Ado_A_D_Patologicheskaya_fiziologia

видимым светом в присутствии некоторых окрашенных соединений — фо­ тосенсибилизаторов. В значительной мере повреждения нуклеиновых кислот исправляются в результате репарации. В противном случае воз­ никают нарушения в геноме (мутации) и в работе систем биосинтеза бел­ ка. Многие необратимые изменения в клетках (например, при интоксика­ циях или в ходе процесса старения) связывают с повреждением генетического аппарата митохондрий.

Повреждение рибосом и полисом. При токсических воздействи­ ях на клетки изменяются конфигурация эндоплазматической сети и свя­ занными с ней рибосомы. Например, при отравлении тринитротолуолом в клетках печени мембраны эндоплазматической сети и расположенные на них рибосомы принимают форму различных завитков в нормальных клетках. Синтез белков осуществляется на полисомах. При угнетении син­ теза определенных белков, например синтеза гемоглобина при апластической анемии в клетках костного мозга, уменьшается число полисом и наблюдается их распад на отдельные рибосомы.

Последовательность нарушений в клетке при гипоксии. После­ довательность изменений в клетке в результате прекращения доступа кислорода одинакова для самых различных тканей. Это показали опыты со срезами тканей, изолированными клетками и изолированными клеточ­ ными органеллами, в частности митохондриями. В печени, находящейся в условиях аноксии при комнатной температуре, последовательность со­ бытий такова:

—0—5 мин аноксии — снижение уровня АТФ в клетке в 2—4 раза, не­ смотря на активацию гликолиза;

—5—15 мин — появление Са2 + в цитоплазме клетки, активация гидро­

литических ферментов, в том числе фермента фосфолипазы А2 ми­ тохондрий. Содержание Са2 + в митохондриях повышается, так как они еще не повреждены (стадия 1 на рис. 2.3);

—15—30 мин — гидролиз митохондриальных фосфолипидов фосфо-

липазой А2 и нарушение барьерных свойств митохондриальной мем­ браны. Реоксигенация ткани на этой стадии приводит к активному набуханию митохондрий. Дыхательный контроль в митохондриях нарушен, окислительное фосфорилирование разобщено, способ­ ность митохондрий накапливать ионы кальция снижена (стадия 2 на рис. 2.3);

—30—60 мин — частичное восстановление функций митохондрий,

временное повышение дыхательного контроля, способности накап­ ливать кальций, (стадия 3 на рис. 2.3). Механизм компенсаторных процессов, приводящих к временному улучшению функций митохон­ дрий, неизвестен, но связан с функцией клетки в целом, так как при анаэробной инкубации изолированных митохондрий это явление не наблюдается;

—60—90 мин: необратимое повреждение митохондрий и полная ги­ бель клеток (стадия 4 на рис. 2.3).

28

Рис. 2.3. Изменение содержания Са2 + в митохондриях при ишемии.

1 — появление Са2+ в цитоплазме клетки (содержание Са2+ в митохондриях повышается, так как они еще не повреждены); 2 — снижение способности митохондрий накапливать Са2+, 3 — частичное восстановление функций митохондрий и накопление ими Са2+; 4 — необратимое повреждение митохондрий.

При температуре тела человека все эти процессы протекают при­ мерно в 2 раза быстрее; кроме того, в разных тканях они протекают с раз­ ной скоростью: быстрее всего в мозге, медленнее — в печени, еще мед­ леннее — в мышцах.

Порочный круг клеточной патологии. Увеличение внутриклеточ­ ного содержания кальция и нарушение биоэнергетических функций ми­ тохондрий являются общими признаками для клеток, поврежденных в результате действия различных неблагоприятных факторов. Эти два со­ бытия — не простое следствие других изменений в поврежденных клет­ ках: они лежат в основе нарушения функций поврежденных клеток и мо­ гут рассматриваться как главные звенья в цепи событий, приводящих к развитию неспецифической реакции клеток на повреждение. Схемати­ чески взаимоотношение между первичным повреждением клеточных структур, процессами биоэнергетики и содержанием кальция в цитоплаз­ ме приведено на рис. 2.4. Согласно этой схеме первичными мишенями действия повреждающих агентов служат мембранные структуры клетки, в которых могут подвергаться разрушению липидный бислой, рецепто­ ры, белковые переносчики ионов и молекул (каналы), а также встроен­ ные в мембраны ферменты, включая ионные насосы. Увеличение прони­ цаемости мембран и подавление работы насосов, непосредственно вызванное действием повреждающих факторов (токсичные соединения, свободные радикалы и продукты липидной пероксидации, недостаток ис­ точника энергии — АТФ), приводят к повышению концентрации натрия и кальция в цитоплазме. Последнее сопровождается дисбалансом внутри­ клеточной регуляции и активацией деструктивных ферментов, таких, как фосфолипаза А2 и эндонуклеазы. Гидролиз фосфолипидов мембран фос-

29

Рис 2.4. «Порочный круг», лежащий в основе неспецифической реакции клеток на повреждение Объяснения в тексте

фолипазой приводит к дальнейшему нарушению барьерных свойств ли­ пидного бислоя, что способствует еще большему росту уровня кальция в цитоплазме, набуханию митохондрий и их дальнейшему повреждению. Порочный круг замыкается и клетка скорее всего погибнет.

2.1.3. Механизмы нарушения барьерной функции биологических мембран

Повреждение компонентов биологических мембран при пато­ логических процессах. Биологические мембраны наряду с элемента­ ми цитоскелета формируют ультраструктуру протоплазмы. Кроме того, они выполняют множество функций, нарушение любой из которых может привести к изменению жизнедеятельности клетки в целом и даже к ее ги­ бели. На рис. 2.5 дано схематическое изображение типичной мембраны с указанием тех ее элементов, повреждение которых может наблюдаться при патологии и лежать в основе развития различных заболеваний.

Наиболее тяжелые последствия вызывает повреждение липидного слоя мембран (рис. 2.5, 1), называемого также липидным бислоем, так как он образован двумя слоями липидных молекул (рис. 2.5, 2). Липидный бислой клеточной и внутриклеточных мембран выполняет две основ­ ные функции — барьерную и матричную (структурную). В нормально фун­ кционирующей клетке срединная часть липидного бислоя представляет собой сплошную пленку, образованную углеводородными «хвостами» фосфолипидных молекул. Эта пленка, по свойствам близкая к расплав­ ленному парафину, практически непроницаема для ионов и молекул во-

30

Рис. 2.5. Общая схема строения биологических мембран. Объяснения в тексте.

дорастворимых веществ, таких, как углеводы, аминокислоты, белки, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты. Повреждение этого сплошного барьера приводит к нарушению регуляции внутриклеточных процессов и тяжелым расстройствам клеточных функций.

В то же время липидный слой мембран формирует в клетке особую жидкую фазу. На поверхности раздела водной и липидной фаз, а также внутри липидной фазы «плавают» мно­ гочисленные ферменты, многие субстраты биохимических реакций, белковые клеточные рецепторы, гликолипиды и гликолипопротеиды, образующие гликокаликс.

Во многих клетках до 80 % белков встроены в мембраны или связа­ ны с их поверхностью (рис. 2.5). Липидный бислой выполняет, таким обра­ зом, роль структурной основы, или матрицы, для всех белковых, липопротеидных, гликопротеидных и гликолипидных компонентов мембран. От свойств липидной фазы мембран, таких, как вязкость, поверхностный за­ ряд, полярность, зависит работа мембранных ферментов и рецепторов.

Для наружных клеточных мембран характерно наличие гликокалик- са, образованного гликолипидами и гликопротеидами (рис. 2.5, 3 и 2.5, 4). Гликокаликс выполняет ряд функций, вчастности, от него зависят свой­ ства клеточной поверхности, способность клеток к фагоцитозу и адгезии с другими клетками. Гликокаликс эритроцитов препятствует их агглюти­ нации. Повреждение гликокаликса приводит к тяжелым последствиям, помимо прочего еще и потому, что это вызывает изменения иммунных свойств клеточной поверхности.

31

Действие многих токсичных соединений направлено на белковые компоненты клеточной мембраны. Например, цианистый калий блокиру­ ет цитохромоксидазу — фермент, входящий в состав внутренних мемб­ ран митохондрии. Ионы тяжелых металлов (ртуть, серебро, свинец) свя­ зывают БН-группы белков, в том числе мембранных ферментов и ионных каналов (рис. 2.5, 7 и 2.5, 5), вызывая их инактивацию. На белки плазма­ тических мембран или элементы цитоскелета (рис. 2.5, 5 и 2.5, 6) направ­ лено действие многих бактериальных токсинов. Изменения активности мембранных ферментов, каналов и рецепторных белков, вызванные не­ благоприятными факторами, также приводят к нарушению функции кле­ ток и развитию заболеваний.

Основные механизмы нарушения барьерных свойств липидно­ го слоя. Изучение воздействия разного рода повреждающих агентов на изолированные клетки (например, на эритроциты), митохондрии, фосфолипидные везикулы (липосомы), плоские бислойные липидные мембра­ ны (БЛМ) и другие модельные объекты показало, что в конечном счете существует четыре основных процесса, которые при патологии непосред­ ственно обусловливают нарушение целостного липидного бислоя [Вла­ димиров Ю.А., 1973]:

—перекисное окисление липидов;

—действие мембранных фосфолипаз;

—механическое (осмотическое) растяжение мембраны;

—адсорбция на бислое полиэлектролитов, включая некоторые белки и пептиды.

Чтобы понять роль этих процессов в развитии патологического со­ стояния, надо знать химические и физические условия протекания каж­ дого из них, пути их регуляции в живой клетке и причины ее нарушения, характер повреждения свойств мембран под действием данного процес­ са, биологические последствия такого повреждения мембран для жизне­ деятельности клетки и организма в целом. Рассмотрим эти вопросы на примере наиболее изученного процесса — перекисного окисления (пероксидации)липидов.

Свободнорадикал ьное (перекисное) окисление липидов. Пере­ кисное окисление (пероксидация) липидов — пример процесса, идуще­ го с участием свободных радикалов. Свободные радикалы — это молеку­ лярные частицы, имеющие непарный электрон на внешней орбитали и обладающие высокой реакционной способностью. Их изучение ведется методом ЭПР (спиновые ловушки), хемилюминесценции и путем приме­ нения ингибиторов реакций, в которых участвуют радикалы определен­ ного типа.

В табл. 2.3 приведен перечень основных типов свободных радика­ лов, образующихся в организме человека.

32

Таблица 2 3

Свободные радикалы, образующиеся в клетках организма

Первичные радикалы. К первичным можно отнести радикалы, об­ разующиеся в клетках ферментативным путем, — это радикалы кислоро­ да (супероксид и гидроксильный радикал), монооксид азота, радикалы, образующиеся в окислительно-восстановительных реакциях (например, убихинол). Вторичные радикалы образуются при неферментативных ре­ акциях ионов железа. Это гидроксил-радикалы и радикалы липидов. Ра­ дикалы образуются также при действии ультрафиолетовых лучей и входе метаболизма некоторых чужеродных соединений (ксенобиотиков), в том числе некоторых препаратов, ранее применявшихся в качестве лекарств.

Активные формы кислорода. Основная масса молекулярного кис­ лорода, потребляемого клетками нашего организма, непосредственно восстанавливается до воды, окисляя органические субстраты в цепях пе­ реноса электронов. Меньшая часть кислорода расходуется на неполное окисление органических соединений. Наконец, заметная часть кислоро­ да восстанавливается клетками организма до супероксидного радикала. Так, клетки-фагоциты (моноциты и гранулоциты крови и тканевые макро­ фаги) выделяют кислород в реакции, катализируемой ферментным ком­ плексом НАДФН-оксидазой:

НАДФН + 20 2 -> НАД+ + Н+ + 202 " (супероксид).

Дальнейшая судьба супероксидных радикалов может быть разной (см. рис. 2.6). В норме и при отсутствие ионов металлов переменной ва-

33

Совокупность продуктов, образуемых активированными клеткамифагоцитами (радикалы супероксида и гидроксила, перекись водорода и гипохлорит), называют активными формами кислорода; некоторые авто­ ры называют гипохлорит и продукты его метаболизма в тканях (такие, как

хлорамины Р-ЫНС1), активными формами хлора.

Радикалы гидроксила химически исключительно активны и вызыва­ ют повреждение белков, нуклеиновых кислот и липидов биологических мембран. Особенно тяжелые последствия имеют две последние реакции. Радикалы -ОН вызывают разрыв нитей ДНК, оказывают в зависимости от ситуации, мутагенное, канцерогенное или цитостатическое действие. Вместе с тем, реагируя с ненасыщенными жирными кислотами, входя­ щими в состав мембранных липидов, радикалы гидроксила инициируют цепную реакцию их пероксидации (перекисного окисления).

Цепное окисление липидов. Реакция цепного окисления липидов играет исключительную роль в клеточной патологии. Она протекает в не­ сколько стадий, которые получили название инициирование, продолже­ ние, разветвление и обрыв цепи (рис. 2.7). Рассмотрим эти стадии под­ робнее.

Рис. 2.7. Реакция цепного окисления липидов.

А — реакция с неразветвленной цепью, Б — разветвленная цепная реакция

Инициирование цепи. Радикал гидроксила — небольшая по разме­ ру незаряженная частица — способен проникать в толщу гидрофобного липидного слоя и вступать в химическое взаимодействие с полиненасы­ щенными жирными кислотами (которые принято обозначать как Ш ) , вхо­ дящими в состав биологических мембран и липопротеинов плазмы кро­ ви. При этом в липидном слое мембран образуются липидные радикалы:

НО- + Ш -» Н2 0 + Ь .

35

Липидный радикал (L-) вступает в реакцию с растворенным в среде молекулярным кислородом; при этом образуется новый свободный ра­ дикал — радикал липоперекиси (LOO):

L- + LH -> LOO .

Продолжение цепи. Этот радикал атакует одну из соседних моле­ кул фосфолипида с образованием гидроперекиси липида LOOH и нового радикала

LOO + LH-»LOOH + L-.

Чередование двух последних реакций представляет собой цепную реакцию перекисного окисления липидов (см. рис. 2.7, А).

Разветвление цепи. Существенное ускорение пероксидации ли­ пидов наблюдается в присутствии небольших количеств ионов двухвален­ тного железа. В этом случае происходит разветвление цепей в результа­ те взаимодействия Fe2+ с гидроперекисями липидов:

Fe2+ + LOOH -> Fe3+ + НО- + LO .

Образующиеся радикалы LO* инициируют новые цепи окисления липидов (рис. 2.7, Б):

LO + LH -> LOH + L-; L- + 0 2 -> LOO- -> и т.д.

Обрыв цепей. В биологических мембранах цепи могут состоять из десятка и более звеньев. Но в конце концов цепь обрывается в результа­ те взаимодействия свободных радикалов с антиоксидантами (InH), иона­ ми металлов переменной валентности (например, теми же Fe2+) или друг с другом:

LOO- + Fe2+ + H + ^ L O O H ;

LOO- + InH -» In-;

LOO- + LOO- -> молекулярные продукты.

Использование хемилюминесценции для изучения реакций, идущих с участием свободных радикалов. Последняя реакция интерес­ на еще и тем, что она сопровождается свечением — хемилюминесценци- ей. Интенсивность хемилюминесценции очень мала, поэтому ее иногда называют «сверхслабым свечением». Интенсивность свечения пропорци­ ональна квадрату концентрации свободных радикалов в мембранах, а ско­ рость перекисного окисления прямо пропорциональна концентрации тех же радикалов. Поэтому интенсивность «сверхслабого» свечения однознач­ но отражает скорость липидной пероксидации в изучаемом биологичес­ ком материале, и измерение хемилюминесценции довольно часто исполь­ зуется при изучении перекисного окисления липидов в различных объектах.

Измерение хемилюминесценции широко применяется также для изучения образования активных форм кислорода клетками крови и перитонеальными макрофагами. В присутствии специальных соединений — люминола и люцигенина — наблюдается хемилюминесценция изолиро­ ванных лейкоцитов крови, макрофагов или разведенной цельной крови, если клетки-фагоциты продуцируют гипохлорит, и радикалы кислорода (супероксид + гидроксил-радикал). Интенсивность хемилюминесцентных

36