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].