Повреждение рибосом и полисом

При токсических воздействиях на клетки происходит изменение конфигурации эндоплаз-матического ретикулума и связанных с ним ри­босом. Например, при отравлении тринитрото­луолом в клетках печени мембраны эндоплаз-матического ретикулума и расположенные на них рибосомы принимают форму различных за­витков, не наблюдающихся в нормальных клет­ках. Синтез белков осуществляется на полисо­мах. Угнетение синтеза определенных белков, например синтеза гемоглобина при гипопласти-ческой анемии в клетках костного мозга, проис­ходит на фоне уменьшения числа полисом и их распада на отдельные рибосомы.

3.1.3. Повреждение генетического аппарата клетки

Нуклеиновые кислоты весьма чувствительны к прямому действию повреждающих агентов, таких как облучение ионизирующей радиаци­ей, ультрафиолетом, видимым светом в присут­ствии некоторых окрашенных соединений - фо­тосенсибилизаторов. В значительной мере по-

вреждения нуклеиновых кислот исправляются в результате репарации, которая осуществляет­ся по целому ряду механизмов; в противном слу­чае возникают нарушения в геноме (мутации) и работе системы биосинтеза белка. В последнее время многие необратимые изменения в клет­ках (например, при интоксикациях или входе процесса старения) связывают с повреждением генетического аппарата митохондрий.

3.1.4. Необратимое повреждение клеток при острой гипоксии

Среди многих причин, вызывающих повреж­дение клетки, наиболее частый случай в услови­ях организма человека - это недостаток кисло­рода (гипоксия) или же, напротив, избыточное образование радикалов кислорода - так называ­емый оксидативный стресс.

Недостаток кислорода приводит к снижению синтеза митохондриями аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной (АДФ) и ортофосфата. Недостаток АТФ делает невоз­можным функционирование многих систем клет­ки, для которых необходима затрата энергии в форме макроэргических связей АТФ. Именно энергетический голод, а не само по себе отсут­ствие кислорода приводит к нарушению функ­ционирования клеток, а затем и к их поврежде­нии!.

Но и наличие кислорода еще не означает пол­ного благополучия. Дело не только втом, есть ли кислород в клетках, но еще и в том, на что он расходуется. Наряду с окислением субстра­тов тканевого дыхания, конечным этапом кото­рого является перенос электронов на кислород в цепи переноса электронов в митохондриях, вклетках существуют и альтернативные пути вос­становления кислорода, приводящие к появле­нию радикалов кислорода и липидов. Свобод­ные радикалы- высокоактивные частицы, спо­собные разрушать структуры клетки. Вызванные ими повреждения могут нанести клетке непоп­равимый вред.

Нормоксия и аноксия на уровне отдельной клетки. Вопытах с изолированными митохонд­риями показано, что скорость потребления кис­лорода этими частицами при наличии субстра­тов дыхания практически постоянна при всех концентрациях кислорода, вплоть до самых низ­ких, соответствующих напряжению кислорода р0₂ = 1-2 мм рт. ст. Причина этого явления зак-

Часть I. ОБЩАЯ НОЗОЛОГИЯ

Рис. 2. Кислородный конус в участке ткани

лючается в высоком сродстве к кислороду ко­нечного переносчика электронов по дыхательной щели - цитохромоксидазы. Поэтому отдельная клетка «выбирает» весь кислород из окружаю­щей среды до конца, не испытывая кислородно­го голода, в весьма широком интервале р0₂ от 70 до 1-2 мм рт. ст. Это приводит к формирова­нию так называемого «кислородного конуса» в тканях.

Схематически кислородный конус представ-"гн на рис.2. Для простоты кровеносный сосуд изображен в виде трубки постоянного диаметра, а ткань - в виде однородной структуры, состоя­щей из одинаковых клеток, поглощающих кис­лород с постоянной скоростью. Кровь, протека­ющая по кровеносному сосуду, непрерывно от­дает его окружающим тканям, в результате чего содержание кислорода снижается вдоль сосуда во ходу тока крови. С другой стороны, кисло­род, диффундирующий от сосуда в толщу тка-ив, поглощается клетками, так что его напря­жение (р0₂) снижается по мере удаления от кро­веносного сосуда. Там, где оно падает до 1-2 мм , рт. ст. (т. е. практически до нуля), клетки ока­лываются в состоянии как бы полной аноксии. Во всем слое ткани ближе этой границы они не ::г:ытывают кислородного дискомфорта, т. е. на­ходятся в состоянии нормоксии. Очевидно, что чем ниже было исходное содержание кислорода в данном участке сосуда, тем тоньше слой тка­ни, полностью «выедающей» весь кислород. Иначе говоря, по ходу тока крови толщина слоя клеток в состоянии нормоксии сужается, обра­зуя тем самым конус из нормально обеспечен­ных кислородом клеток. Протяженность конуса увеличивается с ускорением тока крови, а ши­рина его уменьшается с увеличением потребле­ния кислорода клетками.

Таким образом, подавляющее большинство

клеток в ткани может находиться в каждый дан­ный момент времени лишь в одном из двух край­них состояний: нормоксии или аноксии. В тка­ни часть клеток находится в состоянии нормок­сии, а часть - аноксии. Доля клеток, которые лишены кислорода, от общего числа клеток в ткани может служить количественной характе­ристикой степени гипоксии в ткани.

Как кровоток, так и потребление кислорода клетками могут изменяться во времени, так что одна и та же клетка может в одни моменты быть в состоянии аноксии, а в другие - нормоксии. Тогда можно говорить и о степени гипоксии для данной клетки, имея в виду ту часть времени, которую данная клетка провела в условиях от­сутствия кислорода.

Митохондрии - главная мишень при гипок-сическом повреждении клеток. Пребывание клеток в состоянии аноксии в течение 30-90 мин (для разных тканей) приводит к их поврежде­нию, т.е. необратимому нарушению функций. Ученых давно волновал вопрос, какие структу­ры клеток при этом повреждаются первыми, предопределяя последующую гибель всей клет­ки. Накопленный к настоящему времени экспе­риментальный материал позволяет утверждать, что такими структурами являются биоэнергети­ческие станции клетки - митохондрии.

При длительной гипоксии митохондрии в ткани повреждаются, о чем говорит снижение дыхательного контроля и кальцийаккумулиру-ющей способности (емкости) митохондрии (рис.3).

0 1

Время аноксии,ч

Рис. 3. Повреждение митохондрий печени при аноксии

Глава 3 / МЕСТНЫЕ И ОБЩИЕ РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА НА ПОВРЕЖДЕНИЕ

Ионы кальция и активация фосфолипазы при аноксии.В опытах с изолированными ми­тохондриями было показано, что при инкубации этих органелл происходит их быстрое повреж­дение (за 15-20 мин при 37 °С), если вокружаю­щей их среде нет кислорода и присутствуют ионы кальция в концентрациях (порядка 10⁵ М), со­измеримых с концентрацией этих ионов в ци­топлазме клеток в условии гипоксии. Повреж­дение вызвано активацией ионами кальция фер­мента фосфолипазы А₂, расположенного на внут­ренней мембране митохондрий. Фосфолипаза А₂ гидролизует сложноэфирные связи в молекуле фосфолипида, при этом образуются свободная жирная кислота (СЖК) и лизофосфолипид (ЛФ), например лизофосфатидилхолин при гидролизе фосфатидилхолина (лецитина):

сн_г-сн-сн_г сн₂-сн-сн_г

I | | Фосфоли- | | |

О О О пазаА_г О ОН О

I I I I I

-0-Р=0С=ОС=О+Н2О --------- ■--- ► ~0-Р=0 С=0

I t I I

О ^{R| Rj} R.-COO- ° ^R'

X X

Фосфатидилхолин СЖК Лизоформа

Здесь Rj, R₂ - углеводородные цепи жирных кислот.

Как известно, фосфолипазы присутствуют в пищеварительном соке поджелудочной железы, а также практически во всех мембранных струк­турах клетки, включая митохондрии, лизосомы, плазматические мембраны. В мембранах фосфо­липазы обычно находятся в малоактивном со­стоянии, так как фосфолипазы активируются ионами кальция и ингибируются ионами маг­ния, а в цитоплазме как раз мало кальция (10 ⁷ М и менее) и относительно много ионов Mg (около 10³ М). Увеличение проницаемости плаз­матической мембраны при повреждении клетки или при открывании кальциевых каналов (т. е. возбуждении клетки), равно как ивыключение ионных насосов за счет недостатка энергии в клетке, приводит к увеличению концентрации кальция в цитоплазме. Некоторое повышение его концентрации (до 10⁶ М) следует считать нор­мальным механизмом регуляции внутриклеточ­ных процессов, так как кальций является вто­ричным посредником при действии многих гор­монов, медиаторов и при генерации потенциа­лов действия в ряде клеток. Умеренная актива-

ция фосфолипазы А₂ - также нормальное физио­логическое явление, поскольку служит первым звеном в цепи образования физиологически ак­тивных производных арахидоновой кислоты.Чрезмерное увеличение концентрации ионов кальция в цитоплазме и активация фосфолипа­зы приводят к потере мембранами их барьерных свойств и нарушению функционирования кле­точных органелл и клетки в целом.

В аэробных условиях ионов кальция вокруг митохондрий мало (10 ⁷ - 10 ⁶М) и фосфолипаза умеренно активна. В отсутствие кислорода ис­чезает электрический потенциал на мембране ми­тохондрий, который удерживал ионы кальция в матриксе, икальций выходит в цитоплазму. Связываясь с активным центром фосфолипазы А₂ (который как раз расположен с наружной сто­роны внутренней мембраны), ионы кальция ак­тивируют фермент. Гидролиз фосфолипидов при­водит к потере мембраной ее барьерных свойств, и митохондрии теряют способность как к окис­лительному фосфорилированию, так и к закачи­ванию кальция в матрикс.

Последовательность нарушений в клетке при гипоксии.Последовательность изменений в клетке в результате прекращения доступа кис­лорода (аноксии)одинакова для самых различ­ных тканей. Это показали опыты со срезами тка­ней, изолированными клетками и изолирован­ными клеточными органеллами, в частности митохондриями. В клетках печени, находящих­ся в условиях аноксии при комнатной темпера­туре, последовательность событий такова:

0-5 мин аноксии: снижение уровня АТФв клетке в 2-4 раза, несмотря на активацию гли­колиза;

5-15 мин: повышение концентрации Са²⁴ в цитоплазме клетки. Активация гидролитических ферментов, в том числе фосфолипазы А₂ мито­хондрий. Содержание Са²+ в митохондриях по­вышается, так как они еще не повреждены;

15-30 мин: гидролиз митохондриальных фос­фолипидов фосфолипазой А₂ и нарушение барь­ерных свойств митохондриальной мембраны. Реоксигенация ткани на этой стадии приводит к активному набуханию митохондрий. Дыхатель­ный контроль в митохондриях нарушен, окис­лительное фосфорилирование разобщено, способ­ность митохондрий накапливать ионы кальция снижена;

30-60 мин: частичное восстановление функ-

Часть I. ОБЩАЯ НОЗОЛОГИЯ

zhh митохондрии, временное повышение дыха­тельного контроля, способности накапливать хжльций. Механизм компенсаторных процессов, врвводящих к временному улучшению функций житохондрий, неизвестен, но связан с функцией метки в целом, так как при анаэробной инку­бации изолированных митохондрий это явление зе наблюдается;

60-90 мин: необратимое повреждение мито­хондрий и полная гибель клеток. При темпера­туре тела человека все эти процессы протекают 1 два-три раза быстрее; кроме того, в разных тканях они протекают с разной скоростью: быс-■мк всего в мозге, медленнее - в печени, еще медленнее - в мышцах.

3.1.5. «Порочный круг» клеточной патологии

Увеличение внутриклеточного содержания ьция и нарушение биоэнергетических функ-митохондрий являются общими признака-■ для клеток, поврежденных в результате дей­ствия самых различных неблагоприятных фак­торов. Эти два события - не простое следствие «ругих изменений в поврежденных клетках: они ат в основе нарушения функций поврежден-клеток и могут рассматриваться как глав-ые звенья в цепи событий, приводящих к раз-вгтию неспецифической реакции клеток на по-■ивкдение. Взаимоотношения между первичным ■шреждением клеточных структур, процессами ««энергетики и содержанием кальция в цитоп-вае представлены в виде схемы на рис.4. Согласно этой схеме, первичными мишенями ргвствия повреждающих агентов служат мемб-ршиые структуры клетки, в которых могут под­вязаться разрушению липидный бислой, рецеп-яры, белковые переносчики ионов и молекул, «иные каналы, а также встроенные в мембра-вн ферменты, включая ионные насосы. Увели-ввнс проницаемости мембран и подавление ра­вен ионных насосов, непосредственно вызван-вые действием повреждающих факторов (токси-кжяе соединения, свободные радикалы и про-рвты липидной пероксидации, недостаток АТФ т.д.), приводят к увеличению концентрации гтрия и кальция в цитоплазме. Последнее со-квюждается дисбалансом внутриклеточных гнальных систем и активацией ряда фермен-:з. включая некоторые протеазы, эндонуклеа-

Активация мембранных фосфолипаз

Увеличение

содержания Са⁸*

в цитоплазме

Усиленная активация рецепторов

Рис. 4. «Порочный круг» клеточной патологии

зы и фосфолипазу А₂. Гидролиз фосфолипидов мембран фосфолипазой приводит к дальнейше­му нарушению барьерных свойств липидного бислоя, что вызывает еще больший рост уровня кальция в цитоплазме, набухание митохондрий и еще большее их повреждение. «Порочный круг» замыкается, и клетка может погибнуть.

3.1.6. Основные механизмы нарушения барьерной функции биологических мембран при патологии

Биологические мембраны выполняют множе­ство функции, нарушение любой из которых может привести к изменению жизнедеятельнос­ти клетки в целом и даже к ее гибели. На рис. 5 дано схематическое изображение типичной мем­браны с указанием тех ее элементов, поврежде­ние которых может иметь место в патологии и лежать в основе развития различных заболева­ний.

Наиболее тяжелые последствия вызывает по­вреждение липидного слоя (или бислоя) мемб­раны. Липидный слой цитоплазматической и внутриклеточных мембран выполняет две основ­ные функции - барьерную и матричную (струк­турную). Повреждение барьера приводит к на­рушению регуляции внутриклеточных процес-

Глава 3 / МЕСТНЫЕ И ОБЩИЕ РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА НА ПОВРЕЖДЕНИЕ

Рис. 5. Элементы биологических мембран, подвер­женные повреждению: 1 - липидный бислой; 2 - монослой липидных молекул; 3 - гликолипиды; 4 - гликопротеиды; б - микрофиламенты; 6 - микротубулы: 7 - ионный канал; 8 - ионный насос

сов и тяжелым расстройствам клеточных функ­ций.

Изучение воздействия разного рода повреж­дающих агентов на изолированные клетки (на­пример, эритроциты), митохондрии, фосфолипидные везикулы (липосомы), плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) и другие модельные объекты показало, что в конечном счете суще­ствует всего четыре основных процесса, кото­рые непосредственно обусловливают нарушение целостности липидного бислоя в патологии [Вла­димиров Ю. А., 1973]:

1) перекисное окисление липидов;

2) действие мембранных фосфолипаз;

3) механическое (осмотическое) растяжение мембраны;

4) адсорбция на липидном слое полиэлектро­литов, включая некоторые белки и пептиды.

Изучение роли мембран в развитии того или иного патологического состояния предполагает знание химических и физических условий про­текания перечисленных выше процессов и ре­зультата их действия на мембранные структу­ры, включая знание молекулярных механизмов действия каждого из них и биологические по­следствия повреждения мембран для жизнедея­тельности клетки и организма в целом.

Механическое (осмотическое) растяжение мембран и адсорбция белков. Важную роль во вторичном повреждении мембран играют процес­сы их механического растяжения в результате

нарушения осмотического равновесия в клетках. Если поместить эритроциты в гипотонический раствор, то вода будет входить в клетки, они примут сферическую форму, а затем произойдет гемолиз. Митохондрии также набухают в гипо­тонических средах, но происходит разрыв толь­ко внешней мембраны; внутренняя остается це­лой, хотя теряет способность задерживать неболь­шие молекулы и ионы. В результате митохонд­рии не способны к окислительному фосфорилированию.

Сходные явления наблюдаются и в целых клетках и тканях в условиях патологии. Так, в результате активации фосфолипазы мембран митохондрий при гипоксии они становятся про­ницаемыми для ионов калия. Если в этих усло­виях восстановить оксигенацию ткани, то на мембранах митохондрий восстановится мембран­ный потенциал (со знаком «минус» внутри) и митохондрии будут «насасывать» ионы калия, вслед за которыми в матрикс входит фосфат. Концентрация ионов внутри митохондрий воз­растает, и органеллы набухают. Это приводит к растяжению мембран и их дальнейшему повреж­дению.

Механизм нарушения барьерной функции мембраны при адсорбции на липидном бислое полиэлектролитов, в частности белков, чужерод­ных для клетки, пока изучен недостаточно. В модельных опытах показано, что в некоторых случаях в мембране могут формироваться бел­ковые «поры», а также происходит снижение ее электрической стабильности. Можно думать, что сходные явления имеют место при действии на клетки антител.

Молекулярные механизмы увеличения про­ницаемости липидного слоя для ионов. При изучении молекулярных основ проницаемости липидного слоя широко используются модель­ные мембранные системы: изолированные мем­бранные структуры (эритроциты, митохондрии, везикулы саркоплазматического ретикулума), а также искусственные фосфолипидные мембра­ны (бимолекулярные липидные мембраны и фос­фолипидные везикулы - липосомы). Изучение та­кого рода систем показало, что сам по себе ли­пидный слой практически непроницаем для ионов. При действии различных химических и физических факторов он становится проницае­мым по одной из трех причин (или их комбина­ций):

Часть I. ОБЩАЯ НОЗОЛОГИЯ

1. В липидном бислое (вязкость которого внут­
ри близка вязкости растительного масла) появ­
ляется жирорастворимое вещество, способное
связывать ионы. Механизм переноса ионов в этом
случае напоминает перевоз пассажиров в лодке
с одного берега на другой и называется «челноч­
ным», или переносом с помощью подвижного
переносчика.Примером подвижного переносчи­
ка может служить ионофорный антибиотик ва-
линомицин, который образует комплекс с иона­
ми калия, растворимый в липидной фазе мемб­
раны. К числу подвижных переносчиков, воз­
можно, относятся водорастворимые продукты
перекисного окисления липидов, в присутствии
которых, как оказалось, увеличивается прони­
цаемость мембраны для ионов водорода.

2. В липидном слое появляются вещества,
молекулы которых, собираясь вместе, образуют
канал через мембрану. Сквозь такой канал ионы
могут проходить с одной стороны мембраны на
другую. Каналы образуются молекулами неко­
торых антибиотиков, например грамицидина А
иполимиксина. Продукты перекисного окисле­
ния липидов также могут образовывать каналы
в липидном слое, если в растворе есть ионы каль­
ция. Продукты расщепления некоторых фосфо-
липидов (в частности, кардиолипина) фосфоли-
пазой А₂ образуют каналы для одновалентных
катионов.

3. Снижается электрическая прочность липид-
ного слоя мембраны и ее участок разрушается
электрическим током, который возникает под
влиянием разности потенциалов, существующей
на мембране. Такое явление носит название элект­
рического пробоя.