Биохимия эндотоксикоза
1 Биохимические механизмы
Круг веществ, способных вызвать самоотравление организма, достаточно широк. В известном смысле понятие "эндотоксина" условно, поскольку любой нормальный метаболит при чрезмерном накоплении в организме начинает проявлять токсические свойства. В то же время, реальное практическое значение в качестве "эндотоксинов" имеет ограниченный круг веществ. К их числу относятся:
- продукты распада тканевых белков - "средние молекулы";
- низкомолекулярные токсины (мочевина, креатинин, билирубин и др.);
- пероксиды и другие продукты свободнорадикального окисления;
- токсины микроорганизмов;
- биологически активные амины - гистамин, серотонин, брадикинин и др.;
- продукты гниения белков в кишечнике;
- при ряде состояний, связанных с дефицитом глюкозы в тканях, токсические свойства начинают проявлять накапливающиеся в организме нормальные метаболиты - ацетон, ацетоуксусная и бета-оксимасляная кислоты, известные как кетоновые тела.
Можно выделить несколько
важнейших биохимических
- активация тканевого протеолиза;
- активация процессов свободнорадикального окисления;
- действие бактериальных токсинов [2].
1.1 Активация протеолиза. Связь
с воспалительными
Активация протеолиза - гидролитического распада белков, осуществляемого тканевыми протеазами (катепсинами), представляет одни из наиболее общих молекулярных механизмов повреждения тканей в условиях патологии. Различают несколько классов катепсинов - B, D, E, G, H, K, L, O и S. Все они имеют оптимум рН в кислой области в пределах 4,0-6,0 и сохраняются в клетке в неактивном состоянии в лизосомах, будучи стерически изолированы от контакта с цитоплазматическими белками лизосомальной мембраной. Наряду с катепсинами, в распаде тканевых белков принимают участие и некоторые другие протеазы, в частности, эластаза нейтрофилов, атакующая фибриллярные белки соединительной ткани легких.
В условиях физиологии посредством протеолиза подвергаются посттрансляционным модификациям вновь синтезированные полипептидные цепи белков, обновляются тканевые структуры, перевариваются в желудочно-кишечном тракте пищевые белки, функционирует система гемостаза, образуются биологически активные пептиды, активируются неактивные предшественники биологически активных белков.
Активация протеолиза представляет
важнейший биохимический
В 1965г. Scribner установил, что
за развитие уремической интоксикации
ответственны вещества, проникающие
через брюшину при
Приводимая ниже схема отражает современные представления о природе МСМ, накоплении их в организме при ряде заболеваний, механизмах токсического действия и последствиях этого действия, регуляции содержания в организме.
МСМ (молекулы средней массы - от 300 до 5000 а.е.м.) – вещества преимущественно пептидной природы, образующиеся в тканях в результате протеолитического распада белков и вызывающие состояние интоксикации в организме.
МСМ выполняют роль неспецифических маркеров интоксикации при:
- почечной недостаточности;
- острой ожоговой токсемии;
- инфаркте миокарда;
- абсцессах легких;
- злокачественных новообразованиях.
В состав МСМ входят около 30 биологически-активных пептидов, среди них: вазопрессин, окситоцин, глюкагон, кальциотонин, а также полиамины, многоатомные спирты, углеводы.
Токсический эффект МСМ обусловлен суммарным влиянием всех входящих в их состав соединений вследствие развития эффектов потенцирования и синергизма
Механизмы токсического действия МСМ:
- суммарное действие высокоспецифических естественных пептидных биорегуляторов, присутствующих в аномально высоких количествах;
- блокирование рецепторов естественных пептидных биорегуляторов пептидами из группы МСМ, имеющими схожее строение;
- неспецифическая модификация пептидами МСМ структурно-функциональных свойств клеточных мембран - мембранотропное действие;
- связывание пептидов группы МСМ с транспортными белками с вытеснением переносимых метаболитов.
Биологические последствия действия МСМ:
- Нарушение микроциркуляции и гемолиз эритроцитов;
- Угнетение эриторопоэза;
- Развитие вторичной
- Угнетение синтеза белка;
- Нарушения энергетики клеток.
- Стационарная концентрация МСМ в крови определяется:
- Образованием в тканях;
- Разрушением в крови под действием пептидаз;
- Выведением из организма почками.
По химической природе группа МСМ неоднородна. Установлена химическая структура многих индивидуальных представителей МСМ, получены их синтетические аналоги и доказано наличие у них токсических свойств.
Трудности в оценке токсического
действия индивидуальных компонентов
МСМ связаны с тем, что каждый
из них, взятый в отдельности, не проявляет
токсические свойства. Токсический
эффект обусловлен суммарным влиянием
всех компонентов МСМ вследствие
развития эффектов потенцирования и
синергизма. Совместное действие мочевины,
креатинина, метилгуанидина и гуанидинсукцината
приводит к уменьшению ударного объема
и потребления кислорода
Среди МСМ особый интерес
представляют пептиды - продукты деградации
фибрина. Высокий уровень МСМ
часто обусловлен интенсивными процессами
тромбообразования и
Результаты ряда исследований указывают на неравномерное распределение МСМ между плазмой кровью и эритроцитами с преобладанием МСМ в последних.
В физиологических условиях 95% МСМ удаляется почками путем гломерулярной фильтрации. Внутри проксимальных тубул почек основная масса пептидов полностью или частично разрушается и освободившиеся аминокислоты реабсорбируются. В условиях патологии накопление МСМ в крови развивается на фоне повышенной активности тканевых протеаз и не связано с нарушением экскреции МСМ почками. При этом активность экзопептидаз, осуществляющих расщепление пептидов в крови, оказывается недостаточной для их оперативного удаления. Определенная роль в удалении из кровотока МСМ принадлежит легким. Уровень МСМ в артериальной крови ниже чем в венозной, т.е. существует шунт в содержании МСМ в крови притекающей к легким и оттекающей от них. Следовательно, легкие, удаляя из кровотока МСМ, выполняют детоксицирующую функцию, особенно важную в условиях эндотоксемии.
Активации протеолиза препятствуют антипротеазы - вещества белковой природы, образующие комплексы с протеазами, в составе которых последние утрачивают свою активность. Чрезвычайно широкое распространение антипротеаз в природе и обнаружение их практически во всех тканях животных и растений косвенно указывает на их важную биологическую роль. Сегодня антипротеазы рассматриваются как вещества, препятствующие развитию некоторых форм злокачественных новообразований, атеросклероза, гипертонической болезни и ряда других заболеваний.
К важнейшим антипротеазам человека относятся ингибиторы сериновых протеаз альфа-1-АТ, альфа-1-антихимотрипсин и альфа-2-МГ, циркулирующие в плазме крови и тканевой жидкости, а также расположенные в цитоплазме клеток. В антипротеазную активность ткани легких вносят вклад секретируемые лейкоцитами низкомолекулярные ингибиторы протеаз, отличные от альфа-1-АТ.
Важнейшая физиологическая роль альфа-1-АТ связана с защитой ткани легких от протеолитического разрушения эластазой нейтрофилов. Специфичность альфа-1-АТ к эластазе определяется остатком метионина в положении 358. Альфа-1-АТ синтезируется преимущественно клетками паренхимы печени и секретируется в кровь.
Врожденный дефицит альфа-1-АТ,
при котором синтезируется его
нормальный М-тип, но в недостаточных
количествах, является наиболее общей
генетической причиной развития эмфиземы
легких во взрослом возрасте. Снижение
содержания альфа-1-АТ в плазме крови
менее 11 нмоль/л (80 мг/дл), что соответствует
35% от нормальных величин, ассоциируется
с резким увеличением риска
Дисбаланс протеаз и антипротеаз
связывается с развитием
Активация протеолиза сопутствует неспецифическим воспалительным заболеваниям легких. Выявлены различия антитриптической активности крови у больных хроническим бронхитом, раком легких и здоровых людей, обусловленные характером патологического процесса и фенотипическими вариантами альфа-1-АТ.
При исследовании факторов,
ответственных за происхождение
хроническим бронхитом у
В развитии повреждений легких при муковисцидозе, проявляющихся хроническим гнойным бронхитом, ведущая роль отводится действию эластазы, освобождаемой нейтрофилами на поверхность эпителия дыхательных путей. При исследовании активности этого фермента, а также специфичной к нему антипротеазы и альфа-1-АТ в смывах с респираторного эпителия у детей с муковисцидозом установлено, что, несмотря на нормальное содержание антигенов альфа-1-АТ и секреторного ингибитора протеазы нейтрофилов у 25 из 27 обследованных больных детей, в легких выявлены признаки опосредованного нейтрофилами воспаления. У 20 детей, в том числе двух в возрасте до 1 года, определялась активная эластаза нейтрофилов, большая часть молекул альфа-1-АТ и секреторного ингибитора протеазы нейтрофилов была закомплексирована или разрушена.
Активация протеолиза может
развиваться на фоне нормального
и даже повышенного содержания ингибиторов
протеаз. Так уровень МСМ в
крови д с хирургической
1.2 ПОЛ в биологических мембранах и развитие
эндотоксикоза при заболевания легких
Перекисное (свободнорадикальное)
окисление липидов представляет
один из путей утилизации кислорода
в клетке. Основным субстратом в
реакциях ПОЛ выступают ненасыщенные
жирнокислотные остатки липидов
биологических мембран. Важно ответить
на вопросы - почему активацию ПОЛ
можно рассматривать в качестве
общего биохимического механизма возникновения
эндотоксикоза и как она
ПОЛ представляет универсальный
механизм разборки липидных компонентов
клетки. Продукты ПОЛ - органические пероксиды
и гидропероксиды, являются неустойчивыми
и высокореакционноспособными соединениями,
обладающими выраженными
Биомембраны - это липопротеидные
образования, которым принадлежит
исключительно важная роль в процессах
жизнедеятельности клетки. Основа строения
мембраны - двойной молекулярный слой
липидов, в который встроены молекулы
белков, выполняющие роль ферментов,
переносчиков, ионных каналов и рецепторов.
Именно липидный бислой обеспечивает
барьерную функцию мембран. Обращенные
друг к другу длинные углеводородные
цепи жирнокислотных остатков фосфолипидов,
образуют гидрофобную область, плохо
проницаемую для ионов, воды и
водорастворимых веществ. С барьерной
функцией мембран связаны метаболическая
специализация отдельных
В основе повреждающего действия
ПОЛ на биологические мембраны лежит
окислительная модификация
Таким образом, активация
ПОЛ вводит клетку в порочный круг
нарушения ионного гомеостаза и
биоэнергетики, который, если его не
разорвать, неумолимо ведет клетку
к гибели. В физиологических условиях
активации ПОЛ препятствует мощная
антиокислительная система
Об активации процессов
ПОЛ при острых и хронических
воспалительных и инфекционно-аллергических
заболеваниях органов дыхания
В частности, в крови у
больных хроническим бронхитом
были установлены особенности
Снижение активности супероксиддисмутаза
в эритроцитах установлено у
больных обструктивным
Накопление первичных, вторичных и конечных продуктов ПОЛ и снижение устойчивости эритроцитов к перекисному гемолизу на фоне снижения активности каталазы и глутатион-S-трансферазы характерны для больных острыми абсцессами легких и острыми эмпиемами плевры. Повышенный уровень продуктов ПОЛ в крови характерен для больных туберкулезом, вне зависимости от клинической формы болезни. Альвеолярные макрофаги весьма чувствительны к действию оксидантов, попадающих в легкие с вдыхаемым воздухом. Действие радикальных форм кислорода приводит к развитию утомления дыхательных мышц, имеющему непосредственное отношение к недостаточности дыхания.
В лечении заболеваний легких, особенно сопровождающихся развитием эндотоксикоза, находят применение антиоксиданты, а также физиотерапевтические методы, оказывающие антиокислительное действие. Описан положительный эффект совместного эндолимфатического введения токоферола, унитиола и антибиотиков широкого спектра действия у детей с эндотоксикозом в критических состояниях [4].
1.3 Действие токсинов
В развитии эндотоксикоза
большая роль отводится токсинам
микроорганизмов, представляющим продукты
жизнедеятельности микробных
По происхождению токсины микроорганизмов подразделяют на три класса:
- экзотоксины - продукты,
выделяемые микроорганизмами
- эндотоксины - вещества
прочно связанные со стромой
микробных клеток и
- мезотоксины - токсические
вещества, непрочно связанные со
стромой микробной клетки и
в определенных условиях
По функциональной активности выделяют мембранотоксины, способные лизировать мембраны клеток (лейкоцидины, гемолизины, фосфолипаза А2), цитотоксины, функциональные блокаторы (нейро- и энтеротоксины), эксфолиатины - эритрогенины (обнаруживаются в стафилококках и стрептококках, обладают пирогенным действием, вызывают слущивание поверхностных слоев эпителия кожи), модуляторы реакций клеток на эндогенные медиаторы. К факторам патогенности бактерий относятся не только продуцируемые ими токсины, но и некоторые другие вещества. Так, например, у пневмококка патогенностью обладают полисахаридная капсула, нейраминидаза, гиалуронидаза, гемолизин, протеаза против IgA, протеин М.
В развитии деструктивных процессов легких стафилококковой этиологии важная роль принадлежит некротоксину и гиалуронидазе, под действием которых в легочной ткани быстро возникают очаги некроза, формируются полости распада - "стафилококковые булы" и создаются условия для распространения процесса на плевру.
Среди различных токсинов микроорганизмов наибольшее внимание исследователей привлекает эндотоксин. Выяснена его химическая природа, интенсивно исследуются трехмерная пространственная структура, механизмы действия на клетки-мишени, идентифицируются рецепторы и медиаторы, образующиеся в клетках мишенях и опосредующие его действие, разрабатываются антиэндотоксиновые лекарственные средства.
Эндотоксин представляет
липополисахарид клеточной
- олигосахаридной сердцевины;
- специфичной цепи;
- липидного компонента, получившего название липид А.
Именно липид А обладает основными биологическими свойствами эндотоксина, а углеводный фрагмент определяет его антигенные свойства.
Выяснена первичная структура
липида А ряда микроорганизмов и
осуществлен химический синтез липида
А Е.Coli. Для связывания липида А
макрофагами важное значение имеет
гидрофильный бифосфорилированный
остаток гексозамина, в то время
как активация клеток и продукция
ими провоспалительных
На наружной поверхности
плазматической мембраны чувствительных
к эндотоксину клеток имеется
специфичный к нему рецептор, представляющий
белок массой 14 кД. Связывание эндотоксина
сопровождается экспрессией генов,
кодирующих цитокины, адгезивные белки
и ферменты, ответственные за образование
низкомолекулярных
В роли провоспалительных
медиаторов, образующихся в чувствительных
к эндотоксину клетках и
1.4 Особенности эндотоксикоза при неспецифических
воспалительных заболеваниях органов дыхания
Легкие содержат уникальную
систему сурфактанта - монослой фосфолипидов,
выстилающий поверхность
Нейтрофильные лейкоциты
и макрофаги секретируют в
просвет бронхов
В 1969 г. J.Vane ввел понятие "нереспираторных функций легких", под которыми подразумевал способность легких контролировать содержание в крови ряда БАВ. Эта способность получила название "эндогенного легочного фильтра" или "легочного барьера. Легкие избирательно поглощают из крови и инактивируют биогенные амины, кинины и первичные простагландины. Поскольку при чрезмерном накоплении в организме эти БАВ оказывают токсическое действие, то разрушение их в легких фактически означает детоксицирующую функцию этого органа, а выпадение этой функции при заболеваниях легких способствует возникновению эндотоксикоза. Легкие синтезируют ряд ключевых факторов системы гемостаза (тромбопластин, факторы VII, VIII, гепарин). При патологии легких происходит сочетанное нарушение процессов свертывания крови, фибринолиза, что также приводит к развитию эндогенной интоксикации [6,7].
В происхождении неспецифических
воспалительных заболеваниях органов
дыхания существенная роль отводится
бактериальному воспалительному процессу,
развивающемуся при преодолении
микробом-возбудителем защитных механизмов
дыхательной системы, его адгезии
на эпителии слизистой оболочки бронхиального
дерева или альвеолоцитах с
В патогенезе острого поражения
легких, вызываемого эндотоксином,
выделяют три стадии: 1) раннюю, для
которой характерны миграция гранулоцитов
внутрь каппиляров и выход из кровеносных
сосудов моноцитов; 2) промежуточную,
характеризующаяся превращением моноцитов
в макрофаги внутри альвеол; 3) позднюю,
в ходе которой происходит диффузная
инфильтрация альвеол макрофагами
и выходящими из кровеносного русла
нейтрофилами. Легкие представляют
одну из главных мишеней для
Наряду с токсинами
микроорганизмов, важная роль в развитии
эндотоксикоза при
Таким образом, три фактора
- токсины микроорганизмов, продукты
деструкции легочной ткани, а также
некоторые БАВ, накапливающиеся
в организме вследствие выпадения
детоксицирующей функции
