Признаки некроза и апоптоза

Ксенобиотики – направленные регуляторы гибели клеток

Процесс запрограммированной гибели клеток – апоптоз запускается рядом внеклеточных факторов (индукторы апоптоза, табл. 2). Среди них видное место занимают ксенобиотики. Выявлено целое семейство внутриклеточных белковых факторов CD95 (рецептор и фактор роста нервов, В-клеточный антиген CD40, маркер активации Т-лимфоцитов CD27). У ряда этих белков имеется последовательность во внеклеточной части молекулы, которую называют «домен смерти». Этот домен абсолютно необходим для индукции цитотоксического сигнала, т.е. химического сигнала начала гибели клетки. Интересно, что цитоплазматический С-конец CD95 содержит «домен спасения», удаление которого усиливает цитотоксическую активность рецептора. Особую роль в гибели клеток имеет внеклеточный элемент кальций. Роль ионов Са²⁺ в осуществлении межнуклеосомного разрыва ДНК и развитии апоптоза связывают с активацией Са²⁺, Мg²⁺-зависимой эндонуклеазы. Повышение внутриклеточной концентрации Са²⁺ регистрируется при действии многих ксенобиотиков. Так, препараты, повышающие уровень Са²⁺ (ионофоры) вызывают апоптоз ряда клеток (например, тимоцитов). Активация Са²⁺-зависимой трансглутаминазы (тип II) является обязательным и характерным биохимическим признаком апоптоза (маркер апоптоза). Этот фермент участвует в перекрестном сшивании мембранных белков, что в дальнейшем приводит к сморщиванию цитоплазматических гранул и другим морфологическим признакам апоптоза.

Другим важным белком, через который реализуется действие ксенобиотиков, является белок р53 – регулятор транскрипции. После действия физических и химических факторов, вызывающих повреждение ДНК, экспрессия гена р53 в клетках существенно усиливается. Под влиянием р53 клетки, которые имеют множественные разрывы ДНК, задерживаются в фазе G₁ клеточного цикла. Если они входят в S-фазу, то подвергаются апоптозу. Интересно, что мутация этого белка связана с опухолевой трансформацией клеток, причем такие опухолевые клетки устойчивы к действию химиотерапии.

Химиотерапия опухолей – это воздействие ксенобиотиков на структуру, функциональную активность, метаболизм нуклеиновых кислот. Это специальная область медицинских знаний, основанная на принципах ксенобиологии. Ксенобиотики – противоопухолевые препараты являются аналогами пуриновых и пиримидиновых оснований, интеркаляторами (встраивание во вторичную структуру ДНК между плоскостями оснований), антиметаболитами и другими соединениями. Основная сложность их применения заключается в повреждении не только опухолевых клеток, но и здоровых, поскольку химизм взаимодействия ксенобиотиков с молекулами-рецепторами (мишенями) одинаков в разных типах клеток.

В последние годы обращено внимание на взаимодействие ксенобиотиков с ферментом теломераза. Этот фермент обеспечивает восстановление длины теломерного (концевого) участка хромосомной ДНК. Известно, что каждая хромосома имеет на всех своих окончаниях особую структуру, называемую теломером (примерно тысяча нуклеотидных повторов TTGGGG). ДНК-полимераза неспособна обеспечивать репликацию концевых нуклеотидов в цепи ДНК, и с каждым последующим делением длина хромосомы становится короче на 10–20 теломерных фрагментов. После достижения определенной критической длины теломеры теряют способность поддерживать целостность хромосомы, и в ней может происходить нарушение структуры ДНК, несовместимое с нормальным существованием клетки. В большинстве клеток нормальных тканей человека теломераза неактивна, и поэтому клетки подвергаются апоптозу через 50–100 делений. В клетках злокачественных опухолей ген теломеразы активен: длина теломера не укорачивается и продолжительность жизни опухолевой клетки, поэтому практически не ограничена. Поскольку теломераза присутствует только в опухолевых клетках, действие антителомеразных ксенобиотиков не будет распространяться на здоровые клетки. В результате химиотерапия опухолей будет лишена основного побочного эффекта – повреждения здоровых клеток.

Для некротического типа гибели клеток характерно повреждение ксенобиотиками вначале мембранных и цитоплазматических структур, полиферментных комплексов и отдельных ферментов, что сопровождается нарушением энергетики клетки и закислением внутренней среды. Поражение процессов репликации, транскрипции и трансляции, как правило, вторично. К веществам, вызывающим некротическое поражение клеток, относят кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов, алкалоиды, экзотоксины и др. Закономерности взаимодействия таких веществ с организмом изучает специальная наука – токсикология.

Глава 3

Метаболизм ксенобиотиков

Существует три основных механизма регуляции метаболизма: изменение активности ферментов, изменение количества фермента в клетке, изменение проницаемости мембран.

Изменение активности ферментов – самый распространенный способ регуляции метаболизма. Регуляции подвержены «ключевые» ферменты, которые определяют скорость всего полиферментного процесса. Как правило, такие ферменты состоят из субъединиц – олигомерны. Активность фермента зависит от количества, доступности и химического строения субстрата катализируемой реакции; от условий протекания ферментативной реакции в клетке (рН, t^о и др.); от наличия эффекторов, которыми часто являются ксенобиотики (активаторов, ингибиторов); от строения фермента (наличие химической модификации, доступности кофакторов) и др. Изменение активности ферментов играет принципиальную роль в регуляции метаболизма конечными продуктами (ретроингибирование) и реже первыми продуктами (форактивация).

Изменение количества фермента в клетке осуществляется путем индукции или репрессии генов, а также его протеолитической деградации в клетке. Ферменты, которые присутствуют в клетке в относительно постоянном количестве, называются конституитивными. Ферменты, количество которых резко изменяется в зависимости от метаболической ситуации, называются адаптивными или индуцибельными. Индуцибельные ферменты и их изоформы чувствительны к протеолизу.

Изменение проницаемости мембран, или точнее – изменение целого комплекса функций мембран (изменение скоростей потоков метаболитов, газов в клетку и из клетки; компартментализация метаболических процессов, изменение электрохимического потенциала, передача нервных импульсов; функционирование рецепторов и др.). Эти три основных механизма лежат в основе действия гормонов.

Метаболизм ксенобиотиков – это прижизненная функция химической защиты организма. В настоящее время исследование метаболизма ксенобиотиков превратилось в самостоятельную отрасль науки со своей теоретической базой и определенным объемом знаний. Эта дисциплина включает ряд разделов, например, молекулярную ксенобиологию – совокупность биохимических знаний и методов, используемых для решения задач общей ксенобиологии и фармакологии:

· изучение и описание ксенобиотиков;

· стандартизация и контроль качества ксенобиотиков, используемых в качестве лекарств;

· анализ и производство лекарств;

· оценка эффективности лекарств на основе изучения их метаболизма;

· фармакодинамика ксенобиотиков (лекарств) с помощью биохимического мониторинга организма;

· фармакокинетика ксенобиотиков (лекарств) с помощью биохимических методов определения действующих начал и метаболитов ксенобиотиков во времени.

Ксенобиотики в норме отсутствуют в организме человека или находятся в следовых количествах. Они могут быть синтетическими или извлеченными из других организмов (микроорганизмы и растения). Граница между биогенными препаратами и ксенобиотиками достаточно условна, поскольку конечные их эффекты реализуются на уровне молекулярных биохимических процессов и регуляции. Особенно это видно на примере лекарственных препаратов.

Все лекарственные средства делятся на природные (биогенные) и чужеродные (ксенобиотики). Природные являются естественными продуктами живых организмов и участвуют в биохимических процессах (аминокислоты, гексозы, жирные кислоты, витамины, гормоны, биорегуляторы, препараты плазмы крови и др.). В европейских странах получили распространение природные препараты 5 групп: 1) Суис-органные препараты (препараты из различных тканей, органов и клеток). 2) Нозоды – препараты, приготовленные гомеопатическим путем из органов, продуктов метаболизма, микроорганизмов (ауто- и гетеронозоды). 3) «Катализаторы», которые включают группу А – метаболиты цикла трикарбоновых кислот; группу В – убихиноны и другие компоненты цепей переноса электронов; группу С – гормоны, биогенные амины, растительные экстракты. 4) «Потенцированные аллопатические» препараты (АТФ, витамины, антибиотики и др.). 5) Сложные препараты биологического происхождения. Для этих препаратов характерна биосовместимость и они служат для целей метаболической терапии.

Для стандартизации и контроля качества ксенобиотиков-лекарств используют три группы методов: 1) физические методы – спектрофотометрия, флуоресцентный анализ, масс-спектрометрия и др. 2) Химические методы неорганического, коллоидного и органического анализа состава лекарств и их метаболитов. Эти группы физико-химических методов позволяют установить структуру вещества и лишь сделать предположение о его биологической активности. 3) Биохимические исследования с использованием субклеточных фракций, клеток, тканей, органов и организмов позволяют оценить биологическую активность лекарств. Использование биохимических методов обеспечивает стандартизацию лекарств и контроль качества на этапах производства и хранения. Широкое распространение получило использование свойства специфического взаимодействия белков в системах фермент – субстрат; лекарство – рецептор; антиген – антитело. На основе этого фундаментального свойства белков созданы специфичные и высокоточные методы радиоиммунного, иммуноферментного, хемилюминесцентного анализа, аффинной хроматографии и др.

К настоящему времени накоплен значительный опыт, свидетельствующий о том, что многие лекарственные средства могут оказывать неблагоприятное воздействие на развивающийся плод и новорожденных. Наибольшую опасность представляют тератогенные эффекты препаратов, под которыми понимают развитие врожденных уродств у плода.

Лекарства могут оказывать влияние на плод на всех сроках беременности, но больше всего достоверных данных получено при изучении их влияния в период органогенеза (18–55 дней) и период роста и развития плода (свыше 56 дней).

К сожалению, тератогенные эффекты у человека трудно предсказать на основании экспериментальных данных, полученных на животных. Например, талидомид, снотворное средство, которое очень широко назначалось беременным женщинам во всем мире, является истинным тератогеном. Однако в исследованиях на животных не было выявлено тератогенных свойств препарата.

Кроме того, выявление этих серьезных осложнений лекарственной терапии затруднено тем, что имеется определенный естественный фон аномалий развития плода, связанных с другими причинами (вирусные инфекции, экология, алкоголизм и др.).

Врожденные уродства регистрируются приблизительно у 1–2% новорожденных. Очевидно, что выявление тератогенных свойств у препарата наиболее вероятно тогда, когда врожденные уродства возникают часто, когда они необычны или тяжелы. Также очевидно, что лекарственные средства с низкой тератогенной активностью, действие которых реализуется на практике редко или вызывают незначительные нарушения, остаются незамеченными и неучтенными.

Существует очень много препаратов, которые потенциально опасны с точки зрения тератогенеза, и их действие может проявляться при наличии определенных благоприятствующих факторов. В этой связи важно при назначении лекарства женщинам детородного периода очень серьезно отнестись к оценке соотношения пользы и риска назначаемого препарата в период беременности. Не менее важным является также исключение беременности при назначении препаратов с тератогенными свойствами. Основываясь на данных, полученных на людях и, в большей степени, на животных, лекарственные средства в настоящее время классифицируются по степени риска для плода в ряде стран (США, Австралия) на категории от А (безопасные) до D (противопоказанные в период беременности). Выделяют также категорию X, куда входят препараты, абсолютно противопоказанные беременным женщинам. Доказано, что препараты категории X не обладают достаточным терапевтическим эффектом у женщин, и риск их применения превышает пользу (табл. 4). Препараты, относящиеся к категории D (табл. 5), оказывают необходимое терапевтическое действие, но предпочтение в определенных ситуациях следует отдать другим препаратам со сходными фармакологическими свойствами и только в редких, чрезвычайных обстоятельствах препараты этой категории могут быть назначены беременным.

Например, известно, что все противосудорожные препараты тератогенны. Этот факт свидетельствует о необходимости ограничить применение препаратов этой группы беременным. Однако нельзя не учитывать и то, что и сами эпилептические судороги без лекарственной коррекции могут иметь нежелательные последствия для плода.

Таблица 4

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: