4,2, Изменение физико-химических свойств и структуры мембран, активности ферментов, баланса ионов и электрофизиологических параметров кардиоцитов

Мембраны кардиоцитов существенно модифицируются как во время ише­мии, так и при реперфузии миокарда. Существенной особенностью этого меха­низма является то, что степень изменения мембран во многом определяет обра­тимый или необратимый характер повреждения кардиоцитов в целом.

Имеется несколько общих и взаимосвязанных механизмов физико-химиче­ской и структурной альтерации мембран клеток миокарда при его ишемии и по­следующей реперфузии. К числу наиболее значимых относятся:

• чрезмерная интенсификация липопероксидных реакций;

• значительная активация мембраносвязанных, солюбилизированных и ли- зосомальных гидролаз;

• накопление избытка и внедрение продуктов указанных выше процессов (высших жирных кислот, гидроперекисей липидов, других амфифильных соеди­нений) в мембраны клеток с развитием ими детергентного эффекта;

• нарушение конформации молекул белка и липопротеидов, торможение процессов репаративного ресинтеза поврежденных мембран и ферментов, а так­же синтеза их компонентов заново;

• перерастяжение и микроразрывы мембран в результате набухания кардио­цитов и их органелл.

Указанные механизмы прямо или опосредованно обусловливают поврежде­ние, изменение конформации и/или кинетических свойств ферментов миокарда (многие из которых связаны с мембранами).

Чрезмерная интенсификация липопероксидных реакций. Эти реакции являются общим звеном патогенеза и ишемии и последующей реперфузии мио­карда, а также многих форм кардиопатологии. Интенсификация СПОЛ как при коронароокклюзии, так и при возобновлении коронарного кровотока обуслов­ливает развитие ряда эффектов.

1. Изменение физико-химических свойств липидной фазы мембран кардио­цитов. Это является результатом, с одной стороны, уменьшения в мембранах об­щего количества фосфолипидов, фосфоэтаноламина, фосфатидилхолина, поли- ненасыщенных высших жирных кислот в связи с «включением» их в реакции свободнорадикального перекисного окисления липидов (указанный процессобозначен как «делипидизация мембран»), а с другой — увеличения содержания в липидной фазе мембран продуктов СПОЛ (гидроперекисей липидов). Послед­ние образуют крупные мицеллы в толще мембран. Гидроперекиси липидов вы­полняют роль своеобразных транспортных каналов для органических соедине­ний и ионов (действуют как ионофоры). Это расстраивает регулируемый транс­порт субстратов обмена веществ в клетку и метаболитов из нее, формирование потенциала покоя, потенциала действия и поверхностного заряда мембран, меж­клеточные взаимодействия, а также нарушает упорядоченное расположение вмембранах молекул высших жирных кислот, фосфолипидов, липопротеидов и их комплексов (последнее обусловлено большей полярностью липидных ми­целл, подвергшихся пероксидации в сравнении с интактными липидами).

2. Модификация физико-химических свойств белковых молекул (выполняю­щих структурную и ферментную функции в клетке). К числу наиболее значимых эффектов альтерации белков в процессе реакций липопероксидации относят:

• конформационные изменения белковых молекул в результате образова­ния дополнительных жестких соединений в виде «поперечных сшивок» между их различными локусами. Они являются результатом необратимого взаимодей­ствия вторичных продуктов СПОЛ (в частности, альдегидов) с аминогруппами аминокислот. Накапливающиеся в результате этого неметаболизирующиеся продукты уже не способны участвовать в биохимических реакциях клеток. К та­кому же результату приводит и образование ковалентных связей в молекуле белка. Этот процесс индуцируется кислородными и липидными радикалами;

• нарушенение кинетических свойств молекул белков-ферментов в резуль­тате их обратимого или необратимого окисления, восстановления, дезаминиро­вания и других модификаций в связи с интенсификацией реакций СПОЛ. След­ствием указанных выше (и других) процессов является нарушение конформа­ции, функциональной активности и топографии белково-липидных комплексов клеточных мембран.

Изменение физико-химических свойств, конформации и места положения молекул липидов, белков, а также их комплексов в мембранах носят, как прави­ло, стадийный характер. В частности, кинетическая активность ряда ферментов в условиях нарастающей интенсификации липопероксидного процесса в начале (в первые 10—15 мин после начала коронароокклюзии) возрастает и лишь затем начинает снижаться, вплоть до ее депрессии, в том числе необратимой. Такая стадийность изменений активности характерна для К⁺, Ыа⁺-АТФазы, кальциевой и магниевой АТФаз, лактатдегидрогеназы, сукцинатдегидрогеназы, аденилат- циклазы.

Продукты липопероксидного процесса существенно повышают проницае­мость мембран кардиоцитов. Это является результатом, с одной стороны, вы­полнения гидроперекисями липидов роли ионофоров, с другой — формирования с их участием сквозных трансмембранных каналов, с третьей — образования микроразрывов в сарколемме и мембранах органелл.

Существенная активация мембраносвязанных, солюбилизированных и лизосомалъных гидролаз. Этот патогенный механизм представляет собой стереотипную реакцию на ишемическое и реперфузионное повреждение сердца. Объектом воздействия гидролаз являются, главным образом, фосфолипиды мембран, триацилглицериды гиалоплазмы, ферментные и структурные белки кардиоцитов.

Основными общими причинами активации гидролаз при ишемии и реперфу­зии миокарда являются: нарастающий ацидоз в клетках ишемизированного ми-

окарда, способствующий высвобождению и активации лизосомных гидролаз; накопление ионизированного кальция в гиалоплазме клеток миокарда (особен­но реперфузируемого). Избыток Са²⁺ активирует, главным образом, солюбили­зированные и мембраносвязанные протеазы, липазы и фосфолипазы; высокая концентрация в ткани поврежденного миокарда катехоламинов (преимущест­венно адреналина) в период постишемического возобновления коронарного кровотока; повышенное содержание в кардиоцитах высших жирных кислот; ин­тенсификация СПОЛ и накопление избытка продуктов этого процесса, активи­рующих фосфолипазы.

Внедрение избытка амфифилъных соединений (высших жирных кис­лот, гидроперекисей липидов и др.) в мембраны клеток с развитием де- тергентного эффекта. Интенсификация процессов СПОЛ, ферментного гид­ролиза белков и липидов при ишемии и последующей реваскуляризации мио­карда, помимо их прямого альтерирующего действия, оказывает «вторичный» повреждающий эффект на мембраны кардиоцитов (в связи с накоплением в них продуктов указанных процессов: гидроперекисей липидов, высших жир­ных кислот, лизофосфолипидов и других). Эти соединения легко внедряются в липидную фазу мембран, нарушая их физико-химические свойства и структу­ру, вплоть до формирования микроразрывов («микробрешей»), что сочетается с расстройством биологических функций мембран. Чрезмерная активация гид­ролаз имеет ряд патогенных последствий. Наиболее значительным среди них является потенцирование процессов делипидизации и депротеинизации мемб­ран кардиоцитов в зоне ишемии и реперфузии миокарда в связи с разрушением молекул белка, фосфолипидов, их комплексов с другими соединениями.

Нарушение конформации белков и липопротеидов биомембран кар­диоцитов в согетании с торможением процессов ресинтеза и репарации поврежденных молекул. Изменение физико-химического состояния мембран клеток миокарда в период их ишемии, а также при возобновлении коронарно­го кровотока, обусловлено также патогенными изменениями конформации их белковых и липопротеидных молекул. Причиной этого являются «деэнергиза- :шя» (дефосфорилирование) указанных молекул в связи с нарушением процес- :ов энергообеспечения кардиоцитов, а также прямое повреждение мембран з связи с чрезмерной активацией СПОЛ. При этом отмечается изменение вто­ричной и третичной структуры белков, конформации липопротеидов; сниже­ние каталитической активности ферментов; снятие белкового «прикрытия» фосфолипидов, которые становятся доступными действию фосфолипаз и сво­бодных радикалов; нарушение энергозависимых процессов ресинтеза макро­молекул мембран.

Перерастяжение и микроразрывы мембран кардиоцитов. Ишемическое и оеперфузионное повреждение мембран вызывает набухание кардиоцитов и их оэганелл в связи с гипергидратацией. Значительное увеличение объема клеток миокарда и их субклеточных структур (особенно при постокклюзионном возоб­новлении тока крови!) обусловливает перерастяжение сарколеммы, мембран гзугих органелл и их разрывы. Причиной этого является увеличение интрацел- тюлярного осмотического и онкотического давления, связанного с избыточным --согуплением в клетки миокарда катионов (натрия, кальция и др.), а также на- хопление в них гидрофильных молекул органических соединений, образующихся 5 результате нарушенного метаболизма. Увеличение содержания внутриклеточ­ной жидкости сочетается с появлением электронномикроскопических признаковнабухания митохондрий, канальцев саркоплазматической сети и Т-систем, с рас­ширением вставочных дисков, а также с наличием микроразрывов сарколеммы и мембран органелл.

В целом, приведенные факты свидетельствуют о том, что повреждение мемб­ранного аппарата и ферментных систем кардиоцитов представляет собой важное звено патогенеза как ишемического, так и реперфузионного повреждения мио­карда. Указанные механизмы обусловливают значительную, нередко — необра­тимую альтерацию кардиоцитов не только в зоне непосредственного действия патогенных факторов ишемии и реперфузии, но и в отдаленных участках сердца. Это обусловливает нарушение функции сердца в целом, даже при его локальном ишемическом повреждении.

Альтерация мембран клеток миокарда в период ишемии и на начальном этапе его реперфузии сопровождается, как правило, потерей ими ионов калия и магния.

Выход К⁺ из клеток ишемизированного и особенно реперфузионного миокарда — неспецифический признак их альтерации. Он сочетается с параллель­ным увеличением концентрации катионов в крови. Главными факторами, вызы­вающими потерю К⁺ кардиоцитами, являются: нарушение их энергетического обеспечения и, как следствие, их сарколеммальной К⁺-Ыа⁺-зависимой АТФазы; снижение кинетической активности указанного фермента в результате прямого его повреждения (избытком свободных радикалов, продуктами липопероксид- ного процесса, ионами водорода) или вследствие физико-химических измене­ний в липидной фазе сарколеммы. На начальных этапах ишемии миокарда «утечка» калия из клеток опережает появление признаков подавления активно­сти K⁺-Na⁺ АТФазы. Это свидетельствует о наличии других путей выхода К⁺ во внеклеточное пространство. К ним можно отнести, в частности, расстройство калий-аккумулирующей функции митохондрий (вследствие их «деэнергиза- ции», выходом в связи с этим К⁺ в гиалоплазму и далее — во внеклеточное про­странство), а также уменьшение в клетках миокарда запаса гликогена, молекулы которого фиксируют в своей структуре ионы калия. Освобождающийся при этом К⁺ также выходит за пределы клетки по градиенту концентрации. Потеря кардио­цитами ионов калия особенно велика на начальном этапе постишемической ре­перфузии миокарда.

Накопление Na⁺ в кардиомиоцитах — другой важный результат их альтера­ции. В основе этого феномена лежат, главным образом, указанные выше первые три фактора, обусловливающие накопление К⁺ в клетках.

Закономерным признаком ишемического и реперфузионного повреждения кардиоцитов является также повышение концентрации цитоплазматического Са²⁺. В условиях ограниченного притока крови к ишемизированному миокарду увеличение уровня интрацеллюлярного содержания Са²⁺ происходит, главным образом, благодаря действию двух механизмов: притоку катиона из межклеточ­ной жидкости (где его концентрация значительно выше, чем в кардиомиоцитах) и перераспределению Са²⁺ между различными участками клетки, в частности в результате выхода катионов в цитозоль из канальцев саркоплазматической се­ти и митохондрий. При этом прослеживается закономерная корреляция между степенью прироста внутриклеточного содержания Са²⁺ и выраженностью по­вреждения миокарда как в период его ишемии, так и при его реперфузии. Во время постишемического возобновления коронарного кровотока ионы каль­ция поступают в поврежденные кардиомиоциты в основном из межклеточного

пространства. Этот процесс имеет стадийный характер, нарастающий по мере увеличения длительности ишемии миокарда, предшествующей его реперфузии.

Повреждение кардиомиоцитов в зоне ишемии и реперфузии миокарда, как правило, сопровождается нарушением механизмов регуляции их объема. Последнее является результатом действия, по меньшей мере, четырех факторов: повышения проницаемости мембран клеток миокарда для ионов и органических гидрофильных молекул; гиперосмии кардиомиоцитов в результате накопления в них избытка ионов (натрия, кальция) и мелкодисперсных органических соеди­нений (лактата, пирувата, альбуминов); гипергидратации и набухания клеток; снижения механической прочности биомембран.

Нарушение энергообеспечения клеток миокарда, альтерация их мембран и ферментов, дисбаланс ионов обусловливают, в свою очередь, нарушение фор­мирования потенциалов покоя и действия, а также возбудимости карди­омиоцитов.

К числу основных закономерных электрофизиологических изменений при ишемии и на начальном этапе реперфузии миокарда относятся: снижение ампли­туды потенциала покоя и действия; уменьшение скорости фазы 0 потенциала дей­ствия; изменение длительности потенциала действия; изменение скорости спон­танной диастолической деполяризации (фазы 4 потенциала действия). Указанные отклонения выявляются и нарастают уже через несколько секунд после начала ишемии миокарда, а при реперфузии они развиваются скачкообразно. Последнее лежит в основе развития феномена «реперфузионных аритмий» (включая и фиб­рилляцию желудочков) сразу после постокклюзионного возобновления коронар­ного кровотока и требуют неотложного специального лечения.

Таким образом, приведенные выше факты свидетельствуют о закономерной активации на начальном этапе периода реперфузии механизмов альтерации мембран и ферментов клеток миокарда, нарушении баланса ионов и электрофи­зиологических параметров кардиоцитов. Важно, что это наблюдается не только в реперфузируемой зоне, но и в отдаленных от нее участках сердца, особенно при реперфузии после длительной ишемии миокарда. Следовательно, на началь­ном этапе реперфузии сохраняются условия генерализованного повреждения сердца, несмотря на локальный характер его ишемии и реперфузии.