VIII. Свободнорадикальное окисление, фагоцитоз и воспаление

Под фагоцитозом понимают активное поглощение и разрушение клетками твердых частиц, чуждых для организма. Эти частицы могут быть любой природы: микроорганизмы и вирусы, иммунные комплексы антиген-антитело, простейшие или гельминты, твердые неорганические частицы, попадающие в наш организм в виде пыли и др. Фагоцитозу подвергаются и отмершие клетки и части погибших клеток собственного организма. В любом случае киллерный механизм и последующий механизм деструкции неживых частиц универсален. Фагоциты способны проявлять как цитотоксическое, так и бактерицидное действие. Цитотоксическое действие реализуется экстрацеллюлярными факторами, в то время как бактерицидность обеспечивается, главным образом, внутриклеточными механизмами.

Фагоциты представляют собой клетки с выраженной способностью к фагоцитозу. Особо важное значение имеют полиморфноядерные нейтрофилы, что определяется их количеством и особенностями функции. Полиморфоноядерные нейтрофилы представляют собой основной компонент лейкоцитов крови человека.

Моноциты периферической крови и, формирующиеся на их основе, тканевые макрофаги образуют, так называемую, «мононуклеарно-фагоцитирующую систему – МНС». Основной структурной единицей МНС являются макрофаги – активно фагоцитирующие клетки, содержащие внутриклеточные ферменты для деструкции поглощенного материала и имеющие необходимый аппарат для выработки этих ферментов.

Взаимодействие твердых частиц с поверхностными рецепторами вызывает активацию фагоцитов, заключающуюся в повышении проницаемости цитоплазматической мембраны и перестройке клеточного метаболизма, опосредованной повышением внутриклеточной концентрации ионов кальция, активированием аденилатциклазы и протеинкиназы С. В активированных фагоцитах значительно усиливается окисление глюкозы по гексозо-монофосфатному пути (пентозный цикл) и резко (в десятки раз) усиливается потребление кислорода. Последнее обстоятельство, а также внезапность и скорость, с которой возникают и развиваются эти реакции, послужили основанием для того, чтобы назвать это явление «респираторным» или «дыхательным» взрывом. Это действительно напоминает взрыв, ибо потребление кислорода возрастает уже в первые секунды после стимуляции фагоцита. Следует отметить, что утилизация кислорода не связана с процессами митохондриального окисления, так как не ингибируется цианидами, и направлена, главным образом, на образование активных форм кислорода.

Респираторный взрыв – одно из универсальных проявлений реактивности фагоцитирующих клеток. Основной механизм сводится к активации фагоцитов в результате контакта плазматической мембраны с фагоцитируемым объектом, что стимулирует активность цитоплазматического ферментного комплекса NADPH-оксидазы, который катализирует перенос электронов с NADPH на молекулярный кислород с образованием супероксидного анионрадикала. NADPH-оксидаза представляет собой мультикомпонентную систему, состоящую из мембраносвязанных и цитозольных компонентов (FAD, цитохром b₅₅₈, убихинон). Фермент локализован на мембране таким образом, что NADPH-связывающий центр направлен внутрь клетки, а супероксиданион-связывающий центр расположен на внешней стороне мембраны. В результате молекулярный кислород восстанавливается на внутренней поверхности мембраны, а супероксидный анионрадикал продуцируется либо в среду окружающую фагоцит, либо, если плазматическая мембрана образует фагосому, внутрь фагосомы, содержащей фагоцитированный материал (микроорганизмы). Убыль NADPH по механизму обратной связи стимулирует пентозный цикл (гексозо-монофосфатный путь) окисления глюкозы, восполняющий фонд НАДФН.

Таким образом, биохимическую основу «респираторного» взрыва составляют два сопряженных механизма:

1) окисление НАДФН с образованием супероксидного анионрадикала:

NADPH + О₂ ^{НАДФН- оксидаза}NADP + О_2∙ + Н⁺

2) восстановление НАДФ в реакциях пентофосфатного цикла:

глюкозо-6-фосфат + NADP^{пентозный цикл}пентозы +NADPH

В настоящее время доказано, что стимуляция рецепторов фагоцитов приводит к мобилизации связанного с мембранами Ca²⁺ и увеличением его концентрации в цитоплазме. Мобилизация внутриклеточного кальция является ведущим механизмом в активации NADPH-оксидазы. Одновременно с мобилизацией внутриклеточного кальция при стимуляции рецепторов происходит включение системы транспорта ионов кальция, расположенной в плазматической мембране.

Важнейшую роль в развитии дыхательного взрыва играет активация протеинкиназы С. Протеинкиназа С может активироваться высокими концентрациями ионов кальция (в отсутствие диацилглицерина), либо - диацилглицерином в присутствии небольших количеств ионов кальция. Протеинкиназа С осуществляет фосфорилирование мембранных белков, что приводит к их активированию, в частности, это относится к NADPH-оксидазе.

Как в среде, окружающей фагоцит, так и внутри фагосомы дальнейшее превращение супероксида, примерно, одинаковое. Супероксиданионы дисмутируют с образованием перекиси водорода, дисмутации способствует снижение рН (закисление среды) в очаге воспаления:

О_2∙ + О_2∙ + 2 Н^{+ СОД} Н₂О₂ + О₂

Перекись водорода под влиянием ионов двухвалентного железа (донор электронов) распадается с образованием гидроксильного радикала (НО∙) – самой агрессивной из всех активных форм кислорода. Гидроксильный радикал инициирует перекисное окисление липидов бактериальной стенки, обеспечивая тем самым, один из механизмов бактерицидности, в деструктивный процесс вовлекаются не только липиды, но и белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды.

Рис.13.Образование активных форм кислорода в процессе фагоцитоза

(МПО-миелопероксидаза, aГ– азурофильная гранула).

Перекись водорода используется также для образования высокотоксичных гипогалоидов. Эта реакция катализируется, содержащимися в фагоцитирующих клетках, миелопероксидазой (МПО) и пероксидазой эозинофилов (ЭПО), которые различаются по структуре и субстратной специфичности. Так, основным продуктом МПО является НОСl, в то время как ЭПО катализирует преимущественно образование HOBr, HOI, HOSCN.

МПО представляет собой сложный гемопротеин, содержащий две ковалентно связанные железосодержащие простетические группы. Очищенная МПО имеет интенсивный зеленый цвет. Характерный для гнойных выделений зеленоватый оттенок обусловлен, содержащейся в них, МПО. Первичным продуктом окисления миелопероксидазной системой хлоридов является НОCl- гипохлорная (хлорноватистая) кислота:

Н₂О₂ + Cl^- + H^{+ МПО} НОCl + Н₂О

Гипогалоиды представляют собой мощные токсины, обладающие чрезвычайной реакционноспособностью в химическом отношении, галогенируя объект либо окисляя его. При взаимодействии с гипогалоидами, в первую очередь, окисляются сульфгидрильные и тиоэфирные группы белков. Гипохлорит может взаимодействовать с биологическими аминами, аминокислотами и белками, продуцируя хлорамины:

НОCl +R-NH₂ → RN-HCl + H₂O

R–CH–COOH+НОCl → R–CH–COOH + Н₂О

| |

NH₂ NHCl

Хлорированию подвергаются как свободные аминокислоты, так и аминокислоты, входящие в структуру белковых молекул, с последующим расщеплением, декарбоксилированием и дезаминированием.

Система МПО,Н₂О_2, Cl^- хлорирует и пептидные связи в белковых молекулах. Этим объясняются детоксицирующий и бактерицидный эффекты. Известно, что хлорная известь и хлорамины издавна используются в качестве дезинфицирующих средств.

Активированные макрофаги и другие фагоцитирующие клетки продуцируют также и оксид азота – NO∙. Оксид азота обладает антимикробной, антивирусной, противопаразитарной и противоопухолевой активностью. При взаимодействии с супероксидным антионрадикалом образуется пероксинитрит, также обладающий высокой токсичностью:

О₂^∙-+NO∙ → ONOO

Бактерицидному действию способствует лизоцим, который разрушает полисахариды бактериальной стенки, обеспечивая АФК (гидроксильный радикал, гипохлорит-ион) более свободный доступ к белковым структурам.

В результате деструкции белков и липидов как самих бактерий, так и тканей окружающих очаг воспаления, образуются продукты, обладающие антигенной и хемоатрактантной способностью. Эти вещества, в свою очередь, активируют фагоциты и усиливают их миграцию в очаг воспаления.

Установлено, что НАДФН-оксидазная активность усиливается лишь в результате контакта с плазматической мембраной, после поглощения и разрушения фагоцитированного объекта, стимулирующий эффект исчезает.

Следует отметить, что в случае незавершенного фагоцитоза, который характеризуется сохранением жизнеспособности объекта внутри фагосомы, повышенная продукция активных форм кислорода продолжается, что представляет реальную опасность как для самого фагоцита, так и для окружающих его клеток и тканей, так как АФК диффундируют в окружающую среду, следствием этого может быть некроз тканей в очаге воспаления с образованием полостей.

Таким образом, пока существует и действует чужеродный фактор, миграция и активация фагоцитов будет постоянно возрастать. Исходом может быть либо уничтожение этого чужеродного фактора, либо гибель организма вследствие подавления или истощения защитных сил. Сложность тактики врача заключается в том, чтобы коррегировать воспалительный процесс таким образом, чтобы ограничить некроз окружающих тканей и в то же время сохранить свободнорадикальную активность на уровне, достаточном для быстрого и полного уничтожения бактерий или других факторов, вызывающих воспалительный процесс.

IX. Дополнительный материал