МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр имени В.А. Алмазова» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ «НМИЦ им. В.А. Алмазова» Минздрава России) ИНСТИТУТ МЕДИЦИНСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ Лечебный факультет Кафедра математики и естественнонаучных дисциплин Дисциплина «Биохимия» РЕФЕРАТ БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ЭТАНОЛА Выполнил: ___________________________________________ _____________________________________________________ (Ф.И.О. обучающегося) Обучающийся ___ курса, по направлению подготовки 31.05.01 Лечебное дело (уровень специалитета) Научный руководитель_________________________________ _____________________________________________________ (Ф.И.О. руководителя) Оценка: ___________________ Подпись: __________________ Санкт-Петербург 2021 СОДЕРЖАНИЕ: 1. Список сокращений 2. Введение 2.1. Актуальность исследования 2.2. Цели и задачи исследования 3. Основная часть 3.1. Образование ацетальдегида 3.2. Образование ацетата 3.3. Образование ацетил-КоА 3.4. Общие механизмы токсического действия алкоголя 3.5. Биохимические механизмы возникновения жировой дистрофии печени 4. Заключение 5. Список использованной литературы 6. Приложения 2 1. СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ: 1) ВОЗ – всемирная организация здравоохранения 2) ВУЗ – высшее учебное заведение 3) ЛПОНП – липопротеины очень низкой плотности 4) МЭОС – микросомальная этанолокисляющая система 5) ПОЛ – перекисное окисление липидов 6) ЦПЭ – цепь переноса электронов 7) ЦТК – цикл трикарбоновых кислот 8) ЭПР – эндоплазматический ретикулум 9) AMP – аденозинмонофосфат 10) ATP – аденозинтрифосфат 11) NAD+ – никотинамидадениндинуклеотид 12) NADP+ – никотинамидадениндинуклеотидфосфат 3 2. ВВЕДЕНИЕ: 2.1. Актуальность исследования: Согласно пресс-релизу ВОЗ от 21.09.2018 в 2016 году в результате употребления алкоголя умерло более 3 миллионов человек, что означает, что смерть каждого 20 человека связана с алкоголем. Примерно треть смертей связана с несчастными случаями, остальные — с нарушениями различных систем органов, прямо или косвенно связанными с употреблением алкоголя. Таким образом, выпускник медицинского ВУЗа для ведения своей профессиональной деятельности должен обладать всеми необходимыми знаниями относительно влияния алкоголя на организм человека. Вопросы клинических проявлений заболеваний, вызванных употреблением алкоголя, а также методы их лечения и профилактике будут изучаться в рамках клинических дисциплин, а фундаментальные понятия относительно влияния алкоголя на организм человека должны быть рассмотрены в курсе дисциплины «Биохимия». 2.2. Цели и задачи исследования: Цель исследования: 1) Изучить биохимические механизмы токсического действия этанола. Задачи исследования: 1) Изучить основные пути метаболизма этанола 2) Изучить механизмы деструктивного действия этанола и продуктов его распада 3) Изучить метаболические изменения, связанные с действием этанола и продуктов его распада 4) Изучить биохимические механизмы возникновения жировой дистрофии печени 4 3. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ: Попадая в организм человека этанол обнаруживается в крови через 5-10 минут, так как всасывание этанола в основном происходит желудке, но так же может происходить и в начальных отделах тонкой кишки. Распад этанола на 75-98% происходит в печени и состоит из нескольких последовательных этапов: образование ацетальдегида (является токсическим метаболитом), уксусной кислоты и ацетил-КоА (общая схема метаболизма этанола в приложении 1). 3.1. Образование ацетальдегида: Образование CH3CHO из С2H5ОН возможно тремя путями (схематичное изображение путей в приложении 2): 1) Основной путь протекает под действием Zn2+-содержащего NAD+зависимого димерного фермента — алкогольдегидрогеназы. Существует 3 изоформы алкогольдегидрогеназы, наибольшей активностью обладает изоформа 2 типа. Наибольшая активность фермента наблюдается в цитозоле (80%) и митохондриях (20%) гепатоцитов. Реакция протекает обратимо, ее направление зависит от отношения концентраций ацетальдегида к этанолу и NADH2 к NAD+. Окисление этанола протекает согласно уравнению реакции: C2H5OH + NAD+ ↔ CH3CHO + NADH2. 2) На мембране гладкого ЭПР гепатоцитов расположена микросомальная этанолокисляющая система. Она является цитохром P450-зависимой и принимает незначительное участие в окислении этанола, но при длительных интоксикациях приобретает существенное значение. Окисление этанола МЭОС сопряжено с расходом восстановленной важнейшего кофермента NADPH2. Окисление этанола протекает согласно уравнению реакции: C2H5OH + NADPH2 + О2 → CH3CHO + NADP+ + 2Н2О. 3) Ещё одним незначительным путем образования ацетальдегидаа из этанола является его окисление каталазой пероксисом гепатоцитов. По этому пути 5 расщепляется около 2% этанола. Окисление этанола протекает согласно уравнению реакции: C2H5OH + H2O2 → CH3CHO + 2Н2О. 3.2. Образование ацетата: Дальнейшее окисление ацетальдегида возможно двумя способами: 1) При появлении ацетальдегида в цитозоле гепатоцитов происходит индукция FAD-зависимого фермента альдегидоксидазы. Помимо ацетата продуктами данной реакции являются активные формы кислорода, преимущественно H2O2, которые активируют пути ПОЛ. Окисление ацетальдегида протекает согласно уравнению реакции: CH3CHO + О2 + Н2О → CH3COOH + H2O2. 2) Существенный вклад в образовании ацетата из ацетальдегида вкладывает NAD+-зависимая ацетальдегиддегидрогеназа, продуктом реакции является NADH2, который может быть использован в ЦПЭ митохондрий для синтеза ATP. Ацетальдегиддегидрогеназа преобладает в митохондриях (80%) гепатоцитов, но также обнаруживается и в цитозоле (20%). Окисление ацетальдегида протекает согласно уравнению реакции: CH3CHO + NAD+ + Н2О → CH3COOH + NADH2. 3.3. Образование ацетил-КоА: Образовавшийся ацетат активируется при помощи Mg2+-содержащего фермента класса лигаз — ацетил-КоА-синтетазы. Для протекания реакции нужен свободный кофермент А и ATP. Активация ацетата протекает согласно уравнению реакции: CH3COOH + HS-КоА + ATP → CH3CO-S-KoA + AMP + H4P2O7 + Н2О. 3.4. Общие механизмы токсического действия алкоголя: 1) Ацетальдегид, благодаря наличию карбонильной группы, является химически активным веществом, и может неферментативно ацетилировать 6 белки по SH- и NH2- группам. В результате такой модификации нарушается нативная структура беловых молекул, а как следствие и их функция. Изменению подвергаются не только цитозольные, но и ядерные и мембранные белки. Однако, наиболее заметны изменения в цитозоле, так как там находится большая часть алкогольдегидрогеназ, но количество ацетальдегиддегидрогез значительно меньше, образующийся ацетальдегид не успевает окисляться до ацетата. В результате различные клеточные процессы нарушаются на всех уровнях, начиная от экспрессии определенных генов их транспорта из ядра в цитозоль и заканчивая их посттрансляционной модификацией. Нарушение структуры мембранных белков так же приводит к их неправильной работе и, как результат, к нарушению коллоидно-осмотического равновесия, что чревато гибелью клеток. 2) На цитоплазматическую мембрану основное разрушающее действие оказывают активные формы кислорода, которые образуются при окислении этанола МЭОС и окислении ацетальдегида альдегидоксидазой и приводят к ПОЛ. 3) Метаболические изменения связаны прежде всего с образованием NADH2 во время окисления этанола и ацетальдегида. В результате растет соотношение NADH2/NAD+ и изменяется направление реакций, ферменты которых являются NAD+-зависимыми. Таким образом изменяются важнейшие метаболические пути, такие как ЦТК, гликолиз и глюконеогенез, липогенез. Из-за резкого снижения оборотов ЦТК ацетилКоА, образующийся как конечный продукт катаболизма этанола, преимущественно идет на синтез жирных кислот, холестерина и кетоновых тел. Ключевыми процессами, определяющих направление метаболических путей в сторону липогенеза являются реакции образования глицеральдегид-3-фосфата из глицерол-1,3-дифосфата, глицеролфосфата из глицеральдегид-3-фосфата, моноацилглицеролфосфата из 7 моноацилдиоксиацетонфосфата, а так же изменяется равновесие в реакции образования лактата из пирувата. 4) Отдельно стоит выделить влияние реакции образования лактата из пирувата. Её равновесие в присутсвии алкоголя смещается в сторону образования лактата (причина описана в предыдущем пункте), что приводит к развитию лактоацидоза. 5) Кроме вышеперечисленного, нарушаются реакции прямого и непрямого дезаминирования, опосредованные действием NAD+-зависимой глутаматдегидрогеназы, и как следствие, нарушается работа орнитинового цикла. Для того, чтобы связать образующийся аммиак организм использует оксалоацетат и α-кетоглутарат, что так же угнетает работу ЦТК. 3.5. Биохимические механизмы возникновения жировой дистрофии печени: Жировая дистрофия печени является обратимым явлением на начальных стадиях. Употребление примерно 80 г абсолютного спирта за короткий промежуток времени может приводить к возникновению мелкокапельной жировой дистрофии печени. Гепатоциты на этой стадии характеризуются наличием небольших липидных капель, содержащих в основном триацилглицериды. Такой вариант развития является обратимым, полное восстановление морфологии гепатоцитов проходит менее чем за неделю. При продолжительном воздействии алкоголя в подобных количествах приводит к развитию крупнокапельной жировой дистрофии печени. Дальнейшее накопление триацилглицеридов в гепатоцитах совместно с токсическим действием ацетальдегида может приводить к алкогольному гепатиту и алкогольному циррозу печени (взаимосвязь этих болезней изображена схематично в приложении 3). Последняя стадия является необратимой. При появлении крупных липидных включений в гепатоцитах происходит сдавление и смещение ядре к периферии, что приводит к снижению функциональной активности клеток. 8 Появление липидных включений в клетках печени — закономерный процесс. Изменения метаболизма, вызванные воздействием этанола и его окислением, проявляется в увеличении липогенеза. Синтез триацилглицеридов в печени приводит к образованию ЛПОНП, в состав которых входят структорные аполипопротеины, такие как апо-B-100, апо-С-II, апо-E. ЛПОНП являются основной формой транспорта триацилглицеридов в организме. Однако запас аполипопротеинов в связи с увеличением липогенеза резко истощается, а его восполнение не происходит в связи с дисфункцией синтетического аппарата гепатоцитов в результате токсического действия алкоголя. В конченом итоге ЛПОНП не образуются, триацилглицериды не экспортируются из печени и происходит их накопление в цитозоле гепатоцитов. Всё это усугубляется тем фактом, что лица, зависимые от употребления алкоголя, зачастую не следуют правилам здорового и сбалансированного питания. Основной источник калорий в диете — это этанол, который вытесняет другие питательные вещества, что приводит к авитаминозу (и как следствие к нарушению процессов, для которых необходимы витамины, например в качестве коферментов) и недостатку липотропных веществ (метионин, холин), которые так же принимают участие в синтезе фосфолипидов, в частности ЛПОНП. Основными клиническими признаками жирового гепатоаз являются: 1) Гипербилирубинемия 2) Повышение уровня щелочной фосфатазы 3) Гепатомегалия 9 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Основные выводы: 1) Катаболизм этанола — сложный ферментативный процесс, который протекает в несколько этапов, с образованием ацетальдегида, уксусной кислоты и ацетил-КоА. Основные ферменты, принимающие участие в окислении этанола это алкогольдегидрогеназа, ацетальдегиддегидрогеназа и ацетил-КоА-синтетаза. Катаболизм этанола протекает в печени. 2) Этанол и продукты его катаболизма оказывают деструктивное действие на клетки организма, преимущественно на гепатоциты. Нарушается функциональная активность цитозольных белков, белков и фосфолипидов цитоплазматической мембраны. Нарушается работа синтетического аппарата. 3) Продукты катаболизма этанола оказывают влияние на метаболические пути организма: практически полностью блокируется ЦТК, процессы аэробного гликолиза, глюконеогенеза. Возрастает активность процессов липогенеза и образования лактата. 4) Жировая дистрофия печени — распространённое заболевание при чрезмерном употреблении алкоголя, которое заключается в накоплении триацилглицеридов в клетках печени в виде липидных включений. Механизм её возникновения связан с усилением липогенеза в гепатоцитах (в результате влияния метаболитов окисления этанола) и истощением аполипротеинов B-100, C-II, E (в результате дисфункции синтетического аппарата гепатоцитов под влиянием метаболитов этанола). В результате прекращается синтез ЛПОНП и экспорт триацилглицеролов из печени. 10 5. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: Северин Е.С. Биохимия: учебник / под ред. Е.С. Северина. – 2-е изд., испр. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. – 784 с7: ил. – (Серия «XXI век»). ISBN 5-9231-03907 Нельсон Д. Основы биохимии Ленинджера [Электронный ресурс] : в 3 т. Т. 2 : Биоэнергетика и метаболизм / Д. Нельсон, М. Кокс ; пер. с англ. — 2-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 693с.).—М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015.—(Лучший зарубежный учебник). — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". ISBN 978-5-9963-2317-3 Кумар, В. Основы патологии заболеваний по Роббинсу и Котрану / Кумар В., Аббас А.К., Фаусто Н., Астер Дж. К.; пер. с англ.; под ред. Е.А. Коган. В 3 т. Том 1: главы 1-10. —М.: Логосфера, 2014. —624 с.; ил.; 21,6 см. —Перевод изд. Robbins and Cotran Pathologic Basis of Disease, Vinay Kumar, et al., 8th ed. - ISBN 978-5-98657-052-5. Кумар, В. Основы патологии заболеваний по Роббинсу и Котрану / Кумар В., Аббас А.К., Фаусто Н., Астер Дж. К.; пер. с англ.; под ред. Е.А. Коган, Р.А. Серова, Е.А. Дубовой, К.А. Павлова. В 3 т. Том 2: главы 11-20. —М.: Логосфера, 2016. —616 с.; ил.; 21,6 см. —Перевод изд. Robbins and Cotran Pathologic Basis of Disease, Vinay Kumar, et al., 8th ed. — ISBN 978-5-98657053-2. Всемирная организация здравоохранения: официальный сайт. – URL: https://www.who.int/ru/news/item/21-09-2018-harmful-use-of-alcohol-kills-morethan-3-million-people-each-year--most-of-them-men 11 6. ПРИЛОЖЕНИЯ: Приложение 1: 12 Приложение 2: 13 Приложение 3: 14
