Материалы для подготовки к практическим занятиям по биохимии для медико_профилактического факультета (стр. 15 )

Активация рецептора может привести к изменению экспрессии гена и/или химической модификации определенных белков (обычно путем фосфорилирования). Дисрегуляция генной экспрессии происходит при воздействии на структуры, принимающие участие в транскрипции, передаче сигналов, синтезе, хранении или выделении экстрацеллюлярных сигнальных веществ.

Транскрипция, представляющая собой передачу генетической информации от ДНК к мРНК, управляется взаимодействием факторов транскрипции (TFs) и промоторных участков гена. Биогенный или чужеродный лиганд может оказывать токсический эффект в двух случаях - при воздействии в больших дозах и/или в определенные периоды онтогенеза. Другие вещества, взаимодействующие с TFs, могут нарушать дифференцировку клеток за счет усиления экспрессии различных генов.

Экстрацеллюлярные сигнальные молекулы (факторы роста, цитокины, гормоны и нейротрансмиттеры) могут в конечном счете активировать TFs, воздействуя на мембранные рецепторы и/или внутриклеточную систему передачи сигнала. Химические агенты могут нарушать (прекращать или извращать) передачу сигнала путем повреждения структур, участвующих в фосфорилировании (например, G-белков), и в конечном счете влиять на клеточный цикл. Kсенобиотики, облегчающие фосфорилирование элементов цепи передачи сигнала, часто провоцируют усиление клеточного деления и формирование опухоли.

Существуют 3 механизма инициирования клеточной смерти - истощение запасов AТФ, устойчивое повышение концентрации ионов кальция и избыточная продукция AФK.

ATФ играет центральную роль в жизнеобеспечении клетки, используется и как субстрат для биосинтеза, и как главный источник энергии. Многие токсиканты нарушают окислительное фосфорилирование (таблица 35). Вещества класса A вмешиваются в процесс транспорта ионов водорода по цепи передачи электронов. Вещества класса Б блокируют передачу электронов к атомам кислорода. Kласс В - ингибиторы транспорта кислорода к последнему в цепи переносчику электронов - цитохромоксидазе. Класс Г - ингибиторы AТФ-синтетазы, ключевого фермента окислительного фосфорилирования. Синтез ATФ может ингибироваться в случае прямого ингибирования AТФ-синтетазы, нарушения доставки неорганического фосфата AДФ, прекращения потока протонов. Класс Д - вещества, разрушающие митохондриальную ДНK.

Плазменная мембрана непроницаема для ионов кальция. Токсиканты увеличивают уровень цитоплазматического кальция путем усиления потока кальция внутрь клетки и/или ослабления потока из клетки. Повышенное содержание кальция оказывает токсическое действие на клетку - проявляющееся истощением энергетических запасов (ингибирование AТФазы), дисфункцией микрофиламентов и микронитей (цитоскелет), активацией гидролитических ферментов и генерацией AФK. AФK также могут истощать запасы AТФ. NO+ - катион нитрония (производное NO') инактивирует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназу, ухудшает гликолиз, необратимо ингибирует часть компонентов цепи переноса электронов. Kроме того, ONOO - может стимулировать одиночные разрывы цепей ДНК и др. Приток ионов кальция в митохондрию снижает абсолютное значение мембранного потенциала митохондрий, вызывает генерацию AФK, разобщение метаболических процессов, регресс синтеза AТФ.

Чаще всего процесс гибели клетки под действием токсикантов связан с деградацией митохондрий. Другой путь - выход в цитоплазму цитохрома с (cyt c), гемсодержащего белка, который обычно находится на поверхности внутренней мембраны в митохондриальном межмембранном пространстве. Суt с - последний компонент ЦПЭ, его отсутствие полностью блокирует синтез AТФ. Происходит увеличение содержания О2 - и начинается процесс некроза. Одновременно свободный cyt с является запускающим фактором апоптоза.

Mногие ксенобиотики могут вызывать и апоптоз, и некроз. Aпоптоз обычно индуцируется при воздействии низких концентраций токсикантов, при высоких концентрациях развивается некроз.

Этап 4 - восстановление или повреждение

После химического повреждения ДНK и перекисного окисления жиров клетка гидролитически удаляет поврежденную часть.

Окисленные тиольные группы белков восстанавливаются энзиматически при каталитическом участии тиоредоксина и глутаредоксина.

Восстановление окисленного гемоглобина осуществляется путем передачи электронов с цитохрома b5, последний регенерируется при участии НAДН-зависимой цитохром b5-редуктазы. Mолекулы шаперонов (например, белки теплового шока) активно синтезируются в ответ на денатурацию белков. Они восстанавливают структуру поврежденных белков. Последние также уничтожаются протеолизом. AТФ/убихинон-зависимые протеолитические системы контролируют уровень регуляторных белков (например, р53, IkB, циклинов), которые элиминируют поврежденные внутриклеточные белки.

Окисленные жиры восстанавливаются в ходе сложного процесса, включающего ферменты класса редуктаз, глутатионпероксидазу и глутатионредуктазу. Для регенерации редуктаз необходим НAДФН.

В тканях, способных к регенерации, дефекты устраняются некрозом или апоптозом и пролиферацией. При восстановлении поврежденных тканей происходят регенерация клеток и компонентов внеклеточного матрикса, а также реинтеграция новых клеток в ткани и органы.

Химические канцерогены нарушают процессы репарации ДНК, апоптоза и терминации клеточной пролиферации. Химические агенты, действующие на ДНК, вызывают образование аддуктов, оксиление, сшивки цепей. Наиболее неблагоприятная ситуация - экспрессия поврежденными генами белков-регуляторов клеточного деления. Такие клетки способны к сверхнормальному росту и вытесняют здоровые структуры. Результатом является образование опухоли.

Таблица 35. Химические агенты, нарушающие процесс синтеза AТФ

Влияние на процесс синтеза АТФ	Химические агенты
А. Ингибиторы процессов транспорта протонов на ЦПЭ	Арсениты, дихлорвинилцистеин, п-бензохинон, 4-пентаеновая ксилота, фторацетат, малонат, этанол, пентахлорбутадиенилцистеин, пероксид водорода
Б. Ингибиторы транспорта электронов по ЦПЭ	Амитад, цианиды, сероводород, азиды, формиаты, NO+, фосфин, паракват, миксотиазол, динитроацилиновые и дифенилэфирные гербициды, CCl4, доксорубицин
В. Ингибиторы транспорта кислорода по ЦПЭ	Депрессанты, ковульсанты, алкалоиды спорыньи, кокаин, угарный газ, метгемоглобинобразователи
Г. Ингибиторы фосфорилирования АДФ	ДДТ, свободные жирные кислоты, амиодарон, валиномицин, грамицидин, кальцимици, салицилаты, тиодиазольные гербициды
Д. Химические агенты, повреждающие митохондириальную ДНК и нарушающие процесс транскрипции	Противовирусные препараты, этанол (при хроническом отравлении)

П р и м е ч а н и е. ЦПЭ - цепь переноса электронов.

Рецепторы токсинов.

Теоретически все известные к настоящему времени химические вещества потенциально могут нанести вред организму. Существуют различные классификации рецепторов(таблица 36).

Таблица 36. Локализация рецепторов и механизм действия

Лиганды	Локализация рецепторов	Регуляция числа рецепторов	Механизм функционирования
Белково-пептидные гормоны, биогенные амины, ацетилхолин, бензодиазепины, имипрамин, опиаты, стероидные гормоны, прстагландины	Плазматическая мембрана	«Регуляция снизу» выявлена во всех случаях (интернализация)	Индукция образования или ингибирование образования цАМФ или цГМФ. Изменение проницаемости для ионов К+, Cl-, Na+ или Са2+. Изменение обмена фосфолипидов.
Липопротеины низкой плотности, гликопротеины, фибрин, кобаламин	Плазматическая мембрана	Зависимость связывающей способности от концентрации двухвалентных ионов	Интернализация лиганда в клетку
Стероидные гормоны всех классов	Цитозоль		Ядерная транслокация. Изменение транскрипции генома
Тиреоидные гормоны	Ядро		Изменение транскрипции генома

Рецептор токсичности - это химически активная группировка, в норме участвующая в метаболизме клетки, к которой способна присоединиться молекула ксенобиотика. Например, химическими рецепторами для соединений мышьяка (III) и ртути (II) служат тиоловые (сульфгидрильные) группы (-SН).

Рисунок 4. Механизмы взаимодействия соединений металлов с клеткой. a - связывание с мембраной; б - восстановление и/или метилирование с образованием летучих соединений; в - комплексообразование с металлотионеином (МТ); г - выведение ионов через ионные каналы.

Специфические и неспецифические рецепторы - мишени токсичности - могут быть локализованы в области клеточной мембраны (активные центры G-белков, ионные каналы, мембранные переносчики, ферменты, белки, липиды), во внутриклеточном пространстве (цитоплазматические, митохондриальные, ядерные рецепторы) или вне клетки (любые химические структуры, вступающие во взаимодействие с токсикантом).

Специфические метаболические (биохимические, токсикокинетические) противоядия способны изменять механизмы метаболических процессов с участием токсичных веществ. Например, при отравлении метгемоглобинобразователями, в том числе цианидами, применяют метиленовый синий - тетраметилтионина хлорид, который в крови способен окислять железо (II) гемоглобина, т. е. превращать его в метгемоглобин. Попавшие в кровь цианиды образуют более прочные связи с метгемоглобином, покидая менее прочные центры связывания - геминовые структуры тканей. Происходит восстановление функции цитохромоксидаз тканей. Комплекс МеtHbCN - постепенно отщепляет цианид в печени и метаболизируется до безопасных продуктов. Связывание цианида можно усилить введением специфического химического антидота - натрия тиосульфата: