Характеристика Са2+-связывающих мембранных белков саркоплазматического ретикулума при экспериментальном синдроме длительного раздавливания

Ключевые слова: краш синдром, миокард, кальций

Синдром Биватерса, переименованный впоследствии в краш синдром, или синдром длительного раздавливания (СДР), впервые был описан в 1941 году в научном журнале BMJ после так называемого “лондонского блица” – авиационной бомбежки столицы [1]. СДР характеризуется как нарушение реперфузии в результате травматического повреждения скелетных мышц и развития острого некроза. Острое некротическое повреждение скелетных мышц развивается по мере продолжения компрессии мягких тканей. Впоследствии СДР был описан более подробно после природных катаклизм, техногенных аварий, войн и террористических акций. Критериями диагностирования СДР являются раздавливание большой массы скелетных мышц, сенсорные и моторные расстройства конечностей с последующим опуханием, миоглобинурия и наличие крови в моче (гематурия), повышение активности креатинкиназы (более 1000 ед/л), почечные расстройства в виде олигурии (диурез менее 400 мл/сутки), повышение уровня мочевины в крови, сывороточного креатинина, креатинкиназы (КФК, ›1000 ед/л), мочевой кислоты, К⁺, РО₄, снижение Са²⁺ и др. Согласно информационному бюллетеню «PatientPlus», опубликованному в 2004 г. в Англии для врачей службы медицины катастроф, при землетрясениях  более 5% населения зоны бедствия подвержены СДР, у 50% раздавленных под обломками людей развивается острая почечная недостаточность. Характерными особенностями развития патогенеза СДР являются нарушение электролитного состава, вовлечение системы NO. Отмечена NO-зависимая вазодилятация капилляров в поврежденной мышце, что и является первопричиной обострения гиповолемического шока [4-6]. На ранних стадиях развития патогенеза СДР иммунный ответ проявляется в виде кратковременного резкого возрастания активности изоформ NO-синтазы в нейтрофилах через 2 ч декомпрессии, которая впоследствии снижается как в нейтрофилах, так и  в остальных иммунокомпетентных клетках крови, тимуса и селезенки после 24 ч декомпрессии. 

Гиперкалиемия является одной из основных причин развития сердечно-сосудистой недостаточности с летальным исходом в первые дни высвобождения организма из-под компрессии. Физиологически нормальная концентрация  ионов калия в клетке находится в пределах  примерно 90 мэкв/л, а в плазме его концентрация доходит до 4 мэкв/л. После компрессии мышцы, в период декомпрессии, концентрация калия в плазме возрастает, что и становится причиной остановки сердца. Разрушение мышечного миоглобина и его проникновение в почки приводит к нарушению почечной системы и началу выработки токсических продуктов пептидной природы в ишемизированных почках. Высвобождаясь в кровяное русло, эти токсины распространяются по всему организму и приводят к развитию общей интоксикации. Токсины в виде небольших пептидов, присоединяя к своему N-концу аминокислоту аргинин, в виде так называемых аргининобелков начинают продвигаться по периферической нервной системе и, проникая через гемато-энцефалический барьер, доходят до мозга. Делаются попытки к обобщению имеющихся материалов по СДР для использования результатов экспериментального исследования в практической медицине.

Материал и методы 

Исследования проводились на беспородных белых крысах-самцах линии Вистар массой 180-200 г, содержащихся на обычном пищевом рационе.

Модель экспериментального СДР создавали  путем раздавливания бедренной мышцы на специальном прессе с силой давления 100 кг . кг-1 массы животного, продолжительностью 5 часов. Животные были разделены на следующие группы: интактная, контрольная – компрессия в течение 5 ч и опытная – 2, 4, 24 и 48 ч декомпрессии.

Выделение саркоплазматического ретикулума проводили после перфузии сердца 0,15М раствором КСl и методом дифференциального центрифугирования в среде 0,44М сахарозы и 1мМ ЭДТА при  среде  рН=7,4. Сродство Са²⁺ к мембранным белкам СР определяли в координатах Скетчарда с использованием радиоактивного лиганда – ⁴⁵Са⁺⁺  с удельной радиоактивностью 1,4 .10⁴ Кюри·моль^-1. Изучение белкового спектра мембран СР было проведено путем фракционирования белков по молекулярной массе методом электрофоретического разделения на 10% ПААГ с содержанием натрия додецилсульфата по методу Вебера и Осборна [7].

По специально разработанной программе просчитывали специфическое связывание радиоактивного лиганда ( данные с коэффициентом корреляции менее 92% не учитывались), величину максимального связывания ⁴⁵Са⁺⁺ (B_max) и константу диссоциации белок-лигандного комплекса (Kd). Методом изофокусировки на амфолине измерялась изоэлектрическая точка белка в норме, при компрессии и различных периодах декомпрессии.

Результаты и обсуждение

Схожесть идентичного протекания сдвигов в аффинности мембранных белков СР в отношении Са²+, при изопротереноловом повреждении миокарда и при экспериментальном остром панкреатите (ОП) побудила нас к поиску еще одной модели, при которой повреждается миокард. Нами была разработана модель синдрома длительного раздавливания, которая как и ОП отличается общей интоксикацией организма и выбросом в кровяное русло разнородных  токсических пептидов, вызывающих повреждения организма.

Нами ранее было показано [2, 3], что как при изопротереноловом повреждении миокарда, так и повреждении миокарда при ОП выявлено идентичное перераспределение Са2+ в кардиомиоцитах, а также сходная аффинность мембранных белков СР к Са²⁺. Причем аффинность к Са²⁺ одинаково меняется как в отношении пяти кислых белков, Са²⁺-АТФазы и кальсеквестрина в составе мембран СР, так и в отношении нового  Са²⁺-связывающего белка с м.м. 32 кДа, проявляющего свою аффинность к белку при патологии. У интактных животных этот белок не проявляет афинности к Са²⁺. У этих животных количество белка с м.м. 32 кДа в общем спектре мембранных белков СР составляет 90,1 мкг на 1 мг белка. Через 5 ч компрессии его количество не меняется. В период 2, 4, 24 и 48 ч декомпрессии сдвиги в содержании этого белка статистически недостоверны. Анализируя полученные результаты, мы рассчитали сдвиги в изменении аффинности к Са²⁺ мембранных белков СР (рис.). 

Как видно из рисунка, компрессия в течение 5 ч вызывает недостоверные сдвиги в отношении аффинности Са²⁺ к мембранным белкам СР. Так, основной Са²⁺-связывающий белок – кальсеквестрин (м.м. 55 кДа) не претерпевает изменений в аффинности к Са²⁺. Недостоверно изменяются аффинности остальных Са²+-связывающих белков (рис., б). Через 2 ч после компрессии начинает вырисовываться четкая картина снижения величины аффинности мембранных белков СР к Са²⁺ и параллельно мембранный белок с м.м. 32 кДа начинает проявлять аффинность к Са²⁺ (рис., в), которая идентично сохраняется и  после 4 ч декомпрессии (рис., г). Декомпрессия в течение  24 и 48 ч приводит к резкому изменению сродства к Са²⁺ (рис., д). В этот период

 Рис. Сродство ионов радиоактивного  ⁴⁵Са⁺⁺ к мембранным белкам саркоплазматического ретикулума после фракционирования на 10% ПААГ: а–интактные животные; б–декомпрессия в течение 2 ч; в–4 ч; г–24 ч; д–48 ч

лишь Са²⁺-АТФаза сохраняет аффинность примерно на 65-70% от интактного уровня, а остальные белки – 5 кислых мембранных белков и кальсеквестрин полностью теряют аффиность к Са²⁺ (рис., д). Параллельно с утерей Са²⁺-связывающих сбособностей вышеперечисленных белков начинает возрастать аффинность мембранного белка с м.м. 32 кДа к Са²⁺, а через 24 и 48 ч декомпрессии количество связавшегося Са²⁺ приравнивается к уровню связывания кальсеквестрина у интактных животных.

Исследование аффинности мембранного белка к Са²⁺ в координатах Скетчарда выявило два центра связывания Са²⁺ – с высоким и низким сродством (табл. 1). Достоверность полученных результатов представлена из расчета коэффициента корреляции равного 92%, что является максимально достоверным для данного метода исследования.

Таблица 1

Параметры сродства Са²⁺ с мембранным белком СР с м. м. 32 кДа, расcчитанные в координатах Скетчарда

Величина максимального связывания Са²⁺ в низкоаффинном участке у контрольных животных (компрессия 5 ч) не отличается от интактного уровня. Через 2 ч после компрессии эта величина снижается на 15,8%, увеличивается через 4 ч декомпрессии – на 24% по сравнению с 2 ч, снижается через 24 ч (10,5%)  и на 9,3% по сравнению с 4 ч декомпрессией. Величина максимального связывания высокоаффинного участка претерпевает слудующие изменения: результаты контрольных животных изменяются недостоверно по сравнению с интактной группой. Через 2 ч декомпрессии она снижается на 13,2%, повышается, как и в низкоаффинном участке, на 21,9% через 4 ч декомпрессии, снижается на 9%  через 24 ч и повышается на 28,7% через 48 ч декомпрессии. 

Константа диссоциации рецептор-лигандного комплекса (мембранный белок СР с м.м. 32 кДа - Са²⁺), указывающая величину связавшегося Са²⁺ в любой отрезок времени, меняется как в низкоаффинном, так и высокоаффинном участках, сохраняя линейную характеристику. Эта величина одинаково возрастает как в низкоаффинном, так и  высокоаффинном участках  соответственно на 93% и 97%.

Очищенный мембранный белок с м.м. 32 кДа был изучен на предмет исследования изоэлектрической точки в разные периоды декомпрессии. Полученные результаты показали, что при изоэлектрической  изофокусировки на формалитах 5-8 рН и 6,5-9 рН мембранный белок из СР меняет свою реакцию кислотности с 8,3  в контрольной группе до 5,9 в группе животных после 48 ч декомпрессии. Изменение рН носит линейный характер (табл. 2). 

Изменение рН в кислую сторону на 2,4 единицы параллельно с

Таблица 2

Сдвиги в содержании белка с м. м. 32 кДа в тотальной фракции мембран СР и его изоэлектрической точки при синдроме длительного раздавливания (n = 7)

выраженной аффинностью к Са²⁺ указывает на  глубокие изменения физико-химических свойств этого белка в процессе декомпрессии. Приобретение сродства к Са²⁺, по всей вероятности, является компенсаторной реакцией со стороны организма, направленной на удержание Са²⁺, без которого невозможно представить сократительную способность миокарда. Полученные нами ранее результаты по перераспределению Са²⁺ в кардиомиоцитах при изопротереноловом повреждении миокарда, ОП, а также по схожести аффиности мембранных белков СР к Са²⁺ дают нам право экстраполировать результаты вышеприведенных двух патологий на патогенез СДР. 

Изменение изоэлектрической точки в кислую сторону, а также изучение аминокислотного состава мембранного белка СР с м.м. 32 кДа указывают на увеличение в составе белка кислых аминокислот – глутаминовой и аспарагиновой. Надо полагать, что при включении в состав белка одной карбоксильной группы, вторая “выглядывает” из структуры белка, это и позволяет двум кислым аминокислотам, находясь на расстоянии, образовать валентную связь с двухвалентным кальцием, соединять и удерживать Са²⁺.

Литература

1. Biwaters E. G. L., Beal D. Crush injuries with impairment of renal function, British Med. J., 1941, 1, p. 427-439.
2. Kevorkian G.A., Marukhyan G.L., Arakelyan L.N., Guevorkian A.G., Galoyan A.A.    Influence of the hypothalamic proline rich peptide on the level of 14C-Glucose utilization   during crush syndrome,  Neurochem. Res., 2001, 26, 7, p. 827-830.
3. Kevorkian G.A., Voskanyan L.H., Muradyan M.Sh., Galoyan A.A.   Neurohormonal regulation of Ca2+-binding properties in cardiomyocytes at the acute pancreatitis, Neurochemical Res., 1988,  13, p. 816-822.
4. Kumar S.M., Porterfield D.M., Muller K.J., Smith P.J.S., Sahley C.L. Nerve injury induces a rapid efflux of nitric oxide (NO) detected with a novel NO microsensor,  J. Neurosci., 2001, 1, 21, p. 215- 220.
5. Kuzis K., Coffin J. D., Eckenstein F. P. Time course and age dependence of motor neuron death following facial nerve crush injury: role of fibroblast growth factor, Exp. Neurol., 1999, 157, 1, p. 77-78.
6. Rubinstein I., Abassi Z., Coleman R., Milman F., Winaver J., Better O.S. Involvement of nitric oxide system in experimental muscle crush injury, J. Clin. Invest., 1998, 101, 6, p. 1325-1333.
7. Weber K., Osborn N. The reliability of molecular weight determination by dodecyl sulphate-poliacrilamide gel electrophoresis,  J. Biol. Chem., 1969, 244 (16), p. 4406-4412.

Вопросы, ответы, комментарии