Биохимические механизмы адаптации при геморрагическом шоке

НАУЧНЫЕ ОБЗОРЫ

© ГОРБАЧЕВА С. М., КОЗИЕВ М.П. — 2006

БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ ПРИ ГЕМОРРАГИЧЕСКОМ ШОКЕ

С. М. Горбачева. М.П. Козиев (Иркутский государственный институт усовершенствования врачей, ректор — д.м.н., проф. А.А. Дзизинский; кафедра скорой медицинской помощи и медицины катастроф,

зав. — д.м.н., проф. С. М. Горбачева)

Резюме. В обзоре литературы представлены данные по биохимическим механизмам адаптации при геморрагическом шоке. Показана взаимосвязь между нитроксидергической, пероксидазной системами и тиолдисульфидного отношения в патогенезе и процессах адаптации к геморрагическому шоку.

Ключевые слова: геморрагический шок, адаптация, оксид азота, перекисное окисление липидов, ти-олдисульфидное отношение.

Актуальность проблемы геморрагического шока обусловлена тем, что он представляет собой тяжелый и опасный для жизни патологический процесс, часто возникающий вследствие осложненного течения различных заболеваний, оперативных вмешательств и травм. Кровопотеря вызывает глубокие нарушения гомеостаза, следствием этого являются нарушение всех механизмов транспорта кислорода, развитие гипоксии смешанного типа, активация симпатической и эндокринной систем, централизация кровообращения, нарушение периферического кровообращения, ацидоз, нарушение водно-солевого равновесия, свертываемости крови, дисфункция органов и систем и является одной из наиболее частых причин развития критических состояний [17, 28].

При острой кровопотери возникшее несоответствие ОЦК и емкости сосудистого русла приводит к уменьшению минутного объема крови сердца и расстройству микроциркуляции. Замедление кровотока в капиллярах приводит к агрегации форменных элементов, застою крови в капиллярах, повышению внутрикапиллярного давления и переходу плазмы из капилляров в интерстициальную жидкость. Наступает сгущение крови, что наряду с образованием монетных столбиков эритроцитов, агрегацией тромбоцитов приводит к повышению ее вязкости и внутрикапиллярному свертыванию с образованием микротромбов. Расстройство микроциркуляции независимо от механизма его возникновения приводит к гипоксии клетки и нарушению окислительно-восстановительных процессов в ней. В тканях начинают преобладать анаэробные процессы над аэробными, развивается метаболический ацидоз. Конечным результатом всех перечисленных выше процессов является циркуляторная недостаточность, при которой невозможно поддержание адекватной перфузии и оксигенации органов, приводящие к изменению обмена веществ, что в свою очередь приводит к полиорганной недостаточности, которая может явиться причиной смерти больного.

При проведении интенсивной терапии при острой кро-вопотере, помимо восполнения объема циркулирующей крови (ОЦК), контролем за гемодинамическими показателями, профилактике и лечения полиорганной недостаточности, особого внимания требуют процессы, характеризующие адаптивные возможности организма.

В формировании защитных эффектов адаптации к стрес-сорным воздействиям вовлечены практически все основные системы организма: сердечно-сосудистая, нервная, и др. Поэтому при анализе антистрессорного эффекта такой адаптации необходимо обратить особое внимание на один из наиболее универсальных регуляторов физиологических функций систем — оксид азота (N0) [10, 33].

Оксид азота синтезируется из Ь-аргинина синтазой оксид азота в присутствии ряда кофакторов и кислорода. Конечными продуктами этой реакции являются одна молекула Ь-цитруллина и один радикал N0 [14]. По физиологическим свойствам синтазы оксида азота подразделяются на конститутивные (нейрональную (I тип) и эндотелиальную (III тип)) и индуцибельную (II тип). Индуцибельная синтаза ок-

сида азота, в покое обычно не определяющаяся, активируется патологическими факторами и медиаторами воспаления, что приводит к гиперпродукции N0, которая оказывает повреждающее действие на биологические структуры [4, 6, 12].

По данным X. М. Маркова [16] и А. Ре^ов [34] при геморрагическом шоке, в условиях циркуляторной и гемической гипоксии, происходит активация индуцибельной синтазы оксида азота, приводящая к гиперпродукции N0, значительно превышающую физиологический уровень его синтеза. Резкий избыток N0, возникающий под влиянием индуцируемой N0-синтазы становится существенным фактором развития геморрагического шока.

Гиперпродукция N0 может оказывать повреждающее действие на клетку за счет прямых и опосредованных механизмов, приводящих к резкой вазодилатации, утрате реакции сосудов на вазоконстрикторные стимулы и в итоге к тяжелой необратимой гипотензии [13].

Все многообразие биологических эффектов N0 можно представить как регуляторное влияние N0 на сосудистый тонус, адгезию клеток, проницаемость сосудов, агрегацию тромбоцитов, антиоксидантную активность, ингибирование адгезии лейкоцитов. Повреждающее действие N0 выражается в ингибировании ряда ферментов, нарушении структуры ДНК, индукции процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ), снижении антиоксидантного потенциала клеток [20].

Оксид азота необратимо инактивируется реакцией с гемоглобином в просвете кровеносного сосуда, супе-роксидным радикалом в стенке кровеносного сосуда или кислородом в свободном растворе. Реакция оксида азота с кислородом сопровождается образованием стабильных конечных продуктов — нитрита и нитрата, которые являются косвенными маркерами концентрации N0 в организме [4].

N0 — лабильная, короткоживущая молекула со временем жизни несколько секунд. Однако эта молекула может стабилизироваться, что позволяет ей выполнять не только ауто-кринные, но и паракринные функции. Депонирование N0 в стенке сосудов начинается при любом повышении уровня N0 в организме независимо от вызвавшей его причины [14].

Исследованиями последних лет было показано, что N0 вовлечен в формирование срочной и долговременной адаптации и обладает выраженными защитными свойствами при стрессорных воздействиях, это позволяет предположить, что система N0 может представлять собой одну из стресс-лимитирующих систем. Активация N0 системы способствует активации других стресс-лимитирующих систем (ГАМКергической, опиоидергической, простагландинов Е и Ц, что дополнительно усиливает ее антистрессорные и адап-тогенные функции [12, 15].

Оксид азота является одним из важнейших факторов эндогенной защиты организма от повреждающих воздействий. N0 обеспечивает передачу сигналов в центральной и периферической нервной системе, сохранение нормального тонуса сосудов, атромбогенность эндотелия, эффективное функционирование иммунной системы. Повышение мощности N0-продуцирующих систем способствует формиро-

ванию адаптации к факторам среды и, по-видимому, лежит в основе адаптивной устойчивости к повреждающим факторам. По мере формирования такой адаптации происходит закономерное нарастание концентрации метаболитов N0 нитритов/нитратов в плазме, которое свидетельствует об усилении синтеза N0. Однако при избыточной продукции N0 начинает оказывать чрезмерное вазодепрессорное и прямое цитотоксическое действие [19, 22, 27].

Роль N0 определяется соотношением стресс-лимити-рующей роли N0 в неспецифической стресс-реакции и патогенетической роли изменения продукции N0 в специфическом повреждении при действии конкретного фактора [12, 23, 35].

Критические состояния любого генеза сопровождаются активацией свободнорадикальных процессов в тканях и органах больного. Основные формы активных форм кислорода (АФК) исходно являются нормальными компонентами клеточного метаболизма и выполняют определенные биологические функции. Их реактивная агрессивность сдерживается мощной антиоксидантной системой, но в патологических условиях этот баланс нарушается в сторону неконтролируемой генерации АФК, что приводит к формированию окислительного стресса и является одним из факторов, определяющих развитие повреждений при геморрагическом шоке. Индуцированные процессы свободнорадикального перекисного окисления оказывают влияние как на входящие в состав липидов полиненасыщенные жирные кислоты, так и на белки, в результате модификации аминокислотных остатков [9, 18, 21].

Все радикалы, образующиеся в организме человека можно разделить на 3 категории: первичные, вторичные и третичные. К первичным относятся, прежде всего, супероксид ОО-, а также оксид азота N0. Супероксид далее превращается в перекись водорода Н202 и в дальнейшем — в гипохлорит С10-. Первичные радикалы специально вырабатываются нашим организмом и выполняют жизненно важные функции. При недостаточной нейтрализации супероксида его избыток, взаимодействуя с N0, образует пероксинитрит или переводит Бе3+ в Бе2+, который при взаимодействии с Н202 и НС1О' образует гидроксильный радикал ОН. Эти радикалы, как и пероксинитрит, представляют категорию вторичных радикалов, именно эта категория обладает сильным токсическим действием вследствие своей способности необратимо повреждать мембранные липиды, а также молекулы ДНК, углеводов и белков. При соединении вторичных радикалов с молекулами антиоксидантов и других легкоокисляющихся соединений образуются третичные радикалы, роль которых может быть различна [1, 8].

Прямое воздействие N0 с такими АФК, как супероксид является важным моментом в механизме передачи сигнала в сосудах, что следует из высокой эффективности химической реакции между супероксидом и N0. Поскольку скорость реакции N0 с супероксидом в 3 раза выше, чем скорость реакции последнего с супероксиддисмутазой (СОД), N0 будет конкурировать с СОД за супероксид. Продукт этой реакции — пероксинитрит, вызывает повреждение белков и липидов клеточных мембран, повреждает сосудистый эндотелий, увеличивает агрегацию тромбоцитов, участвует в процессах эндотоксемии [3, 29, 30, 36]. При этом N0 легко проходит через внешнюю и внутреннюю мембраны клеток и, оказавшись внутри клетки, он повреждает ДНК клетки-мишени путем ее дезаминирования, а также ингибиции рибонуклеотидредук-тазы, которая регулирует скорость репликации ДНК. Кроме того, N0 инактивирует глицеральдегид-3-фосфатдегидроге-назу, блокируя этим гликолитический синтез АТФ, и ингибирует электронный транспорт в митохондриях [11, 31, 32]. Гемоглобин может обеспечивать защиту от пероксинитрита, выполняя функцию внутриклеточного антиоксиданта. Его способность связывать N0 не только в результате образования комплексов с гемовым железом, но и путем образования комплексов с тиоловыми группами, обеспечивает защиту клеток и субклеточных структур от избыточного образования N0. При этом уменьшается вероятность образования высоких концентраций пероксинитритов, а, следовательно, и повреждающего действия высокореакционных продуктов, образующихся в результате распада пероксинитритов. Гемоглобин, регулируя содержание N0 в том или ином участке организма, формирует определенный уровень прооксидантно-антиокси-дантного состояния [7, 26].

Одной из важных молекулярных мишеней для N0 являются белки, содержащие БН-группы. Оксид азота явля-

ется мощным катализатором образования дисульфидных мостиков. Благодаря взаимодействию с БН-группами N0 может регулировать такой важный для клетки процесс, как биосинтез белка [6].

Оценить степень продукции АФК прямыми методами в клинических условиях сложно. Это обусловлено малой продолжительностью жизни основных форм АФК в связи с их высокой реакционной способностью. Поэтому о выраженности окислительного стресса традиционно судят по результатам взаимодействия АФК и липидов — продуктам перекисного окисления липидов [18].

В настоящее время все больше исследователей приходят к выводу, что первичной мишенью АФК являются белки, а их окислительная модификация ведет к изменению структуры белковых молекул и, соответственно, их физико-химических и биологических свойств [5].

Это проявляется в агрегации и фрагментации белков, подвергнутых действию АФК. Следствием таких структурных повреждений является, в частности, резкое повышение чувствительности белков к протеолитической деградации. Окислительная модификация белков генерирует новые антигены и провоцирует иммунный ответ [21].

Развитию окислительного стресса препятствует сложный многокомпонентный механизм антиоксидантной системы (АОС), который превращает радикалы в малоактивные продукты, прерывает цепные реакции перекисного окисления липидов, инактивирует перекисные соединения [1, 2]. Истощение и срыв АОС ведет к интенсификации процессов свободнорадикального окисления и развитию окислительного стресса [24].

Антиоксидантная система представлена низкомолекулярными соединениями — ловушками радикалов, к которым относят витамины А, С, Е и К, биофлавоноиды, низкомолекулярные тиолы (глутатион и эрготионеин), а также антиперекис-ные ферменты (супероксиддисмутаза, глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза, каталаза и т.д.). Вместе с тем многолетние исследования, выполненные под руководством профессора В. В. Соколовского свидетельствуют, что ведущую роль в функционировании АОС и в адаптивном процессе играют низкомолекулярные и высокомолекулярные (белки) тиоловые соединения. Тиолсодержащие соединения — молекулы, имеющие в своем составе БН-группы, очень широко представлены в клетке в виде трипептидов и многочисленных белков. Эти соединения присутствуют в клетке в двух состояниях — восстановленном (-БН) и окисленном(-ББ), причем концентрация БН-групп в несколько раз выше концентрации ББ-групп, так как большинство тиоловых белков обладают физиологической активностью в восстановленном состоянии [5].

Наиболее важную в биологическом плане роль играют окислительно-восстановительные реакции, в ходе которых тиоловые группы легко окисляются с образованием, как правило, дисульфидных группировок, и вновь регенерируют при их восстановительном расщеплении: 2Ё — БН ч-> Ё — Б-Б — Ё + 2Н. Возникающая на основе этих превращений обратимая тиолдисульфидная система (ТДС) имеет очень большое значение в регуляции окислительно-восстановительного равновесия в клетках и тканях организма [6].

В свете современных данных становится все более очевидной ведущая роль тиоловых соединений и ТДС в целом в механизме АОС. Неферментное звено АОС наиболее широко представлено биотиолами, в их состав входят НБ — глютатин, эрготионеин, тиоредоксин, глютаредоксин и другие тиолсодер-жащие белки. Ферменты АОС либо относятся к числу типичных тиоловых энзимов (глютатионредуктаза, глютатионперок-сидаза), либо нуждаются в присутствии тиолов для проявления каталитической активности (супероксиддисмутаза, каталаза). Обратимость окисления тиоловых групп в дисульфидные обуславливает возможность поддержания гомеостаза ряда тиоловых антиоксидантов в клетке без активации их биосинтеза. Альтернатива «адаптация или дезадаптация» во многом зависит от сохранения или нарушения оптимального количественного соотношения между восстановленными и окисленными формами биоантиоксидантов. Имея в виду ведущую роль тиолдисульфидной системы в механизме АОС, предложено оценивать функциональное состояние последней величиной отношения концентраций БН и Б-Б групп в биологическом субстрате (тиолдисульфидное отношение — ТДО) [5, 24, 25].

Рассмотрение патогенеза геморрагического шока проводимое с позиции адаптации является одним из механизмов понимания сложных биологических процессов происходя-

щих в организме. В условиях циркуляторной и гемической гипоксии происходит напряжение процессов адаптации, и все усилия организма направлены на активацию защитных сил, адекватный ответ и стабилизацию состояния. При слабом защитном ответе и (или) мощном повреждающем агенте происходит выраженное повреждение биологических структур, приводящее к полиорганной недостаточности и гибели организма.

Из приведенного обзора, очевидно, что нитроксидер-гическая, пероксидазная системы и тиолдисульфидное отношение взаимосвязаны и очень тесно взаимодействуют между собой при геморрагическом шоке. Поэтому синтез оксида азота, продукты перекисного окисления липидов и окислительной модификации белков должны находиться под постоянным лабораторным контролем при геморрагическом шоке.

ЛИТЕРАТУРА

1. Владимиров Ю.А. Свободные радикалы и антиоксиданты II Вестник РАМН. — 1998. — № 7. — С. 43-50.

2. Владимиров Ю. А., Азизова О. А., Деев А. И. и др. Свободные радикалы в живых системах II Итоги науки и техники. СеР. «Биофизика». — М., 1991. — Т. 29. — 250 С.

3. Волин М.С., Дэвидсон К. А., Камински П. М. и др. Механизмы передачи сигнала оксидант — оксид азота в сосудистой ткани II Биохимия. — 1998. — № 7. — С. 958-965.

4. Голиков П.П., Голиков А.П. Роль оксида азота в патологии II Топ медицина. — 1999. — № 5. — С. 3-8.

5. Гончарова Л. Л. Тиолдисульфидная система в клинической практике. II TERRA MEDICA nova. — 2003. — № 2. — С. 3-6.

6. Драпкина О. М., Задорожная О. О., Ивашкин В. Т. и др. Особенности синтеза оксида азота у больных инфарктом миокарда II Клиническая медицина. — 2000. — № 3. — С. 19-22.

7. Зинчук В.В. Деформируемость эритроцитов: физиологические аспекты II Успехи физиол. наук. — 2001. — Т. 30, № 3. — С. 68-78.

8. Капелько В.И. Регуляторная роль кислородных радикалов в неокардиальных клетках II Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. — 2004. — Т. 90, № 6. — С. 681-692.

9. Кизиченко Н.В., Архипенко Ю.В. Защитный эффект адаптации к стрессу от повреждений, вызванных геморрагическим шоком: роль антиоксидантной системы II Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. — 1998. — Т. 126, № 9. — С. 270-273.

10. Маленюк Е.Б., Аймашева Н.П., Манухина Е.Б. и др. Вовлечен ли оксид азота в адаптационную защиту органов от стрессорных повреждений? II Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. — 1998. — Т. 126, № 9. — С. 274-277.

11. Малкоч А.В., Майданник В.Г., Курбанова Э.Г. Физиологическая роль оксида азота в организме II Нефрология и диализ. — 2000. — Т. 2, № 1-2. — С. 165-169.

12. Малышев И.Ю., Манухина Е.Б. Стресс, адаптация и оксид азота II Биохимия. — 1998. — № 7. — С. 992-1006.

13. Малышев И. Ю., Монастырская Е.А., Смирин Б.В. и др. Гипоксия и оксид азота II Вестник РАМН. — 2000. — № 9. — С. 44-49.

14. Манухина Е.Б., Лямина Н.П., Долотовская П.В. и др. Роль оксида азота и кислородных радикалов в патогенезе артериальной гипертензии II Кардиология. — 2002. — № 11. — С. 73-84.

15. Манухина Е.Б., Малышев И.Ю. Стресслимитирующая система оксида азота II Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. — 2000. — Т. 86, № 10. — С. 1283-1292.

16. Марков Х.М. О биорегуляторной системе L— аргинин — ок-сись азота II Патологическая физиология и экспериментальная терапия. — 1996. — № 1. — С. 34-39.

17. Мороз В.В, Остапченко Д.А., Мещеряков Г.Н. и др. С. М. Острая кровопотеря. Взгляд на проблему II Анестезиология и реаниматология. — 2002. — № 6. — С. 4-9.

18. Пасечник И.Н. Окислительный стресс и критические состояния у хирургических больных II Вестник интенсивной терапии. — 2004. — № 3. — С. 27-30.

19. Пшенникова М.Г., Смирин Б.В., Бондаренко О.Н. и др. Депонирование оксида азота у крыс разных генетических линий и его роль в антистрессорном эффекте адаптации к гипоксии II Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. — 2000. — Т. 86, № 2. — С. 174-181.

20. Рябов ГА., Азизов Ю.М. Роль оксида азота как регулятора клеточных процессов при формировании полиорганной недостаточности II Анестезиология и реаниматология. — 2001. — № 1. — С. 8-13.

21. Рябов Г.А., Азизов Ю.М., Дорохов С. И. и др. Окислительная модификация белков плазмы крови у больных в критических состояниях II Анестезиология и реаниматология. — 2000. — № 2. — С. 72-75.

22. Салей А.П., Рецкий М. И. Роль оксида азота в формировании мотивационного поведения и обучения II Вестник ВГУ. — 2003. — № 1. — С. 75-80.

23. Смирин Б.И., Покиды1шев Д.А., Малыьшев И.Ю. и др. Депонирование оксида азота как фактор адаптационной защиты II Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. — 2000. — Т. 86, № 4. — С. 447-454.

24. Соколовский В.В. Тиолдисульфидная система в биохимическом механизме реакции организма на экстремальное воздействие II Вестник Санкт-Петербургской государственной медицинской академии им. И.И. Мечникова. — 2004. — № 4. — С. 97-100.

25. Соколовский В. В. Тиолдисульфидное соотношение крови как показатель состояния неспецифической резистентности организма: Учебное пособие. — СПб., 1996. — 30 С.

26. Alayash A.I. Hemoglobin-based blood substitutes and the hazards of blood radicals II Free Rad. Res. — 2000. — Vol. 33. — R341-348.

27. Benjamin N., Vallance P. Plasma nitrite as a marker of nitric oxide production II Lancet. — 1994. — Vol. 344. — P.960.

28. Burgess F.W., Sborov M.J., Calcagni D.R. II Textbook of Military Medicine. Part IV. Anesthesia and Perioperative Care of the Combat Casualty. — 1995. — P.81-100.

29. Gunther M.R., His L.S., Curtis J.F. et al. II J. Biol. Chem. — 1997. — Vol. 272. — P17086-17090.

30. Landino L.M., Crews B.C., Timmons M.D. et al. II Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1996. — Vol. 93. — P.15069-15074.

31. Lepoivre M., Fieshi F., Coves J. Inactivation of ribonucleotide reductase by nitric oxide II Biochem. biophys. Res. Commun. — 1991 — Vol. 179. — P442-448.

32. Lowenstein C.J., Dinerman J.L., Snyder S.H. Nitric oxide: a physiologic messengers. II Ann.intern.Med. — 1994. — Vol. 120. — P.227-237.

33. Moncada S. II J. Hypertens. — 1994. — Vol. 12, № 10. — P.35-39.

34. Petros A., Lamb G., Leone A. II Cardiovasc. Res. — 1994. — Vol. 28. — P34-39.

35. Tanaka H., Bassett D.R. Jr., Howley E.T. et al. Swimming training lowers the resting blood pressure in individuals with hypertension II J. Hypertens. — 1997. — Vol. 15. — P651-657.

36. Zou M.H., Ullrich V II FEBS Lett. — 1996. — Vol. 382. — Р. 101104.

BIOCHEMICAL MECHANISMS OF ADAPTATION IN HEMORRHAGIC SHOCK

S.M. Gorbacheva, M.P. Koziev

In the review of the literature data about biochemical mechanisms of adaptation in hemorrhagic shock are presented, ^e interrelation between nitroxide, peroxide systems and thioldisulfides relation in pathogenesis and processes of adaptation in hemorrhagic shock has been shown,