Метаболизм и токсичность ацетальдегида

Все три описанных выше механизма окисления приводят к образованию ацетальдегида. Симптомы интоксикации при остром отравлении этанолом обусловлены не столько самим алкоголем, сколько действием ацетальдегида, являющегося его главным метаболитом. Ацетальдегид повышает тонус сосудов резистивного типа, вызывает тахикардию, уменьшает сократительную способность и повышает потребность миокарда в кислороде. Ацетальдегид способен конденсироваться с катехоламинами, в частности с дофамином, с образованием тетрагидроизохинолинов (ТГИХ), некоторые их которых проявляют свойства галлюциногенов и провоцируют абстиненцию. В умеренных и высоких концентрациях, ацетальдегид вызывает вазодилатацию, быстро повышает и снижает артериальное давление. У лиц, метаболической особенностью которых является медленное окисление ацетальдегида, наблюдается крайне плохое самочувствие после приема алкоголя, что резко снижает вероятность систематического его употребления.

Завершающим этапом окисления этанола является окисление ацетальдегида под действием ФАД-зависимой альдегидоксидазы:

CH₃CHO + О₂ + Н₂О       СН₃СООН + Н₂О₂,

 а также НАД-зависимой альдегиддегидрогеназы (АлДГ):

CH₃CHO + Н₂О + НАД⁺               СН₃СООН + НАДН+Н⁺

В результате обеих реакций образуется уксусная кислота, которая далее активируется под действием ацетил-СоА-синтетазы:

СН₃СООН + СоАSH + АТФ    CH₃CO~S-CoA + АДФ + Ф_н

Образовавшийся ацетил-СоА в зависимости от соотношения АТФ/АДФ, а также от концентрации оксалоацетата в митохондриях гепатоцитов, может поступать либо в ЦТК, либо использоваться для синтеза жирных кислот, холестерина или же кетоновых тел.

АлДГ характеризуется высоким уровнем полиморфизма и широкой субстратной специфичностью. В клетках печени, митохондриальная форма АлДГ обладает более высоким сродством к ацетальдегиду, по сравнению с цитозольной изоформой. Активность АДГ и АлДГ в цитозоле и митохондриях также различается. В цитозоле преобладает активность АДГ, в то время как в митохондриях более высока активность АлДГ. Поэтому при поступлении больших количеств этанола, в цитозоле клеток резко повышается концентрация ацетальдегида. Ацетальдегид представляет собой очень реакционоспособное соединение, способное неферментативно ацетилировать SH- и NH₂-группы белков и других соединений, что приводит к нарушению их функций. В ацетилированных белках межклеточного матрикса, некоторых белках хроматина, а также в апобелках липопротеинов, могут образовываться сшивки, нехарактерные для их нативной структуры. В частности, нарушение нативной структуры альбумина, играющего ключевую роль в поддержании коллоидно-осмотического и онкотического давления, а также обеспечивающего транспорт многих веществ в плазме крови, в сочетании с повреждающим действием ацетальдегида на мембраны, сопровождается поступлением в клетки по концентрационным градиентам ионов Na⁺ и воды, что приводит к отекам и нарушению функций клеток. С другой стороны, модифицированные ацетальдегидом белки могут распознаваться как антигены и запускать аутоиммунную атаку на гепатоциты.

Активное окисление этанола и ацетальдегида приводит к увеличению соотношения НАДН/НАД, что снижает активность НАД-зависимых ферментов в цитозоле и, в меньшей степени, в митохондриях. При этом происходит смещение вправо равновесия реакций, катализируемых глицерол-3-фосфатдегидрогеназой и лактатдегидрогеназой:

 

дигидроксиацетонфосфат + НАДН+Н⁺      глицерол-3-фосфат + НАД⁺

пируват + НАДН+Н⁺                     лактат + НАД⁺

 

Восстановление дигидроксиацетонфосфата, являющегося промежуточным продуктом гликолиза и глюконеогенеза, а также увеличение соотношения лактат/пируват, приводит к снижению интенсивности последнего, а образование глицерол-3-фосфата, создает выгодные условия для синтеза триглицеридов в печени. В результате снижения скорости глюконеогенеза происходит падение уровня глюкозы в крови. Кроме того, замедление окисления лактата может приводить к лактоацидемии и лактоацидозу. Лактат может конкурировать в канальцах почек с другими органическими кислотами. В частности, происходит задержка мочевой кислоты и развивается гиперурикемия. Часто отмечается гипокальциемия, что может стать причиной судорог. Метаболические эффекты этанола представлены на Рис. 9.

Ацетальдегид оказывает повреждающее действие на мембраны клеток, включая внешнюю и внутреннюю мембраны митохондрий. Повреждение внутренней мембраны митохондрий приводит к разобщению окислительного фосфорилирования, в результате чего электроны с поврежденных участков ЦПЭ могут передаваться непосредственно на кислород с образованием избыточного количества АФК. С другой стороны, действие ацетальдегида может вызывать неферментативное ацетилирование SH-групп глутатиона, выводя его, таким образом из сферы реакции, катализируемой глутатионпероксидазой, и играющей важную роль в системе антиокислительной защиты клетки. Накопление АФК приводит к активации ПОЛ и повреждению структуры клеточных мембран.

Рис. 9 Метаболические эффекты этанола в печени

Реакции 1 - реакция, катализируемая АДГ; 2 - реакция, катализируемая АлДГ; 3 - реакция, катализируемая ацетил-СоА-синтетазой; Скорость образования ацетальдегида (1) при приеме большого количества алкоголя выше, чем скорость его окисления (2), поэтому ацетальдегид накапливается и оказывает влияние на структуру и синтез белков, а также снижает концентрацию восстановленного глутатиона (5), что приводит к активации перекисного окисления липидов (ПОЛ). Скорость глюконеогенеза (6) снижается за счет повышения концентрации НАДН, образующегося при окислении этанола. Лактат (7) выделяется в кровь, что приводит к развитию лактоацидоза. Увеличение концентрации НАДН замедляет скорость ЦТК. В результате происходит накопление ацетил-СоА и активируется синтез кетоновых тел (8). Окисление жирных кислот замедляется (9); увеличивается интенсивность синтеза триглицеридов (10) и холестерина (10), что приводит к ожирению, гипертриацилглицеролемии, и, в конечном счете атеросклерозу, жировому перерождению и циррозу печени.

На начальных стадиях алкоголизма, окисление ацетил-СоА в ЦТК является основным источником энергии в клетке. Избыток ацетил-СоА, образовавшегося из этанола, выводится из митохондрий в виде цитрата и используется в цитоплазме для синтеза жирных кислот и холестерина. Этот процесс требует использования АТФ и НАДФН. Последний образуется в ходе двух реакций окислительной фазы пентозофосфатного пути окисления глюкозы. В этих условиях, снижение скорости глюконеогенеза приводит к дефициту эндогенной глюкозы, синтезированной de novo. Возникающий в связи с этим дефицит НАДФН приводит к дисбалансу в системе работы ферментов антиокислительной защиты (глутатионпероксидаза/глутатионредуктаза). НАДФН является коферметном глутатионредуктазы, осуществляющей поддержку пула восстановленного глутатиона:

GSH + H₂O₂              GSSG + 2H₂O (ГПО)

GSSG + НАДФН+Н⁺                    2GSH + НАДФ⁺

С другой стороны, у лиц, страдающих алкогольной зависимостью, нередко наблюдается дефицит тиамина (витамин В₁) в организме из-за нарушения режима питания. Кроме того, показано, что алкоголь подавляет всасывание тиамина, поскольку ингибирует кишечную АТФазу, участвующую в абсорбции В₁. Поэтому, при введении им глюкозы, может происходить быстрое накопление пирувата и лактата, приводящее к лактоацидозу, нередко со смертельным исходом. С недостаточностью тиамина связывают развитие синдрома Вернике-Корсакова, который обычно включает два состояния:

- тяжелое психическое расстройство (расстройство сознания, паралич глазодвигательных мышц, нарушение координации движений (особенно нижних конечностей, энцефалопатия Вернике).

- хронический нейропсихопатический синдром, характеризующийся поведенческими расстройствами и нарушениями памяти (корсаковский психоз).

Роль витамина В₁ в развитии этих нарушений доказана терпевтическим эффектом введения тиамина.

Из жирных кислот и глицерол-3-фосфата образуются триацилглицеролы (ТАГ), которые секретируются в крови в составе ЛПОНП. Повышенная секреция ЛПОНП печенью приводит к развитию гипертриацилглицеролемии. При хроническом алкоголизме, снижение интенсивности синтеза фосфолипидов и белков в печени, в том числе, апобелков, входящих в состав ЛПОНП, вызывает накопление ТАГ в гепатоцитах и жировое перерождение печени.

В период острой алкогольной интоксикации может возникать недостаток оксалоацетата из-за избыточного образования ацетил-СоА. С другой стороны, происходит замедление реакций ЦТК вследствие увеличения содержания НАДН. В этих условиях, избыток ацетил-СоА используется для синтеза кетоновых тел (ацетоацетат и β-гидроксибутират), что может стать причиной возникновения кетоацидоза.

Повышенное образование НАДН и ацетальдегида в ходе окисления этанола приводит к смещению равновесия реакции, катализируемой АДГ в сторону образования этанола. Этанол способен растворяться в липидах клеточных мембран, нарушая при этом их микровязкость и селективные свойства. Это приводит к нарушениям процессов мембранного транспорта, работы ионных каналов, межклеточных контактов и взаимодействия мембранных рецепторов с сигнальными молекулами, что приводит к фатальным сдвигам в ключевых процессах, регулирующих функциональное состояние клеток. Кроме того, этанол способен проходить через клеточные мембраны и проникать в кровь, лимфу и далее в любые ткани организма.

Повреждение печени, наблюдаемое при хроническом употреблении алкоголя, может быть не связано напрямую с воздействием этанола или его метаболитов на гепатоциты. Имеются сведения, что данный процесс может происходить опосредованно, и ключевая роль в нем принадлежит факторам, высвобождаемым в ответ на действие этанола и ацетальдегида. В частности, большое значение приписывается бактериальным эндотоксинам кишечного происхождения. Данные эффекты связывают с повышением проницаемости стенки кишечника и нарушением моторики ЖКТ при воздействии избыточного количества этанола, что способствует стазу и избыточному размножению микрофлоры толстого кишечника, а иногда и колонизации нижних отделов тонкого кишечника. Кроме того, кишечные микроорганизмы способны сами окислять этанол с образованием ацетальдегида, повреждающего кишечный эпителий и увеличивающий проницаемость стенки кишечника для бактериальных токсинов. Медиаторами алкогольиндуцированной гепатотоксичности в данном случае выступают цитокины, в частности фактор некроза опухолей (ФНО-α), секреция которого стимулируется бактериальными эндотоксинами. При этом принципиальное значение имеет совместное воздействие этанола и ФНО-α, так как отдельное воздействие каждого из этих факторов не всегда бывает достаточным для гибели гепатоцитов. Эффекты совместного воздействия этанола и ФНО-α могут реализовываться, по меньшей мере, двумя путями. Во-первых, как уже отмечалось выше, хроническое воздействие этанола и его метаболитов вызывает нарушение функций митохондрий, которые являются основной мишенью, как для этанола, так и для ФНО-α. Это приводит к снижению интенсивности окислительного фосфорилирования и генерации избыточных количеств АФК. В основе второго механизма лежит нарушение работы внутриклеточных защитных систем: антиоксидантной и антиапоптотической. При хроническом воздействии алкоголя резко снижается уровень восстановленного глутатиона в клетках. Кроме того, установлено подавляющее действие алкоголя на индукцию белковых факторов NF-κB и bcl-XL, которые предотвращают гибель клетки после воздействия ФНО-α и входят в систему защиты клетки от апоптоза. Таким образом, гибель гепатоцитов происходит от совместного воздействия этанола и ФНО-α либо путем апоптоза, индуцированного ФНО-α, либо путем некроза, которому способствует снижение запасов АТФ в клетках, вызванное разобщением окислительного фосфорилирования.

Окислительный стресс оказывает выраженное цитотоксическое влияние через трансмембранный рецептор Fas и его лиганд (FasL). У пациентов с алкогольной болезнью печени отмечается высокий уровень FasL в гепатоцитах, обусловленный генерацией АФК. Поскольку на поверхности гепатоцитов экспрессирован также рецептор Fas, это свидетельствует о том, что клетки печени могут быть вовлечены в апоптоз через пара- или аутокринные механизмы (Рис. 10).

Рис. 10 Механизмы повреждающего действия этанола и ФНО-α на гепатоциты