реализации
стресс-реакции и адаптации очень многообещающа роль NO-зависимых механизмов контроля генетического аппарата в развитии
адаптации к факторам окружающей среды. Однако информация о
роли NO в адаптивных изменениях активности гена, за исключением БТШ, фактически отсутствует.
Другим многообещающим аспектом может быть то, что NOсинтаза синтезирует NО•, в то время как первичная роль в регулировании активности гена, ключевого звена адаптации, принадлежит
NO+. Это означает, что клетки обладают механизмом контроля за
электронным состоянием молекулы NO. Природа этого механизма
и режим его функционирования при адаптации к факторам окружающей среды остаются пока неизвестными.
Многообещающе также клиническое направление в проблеме
NO. Установленное при стрессе и адаптации уменьшение продукции
NO типично для многих болезней и патологических состояний типа
атеросклероза, ишемической болезни сердца, тромбоза, диабета,
гипертонии, стеноза пилорического сфинктера и т. д. В то же время
сверхсинтез NO, который ведет к понижению кровяного давления
и расстройству вазоконстрикторных ответов, является характерным
для шоков различного происхождения. Применение методов адаптации, направленных на увеличение продукции NO, может быть эффективным средством предотвращения и лечения болезней, связанных с дефицитом или сверхсинтезом NO.
Кроме того, целенаправленная модификация системы генерации
NO может быть также полезна для улучшения адаптивных ответов в
спорте, космической и авиационной медицине.
Наиболее многообещающие фармакологические направления
следующее: 1) разработка и апробация новых антистрессорных препаратов, основанных на их способности прямо влиять на генерацию
NO; 2) изучение NO-зависимых механизмов в действии известных
лекарств, обладающих антистрессорной активностью (например,
адаптогенов).
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]