Биохимия системы кровообращения Кафедра биохимии и клинической лабораторной

Биохимия системы кровообращения Кафедра биохимии и клинической лабораторной диагностики

Сердце: n Обеспечивает перемещение крови – «насос» n Адаптивно изменяет кровообращение (скорость и объем кровотока) путем изменения частоты и силы сердечных сокращений

Сосуды: n Создают замкнутое пространство, по которому перемещается кровь n Резистивные сосуды адаптивно изменяют кровоснабжение органов и тканей (скорость и объем кровотока) путем изменения своего просвета (тонуса)

n Особенности структуры и функции обуславливают особенности в метаболизме клеток

Структурные особенности сосудов (типы клеток): n Фибробласты (наружная оболочка сосуда) синтезируют компоненты матрикса соединительной ткани (эластические и коллагеновые волокна) n n обеспечивают механическую прочность сосудистой стенки (пассивное напряжение сосудистой стенки)

n Гладкомышечные клетки (средняя оболочка сосуда) n изменяют просвет сосуда (путем сокращения и расслабления) создают активное напряжение сосудистой стенки (сосудистый тонус) n

n Эндотелиоциты (внутренняя оболочка сосуда) n регулируют комплекс адаптивных реакций сосудов: n n сократительную активность ГМК (тонус резистивных сосудов) структурную перестройку сосудистой стенки и ангиогенез (построение новых сосудов) активность свертывающей, противосвертывающей, фибринолитической систем крови n n адгезию тромбоцитов к сосудистой стенке

Механизм регуляции эндотелием адаптивных реакций сосудов Изменение скорости кровотока Специфические рецепторы эндотелиоцитов Повреждение Изменение продукции сигнальных молекул Клетки-мишени: ГМК, фибробласты, эндотелиоциты, клетки крови

Эндотелий регулирует адаптивные реакции сосудов ауто- и паракринным путем передачи сигналов

МЕХАНИЗМ РЕГУЛЯЦИИ СОСУДИСТОГО ТОНУСА Эндотелий продуцирует сигнальные молекулы-антагонисты - Вазодилататоры: Оксид азота n Pg I 2 (простациклин) n Pg Е 2 n Nа-уретический пептид С n Эндотелиальный гиперполяризующий фактор n

- Вазоконстрикторы: Супероксидный радикал - Тх А 2 - Эндотелин-1 - Ангиотензин II

Механизм эндотелий-зависимой вазодилатации (события в эндотелиоците) Взаимодействие ацетилхолина с М-холинорецепторами эндотелиоцита Изменение конформации и активация связанного и рецептором G-белка Изменение конформации и активация фосфолипазы С

Освобождение фосфатидилинозитола из фосфолипида мембраны Образование из фосфатидилинозитола инозитол-3 -фосфата Активация инозитол-3 -фосфатом Са 2+-каналов Вход Са 2+ в эндотелиоцит и активация белка кальмодулина

Изменение конформации и активация кальмодулином эндотелиальной NO-синтазы (е. NOS) Усиление продукции оксида азота из аргинина NB! Ацетилхолин усиливает в эндотелиоцитах синтез оксида азота!

Механизм эндотелий-зависимой вазодилатации (события в ГМК) Взаимодействие NO с рецепторным участком гуанилатциклазы ГМК Изменение конформации и активация гуанилатциклазы Образование ц. ГМФ из ГТФ

Изменение конформации и активация фосфолипазы С Активация Са 2+-АТФазы клеточной мембраны ГМК Выход Са 2+ из ГМК с затратой энергии Расслабление ГМК Вазодилатация

Механизм эндотелий-зависимой вазодилатации

В эндотелии обнаружено 2 типа NOS, отличающиеся регуляцией их активности n с. NOS- конститутивная NO-синтаза – фермент, не меняющий свою функциональную активность, обеспечивая базовую делатацию сосудов n i. NOS – индуцибельная NO-синтаза – фермент, изменяющий свою функциональную активность под действием различных факторов, влияющих на эндотелий, например, под действием ацетилхолина, цитокинов, гистамина n

Изоферменты NО-синтазы n c. NОS (конститутивная) - осуществляет постоянную продукцию NО - обеспечивает базальную вазодилатацию - активность не зависит от действия других регуляторов

n е N ОS (индуцибельная) - осуществляет дополнительную продукцию NО - обеспечивает адаптивную вазодилатацию (например, после вазоконстрикции) - количество и активность фермента меняется под воздействием различных сигнальных молекул (ацетилхолин и др. )

Механизм ослабления эндотелийзависимой вазодилатации Взаимодействие ангиотензина II с рецептором I типа эндотелиоцита, ГМК Активация НАДФН-оксидазы эндотелиоцита, ГМК Усиление продукции супероксида в реакции, катализируемой НАДФН-оксидазой

О 2 + NO = NOO Связывание и инактивация оксида азота с образованием вазонеактивного пероксинитрита Подавление эндотелий-зависимой вазодилатации Сокращение ГМК Вазоконстрикция

Антиоксидантные ферменты инактивируют супероксид, т. о. ослабляя его эффекты!

Эндотелин-1 – вазоактивный пептид Образуется в эндотелиоцитах путем ограниченного протеолиза из предшественников: Пре-проэндотелин Эндотелинпревращающий фермент Проэндотелин (Эндотелин big 1 -38) Эндотелинпревращающий фермент Эндотелин-1

Эндотелин-1 в физиологических концентрациях усиливает эндотелийзависимую вазодилатацию Взаимодействие эндотелина-1 с В-рецептором эндотелиоцита Активация е. NOS увеличение синтеза оксида азота Активация ЦОГ увеличение синтеза простациклина

Усиление действия оксида азота и простациклина на ГМК Расслабление ГМК Вазодилатация

Эндотелин-1 в высоких концентрациях действует как вазоконстриктор Взаимодействие ангиотензина II, адреналина с рецепторами эндотелиоцитов, длительное повышение АД Усиление синтеза эндотелина-1 в эндотелиоцитах

Взаимодействие эндотелина-1 с А-рецептором ГМК Сокращение ГМК Вазоконстрикция

МЕХАНИЗМ РЕГУЛЯЦИИ СТРУКТУРНОГО ГОМЕОСТАЗА Эндотелий продуцирует сигнальные молекулыантагонисты - Антимитогены (стимуляторы апоптоза): - Pg I 2 (простациклин) Nа-уретический пептид С - Оксид азота

Митогены (факторы роста) : - Васкулярный эндотелиальный фактор роста - Основный фактор роста фибробластов - Эндотелин-1

МЕХАНИЗМ РЕГУЛЯЦИИ ГЕМОСТАЗА Эндотелий продуцирует сигнальные молекулыантагонисты Активаторы противосвертывающей системы, ингибиторы агрегации тромбоцитов: - Тканевой активатор плазминогена - Pg I 2 (простациклин) - Тромбомодулин - Оксид азота

Активаторы свертывающей системы, агрегации тромбоцитов: - Фактор фон Виллебранда - Тх А 2 Эндотелин-1

n Эндотелий продуцирует адгезивные молекулы-белки клеточной мембраны эндотелиоцитов, которые взаимодействуют с мембранными белками лейкоцитов, обеспечивая адгезию этих клеток к сосудистой стенке n Е-селектин n ICAM

Функционирование эндотелия в норме Динамичный баланс продукции эндотелиальных сигнальных молекул: Вазоконстрикторов и вазодилататоров (преобладает эффект вазодилататоров) Тромбогенных и антитромбогенных веществ (преобладает эффект антитромбогенов)

Факторов роста и стимуляторов апоптоза (низкий уровень продукции) Кратковременные адаптивные изменения сосудистого тонуса, физиологическое обновление клеточных элементов сосудистой стенки, отсутствие тромбообразования

Реакция эндотелия на повреждение n Дисбаланс продукции эндотелиальных сигнальных молекул: Усиление продукции вазоконстрикторов Усиление продукции тромбогенных веществ Усиление продукции факторов адгезии лейкоцитов (развитие воспаления сосудистой стенки)

Усиление продукции факторов роста Адаптивные изменения переходят в развитие патологического процесса: устойчивое повышение АД, утолщение сосудистой стенки за счет митоза ГМК, тромбообразование

Структура кардиомиоцита

Канальцевая система кардиомиоцита – саркоплазматический ретикулум

Сократительные белки: Сократительный аппарат - Миозин – состоит из кардиомиоцита 6 субъединиц (4 легкие и 2 тяжелые цепи) – образуют головки миозина, обладающие Са 2+зависимой АТФазной активностью - Актин – двойная спираль

Регуляторные белки: - Тропомиозин - стержневидная молекула - Тропонин – комплекс из 3 полипептидов (Т, I, С) Тропонин Т – связывание с тропомиозином n Тропонин I – ингибитор тропомиозина n Тропонин С – связывание с кальцием и тропомиозином n

ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА МИОКАРДА Сокращение и расслабление кардиомиоцита идет с затратой энергии n

Сокращение: механизм и регуляция Возбуждение (деполяризация) клеточной мембраны Распространение деполяризации внутрь волокна по Т-трубочкам Высвобождение Ca 2+ из концевых цистерн саркоплазматического ретикулума и их диффузия к актину и миозину

Связывание Ca 2+ с тропонином С, изменение его конформации Разрушение комплекса тропонин-тропомиозин, открытие миозин-связывающих участков актина Образование поперечных связей между актином и миозином Продольное скольжение тонких филаментов (актина) относительно толстых (миозина) с затратой АТФ

Укорочение мышечного волокна Сокращение

Расслабление: механизм и регуляция Развитие потенциала покоя Активация Са 2+ -АТФазы Перемещение Ca 2+ в саркоплазматический ретикулум с затратой АТФ

Отщепление Ca 2+ от тропонина С, изменение его конформации Восстановление комплекса тропонин-тропомиозин Закрытие миозин-связывающих участков актина Расслабление

Особенности энергообеспечения в кардиомиоците NB! В миокарде практически нет запасов гликогена и нейтрального жира! Энергетические субстраты: ВЖК (60 -70% - в покое) n Лактат (90% - при физической работе) n Глюкоза (20 -30%) n Кетоновые тела n

n NB! Распад энергетических субстратов Только аэробно! ВЖК Глюкоза Лактат Кетоны Пируват Ацетил-Ко. А ЦТК, тканевое дыхание СО 2, Н 2 О АТФ О 2

Особенности запаса кислорода и энергии в кардиомиоците n Миоглобин – гемсодержащий белок (мономер), имеющий большее сродство к кислороду, чем гемоглобин n Креатинфосфат – низкомолекулярное макроэргическое соединение, обеспечивающее синтез АТФ при его дефиците

Глицин Аргинин Лейцин Креатинкиназа ↓ МВ Креатин + АТФ ↔ Креатинфосфат + АДФ ↓ Неферментативный Креатинин + Н 2 О распад

Патология: n Нарушение коронарного кровотока (атеросклероз и др. ) приводит к гипоксии и развитию ишемии миокарда n Развивается недостаток энергообеспечения кардомиоцитов n Снижение сократительной способности миокарда

Патобиохимия инфаркта миокарда Инфаркт миокарда – некроз сердечной мышцы, развивающийся в результате длительной ишемии (в 90% случаев – вследствие тромбоза атеросклеротически измененной коронарной артерии)

Снижение уровня кислорода в миокарде 1 2 3

1 Резкое снижение продукции АТФ Нарушение работы Са 2+-АТФазы, Nа+, К+-АТФазы Снижение сократительной способности миокарда

Повышение внутриклеточного уровня Са 2+, Nа+ Отек кардиомиоцитов Деструкция кардиомиоцитов

2 Анаэробный гликолиз Накопление лактата Снижение р. Н (ацидоз)

Денатурация внутриклеточных белков Деструкция кардиомиоцитов

3 При гипоксии дыхательная цепь продуцирует супероксид Гиперпродукция супероксида в кардиомиоцитах Деструкция кардиомиоцитов

В соответствии с рекомендациями ВОЗ, диагноз инфаркт миокарда основан: n на типичной клинической картине приступа болей за грудиной n изменениях показателей ЭКГ n повышении в крови активности кардиоспецифичных ферментов (маркеров)

n Необходимость диагностики инфаркта миокарда в ранние сроки обоснована тем, что тромболитическая терапия в первые 2— 6 ч снижает раннюю смертность в среднем на 30%

n Методы клинической энзимологии и иммунохимии позволяют диагностировать инфаркт миокарда в первые часы его возникновения

Деструкция кардиомиоцитов Освобождение в кровь внутриклеточных макромолекул (диагностические маркеры инфаркта миокарда)

Практически значимыми маркерами гибели кардиомиоцитов являются : n n n n креатинкиназа (КК) [КФ 2. 7. 3. 2), лактатдегидрогеназа (ЛДГ) [КФ 1. 1. 1. 27], аспартатаминотрансфераза (АСТ) [КФ 2. 6. 1. 2], гликогенфосфорилаза (ГФ) [КФ 2. 4. 1. 1], миоглобин, цепи миозина, кардиотропонины Т и I.

n Выходя за пределы мембраны миоцита, белковые молекулы попадают в межклеточную жидкость и оттекают от сердца только по лимфатическим путям n Это и определяет довольно длительный промежуток времени (3— 6 ч) от момента гибели до появления кардиоспецифичных маркеров в крови

Очередность появление маркеров в крови: n Миоглобин n ГФ (ГФ-МВ, изоформа специфичная для кардиомиоцитов) n Тропонин n КК (КК-МВ, изоформа специфичная для кардиомиоцитов) n АСТ n ЛДГ (ЛДГ 1, 2 изоформа специфичная для кардиомиоцитов)

n Истечение из клеток больших белковых молекул, какими являются КК и ЛДГ, может происходить только при нарушении целостности плазматической мембраны в результате их гибели n Менее крупные молекулы белковмаркеров (миоглобин, тропонин) могут истекать в небольшом количестве из клеток и в условиях длительной гипоксии при выраженном изменении мембраны миоцитов, опережая деструкцию клеток

Миоглобин Среди белков-маркеров ИМ наиболее широкое распространение получило определение в крови содержания миоглобина (Мг) n Мг — хромопротеин, который в цитозоле всех мышечных клеток транспортирует кислород, главным образом к митохондриям n

Мол. масса Мг всего 18 к. Да, и он идентичен в миоцитах скелетной мускулатуры и кардиомиоцитах n Миоглобин постоянно присутствует в плазме крови в концентрации ниже 80 нг/мл n При ИМ уровень Мг в крови повышается в 10 — 20 раз n Можно диагностировать ИМ, если содержание Мг в крови превышает 400 нг/мл n

Малые размеры молекулы Мг позволяют ему при выходе за мембрану поврежденных кардиомиоцитов оттекать от миокарда не по лимфатическим путям, а непосредственно в кровь n Увеличение содержания Мг в крови является наиболее ранним тестом ИМ n Повышение уровня Мг в крови удается определить через 3— 4 ч после приступа n

n Мг свободно проходит через гломерулярный фильтр и быстро оказывается в моче n Только при определении Мг удается диагностировать повторные ИМ, которые развиваются через несколько часов после первого инцидента гибели кардиомиоцитов

Тропонин Т и тропонин I Тропониновый регуляторный комплекс в поперечнополосатых мышцах состоит из трех полипептидов: n тропонина (Тн) Т с мол. массой 37 к. Да n Тн I с мол. массой 24 к. Да n n Тн С с мол. массой 18 к. Да.

Поскольку Тн. С содержится как в скелетных мышцах, так и в кардиомиоцитах, в качестве маркера ИМ его не применяют n В диагностике ИМ определяют в крови содержание только Тн. Т и Тн. I n Определение Тн. Т позволяет провести диагностику ИМ как в ранние, так и в поздние сроки ИМ n Содержание Тн. Т в крови повышается уже через несколько часов после ангинозного приступа n

Сравнительное исследование Тн. Т и Тн. I выявило более высокую диагностическую чувствительность Тп. I n При небольшом по размерам ИМ уровень Тн. I в крови повышается в большей степени, чем активность других маркеров n Определение обоих форм Тн. Т и Тн. I является предпочтительным при диагностике ИМ n

КК – креатинфосфокиназа n Фермент находится в цитоплазме n Состоит из двух субъединиц и выделяют 3 изоформ: n ММ-КФК – в скелетных мышцах n ВВ-КФК – в головном мозге n МВ-КФК – в миокарде

- активность в сыворотке возрастает через 4 -8 часов после приступа - максимальное увеличение в 5 -20 раз - нормализация – к 3 суткам

ЛДГ – лактатдегидрогеназа Фермент находится в цитоплазме n Является тетрамером и выделяют 5 изоформ: n ЛДГ 1 (Н 4) – в миокарде n ЛДГ 2 (Н 3 М) n ЛДГ 3 (Н 2 М 2) n ЛДГ 4 (НМ 3) n ЛДГ 5 (М 4) – в других органах n

- активность в сыворотке возрастает через 6 -12 ч после приступа - максимальное увеличение в 2 -4 раза - нормализация – через 8 -20 дней

АСТ – аспартатаминотрансфераза находится в цитоплазме и митохондриях - активность в сыворотке возрастает через 6 -12 ч - максимальное увеличение через в 2 -20 раз) - нормализация – через 4 -5 дней -