Учебник (Овсянников) - общая патофизиология Ч1

Рис. 2.1. Некоторые этапы нарушения биоэнергетики клетки

Наиболее часто нарушение биоэнергетики клетки наблюдается при гипоксии различного происхождения. При этом отсутствует субстрат, который является акцептором электронов (О2) и, как следствие, не образуется вода, не активируется АТФ-синтетаза и не образуется АТФ. При дефиците пищевых веществ — углеводов, жиров, белков также снижено образование АТФ.

Нарушение биоэнергетики клетки может быть обусловлено нарушением активности ферментов или на уровне дегидрогеназ под влиянием алкоголя, эфира, хлороформа, или же на уровне цитохромной системы при отравлении цианидами. В этих условиях практически полностью нарушается образование АТФ и первичной теплоты. Поэтому клетка и организм в целом погибают мгновенно. При повреждении мембран клетки и разрушении митохондрий в результате действия механических, физических и других факторов невозможно осуществление сопряжения дыхания и окислительного фосфорилирования. Поэтому образование АТФ и первичной теплоты нарушается.

21

При избыточной продукции тироксина, катехоламинов, действии токсинов бактерий, после введения в эксперименте 2-, 4- динитрофенола отмечается набухание митохондрий и повышение проницаемости их мембран. Вследствие этого ионы водорода, которые нагнетаются и накапливаются в пространстве между внешней и внутренней частью мембраны митохондрий, начинают поступать внутрь митохондрий не только через специализированные каналы, где находится и активизируется АТФ-синтетаза, а и в различные участки мембраны, где АТФ-синтетаза отсутствует. Поэтому интенсивно используется кислород на образование Н2О, уменьшается образование АТФ и увеличивается доля энергии, теряемой в окружающую среду (первичная теплота). Такой процесс получил название разобщения сопряжения дыхания и окислительного фосфорилирования

(рис. 2.2)

Рис. 2.2. Процесс сопряжения дыхания и окислительного фосфорилирования

А — в норме; Б — разобщение дыхания и окислительного фосфорилирования

23

Наконец, количество АТФ может быть достаточным, но вследствие дефицита АТФ-азы использование энергии макроэргических соединений будет нарушено.

Важнейшими последствиями дефицита АТФ является нарушение всех биологических процессов в клетке — сокращения и расслабления, синтеза, секреции, всасывания, электрогенеза. Невозможно также нормальное функционирование мембран клетки, она повреждается.

Компенсаторные реакции при дефиците энергетического субстрата и кислорода

Клетки, как и организм в целом, являются саморегулирующимися системами. Поэтому при повреждении в целостном организме формируются компенсаторные реакции различного уровня (клеточного, органного, системного, организменного).

Компенсаторные реакции при дефиците энергетического субстрата (белков, жиров, углеводов)

Компенсация дефицита энергетического субстрата на уровне клетки проявляется в мобилизации из депо гликогена, жира, распаде белков. На системном уровне компенсаторные реакции реализуются через активацию симпато-адреналовой и гипоталамо-гипофизарно- надпочечниковой систем с образованием контринсулярных гормонов, под влиянием которых из жировых депо мобилизуется жир в виде жирных кислот и глицерина, из гликогена печени мобилизуется глюкоза. Одновременно с этим усиливается в печени и почках глюконеогенез. Во всех органах и тканях, за исключением печени, распадаются эндогенные белки. Таким образом, первоначально в крови, а затем и в клетках может возрастать количество энергетических субстратов (глюкозы, жирных кислот, аминокислот). Компенсация за счет мобилизации глюкозы и белков является непродолжительной. Например, глюкозы из гликогена печени хватает только на сутки. Только мобилизация жира и использование в качестве энергетического субстрата жирных кислот, чрезвычайно богатых энергией, является сравнительно долговременным компенсаторным механизмом.

24

Именно поэтому при полном голодании (с приемом воды) человек может жить в течение 1,5-2 месяцев.

На уровне целостного организма компенсаторные реакции проявляются в виде ограничения движения, сужения круга интересов, за исключением важнейшего, поиска пищи, и то на начальных этапах голодания.

Компенсаторные реакции при дефиците кислорода (гипоксия)

Уменьшение (гипоксия) или полное отсутствие в клетке кислорода (аноксия), основного акцептора электронов с цитохромоксидазы, делает невозможным утилизацию энергии пищевых веществ и образование АТФ и первичной теплоты. В этом случае компенсация на уровне клетки может проявиться в виде усиления процессов анаэробного гликолиза. Причем из одной молекулы глюкозы в ходе гликолиза образуется пировиноградная, молочная кислота, а также 4 молекулы АТФ, из которых только 2 мол. АТФ могут использоваться для осуществления биологических процессов в клетке. В клетке возможна активация ферментов и захват кислорода при меньшей его концентрации в крови. Параллельно с этим увеличивается количество митохондрий в клетке. Кроме того, важное значение в образовании АТФ имеет активация креатинфосфокиназной реакции:

При хронической гипоксии на уровне клетки стимулируется генетический аппарат и синтетические процессы. С этим связано увеличение массы объема клетки (гипертрофия клетки). Поэтому на уровне органа это проявляется в виде его гипертрофии (гипертрофия сердца, легких, почек, сосудов).

На уровне органа компенсация дефицита кислорода может проявиться в виде артериальной гиперемии, при которой приток крови и кислорода к клетке возрастает.

На системном уровне наблюдается активация симпато-адре- наловой системы с выбросом в кровь катехоламинов и, как следствие,

25

— активация сердечно-сосудистой системы (увеличение МОК, ОПС, повышение системного артериального давления, ускорение кровотока в органе). Одновременно с этим учащается дыхание, что улучшает оксигенацию крови. На уровне целостного организма компенсаторная реакция при дефиците энергетических субстратов и кислорода проявляется в ограничении двигательной активности. При этом уменьшается и потребление кислорода и энергетических субстратов, благодаря чему происходит более экономное их расходование в клетках и организме в целом.

Повреждение мембраны клетки

По современным представлениям мембрана клетки является сложным образованием, тесно связанным с цитоскелетом и микротрубочками плазмы, что придает ей определенную устойчивость. Клеточная мембрана состоит из двойного липидного слоя, в свою очередь образованного, главным образом, из фосфолипидов, особенно лецитина, с небольшим количеством холестерина и гликолипидов. Однако главными фосфолипидами мембран являются фосфатидилхолин и фосфатидилэтаноламин. Концы головок липидных молекул положительно заряжены и растворимы в воде (гидрофильная часть), хвостовая часть головок не заряжена и нерастворима в воде (гидрофобная часть). Таким образом, головки, обращенные наружу клетки и внутрь, в цитоплазму, как бы купаются в воде, в то время как обращенные внутрь клеточной мембраны находятся в практически безводной среде.

В мембране клетки содержится также большое количество белков, одни из которых пронизывают билипидный слой мембраны полностью и служат своеобразными каналами, другие частично выступают наружу и внутрь мембраны, проникая в липидный слой также частично. В мембране клетки выделяют структурные белки; белки, которые выполняют функции насоса, активно транспортируя ионы через мембрану; белки, выполняющие функции пассивных каналов, которые открываются или закрываются в зависимости от конформации белка; белки-рецепторы, которые связываются с нейротрансмиттерами и гормонами, способствуя физиологическим измене-

26

ниям в клетке; и, наконец, в мембране содержатся белки-ферменты, которые катализируют реакции на поверхности мембраны. Понятно, что содержание различных белков варьирует в различных клетках. Мембрана клетки представляет собой динамическую структуру и постоянно обновляется.

Считают, что выступающие наружу гликопротеиды выполняют функцию рецепторов мембраны, хотя в качестве рецепторов выступают не только гликопротеиды. Рецепторы представлены сотнями тысяч молекул. Специальные липидные мембраны окружают внутриклеточные органеллы и ядро.

Мембрана клетки является частично проницаемой, через нее свободно проходят вода, небольшие молекулы органических веществ. Через белковые каналы мембраны идет обмен ионами, аминокислотами, глюкозой, жирными кислотами. Если одни диффундируют свободно, то для других, например, ионов натрия, калия, магния, кальция, требуется энергия АТФ. Их перемещение между клеткой и средой осуществляется ионными насосами против градиента концентраций. Благодаря этому обеспечивается отрицательный заряд внутренней мембраны клетки и формируется потенциал покоя. Формирование отрицательного заряда внутреннего слоя мембраны связано во многом с активным выходом из клетки натрия и входом в цитоплазму калия. Причем распад (гидролиз) одной молекулы АТФ обеспечивает выход из клетки трех ионов натрия и поступления в цитоплазму двух ионов калия. Удаление большого количества положительных ионов из клетки обеспечивает отрицательный заряд (поляризацию) внутренней поверхности мембраны. Наружная поверхность заряжена положительно. Если выход из цитоплазмы положительных ионов значительно превалирует, отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны увеличивается, и этот феномен получил название гиперполяризации. В составе клетки содержится небольшое количество ферментов различного функционального назначения.

Мембраны внутри клеточных органелл и ядра также состоят из билипидного слоя. Однако состав их в зависимости от функционального назначения значительно отличается. Так, в мембране лизосом содержится большое количество ионов водорода. В этом заключен большой

27

биологический смысл, т.к. активация таких ферментов, как кислые гидролазы, происходит в присутствии избытка протонов. В матриксе михотондрий относительно много ионов кальция, в то время как на внутренней части мембраны митохондрий относительно мало протонов (Н+). Они активно образуются при действии дегидогеназ в митохондриях и распаде НАДФН. Образующиеся протоны интенсивно нагнетаются в пространство между билипидным слоем мембраны. Проходя через специализированные каналы и активируя АТФ-синтетазу, они обеспечивают образование АТФ в результате сопряжения дыхания и окислительного фосфорилирования.

Повреждение мембраны клетки может происходить с участием следующих механизмов:

1. Разрыв клеточной мембраны при механическом повреждении. Такое повреждение может быть летальным с разрушением и других структур клетки или минимальным с повышением ее проницаемости и вовлечением других механизмов повреждения.

2. Повреждение мембраны протеолитическими ферментами, например, трипсином, протеолитическими ферментами системы комплемента (при цитолитическом типе аллергии).

3.При дефиците АТФ в результате расстройств энергетического обмена клетки, ибо при этом невозможно функционирование калий -, натрий -, кальций - насосов мембраны и активное поддержание отрицательного заряда мембраны. Проницаемость мембраны клетки при этом повышается и, также как и в других случаях, в повреждение мембраны вовлекаются и иные механизмы (например, действие продуктов перекисного окисления липидов).

4.Повреждение мембраны может быть вызвано коагуляцией белков мембраны клетки, например, при действии кислот и щелочей, электрического тока, высокой температуры.

5.Передозировка наперстянки, используемой при лечении недостаточности сердца, нарушающей активность АТФ-азы, а, следовательно, и перенос через мембрану ионов калия, натрия и кальция.

6.Наследственно-обусловленное нарушение синтеза компонентов цитоплазматической мембраны (например, акантоцитоз, при ко-

28

тором имеет место дефект синтеза бета-липопротеина). При этом меняются свойства мембраны, эритроциты приобретают звездчатый характер (акантоз). Позже имеет место нарушение мембран нервных клеток и сетчатки, что в конечном итоге ведет к гибели организма.

7. Наконец, в последнее время, особенно большое значение в механизме повреждения клетки придают действию продуктов свободнорадикального окисления, перекисного окисления липидов (ПОЛ). Рассмотрим этот механизм подробнее.

Так как процессы окисления (пероксидации) в клетке осуществляются постоянно, в ходе эволюции сформировался ряд механизмов, направленных на их подавление (антиоксидация). Вещества, с одной стороны, стимулирующие окислительные процессы, а с другой, подавляющие их, получили название про- и антиоксидантов. Как показано на рис. 2.3 для усиления окисления требуется наличие, с одной стороны, кислорода, а с другой — ряда прооксидантов: катехоламинов, витаминов А и D, НАДФН, липоевой кислоты.

Рис. 2.3 Образование свободных радикалов и перекиси водорода. Основные этапы их инактивации (Ю.Э. Швинка)

29

Под влиянием вышеуказанных прооксидантов образуются такие высокохимическиактивные радикалы, как супероксид кислорода (О2-) и гидроксил (ОН-). С другой стороны, супероксид кислорода может превращаться в перекись водорода, а последняя также становится источником гидроксила.

Указанные выше радикалы кислорода и перекись водорода разрушаются с образованием сравнительно инертных в химическом отношении веществ. Как видно из рис. 2.3, супероксид кислорода в присутствии СОД (супероксиддисмудаза) и двух протонов превращается в перекись водорода и молекулу кислорода. Перекись водорода под влиянием каталазы и пероксидазы превращается в воду. Под влиянием аскорбиновой кислоты и токоферола дезактивируется гидроксил.

Если кислород присоединяет четыре электрона с дыхательных ферментов, то он способен в присутствии протонов превращаться в воду, что и происходит в норме в ходе тканевого дыхания.

Есть и некоторые другие механизмы компенсации, направленные на уменьшение содержания кислорода в клетке за счет более интенсивной его утилизации в ходе сопряжения дыхания и окислительного фосфорилирования. Это при обязательном участии таких тканевых витаминов, как А (ретинол), В2 (рибофлавин).

В случае действия на организм избытка кислорода, ионизирующих излучений, стресса, поступления избытка витаминов А и D или высокоактивных акцепторов электронов типа НАДФН, липоевой кислоты и других образование свободных радикалов кислорода и перекиси водорода резко возрастает. Этот первый этап т.н. «кислородной инициации» является начальным в формировании каскада реакций, в результате которых и повреждается мембрана клетки. В результате действия продуктов кислородного этапа ПОЛ на органические и неорганические компоненты цитоплазмы, ядра, мембран образуются также их высокоактивные свободнорадикальные продукты.

Причем первоначально супероксид кислорода, гидроксил, перекись водорода, а также свободные радикалы органических и неор-

30