Повреждение плазмолеммы

Повреждение цитоплазматической мембраны независимо от его причины (физический, химический, осмотический и т.п.) вызывает ряд типовых патохимических изменений, которым соответствуют характерных патохимические и морфологические картины. Ю.А. Владимиров выделяет 4 основных типа повреждения цитоплазматических мембран:

· Перекисное окисление их компонентов;

· Гидролиз фосфолипазами;

· Механо-осмотическое растяжение;

· Адсорбция на мембране избытка полиэлектролитов.

Практически любые причины, формирующие образование активных свободных радикалов-окислителей (радиация, озон-кислород, яды-окислители и т.п.) вызывают в мембране перекрестное связывание сульфгидрильных групп поверхностных белков, сшивку липидных молекул и перекисное окисление жирных кислот. В результате могут поменяться местами концевые участки трансмембранных гликопротеидов, включая клеточные рецепторы, а также могут освобождаться токсичные для клеток продукты распада, например малоновый диальдегид. Перекисные изменения могут распространяться вдоль мембраны, поперек ее и внедряться внутриклеточно. Некоторые особо агрессивные агенты способны вывести из строя ионные каналы, повышая проницаемость мембран и для анионов, и для катионов.

Поступление избытка кальция в клетку активирует мембранные фосфолипазы, вызывая прогрессирующий гидролиз липидного бислоя. На начальной стадии повреждения это выражается структурными изменениями – образование цитоплазматических выпячиваний на поверхности клеток. В дальнейшем формируются «миелиновые фигуры», обнажаются гидрофобные фосфатиды, захватывается вода, что ведет к расслаиванию мембран. При необратимых повреждениях в плазмолемме появляются разрывы. Последствием глубокого повреждения клеточных мембран является выход составных частей клетки в межклеточную жидкость. Этот феномен вызывает ряд важных последствий на тканевом уровне и учитывается диагностической медициной.

Многие вещества в норме присутствуют только внутриклеточно. Так, например, клетки не обмениваются АТФ и производят это важнейшее макроэргическое фосфатное соединение по эгоистическому принципу – каждая только для себя. За кажущимся эгоизмом стоит важный принцип межклеточного сотрудничества: в многоклеточном организме оно не основывается на иждивенчестве или паразитизме. Если клетки сотрудничают, они обмениваются энергией не в виде заимствования АТФ, а в форме совместной полезной работы. Скажем, кардиомиоциты предсердий не синтезируют АТФ на экспорт – в желудочки сердца, однако сокращение предсердий перерастягивает желудочки и способствует синтезу желудочковыми кардиомиоцитами дополнительных макроэргических эквивалентов. ДНК каждой клетки принадлежит только ей и не используется в качестве программного аппарата соседними клетками.

Вследствие этого, появление внеклеточной АТФ и ДНК – безусловный признак беды для защитных систем организма, так как это принципиальный маркер разрушения клеток! Не случайно внеклеточные ДНК и АТФ являются мощными хемоаттрактантами и привлекают в очаги клеточного повреждения фагоцитирующие лейкоциты, призванные «расчистить развалины». Синдром цитолиза, сопровождающий глубокоеповреждение плазматических мембран клеток, регистрируется по появлению в межклеточной жидкости или в крови избытка ферментов, субстратов и ионов, в норме преобладающих или присутствующих исключительно во внутриклеточном секторе. Так, при гепатолизе появляются сорбитолдегидрогеназа, глютамико-пировиноградная и глютамико-щавелевая трансаминазы, в норме присутствующие внутри гепатоцитов. Внутрисосудистый гемолиз сопровождается гемоглобинемией, билирубинемией свободным билирубином. Любой массированный цитолиз приводит к гиперкалиемии.

Патофизиологические нарушения функций плазматической мембраны при ее повреждении связаны, прежде всего, с утратой трансмембранных градиентов, активно поддерживаемых живой клеткой. Градиенты могут утрачиваться вследствие усиления протечек, вызванного действием сульфгидрильных ядов или механическими разрывами. Но наиболее типичной причиной служит нарастающий по ходу развития клеточной гипоксии дефицит энергии. Основным потребителем энергии в клетке является натрий-калиевая АТФ-аза, утилизирующая в покое до 30% энергии основного обмена. При энергодефиците функция этого фермента нарушается в первую очередь, что ведет к деполяризации мембраны. Сходные градиентсоздающие системы поддерживают в цитоплазме относительно невысокую концентрацию кальция, способного существенно повлиять на работу цитоскелета и митохондрий, а также на арахидоновый и протеолитический каскады.

При повреждении клетки мембранный калий-натриевый градиент всегда сглаживается, наблюдается избыток внутриклеточного натрия, осмотическая активность которого удерживает в клетке избыток воды, в то же время вне клетки увеличивается концентрация калия. Фокальное повреждение ткани и массивный некроз клеток в организме из-за этого сопровождаются местным избытком калия в очаге воспаления и/или системной гиперкалиемией. В то же время, умеренная степень гипоксического повреждения клеток всегда сопровождается их «мутным набуханием», а при более глубокой гипоксии возможен и больший избыток внутриклеточной жидкости, проявляющийся «баллонной дистрофией». Набухание клетки может повлечь опасные для ее соседей последствия. Ю.А. Владимиров указывает, что этот процесс может нарушать микроциркуляцию в ткани, переносящей кислородное голодание, замыкая порочный круг, усиливающий гипоксию. Это особенно значимо в трансплантологии, имеющей дело с нарушениями кровоснабжения трансплантата вследствие гипоксического набухания его клеток при хранении. Не только натриевый, но и кальциевый градиент сглаживается при повреждении плазмолеммы.

Как уже отмечалось выше, избыток внутриклеточного кальция активирует мембранные фосфолипазы А, приводя к освобождению из фосфолипидов самой поврежденной мембраны арахидоновой кислоты, которая затем каскадно превращается в так называемые эйкозаноиды, являющиеся медиаторами воспаления. При участии этих медиаторов альтерация клетки перерастает в координированный ответ, вовлекающий соседние тканевые структуры. Сама же поврежденная мембрана выпускает наружу избыток внутриклеточного калия, становится нестабильной и электрически пробивается собственным потенциалом. Силы поверхностного натяжения препятствуют электрическому пробою мембраны и стягивают дефекты липидного бислоя. Однако в условиях повреждения клетки как целого действуют такие факторы, как активные кислородные радикалы и эндогенные детергенты, например, мыла, способные разрыхлять бислой и облегчать его пробой.

Интересно, что мембранный холестерин является мощным стабилизатором липидного бислоя. Эта молекула, безосновательно превращенная пропагандистами здоровых диет в символ зла и патологии, в действительности является необходимым для клетки компонентом и сильно увеличивает резистентность плазматических мембран к электропробою и дезинтеграции. Но, увеличивая устойчивость клетки к одним повреждениям, высокий уровень мембранного холестерина способен заставить некоторые клетки вступать в атерогенез и/или претерпевать повреждения другого рода. Вязкая мембрана богатых холестерином гладкомышечных клеток затрудняет работу кальциевого насоса и ведет к стимуляции деления и пенистой трансформации этих клеток из-за нарастания концентрации свободного цитоплазматического кальция, что способствует формированию атером.

Жесткая мембрана насыщенных холестерином эритроцитов более прочна при механическом повреждении, но это делает красные кровяные клетки менее конфигурабильными при транспорте через капилляры и способствует ишемическим нарушениям микроциркуляции. Считается, что низкий уровень холестерина является одновременно фактором антириска для атеросклероза и фактором риска для канцерогенеза. Амбивалентность мембранного холестерина как защитного для клеток и патогенного на тканевом уровне фактора очень характерный пример «погрешимости» защитных механизмов.

Итак, при повреждении создается цепь последствий первичной альтерации плазмолеммы, которая включает:

· Недостаточность натрий-калиевого насоса и функций ионных каналов;

· Утрату физиологических трансмембранных ионных градиентов;

· Избыточный входной ток натрия и воды в клетку;

· Набухание клетки;

· Избыточный входной ток кальция в клетку;

· Активацию мембранных фосфолипаз;

· Освобождение и превращения арахидоновой кислоты;

· Нарушение локальной микроциркуляции;

· Появление вокруг клетки липидных медиаторов воспаления.

Окисление арахидоновой кислоты наступает в ответ на любое повреждение клеточной мембраны или на рецепцию самых разных регуляторов – гормонов, нейромедиаторов и иммуноглобулинов. Субстрат и ферменты, необходимые для этого, присущи практически всем клеткам и многим постклеточным структурам организма (крайне слабой продукцией эйкозаноидов отличаются эритроциты). В связи с такой универсальностью продукцию эйкозаноидов считают одним из наиболее древних типовых защитных стереотипов клеток.

Универсальная значимость этого механизма для развития самой различной патологии может быть проиллюстрирована хотя бы тем фактом, что самое популярное и наиболее широкое по спектру своего применения лекарство аспирин действует именно в качестве блокатора синтеза некоторых эйкозаноидов. Эйкозаноиды не накапливаются в клетках, всегда синтезируются заново и представляют собой медиаторную систему острой клеточной реакции на повреждение. Они быстро инактивируются в системном кровотоке и поэтому действуют только на ту клетку, которая их образует, и ее соседей. Поскольку их эффект ограничен очагом, где они формируются, эйкозаноиды представляют собой аутокоиды или паракринные регуляторы. Рассмотрим основные этапы арахидонового каскада.

При повреждении мембран происходит переход просеринэстеразы в активную серинэстеразу. Последняя мобилизует при участии кальция и метилтрансферазы фосфатидилсерин, который превращается в фосфатидилхолин. Фосфолипаза А₂, стимулируемая особым активирующим белком (PLAP), освобождает из фосфатидилхолина арахидоновую кислоту. Арахидоновая кислота может также образоваться из диацилглицерина, формируемого из мембранных фосфолипидов ферментом фосфолипазой С. Фосфолипазы ингибируются глюкокортикоидными гормонами, с чем, отчасти, связан противовоспалительный эффект этих регуляторов. Свободная арахидоновая кислота окисляется в двух альтернативных путях образования липидных медиаторов. Один из этих путей контролируется ферментом циклооксигеназой и приводит к образованию простаноидов, к которым принадлежат простагландины и тромбоксаны. Циклооксигеназа блокируется салицилатами, например, аспирином, а также индометацином, ибупрофеном и другими нестероидными противовоспалительными агентами.

Другой путь осуществляется при участии фермента липооксигеназы и активирующего этот энзим мембранного белка FLAP. Он ведет к эйкозаполиеновым кислотам и лейкотриенам. Получены избирательные ингибиторы липооксигеназного пути арахидонового каскада, например зилевтон.

Циклооксигеназный путь начинается с появления циклической эндоперекиси арахидоната – просгагландина D₂, (2 обозначает количество двойных связей в боковой цепи). Затем формируется простагландин Н₂ (PgH₂), а из него – наиболее биологически активные PgD₂, PgE₂, PgF₂, а в эндотелии и гладкомышечных клетках сосудистой и бронхиальной стенки – также и циклический PgI₂, известный как простациклин. Включение в кольцо эндоперекисей с помощью фермента тромбоксансинтетазы дополнительного кислородного атома позволяет преобразовать PgH₂, в тромбоксан А₂ (ТхА₂), что, главным образом, происходит в мегакариоцитах и тромбоцитах, а в эндотелии осуществляется менее активно. Другим медиатором этого ряда служит ТхВ₂, образуемый из ТхА₂.

Именно альтерация клеточных мембран – это тот великий пианист, который включает через клавиши липидных медиаторов тканевой ответ на повреждение (воспаление). Патофизиологические эффекты простаноидов при местном ответе ткани на повреждение хорошо прослеживаются при воспалении. PgE₂ известен как один из медиаторов, повышающих сосудистую проницаемость (вместе с PgD₂) и расширяющих микрососуды (вместе с простациклином). При нормальном системном кровяном давлении это способствует улучшению местной перфузии. Подобный эффект делает упомянутые простаноиды мощными стимуляторами кровоснабжения стенки желудка. К тому же, они способствуют выделению защитной слизи и снижают образование кислоты в желудке. Все это, в целом, обеспечивает им роль ключевых противоязвенных факторов и портит репутацию салицилатов таким серьезным побочным действием, как ульцерогенный эффект. Простагландин Е₂ опосредует резорбцию костей и повинен, в частности, в гиперкальциемии и остеопорозе, наступающих при злокачественных новообразованиях. Простагландин Е выделяется под влиянием секретируемого опухолевыми клетками паратиреоидин-подобного полипептида, а также при воздействии интерлейкина-1 и фактора некроза опухолей, производимых при онкологических заболеваниях клетками иммунной системы. Резорбция костей при ревматоидном артрите и альвеол при гингивитах тоже опосредована этим медиатором. Установлена стимулирующая роль PgE₂, для секреции ренина, почечного кровотока, натрийуреза и диуреза и ингибирование им вазопрессин-зависимой реабсорбции воды. Нарушение этих механизмов может привести при избыточном действии PgE₂ к гипокалиемическому выделительному алкалозу (синдром Барттера). Простаноиды, особенно, PgE₂ и простациклин, способны ингибировать в островках Лангерганса секрецию инсулина в ответ на глюкозу, что, вероятно, имеет значение в патогенезе нарушений инсулиновой секреции при сахарном диабете. В то же время, в жировой ткани действие РgЕ₂, тормозящего липолиз, и РgI₂, стимулирующего распад жира, противоположно.

РgЕ₂ и РgF_2a стимулируют сокращения матки и инволюцию желтого тела, в связи с чем предполагают их участие в патогенезе дисменореи и выкидышей. Последний, к тому же, является вазоконстриктором и может нарушать кровоток в плаценте. РgЕ₂ опосредует эффекты эндогенных пирогенов вгипоталамусе и играет ключевую роль в развитии лихорадки. Он оказывает иммуносупрессирующий эффект на лимфоциты.

Баланс между ТхА₂, выделяемым тромбоцитами, и простациклином, производимым эндотелием, определяет жидкое состояние крови винтактных сосудах и несмачиваемость неповрежденной сосудистой стенки, защищенной мономолекулярной фибриновой выстилкой. Интересно, что аспирин подавляет продукцию обоих этих регуляторов, однако эндотелий способен восстановить ферменты, генерирующие простациклин, значительно скорее, чем появятся новые тромбоциты, способные к выработке тромбоксана А₂, в связи с чем результирующий эффект действия аспирина – антикоагулянтный и антитромбогенный. Простациклин тормозит формирование атером, его продукция стимулируется антиатерогенными липопротеидами высокой плотности.

Итак, эффекты простаноидов, появляющихся при повреждении клеточной мембраны, могут быть как защитными, так и повреждающими. Ктому же, простаноиды способны стимулировать выделение из клетки других биорегуляторов, например дегрануляция тучных клеток может быть запущена через рецептор PgD₂.

Обсуждая патогенные и защитные эффекты системы простаноидов, мы все время упоминаем одно из мощнейших лекарств, открытых человечеством – аспирин. Аспирин стал употребляться почти за столетие до того, как прояснили механизм его действия – блокирование циклооксигеназы. Мы уже отмечали выше, что фармакологический эффект аспирина, так же как и наиболее серьезный из его побочных эффектов – ульцерогенный, базируются на одном и том же механизме. На наш взгляд, это принципиально важный факт: фармакология не может полностью отделить лечебный и побочный эффекты лекарства вследствие того, что в организме защитное и вредоносное действие неотделимы и порождаются одним и тем же механизмом.

Липооксигеназный путь приводит к образованию под действием фермента 5-липооксигеназы 5-гидропероксэйкозатетраеновой кислоты (5-НРЕТЕ), а затем 5-гидроксиэйкозатетраеновой кислоты (5-НЕТЕ). Последняя служит мощным хемоаттрактантом полиморфонуклеарных лейкоцитов. Из нее образуются лейкотриены (Lt) А₄ и В₄ (медиаторы краевого стояния лейкоцитов и адгезии тромбоцитов, а также хемоаттрактанты этих клеток). Присоединяя пептид через сульфгидрильную группу, LtА₄ переходит в кислые серосодержащие липопротеиды LtС₄, LtD₄ и LtE₄, ранее условно называвшиеся в патофизиологии «медленно реагирующая субстанция анафилаксии» – МРСА. Компоненты МРСА вызывают, соответственно, вазоспазм (С₄), бронхоспазм (D₄) и повышение проницаемости сосудов (Е₄), что делает их ключевыми участниками коронарных ишемических приступов, бронхиальной астмы и отека Квинке. Наконец, LtF^:₄ можно получить из LtE₄ путем глутаминирования.

Роль лейкотриенов особенно велика при бронхиальной астме и ишемической болезни сердца. При астме лейкотриены вызывают не только бронхоспазм, но также и отек слизистой бронхов, нарушение мукоцилиарной функции и увеличение продукции бронхиальной слизи. Все это вместе обеспечивает обструкцию дыхательных путей. Лейкотриен В₄ вместе с другими хемотакcическими факторами обеспечивает аттракцию тромбоцитов, эозинофилов и других полиморфонуклеаров, которые при помощи своих медиаторов, в частности, лейкотриена С₄, поддерживают нарушения бронхиальной проводимости. При ишемической болезни сердца, вопреки широко распространенному мнению, наивысший риск инфаркта миокарда и внезапной сердечной смерти, а также наиболее опасная нестабильная форма стенокардии связаны не с большими фиброзными и кальцинированными атеросклеротическими бляшками, а с относительно меньшими по размерам поражениями, богатыми липидами и макрофагами. Дело в том, что коронарная ишемия, особенно её вариантная форма, развивается не столько вследствие прямого анатомического сужения просвета венечного сосуда бляшкой, сколько вследствие спазмов коронаров, которые провоцируются выбросом лейкотриенов из нестабильных липидно-макрофагальных атером.

Спектр эйкозаноидов, производимых различными клетками в ответ на повреждение, сильно отличается. Он также может варьировать и для одних и тех же клеток в зависимости от условий, например, парциального напряжения кислорода или диеты и доступности субстратов. Так, например, клетки сосудистой стенки боталлова протока после перехода к легочному дыханию у новорожденного из-за возрастания парциального напряжения кислорода в крови уменьшают продукцию простагландина Е, и изменяют реакцию на него, следствием чего является закрытие боталлова протока. Нейтрофилы уникальны своей способностью производить тригидроксиэйкозаноидные производные – липоксины.

Употребление в пищу смородины, некоторых сортов зеленых яблок и пищевой добавки тартразина, содержащейся в кондитерских изделиях, прохладительных напитках и мятных таблетках, особенно, на фоне пищевого дефицита ненасыщенных жирных кислот, может сместить равновесие продуктов арахидонового каскада и вызвать преобладание лейкотриенов над простагландинами. У лиц с конституциональной недостаточностью циклооксигеназы (синдром Видаля) это может вызвать бронхоспазм и астматический кашель, что иногда ошибочно трактуется как пищевая аллергия. Подобные же явления провоцируются у таких пациентов аспирином.

Дополняя диету w-3-ненасыщенными жирными кислотами, содержащимися, в частности, в морепродуктах, можно добиться снижения продукции арахидоновых метаболитов с непредельными связями во 2 и 4 положении и увеличить выработку производных дигомо-g-линоленовой и эйкозапентаеновой кислот, с двойными связями в положении 3. Это приводит к уменьшению тромбогенных и агрегационных свойств тромбоцитов, формирующих ТхА₃ вместо ТхА₂ и к увеличению тромбо- и спазморезистентности сосудистой стенки. Диеты, богатые w-3-ненасыщенными жирными кислотами, рекомендуются в превентивной медицине для профилактики атеросклероза и его осложнений. Эйкозаноиды оказывают на те или иные функции клеток разнонаправленный эффект, в зависимости от их концентрации и от присутствия других сигналов. Это связано с их способностью модулировать ответ клеток на различные биорегуляторы путем вмешательства в механизмы пострецепторного опосредования. Они, например, влияют на клеточный ответ, изменяя скорость продукции ц-АМФ, через взаимодействия с G-белками.