Методы изучения свободных радикалов.

Радикалы обладают высокой реакционной спо­собностью и изучать их обычными химически­ми методами невозможно; стандартные проце­дуры вроде хроматографии или центрифугиро­вания совершенно бесполезны.

Биохимические анализы позволяют, правда, определять конечные продукты реакций, в ко­торых предполагается участие радикалов, но все­гда остаются вопросы: а действительно ли ради­калы участвовали в процессе и какие именно? Важную роль при решении таких вопросов иг­рает так называемый ингибиторный анализ. Классическим примером может служить приме­нение фермента супероксиддисмутазы (СОД). Этот фермент катализирует реакцию взаимодей­ствия (дисмутации) двух супероксидных ради­калов с образованием перекиси водорода и мо­лекулярного кислорода. Если добавление СОД тормозит изучаемый процесс, значит, для его протекания необходим супероксид-радикал и остается выяснить, в какой именно реакции этот радикал участвует (рис. 6).

Ингибиторный анализ используется и для изучения реакций с участием других радикалов. Так, для выяснения участия в каком-нибудь процессе реакций цепного окисления липидов (см. ниже) используют жирорастворимые «ло­вушки» липидных радикалов, которые «ведут» цепи окисления (рис. 7). К числу таких лову­шек относятся токоферол (витамин Е) и некото-

Karaлаза, пероксидазы
•о2

Супероксид-

дисмутаза

----------------- ►

"► Fes

-*- Fe2>

Ловушки НО' ------------------- >
О2

I

!

Церулоплазмин

Карнозин

Цепные реакции Рис. 6. Водорастворимые антиоксиданты


 


Глава 3 / МЕСТНЫЕ И ОБЩИЕ РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА НА ПОВРЕЖДЕНИЕ



рые синтетические соединения, например трет-бутилгидрокситолуол (ионол). Водорастворимые радикалы эффективно «перехватываются» аскор­биновой или мочевой кислотой. Для «улавлива­ния» радикалов гидроксила (НО) используют маннитол или бензойную кислоту, а иногда -этанол. Однако далеко не всегда ловушки спе­цифичны: многие из них реагируют не только с радикалами, но ис достаточно активными мо­лекулами.

Прямым методом изучения свободных ради­калов можно считать метод электронного пара­магнитного резонанса (ЭПР), позволяющий об­наруживать молекулярные частицы и ионы ме­таллов, обладающие неспаренным электроном. По амплитуде и форме сигналов (спектров) ЭПР можно определять концентрацию частиц с неспаренными электронами и судить об их строе­нии.

К эффективным методам изучения реакций, идущих с участием радикалов, можно отнести метод хемилюминесценции (ХЛ). В основе его лежит то обстоятельство, что при взаимодействии радикалов друг с другом выделяется много энер­гии, которая может испускаться в виде фотонов (квантов света). Интенсивность такого свечения (ХЛ) пропорциональна скорости реакций, в ко­торой участвуют радикалы, и, следовательно, показывает изменение их концентрации в ходе изучаемого процесса.

В биологических системах скорости образования радикалов кислорода или липидных ра­дикалов в мембранах не так уж велики, зато очень велики скорости исчезновения этих ради­калов, поэтому концентрация радикалов в каж­дый данный момент времени (так называемая стационарная концентрация) обычно очень мала. Выход из положения заключается в использова­нии так называемых спиновых ловушек в мето­де ЭПР и активаторов свечения. В первом слу­чае к изучаемому образцу (например, к суспен­зии клеток, гомогенату ткани или раствору, где протекают реакции с участием свободных ради­калов) добавляют особые вещества - спиновые ловушки. Например, в качестве ловушки для радикалов гидроксила (ОН) используют фенил-бутилнитрон (ФБН).

При взаимодействии ловушки с радикалом происходит присоединение радикала к ловушке с образованием нового, стабильного радикала, по­лучившего название спинового аддукта (от анг­лийского слова add - добавлять, складывать). Сиг­налы ЭПР спиновых аддуктов разных радика­лов слегка различаются по форме. Это позволя­ет идентифицировать радикалы, образующиеся в изучаемой системе. Для улавливания других радикалов (скажем, супероксида) используют другие ловушки.

 

3.1.7. Свободнорадикальное (перекисное) окисление липидов

Все радикалы, образующиеся в организме человека, можно разделить на природные и чу­жеродные. В свою очередь природные радикалы можно разделить на первичные, вторичные и третичные (рис. 8).

Первичные радикалы- те радикалы, образо­вание которых осуществляется при участии оп­ределенных ферментных систем. Прежде всего к ним относятся радикалы (семихиноны), обра­зующиеся в реакциях таких переносчиков элек­тронов, как коэнзим Q (обозначим радикал как Q) и флавопротеины. Два других радикала - су-


 



Часть I. ОБЩАЯ НОЗОЛОГИЯ


 

Глава 3 / МЕСТНЫЕ И ОБЩИЕ РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА НА ПОВРЕЖДЕНИЕ 6 Змсп № 532

пероксид ('00 ) и монооксид азота (N0) также выполняют полезные для организма функции.

Из первичного радикала - супероксида, а так­же в результате других реакций в организме образуются весьма активные молекулярные со­единения: перекись водорода, гипохлорит и гид­роперекиси липидов. Под действием ионов ме­таллов переменной валентности, в первую оче­редь Ре21', из этих веществ образуются вторич­ные радикалы(радикал гидроксила и радика­лы липидов), которые оказывают разрушитель­ное действие на клеточные структуры.

Для защиты от повреждающего действия вто­ричных радикалов в организме используется большая группа веществ, называемых антиоксидантами, к числу которых принадлежат ло­вушки, или перехватчики свободных радикалов. Примером последних служат альфа-токоферол, тироксин, восстановленный убихинон (QH2) и женские стероидные гормоны. Реагируя с липидными радикалами, эти вещества сами пре­вращаются в радикалы антиоксидантов, которые можно рассматривать как третичные радикалы.

Наряду с этими радикалами, постоянно обра­зующимися в том или ином количестве в клет­ках и тканях организма человека, разрушитель­ное действие могут оказывать радикалы, появ­ляющиеся при таких воздействиях, как иони­зирующее излучение, ультрафиолетовое облуче­ние или даже освещение интенсивным видимым светом, например светом лазера. Такие радика­лы можно назвать чужеродными.К ним при­надлежат также радикалы, образующиеся из по-


павших в организм посторонних соединении, ксе­нобиотиков, многие из которых оказывают ток­сическое действие именно благодаря свободным радикалам, образующимся при метаболизме этих соединений.

Радикалы кислорода.Клетки-фагоциты (к которым относятся гранулоциты и моноциты крови и тканевые клетки - макрофаги), сопри­касаясь с поверхностью клеток, бактерий, начи­нают энергично выделять супероксид: радика­лы, образующиеся в результате переноса элект­рона от НАДФН-оксидазного ферментного ком­плекса, встроенного в мембрану клеток и внут­риклеточных везикул-фагосом, на растворенный молекулярный кислород

НАДФН + 20=0 ->

-> НАДФ+ + 2( 00) + Н+ (супероксид анион-радикал)

При этом каждая молекула НАДФН, окисля­ясь, отдает два электрона в цепь переноса элек­тронов, а каждый из этих электронов присоеди­няется к молекуле кислорода, в результате чего образуется супероксид анион-радикал (рис. 9).

Супероксидные радикалы, как мы увидим позже, могут нанести вред как самим фагоци­там, так и другим клеткам крови и, разумеется, микробам, вызвавшим активацию макрофага. Естественно, что все эти клетки стараются изба­виться от супероксид-радикалов, для чего они вырабатывают ферменты, называемые суперок-сиддисмутазами. Различаясь по строению актив­ного центра и структуре полипептидной цепи, все СОД катализируют одну иту же реакцию дисмутации супероксидного радикала:

 


род и перекись водорода. Судьба последней мо­жет быть разной (рис. 10).

В норме фагоциты используют перекись во­дорода для синтеза гипохлорита, выделяя спе­циальный фермент - миелопероксидазу (МП). Миелопероксидаза катализирует реакцию миелопероксидаза

Н202 + С1->• Н20+ СЮ (гипохлорит)

Гипохлорит разрушает стенку бактериальной клетки и тем самым убивает бактерии. Перекись водорода диффундирует в клетки, но там разру­шается в результате активности ферментов ка-талазы и глутатионпероксидазы (GSH-перокси-дазы), которые катализируют соответственно такие реакции:

каталаза

2НЮ220+ 02

Н202+ 2GSH
GSSG+ 2H20

глутатионпероксидаза ->

В присутствии ионов двухвалентного железа перекись водорода разлагается с образованием гидроксильного радикала (НО):

Н202 + Fe2+ -» Fe3+ + НО+ НО

Эта реакция (известная как реакция Фентон) приводит к тяжелым последствиям для окружа­ющих клеток. Радикал гидроксила чрезвычай­но активен химически и разрушает почти лю­бую встретившуюся ему молекулу. Действуя на SH-группы, гистидиновые и другие аминокис­лотные остатки белков, НО' вызывает денатура­цию последних и инактивирует ферменты. В нуклеиновых кислотах НО' разрушает углевод­ные мостики между нуклеотидами и таким об-


разом разрывает цепи ДНК и РНК, в результате чего происходят мутации и гибель клеток. Вне­дряясь в липидный слой клеточных мембран, гидроксильный радикал запускает (иницииру­ет) реакции цепного окисления липидов, что при­водит к повреждению мембран, нарушению их функций и гибели клеток.

Гидроксильный радикал образуется не толь­ко в реакции Фентон, но и при взаимодействии ионов железа (Fe2+) с гипохлоритом (реакция Осипова):

СЮ + Fe2+ + Н+ -» Fe3+ + С1 + НО

Супероксидный радикал (00 )и продукты его метаболизма (Н202, НО', СЮ) называют актив­ными формами кислорода.

Окись азота.К числу радикалов, синтезиру­емых клетками, относится монооксид азота 'NO, называемый также нитроксидом. Нитроксид об­разуется клетками стенок кровеносных сосудов (эндотелия); эта реакция катализируется гемсо-держащим ферментом N0 -синтазой. N0 играет ключевую роль в регуляции тонуса сосудов и кровяного давления: его недостаток приводит к гипертензии, избыток - к гипотензии. Наруше­ние метаболизма фактора расслабления вызыва­ет заболевания, связанные с изменением кровя­ного давления.

' N0 выделяется также клетками-фагоцитами и вместе с супероксид-радикалами используется для борьбы с микробами (преимущественно гриб­ковой природы). Полагают, что цитотоксическое действие N0 обусловлено его реакцией с супер­оксидом

N= О+ 00+ Н+~> ONOOH (пероксинит-рит)




Часть I. ОБЩАЯ НОЗОЛОГИЯ



убихинона (QH , гидрохинон-форма):

Пероксинитрит, образующийся в этой реак­ции, может разлагаться с образованием 'ОН:

О= N- О- ОН-> О= N- О+ ОН (ради­кал гидроксила)

Образование пероксинитрита и радикала гид­роксила приводит к повреждению клеток. По-видимому, одна из функций супероксиддисму-тазы состоит в предотвращении образования пе­роксинитрита за счет удаления супероксида из зоны образования окиси азота.

Радикал коэнзима Q.Биологическое окисле­ние субстратов клеточного дыхания, таких как глюкоза, пировиноградная и янтарная кислоты и другие, осуществляется, как известно, в два этапа. На первом этапе в цикле трикарбоновых кислот происходит последовательный отрыв ато­мов водорода от субстрата и образование восста­новленных форм пиридиннуклеотидов НАДН и НАДФН. На втором этапе электроны от НАДН и НАДФН переносятся по так называемой ды­хательной цепи на кислород. В состав дыхатель­ной цепи входят флавопротеиды, комплексы негемового железа, убихинон и гемопротеиды (цитохромы a, b и с ицитохромоксидаза). Схе­ма дыхательной цепи дана на рис. 11.

сн,

Важным звеном цепи переноса электронов служит убихинон (коэнзим Q) :

н,С-0

СН,-СН=С=СН,)„Н

Н,С-0

радикал которого (семихинон, QH на рис. 11) образуется либо при одноэлектронном окислении


гидрохинон катион-радикал нейтральный

гидрохинона радикал (семихинон)

либо при одноэлектронном восстановлении уби­хинона (Q на рис. 11):

 

о О О О
хинон анион-радикал нейтральный
  хинона радикал (семихинон)

В норме этот радикал является рядовым уча­стником процесса переноса электронов, но при нарушении работы дыхательной цепи он может стать источником других, менее безобидных ра­дикалов, в первую очередь радикалов кислоро­да.

Основные стадии цепного окисления.Реак­ция цепного окисления липидов играет исклю­чительную роль в клеточной патологии. Она про­текает в несколько стадий, которые получили название инициирование, продолжение, развет­вление и обрывцепи (см. схему 3).

Инициирование цепной реакции начинается с того, что в липидный слой мембран или липопротеинов внедряется свободный радикал.


митохондрий Глава 3 / МЕСТНЫЕ И ОБЩИЕ РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА НА ПОВРЕЖДЕНИЕ 83


 


Чаще всего это радикал гидроксила. Будучи небольшой по размеру незаряженной частицей, он способен проникать в толщу гидрофобного липидного слоя и вступать в химическое взаи­модействие с полиненасыщенными жирными кислотами (которые принято обозначать как LH), входящими в состав биологических мембран и липопротеинов плазмы крови. При этом образу­ются липидные радикалы:

НО + LH-> Н20 +L Липидный радикал (L) вступает в реакцию с растворенным в среде молекулярным кислоро­дом, при этом образуется новый свободный ра­дикал - радикал липоперекиси (LOO):

L + 02 -> LOO

Этот радикал атакует одну из соседних моле­кул фосфолипида с образованием гидропереки­си липида LOOH и нового радикала L':

LOO-+ LH -> LOOH + L-

Чередование двух последних реакций как раз и представляет собой цепнуюреакцию перекисного окисления липидов (см. схему 3).

Существенное ускорение пероксидации липи­дов наблюдается в присутствии небольших ко­личеств ионов двухвалентного железа. В этом случае происходит разветвление цепей в резуль­тате взаимодействия Fe2i с гидроперекисями ли­пидов:

Fe2+ + LOOH-> Fe3+ + НО + LOОбразующиеся радикалы LO' инициируют новые цепи окисления липидов (см. схему 3): LO + LH-> LOH +L ;L +02-> LOO-> и т.д.

В биологических мембранах цепи могут со­стоять из десятка и более звеньев. Но в конце концов цепь обрывается в результате взаимодей­ствия свободных радикалов с антиоксидантами (InH), ионами металлов переменной валентнос­ти (например, теми же Fe2T) или друг с другом:

LOO + Fe2+ + Н+-> LOOH + Fe3+

LOO + InH -> In ■+ LOOH

LOO' + LOO'-> молекулярные продукты

Последняя реакция особенно интересна, по­скольку она сопровождается свечением (хемилюминесценцией). Интенсивность этой хемилюминесценции очень мала, поэтому ее иногда на­зывают «сверхслабым свечением». Интенсив­ность свечения пропорциональна квадрату кон­центрации свободных радикалов в мембранах, а


Схема 3 Цепная реакция перекисного окисления липидов

скорость перекисного окисления прямо пропор­циональна концентрации тех же радикалов. Поэтому интенсивность «сверхслабого» свечения однозначно отражает скорость липидной перок­сидации в изучаемом биологическом материале и измерение хемилюминесценции довольно час­то используется при изучении перекисного окис­ления липидов в различных объектах.


Рис. 12. Повреждающее действие перекисного окисления липидов на биологические мембраны

Повреждающее действие пероксидации ли­пидов. На рис.12 показаны основные мишени перекисного окисления липидов в мембранных структурах клеток. Повреждаются либо белко­вые структуры, либо липидный бислой в целом. В последнее время ученые уделяют все большее внимание взаимодействию мембран с нуклеино­выми кислотами в ядре и митохондриях. По-видимому, одним из результатов пероксидации


 



Часть I. ОБЩАЯ НОЗОЛОГИЯ


Наиболее известные антиоксиданты


Таблица 10


 

Антиоксидант Действие
Церулоплазмин (плазма крови) Окисляет Fe2* до Fe3+ молекулярным кислородом
Апо-белок трансферрина (плазма крови) Связывает Fe3*
Ферритин (цитоплазма) Окисляет Fe2*n депонирует Fe3'
Карнозин Связывает Fe2*
Супероксиддисмутазы (повсеместно) Удаляют супероксид с образованием пероксида водорода
Каталаза (внутри клеток) Разлагает пероксид водорода с выделением кислорода
Глутатионпероксидазы (в цитоплазме) 1. Удаляют пероксид водорода за счет окисления глутатиона 2. Удаляют гидроперекиси липидов
Глутатионредуктаза Восстанавливает окисленный глутатион
Токоферол, тироксин, стероиды Перехватывают радикалы липидов
Аскорбиновая кислота Регенерирует окисляющиеся токоферол и убихинон
Глутатион Используется для восстановления пероксидов

липидов может стать повреждение этих моле­кул со всеми вытекающими последствиями.

Наиболее чувствительны к переписному окис­лению липидов сульфгидрильные, или тиоловые, группы (- SH) мембранных белков: ферментов, ионных каналов и насосов. В ходе окисления тиоловых групп образуются радикалы (- S), ко­торые затем либо взаимодействуют друг с дру­гом с образованием дисульфидов (- SS-), либо связываются с кислородом с образованием суль­фитов и сульфатов (- S03 и - S04). Большую роль в патологии клетки играет также повреждение ионтранспортирующих ферментов (например, Ca2t , М£2+-АТФазы), в активный центр которых входят тиоловые группы (рис. 12-1). Инактива­ция Са2+-АТФазы приводит к замедлению отка­чивания из клетки ионов кальция и ускорению их «протечки» в клетку(где их концентрация меньше). Это вызывает рост уровня ионов каль­ция в цитоплазме и повреждение клеточных структур.

Окисление тиоловых групп мембранных бел­ков приводит к появлению дефектов в мембра­нах клеток и митохондрий. Под действием элек­трического поля через такие дефекты в клетки входят ионы натрия, а в митохондрии - ионы калия. В результате происходит увеличение ос­мотического давления внутри клеток и митохон­дрий и их набухание. Это приводит к еще боль­шему повреждению мембранных структур.

Еще одним интересным примером может слу­жить окисление белков и последующее образо-


вание белковых агрегатов в хрусталике глаза, вызванное пероксидацией липидов. Процесс при­водит к помутнению хрусталика и может счи­таться одной из причин развития старческой и других видов катаракты у человека.

Наряду с белками и нуклеиновыми кислота­ми мишенью повреждающего действия перекис­ного окисления служит сам липидный бислой. Было показано, что продукты перекисного окис­ления липидов делают липидную фазу мембран проницаемой для ионов водорода и кальция (рис. 12-2; 12-3). Это приводит к тому, что в митохон­дриях окисление и фосфорилирование разобща­ются и клетка оказывается в условиях энерге­тического голода. Одновременно из митохондрий в цитоплазму выходят ионы кальция, которые повреждают клеточные структуры (см. выше).

Но, быть может, самый важный результат пероксидации - это уменьшение электрической стабильности липидного слоя,которое приво­дит к электрическому пробою мембраны собствен­ным мембранным потенциалом (рис. 12-4). Элек­трический пробой вызывает полную потерю мем­браной ее барьерных функций.

Клеточные системы защиты от поврежде­ния свободными радикалами.Свободные ради­калы преследовали живую материю с первых же моментов ее появления на Земле, и неудивитель­но, что в ходе эволюции клетки и организм в целом выработали нечто подобное глубокоэше-лонированной обороне, которая включает в себя ферменты и низкомолекулярные соединения, в


 


Глава 3 / МЕСТНЫЕ И ОБЩИЕ РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА НА ПОВРЕЖДЕНИЕ



совокупности называемые антиоксидантами (табл. 10).

3.1.8. Стабильность липидного слоя мембран и явление электрического пробоя

Стабильность липидного слоя и электричес­кий пробой мембраны.В отличие от белков и нуклеиновых кислот, которые в клетке собира­ются каждый по своему чертежу сложнейшими молекулярными роботами, липидный слой мем­браны обладает способностью собираться сам по себе из молекул фосфолипидов и холестерина, если только они содержатся в водном растворе в достаточной концентрации. Это связано с осо­бым свойством молекул липидов, входящих в состав мембран, которое принято называть ам-фифильностью,т. е. сродством одновременно к воде (гидрофильность) и к неводным средам, та­ким как растительное масло или жидкий пара­фин (гидрофобность). Молекула фосфолипида (основной липид клеточной и внутриклеточных мембран) имеет форму сплющенного цилиндра (рис. 13, А), один (меньший) конец которого хорошо растворяется в воде («полярная голова»), а другой - в воде не растворяется («жирный хвост») (рис. 13, Б). В водной среде такие моле­кулы самособираются в липидный бислой (рис. 13, В), который сам на себя замыкается, обра­зуя везикулы - липосомы(рис. 13, Г).

Под влиянием тепловых движений молекул в липидном слое могут образоваться дефекты, которые приводят к образованию заполненных водой трещин и щелей (назовем их «порами»). Через такие дефекты могут проходить водора­створимые молекулы иионы. Однако их появ­ление крайне невыгодно с энергетической точки зрения, поскольку при этом граница раздела липид - вода сильно увеличивается, а это требу­ет затраты работы на преодоление силы поверх­ностного натяжения. С ростом радиуса поры энер­гия системы растет пропорционально радиусу в соответствии с уравнением:

АЕ = nrlo,

где г - радиус поры; Z ■ толщина мембраны; а -энергия образования границы раздела площадью 1м2 (в системе СИ).

При наличии мембранного потенциала (т. е. разности потенциалов между водными фазами


по сторонам мембраны), который обозначается как фт, энергия образования поры снижается. Как показывает теория, в этом случае энергия системы изменяется с ростом поры по уравне­нию:

АЕ = nrlo ■ кг2 еоФ*т (s„ - ej/ 21,

где е0 - диэлектрическая постоянная, ец , ет - ди­электрическая проницаемость для воды и липид­ного слоя мембран соответственно; <р/( - мембран­ный потенциал.

Изменение энергии поры с ростом ее радиуса при трех разных мембранных потенциалах по­казано на рис. 14, В. Видно, что с ростом радиу­са энергия системы сначала растет, а затем на­чинает уменьшаться. Это означает, что после преодоления некоторого энергетического барье­ра рост поры будет происходить самопроизволь­но, пока мембрана вообще не разрушится. Вели­чина барьера снижается при увеличении мемб-


«Полярная голова»


Липидный бислой


«Жирный хвост»

г Липосома

Рис. 13. Самосборка фосфолипидов в бислой

Часть I. ОБЩАЯ НОЗОЛОГИЯ


ранногопотенциала. При небольших потенциа­лах, существующих в живой клетке (70 мВ на щдаоплазматической мембране и 175 мВ на внут­ренней мембране митохондрий), этого не происходит,потому что барьер достаточно высок.

С ростом потенциала может наступить момент, когда в мембране начнут формироваться и расти ■орыи она будет разрушена. Такое явление но­ет название электрического пробоя мембраны.

О

 

Образование водной поры

Поверхность поры равна 2кН

 

< с
о I-

 

 

Радиус поры, мкм

 

0 40 80 120

_

Рис. 14. Электрический пробой мембран: А - появле­ние в липидном бислое мембраны поры, заполнен­ной водой; В - размер внутренней поверхности поры пропорционален ее радиусу; В - энергия мембраны с

порой в зависимости от ее радиуса. Величина потенциального барьера при росте поры уменьшает­ся при увеличении потенциала на мембране; Г - возрастание тока в зависимости от потенциала пробоя


Величина потенциала, при котором начинается электрический пробой, называется потенциалом пробоя и обычно обозначается как U* или ф*. Величина потенциала пробоя, несколько разли­чающаяся для мембран с разным составом бел­ков и липидов, может служить количественной мерой электрической стабильности мембраны. Чем стабильнее мембрана, тем выше потенциал, который ее «пробивает» (т. е. ф*) .

Электрическая прочность различных мем­бранных структур. Явление электрического про­боя мембран изучалось многими авторами на искусственных мембранах и отдельных клетках. Мембраны обладают определенным сопротивле­нием R электрическому току I, которое при не­большой разности потенциалов ф между двумя сторонами мембраны является постоянной вели­чиной. Иными словами, для мембраны соблюда­ется закон Ома:

I =Ф/Л.

Это означает, что зависимость между напря­жением на мембране ф и током через мембрану I - линейная. Однако такая зависимость сохраня­ется при сравнительно небольших величинах ф: обычно не выше 200-300 мВ. При определенной разности потенциалов на мембране (потенциале пробоя ф*) происходит резкое возрастание тока (рис. 14, Г). При постоянном мембранном по­тенциале, если он превышает критическое зна­чение, ток самопроизвольно нарастает во време­ни до полного разрушения мембраны.

На рис. 14 представлены результаты опыта на бислойных липидных мембранах. Аналогич­ные опыты были проведены на везикулярных мембранных структурах: фосфолипидных вези­кулах - липосомах, изолированных митохондри­ях и эритроцитах. В случае липосом и эритро­цитов потенциал на мембране создавался за счет разности концентраций проникающих ионов по сторонам мембраны, в случае митохондрий - за счет энергии окисления субстратов. Измерение мембранного потенциала осуществлялось различ­ными способами, например в случае митохонд­рий, - с помощью потенциалчувствительного флуоресцентного зонда. Явление пробоя мемб­ран наблюдалось во всех случаях. В табл. 11 приведены величины потенциалов пробоя мемб­ран всех этих объектов. Разумеется, потенциал пробоя во всех случаях выше потенциала, суще­ствующего на мембранах в живой клетке: иначе


 


Глава 3 / МЕСТНЫЕ И ОБЩИЕ РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА НА ПОВРЕЖДЕНИЕ



Таблица 11 Электрические потенциалы (мВ) на мембранах клеток и потенциалы пробоя модельных и биологических мембран (A3. Путвинский, Т.В. Пучкова, ОМ. Париев, Ю.А. Владимиров)

 

Объект Разность потенциалов на мембране в клетках Потенциал пробоя
Липидный бислой - 130-170 (БЛМ)
Клеточная мембрана 70 (нервные и мышечные клетки) 90-100 (эритроциты)
Внутренняя мембрана митохондрий (митохондрии печени в присутствии субстратов и кислорода)

все мембраны пробились бы своим собственным потенциалом и клетка не могла бы существовать. Однако запас электрической прочности невелик: всего 20-30 мВ. Это означает, что при снижении прочности мембраны может произойти ее «са­мопробой».

Электрический пробой как универсальный механизм нарушения барьерной функции мем­бран.Чрезвычайно важно, что электрическая прочность мембран, мерой которой служит по­тенциал пробоя, снижается под действием по­вреждающих факторов. Как уже говорилось, основными причинами нарушения барьерных свойств мембран при патологии являются: перекисное окисление липидов, действие мемб­ранных фосфолипаз, механическое растяже­ние мембран или адсорбция на них некоторых белков.Изучение влияния этих действующих факторов на электрическую прочность мембран показало, что все они снижают потенциал про­боя мембран (рис. 15).

При повреждении мембранных структур про­исходит снижение потенциала пробоя <р* и мо­жет сложиться ситуация <р* < ф, когда мембрана будет «пробиваться» собственным мембранным потенциалом. К чему это приводит в условиях живой клетки? Предположим, клетку облучают


ультрафиолетовыми лучами, под влиянием ко­торых в липидных мембранах активируется перекисное окисление. В неповрежденных мито­хондриях потенциал на мембране равен 175 мВ, а потенциал пробоя составляет около 200 мВ (см. табл. 11). В процессе активации перекисного окисления липидов потенциал пробоя начинает постепенно снижаться, и как только он достига­ет значения 175 мВ, мембрана митохондрий «про­бивается» собственным мембранным потенциа­лом. То же происходит и при активации фосфо­липаз: снижение потенциала пробоя до величи­ны, равной существующему на мембране потен­циалу, приводит к электрическому пробою мем­браны и потере ею барьерных свойств. В услови­ях эксперимента на эритроцитах и митохондри­ях было показано, что осмотическое растяжение мембраны и добавление чужеродных белков, так же как и действие перекисного окисления и фосфолипазы, снижают потенциал пробоя мембран настолько, что они начинают «пробиваться» соб­ственным мембранным потенциалом.

Естествен вопрос, почему такие, казалось бы, разные воздействия, как перекисное окисление липидов, ферментативный гидролиз фосфолипидных молекул, механическое растяжение мемб­раны или адсорбция полиэлектролитов, приво-


 



Рис. 15. Снижение электрической прочности БЛМ при действии ультра­фиолетового излучения (УФ), фосфо-липазы А2, пептидов, при растяже­нии мембраны, вызванном разностью гидростатического давления (ДР)


Часть I. ОБЩАЯ НОЗОЛОГИЯ


дят к одному и тому же результату - снижению электрической прочности (т.е. уменьшению ве­личины потенциала пробоя) мембраны? Теория электрического пробоя дает четкий ответ на этот вопрос. Самопроизвольному росту пор, случай­но зародившихся в липидном бислое, препятству­ют силы поверхностного натяжения на границе раздела фаз: липидный слой мембраны - окру­жающий водный раствор. Нужно приложить довольно большую разность потенциалов к мем­бране, чтобы преодолеть эти силы и вызвать рост поры. Все вещества, снижающие поверхностное натяжение (детергенты), облегчают самопроиз­вольный рост пор и снижают величину потен­циала пробоя. И продукты перекисного окисле­ния липидов, и продукты гидролиза фосфолипидов фосфолипазами (лизолецитины), и мно­гие белки снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз и таким образом уменьша­ют электрическую прочность мембраны. Меха­ническое растяжение мембраны действует сход­но, так как противодействует силам поверхност­ного натяжения. Таким образом, электрический пробой мембран оказывается универсальным механизмом нарушения барьерной функции мембран при патологии.

Мембранные системы защиты от электри­ческого пробоя.Известны два фактора, с помо­щью которых живые клетки повышают элект­рическую стабильность своих мембранных струк­тур: асимметричный поверхностный потенци­али холестерин.

Поверхностный потенциал возникает на мем­бране в случае появления на поверхности липидного слоя заряженных химических группи­ровок, например таких, как карбоксил или фос­фат. Непосредственно на липидный бислой дей­ствует потенциал, равный разности величины мембранного потенциала (т.е. потенциала меж­ду водными средами, омывающими мембрану) и поверхностного потенциала (рис. 16). За счет нео­динаковой плотности зарядов на поверхностях мембраны реальная разность потенциалов, при­ложенная к липидному бислою, может быть боль­ше или меньше трансмембранной разности по­тенциалов. В большинстве биологических мемб­ран заряды распределены между поверхностя­ми таким образом, что разность потенциалов на липидном бислое меньше разности потенциалов между водными растворами, омывающими мем-


брану. Это снижает вероятность пробоя мембра­ны разностью потенциалов, которая существует между водными фазами по сторонам мембран в живых клетках.

Второй фактор, повышающий электрическую прочность мембран, - это холестерин. Было по­казано, что включение молекул холестерина в фосфолипидный бислой весьма заметно увели­чивает электрическую прочность мембран, т. е. повышает потенциал пробоя (см. рис. 14, Г). Осо­бенно заметно действие холестерина на повреж­денные мембраны. Защитные свойства холесте­рина против электрического пробоя мембраны можно объяснить влиянием холестерина на вяз­кость липидного бислоя. Известно, что введение холестерина в фосфолипидный бислой может по­высить вязкость последнего в 2-3 раза. Это при­водит к замедлению образования и роста дефек­тов (пор) в липидном бислое мембран. Как уже говорилось, именно образование и увеличение де­фектов в липидном бислое под действием при­ложенного электрического поля лежит в основе явления электрического пробоя.

Нарушение структурных (матричных) свойств липидного бислоя.Наиболее изучены три характеристики липидного слоя мембран, от которых зависят его свойства как жидкой фазы (матрицы), обеспечивающей функционирование мембранных белков и рецепторов: поверхност­ный заряд, вязкость и площадь липидного слоя.Все эти характеристики исследуются с помощью флуоресцентных и спиновых зондов.


Группы,несущие заряд

Рис. 16. Влияние поверхностного потенциала (фд) на разность потенциалов на липидном слое мембран (ф,) при одном и том же мембранном потенциале (ф)

Перекисное окисление липидов и действие мембранных фосфолипаз приводят к накоплению в липидной фазе мембран полиненасыщенных жирных кислот, которые придают мембране при нейтральных рН отрицательный заряд. Увели-


 


Глава 3 / МЕСТНЫЕ И ОБЩИЕ РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА НА ПОВРЕЖДЕНИЕ



чение отрицательных зарядов на поверхности мембраны облегчает связывание с мембраной ионов и белковых молекул, несущих положи­тельные заряды, и, наоборот, уменьшает взаи­модействие мембран с отрицательно заряженны­ми молекулами или другими мембранами. Свя­зывая больше ионов Са2*, мембраны с большим числом отрицательных зарядов на поверхности становятся более доступными для действия фосфолипаз, но зато хуже связывают ионы Fe2+, которые ускоряют пероксидацию липидов. С другой стороны, при перекисном окисле­нии липидов происходит увеличение вязкости липидного слоя мембран. Значительное увели­чение вязкости имеет место также при увеличе­нии содержания в мембранах холестерина. Воз­растание вязкости приводит к торможению ра­боты мембранных рецепторов, а также встроен­ных в мембраны ферментов, таких как Na" -K+ -АТФаза и Са2* - Mg^-АТФаза. В свою очередь, это изменяет ионный баланс клетки и может при­вести к нарушениям метаболизма. С помощью флуоресцентных зондов было по­казано, что при перекисном окислении проис­ходит уменьшение площади поверхности липид­ного слоя мембран, а также площади, занимае­мой фосфолипидами на поверхности липопроте-инов плазмы крови. Это связано с окислением части жирно-кислотных цепей фосфолипидов и выходом их в водную фазу. Одним из результа­тов такого явления оказывается увеличение от­носительной концентрации холестерина в липид-ном монослое на поверхности липопротеинов, подвергнутых перекисному окислению. Липопротеины низкой плотности (ЛПНП) в результате этого переносят еще боль­ше холестерина в клеточные мемб­раны сосудистой стенки, чем нео-кисленные ЛПНП, и их атерогенность возрастает. Липопротеины высокой плотности (ЛПВП), в нор­ме акцептирующие холестерин с мембран клеток и обладающие антиатерогенным действием, в резуль­тате перекисного окисления полно­стью теряют способность акцепти­ровать холестерин. Возрастание атерогенных (холестерин-донорных) свойств ЛПНП и утрата антиатерогенных (холестерин-акцепторных) свойств ЛПВП, несомненно, отно-

сятся к числу причин того, почему перекисное окисление липидов в районе сосудистой стенки способствует развитию атеросклероза.








Дата добавления: 2015-03-19; просмотров: 1120;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.058 сек.