Каталаза биологических сред организма человека и ее клинико-биохимическое значение в оценке эндотоксикоза

Безручко Н. В.; Рубцов Г. К.; Ганяева Наталья Борисовна; Козлова Галина Александровна; Садовникова Дарья Геннадьевна

УДК 61:577.1

Н. В. Безручко, Г. К. Рубцов, Н. Б. Ганяева, Г. А. Козлова, Д. Г. Садовникова

КАТАЛАЗА БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА И ЕЕ КЛИНИКО-БИОХИМИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ В ОЦЕНКЕ ЭНДОТОКСИКОЗА

Каталаза - фермент класса оксидоредуктаз, входящий в состав антиоксидантной системы клетки и выполняющий функцию антиперекисной защиты. В клинической биохимии преимущественно определяют активность каталазы фотометрическим методом в следующих биологических средах: цельная кровь, плазма, эритроциты. Активность каталазы крови - один из прогностических тестов выраженности эндотоксикоза организма человека. Анализ активности каталазы находит применение в экологии человека в качестве биомаркера нарушений метаболических процессов в организме, как в крови, так и в других биологических средах (например слюне). Для оценки качества окружающей среды в экологии человека используется фотометрическое измерение концентраций каталазы в воздухе рабочей зоны.

Ключевые слова: каталаза, биологические среды, организм человека, эндотоксикоз, клинико-биохимическая оценка.

Эндогенная интоксикация представляет собой патологический процесс, сопровождающийся образованием и накоплением в организме веществ, обладающих токсическими свойствами [1]. Эндогенная интоксикация сопровождается комплексом нарушений метаболизма, среди которых одним из маркерных служит дисбаланс активности антиоксидантной системы и уровня свободно-радикального окисления.

Реакции свободнорадикального окисления инициируются активными формами кислорода, приводящими к химической модификации и разрушению биомолекул. Благодаря наличию в организме сложных ферментных комплексов со специфическими электронтранспортными простетическими и коферментными группировками процесс восстановления кислорода протекает по многоступенчатому механизму, что сводит к минимуму возможность образования высокореакционных промежуточных соединений кислорода. В условиях окси-дантного стресса или усиленного образования активных форм кислорода может происходить нарушение функционирования ферментов антиоксидантной системы [2].

Одним из ключевых ферментов антиоксидан-тной системы является каталаза.

Биохимическая характеристика каталазы как одного из ферментов антиоксидантной системы организма человека

Антиоксиданты - это вещества, обладающие способностью вступать во взаимодействие с различными реактогенными окислителями - активными формами кислорода и другими свободными радикалами - и вызывать их частичную или полную инактивацию. Активация процессов свободнорадикального окисления, в том числе липоперокси-дации, является типовым процессом дезорганизации структур и функций органов и систем при различных видах патологии [3].

Факторами инициации свободно-радикального окисления при патологии могут быть подавление активности ферментного звена антиоксидантной системы, избыточный расход антиоксидантов вследствие активации перекисного окисления липидов, потеря антиоксидантных ферментов при нарушении целостности мембран клеток [4].

Особую биологическую функцию выполняет мембрана эритроцита как универсальная модель, отражающая состояние мембран целостного организма. Эритроциты представлены в качестве сложной полифункциональной клеточной системы, которая действует на внутрисосудистом уровне, тканевом и организменном уровнях. В свете данных о том, что первой мишенью при действии на организм вредных факторов внутренней и внешней среды являются клеточные мембраны, их изменение может служить ранним сигналом гомеостатического неблагополучия и развития патологического процесса [5].

Одним из ферментов антиоксидантной системы организма человека, имеющих высокую концентрацию в эритроцитах, может служить каталаза.

Монофункциональные гемосодержащие каталазы - гетерогенная группа ферментов, проявляющих наибольшую активность в катализе реакции разложения пероксида водорода (Н2О2) - токсичного продукта утилизации молекулярного кислорода [6].

Каталаза метаболизирует пероксид водорода, предотвращая его накопление в клетке, с образованием воды и кислорода [7]. Это высокоактивный фермент, не требующий энергии для активации. Снижение активности каталазы возникает при избытке метионина, цистина, меди, цинка [8].

Каталаза - хромопротеид с молекулярной массой около 240 000 Д, состоит из 4 субъединиц, имеющих по одной группе гема [9]. Она, как один из ферментативных антиоксидантов, относится к пер-

вому звену внутриклеточной защиты от активных форм кислорода [10].

Ферментативные антиоксиданты характеризуются высокой специфичностью действия, а также клеточной и органной локализацией, использованием в качестве катализаторов некоторых металлов (медь, цинк, марганец, железо). Каталаза -фермент, относящийся к классу оксидоредуктаз, который катализирует гетеролитическое расщепление О-О-связи в перекиси водорода. Каталаза всегда присутствует в системах, где осуществляется транспорт электронов с участием цитохромов, т. е. там, где образуется токсичный для клетки пероксид водорода. Она локализована преимущественно в пероксисомах клетки и цитоплазме. У человека высокое содержание каталазы обнаружено в эритроцитах, а также в печени и почках [2].

Определение каталазы в клинической биохимии наиболее распространено в таких биологических средах, как цельная кровь [11], плазма [12], эритроциты [13]. Суть данных методов сводится к фотометрической регистрации комплексных соединений молибдата аммония с неразложившейся перекисью водорода.

Клинико-биохимический мониторинг активности каталазы в биологических средах организма человека: прогностическое значение в оценке эндотоксикоза

В патогенезе эндогенной интоксикации одними из ведущих являются мембранодеструктивные процессы. Нарушение структурно-функциональной организации клеточных мембран, в том числе под влиянием активизации процессов свободно-радикального окисления, определяет основные патофизиологические и клинические проявления эндотоксикоза [14].

В связи с этим прогностически значим для оценки эндотоксикоза клинико-биохимический мониторинг параметров антиоксидантной системы, в частности активности такого фермента, как катала-за.

Отмечено, что для оценки исходного состояния тяжести больного перитонитом и прогнозирования развития эндогенной интоксикации организма показательно сопоставление активности каталазы в сыворотке крови и концентрации тиобарбитурато-вой кислоты активных продуктов (ТБКАП) с концентрацией гемоглобина, уровнем гематокрита, количеством форменных элементов крови, общей концентрацией и транспортной функцией альбумина [15, 16].

Изучена роль каталазы в комплексе с глутатион-пероксидазой, плазмы крови в механизмах перок-сидации при остром панкреатите. Установлено, что детоксикация активных метаболитов кислорода у больных с отечной формой острого панкреатита

осуществляется преимущественно в реакциях окислительно-восстановительного перехода глутатио-на, а у больных с деструктивным процессом в поджелудочной железе - как в глутатионпероксидаз-ной, так и в каталазной реакциях [17].

Показано, что динамика активности каталазы в комплексе с активностью лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и изоферментного спектра ЛДГ в желчи отражает течение воспалительного процесса в билиарной системе, а в сыворотке крови - цитолиза ге-патоцитов. Установлена возможность определения каталазы желчи для диагностики и оценки эффективности лечения холангита, а также прогнозирования деструкции стенки желчного пузыря при двухэтапном методе лечения острого холецистита у пациентов с высоким операционным риском [18].

Установлено, что клинико-биохимический мониторинг выраженности эндогенной интоксикации при холецистите необходимой составляющей должен включать параметры антиоксидантной и окси-дантной систем. Это связано с тем, что в раннем послеоперационном периоде у данной категории пациентов может наблюдаться дисбаланс в работе оксидантной и антиоксидантной систем, выраженность которого больше при остром холецистите, чем при хроническом. К числу наиболее информативных показателей антиоксидантной защиты организма, отражающих уровень эндотоксикоза, относят активность каталазы в эритроцитах. В клинико-биохимической оценке тяжести состояния больных холециститом важное место должны занимать расчетные индексы, характеризующие соотношение исследуемых параметров в плазме крови и эритроцитах [19, 20].

Клиническая биохимия, в том числе процедура мониторинга и оценки его результатов, направлена на совершенствование диагностического процесса выявления метаболических нарушений [21].

Одним из аспектов этого является совершенствование существующих и поиск новых методов анализа состояния антиоксидантной защиты организма [22, 23], в том числе как тестовых параметров для оценки эндоэкологии [24], показателей возможных метаболических нарушений при негативном воздействии химически загрязненной окружающей среды [25-27].

Перспективы анализа активности каталазы в биологических средах организма в экологии человека

Разработаны методические подходы и стратегия выбора информативных лабораторных биомаркеров для ранней и доклинической диагностики профзаболеваний и выявления негативного действия вредных факторов производственной и окружающей среды. Рассмотрены возможности установления диагностической значимости лаборатор-

ных тестов путем изучения зависимости эндогенного воздействия (эффекта) и доли лиц с измененным уровнем биомаркера (ответ) от дозы вещества, стадии заболевания и стажа работы. Показано, что в связи с полисиндромностью многих профессиональных заболеваний для повышения специфичности и надежности ранней диагностики наиболее целесообразно использовать несколько тестов, отражающих разные стороны патогенеза заболевания. Предложены методические подходы к разработке комплексов информативных биомаркеров [28].

Одним из таких биомаркеров в экологии человека может служить активность каталазы в биологических средах организма.

Считается, что вклад каталазы в процесс анти-оксидантной защиты позволяет нейтрофильным гранулоцитам активировать поглощение антигенов, что дает возможность снизить интенсивность воспаления. Наличие обратной зависимости активности каталазы и содержания естественных киллеров обусловлено тем, что данный фермент может снизить активность естественных киллеров, а перекись водорода регуляторно повышает их активность. Показано, что при различных экологических условиях у больных хроническим неспецифическим бронхитом характер межсистемных взаимоотношений изменяется. При незначительном прессинге со стороны техногенного загрязнения ведущую роль играют факторы антиоксидантной защиты, в том числе активность каталазы. Наиболее неблагоприятные экологические условия вызывают нарушения в координации иммунометабо-лических процессов, приводящие к меньшей сбалансированности приспособительных реакций организма, одними из которых служит баланс системы перекисного окисления липидов и антиоксидантной активности [29].

Каталазу относят к группе ферментов антиоксидантной системы организма, участвующих в его защите от ксенобиотиков. Примером ксенобиотиков может служить пятиокись ванадия, которая при попадании в организм способна нарушать состояние его антиоксидантной защиты. Установлено, что при введении в организм лабораторных животных пятиокиси ванадия нарушение системы ан-тиоксидантной системы организма проявляется изменением резистентности эритроцитов и их разрушением, а также выраженной тенденцией к снижению активности каталазы [30].

Авторы предположили, что механизм инактивации каталазы может быть связан с неконкурентным ингибированием этого фермента водорастворимым соединением ванадия. Высокие дозы пяти-окиси ванадия ингибируют активность каталазы крови лабораторных животных, нарушают ее био-

логическую роль. Аналогичные процессы могут происходить не только в клетках крови, но и в других биологических средах организма.

Уровень окислительной нагрузки и некоторые показатели антиоксидантного статуса, ответственные за детоксикацию перекиси и супероксидного аниона, являются взаимообусловленными. Установлено, что загрязнение окружающей среды металлами переменной валентности приводит к несогласованному изменению активности ферментов супероксиддисмутазы и каталазы, обусловленному действием окислительной нагрузки. Несогласованное изменение активности ферментов может приводить к накоплению активных форм кислорода, в том числе пероксида водорода. Мониторинг активности супероксиддисмутазы и каталазы позволяет определить степень влияния экологической обстановки, в том числе воздействия химических факторов среды обитания, на здоровье населения [31].

При исследовании слюны у рабочих текстильного производства обнаружено, что уровень конечного продукта перекисного окисления липидов -содержание малонового диальдегида - в 3.7 раза выше по сравнению с данными здоровых людей, а активность каталазы ниже на 43.9 %. У рабочих текстильного производства существенно изменен биохимический состав ротовой жидкости в сравнении с нормальными показателями [32].

Определение активности каталазы нашло применение в экологии человека для оценки качества окружающей среды. Разработаны методические указания по фотометрическому измерению концентраций каталазы в воздухе рабочей зоны [33] для обеспечения контроля соответствия фактических концентраций вредных веществ их предельно допустимым концентрациям (ПДК) и ориентировочно безопасным уровням воздействия (ОБУВ) -обязательным санитарно-гигиеническим нормативам. Метод основан на реакции взаимодействия остаточных количеств пероксида водорода (после взаимодействия фермента) с молибдатом аммония и последующим фотометрическим измерением окрашенного продукта реакции при длине волны 415 нм. Отбор проб при применении данного метода проводят с концентрированием на фильтр.

Заключение. Анализ данных литературы свидетельствует о том, что активность каталазы -один из значимых показателей активности антиок-сидантной системы по такому ее звену, как антипе-рекисная защита. Этот фермент - оксидоредуктаза. Определение активности каталазы находит применение в различных областях.

В клинической биохимии интоксикации организма (как эндогенной, так и экзогенной) актуален мониторинг активности каталазы как в цельной крови, так и в ее фракциях - плазме, эритроцитах.

В экологии человека разработан метод оценки качества окружающей среды, базирующийся на оценке активности каталазы.

Таким образом, определение активности ката-лазы биологических сред организма человека (в

первую очередь крови) имеет практическое клинико-биохимическое значение в оценке эндотоксикоза, а также в экологии человека для изучения интоксикаций организма экзогенного происхождения.

Список литературы

1. Медицинские лабораторные технологии и диагностика. Справочник / под ред. проф. А. И. Карпищенко. СПб.: Интермедика, 2002. Т. 2. 600 с.

2. Рязанцева Л. Т. Ферменты-антиоксиданты: структурно-функциональные свойства и роль в регулировании метаболических процессов // Вестн. Воронежского гос. техн. ун-та. 2011. Т. 7. № 2. С. 126-129.

3. Чеснокова Н. П., Понукалина Е. В., Бизенкова М. Н., Афанасьева Г. В. Возможности эффективного использования антиоксидантов и антигипоксантов в экспериментальной и клинической медицине // Успехи современного естествознания. 2006. № 8. С. 18-25.

4. Чеснокова Н. П., Понукалина Е. В., Бизенкова М. Н., Афанасьева Г. В. Молекулярно-клеточные механизмы индукции свободнорадикального окисления в условиях патологии // Современные проблемы науки и образования. 2006. № 6. С. 21-26.

5. Кашулина А. П. Эритроциты периферической крови как источник информации о состоянии организма в норме и при патологии // Медицина и качество жизни. 2011. № 2. С. 11-14.

6. Егоров Д. А. Анализ структурно-функциональных механизмов взаимодействия каталаз и НАДФН2 методами компьютерного моделирования: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Екатеринбург, 2011. 24 с.

7. Габитова Д. М., Рыжикова В. О., Рыжикова М. А. Антиоксидантная защитная система организма // Башкирский химический журнал. 2006. Т. 13. № 2. С. 94-96.

8. Чеснокова Н. П., Понукалина Е. В., Бизенкова М. Н. Общая характеристика источников образования свободных радикалов и антиокси-дантных систем // Успехи современного естествознания. 2006. № 7. С. 37-41.

9. Чеснокова Н. П., Понукалина Е. В., Бизенкова М. Н. Молекулярно-клеточные механизмы инактивации свободных радикалов в биологических системах // Там же. С. 29-36.

10. Латюшин Я. В., Павлова В. И., Мамылина Н. В. Динамика антиоксидантных ферментов в костном мозге животных на фоне коррекции церулоплазмином при действии эмоционально-болевого и гипокинетического стресса // Вестн. ЧГПУ. 2009. № 12. С. 319-326.

11. Чевари С., Андел Т., Штренгер Я. Определение антиоксидантных параметров крови и их диагностическое значение в пожилом возрасте // Лабораторное дело. 1991. № 10. С. 9-13.

12. Королюк М. А., Иванова Л. И., Майорова И. Г., Токарев В. Е. Метод определения активности каталазы // Там же. 1988. № 1. С. 16-19.

13. Галактионова Л. П., Молчанов А. В., Ельчанинова С. А., Варшавский Б. Я. Состояние перекисного окисления у больных язвенной болезнью желудка и двенадцатиперстной кишки // Клиническая лабораторная диагностика. 1998. № 6. С. 10-14.

14. Срубилин Д. В., Еникеев Д. А., Мышкин В. А., Исакова М. А., Исаков И. Д. и др. Влияние антиоксидантной и лазерной терапии на состояние мембран эритроцитов при экспериментальном перитоните // Мед. вестн. Башкортостана. 2009. № 2. С. 102-106.

15. Келина Н. Ю., Васильков В. Г., Безручко Н. В. Методология доказательной биохимической оценки развития эндотоксикоза // Вестник интенсивной терапии.2002.№ 4. С. 13-17.

16. Келина Н. Ю., Шикунова Л. Г., Васильков В. Г., Безручко Н. В. Взаимосвязи параметров антиоксидантного и оксидантного статуса крови в развитии эндотоксикоза при разлитом перитоните токсической стадии // Там же. 2003. № 5. С. 90-92.

17. Филипенко П. С., Ивченко Г. С., Потапов Г. В. Изменение активности глутатионпероксидазы и каталазы в крови у больных острым панкреатитом // Мед. вестн. Северного Кавказа. 2006. № 4. С. 71-73.

18. Соснин Д. Ю. Новые подходы в лабораторной диагностике при хирургических заболеваниях органов брюшной полости: автореф. дис. ... докт. мед. наук. СПб., 2011. 37 с.

19. Безручко Н. В., Васильков В. Г., Келина Н. Ю., Осинькин Д. В., Рубцов Г. К. Биохимические параметры выраженности эндотоксикоза при хроническом холецистите // Вестн. Томского гос. пед. ун-та (Tomsk State Pedagogical University Bulletin). 2011. Вып. 5. С. 73-76.

20. Besruchko N. V., Vasilkov V. G., Kelina N. U. et al. Program of clinical-laboratory monitoring biochemical markers of estimation from endogen intoksikation during chronicle and acute cholecystitis // Tomsk State Pedagogical University Bulletin. 2011. Vol. 8. P. 115-118.

21. Титов В. Н. Теория биологических функций и совершенствование диагностического процесса в клинической биохимии // Клиническая лабораторная диагностика. 2009. № 4. С. 3-15.

22. Дегтярева Н. В., Пилипко А. А., Шушкова И. Г. и др. Современные подходы к оценке антиоксидантного статуса в клинико-лабораторной диагностике // Там же. 2008. № 9. С. 59.

23. Зайцев В. Г., Островский О. В. Маркеры окислительного повреждения и состояния антиоксидантной системы для использования в клинической лабораторной диагностике // Там же. С. 61.

24. Титов В. Н., Крылин В. В., Дмитриев В. А., Яшин Я. И. Антиокислительная активность плазмы крови - тест нарушения биологических функций эндоэкологии, экзотрофии и реакции воспаления // Клиническая лабораторная диагностика. 2010. № 7. С. 3-14.

25. Савлуков А. И., Камилов Р. Ф., Самсонов В. М., Шакиров Д. Ф. Оценка системы свободнорадикальное окисление - антиоксидантная защита при воздействии производственных факторов химической природы // Там же. № 6. С. 22-28.

26. Савлуков А. И., Камилов Р. Ф., Самсонов В. М., Шакиров Д. Ф. Метаболические процессы в организме при воздействии химических загрязнителей // Там же. № 7. С. 33-39.

27. Яппаров Р. Н. Свободнорадикальное окисление и антиоксидантная защита как критерии оценки адаптационных процессов при действии химических факторов производственной среды: автореф. дис. ... канд. мед. наук. Уфа, 2010. 27 с.

28. Павловская Н. А. Методические подходы к выбору информативных лабораторных биомаркеров и их комплексов для раннего выявления действия вредных факторов на человека и диагностики профзаболеваний // Клиническая лабораторная диагностика. 2011. № 4. С. 22-25.

29. Виткина Т. И. Характер межсистемных взаимодействий при хроническом бронхите в различных экологических условиях // Вестн. новых мед. технологий. 2007. Т. XIV. № 1. С. 177-178.

30. Самыкина Л. Н., Сказкина О. Я., Дроздова Н. И., Ибрагимов И. М. Определение активности каталазы эритроцитов как показателя антиоксидантной защиты организма лабораторных животных при воздействии пятиокиси ванадия // Изв. Самарского научного центра РАН. 2010. Т. 12. № 1 (6). С. 1497-1502.

31. Алехина Е. М., Захарова О. В., Тиньков А. А., Богатов М. А., Шарапова Н. В., Красиков С. И. Влияние химических факторов среды обитания на активность супероксиддисмутазы и каталазы жителей Оренбургской области // Вестн. ОГУ. 2009. № 6. С. 471-473.

32. Ахмадалиев Н. Н., Гаффаров С. А., Саидов А. А. Изменение некоторых биохимических показателей слюны у рабочих текстильного производства // Вестн. восстановит. медицины. 2010. № 5. С. 29-30.

33. МУК (методические указания) 4.1.0.374-96. Фотометрическое измерение концентраций каталазы в воздухе рабочей зоны.

Безручко Н. В., доктор биологических наук, профессор кафедры.

Пензенская государственная технологическая академия.

Пр-д Байдукова, 1а/11, Пенза, Россия, 440039.

E-mail: [email protected]

Рубцов Г. К., ст. преподаватель.

Пензенская государственная технологическая академия.

Пр-д Байдукова, 1а/11, Пенза, Россия, 440039.

E-mail: [email protected]

Ганяева Н. Б., врач-лаборант.

Городская клиническая больница скорой медицинской помощи им. Г. А. Захарьина г. Пензы.

Ул. Стасова, 7, Пенза, Россия, 440071.