Tomchuk_POSІB_VET_BІOHІMІJa

ЧАСТИНА III ЛАБОРАТОРНА ДІАГНОСТИКА ПОРУШЕНЬ

МЕТАБОЛІЗМУ ПРИ ПАТОЛОГІЇ ВНУТРІШНІХ ОРГАНІВ

3.1. СТРУКТУРА І ФУНКЦІЇ БІОЛОГІЧНИХ МЕМБРАН ТА ПАТОЛОГІЯ КЛІТИН

Мембранні структури клітин живого організму піддаються впливу патологічних чинників зовнішнього і внутрішнього середовищ. Взаємодія уражаючого агента з поверхнею плазмолеми клітин запускає каскад взаємопов’язаних біохімічних процесів, які протікають як на мембрані, так і всередині клітин.

Інтенсивність відновлення внутрішньоклітинного гомеостазу при розвитку патології суттєво залежить від тривалості дії патогенного чинника й адаптаційних можливостей організму, що в значній мірі визначається ступенем ураження клітинних мембран. Результати клінічних і експериментальних досліджень доводять ключову роль ліпідного бішару мембран у розвитку тяжких захворювань печінки, їхніх рецидивів та ускладнень. Основними структурно-функціональними компонентами ліпідного бішару клітин, як відомо, є фосфоліпіди. Репаративна, мембрано стабілізуюча та протекторна дії фосфоліпідів досягаються завдяки мітогенстимулювальній активності цих сполук, безпосереднього їхнього вбудовування у фосфоліпідну структуру мембран пошкоджених клітин, заміщення дефектів і відновлення бар’єрної функції їх ліпідного бішару. Отже, функціонування зовнішніх клітинних мембранних систем залежить від цілісності їхніх фосфоліпідних структур. Водночас повноцінність метаболічних процесів у клітинах та їхнє порушення при розвитку патології визначається структурно-функціональним станом мембранних систем.

3.1.1. Структурна організація клітинної мембрани та її модифікація під дією патологічних чинників

Біологічні мембрани – надмолекулярні інтегруючі системи, які формують клітини та їхнє внутрішньоклітинне середовище, а також забезпечують вияв усіх найважливіших функцій клітини: 1) бар´єрної – селективний і регулюючий обмін речовин із навколишнім середовищем; 2) міжклітинних контактів – морфогенез тка-

121

нинних систем, спрямована міграція клітин у процесі росту й розвитку, забезпечення інтеграції між зовнішньота внутрішньоклітинним середовищем; 3) матричної – взаєморозташування та орієнтація мембранних білків, їхня оптимальна взаємодія; 4) ферментативної – певні мембранні білки є ферментами; 5) рецепторної – сприйняття хімічних і фізичних чинників; 6) енергетичної – синтез аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ) при участі внутріш-

ньої мембрани мітохондрій; 7) генерації та проведення біопотен-

ціалів; 8) механічної – міцність та автономність клітин, внутрішньоклітинних структур.

Біологічні мембрани побудовані за єдиним принципом: вони складаються з ліпідного бішару, в якому інтегрально й фіксовано до їх поверхні розташовані білкові молекули (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Молекулярна організація біомембран

Особливістю структурної організації молекул ліпідів, які входять до складу плазматичних мембран – фосфоліпідів (ФЛ) і гліколіпідів, є наявність у них гідрофільної “голівки”, утвореної залишками фосфату, естерифікованого полярними або зарядженими групами, та гідрофобних “хвостів”, які є ацилами насичених і ненасичених жирних кислот (ЖК). У структурі біомембран молекули ФЛ звернені одна до одної гідрофобними жирнокислотними “хвостами”, а з оточующим водним середовищем контактують полярними гідрофільними “голівками” (рис. 3.2).

122

Поверхневі (зовнішні) білки функціонують як рецептори для значної кількості біологічно активних субстратів, таких як нейромедіатори, пептиди, гормони, антигени та антитіла. До інтегральних (трансмембранних) білків належать білки іонних каналів і рецепторні. Частина мембранних білків здатна вільно переміщу-ватися у фосфоліпідному бішарі, але здебільшого вони фіксовані в певних місцях у площині мембрани. Для мембран різних органел характерний неоднаковий білковий склад. Чим більше функцій виконує мембрана, тим більше “специфічних” білків входить до її складу. Більшість білків мембран набувають біологічної активності завдяки контакту з ФЛ. Життєва необхідність у ФЛ для активації мембранних білків доведена експериментально.

Таким чином, ліпідний бішар визначає основні структурні особливості біологічних мембран, тоді як білки відповідальні за більшість мембранних функцій.

Після видалення зв’язаних ФЛ методом екстракції ацетоном або під дією фосфоліпаз активність мембранних білків можливо знову повністю відновити введенням ФЛ.

Отже, основна структура мембран клітин складається з фосфо- ліпід-білкових комплексів. Функціонування зовнішніх (клітинних) і внутрішніх (субклітинних) мембранних систем залежить від цілісності їхніх фосфоліпідних структур. Усі метаболічні процеси в клітинах мають відбуватися за участю цих мембранних систем.

Ліпідний бішар практично непроникний для більшості полярних водорозчинних молекул, оскільки внутрішня частина його гідрофобна. Завдяки такому бар’єру запобігається втрата водорозчинного вмісту клітини. Різні речовини мають неоднакову здатність проникати через цей бар’єр. Транспорт речовин крізь мембрани відбувається згідно з правилами пасивної та полегшеної дифузії з проміжним переносником, активного транспорту і шляхом екзотитозу чи ендоцитозу.

Ліпідний бішар – незмінний структурний і функціональний елемент будь-якої мембрани. Він виконує такі основні функції, як бар’єрну та структурну (матричну).

Функції фосфоліпідів мембран:

1. Фосфоліпіди необхідні для диференціації, проліферації та регенерації біологічних мембран. Цілісність мембранних систем є важливою умовою для нормального здійснення численних клітин-

124

них функцій. Пошкодження тканини завжди пов’язано з ураженням мембран;

2.Фосфоліпіди забезпечують біологічну активність більшості зв’язаних з мембранами білків і рецепторів;

3.Фосфоліпіди мають вирішальну роль в активації багатьох ферментов, зв’язаних з мембранами;

4.Фосфоліпіди регулюють численні метаболічні процеси між внутрішньоклітинним і міжклітинним простором;

5.Фосфоліпіди мембран важливі для синтезу ейкозаноїдів: основні простагландини утворюються з таких попередників, як

ейкозатриєнова або ейкозатетраєнова і арахідонова кислоти. Ці попередники наявні у клітині як компоненти ліпідів мембран. Всі вони утворюються з есенційної лінолевої кислоти. Деякі простагландини розглядаються як цитопротектори;

6.Фосфоліпіди необхідні для забезпечення нормального жовчного току;

7.Фосфоліпіди є структурними та функціональними елемен-

тами ліпопротеїнів;

8.Фосфоліпіди визначають агрегацію еритроцитів і тромбо-

цитів;

9.Фосфоліпіди впливають на імунні реакції на клітинному

рівні.

В основі необоротного ураження клітин лежить порушення функцій плазматичної та внутрішньоклітинних мембран. Реакція клітин на пошкоджуючий вплив несприятливих факторів майже стереотипна: різко збільшується проникність мембран, знижується потенціал спокою на мембрані, у клітину надходять іони Кальцію, а виходять іони Натрію, збільшується об’єм мітохондрій і вони втрачають здатність синтезувати основний носій енергії – аденозинтрифосфорну кислоту (АТФ).

Зміна бар’єрних властивостей мембран, тобто різке підвищення їхньої проникності, разом зі зміною в’язкості та властивостей поверхні ліпідного прошарку (зміна матричних властивостей білків), безперечно порушує роботу мембранних структур, дезорганізує життєдіяльність клітини і сприяє розвитку захворювань організму.

125

3.1.2. Пошкодження плазматичної мембрани як один із механізмів розвитку патології клітини

Пошкодження плазматичної мембрани клітин, незалежно від причини – механічний чи осмотичний розрив, електричний пробій, випромінювання, дія ксенобіотиків (фармацевтичні засоби, діоксинни, пестициди, нітрати, нітрити), вплив вірусів, бактерій, грибів, ультразвуку, поля ЗВЧ – викликає типові патохімічні зміни, котрим відповідають характерні патохімічні та морфологічні картини.

Владимиров Ю. А. (1994) виділяє чотири основні типи пошкодження плазматичних мембран:

пероксидне окиснення мембранних ліпідів; гідроліз мембранних ліпідів фосфоліпазами; механічно-осмотичне розтягнення мембран; адсорбція на мембрані надлишку поліелектролітів.

Фактично будь-які причини, що викликають формування активних вільних радикалів-окисників (радіація, озон і високі концентрації Оксигену, отрути-окисники, запалення), зумовлюють у мембрані блокування сульфгідрильних груп поверхневих білків, зшивання ліпідних молекул і пероксидне окиснення ЖК. Внаслідок цього можуть зрізуватися чи змінювати своє місце розташування у мембрані кінцеві ділянки трансмембранних глікопротеїнів, у т. ч. клітинних рецепторів. Також утворюються і звільняються токсичні для клітини продукти розпаду, наприклад ТБК-реактивні продукти. Пероксидні процеси можуть поширюватися з плазматичної мембрани на внутрішньоклітинні мембранні структури.

Інтенсивне надходження Кальцію до клітини, що виникає при гіпоксії або під дією важких металів, активує мембранні фосфоліпази, зумовлюючи подальший гідроліз ліпідного бішару.

На початковій, оборотній стадії клітинного пошкодження виявляються структурні зміни у вигляді випинань на поверхні клітини. У клітинах, які мають мікроворсинки, вони можуть частково зникати. Порушуються міжклітинні контакти.

У подальшому можуть сформуватися мієлінові фігури вгаслідок порушення контактів між білковими та ліпідними структурними компонентами, що призводить до розшарування мембрани. При необоротному пошкодженні в плазмолемі спостері-гаються розриви.

126

Порушення функцій плазматичної мембрани при її пошкодьженні проявляються в результаті змін трансмембранних градієнтів, що обертається посиленням проникності таких мембран. Проте найтиповішою причиною є наростання дефіциту енергії під час розвитку клітинної гіпоксії. Суттєві витрати енергії в клітинах пов’язані з функціонуванням Na+-, K+-АТФази. За дефіциту енергії функція цього ензиму порушується в першу чергу, що призводить до деполяризації мембрани. Пошкодження клітини супроводжується зростанням вмісту внутрішньоклітинного Натрію, який утримує в клітині надлишок води. Водночас у міжклітинному просторі підвищується концентрація Калію. Фокальне пошкоження тканини і масивний некроз клітин супроводжуються місцевим надлишком Калію у вогнищі запалення і/або системною гіперкалі-ємією. Поряд з цим, помірний ступінь гіпоксичного пошкодження клітин завжди супроводжується їхнім „мутним набуханням”, а при більш вираженій гіпоксії можливий і більший надлишок внутрішньоклітинної рідини, що проявляється „балонною дистрофією”. Цей процес спричинює порушення мікроциркуляції в тканині, посилюючи гіпоксію.

Інтенсивне надходження Кальцію у внутрішньоклітинне середовище активує мембранні фосфоліпази А2, зумовлюючи звільнення з ФЛ пошкодженої мембрани арахідонової кислоти, яка потім каскадно перетворюється у так звані ейкозаноїди – медіатори запалення. При цьому разі через пошкоджену плазматичну мембрану назовні виходить внутрішньоклітинний Калій, внаслідок чого вона стає нестабільною, спостерігається електричний пробій. Водночас сили поверхневого натягу протидіють електричному пробою мембрани і зменшують дефекти ліпідного бішару. Проте в умовах пошкодження клітини, як правило, діють такі фактори, як активні оксигенові радикали та ендогенні детергенти, які здатні розпушувати бішар і полегшувати його пробій.

Отже, при пошкодженні мембрани виникає ланцюг наслідків первинної альтерації плазмолеми, що включає:

1. Порушення функцій натрій-калієвого насосу та іонних кана-

лів;

2.Втрату фізіологічних трансмембранних градієнтів;

3.Надлишкове надходження Натрію і води у клітину;

4.Набухання клітини;

5.Надлишкове надходження Кальцію у клітину;

127

6.Активацію мембранних фосфоліпаз;

7.Звільнення і перетворення арахідонової кислоти;

8.Порушення локальної мікроциркуляції;

9.Появу навколо клітин ліпідних медіаторів запалення.

Окиснення арахідонової кислоти відбувається у відповідь на будь-яке пошкодження клітинної мембрани або на рецепцію різних регуляторів-гормонів, нейромедіаторів та імуноглобулінів.

Ейкозаноїди не накопичуються в клітинах, завжди синтезуються знову і являють собою медіаторну систему гострої клітинної реакції на пошкодження. Оскільки їхній ефект обмежений вогнищем, де вони утворюються, ейкозаноїди належать до аутокоїдів або паракринних регуляторів.

Основні етапи арахідонового каскаду. При пошкодженні мембран відбувається перехід просеринестерази в активну серинестеразу. Остання, за участю іонів Кальцію і метилтрансферази, мобілізує фосфатидилсерин (ФС), який перетворюється на ФХ. За рахунок дії фосфоліпази А2 на мембранні гліцерофосфоліпіди відщеплюється арахідонова кислота. Її джерелом може бути також діацилгліцерол, який утворюється з мембранних ФЛ за участю фосфоліпази С. Фосфоліпази інгібуються глюкокортикоїдними гормонами, з чим пов’язаний протизапальний ефект цих регуляторів.

Ключовою подією у залученні вільної арахідонової кислоти на шлях біосинтезу простогландинів і тромбоксанів є дія простаглан- дин-синтазного комплексу, який за рахунок циклооксигенази та пероксидази послідовно перетворює арахідонат на простагландин G2 та простагландин Н2 – на безпосередній попередник простаноїдів і тромбоксанів.

Отже, знання механізмів пошкодження мембран та їхньої ролі у розвитку патології клітин стало підґрунтям важливої методологічної концепції, яка розглядає захворювання з позицій сучасної біофізики і біохімії клітин.

3.1.3. Універсальні закономірності змін ліпідного складу клітинних структур при патологічних станах

Розподіл ЖК у клітині взаємопов’язаний із вмістом ХС та дією екопатогенних чинників зовнішнього середовища. Американські вчені М. Синенскі та Дж. Газел незалежно один від одного запропо-

128

нували теорію гомовіскозної адаптації, яку вони розробили в результаті вивчення термінальної адаптації пойкілотермних тварин.

Експериментально доведено, що ХС підвищує ступінь упорядкованості фосфоліпідного бішару мембран у рідкокристалічній фазі та знижує – у фазі гелю. За фізіологічних температур (біля 37 ºС) у гомойотермних тварин ХС підвищує упорядкованість ліпідного бішару біологічних мембран. Водночас інкорпорація ХС у ліпідний бішар мембран супроводжується зниженням ступеня упорядкованості ацильних залишків ФЛ внаслідок підвищення ступеня їх ненасиченості. Зростання рівня ХС у біологічних системах спричинює зменшення величини співвідношення НЖК/НЕЖК. Встановлено, що окремі ФЛ, такі як ФЕ, незалежно від ацильного складу через малі розміри полярної голівки здатні знижувати ступінь упорядкованості ФХ ліпосом.

Теорія гомовіскозної адаптації не дає повної уяви щодо функціональної ролі змін у ліпідному складі мембран. Проте вона добре пояснює, чому при зміні температури тіла пойкілотермних тварин в’язкість біологічних мембран залишається сталою – цей феномен забезпечується внаслідок модифікації ступеня ненасиченості ЖК, естерифікованих у ФЛ мембран. Так, зі зниженням температури тіла пойкілотермних тварин зростає вміст ФЛ із ненасиченими ацильними залишками і знижується рівень вільного ХС, що запобігає збільшенню в’язкості клітинних мембран; із підвищенням температури тіла вміст ФЛ із ненасиченими ацильними залишками зменшується, а рівень вільного ХС зростає, що запобігає надмірному підвищенню рідинності мембран.

Таким чином особливості термальної адаптації у пойкілотермних тварин дали змогу сформулювати теорію гомовіскозної адаптації, якою вперше було зроблено спробу виявити загальні закономірності зміни ліпідного складу за екстремальних умов довкілля. Ця теорія розкрила біохімічні механізми підтримання належної в’язкості біологічних мембран пойкілотермних та гомойотермних тварин у результаті модифікації ліпідного складу біологічних систем. Так показано, що підвищення рівня ХС у біологічних мембранах ссавців компенсується збільшенням ступеня неасиченості ФЛ і, навпаки, зниження рівня ХС у біологічних мембранах компенсується зменшенням ступеня ненасиченості ФЛ, внаслідок чого в’язкість клітинних мембран не змінюється. Такий фундаментальний механізм компенсації змін у ліпідному складі дає змогу

129

підтримувати на належному рівні гомеостатичні реакції в клітині, забезпечуючи її адаптацію до мінливих умов зовнішнього середовища. На жаль, автори, які досліджували гомовіскозну адаптацію пойкіло- і гомойотермних тварин, не визначили її місця та ролі в патогенезі гострих і хронічних захворювань у людини та ссавців.

Важлива роль у світовій науці відводиться дослідженням ліпідому клітин організму ссавців, що, передусім, має ще й біофармацевтичний аспект. Значення останнього нині особливо актуально. Це стосується пошуку біологічно активних ліпідів і розробка на їх основі нових лікарських засобів для фармакотерапії, перш за все, найпоширеніших захворювань. Адже дисбаланс у розподілі насичених і ненасичених ЖК, а також у вмісті ω-6 та ω-3 НЕЖК є важливим чинником патогенезу різноманітних хронічних захворювань, зокрема атеросклерозу та ішемічної хвороби серця, цукрового діабету, інсулінрезистентності й ожиріння, злоякісних новоутворень, а також біполярного розладу та шизофренії тощо.

Теорія гомовіскозної адаптації порушила низку важливих питань: чи існують певні загальні закономірності формування ліпідного дисбалансу за патологічних станів у людини й тварин? Яку роль відіграє гомовіскозна адаптація у виникненні й перебігу гострих і хронічних патологічних станів? Якщо гомовіскозна адаптація має захисний характер за патологічних станів, то чи можливо стимулювати її перебіг за допомогою біологічно активних ліпідів?

На сьогодні вже встановлено існування спільних закономірностей порушення складу ЖК мембран, клітин і тканин при хронічних серцево-судинних та онкологічних захворюваннях, а також у віддалений період після дії іонізувального опромінення. Універсальною ознакою зазначених хронічних патологічних станів є неспецифічне зростання рівнів ПНЖК та ФЛ, зокрема ФЕ, в біологічних структурах, яке компенсується підвищенням рівня показника загального/вільного ХС. Ці зміни забезпечують компенсацію порушень ліпідного складу при хронічних захворю-ваннях, у результаті чого підвищений вміст сполук, які знижують упорядкованість ліпідного бішару (ПНЖК й неламілярні ФЛ), нівелюється ХС, який підвищує його упорядкованість.

Біологічна сутність компенсації порушень ліпідної складової біомембран може полягати у посиленні захисних резервів клітини. Це забезпечую її виживання й адаптацію до дії патогенного чинника шляхом задоволення її підвищеної потреби у ПНЖК як факторів

130