Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Кальций и повреждение кардиомиоцитов .doc
Скачиваний:
43
Добавлен:
09.09.2014
Размер:
296.96 Кб
Скачать

Постишемическая реперфузия и работа внутриклеточных систем

Сарколемма. Относительно мало известно о прямом влиянии ишемии и постишемической реперфузии на биохимические про­цессы, происходящие в сарколемме. Ее пассивная проницаемость для ионов Са2+ не изменяется при продолжительности ишемии, составляющей около 1 ч [26]. Однако через 3 ч и более пассив­ная проницаемость ее для ионов Са2+ увеличивается [26] по крайней мере в препаратах некоторых видов животных.

В отличие от очень продолжительных эпизодов ишемии, необ­ходимых для усиления пассивной проницаемости сарколеммы для ионов Са2+ уже в самом начале ишемического эпизода, в первые 10—20 мин, наблюдается понижение активности (Na+, К+)-АТФазы [26]. Оно не сопровождается изменениями липидного состава плазмалеммы, т. е. не зависит от последнего. Зна­чит этот эффект вероятнее всего связан либо с некоторым еще не распознанным повреждением сарколеммы, либо с появлением специального ингибитора, который не исчезает в процессе выде­ления изолированных везикул сарколеммы. Причина, определяю­щая такое быстрое нарушение работы насоса, не имеет большо­го значения, если оно происходит одновременно с истощением субстрата, также вызывающим угнетение активности (Na+, К+)-АТФазы, которое хорошо согласуется с наблюдением о возраста­нии в ткани в самом начале ишемии уровня Na+ и снижении уровня К+.

(Na+, К+)-АТФаза является не единственным ферментом сар­колеммы, на работу которого влияет ишемия. Например, недав­но было описано [26] уменьшение активности аденилатциклазы Примерно в это же время происходит замедление Na+—Са2+-обмена [26]. Следовательно, существуют по крайней мере три си­стемы: Na+—Са2+-обмен, аденилатциклаза и (Na+, К+)-АТФаза, работы которых замедляются уже на ранней стадии ишемии, ког­да пассивная проницаемость сарколеммы для ионов Са2+ еще не изменяется.

Миофибриллы. Миофибриллы очень устойчивы к влиянию ишемии [27], но не исключено, что ив них происходят какие-ли­бо еще не распознанные изменения.

Саркоплазматический ретикулум. Кроме угнетения Са2+-аккумулирующей способности саркоплазматического ретикулума, вследствие истощения внутриклеточных запасов АТФ, ишемия и постишемическая реперфузия непосредственно влияют на его функции, замедляя скорость освобождения Са2+ [28]. Однако и в этом случае такой эффект наблюдается только при продолжи­тельной ишемии.

Митохондрии. В настоящее время проведено большое число исследований, показавших, что в ответ на ишемию снижается способность миокардиальных митохондрий синтезировать АТФ [3, 10], усугубляющаяся при реперфузии. Угнетение синтеза АТФ происходит с той же скоростью, что и повышение содержа­ния Са2+ в митохондриях [2, 8, 10]. Эти два явления, по-видимо­му, связаны друг с другом, так как поддержание нормального содержания Са2+ в митохондриях зависит от поступления АТФ, но если поместить митохондрий в среду с высокой концентрацией Са2+, то рефосфорилирование АДФ происходит медленнее [8].

В настоящее время неизвестно, почему в различных органеллах происходят такие изменения в ответ на ишемию или ишемическую реперфузию, но довольно заманчиво было бы предполо­жить, что все они отражают некоторые фундаментальные изме­нения в организации фосфолипидных и протеолипидных мем­бран, обусловленные нарушением гомеостаза ионов на ранней стадии ишемии, который сопровождается повышением концент­рации Са2+ в цитозоле.

Прежде чем приступить к описанию возможных путей поступ­ления Са2+ в поврежденные кардиомиоциты, следует рассмотреть вопрос о повышении содержания Са2+ в клетках, которое проис­ходит в различных условиях, включая Са2+-парадокс и постгипоксическую оксигенацию.

ПОСТУПЛЕНИЕ Са2+ ПРИ КАЛЬЦИЕВОМ ПАРАДОКСЕ

Определение

При перфузии изолированного сердца млекопитающего рас­твором, не содержащим ионов Са2+, механическая активность миокарда быстро исчезает [6], а электрическая сохраняется [29]. Если после нескольких минут перфузии сердца взрослого животного бескальциевым раствором в раствор добавить ионыСа2+, то развивается последовательность событий, которая из­вестна как «кальциевый парадокс» [6]. Он характеризуется быстрым массивным входом Са2+ в клетки [4, 5], истощением за­пасов макроэргических фосфатов [31], нарушением работы саркоплазматического ретикулума [32] и выходом из клеток во вне­клеточное пространство некоторых внутриклеточных компонен­тов, включая креатинкиназу и миоглобин. Хотя существование Са2+-парадокса хорошо установлено, его патофизиология остает­ся неясной. Основная и все еще не решенная проблема связана с путями поступления Ca2+ в клетки в этом случае [33]. Некото­рые исследователи предполагают, что основным путем входа Са2+ являются медленные каналы [33]; другие—что поступле­ние Са2+ по медленным каналам не участвует в этом процессе 15].

Факторы, влияющие на величину прироста содержания Са2+ во время кальциевого парадокса

Целесообразно повторить, что Са2+-парадокс представляет со­бой необратимое явление, вызываемое введением ионов Са2+ в перфузионный раствор после относительно короткого периода бескальциевой перфузии. С самого начала необходимо усвоить, что описанные выше условия, вызывающие массивный вход Са2+ при постишемической реперфузии, совершенно отличаются от условий, возникающих при кальциевом парадоксе. В случае ре­перфузии ишемического миокарда уменьшение запасов макро­эргических фосфатов предшествует приросту содержания Са2+, в то время как при Са2+-парадоксе клеточные запасы АТФ и КФ сохраняются или даже увеличиваются до тех пор, пока не начи­нается переполнение клеток ионами Са2+ [2]. Следовательно, при Са2+-парадоксе истощение клеточных запасов макроэргических фосфатов начинается после и в результате повышения содержа­ния Са2+ в ткани (рис. 18.6), в то время как при реперфузии сердца после ишемии истощение макроэргических фосфатов предшествует повышению входа Са2+ и может косвенно запу­скать его.

Некоторое представление о величине прироста содержания Са2+ во время парадокса можно получить на основании данных, суммированных в табл. 18.5. Очевидно, что прирост содержания Са2+ при парадоксе превышает наблюдаемый при реперфузии ишемического миокарда (сравните с данными табл. 18.3).

Рис. 18.6. Уровень АТФ в ткани сердца кролика, кото­рую в течение 5 мин перфузировали бескальциевым раствором при 37 °С, а затем концентрацию Са2+ восста­навливали до исходного уровня. Обратите внимание, что тканевые запасы АТФ начинают уменьшаться лишь после восстановления кон­центрации Са2+ в растворе.

Таблица 18.5. Содержание Са2+ и Na+ в миокарде во время развития кальциевого парадокса

Продолжительность перфузии бескаль­циевым раствором (мин)

Содержание в ткани (мкмоль/г сухой массы)

Са2+

Na+

0 (контроль)

3,7+0,14

44,5+2,21

1

4,0+0,22

45,7+4,37

5

17,6+0,94

132,9+7,22

10

19,3+0,55

129,9+5,22

Примечание. В экспериментах использовали изолированные ткани сердца крыс [4]. За исключением бескальциевого раствора, обычный перфу­зионный раствор содержал 1,25 мМ Са2+. Эксперименты проводили при 37 °С.

Увеличение содержания Са2+, происходящее во время каль­циевого парадокса, сопровождается (см. табл. 18.5) значитель­ным повышением уровня Na+ (см. табл. 18.5) и потерей К+ [4]. Следовательно, нельзя считать, что кальциевый парадокс может быть связан с высокоспецифическими изменениями селективной ионной проницаемости мембраны, окружающей миокардиальные клетки. Вероятнее всего, ионы различных видов просто переме­щаются через мембрану по направлению соответствующих ион­ных градиентов. Однако в этом случае вполне уместно задать во­прос, насколько измерения содержания катионов, производимые через 5 или 10 мин после начала переполнения клеток ионами Са2+, отражают изменения, происходящие в течение первых не­скольких секунд? Ниже мы продолжим обсуждение этого во­проса.

К факторам, влияющим на количество Са2+, поглощаемого клетками в описанных выше условиях, относятся продолжитель­ность перфузии бескальциевым раствором (см. табл. 18.5), тем­пература бескальциевого перфузионного раствора [34], содер­жание Na+ в перфузионном растворе [4] и наличие в нем других двухвалентных катионов, в частности Со2+ или Мn2+ [35]. Ока­залось, что ни Mg2+ [4], ни верапамил [5] не влияют на величи­ну перегрузки клеток ионами Са2+, образующейся в этих услови­ях. Однако (табл. 18.6) содержание Са2+ в перфузате, заменяю­щем бескальциевый раствор, существенно влияет на прирост со­держания Са2+ при кальциевом парадоксе. Повышение содержа­ния Са2+ происходит быстрее при более высокой концентрации Са2+ в перфузионном растворе.

Общепризнано, что наличия Са2+ более 0,05 ммоль/л в бес­кальциевом перфузионном растворе достаточно для защиты мио­карда от возникновения парадокса. Если перфузия осуществля­ется буфером, содержащим меньшее количество Са2+, то при этом наверняка возникнет кальциевый парадокс, если не будут приняты меры для защиты миокарда. До рассмотрения вопроса о путях и причинах такой значительной перегрузки кардиомиоцитов ионами Са2+ целесообразно суммировать все факторы, ко­торые, как было показано, ослабляют проявление парадокса. К сожалению, во многих экспериментах в качестве маркера воз­никновения парадокса использовали выход из клеток определен­ных белков или ферментов, а так как прирост содержания Са2+ в ткани развивается не обязательно параллельно выходу фер­мента (или белка), то нельзя быть уверенным в том, что ослаб­ление проявлений парадокса, описанное в работах, посвященных этому вопросу, всегда сопровождалось снижением прироста Са2+ в ткани. К факторам, которые, по-видимому, ослабляют проявле­ние парадокса, относятся: небольшая продолжительность перфу­зии бескальциевым раствором (менее 1 мин); замена части ионов Na+ в растворе, используемом вместо бескальциевого, иона­ми Li [4]; ацидоз [36]; охлаждение перфузата [34] и добавление ионов Со2+ или Мn2+, при условии их введения до начала перфу­зии бескальциевым раствором [35]. К факторам, приводящим к усилению проявлений парадокса, относятся увеличение продол­жительности перфузии бескальциевым раствором и повышение концентрации Са2+ в перфузате.

Таблица 18.6. Влияние концентрации Са2+ в растворе после перфузии бескальциевой средой на прирост содержания Са2+ в ткани во время кальциевого парадокса (мкмоль/г сухой массы)

Примечание. Результаты получены на изолированной ткани сердца крыс [4], перфузируемой при 37 °С. Данные для 0 мин перфузии бескальцие­вым раствором являются контролем.

Внутриклеточная локализация поглощенного Са2+

Установив, что кальциевый парадокс приводит к перегрузке кардиомиоцитов ионами Са2+, будет уместно снова поставить во­прос о месте накопления их внутри клетки. Насколько известно в настоящее время Са2+ преимущественно накапливается в митохондриях, так что они перегружаются ионами Са2+ (рис. 18.7) точно так же, как описано в случае реперфузии ишемического миокарда. По мере повышения содержания Са2+ внутри митохондрий снижается их способность синтезировать АТФ (рис. 18.8). Поэтому миокард снова оказывается в условиях угне­тения энергетического метаболизма, очень напоминающих усло­вия, в которых оказывается миокард при реперфузии после ише­мии. Различие между этими двумя условиями состоит в том, что в случае парадокса: а) уменьшение запасов АТФ в ткани непо­средственно связано с массивным поступлением Са2+ в отличие от наблюдаемого при постишемической реперфузии; б) массив­ное поступление Са2+ происходит, несмотря на нормальную кон­центрацию АТФ и КФ в ткани, но этого нет при реперфузии; в) ультраструктура сарколеммы и ее оболочки оказываются по­врежденными до начала массивного поступления Са2+, что не обязательно при постишемической реперфузии.

Рис. 18.7. Содержание Са2+ в митохондриях, выделенных из тканей сердца, которые в течение 5 мин перфузировали бескальциевым раство­ром, а затем раствором, со­держащим Ca2+. Митохондрии выделяли в среде без ЭГТА [8], чтобы содержа­ние Са2+ в них не измени­лось при выделении. р<0,001; каждая точка отражает среднее значение + стандартную ошибку среднего значения для 6 экспериментов.

Рис. 18.8. То же, что и на рис. 18.7, но в митохондриях оценивали синтез АТФ. р<0,001; каждая точка означает среднее значение + стандартную ошибку среднего значения для 6 экспериментов.

Изменения структуры клеточной поверхности, вызванные чрезмерным накоплением Са2+ после короткого периода перфузии бескальциевым раствором

Поверхность кардиомиоцитов имеет сложную ультраструкту­ру. Кроме плазмолеммы, обладающей ферментативной актив­ностью, существует также электронно-плотный слой, богатый углеводами, называемый «гликокаликс», или базальное покры­тие [37]. Его можно разделить на внутреннюю поверхностную оболочку и внешний слой [38]. Плазмолемма, внутренняя по­верхностная оболочка и внешний слой в нормальных условиях неразрывно соединены друг с другом и все вместе создают внеш­нюю границу клетки. Однако при перфузии бескальциевым рас­твором компоненты гликокаликса разъединяются. Внутренняя поверхностная оболочка остается прикрепленной к плазмолемме, в то время как между внутренней поверхностной оболочкой и внешним слоем образуются заполненные жидкостью щели [38]. Если на фоне таких изменений вновь начать перфузию раство­ром, содержащим Са2+, то возникают необратимые повреждения, сопровождающиеся массивным поступлением Са2+ в клетки [4, 6]. Некоторые исследователи полагают, что такое нарушение структуры клеточной поверхности обусловливает высокую про­ницаемость расположенной в самом низу плазмолеммы для ионов Са2+ [38]. Другие считают, что путь поступления Са2+ в клетки значительно более сложен [39]. Не следует также забы­вать, что нарушение структуры гликокаликса не является един­ственным изменением строения клеточной поверхности. Напри­мер, обычно плотно прилегающие друг к другу мембраны сосед­них клеток в зоне вставочного диска далеко расходятся в сторо­ны [40]. Возникает естественный вопрос, не может ли часть Са2+, поступающего внутрь клеток при кальциевом парадоксе, прони­кать через мембрану таких видоизмененных вставочных дисков.

Последствия перегрузки кардиомиоцитов ионами Са2+, связанные с кальциевым парадоксом

Установив, что во время кальциевого парадокса происходит перегрузка клеток ионами Са2+, необходимо рассмотреть послед­ствия такой перегрузки. К ним относятся нарушение работы митохондрий (рис. 18.8), активация Са2+-зависимых фосфатаз, фосфолипаз и АТФаз, ингибирование (Na+, К+-АТФазы (происхо­дящее при увеличении концентрации Са2+ выше 0,1 ммоль/л) и активация миофибриллярного аппарата, приводящая к развитию контрактуры и чрезмерному расходу АТФ. Возможно, что быст­рое развитие контрактуры обусловливает по крайней мере час­тично дальнейшее разрушение клеточной мембраны и вставоч­ных дисков, что в свою очередь приводит к усилению перегрузки кардиомиоцитов ионами Са2+. Все это заканчивается полным истощением запасов АТФ, пересокращением кардиомиоцитов, которые повреждаются до такой степени, что значительная часть их внутриклеточного содержимого выходит во внеклеточное про­странство. В таких условиях, как и следует ожидать, в значи­тельной степени угнетается даже Са2+-аккумулирующая способ­ность саркоплазматического ретикулума [32].

ПРИРОСТ СОДЕРЖАНИЯ Са2+ В ТКАНИ ПРИ ПОСТГИПОКСИЧЕСКОЙ РЕОКСИГЕНАЦИИ

Изменение содержания Са2+ во времени

В этой главе выше было описано увеличение содержания Са2+ в ткани, происходящее при реперфузии ишемического миокарда. Логично было бы задать вопрос, происходит ли аналогичный прирост содержания Са2+ при гипоксии миокарда и последующей реоксигенации.

Результаты проведенных недавно исследований показали, что в миокарде действительно происходит накопление Са2+ во время продолжительной гипоксии в отсутствие субстратов [41]. Однако повышение содержания Са2+ при этом невелико по сравнению с наблюдаемым при реоксигенации гипоксического миокарда. Этот процесс происходит без сопутствующего повышения скорости входа Са2+ [41]. Он начинается сразу при реоксигенации и, сле­довательно, даже предшествует развитию контрактуры. Количе­ство Са2+, поступающего при этом в кардиомиоциты, составляет около 6—8 мкмоль/г сухой массы, т. е. приближается к величине, наблюдаемой при постишемической реперфузии.

Последствия повышения содержания Са2+

Последствия повышения содержания Са2+ близки к возникаю­щим при реперфузии ишемического миокарда. К ним относятся нарушение целостности сарколеммы, развитие контрактуры, пе­регрузка митохондрий ионами Са2+ и гибель клеток.

Почему повышение входа Са2+ происходит только во время реоксигенации? На этот вопрос нельзя ответить однозначно, од­ним из возможных объяснений может быть возобновление син­теза АТФ в митохондриях. Как только в клетке снова появляет­ся АТФ, миофибриллы укорачиваются, что может механически разрушать мембрану, которая уже повреждена или стала хруп­кой во время предшествовавшей гипоксии (см. схему 18.1).

ПУТИ ПОСТУПЛЕНИЯ Са2+

Необходимо рассмотреть вопрос о том, как ионы Са2+ посту­пают в поврежденные миоциты. Для нормальных миоцитов в нормальных условиях имеют место по крайней мере четыре раз­личных пути поступления Са2+. К ним относятся: а) обмен Са2+ на Na+ [14]; б) пассивная диффузия; в) обмен на ионы К+; г) через потенциалозависимые медленные каналы [42].

Следовательно, естественно возникает вопрос, происходит ли массивное поступление Са2+ во время Са2+-парадокса, постишемической реперфузии и реоксигенации по одному или несколь­ким из этих путей, или же в этом случае принимает участие не­который иной механизм поступления Ca2+ в кардиомиоциты, ак­тивируемый только в аномальных условиях. На первый взгляд кажется удивительным, что ответ на такой фундаментальный вопрос все еще нельзя получить. Это можно объяснить двумя причинами: во-первых, многие из соединений, предложенных для блокирования одного из перечисленных путей поступления Ca2+ в кардиомиоциты, например, ингибиторы медленных каналов [33], имеют также и другие места действия на миокард [43], кроме хорошо установленного влияния на медленные кальциевые каналы. Например, эти вещества способствуют также сохране­нию энергии в клетках [8], вследствие чего невозможно опреде­лить, связана ли их эффективность как блокаторов входа Ca2+ в таких условиях с их прямым ингибирующим действием на мед­ленные каналы, или же она обусловлена улучшением поступле­ния энергии в виде АТФ к системе, обеспечивающей гомеостаз Ca2+, или же связана с другим, возможно еще не выясненным способом влияния. Такие же трудности возникают при объясне­нии защитного действия гипотермии [34] или ацидоза [36], так как оба этих фактора изменяют несколько параметров работы клетки, включая действие на медленные каналы, Na+—Са2+-обмен и производство энергии.

Поступление Ca2+ при постишемической реперфузии

Прирост содержания Ca2+, происходящий при постишемиче­ской реперфузии, по-видимому, является конечным результатом длинной цепи событий, исходно запускаемой нарушением способ­ности кардиомиоцитов вырабатывать достаточное количество энергии в виде АТФ для поддержания низкой концентрации Ca2+ в цитозоле. Такая последовательность событий может быть близ­ка к показанной на схеме 8. На ранней стадии реперфузии неко­торое количество Ca2+ поступает в кардиомиоциты в обмен на ионы Na+, кроме того, часть Ca2+ может поступать по медленным каналам, активируемым при освобождении катехоламинов из нервных окончаний, и частично—путем пассивной диффузии. Однако на более поздней стадии (см. схему 18.1) значительное увеличение тканевого содержания Ca2+ вероятнее всего обуслов­лено прониканием Са2+ через поврежденную сарколемму. В этих условиях вход Са2+ может быть не связан с увеличением его по­ступления по медленным каналам. Этот вывод подтверждается наблюдениями [9] о том, что добавление блокаторов медленных каналов на поздней стадии не предотвращает повышения внут­риклеточного содержания Са2+ во время постишемической репер­фузии. И наоборот, использование этих соединений в профилак­тических целях до начала реперфузии снижает величину приро­ста содержания Са2+ или даже предотвращает его, вероятно, вследствие их способности препятствовать чрезмерному расходу энергии [8], что позволяет сохранять достаточное количество АТФ для поддержания внутриклеточного гомеостаза. Как только поступление Са2+ в клетки превысит нормальный уровень, мож­но ожидать дальнейшее развитие изменений в результате меха­нического разрушения сарколеммы, сопровождающегося быст­рым развитием контрактуры. Следовательно, при постишемиче­ской реперфузии можно наблюдать по крайней мере 3 стадии кальциевой перегрузки: а) повышение концентрации Ca2+ в цито­золе, происходящее в начале реперфузии, которое обусловлено изменением распределения Са2+ в ткани и поглощением его в обмен на Na+; б) предположительное поступление Са2+ через сарколемму, утечка которой возрастает или образуются «дырки» [18]; в) происходящее при развитии контрактуры механическое разрушение клеточной поверхности, включая вставочные диски.

Поступление Са2+ при кальциевом парадоксе

Поступление Са2+ при кальциевом парадоксе представляет собой более сложное явление. Известно, что перфузия миокарда бескальциевым раствором вызывает расхождение слоев, состав­ляющих гликокаликс, образующий самый внешний слой комп­лекса клеточной поверхности. Гликокаликс можно разделить на два слоя: внешний и внутренний, и при перфузии бескальциевым раствором эти два слоя могут отделиться друг от друга. В этом случае внутреннее покрытие (или оболочка внутренней поверх­ности) остается прикрепленной к сарколемме и отделяется от внешнего покрытия (или внешнего слоя) заполненными жид­костью щелями. Некоторые исследователи [38] считают, что та­кое нарушение структуры клеточной поверхности приводит к по­вышению проницаемости расположенной под ней сарколеммы для ионов С а2+.

Дезорганизация гликокаликса является не единственным из­менением строения клеточной поверхности. Вставочные диски оказываются разделенными относительно широкими щелями вме­сто того, чтобы образовывать плотное прикрепление [40]. Какой бы не была причина, вызывающая такое разрушение вставочных дисков, она может одновременно способствовать более легкому проникновению через них ионов Са2+.

В случае развития парадокса возникает дополнительная про­блема, заключающаяся в том, что увеличение содержания Са2+ не может быть первопричиной парадокса. Например, в недавних исследованиях было показано, что перфузия миокарда бескаль­циевым раствором, содержащим хелаторы Са2+, изменяет работу медленных каналов, делая их проницаемым для ионов Na+ [44]. Это будет способствовать небольшому повышению концентрации ионов Na+ в цитозоле, которое может оказаться достаточным для активации Na+—Са2+-обмена, приводящего к повышению ткане­вого содержания Ca2+. Следовательно, совсем не обязательно предполагать, что основным [39] или единственным путем по ступления Са2+ в клетки при развитии парадокса являются мед­ленные каналы. Нет также никаких оснований считать, что та­кой прирост содержания Са2+ зависит от истощения запасов макроэргических фосфатов. Очевидно, что повышение содержания Са2+ в ткани в таких условиях обусловлено достаточно сложны­ми причинами.

Поступление Са2+ при постгипоксической реоксигенации

Объясняя развитие массивного поглощения ионов Са2+ кардиомиоцитами, происходящего при постгипоксической реоксиге­нации, очень трудно не сделать заключения, что часть Са2+ по­ступает путем диффузии через механически поврежденную мем­брану [45]. Однако некоторые исследователи утверждают, что повышенный вход Са2+ отражает специфические изменения се­лективной проницаемости сарколеммы [41]. Независимо от спра­ведливости этого мнения против повышенного поступления Са2+ исключительно по медленным каналам свидетельствует тот факт, что Са2+-антагонисты, добавленные в перфузат при начале реок­сигенации, не предотвращают увеличения содержания Са2+, хотя при добавлении их в перфузат до начала гипоксии они способст­вуют этому [46].