2.1.3. Механизмы нарушения барьерной функции биологических мембран

Повреждение компонентов биологических мембран при пато­логических процессах. Биологические мембраны наряду с элемента­ми цитоскелета формируют ультраструктуру протоплазмы. Кроме того, они выполняют множество функций, нарушение любой из которых может привести к изменению жизнедеятельности клетки в целом и даже к ее ги­бели. На рис. 2.5 дано схематическое изображение типичной мембраны с указанием тех ее элементов, повреждение которых может наблюдаться при патологии и лежать в основе развития различных заболеваний.

Наиболее тяжелые последствия вызывает повреждение липидного слоя мембран (рис. 2.5, 7), называемого также липидным бислоем, так как он образован двумя слоями липидных молекул (рис. 2.5, 2). Липид- ный бислой клеточной и внутриклеточных мембран выполняет две основ­ные функции — барьерную и матричную (структурную). В нормально фун­кционирующей клетке срединная часть липидного бислоя представляет собой сплошную пленку, образованную углеводородными «хвостами» фосфолипидных молекул. Эта пленка, по свойствам близкая к расплав­ленному парафину, практически непроницаема для ионов и молекул во

-

Объяснения в тексте.

дорастворимых веществ, таких, как углеводы, аминокислоты, белки, нук- леотиды и нуклеиновые кислоты. Повреждение этого сплошного барьера приводит к нарушению регуляции внутриклеточных процессов и тяжелым расстройствам клеточных функций.

В то же время липидный слой мембран формирует в клетке особую жидкую фазу. На поверхности раздела водной и ли- пидной фаз, а также внутри липидной фазы «плавают» мно­гочисленные ферменты, многие субстраты биохимических реакций, белковые клеточные рецепторы, гликолипиды и гликолипопротеиды, образующие гликокаликс.

Во многих клетках до 80 % белков встроены в мембраны или связа­ны с их поверхностью (рис. 2.5). Липидный бислой выполняет, таким обра­зом, роль структурной основы, или матрицы, для всех белковых, липоп- ротеидных, гликопротеидных и гликолипидных компонентов мембран. От свойств липидной фазы мембран, таких, как вязкость, поверхностный за­ряд, полярность, зависит работа мембранных ферментов и рецепторов.

Рис. 2.5. Общая схема строения биологических мембран.

2Ca^{2+ АТФ}

Для наружных клеточных мембран характерно наличие гликокалик- са, образованного гликолипидами и гликопротеидами (рис. 2.5, 3 и 2.5, 4). Гликокаликс выполняет ряд функций, вчастности, от него зависят свой­ства клеточной поверхности, способность клеток к фагоцитозу и адгезии с другими клетками. Гликокаликс эритроцитов препятствует их агглюти­нации. Повреждение гликокаликса приводит к тяжелым последствиям, помимо прочего еще и потому, что это вызывает изменения иммунных свойств клеточной поверхности

.

Действие многих токсичных соединений направлено на белковые компоненты клеточной мембраны. Например, цианистый калий блокиру­ет цитохромоксидазу — фермент, входящий в состав внутренних мемб­ран митохондрии. Ионы тяжелых металлов (ртуть, серебро, свинец) свя­зывают SH-группы белков, в том числе мембранных ферментов и ионных каналов (рис. 2.5, 7 и 2.5, S), вызывая их инактивацию. На белки плазма­тических мембран или элементы цитоскелета (рис. 2.5, 5 и 2.5, 6) направ­лено действие многих бактериальных токсинов. Изменения активности мембранных ферментов, каналов и рецепторных белков, вызванные не­благоприятными факторами, также приводят к нарушению функции кле­ток и развитию заболеваний.

Основные механизмы нарушения барьерных свойств липидно­го слоя. Изучение воздействия разного рода повреждающих агентов на изолированные клетки (например, на эритроциты), митохондрии, фосфо- липидные везикулы (липосомы), плоские бислойные липидные мембра­ны (БЛМ) и другие модельные объекты показало, что в конечном счете существует четыре основных процесса, которые при патологии непосред­ственно обусловливают нарушение целостного липидного бислоя [Вла­димиров Ю.А., 1973]:

• перекисное окисление липидов;

• действие мембранных фосфолипаз;

• механическое (осмотическое) растяжение мембраны;

• адсорбция на бислое полиэлектролитов, включая некоторые белки

и пептиды.

Чтобы понять роль этих процессов в развитии патологического со­стояния, надо знать химические и физические условия протекания каж­дого из них, пути их регуляции в живой клетке и причины ее нарушения, характер повреждения свойств мембран под действием данного процес­са, биологические последствия такого повреждения мембран для жизне­деятельности клетки и организма в целом. Рассмотрим эти вопросы на примере наиболее изученного процесса — перекисного окисления (пе- роксидации)липидов.

Свободнорадикал ьное (перекисное) окисление липидов. Пере­кисное окисление (пероксидация) липидов — пример процесса, идуще­го с участием свободных радикалов. Свободные радикалы — это молеку­лярные частицы, имеющие непарный электрон на внешней орбитали и обладающие высокой реакционной способностью. Их изучение ведется методом ЭПР (спиновые ловушки), хемилюминесценции и путем приме­нения ингибиторов реакций, в которых участвуют радикалы определен­ного типа.

В табл. 2.3 приведен перечень основных типов свободных радика­лов, образующихся в организме человека.

Таблица 2 3 Радикал	Основной источник	Вредные реакции
Первичные радикалы: Семихиноны Супероксид Монооксид азота (N0) Вторичные радикалы: Радикал гидроксила Радикалы липидов Радикалы антиоксидантов Радикалы, образую­щиеся при метаболиз­ме ксенобиотиков Радикалы, образую­щиеся при действии света	Цепи переноса электронов Клетки-фагоциты Клетки эндотелия и многие другие H202+Fe^2+-* Fe^3+ + Н0~ + + НО* (реакция Фентон) HOCI + Fe^2+ -> Fe^3+ + CI" + + НО* (реакция Осипова) Цепное окисление липидов Цепное окисление липидов Промышленные токсины и некоторые лекарства Поглощающие свет вещества	HQ* + O2^ Q + *O2- + H^+ •02 + Fe^3+ -> 02 + Fe^2+ N0* + *02" + Н^+ -> OONO (пероксинитрит) Повреждение ДНК и РНК, цепное окисление липидов Повреждение липидного бислоя и мембранных ферментов Иногда оказывают прооксидантное действие Образование вторичных радикалов Образование вторичных радикалов

Первичные радикалы. К первичным можно отнести радикалы, об­разующиеся в клетках ферментативным путем, — это радикалы кислоро­да (супероксид и гидроксильный радикал), монооксид азота, радикалы, образующиеся в окислительно-восстановительных реакциях (например, убихинол). Вторичные радикалы образуются при неферментативных ре­акциях ионов железа. Это гидроксил-радикалы и радикалы липидов. Ра­дикалы образуются также при действии ультрафиолетовых лучей и входе метаболизма некоторых чужеродных соединений (ксенобиотиков), в том числе некоторых препаратов, ранее применявшихся в качестве лекарств.

Активные формы кислорода. Основная масса молекулярного кис­лорода, потребляемого клетками нашего организма, непосредственно восстанавливается до воды, окисляя органические субстраты в цепях пе­реноса электронов. Меньшая часть кислорода расходуется на неполное окисление органических соединений. Наконец, заметная часть кислоро­да восстанавливается клетками организма до супероксидного радикала. Так, клетки-фагоциты (моноциты и гранулоциты крови и тканевые макро­фаги) выделяют кислород в реакции, катализируемой ферментным ком­плексом НАДФН-оксидазой:

НАДФН + 20₂ -> НАД⁺ + Н⁺ + 20₂" (супероксид).

Свободные радикалы, образующиеся в клетках организма

Дальнейшая судьба супероксидных радикалов может быть разной (см. рис. 2.6). В норме и при отсутствие ионов металлов переменной ва-00N0 (пероксинитрит)

1

C Г

о, + н,о,

•oo-

i 4