Повреждения мембранного аппарата и ферментных систем клетки

Этот механизм играет существенную роль в расстройстве жизнедеятельности клетки, а также в переходе обратимых изменений в ней в необратимые. Это обусловлено тем, что основные свойства клетки в существенной мере зависят от состояния ее мембран и энзимов.

Согласно модели мембраны клеток, предложенной S. Singer и G.Nicolson (1972), она представляет собой вязкую полужидкую мозаичную структуру. Основу ее составляют молекулы фосфолипидов (липидная фаза мембраны), полярные (ионные) "головки" которых направлены к водной среде, т.е. к гидрофильным поверхностям мембран, а неполярные части ("хвосты") - внутрь них (гидрофобная зона). В фосфолипидной среде взвешены белковые молекулы, часть из которых полностью погружена в мембраны и пронизывает их толщу (так называемые интегральные белки), а часть расположена на их поверхности ("периферические" белки). Периферические белки не проникают в толщу мембраны и удерживаются на ее поверхности главным образом электростатическими силами. Белковые молекулы могут менять занимаемое ими положение в липидной фазе мембраны, что влияет на интенсивность и характер протекания катализируемых ими реакций. Кроме того, липиды мембран нередко обеспечивают оптимальные условия для энзиматических процессов. Например, окислительное фосфорилирование требует безводной среды, что предотвращает "спонтанный" гидролиз АТФ.

В последние годы представления о структуре мембран дополнены положением о том, что ее компоненты (белки, гликопротеиды, гликозоаминогликаны, гликолипиды) взаимодействуют между собой, а также с микрофиламентами, микротрубочками, тонофибриллами цитоплазмы клеток, образуя целостную динамическую систему - твердоэластический каркас. Этот каркас "вмонтирован" в жидкую липидную фазу мембран. Наличие каркаса обеспечивает относительно стабильное расположение на (в) мембране "антигенов", рецепторов, ферментов, и других ее компонентов, а также препятствует агрегации белков мембраны, которая была бы неизбежной при свободном движении их молекул в жидкой липидной среде.

К числу основных механизмов повреждения мембран клеток относят:

1) чрезмерную интенсификацию свобонорадикальных реакций (ССР) и свободнорадикального перикисного окисления липидов (СПОЛ) мембран;

2) значительную активацию гидролаз (лизосомальных, мембраносвязанных, свободных);

3) внедрение амфифильных соединений (главным образом продуктов СПОЛ и липолиза) в липидную фазу мембран и их терегенное (разрушающее) действие;

4) торможение процессов ресинтеза поврежденных компонентов мембран и (или) синтеза их заново (de novo);

5) нарушение конформации макромолекул;

6) перерастяжение и разрыв мембран набухших клеток и (или) их органелл.

Важно, что все указанные механизмы прямо или опсредованно обуславливают повреждение, изменение конформации и (или) кинетических свойств ферментов клетки, многие из которых связаны с мембранами.

Одним из важнейших механизмов повреждения мембран и ферментов является чрезмерная активация свободнорадикальных реакций и СПОЛ. Эти реакции протекают в клетках и в норме, являясь необходимым звеном таких жизненно важных процессов, как транспорт электронов в цепи дыхательных ферментов, синтез простагландинов и лейкотриенов, пролиферация и созревание клеток, фагоцитоз, метаболизм катехоламинов и др. Реакции СПОЛ участвуют в процессах регуляции липидного состава биомембран и активности ферментов. Последнее является результатом как прямого действия продуктов липопероксидных реакций на энзимы, так и опосредованного - через изменения состояния мембран, с которыми ассоциированы многие ферменты.

Интенсивность СПОЛ регулируется соотношением факторов, активирующих (прооксиданты) и подавляющих (антиоксиданты) этот процесс (схема 2). К числу наиболее активных прооксидантов относятся легко окисляемые соединения, индуцирующие сводные радикалы, в частности 2 нафтохиноны, витамины А и D, восстановители НАДФН₂, НАДН₂, липоевая кислота, продукты метаболизма простагландинов и катехоламинов.

В реакции пероксидации могут вовлекаться соединения различного биохимического состава: липиды, белки, нуклеиновые кислоты. Однако ведущее значение среди них имеют фосфолипиды. Это определяется тем, что они являются основным компонентом мембран и легко вступают в оксигенные реакции.

Процесс СПОЛ условно можно разделить на три этапа:

1) кислородной инициации ("кислородный" этап);

2) образования свободных радикалов органических и неорганических ("свободнорадикальный" этап);

3) образование перекисей липидов и других соединений ("перекисный" этап).

Инициальным звеном свободнорадикальных перекисных реакций при повреждении клетки является, как правило, образование в процессе оксигенных реакций так называемых активных форм кислорода: синглетного (¹О₂), супероксидного радикала кислорода (О₂^-), перекиси водорода (Н₂О₂), гидроксильного радикала (ОН). Митохондриальный О₂^-генерируется особенно интенсивно лейкоцитами при фагацитозе при метаболической трансформации катехоламинов, синтезе простагландинов и других соединений. Н₂О₂ образуется при взаимодействии (дисмутации) радикалов О₂^- в гиалоплазме клеток и матриксе митохондрий. Этот процесс может катализироваться ферментом супероксиддисмутазой (СОД). Активные формы кислорода обладают повреждающим действием и сами по себе. Однако под влиянием ионов железа, присутствующих как в гиалоплазме клеток, так и в биологических жидкостях (межклеточной, плазме крови, лимфе) они могут "трансформироваться" в весьма "агрессивный", обладающий высоким патогенным действием гидроксильный радикал – ОН^-_.

Радикалы ОН ^- активно вступают в реакции с органическими соединениями, главным образом липидами, а также нуклеиновыми кислотами и белками. В результате образуются их активные радикалы и перекиси. При этом реакция может приобрести цепной "лавинообразный" характер. Однако, это происходит не всегда. В клетках протекают процессы и действуют факторы, которые ограничивают или даже прекращают свободнорадикальные и перекисные реакции, т.е. оказывают антиоксидантный эффект. Одним из таких процессов является, в частности, взаимодействие радикалов и гидроперекисей липидов между собой, что ведет к образованию "нерадикальных" соединений. Ведущую роль в системе антиоксидантной защиты клеток играют механизмы ферментной, а также неферментной природы, главные из которых представлены в таблице 6.4.

Таблица 6.4. Звенья антиоксидантной системы и ее некоторые факторы

Исследования последних лет показали, что чрезмерная интенсификация свободнорадикальных и перекисных реакций является одним из главных факторов повреждения мембран и ферментов клеток. Ведущее значение при этом имеют следующие процессы:

1. Изменение физико-химических свойств липидов мембран, уменьшение содержания в них фосфолипидов, холестерина, жирных кислот. Это обусловливает нарушение конформации их липопротеидных комплексов и в связи с этим снижение активности белков и ферментных систем, обеспечивающих рецепцию гуморальных воздействий, трансмембранный перенос ионов и молекул, структурную целостность мембран;

2. Изменение физико-химических свойств белковых мицелл, выполняющих структурную и ферментативные функции в клетке;

3. Образование структурных дефектов в мембране - так называемых простейших кластеров вследствие внедрения в них продуктов СПОЛ. В частности, накопление в мембране липидных гидроперекисей приводит их к объединению в мицеллы, создающие трансмембранные каналы проницаемости, по которым возможен неконтролируемый ток катионов и других молекул органических и неорганических соединений в клетку и из нее. Увеличение образования продуктов СПОЛ и параллельно с этим кластеров может привести к фрагментации мембран (этот процесс получил название детергентного действия продуктов СПОЛ) и к гибели клетки. Указанные процессы в свою очередь обуславливают нарушение важных для жизнедеятельности клеток процессов - возбудимости, генерации и проведения нервного импульса, обмена веществ, восприятия и реализации регулирующих воздействий, межклеточного взаимодействия и др.

В норме состав и состояние мембран модифицируются не только свободнорадикальными липопероксидными процессами, но также мембраносвязанными, свободными (солюбилизированными) и лизосомальными ферментами: липазами, фосфолипазами, протеазами. Под влиянием патогенных факторов их активность или содержание в гиалоплазме клетки могут значительно повыситься (в частности, вследствие развития ацидоза, способствующего увеличению выхода ферментов из лизосом и их последующей активации). В связи с этим интенсивному гидролизу подвергаются глицерофосфолипиды и белки мембран, а также ферменты клеток. Это сопровождается значительным повышением проницаемости мембран и снижением кинетических свойств ферментов.

В результате активации липопероксидазных реакций и гидролаз (главным образом липаз и фосфолипаз) в клетке накапливаются гидроперекиси липидов, свободные жирные кислоты, лизофосфолипиды, в частности глицерофосфолипиды, фосфатидилхолины, фосфатидилэтаноламины, фосфатидилсерины. Эти соединения получили название амфифильных в связи с их способностью проникать и фиксироваться в обеих (как гидрофобной, так и гидрофильной) средах мембран клеток (от греч. ampho - "оба", два, двояко). При сравнительно небольшом уровне в клетке амфифилиных соединений они, внедряясь в биомембраны, изменяют нормальную последовательность глицерофосфолипидов, нарушают структуру липопротеидных комплексов, увеличивают проницаемость, а также меняют конфигурацию мембран в связи с "клинообразной" формой липидных мицелл. Накопление в большом количестве амфифилов сопровождается массированным внедрением их в мембраны, что, также, как и их избыток гидроперекисей липидов, ведет к формированию кластеров и микроразрывов в них.

Потенцированию повреждения клеточных мембран в связи с торможением процессов обновления их компонентов и устранением дефектов в них способствует также расстройство энергетического "обеспечения" пластических процессов в клетке. Это обусловлено нарушением реакций репаративного ресинтеза поврежденных или утраченных липидных, белковых, липопротеидных, гликопротеидных и других молекул мембран, а также синтеза их заново значительные изменения физико-химического состояния мембран клеток могут быть обусловлены и модификацией конформации (пространственной структуры, формы) макромолекул белка, липопротеидов, гликопротеидов и других соединений. Причиной этому могут стать дефосфорилирование ("деэнергизация) указанных молекул в основном в связи с нарушением прпоцессов энергообеспечения клеток. При этом наблюдается изменение вторичной и третичной структуры белков, конформации липопротеидов, а также подавление каталитической активности ферментов.

Повреждение мембран вызывает набухание клеток (в том числе и их органелл) в связи с их гипергидрацией. Значительное увеличение объема клеток и субклеточных структур (митохондрий, эндоплазматической сети, ядра и др.) обусловливает перерастяжение и нередко разрывы их мембран. Последнее является следствием увеличения осмотического и онкотического давления в клетках. Это в свою очередь обусловлено избытком в них гидрофильных молекул органических соединений (молочной, пировиноградной кислоты, альбуминов, глюкозы и др.), а также ионов.

Таким образом, видно, что повреждение мембран и ферментов клеток является одной из частых и главных причин нарушения жизнедеятельности клеток.