Тема 14.2. Особенности метаболизма фагоцитирующих клеток

Фагоцитоз обеспечивает защиту организма от бактерий. Моноциты и нейтрофилы мигрируют из кровяного русла к очагу воспаления и эндоцитозом захватывают бактерии, образуя фагосому.

1. Фагоцитоз требует увеличения потребления кислорода, который является главным источником O₂^-, H₂O₂, OH' в фагоцитирующих клетках (рис. 14.3). Этот процесс, продолжающийся 30-40 минут, сопровождается резким повышением поглощения кислорода и поэтому называется респираторным взрывом.

2. В макрофагах бактерицидное действие оказывает оксид азота NO, источником которого является реакция превращения аргинина в NO и цитруллин под действием NO-синтазы. Супероксид анион образует с оксидом азота соединения, обладающие сильными бактерицидными свойствами:

NO + О₂^-→ ONOO^- → ОН* + NO₂.

Пероксинитрит ONOO^-, оксид азота, диоксид азота, гидроксил радикал вызывают окислительное повреждение белков, нуклеиновых кислот и липидов бактериальных клеток.

Рис. 14.3. Образование активных форм кислорода в процессе респираторного взрыва активированными макрофагами, нейтрофилами и эозинофилами.

Активация NADPH-оксидазы, которая локализована на мембране клетки, вызывает образование супероксидных анионов. При фагоцитозе мембрана впячивается, затем образуется эндосома и супероксидсинтезирующая система вместе с бактериальной клеткой оказывается в эндосоме. Супероксидные анионы генерируют образование других активных молекул, включая Н₂О₂ и гидроксильные радикалы. Миелопероксидаза - гемсодержащий фермент, находящийся в гранулах нейтрофилов. Она поступает в эндосому, где образует НС1О. В результате мембраны и другие структуры бактериальной клетки разрушаются

Тема 14.3. Основные биохимические механизмы

ГЕМОСТАЗА

Прекращение кровотечения после травмы кровеносных сосудов, раство рение сгустков крови - тромбов - и сохранение крови в жидком состоянии обеспечивает гемостаз. Этот процесс включает четыре этапа:

•  рефлекторное сокращение поврежденного сосуда в первые секунды после травмы;

•  образование в течение 3-5 минут тромбоцитарной пробки (белого тромба в результате взаимодействия поврежденного эндотелия с тромбоцитами;

•  формирование в продолжение 10-30 мин фибринового (красного" тромба: растворимый белок плазмы крови фибриноген под действием фермента тромбина превращается в нерастворимый фибрин, который откладывается между тромбоцитами белого тромба;

•  фибринолиз - растворение тромба под действием протеолитических ферментов, адсорбированных на фибриновом сгустке. На этом этапе просвет кровеносного сосуда освобождается от отложений фибрина и предотвращается закупорка сосуда фибриновым тромбом.

1. Свертывание крови - важнейшая часть гемостаза. В процессе формирова ния фибринового тромба можно выделить четыре этапа.

•  Превращание фибриногена в фибрин-мономер. Молекула фибриногена состоит из шести полипептидных цепей трех типов - 2Аа, 2Вр, 2γ. Они связаны между собой дисульфидными связями и образуют три домена А- и В-участки находятся на N-концах цепей Аа и Вр соответственно Эти участки содержат много остатков дикарбоновых аминокислот и поэтому заряжены отрицательно, что препятствует агрегации молекул фибриногена (рис. 14.4). Тромбин, который относится к группе серино вых протеаз, отщепляет А- и В-пептиды от фибриногена; в результате образуется фибрин-мономер.

Рис. 14.4. Строение фибриногена.

Фиброген состоит из шести полипептидных цепей 3 типов: 2Λα , 2Ββ и 2γ, образующих три домена (обозначены штрихами). Λ и В - отрицательно заряженные участки цепей Λα и Ββ препятствуют агрегации молекул фибриногена

Образование нерастворимого геля фибрина. В молекулах фибринамономера имеются участки, комплементарные к другим молекулам фибрина, - центры связывания, между которыми образуются нековалентные связи. Это приводит к полимеризации молекул фибрина и формированию нерастворимого геля фибрина (рис. 14.5). Он непрочен, так как образован слабыми нековалентными связями.

Рис. 14.5. Образование геля фибрина.

Фибриноген, освобождаясь под действием тромбина от отрицательно заряженных пептидов 2А и 2В, превращается в фибрин-мономер. Взаимодействие комплементарных участков в доменах молекул фибрина-мономера с другими такими же молекулами приводит к образованию геля фибрина

•  Стабилизация геля фибрина. Фермент трансглутамидаза (фактор XIIIa) образует амидные связи между радикалами аминокислот Глн и Лиз мономеров фибрина и между фибрином и гликопротеином межклеточного матрикса фибронектином (рис. 14.6.)

•  Сжатие геля осуществляет сократительный белок тромбоцитов тромбостенин в присутствии АТФ.

2. Свертывание крови может идти по внешнему или внутреннему пути.

Внешний путь свертывания крови инициируется при взаимодействии белков свертывающей системы с тканевым фактором (Тф) - белком, который экспонируется на мембранах поврежденного эндотелия и активированных тромбоцитов, внутренний путь - при контакте белков свертывающей системы с отрицательно заряженными участками поврежденного эндотелия.

Рис. 14.6. Образование амидных связей между остатками Глн и Лиз в мономерах фибрина

Коагуляции (образованию фибринового тромба) предшествует ряд последовательных реакций активации факторов свертывания крови. Эти реакции инициируются на поврежденной или измененной тромбогенным сигналом клеточной мембране и заканчиваются активацией протромбина.

Каскад реакций прокоагулянтного этапа имеет ряд особенностей:

•  все ферменты являются протеазами и активируются частичным протеолизом;

•  все реакции локализованы на поврежденных мембранах клеток крови и эндотелия, поэтому тромб образуется на этих участках;

•  максимальную активность ферменты проявляют в составе мембранных комплексов, включающих фермент, фосфолипиды клеточных мембран, белок-активатор, Са²+.

•  большинство факторов свертывания активируется по механизму положительной обратной связи.

В прокоагулянтном каскаде реакций внешнего пути последовательно образуются три мембранных комплекса (рис. 14.7). Каждый из них включает:

•  белок-активатор протеолитического фермента - тканевой фактор (Тф) (не требует активации), факторы V или VIII (активируются частичным протеолизом);

•  отрицательно заряженные фосфолипиды мембран эндотелия или тромбоцитов. При травме или поступлении тромбогенного сигнала нарушается поперечная асимметрия мембран, на поверхности появляются отрицательно заряженные фосфолипиды, экспонируется тканевой фактор и таким образом формируются тромбогенные участки;

•  ионы Са²+, взаимодействуя с полярными «головками» отрицательно заряженных фосфолипидов, обеспечивают связывание ферментов прокоагулянтного пути с мембранами клеток. В отсутствии Са²+ кровь не свертывается;

Рис. 14.7. Прокоагулянтный этап внешнего пути свертывания крови и превращение фибриногена в фибрин.

Стрелка - активация факторов свертывания крови; стрелка с точками - активация факторов свертывания по принципу положительной обратной связи; - - мембранный фосфолипидный компонент ферментных комплексов, в рамке - белкиактиваторы.

1, 2 - фактор VIIa мембранного комплекса УПа-Тф-Са²⁺ активирует факторы IX и X; 3 - фактор 1Ха мембранного комплекса IXa-VIIIa-Ca²+ (тенназа) активирует фактор X; 4, 5 - фактор Ха мембранного комплекса Ха-Уа-Са²+ (протромбиназа) превращает протромбин (фактор II) в тромбин (фактор Па) и активирует фактор VII по принципу положительной обратной связи; 6-10 - тромбин (фактор Па) превращает фибриноген в фибрин, активирует факторы V, VII, VIII и XIII

• один из протеолитических ферментов (сериновую протеазу) - фактор VII, IX или X. Эти белки содержат на N-концах молекул 10-12 остатков γ-карбоксиглутаминовой кислоты. Посттрансляционное карбоксилирование факторов VII, IX, X, а также протромбина, плазминогена и протеина С катализирует γ-глутамилкарбоксилаза. Коферментом этого фермента является восстановленная форма витамина K, которая образуется в печени под действием NADPH-зависимой витамин К-редуктазы (рис. 14.8).

Структурные аналоги витамина К - дикумарол и варфарин - являются конкурентными ингибиторами NADPH-зависимой витамин K-редуктазы.

Они снижают скорость восстановления витамина К и, следовательно, активность γ-глутамилкарбоксилазы. Производные варфарина и дикумарола используют как непрямые антикоагулянты для предотвращения тромбозов.

Инициирующий мембранный комплекс содержит белок-активатор Тф, фермент фактор VII и ионы Са²+. Фактор VII обладает небольшой активностью, но в комплексе VII-Тф-Са²⁺ его активность в результате конформационных изменений возрастает, и он частичным протеолизом активирует фактор X.

Рис. 14.8. Посттрансляционное карбоксилирование остатков глутаминовой кислоты в молекулах сериновых протеаз свертывающей системы крови; роль Са²+ в связывании этих ферментов на тромбогенных участках клеточных мембран

Кроме того, инициирующий комплекс активирует фактор IX. Мембранные комплексы IXа-VIIIa-Са²+ (тенназа) и VIIа-Тф-Са²+ образуют активный фактор Xа. Последний в составе протромбиназного комплекса Xа-Vа-Са²+ может превращать небольшое количество протромбина (фактор II) в тромбин (фактор На). Образовавшийся тромбин активирует (по принципу положительной обратной связи) факторы V, VIII, VII, которые включаются в состав мембранных комплексов.

Протромбин - это гликопротеин плазмы крови, который синтезируется в печени. Молекула протромбина состоит из одной полипептидной цепи, содержит одну дисульфидную связь и остатки γ-карбоксиглутамата. Последние, взаимодействуя с Са²+, связывают профермент с мембраной (рис. 14.9).

Фактор Xa протромбиназного комплекса гидролизует две пептидные связи в молекуле протромбина, и он превращается в тромбин. Тромбин состоит из двух полипептидных цепей, связанных дисульфидной связью, и не содержит остатков γ-карбоксиглутамата (рис. 14.10).

эндотелия формируются три ферментных комплекса, каждый из которых содержит один из протеолитических ферментов - фактор калликреин или фактор и белок-активатор высокомолекулярный кининоген (ВМК). Калликреин - сериновая протеаза, субстратами которой являются фактор XII и некоторые белки плазмы крови, например плазминоген. Комплекс фактор XIIa-ВМК превращает прекалликреин в калликреин, который вместе с ВМК по принципу положительной обратной связи активирует фактор XII, включающийся в комплекс XIIa-BMK. В его составе фактор XIIa протеолитически активирует фактор XI, который в комплексе с ВМК превращает фактор IX в активный IXа. Последний включается в состав мембранного комплекса IXа-УШа-Са2+, который частичным протеолизом образует фактор Xа, являющийся протеолитическим ферментом протромбиназы Xа-Vа-Са2+) (рис. 14.11).

Рис. 14.11. Схема внутреннего и внешнего путей свертывания крови:

ВМК - высокомолекулярный кининоген; Тф - тканевой фактор. Обозначения см. на рис. 14.7

Все ферменты свертывающей системы крови являются протеазами и активируются частичным протеолизом:

1 - активируемый контактом с субэндотелием фактор XII превращает прекалликреин в калликреин; 2 - калликреин комплекса калликреин-ВМК частичным протеолизом активирует фактор XII; 3 - фактор XIIa комплекса XIIа-BMK активирует фактор XI;

4 - активированный частичным протеолизом фактор XIIa комплекса XIIa-ВМК превращает прекалликреин в калликреин по принципу положительной обратной связи;

5 - фактор XIa комплекса XIa-ВМК активирует фактор IX; 6 - фактор IXа мембранного комплекса IXа-УШа-Са2+ активирует фактор X; 7, 8 - фактор УПа мембранного комплекса УПа-Тф-Са²+ активирует факторы IX и X; 9 - фактор Xa протромбиназного комплекса активирует фактор II (протромбин); 10, 11 - фактор IIа (тромбин) превращает фибриноген в фибрин и активирует фактор XIII (трансглутамидазу); 12 - фактор XIIIa катализирует образование амидных связей в геле фибрина;

5. Таким образом, каскад реакций внешнего и внутреннего путей свертывания крови приводит к образованию протромбиназы. Этапы, одинаковые для обоих путей, называют общим путем свертывания крови.

Каждое ферментативное звено реакций свертывания крови обеспечивает усиление сигнала, а положительные обратные связи обусловливают лавинообразное ускорение всего процесса, быстрое образование тромба и прекращение кровотечения.

6. Гемофилии. Снижение свертываемости крови приводит к гемофилиям - заболеваниям, сопровождающимся повторяющимися кровотечениями. Причина кровотечений при этих заболеваниях - наследственная недостаточность белков свертывающей системы крови.

Гемофилия А обусловлена мутацией гена фактора VIII, локализованного в X-хромосоме. Дефект этого гена проявляется как рецессивный признак, поэтому этой формой болезни страдают только мужчины. Гемофилия А сопровождается подкожными, внутримышечными и внутрисуставными кровоизлияниями, опасными для жизни.

Гемофилия В связана с генетическим дефектом фактора IX, который встречается гораздо реже.

7. Противосвертывающая система крови ограничивает распространение тромба и сохраняет кровь в жидком состоянии. К ней относятся ингибиторы ферментов свертывания крови и антикоагулянтная система (антикоагулянтный путь).

•  Антитромбин III - белок плазмы крови, который инактивирует ряд сериновых протеаз: тромбин, факторы IXa, Xa, XIIa, плазмин, калликреин. Этот ингибитор образует комплекс с ферментами, в составе которого они теряют свою активность. Активатором антитромбина III является гетерополисахарид гепарин. Гепарин поступает в кровь из тучных клеток соединительной ткани, взаимодействует с ингибитором, изменяет его конформацию, повышая его сродство к сериновым протеазам (рис. 14.12).

•  Ингибитор тканевого фактора (антиконвертин) синтезируется клетками эндотелия и локализуется на поверхности плазматической мембраны. Он образует с фактором Xa комплекс, который связывается с фосфолипидами мембран и тканевым фактором. В результате этого комплекс УПа-Тф-Са²+ не образуется и становится невозможной активация факторов X и IX.

•  a₂-Макроглобулин взаимодействует с активными сериновыми протеазами и подавляет их протеолитическую активность.

•  а₁-Антитрипсин ингибирует тромбин, фактор XIa, калликреин, а также панкреатические и лейкоцитарные протеазы, ренин, урокиназу.

•  Антикоагулянтная система (система протеина С) включает последовательное образование двух ферментных комплексов. Взаимодействие тромбина с белком-активатором тромбомодулином (Тм) в присутствии ионов Са²⁺ приводит к образованию первого мембранного комплекса

Рис. 14.12. Инактивация антитромбином III сериновых протеаз.

•  Гепарин связывается с антитромбином III, изменяет его конформацию и увеличивает сродство к сериновым протеазам.

•  Присоединение протеазы к комплексу гепарин-антитромбин III снижает сродство гепарина к ингибитору. Гетерополисахарид освобождается из комплекса и может активировать другие молекулы антитромбина III

антикоагулянтной системы Па-Тм-Са²⁺. В его составе тромбин, с одной стороны, теряет способность активировать факторы V и VIII, а также превращать фибриноген в фибрин, а с другой - частичным протеолизом активирует протеин С. Активированный протеин С (Са), взаимодействуя с белком активатором S, образует с помощью Са²+ на мембране комплекс протеин Са-S-Са²+. В этих условиях активированный протеин С (Са) катализирует гидролиз белков-активаторов факторов Va и VIIIa (рис. 14.13).

Разрушение этих белков-активаторов приводит к торможению каскада реакций внешнего пути свертывания крови и остановке образования тромба.

8. Фибринолиз - это гидролиз фибрина в составе тромба с образованием растворимых пептидов, которые удаляются из кровотока. Этот этап гемостаза предотвращает закупорку сосуда фибриновым тромбом. Формирование фибринового тромба сопровождается осаждением на нем профермента плазминогена и его активаторов. Неактивный плазминоген синтезируется в печени и поступает в кровь. В крови он превращается в активный фермент плазмин частичным протеолизом. Эту реакцию катализируют протеолитические ферменты: тканевой активатор плазминогена (ТАП), урокиназа, фактор XIIa и калликреин (рис. 14.14).

Рис. 14.14. Фибринолитическая система крови:

1 - плазминоген под действием активаторов (ТАП, калликреина, урокиназы, фактора XIIa) частичным протеолизом превращается в плазмин; 2 - плазмин гидролизует фибрин с образованием растворимых пептидов; 3 - ТАП поступает в кровоток и ингибируется специфическими ингибиторами I и II типа; 4 - плазмин ингибируют неспецифические ингибиторы сериновых протеаз

Образующийся плазмин разрушает фибриновые волокна. Освобождающиеся из тромба плазмин и его активаторы поступают в кровоток. В крови плазмин инактивируется неспецифическими ингибиторами сериновых протеаз, а активаторы плазминогена - ингибиторами активаторов плазминогена I и II типа. Наследственная или приобретенная недостаточность белков фибринолитической системы сопровождается тромбозами.