Физико-химические механизмы нарушения функций биологических мембран и повреждения клеток

Повреждение компонентов биологических мембран при патологи­ческих процессах. Биологические мембраны выполняют множество функ­ций, нарушение любой из которых может привести к изменению жизнедея­тельности клетки в целом и даже к ее гибели.

Действие многих токсических соединений направлено на белковые ком­поненты клеточной мембраны. Например, цианистый калий блокирует цито- хромоксидазу - фермент, входящий в состав внутренних мембран митохонд­рии. Ионы тяжелых металлов (ртуть, серебро, свинец) связывают SH-группы белков, в том числе мембранных ферментов и ионных каналов вызывая их инактивацию. На белки клеточных мембран или элементы направлено дейст­вие многих ядов и большинства бактериальных токсинов. Изменения в ак­тивности мембранных ферментов, каналов и рецепторных белков приводят к нарушению функции клеток, органов и развитию болезней.

Причины повреждения мембран. Непосредственные факторы, вызы­вающие нарушение структуры и функции мембран в живом организме, мож­но назвать мембранотропными повреждающими агентами. По своему проис­хождению они бывают внеклеточными и внутриклеточными. По своей при­роде мембранотропные повреждающие агенты можно разделить:

- на механические;

- на электрические;

- на радиационные;

- на химические.

В подавляющем большинстве случаев нарушение нормального функ­ционирования мембран в клетке обусловлено воздействием различных хими­ческих соединений. Из внеклеточной среды на плазматические мембраны действуют антитела (если они появляются в организме), микробные токсины и токсические соединения другого происхождения (вещества, входящие в яд змеи, скорпиона, пчелы, осы, промышленные яды и т.

К основным внутриклеточным химическим повреждающим агентам следует в первую очередь отнести свободные радикалы и избыток ионов кальция. Активация процессов, сопровождающихся образованием свободных радикалов, как правило, приводит к нарушению функционирования клеточ­ных структур, включая биологические мембраны (рис. 2). Увеличение кон­центрации ионов кальция в клетке выше 10-6 - 10-5 моль/л вызывает актива­цию сократительных структур цитоплазмы и ряда ферментных систем, дез­организацию внутриклеточных процессов. Наиболее тяжелые последствия действия избытка ионов кальция в клетке связаны с тем, что эти ионы акти­вируют мембраносвязанные ферменты - фосфолипазы, которые гидролизуют фосфолипиды и разрушают таким образом липидный слой в мембранах.

Рис. 2. Нарушение барьерных свойств мембран при перекисном окислении липидов:

1 - нарушение транспорта кальция в результате инактивации фермента кальцийтранс­портной АТФ-азы (приводит к увеличению концентрации ионов кальция в клетке и ее повреждению); 2, 3 - при повреждении клеточной мембраны продуктами перекисного окисления липидов она становится проницаемой для ионов водорода (приводит к нару­шению энергообмена и «энергетическому голоду» клетки), одновременно в цитоплазму входят ионы кальция; 4 - электрический пробой клеточной мембраны (в результате на­рушения стабильности липидного слоя)

Одним из наиболее изученных и фундаментальных механизмов повре­ждения клеточных мембран различными агентами является процесс пе­рекисного окисления липидов. Самой важной особенностью реакций

перекисного окисления является их цепной характер и обязательное участие свободных радикалов в их реализации (см. рис. 2). Свободные радикалы отличаются от обычных молекул нечетным числом электро­нов, наличие которых придает радикалам высокую химическую реакци- онноспособность. Свободные радикалы могут образовываться во многих про­цессах: при ультрафиолетовом радиационном облучении, метаболизме различ­ных промышленных ядов (тетрахлорметана, хлороформа, веществ, имеющих в своей структуре аллильную группу, полициклических ароматических углево­дородов). В зависимости от своей структуры и физико-химических свойств они способны вызывать повреждение и изменение свойств и функций не только липидных мембран клетки, но и повреждать нуклеиновые кислоты (вызывая разрыв нитей ДНК) и оказывать, в зависимости от условий, различные небла­гоприятные воздействия на клеточные структуры.

2.