Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Действие экзогенного этанола на кислотно-основное состояние, газы, электролиты и ферменты крови человека

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Отева, Наталья Борисовна, Сыктывкар



■V,- V/ / Ч Р * .

//1

+

/

Сыктывкарский государственный университет

итева Наталья шрисовна

ДЕЙСТВИЕ ЭКЗОГЕННОГО ЭТАНОЛА НА КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ5 ГАЗЫ» ЭЛЕКТРОЛИТЫ й ФЕРМЕНТЫ КРОВИ ЧЕЛОВЕКА

ЗУ,00,13 - физиология человека и животных

Научный руководитель - доктор биол. наук

профессор Л.И.Можак

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Сыктывкар - 1999

;! и

и-'

UiiidUlJK

СОКРАЩЕНИЙ

АЛГ - алкогольдегидрогеназа

АльдГ - алъдегиддегидрогеназа

АлТ - аланинаминотрансшераза

АсТ - аспарагинаминотрансфераза

BE - избыток оснований (base excess)

КОС - кислотно-основное состояние

НЬ - гемоглобин

ДЦГ - лактатдегидрогеназа

pug ~ парциальное давление кислорода

рии£ - парциальное давление углекислого газа

НАД - нйкотйнамидадениндйнуклеотид

НАДФ - никотинамидадениндинуклеотидфосфат

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений 2

Введение 5

Глава 1. Обзор литературы 10

1.1. Физики-химические свойства этанола и его биохимические превращения в организме 10

1.2. Эндогенный этанол и его метаболизм 12

1.3. Экзогенный этанол и его метаболизм 15

1.4. Действие этанола на организм 23

1.4.1. Общие эффекты 23

1.4.2. Влияние этанола на кровь 27 Глава 2. Материалы и методы исследований 40

2.1. Материал, объекты исследований 40

2.1.1. Эксперименты о людьми 40

2.1.2. Эксперименты о кровью человека in vitro 41

2.2. Методы исследований 43 2.2.1. Оборудование 43 2.3 Методики исследования ферментов 44

Глава 3. Результаты исследований 46

3.1. Кислотно-основное состояние крови 46

3.1.1. Показатели рН 46

3.1.2. Концентрация бикарбонатных ионов НСОз" 49

3.1.3. Показатели BE 52

3.2, Влияние этанола на газы крови человека 55

3.2.1, pCOg 55

3.2.2, р02 57

3.2.3, Газы крови в экспериментах in vitro 61

3.3. Влияние этанола на электролитный состав крови человека 6У

3.3.1. Ионизированный калий 63

3.3.2. Ионизированный натрий 66

3.4. Ферменты 68

3.4.1. Ферменты крови в экспериментах in vivo 68

3.4.2. Ферменты крови в экспериментах in vitro 73 Глава 4. Обсуждение результатов 79 Заключение 91 Выводы 94 Список литературы 96

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Проблемы адаптации человека и животных к различным условиям среды приобретают в настоящее время особое значение для теории и практики в связи с тем, что среди факторов действующих на организм все большее место занимают наркотические вещества, в частности, этанол. Имеются предположения о том, что организм человека способен адаптироваться к действию этанола (Островский, Садовник; 1984 Чернобровкина и др., 1988; Кершенгольц, 1990), однако механизм этого процесса исследован недостаточно, Таким образом, изучение действия этанола на организм человека относится к числу фундаментальных и социально значимых проблем медико-биологического характера. 0 распространении этанола свидетельствуют статистические данные института социологии (Ежегодник..., 1993) и данные по северным странам Европы (Health Statistics 1994). В условиях Севера действие этого наркотика усугубляется неблагоприятными факторами среды (экологическими, диетологическими, социальными и др,), отчего проблема приобретает региональный аспект. По имеющимся данным, смертность трудоспособного населения'в республике Коми от хронического алкоголизма резко возросла на протяжении последнего десятилетия (Аналитическая записка, 1995; чермных, Ро-щевский, 1996),

К настоящему Бремени накоплены многочисленные сведения о влиянии этанола на организм в целом и его системы, вплоть до молекулярного уровня (Бабаян, Гонопольский, 1990; Соловьев и др,, 1994; Cho, Fong, 1990; Labia,оа, 1992) Однако в большинстве исследований

такого рода рассматриваются отдаленные результаты действия этанола на отдельно взятые показатели (Островский, Садовник, 1984; Траянова и др. 1990; Соловьев и др., 1994), в то время как система крови отвечает на воздействия немедленно, целым рядом взаимосвязанных процессов, поскольку она одной из первых тканей внутренней среды вступает в контакт с экзогенным этанолом и способна к быстрым ответным реакциям (Иржак, Щербаков,1997). Основу этих реакций составляют клеточные и молекулярные компоненты крови, участвующие в выполнении ее функций и теснейшим образом взаимодействующие друг с другом в процессе адаптации организма к факторам внешней и внутренней среды. Характер этого взаимодействия зависит от многих причин, в числе которых следует отметить прежде всего время, прошедшее после начала воздействия , и степень предварительной адаптации к агенту (Иржак и др., 1998).

С учетом этого было предпринято данное физиологе-биохимическое исследование.

Основные положения выносимые на защиту.

1. Под влиянием экзогенного этанола в крови человека происходят изменения бикарбонатной буферной системы, парциального давления кислорода и активности лактатдегидрогеназы.

2. Изменения отмечаются в интервале от 5 до 30 мин после употребления этанола.

3. Реакция системы крови человека на экзогенный этанол зависит от степени привыкания к нему: она различна у людей, редко или совсем не употребляющих алкоголь, и у людей, употребляющих его систематически.

4. Выявленные в результате экспериментов особенности реакции системы крови на экзогенный этанол рассматриваются как адаптивные.

Физиологический механизм адаптации включает активацию буферных систем - бикарбонатной и гемоглобина.

Апробация работу. Результаты работ докладывались и обсуждались на Всероссийской (с международным участием) конференции по моле-кулярно-клеточным основам кислотно-основного и температурного го-меостаза (Сыктывкар, 1997); VIII Международном симпозиуме "Эколо-го-физиологичеокие проблемы адаптации" (Москва, 1998); XVII съезде физиологов России (Ростов-на-Дону, 1998); научных семинарах кафедры физиологии человека и животных Сыктывкарского государственного университета (Сыктывкар, 1995, 1998); заседании физиологического общества (Сыктывкар, 1999).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, изложения результатов исследования, обсуждения результатов, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 108 страницах машинописного текста, иллюстрирована 14 рисунками и 19 таблицами. Список литературы включает 122 работы, из них 75 отечественных и 47 зарубежных авторов.

Цель данной работы - изучить закономерности ответных реакций системы красной крови взрослого человека на экзогенный этанол по показателям ее кислотно-основного состояния, содержанию газов, электролитов и активности ферментов в течение первого часа после его введения.

Задачи:

1. Проследить в контроле динамику показателей крови испытуемых в течение 1ч без применения этанола.

2. Изучить в опытах характер изменений этой динамики, начиная

о первых минут после применения этанола.

3. Определить зависимость ответных реакций на этанол от привычки к его употреблению.

4. Провести модельные опыты in vitro с применением этанола и уксусной кислоты.

Научная новизна. Проведено комплексное, в динамике исследование показателей капиллярной крови взрослого человека до и после введения этанола. Показано, что в течение первых минут вслед за приемом дозы этанола возникает тенденция к развитию в крови ацидоза, что сопровождается увеличением расхода бикарбонатных ионов, снижением показателя избытка буферных оснований (BE), активным использованием буферной емкости гемоглобина, то есть включением компенсаторных механизмов, направленных на снижение закиоления среды. На основании многократных, в течение одного часа проводимых анализов установлены неизвестные ранее особенности функциональных взаимосвязей между показателями кислотно-основного состояния, газами, электролитами и ферментами крови, проявляющиеся, в частности, в достоверном увеличении pOs в крови и снижении активности лактатдегидрогеназы (ЛЦГ), Получены данные о зависимости реакции крови на этанол от постоянства его употребления, что позволяет рассматривать избыточное накопление бикарбонатных ионов и более раннее включение гемоглобина в работу в качестве буферной системы как механизм адаптации организма к экзогенному этанолу, В опытах in vitro показаны изменения активности ДдГ под влиянием уксусной кислоты,как одного из продуктов деструкции этанола в организме. Полученные в процессе исследований результаты позволяют оценить пределы изменений показателей крови под влиянием этанола и определить возможный вклад этих изменений в общи процесс раз-

зития зависимости организма от алкоголя.

Научно-практическая значимость. Результаты исследований вносят вклад е разработку представлений об особенностях адаптации организма к факторам среды. Полученные в работе данные могут быть применены как критерии оценки адаптивных возможностей организма человека, используемых в процессах, которые развиваются в тканях под действием этанола. Полученные в ходе работы данные позволяют оценивать степень отклонений показателей от нормы после приема этанола в определенных дозах, механизмы алкогольной интоксикации, развитие зависимости организма от наркотических средств. Разработанная и представленная в диссертационном исследовании методика комплексного в течение часа исследования показателей крови может быть рекомендована для лабораторной и клинической практики.

Материалы исследований используются на кафедре физиологии человека и животных Сыктывкарского государственного университета (СГУ) при проведении лабораторных занятий и в курсах физиологии системы крови и общей физиологии человека и животных, могут найти применение в работе лабораторий и клиник наркологического профиля.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Зизико-химические свойства этанола и его биохимические превращения в организме

Этанол (этиловый спирт, винный спирт) бесцветен, прозрачен, летуч. Он обладает резким запахом, жгучим вкусом. Легко воспламеняется и горит синеватым пламенем, выделяя мало копоти, хорошо растворяется в воде, органических растворителях. Химическая формула О2Н5ОН. Относительная плотность 95% спирта 0,813 - 0,816, температура кипения 77 - 78,5 0.

Этанол - рафинированное вещество, наделенное энергетическими свойствами и специфической, ярко выраженной токсичностью. Он легко проникает через все биологические мембраны во все органы, ткани, клетки организма благодаря хорошей растворимости в воде и особенно в жирах. В связи с этим он легко всасывается слизистыми оболочками нижнего отдела желудка и тонкой кишки и по системе воротной вены поступает в печень. В печени 96% этанола подвергается окислению и только 4% усваивается зкстрагепатоцеллюлярно. При его распаде в организме выделяется определенное количество энергии, так называемых пустых калорий.

Этанол в организме животных и человека может окисляться тремя ферментативными системами: МЭ00 (микросомапьной этанолокисляющей системой) с участием НАДФ и 0£, каталазой с участием Н2.О2 и ал-когольдегидрогеназой с участием НАД (Тезспке е1. а!., 1976), Образующейся ацетальдегид может окислятся как окоидазами (альдегидок-оидазой, ксантикоксидазой и др.), так и алъдегилдегидрогеназой (АлъДГ). На последнюю приходится 85-95% окисляемого адетальдегида

даже при высоких степенях опьянения (Островский» Садовник, 1984; Буров, Ведерникова, 1985).

Основной и более специфический путь распада начинается в присутствии кофермента НАД при участии фермента алкогольдегидрогена-зы (АДГ) Образовавшийся уксусный альдегид (ацетальдегид) окисляется с помощью фермента ацетальдегидрогеназы в уксусную кислоту. Оба фермента - НАДзависимы.

Уксусная кислота соединяется с коэнзимом А, образуется ацетил-кознзим А (узловой продукт обмена белков, жиров и углеводов), который в норме включается главным образом в так называемый цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса ("лимонный котел"), где сгорает до образования СОр. и Н'зО с выделением энергии. Активная уксусная кислота (или ацетил-КоА) частично используется организмом для синтеза кетоновых тел в печени (3-оксимаслянои. ацетоук-сусной кислот и ацетона), холестерина, жирных кислот и нейтральных (или истинных) жиров (триглицеридоЕ).

Процесс окисления этанола делят на 2 стадии. I стадия окисления этанола до образования уксусного альдегида идет в 5 раз медленнее, нежели II стадия - окисление уксусного альдегида до образования уксусной кислоты. Важно подчеркнуть, что если I стадия зависит от ферментов печени, то II может с большей или меньшей интенсивностью протекать во многих тканях организма: печени, почках, мозге, так как образующийся в процессе окисления пирс-виноградной кислоты ацетил-КоА является универсальным метаболитом по сравнению' с этанолом.

Ближайший метаболит (продукт превращения) этанола. - ацетальдегид, вещество химически высокоактивное и чрезвычайно токсичное. И хотя его концентрация в организме значительно ниже концентрации в

крови самого этанола ( их соотношение составляет 1:500), токсический эффект приблизительно в 10 раз Еыше. Ацеталъдегид в 6 раз активнее этанола по наркотическому действию, в 24 раза активнее препятствует образованию углекислого газа из глюкозы и в 200 раз сильнее угнетает калиевую стимуляцию мозгового дыхания.

1.2..Эндогенный этанол и его метаболизм

В крови человека и выдыхаемом воздухе в качестве постоянных компонентов присутствуют метанол, этанол и ацетон в микромолекулярных концентрациях ÇErikse, Kulkarnia, 1963). Несколько выше содержание в крови ацетата (Skutchness et al., 1979). Эти соединения являются продуктами деятельности кишечной микрофлоры, а также обменных процессов в тканях организма и поэтому относятся к эндогенным продуктам метаболизма. Их обмен тесно взаимосвязан, что особенно заметно в условиях алкогольной интоксикации.

Эндогенный уровень этанола в крови человека составляет 0,05 -.....

0,2 мМ (2,5 -9,0 мг/л) (Островский, Садовник, 1984). Как и для других эндогенных метаболитов, в организме имеются ферментативные системы, осуществляющие синтез и превращение этанола. Один из основных источников этанола в организме - ацеталъдегид, образующийся в качестве побочного продукта при декарбоксилировании пирувата в процессе окисления глюкозы (Lieber, 1976; Casier, 1962).

Далее ацеталъдегид либо восстанавливается в этанол с участием АДГ, либо окисляется до ацетата с учаотиием АльДГ. Другим путем образования эндогенного этанола, возможость которого показана лишь в последнее время, является прямое декарбокоилироЕание молочной кислоты, конечного продукта гликолиза (Mourik et al., 1982).

Содержание эндогенного адетальдегида в крови человека составляет около 0,5 -1 мкМ (Островский, Садовник, 1984; Буров, Ведерникова, 1985). Содержание эндогенного ацетата - 100-200 мкМ (Пронько и др., 1989).

Относительно функций этих эндогенных метаболитов известно следующее. Этанол, являясь, с одной стороны, оолюбшшзатором клеточных мембран, а с другой - ловушкой свободных радикалов (Буров, Ведерникова, 1985; Сторожок, 1983) служит, по-видимому» важным составным элементом системы регуляции состава клеточных мембран, их восприимчивости к межкяеточным регуляторам, в определенной степени регулятором адаптивных возможностей клетки и организма в целом при действии стрессирующих факторов (Кершенгольц, 1990).

Вероятно, поэтому снижение уровня эндогенного этанола ниже 0,1 мМ вызывает нарушения кеопецифических основ гомеостаза, формирование предпатологического состояния (Островский, 1984; Буров и др., 1963), а нормализация уровня эндогенного этанола путем разнообразных воздействий (включая биостимуляторы растительного иди животного происхождения, психотерапию, иглотерапию и др.) приводит к стабилизации гомеостаза, оказывает лечебный эффект. То есть эндогенный этанол можно рассматривать как элемент системы неспецифических адаптивных реакций организма. В животной клетке он уже не играет энергетической роли (его концентрация в кроЕИ в 50-60 раз. ниже уровня глюкозы), выступает в роли нетоксического депо и Форш транспортировки ацетадьдегида, как чрезвычайно важного метаболического регулятора. (0о1езЕ1.е1п ег а1., 1981).

Биологическими функциями эндогенного ацетальдегида, по-видимому, являются: регуляция биоэнергетических ре-акций на этапе терминального окисления переноса электронов от НАДН на флавопротеид

(Комиссарова и др., 1983), участие в нейрохимической регуляции за счет синтеза, эндогенных морфиноподобных соединений (Буров, Ведерникова, 1985; Майский и др., 1982), модификация опиоидных пептидов, инактивация нейротрансмиттеров вблизи постсинаптической мембраны (катехоламинов, оеротонина, норадреналина) (Бщшегз е1 а1., 1980). Учитывая химические свойства ацетальдегида, можно также предположить его участие в поддержании базисного уровня им-мунореактивнооти организма за счет ее сенсибилизации при образовании оснований Шиффа с аминогруппами белков плазмы крови, антигенных тканевых комплексов (Божко, Волошин, 1989).

Отмеченное выше, а также существо�