Начало >> Статьи >> Архивы >> Феномен адаптационной стабилизации структур и защита сердца

Другие механизма феномена адаптационной стабилизации структур - Феномен адаптационной стабилизации структур и защита сердца

Оглавление
Феномен адаптационной стабилизации структур и защита сердца
Основные механизмы долговременной адаптации
Роль HSP70
Кардиопротекторные эффекты адаптации к стрессу
Динамика становления и обратного развития ФАСС коррелирует с изменением содержания hsp70 в миокарде
Формирование феномена адаптационной стабилизации структур
Роль инозитол-фосфатного цикла в кардиопротекторном эффекте адаптации к повторным стрессорным воздействиям
Феномен адаптационной стабилизации структур при адаптации организма к периодической гипоксии
Адаптация к гипоксии по сравнению с адаптацией к стрессу сопровождается меньшим накоплением стресс-белков
Биологическое значение белков теплового шока
Клеточная локализация и функции hsр70 в стрессированных клетках
Функции hsp 70, локализованных вдоль актиновых миофиламентов
Механизмы транскрипции и стресс-индуцированной активации синтеза hsp70
Роль hsp70 в адаптивных реакциях на примере развития термотолерантности и гипертрофии сердца
Компенсаторная гипертрофия и роль белков теплового шока в ее механизме
Механизм адаптационного накопления белков теплового шока
Роль белков теплового шока в механизме формирования феномена адаптационной стабилизации клеточных структур
Место защитной системы, связанной с hsp70 среди других клеточных систем защиты
Перспективы использования активации системы белков теплового шока в адаптационной медицине
Другие механизма феномена адаптационной стабилизации структур
Возможности воспроизведения ФАСС и его использование для защиты сердца
Механизмы ФАСС участвуют в повышении устойчивости организма к тяжелой гипоксии
Summary

ДРУГИЕ МЕХАНИЗМЫ ФЕНОМЕНА АДАПТАЦИОННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ СТРУКТУР И МЕСТО ФАСС В ДОЛГОВРЕМЕННОЙ АДАПТАЦИИ
Наши исследования свидетельствуют, что важная роль в механизме феномена адаптационной стабилизации структур, вероятно, принадлежит белкам теплового шока. Вместе с тем, очевидно, что эти белки образуют лишь одно из звеньев сложного механизма, обеспечивающего повышение устойчивости клеточных структур. В качестве примеров, свидетельствующих о том, насколько широка обсуждаемая проблема, можно назвать следующие механизмы такого рода.

  1. Давно уже известен гетерохронный характер активации генов в процессе долговременной адаптации. Это положение было сформулировано более 10 лет назад (12) и состоит в том, что при увеличении нагрузки на организм клетки или при действии других факторов возникает в первую очередь активация регуляторных генов, например протоонкогенов, детерминирующих сигнальные белки (59,69,118,208,239). Затем активируются гены, кодирующие короткоживущие, но вместе с тем жизненно важные белки, например Са-АТФ-аза СПР (239) или наиболее эффективные изозимы креатинкиназы (42). Позже активируется синтез длительноживущих и тоже жизненно важных белков, таких, например, как сократительные белки мышечных клеток и наиболее эффективные их изозимы (69,208).

Нагрузки и воздействия на живой организм в естественных условиях не являются непрерывными, а носят периодичный характер, например бегство, нападение, плавание, уход от холода и др. Поэтому указанная последовательность активации генов приводит к тому, что определенные жизненно важные структуры в результате адаптации, например в результате тренировки к физической нагрузке, вырастают раньше других и их удельный объем в клетке оказывается стабильно увеличенным. Так, при адаптации к физической нагрузке количественная электронная микроскопия показала увеличение в 1,5-2 раза объема СПР на единицу массы кардиомиоцитов (109). Аналогичным образом количество митохондрий на кубический миллиметр скелетных икроножных мышц марафонца оказывается увеличено в 1,5-2 раза (106). Это позволило сформулировать положение, что оптимальное соотношение клеточных структур является важным результатом долговременной адаптации. Это соотношение обеспечивает увеличение максимально достигаемой функции в расчете на единицу массы ткани и делает излишним слишком большой рост органа, т.е. обеспечивает экономию структурных резервов.

Одновременно достигаемое посредством адаптации оптимальное соотношение клеточных структур за счет более эффективного транспорта Са2+ и увеличения сопряжения окисления с фосфорилированием делает осуществление функции более экономным, чем у неадаптированных людей и животных. В наиболее яркой форме это показал Хейс (113), который продемонстрировал, что у спортсменов, тренированных на выносливость, сердце при равной работе поглощает в 1,5-2 раза меньше кислорода. Применительно к интересующей нас проблеме ФАСС это означает, что орган в адаптированном организме может без повреждения выдерживать большую нагрузку, гипоксию и, по-видимому ишемию. Иными словами, соотношение структур в системах и органах, на которые ложиться главный труд по обеспечению адаптации, т.е. в пределах системного структурного следа (см. введение), делает эти органы более устойчивыми к повреждению, а следовательно, является одним из механизмов ФАСС.

2.  Второй из возможных механизмов адаптационной стабилизации структур связан с активацией совершенно определенных стресс-лимитирующих систем. Так, Cohen (73) показал, что у животных, адаптированных к повторным стрессам, слизистая желудка, изучавшаяся в остром опыте становиться значительно устойчивей к прямому действию концентрированных растворов соляной кислоты, маннитола и алкоголя. В дальнейшем выяснилось, что все эти защитные эффекты, несомненно представляющие собой проявления ФАСС, могут быть отменены введением ингибитора синтеза простагландинов - индометацина. В полном соответствии с этим мы в дальнейшем установили, что при адаптации к повторным стрессам закономерно наблюдается выраженная активация синтеза простагландинов (31 ). Это несомненно один из факторов, который может играть роль в механизме ФАСС.
В последнее время показано, что наиболее яркий феномен защиты миокарда от ишемического некроза - так называемый precondition, т.е. предварительная 5-минутная ишемия, которая создается у животных заранее за 30-60 мин перед длительной некротической ишемией, может быть устранен введением ингибиторов аденозина (88). Таким образом, активация системы аденозина также может быть существенным компонентом ФАСС.
И наконец, увеличение мощности антиоксидантной системы, обусловленное адаптацией к факторам среды, создает определенную гарантию против активации ПОЛ и за счет этого, вероятно, может обеспечивать формирование ФАСС. Это положение хорошо подтверждается тем, что при адаптации к стрессу в миокарде увеличение активности основных антиоксидантных ферментов, и прежде всего каталазы (157), сопровождается выраженным мембраностабилизирующим эффектом при реперфузии и тепловом повреждении изолированного сердца, при действии эндогенных факторов аутолиза на изолированные везикулы СПР (161) и др.


Рис. 52. Современные представления о функционировании рецептор- зависимых систем клетки и возможные адаптивные сдвиги на уровне Са2+-мобилизующих, β-адренорецепторов и ИТФ-рецепторов СПР. Большие стрелки указывают направление адаптивных изменений
ПК-A протеинкиназа А; ПК-С - протеинкиназа С; ФИ - фосфоинозитол; ФИФ - фосфоинозитол фосфат; ФИФ2 - фосфоинозитол бифосфат; ИФ - инозитол фосфат; ИФ2 - инозитол бифосфат; ИТФ - инозитол трифосфат; ДАГ - диацилглицерол

Таким образом, как и для других локальных систем, активация антиоксидантной клеточной системы, вероятно, составляет одно из звеньев сложного механизма ФАСС.

3. Третий механизм, который может играть роль в развитии ФАСС, может быть связан с адаптивными изменениями в рецептор-зависимых системах клетки, и в частности с десенситизацией ее основных рецепторов.
Схемы на рис.  52 и 53 отражают современные представления о функционировании рецептор-зависимых систем клетки и позволяют понять возможные адаптивные сдвиги, за счет которых может повышаться устойчивость клеточных структур при периодическом действии повреждающих факторов.
Видно, что активация Са-мобилизующих рецепторов (рис. 52) сопровождается повышением активности фосфолипазы С и увеличением концентрации инозитолтрифосфата (ИТФ) и диацилглицерола (ДАТ). Далее ИТФ, взаимодействуя с рецептором на СПР, индуцирует выброс Са2+ в цитоплазму, а ДАГ вместе с Са2+ активирует протеинкиназу С, которая, фосфорилируя Са-канал, увеличивает вход этого катиона в клетку.


Рис. 53. Современные представления о функционировании рецептор- зависимых систем клетки и возможные адаптивные сдвиги на уровне цитоплазматических рецепторов Са2+ и стероидных гормонов

ПК-А протеинкиназа А; ПК-С - протеинкиназа С; ФИ - фосфоинозитол; ФИФ - фосфоинозитол фосфат; ФИФ2 - фосфоинозитол бифосфат, ИФ- инозитол фосфат; ИФ2 - инозитол бифосфат; ИТФ - инозитол трифосфат; ДАГ - диацилглицерол; HSTF - heat shock transcription factor - фактор транскрипции гена теплового шока
Активация β-адренорецепторов (рис.  52), как известно, приводит к увеличению образования цАМФ и цАМФ-зависимому фосфорилированию Са-каналов сарколеммы. В результате поступление Са2+ в клетку еще более усиливается и при чрезмерно длительном действии катехоламинов, например при стрессе или реперфузии, может возникнуть кальциевая перегрузка и повреждение клеточных структур.
В процессе адаптации к стрессу, как показано на схеме 52, на уровне рецепторов формируется несколько сдвигов, способных ограничивать кальциевую перегрузку, а именно: 1)фосфорилирование сарколемальных рецепторов с помощью протеинкиназы С приводит к снижению их чувствительности к агонистам, т.е. к десенситизации (144,207); 2) фосфорилирование ИТФ-фосфатазы (74) вызывает активацию этого фермента и как следствие снижение пула ИТФ. В результате активация ИТФ-рецепторов и выброс Са2+ из саркоплазматического ретикулум будет также уменьшен.

Можно ожидать, что при действии больших доз катехоламинов эти адаптивные метаболические сдвиги будут ограничивать кальциевую перегрузку и повреждение клеток. Экспериментальные данные Torda et al. (220), и Prichard, Kvetnansky (222) и наши собственные действительно свидетельствуют, что в процессе адаптации к стрессу происходит не просто десенситизация адренорецепторов (26) и изменение активности ферментов фосфоинозитольного цикла, но и одновременно повышается устойчивость сердца к адренотоксическому повреждению (94, 162,240) и реперфузионному парадоксу (162,240), т.е. к тем факторам, в механизме действия которых токсический эффект катехоламинов и кальциевая перегрузка играют существенную роль.
Возможные адаптивные изменения на уровне цитоплазматических рецепторов, такие как рецептор Са2+ кальмодулин и рецептор кортикостерона схематически представлены на рис.  53. Видно, что активированная Са2+ и ДАГ протеинкиназа С через фосфорилирование Na/н-обменника, изменение pH в клетке и фосфорилирование фактора транскрипции может активировать генетический аппарат (174) и увеличение синтеза hsp70 и hsp90 (169,170).
Нsp90, взаимодействуя с цитоплазматическим рецептором стероидных гормонов, приводит к его инактивации и снижению чувствительности к агонисту (рис.  53). Поскольку известно, что стероидные гормоны увеличивают вход Са2+, то можно ожидать, что ингибирование их рецепторов приведет к уменьшению транссарколемального входа Са2+ и уменьшит вероятность кальциевой перегрузки.
Нзр70 может связываться с кальмодулином (214). Не исключено, что в условиях кальциевой перегрузки hsр70 будет уменьшать сродство кальмодулина к Са2+ или активированного кальмодулина к ферментам (рис.  53). В итоге многие Са2+-калъмодулин-зависимые процессы протеолиз, фосфолиполиз, ПОЛ и другие будут ограничены, соответственно устойчивость клеток к повреждающим факторам может увеличиться. Это предположение подтверждается тем, что многие из известных фармакологических блокаторов кальмодулина, например трифторперазин, действительно обладают выраженным кардиопротекторным действием и повышают устойчивость сердца к реперфузионному и адренергическому повреждению (19,22).
Таким образом, возможность формирования ФАСС за счет адаптивных изменений в рецептор-зависимых системах клетки состоит в увеличении мощности механизмов блокировки передачи чрезмерных по интенсивности или длительности внешних гормональных сигналов и уменьшении внутриклеточной кальциевой перегрузки. Эти механизмы формируются на уровне сарколемальных рецепторов и сводятся к их десенситизации; на уровне ИТФ-рецепторов СПР и сводятся к активации ИТФ-фосфатазы и уменьшению внутриклеточной концентрации агониста ИТФ и на уровне цитоплазматических рецепторов Са2+ и стероидных гормонов и сводятся к их ингибированию.
4. Наконец, четвертый механизм ФАСС может быть связан с физико-химическими изменениями самих белковых молекул или с адаптивными изменениями их микроокружения.
Так, например, биологические функции и стабильность многих клеточных структур чрезвычайно зависят от слабых или как их еще называют вторичных химических связей. К ним относятся вандерваальсовы, водородные и ионные связи. Несмотря на то, что энергия, необходимая для образования слабых связей, очень мала и едва превышает энергию теплового движения молекул, степень повышения устойчивости, достигаемая за счет образования новых слабых связей, может быть очень большой. Так, сравнение D-глицеральдегид-3-фосфатдегидфогеназы Bacillus stearothermophiius, сохраняющей структуру и активность при температурах до 70°С с тем же ферментом из Thermus aguaticus, сохраняющим активность до 95°С, показало, что повышение термостабильности во втором случае обеспечивается лишь одной или двумя добавочными ионными связями (53). В другом интересном случае было показано, что при тиолировании тРНК бактерий, повышающем термостабильность молекулы тРНК, добавляются всего лишь три слабых связи (179).
Исследования, проведенные Hochacka, somero (116), свидетельствуют, что в процессе адаптации организма к факторам среды реально формируются многие из предпосылок, способствующих образованию новых слабых связей в структуре белковых молекул. Не вдаваясь в детали этой сложной и интересной проблемы, мы прежде всего должны подчеркнуть, что образование дополнительных слабых связей играет важную роль среди механизмов стабилизации многих жизненно важных биомолекул и, очевидно, значимость физико-химических изменений в структуре самих биомолекул в формировании ФАСС требует дальнейшего целенаправленного изучения.
Другая возможность повышения устойчивости белковых молекул к повреждающим факторам состоит в адаптивном изменении их локального микроокружения. Известны три основных способа, с помощью которых микроокружение решает эту задачу: за счет адаптивных изменений регуляции осмотического давления; за счет адаптивных изменений регуляции pH в непосредственном окружении клеточных структур и за счет адаптивных изменений липидного микроокружения (116).

Так, например, для трех ферментов - М4-лактатдегидрогеназа, пируваткиназа и глюкозо-6-фосфат дегидрогеназа - имеются экспериментальные данные, свидетельствующие, что высокая устойчивость этих белков к резким изменениям осмотических условий связана с тем, что особый класс осмотически активных веществ за счет быстрого изменения своей концентрации в пределах микроокружения этих белков может эффективно компенсировать неблагоприятные осмотические сдвиги окружающей среды (57,58). В окружении осмолитов фермент может просто "не почувствовать" неблагоприятного действия изменившейся среды и будет по-прежнему нормально функционировать. Кроме того, среди осмолитов - веществ, участвующих в осморегуляции микроокружения, есть вещества, обладающие прямым стабилизирующим действием, как, например, метиламины. Действительно, по отношению к РНКазе установлено, что если при компенсации осмотических сдвигов происходит увеличение концентрации осмолитов-стабилизаторов метиламинов, наблюдается стабилизация структуры фермента и увеличение температуры денатурации (238). Аналогичный эффект проявляется также по отношению к лактат- дегидрогеназе и глутаматдегидрогеназе (238).
Наши физиологические эксперименты свидетельствуют, что адаптация к стрессу приводит к значительному повышению устойчивости изолированного сердца к реперфузионному повреждению и кальциевому парадоксу (162,163) - к повреждениям, в патогенезе которых осмотический шок составляет одно из ключевых звеньев. Это приводит к мысли, что адаптивное увеличение мощности систем осморегуляции может быть одним из механизмов ФАСС и соответственно дальнейшее изучение этой проблемы составляет перспективное направление в развитии профилактики заболеваний сердца и других органов.
Важным фактором повышения устойчивости клеточных белков является адаптивное изменение регуляции pH их микроокружения. Это связано с тем, что ингибирование тех или иных процессов при ишемии, реперфузий и действии других повреждающих факторов приводит к тому, что в клетках органа происходит значительное накопление конечных продуктов и закисление внутренней среды. Хорошо известно, что резкие изменения pH вызывают не только обратимые функциональные нарушения, но и приводят к денатурации и необратимой структурной дестабилизации белков.
Для решения этой проблемы в клетке существуют особые буферные системы. Их функция состоит в поддержании постоянства рH не вообще во всем клеточном содержимом, а только в непосредственном микроокружении ферментов.
Буферные свойства микроокружения клеточных структур определяются главным образом гистидином (60,211) и неорганическим фосфатом (60) и достигаются за счет того, что при увеличении клеточного pH имидазольные и фосфатные группы, входящие в состав микроокружения фермента, будут высвобождать протоны, а при снижении pH, наоборот, связывать их и, таким образом, локальное pH вокруг клеточного белка будет поддерживаться в пределах физиологических значений, несмотря на изменения внутриклеточного pH. Castellini, Somero (64) И Parkhouse et ai. (183) показали, что при адаптации к гипоксии и физическим нагрузкам происходит значительное увеличение буферной емкости мышечных клеток. Однако механизмы этого эффекта до сих пор не ясны. Поэтому очевидно, что проблема адаптивного повышения устойчивости структур за счет увеличения буферной емкости требует дальнейшего серьезного изучения.

Анализируя механизмы ФАСС, невозможно обойти вопрос о липидном окружении, в котором функционируют многие ферменты, в особенности связанные с мембранами. Установлено, что адаптация к стрессу обладает выраженным мембранопротекторным эффектом и однозначно повышает устойчивость сарколеммы к реперфузионному и тепловому повреждению. Кроме того, в экспериментах на изолированных везикулах СПР, проведенных в нашей лаборатории Ю. В. Архипенко и Т. Г. Сазантовой (161) показано, что адаптация к периодическим иммобилизационным воздействиям существенно повышает стабильность Са-насоса СПР кардиомиоцитов к автолизу. Так как Са-насос СПР - это фермент, активность которого в значительной мере зависит от липидного микроокружения, то очевидно, что изменения фосфолипидного слоя могут играть важную роль в защитном эффекте адаптации.
Результаты экспериментов Cossins, Prosser (77) позволяют предположить возможный механизм такого адаптивного повышения липид- зависимых структур. Так, установлено, что в клеточных мембранах из разных органов рыб и крыс при адаптации организмов к теплу происходит снижение количества двойных связей в фосфолипидах и увеличения соотношения между насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами (77). Известно, что двойные связи являются местом, где в процессе активации ПОЛ происходит присоединение -ООН групп и образование гидроперекисей. Следовательно, снижения количества двойных связей в жирнокислотных остатках фосфолипидов, возникающее в процессе адаптации к факторам среды, вероятно, может лимитировать сразу три повреждающих эффекта ПОЛ, связанных с накоплением гидроперекисей фосфолипидов (10,11), а именно: ограничение конформационной подвижности белков - "замораживание"; возникновение мембранных кластеров и фрагментация мембран; ингибирование ферментов за счет образования межмолекулярных белок-липидных сшивок.
Таким образом, адаптивные изменения липидного микроокружения, вероятно, составляют важный механизм ФАСС, который реально работает и защищает клеточные мембраны от повреждений.
Завершая краткое рассмотрение механизмов, участвующих в формировании ФАСС, необходимо сказать, что представления об этих механизмах сложились в результате достижений биохимии за последние десятилетия (116) и изучение их роли в развитии ФАСС может стать предметом отдельного исследования. Наша задача состояла лишь в том, чтобы оценить возможность участия этих механизмов в формировании адаптационной устойчивости структур и затем на этой основе оценить место ФАСС в общей системе механизмов долговременной адаптации.

феномен адаптационной стабилизации структур
Рис. 54. Интеграции феномена адаптационной стабилизации структур в механизм долговременной адаптации организма

После того, как мы рассмотрели возможные механизмы ФАСС, необходимо выделить один важный аспект, связанный с этим феноменом. Он состоит в том, что сам ФАСС в целом интегрирован в более сложную иерархическую систему - адаптационной реакции организма. Это определяется тем, что механизмы ФАСС тесным образом взаимосвязаны с основными этапами индивидуальной адаптации организма. Схема на рис.  54 позволяет проанализировать этот аспект.
Верхняя часть схемы отражает известное представление о механизме индивидуальной адаптации (11 ). В нижней части представлены основные механизмы ФАСС. На схеме показано, что реализация механизмов ФАСС происходит на уровне одного из самых ключевых этапов долговременной адаптационной реакции организма, а именно: на уровне активации генетического аппарата клетки. Сформировавшийся ФАСС становится важным компонентом системного структурного следа, который в свою очередь является материальной основой адаптации.



 
« Фармакотерапия сердечной недостаточности у детей   Физико-биологические основы лучевой терапии »