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.

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 изменениям 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.

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 биологический смысл, т.к. активация таких ферментов, как кислые гид- ролазы, происходит в присутствии избытка протонов. В матриксе ми- хотондрий 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.

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- 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)

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.

Причем первоначально супероксид кислорода, гидроксил, перекись водорода, а также свободные радикалы органических и неорганических соединений взаимодействуют с белками и особенно фосфолипидами мембран, вызывая, с одной стороны, их повреждение, а с другой, образуются перекиси липидов, тоже очень высокоактивные в химическом отношении. Если количество их небольшое, они инактивируются под влиянием глютатионпероксидазы и каталазы.

Если концентрация липидных перекисей высокая, то это дополнительный фактор повреждения мембраны.

Таким образом, в результате действия свободных радикалов перекисей, в том числе липидов, нарушается структура белка клеточной мембраны, а, следовательно, и ферментов, при этом нарушается целостность фосфолипидного двойного слоя с образованием каналов (кластеров).

В результате действия радикалов и перекисей, как сказано выше, нарушается функция ферментов мембраны клетки. Поэтому следует ожидать повреждения АТФ-азы, невозможность использования АТФ для поддержания водно-электролитного баланса. При повреждении аденилатциклазы полностью нарушается рецепторная функция мембран и т.д. Это ведет к нарушению рецепции и повышению проницаемости мембран клетки, изменению водно-электролитного баланса, отечности не только самой клетки, но и внутриклеточных органелл — митохондрий, лизосом с далеко идущими последствиями, вплоть до лизиса клетки (некроза).

Жизнедеятельность клеток тесно связана с функционированием ее рецепторного аппарата, особенно мембранных рецепторов. Именно за счет взаимодействия с ними осуществляется регуляция функции клетки. Известно, что мембранные рецепторы являются гликопротеидами, часть рецепторов строго фиксирована, ибо связана с цитоскелетом клетки, другие достаточно подвижны и могут не только появляться над поверхностью мембраны клетки, но и полностью исчезать за счет погружения в мембрану.

Механизм такого взаимодействия заключается в том, что первоначально активируется фермент аденилатциклаза, что способствует образованию 3,5 цАМФ и цГМФ с последующей активацией протеинкиназ клетки, что способствует изменению биохимических и функциональных процессов в клетке. Это обычно проявляется в клетке в виде изменения мембранного потенциала, биосинтеза, сокращения, секреции, размножения, с другой стороны, образование в клетке кальмодулина ингибирует активность ферментов.

Нарушение рецепторного аппарата клетки является важнейшим механизмом повреждения. Так, в ходе прогрессии опухоли снижается количество мембранных рецепторов, что делает клетки нечувствительными к регулирующим, например, гормональным влияниям. Поэтому такие клетки приобретают злокачественные свойства (инфиль- тративность, метастазирование, нечувствительность к лечебным воздействиям).

Наличие рецепторов к патогенным факторам — важное условие повреждения. Так, сравнивая действие дифтерийного и столбнячного токсина у холоднокровных и теплокровных, было отмечено более выраженное повреждающее действие у теплокровных, особенно морских свинок. Такое различие патогенного действия вышеназванных токсинов связано с различием мембранной рецепции клеток.

Нарушение рецепторов, а, следовательно, и функции клетки может быть связано с избытком ионов, особенно водорода. При местной ацидемии невозможен сосудосуживающий эффект адреналина.

При врожденных изменениях рецепторов клеточных мембран такие клетки становятся нечувствительными к ряду регуляторных влияний. Например, задержка роста может быть связана с нечувствительностью диафизарных клеток трубчатых костей к соматотропину. Снижение чувствительности эпителия канальцев почек нарушает реабсорбцию воды в почках.

Изменение водно-электролитного баланса в клетке и повреждение генома клетки также являются важными механизмами повреждения. При повреждении клеток возможна компенсация на уровне клеток и органов, которая проявляется в виде регенерации, гипертрофии, гиперплазии и атрофии.