Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физиология адаптационных процессов. Учебное пособие
.pdf
Для дальнейшего развития ПОЛ вновь необходимы комплексы
RO
•
восстановленных металлов переменной валентности. При участии
этих комплексов за счет радикального распада гидроперекисей липидов по реакции (5) возникают радикалы
, способные так же,
как гидроксильный радикал, атаковать непредельные липиды –
реакция (6).
Разумеется, рассмотренные выше изменения кислородного режима клетки не являются единственно возможной причиной чрезмерной активации ПОЛ. Можно обозначить по меньшей мере шесть
факторов, активирующих ПОЛ, которые могут действовать в условиях целого организма. Важную роль может играть увеличение генерации супероксидного радикала за счет избытка катехоламинов и накопления продуктов их неполного окисления. В этом случае донором
электронов для О2 являются семихинонные формы катехоламинов:
семихинон-адреналин, семихинон-норадреналин.
Подобная ситуация с большой долей вероятности наблюдается
при стрессорной реакции, когда при окислении избытка адреналина
в адренохром образуется семихинон-адреналин, который может
сбрасывать электрон на кислород и таким образом генерировать супероксид-радикал О2– важный индуктор ПОЛ.
Основой всех модифицирующих или повреждающих эффектов
ПОЛ в мембране является реакция ненасыщенных жирнокислотных
остатков фосфатидилэтаноламина и других фосфолипидов липидного бислоя с активными формами кислорода – см. реакции (4), (5), (6).
В результате данной реакции в молекулах фосфолипидов, содержащих во втором положении жирную кислоту, появляется полярная
гидроперекисная группировка.
Образующиеся в результате включения полярной группировки
гидроперекиси фосфолипидов неустойчивы, и накопление их приводит к цепи дальнейших превращений, которые, в конечном счете,
ведут к повреждению мембран и мембранно-связанных белков.
Активация ПОЛ вызывает лабилизацию системы лизосом, в которых сосредоточена основная часть клеточных фосфолипаз. Освобождающиеся из лизосом фосфолипазы могут играть важную роль
в разрушении липидного бислоя мембран и образовании лизофосфатидов. Лизофосфатиды, так же как и высокие концентрации жир
ных кислот, наблюдаемые в крови при стрессе, за счет своего детергентного действия нарушают упорядоченное расположение фосфолипидов в мембранах, и этот так называемый хаотропный эффект,
как теперь показано, активирует ПОЛ. Реализующееся в результате
данной цепной реакции увеличение проницаемости мембран для
кальция и возникающий таким образом избыток этого катиона
в клетке, в свою очередь, активирует фосфолипазы и ПОЛ. В итоге
-
81
замыкается порочный круг, играющий важную роль в повреждении
клеточных мембран, переходе этих повреждений в необратимые и
гибели клеток.
В любой клетке, осуществляющей аэробный метаболизм, имеются условия, необходимые для протекания реакции ПОЛ. Действительно, субстраты ПОЛ – полиеновые липиды – являются одним из
основных компонентов плазматической и внутриклеточных мембран.
Инициаторы и катализаторы ПОЛ – генераторы активных форм кислорода, металлопротеиды – также постоянно присутствуют в клетке.
Однако, несмотря на это, повреждающая активация ПОЛ и разрушение клеточных мембран в здоровом организме не происходит.
При обыденных стрессорных ситуациях и относительной гипоксии, вызванной большими нагрузками, эта активация оказывается
весьма ограниченной и не приводит к необратимым повреждениям.
Такая ситуация, обеспечивающая возможность сохранения жизни и активных поведенческих реакций организма в сложных ситуациях окружающей действительности, обеспечивается существованием постоянно функционирующей и достаточно надежной анти-
оксидантной системы, ограничивающей ПОЛ практически во всех
его звеньях.
Схема (рис. 6) в обобщенном виде отражает рассмотренное выше
представление о механизме генерации активных форм кислорода и
перекисей липидов и на этой основе показывает главные точки приложения антиоксидантных систем клетки. Из схемы следует, что различные ступени каскада антиоксидантного механизма клетки имеют
определенную специализацию. Так, образование О2 может быть предотвращено акцепторами электронов, конкурирующими с О2, например витамином Е в хинонной форме, витамином К3 и т. д. Переход от О2 к H2О2 блокируется акцепторами анионрадикалов суперокиси, например серосодержащими аминокислотами – метионином,
цистеином.
Последовательное воздействие двух координированных между
собой ферментных систем супероксиддисмутазы и каталазы ингибирует образование гидроксильных радикалов. Поскольку эффективность взаимодействия гидроксильных радикалов с полиеновыми
липидами исключительно высока и имеет лишь диффузионные ограничения, эти две ферментные системы играют центральную роль в
регуляции ПОЛ на стадии инициирования. Несмотря на мощность
этих систем в физиологических условиях, надежность антиоксидантной защиты в целом предусматривает наличие ингибиторов, специализированных для ограничения последующих стадий ПОЛ. Таковыми являются «ловушки гидроксильных радикалов», а именно алифатические спирты, а также природные антиоксиданты, ловушки
82
Рис. 6. Общая схема антиоксидантной системы клетки
перекисных радикалов, α′ -токоферол, стероидные гормоны, вита
мин С, убихиноны.
Заключительным этапом процесса ПОЛ служат реакции, катализируемые глутатионпероксидазой, превращающей гидроперекиси
фосфолипидов в оксипроизводные. Последние, в свою очередь, подвергаются атаке фосфолипазой A2, в результате которой высвобождаются оксикислоты – интермедиаты β-окисления жирных кислот.
В случае недостаточной активности глутатионпероксидазы и при
наличии ионов металлов переменной валентности из гидроперекиси фосфолипида могут образовываться новые свободные радикалы,
обусловливая цепной и разветвленный характер процесса перекисного окисления липидов. Для предотвращения такого развития реакции служит другой механизм антиоксидантной защиты, который,
как показано на схеме, состоит в удалении ионов металлов переменной валентности из гидрофобной фазы мембран с помощью хелатирующих соединений – органических кислот, гистидина. Наконец,
важным неспецифическим фактором регуляции ПОЛ является так
83
-
называемый структурный антиоксидант. Под структурным антиок-
•
2
R
•
In
•
•
сидантом надо понимать комплекс свойств мембраны, ограничивающих доступность полиеновых жирных ацилов фосфолипидов –
субстратов ПОЛ – для молекулярного кислорода, а также катализаторов ПОЛ.
Важным доказательством значимости структурного антиоксиданта является факт резкого увеличения скорости ПОЛ при действии
так называемых хаотропных агентов, нарушающих упорядоченную
организацию липидных и белковых компонентов мембраны и увеличивающих их молекулярную подвижность.
К числу хаотропных факторов относятся, помимо высоких концентраций жирных кислот и лизофосфолипидов, анионы типа родамина, бромида, перхлората, обладающие детергентоподобным действием.
Поскольку условия, необходимые для активации ПОЛ, постоянно имеются в живой клетке, то понятно, что дефект в любом из звеньев рассмотренной выше системы антиоксидантной защиты сам по
себе должен привести к активации ПОЛ. Такая ситуация действительно наблюдается при авитаминозе Е, акателаземии, генетически
детерминированном снижении активности супероксиддисмутазы и
глутатионпероксидазы, при гипоксических и реоксигенационных
стрессорных повреждениях сердца. Увеличение мощности антиоксидантной системы, обусловленное, например, введением естественных или синтетических антиоксидантов, напротив, создает определенную гарантию против активации ПОЛ.
В плане нашего изложения наибольший интерес представляет механизм действия основного неферментного антиоксиданта – α′ -токоферола, так как вводимые экзогенно синтетические антиоксиданты, использовавшиеся к настоящему времени для защиты от стресса
и ишемии, действуют за счет аналогичного механизма.
В последнее время установлено, что α′ -токоферол и антиоксидант
фенольного типа практически не взаимодействуют с перекисями липидов, но эффективно реагируют со свободными радикалами
RO
образующимися при распаде гидроперекисей в рассмотренной выше реакции (5), которые сами обладают способностью атаковать ненасыщенные липиды и, таким образом, ведут цепь перекисного
окисления.
Эту реакцию ингибирования ПОЛ можно записать в общем виде,
имея в виду, что InH – молекула ингибитора ПОЛ,
ный радикал,
ROOH–гидроперекись,
– радикал ненасыщенной жирной кислоты,
–радикал ингибитора:
RO
•
– перекис-
,
84
InH+RO In+ROOH,
→
2
(7)
2
2
22
nIn.
••
InH+RIn+RH.
••
→ (8)
Очевидно, что связывание перекисных радикалов
RO
•
в этих
реакциях резко ограничивает интенсивность ПОЛ. Этот ингибиторный эффект углубляется реакциями (9) и (10), в которых свободные
радикалы самого ингибитора реагируют с радикалами жирных кислот
•
RO
и между собой. Происходит связывание дополнительного
количества перекисных радикалов и нейтрализация радикалов самого ингибитора:
••
In +ROROIn,
In +I
→
→
(9)
(10)
2
В результате интенсивность ПОЛ оказывается существенно ограниченной и повреждающие эффекты ПОЛ и липидной триады в целом в значительной мере предотвращаются. Именно так действуют
α′ -токоферол, синтетический антиоксидант фенольного типа –
ионол и антиоксиданты из группы оксипиридинов, широко используемых в последние годы для профилактики стрессорных, ишемических и реоксигенационных повреждений.
Применение вводимых извне антиоксидантов для предупреждения стрессорных повреждений, по существу, является таким же очевидным подражанием организму, как и во всех ранее рассмотренных
примерах антистрессорной защиты, так как при стресс-реакции ор
ганизм одновременно с проантиоксидантами – катехоламинами продуцирует антиоксиданты – глюкокортикоиды. Осуществляемая на
этой основе антиоксидантная защита организма имеет, помимо прагматического, существенное теоретическое значение. Очевидно, для
обоснования положения о том, что активация ПОЛ является необходимым или решающим звеном стрессорных повреждений организма, необходимо перед возникновением стрессорной ситуации
заблокировать ПОЛ достаточно мощным антиоксидантом, предотвратить таким образом значительное накопление гидроперекисей
липидов и выяснить, будут ли в таких условиях реализовываться
стрессорные повреждения организма.
В соответствии с этим на первом этапе наших экспериментов было изучено влияние предварительного введения ионола (2-6-дитретбутил-4-метилфенола) на активацию ПОЛ при стрессе; на втором
этапе мы изучили влияние ионола и других антиоксидантов на стрессорные повреждения организма, оцениваемые по степени ферментемии, величине язвенных поражений желудка, повреждению мозга,
-
85
сетчатки; наконец, на третьем этапе было исследовано влияние предварительного введения ионола на стрессорные повреждения сердца.
Результаты этих исследований однозначно свидетельствуют, что
введение антиоксидантов, а именно витамина Е, ионола, оксипиридинов, перед тяжелым стрессорным воздействием предотвращает
повреждение мембранного кальциевого насоса, лабилизацию лизосом, нарушение дыхания и фосфорилирования в митохондриях, значительное уменьшение резерва гликогена и другие сдвиги, наблюдаемые в сердечной мышце при стрессе. В итоге предотвращенной
оказывается и стрессорная депрессия сократительной функции сердца, обычно наблюдаемая при стрессе, а также обусловленная стрессом депрессия сократительной функции неишемизированных отделов миокарда при инфаркте. Эти данные явились основанием для
применения антиоксидантов в кардиологической клинике. Оценивая данные о том, что введенные извне антиоксиданты предупреждают стрессорные повреждения самых различных систем организма,
следует иметь в виду установленный в экспериментах факт, что действие антиоксидантов не ограничивается подавлением ПОЛ в органах-мишенях, так как антиоксиданты обладают выраженным центральным действием, т. е. подавляют или ограничивают реализацию
самой стресс-реакции. Это позволяет предполагать, что увеличение
эффективности естественных антиоксидантных систем организма
играет важную роль в такой адаптации.
* * *
Рассматривая стресс-лимитирующие системы, функционирующие на уровне центров и исполнительных органов, мы постоянно
имели дело с ситуацией, когда эти защитные механизмы блокировали или ограничивали действие катехоламинов, т. е. мобилизующий
центральный сигнал. Это может создать ложное впечатление, что
защитные механизмы регуляции всегда ограничивают функцию органа, как бы препятствуя удовлетворению требований, предъявляемых ему целым организмом. На самом деле очевидно, что в большинстве жизненных ситуаций основой адаптации является совершенная передача и реализация центральных управляющих сигналов,
а роль рассмотренных механизмов состоит в своевременном уточнении, т. е. модулировании ответов органов-исполнителей на эти
сигналы. Только в крайних, так называемых «безвыходных» ситуациях модулирующее действие может достичь уровня блокады, которая является альтернативой разрушению структур жизненно важных
органов; именно адаптация к таким ситуациям рассмотрена в этой
лекции.
86
Надо, однако, иметь в виду, что и в крайних – экстремальных –
условиях механизмы регуляции могут блокировать не только управляющие сигналы, мобилизующие функцию органа, но и, наоборот,
тормозящие сигналы, которые могли бы помешать осуществлению
гиперфункции жизненно важного органа, необходимой для сохранения жизни организма.
Наличие в организме сложившихся в эволюции регуляторных механизмов, способных в экстремальных условиях блокировать как
мобилизующие функции, так и, напротив, тормозные управляющие
сигналы, является отражением того простого факта, что одни экстремальные ситуации среды требуют максимальной мобилизации
функций, а другие – их ограничения.
Контрольные вопросы и задания к главе 7
1. Какова роль ГАМК-ергической тормозной системы головного мозга
в ограничении стрессорных повреждений?
2. В чем заключается роль системы тормозных пептидов в предупреждении стрессорных повреждений?
3. Какова роль модуляторных антистрессорных систем, функционирующих в органах-мишенях, в адаптации к стрессорным ситуациям?
4. Какую роль играют система адениннуклеотидов и ее продукт аденозин в предупреждении дефицита энергии и ограничении адренергических эффектов?
5. Каков механизм активации системы простагландинов как фактора
профилактики стрессорных повреждений?
6. Как устроена и каким образом функционирует система естественной
профилактики стрессорных повреждений?
ГЛАВА
8
РОЛЬ МОНООКСИДА АЗОТА
В РАЗВИТИИ СТРЕССА
И АДАПТАЦИИ
В последнее время стали изучать биологическую роль монооксида
азота (NO). Теперь считается, что NO является очень важным регу-
лятором физиологических функций и обмена веществ клетки в организме. При использовании методов молекулярной биологии накапливается все больше данных о регулирующей роли NO в механизмах
экспрессии гена и биосинтеза белка. Данные, представленные в этой
лекции, показывают важную роль NO в стрессе и адаптивных ответах
организма и подтверждают существующие представления о биологической роли этой уникальной молекулы. В данной лекции представлены сведения о том, что система генерирования NO является
вновь обнаруженной стресс-лимитирующей системой. Действие NOергической системы основано на способности NO ограничивать ключевые стресс-реакции и расширять мощность эндогенных систем защиты организма. Роль NO рассматривается в основных стадиях адаптации: 1) стадии срочной адаптации, связанной со стресс-реакцией;
2) стадии перехода от срочной к долговременной адаптации; 3) стадии долговременной адаптации, характеризующейся стабильными
защитными эффектами.
В настоящее время одним из таких универсальных регуляторов
считается NO. Он синтезируется в организме из L-аргинина ферментом NO-синтазой и участвует в большом числе физиологических
процессов: передаче сигнала в мозге, регулировании сердечно-сосудистой, иммунной, желудочно-кишечной и мочеполовой систем.
В последнее десятилетие были получены доказательства того, что
NO участвует в регулировании генетического аппарата как на уровне
синтеза факторов транскрипции, так и на уровне механизмов транскрипции, а также трансляция мРНК.
Наконец, данные о том, что продукция NO может значительно
изменяться при стрессе и в процессе адаптации к различным факторам внешней среды, дают возможность сформулировать гипотезу
о том, что NO играет важную роль при стрессе и адаптивных ответах
организма. Эта лекция будет посвящена анализу данной проблемы
(табл. 1).
88
Действие факторов среды на продукцию NO
Действующий фактор Изменения в продукции NO
Иммобилизационный стресс увеличивается
Сильная гипоксия снижается
увеличивается
Сильная физическая нагрузка увеличивается
Гипертермия не изменяется
увеличивается
снижается
Воздействие холода увеличивается
снижается
Психический стресс увеличивается
Эмоционально-болевой стресс увеличивается
снижается
Окислительный стресс увеличивается
снижается
Адаптация
к холоду увеличивается
к теплу увеличивается
к иммобилизационному стрессу увеличивается
к гипоксии увеличивается
не изменяется
снижается
к физической нагрузке не изменяется
увеличивается
Таблица 1
8.1. Продукция оксида азота
при различных типах стресса и адаптации
8.1.1. Роль NO при стрессе
Схема на рис. 7 суммирует доступные данные относительно развития реакции стресса и показывает возможные NO-зависимые механизмы этого процесса (двойная светлая стрелка – активирующий
эффект NO; темная стрелка – ингибирующее действие NO).
Запуск стресс-лимитирующих систем сопряжен с запуском
стресс-реализующих систем, которые играют ключевую роль в регулировании стресс-реакций. В настоящее время эта модель в целом
общепризнана. В то же время вклад NO в регулирование стрессреакции, которая может быть очень значительна, остается неисследованным.
89
Рис. 7. Участие NO в опосредовании стресс-реакции и адаптивных ответов организма
При оценке эффектов различных стрессоров на производство
NO было установлено как увеличение, так и уменьшение в концентрации NO. Вообще, увеличенная продукция NO наблюдалась при
действии краткосрочных или умеренных стрессогенных факторов,
в то время как сниженная продукция наблюдалась при применении
долгосрочных и повреждающих параметров окружающей среды.
Установлено, что увеличенная продукция NO соответствует стадии
мобилизации в ответ на стресс-реакцию, а сниженная продукция
NO соответствует стадии истощения на чрезмерную стресс-реакцию.
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]