© Романов Б.К., 2004

УДК 615.22.017]:616.127-008.:577.152

АКТИВНОСТЬ ЛИЗОСОМАЛЬНЫХ ФЕРМЕНТОВ — НОВЫЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ И ПРОГНОСТИЧЕСКИЙ КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕНИЯ КАРДИОМИОЦИТОВ

Б. К. Романов

Кафедра фармакологии фармацевтического факультета Московской медицинской академии имени И.М. Сеченова

Работа посвящена изучению молекулярных механизмов повреждения кардиомиоцитов лизосомальными ферментами миокарда и обоснованию возможностей применения лабораторного исследования сывороточной активности этих ферментов для диагностических целей и оптимизации лекарственной терапии.

Роль сердца в функционировании многоклеточного организма крайне ответственна. Сердце выполняет функцию насоса, обеспечивающего круглосуточное поступление артериальной крови во все ткани, в условиях резкого изменения нагрузок.

Кардиомиоциты являются абсолютными рекордсменами среди клеток других тканей как по количеству вырабатываемой АТФ, так и по объему потребляемого кислорода. Периодический диастолический коронарный кровоток относительно невелик по отношению к объему совершаемой работы, при этом извлечение кислорода из оксигемогло-бина оказывается максимально высоким по сравнению с другими тканями.


Ограничение или прекращение поступления кислорода (гипоксия) или оксигемоглобина артериальной крови (ишемия) к кардиомиоцитам является важнейшим звеном в патогенезе заболе-

ваний, смертность от которых в России достигает 40% от общей смертности населения.

Согласно современным рекомендациям ВОЗ, диагностика повреждения тканей миокарда должна быть основана не только на клинической картине и данных функциональных и инструментальных методов исследования, но и на лабораторном выявлении гиперфермен-темии — повышенной концентрации маркерных миокардиальных ферментов в сыворотке крови.

Повышение сывороточной активности ферментов1 — общей активности КК и КК-МВ (кардиоспецифической изоформы), КК-ММ, АсАТ, АлАТ, ЛДГобщ, ЛДГ1, ЛДГ2, ЛДГ3, ЛДГ4, ГФ, ГФ-ВВ, КА-Ш, ГБД, и изменение отношений величин активности ЛДП/ЛДГ2, ЛДГ1/ЛДГ4, АсАТ/АлАТ, КК/АсАТ является следствием повреждения мембранного аппарата кардиомиоцитов и

1 КК — креатинкиназа, КК-МВ — миокардиальный (мышечно-церебральный) изофермент креатин-киназы, КК-ММ — мышечная (неделизинированная) изоформа креатинкиназы, АсАТ — аспартат-аминотрансфераза, АлАТ — аланин-аминотрансфераза, ЛДГобщ — общая активность лактатдегидрогена-зы, ЛДГ1-4 — изоформы лактатдегидрогеназы, ГФ — гликоген-фосфорилаза, ГФ-ВВ — изоформа глико-ген-фосфорилазы, КА-Ш — карбоангидраза III, ГБД — гидрокси-бутират- дегидрогеназа.


попадания ферментов из клеток в кровь.

Порядок высвобождения ферментов и других миокардиальных марке-ров2 в кровь определяется их локализацией в кардиомиоцитах: в первую очередь в кровь изливаются компоненты цитоплазмы, затем, по мере углубления процесса повреждения мембран, в кровь могут попадать вещества, ограниченные от цитоплазмы внутренними мембранами — саркоплазматического ретикулума, митохондриальными, лизосомальными, ядерными и др.

Сроки начала повышения активности, максимального повышения активности, продолжительности гиперфер-ментии и сроки нормализации активности ферментов позволяют оценить наличие, стадийность и прогноз течения острого инфаркта миокарда [3].

Поскольку ферменты и другие миокардиальные белки обладают существенными размерами (вследствие высокой молекулярной массы), то факт их попадания в кровь свидетельствует о значительной степени повреждения мембран при ишемии, поскольку крупные молекулы не могут проникать через естественные поры в мембранах, например, через ионные каналы.

Первые изменения при нарушениях работы сердца происходят в митохондриях, занимающих до 35% от объема саркоплазмы кардиомиоцитов. При гипоксии и ишемии снижается поступление в митохондрии кислорода и энергообразующих субстратов. Основным субстратом для покрытия энергетических потребностей миокарда в условиях нормоксии являются свободные жирные


кислоты, поступающие с током крови из печени или из жировых депо. В матриксе митохондрий происходит бета-окисление этих кислот. Кислоты с короткой углеводной цепью (до 12 атомов углерода) способны проникать из цитоплазмы в матрикс митохондрий самостоятельно. Однако подавляющее большинство жирных кислот в организме имеют более длинные углеводородные цепи и не могут самостоятельно проникнуть через внутреннюю мембрану митохондрий. В транспорте таких кислот принимает участие белок-переносчик карнитин. В межмембран-ном пространстве митохондрий карни-тин образует ацилкарнитин — эфир транспортируемой жирной кислоты с карнитином, который легко проходит через внутреннюю мембрану митохондрий, а в матриксе превращается в ацил-КоА — эфир транспортируемой кислоты с коферментом А, который в результате ряда превращений трансформируется в ацетил-КоА — субстрат для энергообразующего (в аэробных условиях) цикла трикарбоновых кислот — цикла Кребса.

Дефицит кислорода (переход

аэробных условий в анаэробные) приводит к использованию внутренних макроэргических энергетических ресурсов, в первую очередь, за счет запасов креатинфосфата. Имеющихся ресурсов хватает не более, чем на 5 минут работы в обычном режимке, в течение которых происходит несколько этапов изменений функциональной и биохимической активности кардиомиоцитов, предшествующих их необратимому повреждению. Общая стратегия в поведении кар-

iv>

2 Помимо ферментов, биохимическими маркерами острого инфаркта миокарда являются: повышение уровня миокардиальных белков в крови — миоглобина, легких и тяжелых цепей миозина, кар-диоспецифичного тропонина Т, а также накопление малонового диальдегида (показателя степени выраженности перекисного окисления), снижение накопления таллия201 клетками миокарда, снижение концентрации сывороточного железа и др.

диомиоцитов в области повреждения сводится к поэтапному отключению ряда энергопотребляющих систем с целью мобилизации остающихся энергетических ресурсов на выполнение наиболее жизненно-важных функций.

На микроскопическом уровне в очаге некроза миокарда в этом периоде развивается отек интерстициальной ткани и набухание мышечных волокон с исчезновением их очертаний, деструкция митохондрий, разбухание ядер, которые становятся плотными, пикнотическими, бесструктурными, саркоплазма клеток приобретает глыбчатый характер.

Эти изменения обусловлены, прежде всего, мембранными нарушениями и связаны с нарушением трансмембранного транспорта метаболитов, воды, электролитов и активацией процессов ферментного, а затем и неферментного свободно-радикального перекисного окисления фосфолипидов биомембран.

В период от 30-45 минут и до 3-5 часов (в зависимости от степени гипоксии или окклюзии коронарного сосуда) после начала развития патологического процесса в сердечной мышце наступают необратимые тяжелые изменения структуры мышечных волокон с их гибелью. При этом ткани миокарда приобретают вид вареного мяса (собственно и давшего название инфаркту, как нозологической форме). Важнейшую роль в процессе повреждения миокарда на этом этапе играют лизосомальные ферменты, необратимо аутолизирующие клеточные, а затем и межклеточные структуры.


Выявление факта массивного поступления в сыворотку крови лизосо-мальных кислых гидролаз в острейшей фазе повреждения миокарда может быть оценено, как диагностический «показатель незавершенности патологического процесса», отражающий наличие не-

обратимого повреждения тканей.

Дальнейшие диагностические исследования лизосомальной активности могут носить прогностический характер. Так, нормализация повышенной сывороточной активности кислых гидролаз в остром периоде заболевания, или в период реконвалесценции, может характеризоваться, как «показатель завершенности патологического процесса», указывающий на прекращение повреждения тканей, и, напротив, сохранение повышенной сывороточной активности кислых гидролаз в период реконвалесцен-ции может характеризоваться, как «показатель хронизации патологического процесса», свидетельствующий о продолжающемся процессе повреждения тканей.

Точкой отсчета в истории исследования активности лизосомальных ферментов принято считать 1955 год, когда бельгийский исследователь Кристиан де Дюв (Бв Вше) случайно обнаружил, что после размораживания гомогенатов тканей, которые он накануне помещал в холодильник, ферментативная активность в них не снижалась, а наоборот, пародоксальным образом увеличивалась, особенно в кислой среде [1].

>
Дюв сделал предположение, что это повышение активности связано с тем, что ферменты, находящиеся в обычных условиях в неактивном состоянии (например, из-за депонирования внутри мембранной структуры), в неблагоприятных условиях становились доступными для вносимых субстратов катализа. Предположение де Дюва вскоре было подтверждено гистохимически, а обнаруженные органеллы, получившие название «лизосомы», начали подвергаться пристальному вниманию исследователей [2].

Лизосомы (lysosomвs) присутствуют внутри каждой клетки человеческого

организма (за исключением эритроцитов и тромбоцитов). Они представляют собой небольшие (0,1-3 мкм) шаровидные органеллы, ограниченные одиночной мембраной и выполняющие функцию пищеварительного и защитного аппарата клетки. Закономерности образования и жизненного цикла лизосом и лизосо-мальных ферментов были описаны в исследованиях Де Дюва. Используя его терминологию, вакуольный аппарат клетки, имеющий отношение к внутриклеточному пищеварению, можно подразделить на три основные группы — пре-лизосомы, собственно лизосомы и по-стлизосомы. К прелизосомам относятся образующиеся путем эндоцитоза гете-рофагосомы и образующиеся в процессе аутофагии аутофагосомы, отличительным признаком которых является отсутствие в них лизосомальных ферментов -кислых гидролаз. Собственно лизосомы разделяются на две большие подгруппы: первичные и вторичные лизосомы. Первичные лизосомы уже содержат недавно синтезированные гидролазы, но ещё не вовлечены в процессы «переваривания» каких-либо веществ [7].


Лизосомальные ферменты синтезируются на рибосомах шероховатого эн-доплазматического ретикулума, транспортируются по каналам гладкого рети-кулума в аппарат Гольджи, подвергаются здесь гликозилированию и упаковке, и затем отпочковываются от него в виде везикул (первичных лизосом). Вторичные лизосомы содержат как гидролазы, так и вещества, предназначенные для переваривания, либо уже частично переваренные, либо их остатки. Так как вещества, вовлекающиеся в процесс переваривания, могут быть эндо- и экзогенного происхождения, то и вторичные лизосомы (по аналогии с прелизосома-ми) подразделяют на лизосомы аутофа-

гического и гетерофагического типа. К постлизосомам относятся вакуолеподобные структуры, не содержащие кислых гидролаз, а содержащие только непереваренный материал (остаточные тельца).

В настоящее время число известных лизосомальных ферментов составляет около 80. Все ферменты лизосомального матрикса и большинство ферментов, связанных с мембранами, относятся к группе кислых гидролаз (с оптимумом действия в кислой среде), в том числе гидролаз эфиров, гликозидов и пептидов (эндо- и экзопептидазы). Кроме того, выделяют подкласс энзимов, действующих на ангидриды кислот, и окислительно-восстановительные ферменты

(оксидоредуктазы), не относящиеся к классу гидролаз. Характерно, что большая часть ферментных белков в составе лизосом (около 80%) находится в растворенном, неструктурированном состоянии в составе лизосомального матрикса и только 20% характеризуются, как связанные с мембранами [8].


Важнейшей отличительной особенностью лизосомальных кислых гидролаз является так называемая «структурно связанная латентность», которая зависит от существования мембранного барьера, ограничивающего доступ субстратов к соответствующим ферментам. Общая активность лизосомальных ферментов складывается из седиментируемой (связанной с мембранами), и наиболее активной (агрессивной) неседиментируе-мой активности.

Активация лизосомально-вакуоляр-ного аппарата достаточно сложна и включает в себя усиление синтеза первичных лизосом (de novo), увеличение числа и размеров вторичных лизосом (за счет ауто- и гетерофагоцитоза), повышение активности кислых гидролаз и их доступности субстрату. На ранних эта-

пах повреждения (любой этиологии) активация лизосомальных ферментов носит защитно-приспособительный характер. При дальнейшей активации кислых гидролаз они оказывают прямое повреждающее действие на внутриклеточные, и далее — на внеклеточные структуры.

Наиболее мощным облигатным фактором активации лизосомального аппарата, приводящим к необратимому повреждению тканей, является дефицит кислорода [9].

При полном прекращении поступления кислорода в миокард, уже к 15 минуте ишемии, неседиментируемая активность лизосомальных ферментов возрастает более чем в 2 раза (на 220-230%). При этом общая активность кислых гид-ролаз не снижается вплоть до 30 минуты ишемии [5, 10].


В этих условиях ткани миокарда подвергаются гидролитическому аутолизу, который и обуславливает необратимый характер нарушений в кардиомио-цитах уже к 30-45 минуте полной ишемии. Реоксигенация миокарда в эти сроки может привести к длительному сохранению общей активности лизосо-мальных ферментов, что на фоне практически полной лабилизации ферментов будет усугублять течение ауто-литических процессов.

Обратимое уменьшение активности лизосомальных гидролаз в этих условиях может поддерживаться ингибиторами различной природы, в том числе — относящимися к различным группам лекарственных средств: антагонистами кальция, бета-адреноблокаторами, нестероидными противовоспалительными средствами, физиологическими дозами витаминов А и Е, а также инсулином, карни-тина хлоридом, колхицином, мико-назолом [5, 11].

Активация лизосомального аппарата

может достигаться назначением сердечных гликозидов [5], некоторых антибиотиков (бензилпенициллин, тетрациклин, стрептомицина сульфат), фенобарбитала, цитостатиков (5-фторурацил, винбла-стин), бета-адреномиметиков, токсическими дозами витаминов А, С, К и Б2.

Реализация действия этих средств на лизосомальный аппарат опосредована кальциевым механизмом регуляции активности лизосомальных ферментов [5], функционирующим в тесном взаимодействии с аденилатциклазной и гуанилат-циклазной мессенджерными системами, осуществляющими передачу сигналов не только к лизосомальному аппарату, но и к другим клеточным системам.


В аденилатциклазной системе задействовано пять групп белков:

1. «Серпантинный» белок, являющийся рецептором лекарственного средства;

2. О-белок (ГТФ-связывающий белок), осуществляющий связь между рецептором и аденилатциклазой;

3. Фермент аденилатциклаза — белок, выполняющий функцию синтеза циклического АМФ (цАМФ);

4. Фермент протеинкиназа А (А — активная, или В — неактивная) —

цАМФ-зависимый, ковалентно или аллостерически регулируемый, катализирующий фосфорилирование ОН-групп серина во внутриклеточных ферментах или белках-мишенях, соответственно изменяя их активность;

5. Фермент фосфодиэстераза, который вызывает распад цАМФ и тем самым прекращает (обрывает) действие сигнала в системе. Гуанилатциклазная мессенджерная

система долгое время рассматривалась, как антипод аденилатциклазной системы, а цГМФ приписывались функции,

противоположные цАМФ. К настоящему времени получено много данных, что цГМФ принадлежит самостоятельная роль в регуляции функции клеток, так, в миокарде цГМФ служит фактором релаксации. Биосинтез цГМФ из ГТФ осуществляется под действием специфической гуанилатциклазы (по аналогии с синтезом цАМФ). Известны четыре разные формы гуанилатциклазы, три из которых являются мембраносвязанными и одна — растворимая — открыта в цитоплазме. Растворимая форма гуанилат-циклазы является гемсодержащим ферментом, активируемым нитрозовазоди-лататорами (оксидом азота) и ингибируемым свободными радикалами — продуктами перекисного окисления. Образованный цГМФ активирует цГМФ-зависимую протеинкиназу (протеинки-наза О), фосфорилирующую ОН-группы треонина в составе ферментов и внутриклеточных белков-мишеней.

В ряде исследований было показано, что при инфаркте миокарда одновременно с увеличением неседиментируемой активности лизосомальных ферментов отмечается уменьшение активности цАМФ-зависимой протеинкиназы, снижение активности аденилатциклазы и уровня цАМФ, и увеличение уровня цГМФ и активности фосфодиэстеразы

[4, 13].

Известно, что адреномиметические лекарственные средства, стимулируя альфа2-адренорецепторы, посредством Оьбелка вызывают ингибирование аде-нилатциклазы и снижение выработки цАМФ. Стимуляция бета!,23-адрено-рецепторов, наоборот, посредством О8-белков приводит к активации аденилат-циклазы и повышению выработки цАМФ. Регуляция гуанилатциклазной системы донаторами оксида азота в настоящее время также является достаточ-

но изученной.

Теоретически, решение проблемы обратимой регуляции лизосомальной активности могло бы быть достигнуто назначением средств, изменяющих

уровни цАМФ и цГМФ, однако на практике оказалось, что эти механизмы имеют существенные ограничения.

Поскольку в процессе синтеза цАМФ и цГМФ, а также в реализации их дальнейших эффектов принимает участие большое число белковых структур, весьма чувствительных к действию повреждающих факторов и имеющих оптимум активности в весьма узком диапазоне рН и других внутриклеточных и внешних факторов, то оказалось, что эти механизмы работают нестабильно, не работают вовсе или работают парадоксальным образом в условиях жестких режимов моделирования ишемической патологии [13].

Например, бета-адреномиметик

азаклорзин (нонахлазин) в условиях ишемии миокарда, мог, в зависимости от степени тяжести патологии, оказывать как стимулирующее, так и угнетающее действие на активность лизосомальных ферментов миокарда [9, 13].

Очевидно, что обеспечить стабильную работу системы регуляции лизосо-мальной активности может только такая мессенджерная система, основной передатчик которой может дозозависимо работать в широком диапазоне условий (от физиологической нормы до терминальных состояний), не меняя при этом своих свойств.

В максимальной степени этим условиям отвечает кальциевая мессенджер-ная система, являющаяся филогенетически более древней по сравнению с системами цАМФ и цГМФ, но менее изученной вследствие сложностей, связанных с определением чрезвычайно малых

количеств внутриклеточных ионов кальция (10-7 М).

Приемлемый уровень количественного анализа ионизированного внутриклеточного кальция в цитоплазме и в органеллах клетки был достигнут в связи с развитием методики Са2-флюо-ресцентного зонда Quin 2 (с 1984 года), а в последние годы — с развитием микро-электродной техники ионселективной потенциометрии. Используемые ранее для решения задач изучения регуляторных механизмов методики атомноадсорбционного определения физиологически неактивного общего кальция в настоящее время не могут быть признаны удовлетворительными.

Ионам кальция принадлежит центральная роль в регуляции многих клеточных функций. Изменение концентрации внутриклеточного кальция приводит к изменению активности специи-фической Са2-кальмодулинзависимой

протеинкиназы. Регуляторной субъединицей этого фермента оказался Са2 -связывающий белок кальмодулин, являющийся составной частью множества других Са2-связывающих белков. С Са2-мессенджерной системой оказались тесно связанными ещё две мессенджер-ных системы — диацилглицерол и инози-тол-1,4,5-трифосфат. Эти модуляторы освобождаются из фосфолипидов мембран (фосфорилированных производных фосфатидилинозитола) под действием мембраносвязанной фосфолипазы С. Действие диацилглицерола, как и свободных ионов Са2+, опосредовано через мембраносвязанный Са2-зависимый белок протеинкиназу С, катализирующий фосфорилирование ферментов, в том числе и гидролитических. Инозитол-1,4,5-трифосфат связывается со специфическим рецептором на саркоплазма-тическом ретикулуме, способствуя вы-

ходу из него ионов Са2+ в цитозоль.

Таким образом, ионы кальция, являясь не только субстратом кальциевой мессенджерной системы, но и контролируя активность цАМФ-регулируемых протеинкиназ типа А, цГМФ-регули-руемых протеинкиназ типа О, Са2-зависимых протеинкиназ, а также, в синергизме с диацилглицеролом и кислыми фосфолипидами Са2 -кальмодулин-зависимых протеинкиназ С, интегрируют активность других мессенджерных систем.

Подобная универсальность кальциевой мессенджерной системы и ее максимальная эффективность по сравнению с другими системами в отношении регуляции состояния лизосомальных мембран [12], создает предпосылки для ли-зосомотропного использования лекарственных средств, разнонаправленно изменяющих внутриклеточный уровень ионов кальция.

При назначении блокаторов кальциевых каналов — верапамила и дилтиа-зема в эффективных дозах, приводящих к статистически значимому снижению ионов кальция в ткани миокарда (на 10,3-12,2% при назначении верапамила, и на 6,4% при назначении дилтиазема), изменение уровня ионов Са2+ в высокой степени коррелирует с изменением темпов перехода активности лизосомальных ферментов в неседиментируемую фракцию, изменением степени стабильности лизосомальных мембран и общей активностью кислых гидролаз.

В условиях дефицита кислорода назначение верапамила и дилтиазема сдерживает рост неосаждаемой активности кислой фосфатазы, бета-

галактозидазы и катепсина Б вплоть до 45 минуты полной ишемии миокарда, в том числе на фоне гиперлипидемии и атеросклероза [12].

Напротив, лекарственные средства, повышающие уровень ионов кальция в кардиомиоцитах (сердечный гликозид дигоксин и азаклорзин в больших дозах) усугубляют процесс гипоксического повреждения миокарда путем дополнительного повышения неседиментируе-мой активности кислых гидролаз [12].

Указанные обстоятельства позволяют сделать предположение об активном участии кальциевого механизма в активации лизосомального аппарата. Избыточное накопление кальция вследствие активации фосфолипаз и процессов пе-рекисного окисления липидов может приводить к дестабилизации лизосо-мальных мембран и выходу в цитозоль кислых гидролаз, в том числе протеиназ и липаз, усугубляющих повреждение клеточных мембран. Поступление в клетки кальция сопровождается высвобождением лизосомальных ферментов.

Механизм кальциевой регуляции активности лизосомального аппарата может быть представлен следующим образом: вероятно, что изменение концентрации ионов кальция в цитоплазме кардиомиоцитов приводит к изменению активности катепсинов, в первую очередь, катепсина Б.

По всей видимости, именно катеп-сины изменяют интенсивность ограниченного протеолиза лизосомальных мембран, и могут не только регулировать степень высвобождения кислых гидролаз из связи с мембранами, но и определяют активность матриксных ферментов, таких, как кислая фосфатаза и р-галактозидаза, а также ферментов, имеющих смешанную (мембранно-матриксную) локализацию, например, кислой ДНК-азы.

Вероятно, что этот механизм запускается при контакте первичных лизосом с фагосомами, содержащими фрагменты

плазматической мембраны. Изменяя кальцийрегулирующими лекарственными средствами уровень внутриклеточного кальция, можно обратимо изменять степень проницаемости лизосомальных мембран для мембраносвязанных и мат-риксных кислых гидролаз.

Возможно также, что ионы кальция принимают участие в регуляции процессов посттрансляционной модификации лизосомальных ферментов. Активное связывание ионов кальция ферментом возможно при наличии у-карбо-ксиглутаматных остатков на К-конце аминокислотной последовательности.

Нельзя исключить также участие кальция в химических модификациях гидролаз в результате реакций гидрокси-лирования (остатков пролина, лизина), метилирования (остатков лизина и глу-тамата), ацетилирования (ряда К-конце-вых аминокислот), карбоксилирования (остатков глутамата и аспартата).

Учитывая то, что эффекты кальциевой регуляции активности лизосомаль-ных ферментов миокарда могут являться ключевым фактором, участвующим в обеспечении сохранения жизнеспособности тканей сердца в условиях дефицита кислорода, метаболические эффекты лекарственных средств, уменьшающих уровень ионизированного кальция в цитоплазме (антагонистов кальция) могут быть использованы для увеличения продолжительности периода времени, в течение которого жизнеспособность тканей миокарда при инфаркте может быть сохранена без наступления необратимых изменений.

Поскольку кислые гидролазы появляются в сыворотке крови при ишемии миокарда, так же, как и другие ферменты-маркеры, их количественное определение может служить дополнительным неспецифическим диагностическим кри-

терием ранней лабораторной биохимической диагностики кардионекроза. При этом следует иметь в виду доступность и широкое распространение тестов для определения активности кислой фосфа-тазы — маркерного фермента лизосом [6].

ЛИТЕРАТУРА

1. Дингл Дж. Лизосомы. Методы исследования / Под ред. Дж. Дингла. — М.: Мир, 1980. — 342 с.

2. Дин Р. Процессы распада в клетке / Р. Дин. — М.: Мир, 1981. — 120 с.

3. Карпищенко А.И. Медицинская лабораторная диагностика (программы и алгоритмы) / А.И. Карпищенко. — СПб.,

2001. — С.36-47.

4. Коровкин Б.Ф. Циклазная система и активность лизосомных ферментов в норме и при патологии / Б.Ф. Коровкин // Вестн. АМН СССР. — 1982. — № 9. -С. 69-74.

5. Макарова В.Г. Влияние кальцийрегули-рующих лекарственных средств на активность лизосомальных ферментов миокарда / В.Г. Макарова, Б.К. Романов // Рос. медико-биол. вестн. им. акад. И.П. Павлова. — 2002. — №3-4. — С.12-19.

6. Макарова В.Г. Методика определения активности кислых гидролаз / В. Г. Макарова, Б.К. Романов // Рос. медико-биол. вестн. им. акад. И.П. Павлова. —

2002. — №3-4. — С.130-131.

7. Покровский А.А. Лизосомы / А.А. Покровский, В. А. Тутельян. — М.: Наука, 1976. — 382 с.

8. Тутельян В.А. Современные представления о биогенезе лизосомальных белков в норме и при патологии / В.А. Ту-тельян, Д. В. Гуткин, А. В. Васильев // Вопр. мед. химии. — 1992. — Т.38, №2. -С. 4-13.

9. Романов Б.К. Возможности фармакологической регуляции активности лизо-сомального аппарата миокарда при ги-поксической гипоксии / Б.К. Романов. -Рязань, 1994. -10 с. -Деп. в ВИНИТИ 02.02.94. N.302-094.

10. Романов Б. К. Влияние блокатора кальциевых каналов верапамила на активность лизосомальных ферментов миокарда при гипоксической гипоксии / Б. К. Романов, А.И. Лобанова // Биохимия на рубеже XXI века: Межрегион. сб. науч. тр. — Рязань, 2000. — С. 95-97.

11. Фармакологическая регуляция активности лизосомальных ферментов: (Обзор литературы) / Б.К. Романов, В.Г. Макарова, А.И. Лобанова, А.К. Пунякин // Биохимия на рубеже XXI века: Межрегион. сб. науч. тр. — Рязань, 2000. — С.55-59.

12. Фармакологическая коррекция метаболической адаптации к гипоксии / В.Г. Макарова, Б.К. Романов, А.Н. Рябков, К.В. Савилов // Рос. мед.-биол. вестн. им. И.П. Павлова. — 1994. — №1-2. -С. 13-16.

13. Сысолятина Н. А. Влияние бета-адренергических средств на лизосомы миокарда: Дис. … д-ра мед. наук / Н.А. Сысолятина. — М., 1991. — 234 с.

LYSOSOME ENZYME ACTIVITY AS A NEW DIAGNOSTIC AND PROGNOSTIC CRITERIUM FOR THE EVALUATION OF CARDIOMYOCYTE DAMAGE RATE

B.K. Romanov

The paper is devoted to the investigation of molecular mechanisms of cardiomyocyte damage caused by myocardial lysosome enzymes. The possibility of applying laboratory analysis of those enzyme serum activity for diagnostic purpose and medicinal therapy optimization is.

Источник: cyberleninka.ru

История открытия[править | править код]

В 1949—1952 годах биохимик Кристиан де Дюв и его студенты, изучавшие действие инсулина в клетках печени крыс, случайно обнаружили неожиданное различие в активности кислой фосфатазы в зависимости от способа выделения. Кислая фосфатаза использовалась ими в качестве стандарта, основным предметом их изучения был фермент глюкозо-6-фосфатаза, вовлечённый в метаболизм инсулина. В ходе экспериментов выяснилось, что при фракционировании клеточного содержимого на центрифуге кислая фосфатаза была ассоциирована с микросомальной фракцией, но проявляла только десятую часть активности в сравнении с простым клеточным экстрактом, причём после нескольких дней хранения микросомальной фракции в холодильнике активность кислой фосфатазы возрастала. При обнаружении этого феномена первым объяснением было то, что произошла какая-то техническая ошибка. Однако повторение эксперимента неизменно воспроизводило первоначальную картину. Это позволило предположить существование неких окружённых мембраной клеточных частиц, которые содержат внутри себя фермент. С 1952 по 1955 год было открыто ещё несколько кислых гидролаз, связанных с микросомальной фракцией. В 1955 году, который считается годом открытия лизосом, К. де Дюв предложил название «лизосома» для клеточной органеллы, которая окружена мембраной, внутри которой поддерживается низкий pH и внутри которой находится ряд ферментов, оптимально работающих в кислой среде[7][8]. В том же 1955 году американский цитолог Алекс Новиков (англ.)русск. из Вермонтского университета США, блестяще владевший техникой микроскопии, посетил лабораторию К. де Дюве и смог получить первые электронные фотографии этих органелл, используя препарат частично очищенных лизосом. Позднее в 1961 году Алекс Новиков с помощью гистохимического выявления кислой фосфатазы и электронной микроскопии подтвердил локализацию этого фермента в лизосомах[9][10]. В 1963 году бельгийский биохимик Генри Хэрс, ранее работавший в группе К. де Дюве, обнаружил недостаточность лизосомного фермента α-глюкозидазы у пациентов с болезнью Помпе и высказал предположение о связи других генетических заболеваний с нарушением работы лизосом[11]. В настоящее время более 50 наследственных заболеваний связывают с лизосомной недостаточностью[12].

В 1974 году за свой вклад в раскрытие структурной и функциональной организации клетки К. де Дюв был удостоен Нобелевской премией по медицине[13].

Признаки лизосом[править | править код]

Лизосомы являются гетерогенными по форме, размеру, ультраструктурным и цитохимическим особенностям. В клетках животных размер лизосом составляет обычно менее 1 мкм, хотя в некоторых типах клеток, например, в макрофагах, размер лизосом может превышать несколько микрон. Лизосомы, как правило, имеют сферическую, овальную, иногда тубулярную форму[14]. Число лизосом варьирует от одной (крупная вакуоль во многих клетках растений и грибов) до нескольких сотен или тысяч (в клетках животных). Лизосомы у животных обычно составляют не более 5 % внутриклеточного объёма[15].

Один из признаков лизосом — наличие в них ряда ферментов (кислых гидролаз), способных расщеплять белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. К числу ферментов лизосом относятся катепсины (тканевые протеазы), кислая рибонуклеаза, фосфолипаза и др. Кроме того, в лизосомах присутствуют ферменты, которые способны отщеплять от органических молекул сульфатные (сульфатазы) или фосфатные (кислая фосфатаза) группы. Всего полость лизосомы содержит около 60 растворимых кислых гидролитических ферментов[2].

Для лизосом характерна кислая реакция внутренней среды, которая обеспечивает оптимум работы лизосомных гидролаз[14]. Обычно pH в лизосомах составляет около 4,5-5, то есть концентрация протонов в них на два порядка выше, чем в цитоплазме. Это обеспечивается активным транспортом протонов, который осуществляет встроенный в мембраны лизосом белок-насос протонная АТФаза[15]. Помимо протонного насоса в мембрану лизосом встроены белки-переносчики для транспорта в цитоплазму продуктов гидролиза макромолекул: аминокислот, сахаров, нуклеотидов, липидов[16].

Высокая активность кислой фосфатазы ранее использовалась как один из маркеров лизосом. В настоящее время более надежным маркером считается присутствие специфических мембранных гликопротеидов — LAMP1 и LAMP2. Они присутствуют на мембране лизосом и поздних эндосом, но отсутствуют на мембранах других компартментов вакуома.

Образование лизосом и их типы[править | править код]

Лизосомы формируются из пузырьков (везикул), отделяющихся от аппарата Гольджи, и пузырьков (эндосом), в которые попадают вещества при эндоцитозе[17]. В образовании аутолизосом (аутофагосом) принимают участие мембраны эндоплазматического ретикулума. Все белки лизосом синтезируются на «сидячих» рибосомах на внешней стороне мембран эндоплазматического ретикулума и затем проходят через его полость и через аппарат Гольджи.

Общепринятой классификации и номенклатуры для разных стадий созревания и типов лизосом нет. Различают первичные и вторичные лизосомы. Первые образуются в области аппарата Гольджи, в них находятся ферменты в неактивном состоянии, вторые же содержат активные ферменты. Обычно ферменты лизосом активируются при понижении рН. Среди лизосом можно также выделить гетеролизосомы (переваривающие материал, поступающий в клетку извне — путём фаго- или пиноцитоза) и аутолизосомы (разрушающие собственные белки или органоиды клетки). Наиболее широко используется следующая классификация лизосом и связанных с ними компартментов:

  1. Ранняя эндосома — в неё поступают эндоцитозные (пиноцитозные) пузырьки. Из ранней эндосомы рецепторы, отдавшие (из-за пониженного рН) свой груз, возвращаются на наружную мембрану.
  2. Поздняя эндосома — в неё из ранней эндосомы поступают пузырьки с материалом, поглощённом при пиноцитозе, и пузырьки из аппарата Гольджи с гидролазами. Рецепторы маннозо-6-фосфата возвращаются из поздней эндосомы в аппарат Гольджи.
  3. Лизосома — в неё из поздней эндосомы поступают пузырьки со смесью гидролаз и перевариваемого материала.
  4. Фагосома — в неё попадают более крупные частицы (бактерии и т. п.), поглощённые путём фагоцитоза. Фагосомы обычно сливаются с лизосомой.
  5. Аутофагосома — окружённый двумя мембранами участок цитоплазмы, обычно включающий какие-либо органоиды и образующийся при макроаутофагии. Сливается с лизосомой.
  6. Мультивезикулярные тельца — обычно окружены одинарной мембраной, содержат внутри более мелкие окружённые одинарной мембраной пузырьки. Образуются в результате процесса, напоминающего микроаутофагию (см. ниже), но содержат материал, полученный извне. В мелких пузырьках обычно остаются и затем подвергаются деградации рецепторы наружной мембраны (например, рецепторы эпидермального фактора роста). По стадии формирования соответствуют ранней эндосоме. Описано образование мультивезикулярных телец, окруженных двумя мембранами, путём отпочковывания от ядерной оболочки.
  7. Остаточные тельца (телолизосомы) — пузырьки, содержащие непереваренный материал (в частности, липофусцин). В нормальных клетках сливаются с наружной мембраной и путём экзоцитоза покидают клетку. При старении или патологии накапливаются.

Функции лизосом[править | править код]

Функциями лизосом являются:

  • переваривание захваченных клеткой при эндоцитозе веществ или частиц (бактерий, других клеток)
  • аутофагия — уничтожение ненужных клетке структур, к примеру, во время замены старых органоидов новыми, или переваривание белков и других веществ, произведенных внутри самой клетки
  • автолиз — самопереваривание клетки, приводящее к её гибели (иногда этот процесс не является патологическим, а сопровождает развитие организма или дифференцировку некоторых специализированных клеток). Пример: При превращении головастика в лягушку, лизосомы, находящиеся в клетках хвоста, переваривают его: хвост исчезает, а образовавшиеся во время этого процесса вещества всасываются и используются другими клетками тела.
  • растворение внешних структур (см, например, остеокласты)

Внутриклеточное пищеварение и участие в обмене веществ[править | править код]

У многих протистов и у животных, имеющих внутриклеточное пищеварение, лизосомы участвуют в переваривании пищи, захваченной путём эндоцитоза. При этом лизосомы сливаются с пищеварительными вакуолями. У протистов непереваренные остатки пищи обычно удаляются из клетки при слиянии пищеварительной вакуоли с наружной мембраной.

Многие клетки животных, у которых преобладает полостное пищеварение (например, хордовые) получают питательные вещества из межклеточной жидкости или плазмы крови с помощью пиноцитоза. Эти вещества также вовлекаются в обмен веществ клетки после их переваривания в лизосомах. Хорошо изученный пример такого участия лизосом в обмене веществ — получение клетками холестерина. Холестерин, приносимый кровью в виде ЛПНП, поступает внутрь пиноцитозных везикул после соединения ЛПНП с рецепторами ЛПНП на мембране. Рецепторы возвращаются к мембране из ранней эндосомы, а ЛПНП поступают в лизосомы. После этого ЛПНП перевариваются, а высвободившийся холестерин через мембрану лизосом поступает в цитоплазму.

Косвенно лизосомы участвуют в обмене, обеспечивая десенсибилизацию клеток к воздействию гормонов. При длительном действии гормона на клетку часть рецепторов, связавших гормон, поступают в эндосомы и затем деградируют внутри лизосом. Снижение числа рецепторов понижает чувствительность клетки к гормону.

Аутофагия[править | править код]

Обычно различают два типа аутофагии — микроаутофагия и макроаутофагия. При микроаутофагии, как при образовании мультивезикулярных телец, образуются впячивания мембраны эндосомы или лизосомы, которые затем отделяются в виде внутренних пузырьков, только в них попадают вещества, синтезированные в самой клетке. Таким путём клетка может переваривать белки при нехватке энергии или строительного материала (например, при голодании). Но процессы микроаутофагии происходят и при нормальных условиях и в целом неизбирательны. Иногда в ходе микроаутофагии перевариваются и органоиды; так, у дрожжей описана микроаутофагия пероксисом и частичная микроаутофагия ядер, при которой клетка сохраняет жизнеспособность.

При макроаутофагии участок цитоплазмы (часто содержащий какие-либо органоиды) окружается мембранным компартментом, похожим на цистерну эндоплазматической сети. В результате этот участок оказывается отгорожен от остальной цитоплазмы двумя мембранами. Затем такая аутофагосома сливается с лизосомой, и её содержимое переваривается. Видимо, макроаутофагия также неизбирательна, хотя часто подчеркивается, что с помощью неё клетка может избавляться от «отслуживших свой срок» органоидов (митохондрий, рибосом и др.).

Третий тип аутофагии — шаперон-зависимая. При этом способе происходит направленный транспорт частично денатурировавших белков из цитоплазмы сквозь мембрану лизосомы в её полость.

Автолиз[править | править код]

Ферменты лизосом нередко высвобождаются при разрушении мембраны лизосомы. Обычно при этом они инактивируются в нейтральной среде цитоплазмы. Однако при одновременном разрушении всех лизосом клетки может произойти её саморазрушение — автолиз. Различают патологический и обычный автолиз. Распространенный вариант патологического автолиза — посмертный автолиз тканей.

В норме процессы автолиза сопровождают многие явления, связанные с развитием организма и дифференцировкой клеток. Так, автолиз клеток описывается как механизм разрушения тканей у личинок насекомых при полном превращении, а также при рассасывании хвоста у головастика. Правда, эти описания относятся к периоду, когда различия между апоптозом и некрозом ещё не были установлены, и в каждом случае требуется выяснять, не лежит ли на самом деле в основе деградации органа или ткани апоптоз, не связанный с автолизом.

У растений автолизом сопровождается дифференциация клеток, которые функционируют после смерти (например, трахеид или члеников сосудов). Частичный автолиз происходит и при созревании клеток флоэмы- члеников ситовидных трубок.

Клиническое значение[править | править код]

Иногда из-за неправильной работы лизосом развиваются болезни накопления, при которых ферменты из-за мутаций не работают или работают плохо. Примером лизосомных болезней накопления может служить болезнь Гоше, болезнь Помпе, Болезнь Тея — Сакса. Всего известно более 50 наследственных заболеваний, связанных с нарушением функции лизосомы[12].

Повреждение лизосом некротизированных клеток, в том числе гранулоцитов, даёт начало воспалительному процессу[18].

См. также[править | править код]

  • Вакуоль
  • Фагоцитоз
  • Эндоцитоз
  • Лизосомные болезни накопления
  • Восковидные липофусцинозы нейронов

Источник: ru.wikipedia.org

Что такое лизосомы?

Лизосомы представляют собой сферические мембранные мешочки кислых гидрологических ферментов, которые способны переваривать клеточные макромолекулы. Лизосомальная мембрана помогает сохранить кислую среду внутри органеллы и отделяет пищеварительные ферменты от остальной части клетки.

Лизосомные ферменты производятся белками из эндоплазматического ретикулума и заключены в везикулы с помощью аппарата (комплекса) Гольджи.

Лизосомные ферменты

Лизосомы содержат различные гидролитические ферменты (около 50 различных типов), которые способны переваривать нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды и белки. Внутренняя часть лизосомы постоянно поддерживается кислой, так как ферменты лучше всего работают в кислой среде. Если целостность лизосомы нарушена, ферменты не окажут существенного вреда в нейтральном цитозоле клетки.

Образование

Лизосомы образуются в результате слияния везикул из комплекса Гольджи с эндосомами. Эндосомы — это везикулы, которые образуются эндоцитозом, поскольку участок плазматической мембраны зажимается и интернализуется клеткой. В этом процессе внеклеточный материал поглощается клеткой. По мере того как эндосомы созревают, они становятся известными как поздние эндосомы.

Поздние эндосомы сливаются с транспортными везикулами из Гольджи, которые содержат кислотные гидролазы. После слияния, эти эндосомы в конечном итоге превращаются в лизосомы.

Функции лизосом

Лизосомы действуют как «мусорщики» клетки. Они принимают участие в рециркуляции органического материала клетки и внутриклеточного переваривания макромолекул.

Некоторые клетки, такие как лейкоциты, имеют гораздо больше лизосом, чем другие. Эти клетки уничтожают бактерии, мертвые клетки, раковые клетки и посторонние вещества посредством клеточного переваривания. Макрофаги поглощают вещество фагоцитозом и заключают его в везикулу, называемую фагосом.

Лизосомы в макрофаге сливаются с фагосомой, высвобождая свои ферменты и формируя так называемую фаголисосому. Интернализованный материал переваривается в фаголисосоме. Лизосомы также необходимы для деградации внутренних клеточных компонентов, таких как органеллы. Во многих организмах лизосомы участвуют в запрограммированной гибели клеток.

Дефекты лизосомы

У людей на лизосомы могут влиять различные наследственные состояния. Эти генные мутации вызывают такие болезни, как Помпе, синдром Херлера и болезнь Тай-Сакса. У людей с этими нарушениями отсутствует один или несколько лизосомных гидролитических ферментов. Это приводит к нарушению нормального метаболизма макромолекул в организме.

Похожие органеллы

Как и лизосомы, пероксисомы являются связанными с мембраной органеллами, которые содержат ферменты. Пероксисомные ферменты продуцируют пероксид водорода в качестве побочного продукта. Они участвуют по меньшей мере в 50 различных биохимических реакциях в организме. Пероксисомы помогают детоксифицировать алкоголь в печени, образуют желчную кислоту и разлагают жиры.

Понравилась статья? Поделись с друзьями:

Источник: natworld.info