2 курс / Нормальная физиология / Механизмы_индивидуальной_адаптации_организма_Свирид_В_Д_

81

(4), (5), (6). В результате данной реакции в молекулах фосфолипидов, содержащих во втором положениижирную кислоту, появляется полярная гидроперекисная группировка.

На рисунке 10 отражено это исходное явление процесса ПОЛ. 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.

Для понимания роли активации ПОЛ в повреждении клеточных мембран и гибели клеток при стрессе важно иметь в виду, что этот компонент липидной триады органически связан с другими ее компонентами и звеньями патогенеза стрессорного повреждения сердца. Как уже указывалось, 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 жирных 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, возможно, ПОЛ. В итоге замыкается порочный круг, играющий важную роль в повреждении клеточных мембран, переходе этих повреждении 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 антиоксидантной системы, ограничивающей ПОЛ практически во всех его звеньях.

Реакция свободнорадикального окисления липидов в клетке находится под контролем различных регуляторных систем. Многостадийность процесса ПОЛ позволяет осуществлять его регуляцию в клетке и при определенных условиях ограничения на разных этапах, причем эта задача, как показано многочисленными исследованиями, реализуется различными системами как ферментной, так и неферментной природы.

Схема (рис. 11.) 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

82

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 перекисных радикалов, ά-токоферол, стероидные гормоны, витамин 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. Заключительным этапом процесса ПОЛ служат реакции, катализируемые глутатионпероксидазой, превращающей гидроперекиси фосфолипидов в оксипроизводные. Однако в случае недостаточной активности глутатионпероксидазы и при наличии ионов металлов переменной валетности 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 и т. д.

Наконец, важным неспецифическим фактором регуляции ПОЛ, представленным на схеме (рис. 11.), является так называемый структурный антиоксидант. Под структурным антиоксидантом 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 супероксидадисмутазы и глутатионпероксидазы и, как будет показано ниже, 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 — ά-токоферола, так как вводимые экзогенно синтетические антиоксиданты, использовавшиеся к настоящему времени для защиты от стресса и ишемии, действуют за счет аналогичного механизма.

В настоящее время установлено, что ά -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 самиобладают способностью атаковать ненасыщенные липиды и, таким образом, ведут цепь перекисного окисления.

83

Эту реакцию ингибирования ПОЛ можно записать в общем виде, имея в виду, что InH

— молекула ингибитора ПОЛ, RO2=— перекисный радикал, R=—радикал ненасыщенной жирной кислоты, ROOH—гидроперекись, In=—радикал ингибитора:

Очевидно, что связывание перекисных радикалов RO2= 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 RO2= и между собой. Происходит связывание дополнительного количества перекисных радикалов и нейтрализация радикалов самого ингибитора:

Рис.11. Общая схема антиоксидантной системы клетки.

В результате интенсивность ПОЛ оказывается существенно ограниченной и повреждающие эффекты ПОЛ и липидной триады в целом в значительной мере предотвращаются. Именно так действуют ά-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, посуществу, является таким же очевидным подражанием организму, как и во всех ранее рассмотренных примерах антистрессорной защиты, так как при стресс-реакции организм одновременно с проантиоксидантами

— катехоламинами продуцирует антиоксиданты — глюкокортикоиды. Осуществляемая на этой основе антиоксидантная защита организма имеет, помимо прагматического, существенное теоретическое значение. Действительно,

установленная выше активация ПОЛ при стрессе сама по себе не является строгим

84

доказательством роли ПОЛ в патогенезе стрессорного повреждения, так как, рассуждая абстрактно, можно допустить, что ПОЛ может быть не причиной, а следствием таких повреждений. 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 пораженийжелудка, повреждению мозга, сетчатки; наконец, на третьем этапебыло 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 стрессреакции.

В плане нашего изложения явление центрального и периферического антистрессорного, защитного действия аптиоксидантов важно сопоставить с фактом, что адаптация к стрессорным ситуациям сама по себе подавляет стрессорную активацию ПОЛ и повышает резистентность миокарда к индукции ПОЛ. 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 разрушения

85

структур жизненноважных органов; именно адаптация к таким ситуациям рассмотрена в этой лекции.

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. Эксперименты показали, что большой отрицательно-хронотропный эффект, обычно возникавший при раздражении блуждающего нерва, по мере увеличения нагрузки на сердце закономерно уменьшается вплоть до полного исчезновения. Такая эмансипация сердца от тормозного влияния блуждающего нерва возникает в результате появления достаточно эффективного желудочкового водителя ритма сердца.

В плане нашего изложения явление эмансипации важно как пример, демонстрирующий действенность регуляторных механизмов, которые могут блокировать реализацию тормозного управляющего сигнала для того, чтобы обеспечить стабильное увеличение функции жизненно важного органа и гарантировать тем самым интересы целого организма, его совершенную адаптацию к возникшему повреждению.

Возможно, что 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.

В итоге мы можем прийти к заключению, что регуляторное модулирование, а в экстремальных ситуациях и полная блокада центральных управляющих сигналов являются одним из важных механизмов адаптации, иначе говоря, в определенных условиях блокада информации может иметь для выживания организма не меньшее значение, чем ее совершенная передача.

86

Лекция 8. Роль монооксидаазота в развитии стресса и адаптации.

Биологическую роль монооксида азота (NO) изучали в течение более десяти лет. Однако число исследований в этом области продолжает увеличиваться. Теперь считается, что NO ранее непризнанный, является очень важным регулятором физиологических функций и обмена веществ клетки в организме. Используя методы молекулярной биологии, накапливаливается 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 представление о биологической роли этой уникальной молекулы. В этой лекции представлены данные о том, что система генерирования NO является вновь обнаруженной стресс лимитирующей системой. Действие этой NO-ергической системы основано на способности NO ограничиться ключевые стресс-реакции и расширять мощность эндогенных систем защиты организма. Роль NO рассматривается в основных стадиях адаптации: 1) в срочной стадии связанной со стресс-реакцией; 2) в стадии перехода от срочной к долговременной адаптации; и 3) в стадии долговременной адаптации, характеризующейся стабильными защитными эффектами.

Все живые организмы, от прокариот до высших эукариот, отвечают стресс-реакцией на изменения в окружающей среде различными путями. Однако, со всем разнообразием стрессорных ответов как на уровне клеток так и на уровне организма, главная задача эволюции, которую они должны решить, это повышение устойчивости организма к действующим факторам, т. е., развитие адаптации.

Согласно современным представлениям адаптация обеспечивается запуском генетического аппарата и изменениями в обмене веществ в клетках наряду с изменениями в функционировании фактически всех основных систем организма: нервной, эндокринный, сердечно-сосудистый, дыхательный, мышечный, и т.д. Поэтому, очевидно, что наиболее важная роль в развитии адаптации принадлежит универсальным факторам, управляющим физиологическими системами и экспрессией гена.

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: передача сигнала в мозгу; регулирование сердечнососудистой, иммунной, желудочно-кишечной, и мочеполовой систем.

В последнее десятилетие были получены доказательства того, что NO участвует в регулировании генетического аппарата как на уровне 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 этой проблемы. (Табл. 8 1).

87

8.1. Продукция окида азота при различныхтипахстресса и адаптации

8.1.1. Роль NO при стрессе

Схема суммирует доступные данные относительно развития реакции стресса и показывает возможные NO-зависимые механизмы этого процесса (двойная светлая стрелка, активизирующий эффект NO; темная стрелка, ингибирующее действие NO.) (Рис. 8.1).

Замечено что любое сильное воздействие среды типа эмоционального, болевого, или мобилизационного стресса, острая гипоксия, неблагоприятные условия, или высокая температура или охлаждение стимулируют стандартную реакцию стресса. Стресс-реакция характеризуется определенными поведенческими ответами: типа настороженности, подавление полового и пищевого поведения, и увеличенная продукции и выделения гормонов стресса, т. е., катехоламинов, глюкокортикоидов, пролактина, гормона роста, и т.д.

88

Рис. 8.1. Участие NO в опосредовании стресс-реакции и адаптивных ответов организма.

Интенсивность реакции стресса определяется отношениями между активацией стресссистемы организма в ответ на стрессогенный фактор и запуском "стресс-лимитирующих систем", которые могут ограничить чрезмерный активацию стресс-систем и, таким образом, вредный эффект гормонов стресса.

Стресс-система имеет два главных отдела: центральный и периферический. Центральный отдел представлен медуллярными и гипоталамическими ядрами, чьи нейроны

89

выделяют кортикотропин релизинг фактор, катехоламины, аргинин-вазопрессин. Периферический отдел представлен гипоталамо-гипофиз-надпочечниковой осью и эфферентными волокнами нейронов симпатической нервной системы. Ключевые метаболиты стресс-системы периферического отдела являются адренокортикотропный гормон (ACTH), глюкокортикоиды, норадреналин, адреналин, пролактин и гормон роста. Регулирование системы стресса чрезвычайно сложно и происходит на множественных уровнях. Это обеспечивается прямым нейрогуморальными влияниями и авторегулированием отрицательной обратной связью, как на центральном так и периферическомуровнях.

При краткосрочном действии стресса умеренной интенсивности, включая соответствующие реакции стресса, выделение гормонов стресса приводит к потенцированию функционирования органов и полной мобилизации организма. Однако если стресс-реакция чрезмерно интенсивна или длительна и сопровождается значительным выбросом гормонов стресса, в клетках активируется свободно-радикальное окисление, внутриклеточной перераспределение кальция, подавляется производство энергии, снижается синтез большинства белков, а структурные белки денатурируют. Это оказывает отрицательное действие на органы и ткани и, таким образом, стресс-реакция из звена адаптации превращается в звено патогенеза различных болезней.

Стресс-лимитирующие системы противодействуют чрезмерному запуску стресс системы. Было описано пять принципиальных признаков характерных стресслимитирующим системам: 1) способность, активироваться стрессом, т. е., стресс - стимулируемой; 2) способность ограничить выделение и/или продукцию гормонов стресса; 3) способность ограничивать повреждения, вызванные стрессом; 4) способность экзогенных метаболитов стресс-лимитирующих систем, увеличить и способность ингибиторов этих систем уменьшать как устойчивость организма к стрессу, так и адаптационную способность организма; и 5) способность расширять свою собственную реактивность в процессе адаптации к повторным действиям факторов окружающей среды.

В полной соответствии с расположением стресс системы (центральные и периферические отделы), стресс-лимитирующие системы делятся на центральные, которые прежде всего ограничивают активность стресс-системы центрального звена, и локальные которые повышают устойчивость структур клеток и органов повреждению. Центральные стресс-лимитирующие системы включают ГАМК-ергическую, опиоидергическую, допаминергическую и серотонинергическую системы а некоторые модуляторные пептиды такие как вещество P , энкефалин, беты-эндорфин и т.д. Локальные защитные системы включают простагландины, антиоксиданты, аденозинергическую систему и систему белков стресса Hsp70.

Запуск стресс-лимитирующих систем сопряжено с запуском стресс-реализующих систем, которые играют ключевую роль в регулирование стресс-реакций. В настоящее время эта модель в целом общепризнанна. В то же самое время, вклад NO в регулирование стрессреакции, которая может быть очень значительна, оставался неисследованным.

Оценивая эффекты 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 стрессогенные 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, в то время как сниженная продукция NO соответствует стадии истощения на чрезмерную стресс-реакцию.

Вызванное стрессом увеличение в синтезе NO может происходить или вследствие активации имеющейся NO-синтазы или за счет увеличенного формирования NO-синтазы de

novo.

90

Активация NO-синтазы может быть вызвана: 1) увеличенной концентрацией внутриклеточного кальция; 2) активацией свободно-радикального окисления; и 3) увеличенной концентрацией свободных жирных кислот.

Индукция стрессом генов, кодирующих NO-синтазу может происходить в результате активации фактора транскрипции. Активация этого фактора может быть вызвана свободными радикалами, кальцием, цитокинами, интерликинами. Показано, что уровни факторов активирующих или стимулирующих NO-синтазу неспецифично увеличены при любом стрессе.

Кроме того, существует гипотеза, что увеличение в уровне 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 стрессреакцией.

Правая часть схемы иллюстрирует возможные NO-зависимые механизмы контроля стресс-реакцией (Рис8.1).

Структурные, морфологические основы NO-зависимого контроля центральных связей стресс-реакции обеспечивается в действительности тем, что гипофиз иннервируется широко разветвленной NO-ергической 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 (динитрозил железный комплекс, 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 NOзависимые механизмы, которые ограничивают стресс-реакцию непосредственно на уровне ее периферического отдела.

Это следует от схемы, на которой видно, что NO может блокировать выделение гормонов стресса на периферии и прямо защищать клетки и организм от стрессорного повреждения (Рис8.1).

NO ограничивает выделение симпатических медиаторов, как на уровне надпочечников, так и на уровне нервных окончаний. 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 резко активации симпатической нервной системы и устойчивой гипертонии.

Анализируя NO-зависимые механизмы локальной защиты, необходимо перечислить еще раз основные звенья стрессорных повреждений: активация свободно-радикального окисления, перераспределение кальция в клетках, белковая деградация, повреждение клеточных мембран, и увеличение аггрегации и адгезии.

Один из защитных механизмов NO связан с его способностью активировать антиоксидантные ферменты и экспресссию генов кодирующих эти ферменты. Кроме того,