XIII. МЕХАНИЗМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК ПРИ ГИПОКСИИ

 

Главной мишенью при гипоксическом повреждении клеток являются мито-хондрии (Ю.А. Владимиров, 2001). Недостаток кислорода, определяющий снижение его напряжения в клетке ниже критического уровня, блокада дыхательной цепи и разобщение окислительного фосфорилирования приводят к формированию дефицита АТФ. В этих условиях в качестве компенсаторного механизма выступает активация гликолиза, выходящего из-под репрессивного влияния АТФ и стимулируемого продуктами его распада (АДФ, АМФ). Вместе с тем, такая компенсация не является равноценной. Во-первых, гликолиз не в состоянии ликвидировать дефицит АТФ. Во-вторых, активация гликолитического процесса носит непродолжительный характер. Ограничение гликолиза во времени обусловлено изменением реакции внутриклеточной среды (снижение рН) в связи с накоплением лактата. Поскольку центральный фермент гликолиза, регулирующий его интенсивность - фосфофруктокиназа обладает высокой чувствительностью к ацидозу, сдвиг рН в кислую сторону ингибирует ее активность, что приводит к торможению, а в конечном счете – к остановке гликолиза. Соответственно, падение АТФ в этом случае приобретает более выраженный и прогрессирующий характер.

В незрелых клетках фосфофруктокиназа представлена изоформами, менее чувствительными к ацидотическому ингибированию. Это обстоятельство лежит в основе повышенной устойчивости эмбриональных и фетальных тканей к острой гипоксии и обусловливает бóльшую выживаемость маленьких детей, по сравнению со взрослыми, при экстремальных состояниях, сопровождаемых острым кислородным голоданием (Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П., 1999).

Наряду с угнетением гликолиза (после его временной активации) в клетке происходит ингибирование и других метаболических путей. Основу таких нарушений помимо дефицита макроэргов составляет накопление в митохондриях восстановленных кофакторов (НАДН и ФАДН), поскольку их переход в окисленную форму (НАД и ФАД) в условиях блокады транспорта электронов в дыхательной цепи оказывается невозможным (рис. 24).

 

Рис. 24. Ингибирование основных метаболических путей при гипоксии  

 

 


Снижение содержания окисленных форм данных кофакторов определяет угнетение активности митохондриальных дегидрогеназ, включая дегидрогеназы цикла трикарбоновых кислот (изоцитратдегидрогеназа, α-кетоглутаратдегидрогеназа, сукцинатдегидрогеназа, малатдегидрогеназа) и β-окисления жирных кислот (ацил-КоА-дегидрогеназа и β-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназа). Соответственно, возникает торможение этих метаболических процессов.

Следствием угнетения ЦТК становится некоторое повышение внутриклеточного пула ацетил-КоА, а угнетения β-окисления жирных кислот обусловливает прирост их содержания в цитоплазме клетки. В связи с особенностями происходящих нарушений клеточного метаболизма, этот ранний (и пока обратимый) этап патологических изменений клеток (в частности, в условиях ишемии), обозначен как «стадия ингибирования основных метаболических путей» (Меерсон Ф.З., 1984).

Очевидно, что угнетение биоэнергетической функции клетки сказывается на работе ее энергозависимых систем, в частности, 3Na+/2K+ АТФ-азы наружной клеточной мембраны, а также Са2+/ Mg2+ АТФ-азы саркоплазматического ретикулума (СПР) и наружной мембраны. В результате нарушения активности 3Na+/2K+ АТФ-азы происходит снижение градиента концентрации ионов по обе стороны мембраны, сопровождающееся усилением выхода ионов K+ из клеток во внеклеточную среду и падением мембранного потенциала (покоя). Отмеченные сдвиги имеют ряд следствий.

· Падение мембранного потенциала клеток, т.е. фактически их деполяризация вызывает открытие потенциалзависимых Na+ и Са2+ каналов.

· Открытие этих каналов обусловливает приток ионов Na+ и Са2+ в цитоплазму клеток из внеклеточного пространства.

· Выход ионов калия из клеток, подвергшихся гипоксическому воздействию, обеспечивает увеличение концентрации этих ионов в межклеточном пространстве, что снижает калиевый градиент по обе стороны мембраны, в том числе и для клеток, не находящихся в состоянии гипоксии. В результате нормальный ток ионов K+ через мембрану этих клеток окажется сниженным, что приведет к падению потенциала покоя и создаст возможность формирования потенциала действия в возбудимых тканях. Примером реализации такого «калиевого» механизма служит фибрилляция при ишемии миокарда, связанная с увеличением концентрации K+ в зоне инфаркта (Владимиров Ю.А., 2001).

· Длительная деполяризация клеточной мембраны выступает как один из механизмов торможения. Реализация такого торможения на уровне нейронов при глубокой гипоксии мозга, вызванной различными причинами (уремия, гиперосмолярная дегидратация, ацидоз, гипогликемия, отравление) приводит к развитию комы с потерей сознания и утратой рефлексов. Именно из-за своей гипоксической сути комы различной этиологии сходны по своим проявлениям (Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П., 1999).

На фоне этих событий происходят существенные нарушения баланса ионов Na+ и Са2+,в первую очередь, возрастание их содержания в цитоплазме клеток. В нормальных условиях этот баланс поддерживается соотношением процессов поступления и выведения данных ионов из цитоплазмы (рис. 25), в том числе (для ионов кальция) и их перераспределением во внутриклеточные хранилища.

 

Рис. 25. Механизмы поддержания баланса ионов Na+ и Са2+ в клетке

В роли последних выступают митохондрии и саркоплазматический ретикулум В условиях гипоксии механизмы поступления ионов Na+ и Са2+ в цитоплазму усиливаются, а механизмы выведения – репрессируются (рис. 26).

 

Рис. 26. Механизмы повышения внутриклеточной концентрации

ионов Na+ и Са2+ при гипоксии

Так, рост внутриклеточной концентрации Na+ при гипоксии и складывающегося дефицита АТФ обусловлен не только снижением активности 3 Na+/2K+ АТФ-азы (рис. 26;а), откачивающей ионы натрия из клетки, но и активацией его транспорта в клетку вследствие открытия потенциалзависимых Na+ каналов (рис. 26; б). Кроме того, активируется еще один механизм поступления ионов натрия в клетку: Na+/H+ - обменник (в), как результат развития ацидоза и необходимости выведения из клетки ионов Н+ для поддержания нормальных значений внутриклеточного рН.

Следствием повышения содержания ионов натрия в цитоплазме является гипергидратация клетки, сопровождающаяся ее набуханием. Соответственно, будет происходить механическое (осмотическое) растяжение наружной клеточной мембраны, усугубляющее нарушение работы мембраносвязанных белков и повышающее ее проницаемость.



Аналогичные сдвиги процессов поступления и выведения реализуются и в отношении ионов Са2+. При этом поступление ионов кальция в цитоплазму складывается, по меньшей мере, из трех источников. Во-первых, в связи с открытием потенциалзависимых кальциевых каналов, осуществляется приток ионов кальция извне (1). Во-вторых, происходит выход ионов кальция из митохондрий (2), вследствие падения разности потенциалов на митохондриальной мембране. Такое падение определяет угнетение способности отрицательно заряженного электрического поля матрикса митохондрий удерживать кальций.

В-третьих, реализуется выход ионов кальция из СПР(3), индуцируемый активацией кальцием фосфолипазы С (ФЛС) и последующим рецепторно-опосредованным действием инозитолтрифосфата (ИФ3) на мембрану СПР (CIRC - эффект). В то же время, аккумулирующая способность митохондрий в отношении кальция снижается (4), равно как и падает возможность закачивания кальция из цитоплазмы в СПР (5)или его выкачивание из клетки при участии Сa+/Mg2+- АТФ-азы (6) -дефицит энергии. Наконец, при повышении концентрации ионов натрия в примембранном пространстве цитоплазмы, ограничивается выведение из нее ионов кальция, осуществляемое при участии 3Na+/Са2+ обменника (7), поскольку в этих условиях дополнительное поступление Na+ в клетку лимитировано.

Оценивая последствия увеличения содержания Са2+ в цитоплазме клеток, прежде всего необходимо отметить, что он представляет собой универсальный вторичный мессенджер, модулирующий клеточные функции (Ткачук В.А., 2001; Ткачук В.А., Ратнер В.И., 2002). Взаимодействуя с внутриклеточными белками, ионы Са2+ регулируют их активность. Особая роль среди этих белков принадлежит кальмодулину, который, претерпевая конформационные изменения после связывания с Са2+ (активный кальмодулин), либо прямо, либо через кальмодулинзависимые протеинкиназы (Са МК) активирует ряд цитозольных ферментов (рис. 27). Среди них – мембраносвязанные фосфолипазы (ФЛ А2, ФЛ С), NO-синтаза, кальций-зависимая АТФ-аза, киназа-фосфорилаза В, кальпаины, эндонуклеазы и др. В ходе регуляции с участием ионов Са2+ осуществляются сложные сетевые взаимодействия между различными сигнальными молекулами: кальций – оксид азота – цГМФ – протеинкиназа С (ПКС). Некоторые изоформы кальмодулинзависимых протеинкиназ способны обеспечивать стимуляцию протеинкиназы А (ПКА) с последующей активацией транскрипционного фактора CREB (сАMF – respons – element – binding).

Опосредованно активируя протеинкиназу С (ПКС), ионы Са2+ обусловливают фосфорилирование внутриклеточных белков, влияющих на разнообразные клеточные функции, включая метаболизм, пролиферацию и секрецию. Кроме того, под контролем ПКС находятся продукция антиапоптотического фактора bcl-2 и экспрессия гена MDR (multi-drang resistance), регулирующего устойчивость клеток к токсическим метаболитам.

Особая роль в реализации регуляторных эффектов кальция принадлежит Са2+-активируемым нейтральным цистеиновым (тиоловым) протеиназам – кальпаинам, представляющим собой одну из основных протеолитических систем клетки. Кальпаины обнаруживаются в цитоплазме в связи с мембранами. Они участвуют в ограниченном протеолизе рецепторных белков, некоторых ключевых ферментов обмена, белков цитоскелета, а также в расщеплении циклинов при митозе. Образующиеся в результате гидролиза белков под действием кальпаинов биологически активные пептиды также осуществляют свои регуляторные функции (сами или через каскады реакций), что обеспечивает перестройку метаболизма, лежащую в основе трансформации, деления, дифференцировки клеток и их адаптационных изменений.

Существенно, что такая плейотропная модифицирующая роль Са2+ проявляется лишь в условиях умеренного возрастания его концентрации (в пределах 10-6 моль), тогда как дальнейшее наращивание внутриклеточного пула этого иона приводит к токсическому эффекту в виде повреждения клеточных структур. Именно поэтому выраженный избыток кальция в клетке (10-6 – 10-5 моль) представляет для нее опасность и рассматривается как один из ключевых механизмов клеточной гибели.

 

«Согласно современным патохимическим данным, важное отличие между ответом клеток на раздражение и повреждение заключается в том, что при реактивном раздражении стабилизация уровня кальция возможна, а при повреждении емкость стабилизирующих механизмов не достаточна и концентрация внутриклеточного кальция продолжает расти и сохраняться повышенной долго» (Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П., 1999).

Патогенетические последствия выраженного избытка Са2+ в цитоплазме проявляются повреждением клеточных мембран.

В этой связи необходимо отметить, что две основные функции мембран – барьерная и транспортная напрямую связаны с их динамическими свойствами, определяемыми подвижностью липидного бислоя. Липиды в мембранах ведут себя подобно жидким кристаллам, для которых характерно сочетание высокой упорядоченности с текучестью и лабильностью. В свою очередь жидкокристаллические (жидкостные) свойства мембран определяются тем, что липиды в них находятся при физиологической температуре в расплавленном состоянии. Температура плавления углеводородов тем ниже, чем больше двойных связей они содержат (этим определяется различие между животным и растительным маслами). Липиды, содержащие в углеводородных цепях двойные связи, плавятся при температурах ниже физиологических. В плазматических мембранах млекопитающих доля таких липидов велика. В результате вязкость этих мембран на 2-3 порядка выше вязкости воды и соответствуют вязкости растительного масла. Это позволяет ассоциированным с мембранами белкам, которые как бы плавают в «липидном море», менять свою конформацию, что является необходимым условием проявления их функциональной активности. Очевидно, что любые изменения, нарушающие баланс насыщенных и ненасыщенных липидов в клеточных мембранах, скажутся на функциях белковых молекул, встроенных в липидный бислой мембран, и мембран в целом (Волькенштейн М.В., 1988; Голенченко В.А., 2009).

Повреждающее действие на мембраны выраженного избытка кальцияреализуется с участием разных механизмов, среди которых ведущая роль отводится липидной триаде, включающей: А) активацию липаз и фосфолипаз; Б) детергентное действие избытка жирных кислот и лизофосфатидов; В) активацию перекисного окисления липидов (ПОЛ).






Дата добавления: 2015-02-05; просмотров: 3471; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию, введите в поисковое поле ключевые слова и изучайте нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам понравился данный ресурс вы можете рассказать о нем друзьям. Сделать это можно через соц. кнопки выше.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2019 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.007 сек.