Повреждение плазмолеммы

КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра биологической химии

Основные типы повреждения плазматических мембран.

Синдром цитолиза»

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Караганда 2009

Автор: преподаватель кафедры биологической химии

Абдрахманова Ю.Э.

Утверждена на заседании кафедры пр. № ____ от ____________ 2009г.

Утверждена зав. кафедрой ____________________________________

Утверждена на МК общей медицины и фармацевтического факультетов пр. № _____ от ________ 2009 г.

Председатель _______________________________________________

Последствия повреждения поверхностного аппарата клеток: плазматической мембраны, подмембранной системы клетки и надмембранных структур.

ПОВРЕЖДЕНИЕ ПЛАЗМОЛЕММЫ

Повреждение плазматической мембраны клеток, независимо от его причины (механический или осмотический разрыв, электрический пробой, излучения, ультразвук, поле СВЧ) вызывает ряд типовых патохимических изменений, которым соответствуют характерные патохимические и морфологические картины. Ю. А. Владимиров выделяет 4 основных типа повреждения плазматических мембран:

• Перекисное окисление их компонентов;

• Гидролиз фосфолипазами;

• Механо-осмотическое растяжение;

• Адсорбция на мембране избытка полиэлектролитов

Практически любые причины, вызывающие формирование активных свободных радикалов-окислителей (радиация, озон и высокие концентрации кислорода, яды-окислители, воспаление) вызывают в мембране перекрестное связывание сульфгидрильных групп поверхностных белков, сшивку липидных молекул и перекисное окисление жирных кислот. Вследствие этого могут срезаться или менять свое местоположение в мембране концевые участки трансмембранных гликопротеидов, в том числе, клеточных рецепторов, а также освобождаются токсичные для клеток продукты распада, например, малоновый диальдегид. Перекисные изменения могут аутокаталитически, каскадно нарастая, распространяться вдоль мембраны и на внутриклеточные мембранные структуры. Некоторые агенты, способные связывать сульфгидрильные группы, в частности, ионы ртути, свинца, серебра и других тяжелых металлов, выводят из строя ионные каналы, повышая проницаемость мембран сразу и для катионов, и для анионов.

Проникновение избытка кальция в клетку, вызванное гипоксией или действием тяжелых металлов, активирует мембранные фосфолипазы, развертывающие дальнейший гидролиз липидного бислоя.

На начальной, обратимой стадии клеточного повреждения, это выражается структурно в образовании цитоплазматических выпячиваний на поверхности клетки. У клеток, обладающих микроворсинками, они могут сглаживаться и исчезать. В эпителиальных клетках неспецифическим, филогенетически древним ответом на раздражение и повреждение может, по некоторым данным, служить образование филоподий. Нарушаются межклеточные контакты.

В дальнейшем, прогрессирующее повреждение клеточных мембран приводит к формированию миелиновых фигур, в результате диссоциации белковых и липидных компонентов мембраны, обнажения гидрофобных фосфатидов и захвата воды, расслаивающей мембрану.

При необратимом повреждении в плазмолемме наблюдаются разрывы. Последствием глубокого повреждения клеточных мембран является выход составных частей клетки в межклеточную жидкость. Этот феномен вызывает ряд важных последствий на тканевом уровне и учитывается диагностической медициной.

Многие вещества в норме присутствуют только внутриклеточно. Так, например, клетки не обмениваются АТФ и производят это важнейшее макроэргическое фосфатное соединение по эгоистическому принципу — каждая только для себя. За кажущимся эгоизмом стоит важный принцип межклеточного сотрудничества: в многоклеточном организме оно не основывается на иждивенчестве или паразитизме. Если клетки сотрудничают, они обмениваются энергией не в виде заимствования АТФ, а в форме совместной полезной работы. Скажем, кардиомиоциты предсердий не синтезируют АТФ на экспорт — в желудочки сердца, однако сокращение предсердий перерастягивает желудочки и способствует синтезу желудочковыми кардиомиоцитами дополнительных макроэргических эквивалентов. ДНК каждой клетки принадлежит только ей и не используется в качестве программного аппарата соседними клетками.

Вследствие этого, появление внеклеточной АТФ и ДНК — безусловный признак беды для защитных систем организма, так как это принципиальный маркер разрушения клеток! Не случайно внеклеточные ДНК и АТФ являются мощными хемоаттрактантами и привлекают в очаги клеточного повреждения фагоцитирующие лейкоциты, призванные «расчистить развалины».

Синдром цитолиза, сопровождающий глубокое повреждение плазматических мембран клеток, регистрируется по появлению в межклеточной жидкости или в крови избытка ферментов, субстратов и ионов, в норме преобладающих или присутствующих исключительно во внутриклеточном секторе. Так, при гепатолизе появляются сорбитолдегидрогеназа, глютамико-пировиноградная и глютамико-щавелевая трансаминазы, в норме присутствующие внутри гепатоцитов. Внутрисосудистый гемолиз сопровождается гемоглобинемией и билирубинемией свободным билирубином. Любой массированный цитолиз приводит к гиперкалиемии.

Патофизиологические нарушения функций плазматической мембраны при ее повреждении связаны, прежде всего, с утратой трансмембранных градиентов, активно поддерживаемых живой клеткой. Градиенты могут утрачиваться вследствие усиления протечек вызванного действием сульфгидрильных ядов или механическими разрывами. Но наиболее типичной причиной служит нарастающий походу развития клеточной гипоксии дефицит энергии. Основным потребителем энергии в клетке является натрий-калиевая АТФ-аза, утилизующая в покое до 30% энергии основного обмена. При энергодефиците функция этого фермента нарушается в первую очередь, что ведет к деполяризации мембраны. Сходные градиентсоздающие системы поддерживают в цитоплазме относительно невысокую концентрацию кальция, способного существенно повлиять на работу цитоскелета и митохондрий, а также на арахидоновый и протеолитический каскады.

При повреждении клетки мембранный калий-натриевый градиент всегда сглаживается наблюдается избыток внутриклеточного натрия, осмотическая активность которого удерживает в клетке избыток воды, в то же время вне клетки увеличивается концентрация калия. Фокальное повреждение ткани и массивный некроз клеток в организме из-за этого сопровождаются местным избытком калия в очаге воспаления и/или системной гиперкалиемией. В то же время, умеренная степень гипоксического повреждения клеток всегда сопровождается их " мутным набуханием ", а при более глубокой гипоксии возможен и больший избыток внутриклеточной жидкости» проявляющийся «баллонной дистрофией». Набухание клетки может повлечь опасные для ее соседей последствия. Этот процесс может нарушать микроциркуляцию в ткани, переносящей кислородное голодание, замыкая порочный круг, усиливающий гипоксию. Это особенно значимо в трансплантологии, имеющей дело с нарушениями кровоснабжения трансплантата вследствие гипоксического набухания его клеток при хранении. Не только натриевый, но и кальциевый градиент сглаживается при повреждении плазмолеммы.

Как уже отмечалось выше, избыток внутриклеточного кальция активирует мембранные фосфолипазы А, приводя к освобождению из фосфолипидов самой поврежденной мембраны арахидоновой кислоты, которая затем каскадно превращается в так называемые эйкозаноиды, являющиеся медиаторами воспаления. При участии этих медиаторов альтерация клетки перерастает в координированный ответ, вовлекающий соседние тканевые структуры. Сама же поврежденная мембрана выпускает наружу избыток внутриклеточного калия, становится нестабильной и электрически пробивается собственным потенциалом. Силы поверхностного натяжения препятствуют электрическому пробою мембраны и стягивают дефекты липидного бислоя. Однако, в условиях повреждения клетки как целого действуют такие факторы, как активные кислородные радикалы и эндогенные детергенты, например мыла, способные разрыхлять бислой и облегчать его пробой.

Интересно, что мембранный холестерин является мощным стабилизатором липидного бислоя. Эта молекула, в действительности является необходимым для клетки компонентом и сильно увеличивает резистентность плазматических мембран к электропробою и дезинтеграции. Но, увеличивая устойчивость клетки к одним повреждениям, высокий уровень мембранного холестерина способен заставить некоторые клетки вступать в атерогенез и/или претерпевать повреждения другого рода. Вязкая мембрана богатых холестерином гладкомышечных клеток затрудняет работу кальциевого насоса и ведет к стимуляции деления и пенистой трансформации этих клеток из-за нарастания концентрации свободного цитоплазматического кальция, что способствует формированию атером.

Жесткая мембрана насыщенных холестерином эритроцитов более прочна при механическом повреждении, но это делает красные кровяные клетки менее конфигурабильными при транспорте через капилляры и способствует ишемическим нарушениям микроциркуляции.

Итак, при повреждении создается цепь последствий первичной альтерации плазмолеммы, которая включает:

1. Недостаточность натрий-калиевого насоса и функций ионных каналов;

2. Утрату физиологических трансмембранных ионных градиентов;

3. Избыточный входной ток натрия и воды в клетку;

4. Набухание клетки;

5. Избыточный входной ток кальция в клетку;

6. Активацию мембранных фосфолипаз;

7. Освобождение и превращения арахидоновой кислоты;

8. Нарушение локальной микроциркуляции;

9. Появление вокруг клетки липидных медиаторов воспаления (схему патогенетических последствий повреждения плазматической мембраны см. в приложении А).

Окисление арахидоновой кислоты наступает в ответ на любое повреждение клеточной мембраны или на рецепцию самых разных регуляторов — гормонов, нейромедиаторов и иммуноглобулинов.

Субстрат и ферменты, необходимые для этого, присущи практически всем клеткам и многим постклеточным структурам организма (крайне слабой продукцией эйкозаноидов отличаются эритроциты).

В связи с такой универсальностью продукцию эйкозаноидов считают одним из наиболее древних типовых защитных стереотипов клеток.

Универсальная значимость этого механизма для развития самой различной патологии может быть проиллюстрирована хотя бы тем фактом, что самое популярное и наиболее широкое по спектру своего применения лекарство — аспирин — действует именно в качестве блокатора синтеза некоторых эйкозаноидов.

Эйкозаноиды не накапливаются в клетках, всегда синтезируются заново и представляют собой медиаторную систему острой клеточной реакции на повреждение. Они быстро инактивируются в системном кровотоке и поэтому действуют только на ту клетку, которая их образует, и ее соседей. Поскольку их эффект ограничен очагом, где они формируются, эйкозаноиды представляют собой аутокоиды или паракринные регуляторы. Рассмотрим основные этапы арахидонового каскада.

При повреждении мембран происходит переход просеринэстеразы в активную серинэстеразу, которая мобилизует при участии кальция и метилтрансферазы фосфатидилсерин, который превращается в фосфатидилхолин. Фосфолипаза А₂, стимулируемая особым активирующим белком (PLAP), освобождает из фосфатидилхолина арахидоновую кислоту, которая может также образоваться из диацилглицерина, формируемого из мембранных фосфолипидов ферментом фосфолипазой С. Фосфолипазы ингибируются глюкокортикоидными гормонами, с чем, частично, связан противовоспалительный эффект этих регуляторов.

Свободная арахидоновая кислота окисляется в двух альтернативных путях образования липидных медиаторов. Один из этих путей контролируется ферментом циклооксигеназой и приводит к образованию простаноидов, к которым принадлежат простагландины и тромбоксаны.

Циклооксигеназа блокируется салицилатами, например, аспирином, а также индометацином, ибупрофеном и другими нестероидными противовоспалительными агентами.

Другой путь осуществляется при участии фермента липооксигеназы и активирующего этот энзим мембранного белка FLAP. Он ведет к эйкозаполиеновым кислотам и лейкотриенам. Получены избирательные ингибиторы липооксигеназного пути арахидонового каскада, например зилевтон.

Циклооксигеназный путь начинается с появления циклической эндоперекиси арахидоната — простагландина G₂ (2 обозначает количество двойных связей в боковой цепи).

Затем формируется простагландин Н₂ (PgH₂), а из него — наиболее биологически активные PgD₂, PgE₂, PgF_2α, а в эндотелии и гладкомышечных клетках сосудистой и бронхиальной стенки — также и циклический PgI₂, известный как простациклин.

Включение в кольцо эндоперекисей с помощью фермента тромбоксансинтетазы дополнительного кислородного атома позволяет преобразовать PgH₂ в тромбоксан А₂ (ТхА₂), что, главным образом, происходит в мегакариоцитах и тромбоцитах, а в эндотелии осуществляется менее активно. Другим медиатором этого ряда служит ТхВ₂. образуемый из ТхА₂.

PgE₂ известен как один из медиаторов, повышающих сосудистую проницаемость (вместе с PgD₂) и расширяющих микрососуды (вместе с простациклином). При нормальном системном кровяном давлении это способствует улучшению местной перфузии. Подобный эффект делает упомянутые простаноиды мощными стимуляторами кровоснабжения стенки желудка. К тому же, они способствуют выделению защитной слизни, снижают образование кислоты в желудке. Все это, в целом, обеспечивает им роль ключевых противоязвенных. Простагландин Е₂ опосредует резорбцию костей и повинен, в частности, в гиперкальциемии и остеопорозе, наступающих при злокачественных новообразованиях. Простагландин Е₂ выделяется под влиянием секретируемого опухолевыми клетками паратиреоидинподобного полипептида, а также при воздействии интерлейкина-1 и фактора некроза опухолей, производимых при онкологических заболеваниях клетками иммунной системы. Резорбция костей при ревматоидном артрите и альвеол при гингивитах тоже опосредована этим медиатором. Установлена стимулирующая роль PgE₂ для секреции ренина, почечного кровотока, натрийуреза и диуреза и ингибирование им вазопрессин-зависимой реабсорбции воды. Нарушение этих механизмов может привести при избыточном действии PgE₂ к гипокалиемическому выделительному алкалозу (синдром Барттера). Простаноиды, особенно, PgE₂ и простациклин, способны ингибировать в островках Лангерганса секрецию инсулина в ответ на глюкозу, что, вероятно, имеет значение в патогенезе нарушений инсулиновой секреции при сахарном диабете. В то же время, в жировой ткани действие PgE₂, тормозящего липолиз, и PgI₂, стимулирующего распад жира, противоположно.

PgE₂ и PgF_2a стимулируют сокращения матки и инволюцию желтого тела, в связи с чем, предполагают их участие в патогенезе дисменорреи и выкидышей. PgF_2a является вазоконстриктором и может нарушать кровоток в плаценте.

PgE₂ опосредует эффекты эндогенных пирогенов в гипоталамусе и играет ключевую роль в развитии лихорадки. Он оказывает иммуносупрессирующий эффект на лимфоциты.

Баланс между ТхА₂, выделяемым тромбоцитами, и простациклином, производимым эндотелием, определяет жидкое состояние крови в интактных сосудах и несмачиваемость неповрежденной сосудистой стенки, защищенной мономолекулярной фибриновой выстилкой. Интересно, что аспирин подавляет продукцию обоих этих регуляторов, однако эндотелий способен восстановить ферменты, генерирующие простациклин, значительно скорее, чем появятся новые тромбоциты, способные к выработке тромбоксана А₂, в связи с чем результирующий эффект действия аспирина — антикоагулянтный и антитромбогенный. Простациклин тормозит формирование атером, его продукция стимулируется антиатерогенными липопротеидами высокой плотности.

Итак, эффекты простаноидов, появляющихся при повреждении клеточной мембраны, могут быть как защитными, так и повреждающими. К тому же, простаноиды способны стимулировать выделение из клетки других биорегуляторов, например дегрануляция тучных клеток может быть запущена через рецептор PgD₂.

Обсуждая патогенные и защитные эффекты системы простаноидов, мы все время упоминаем одно из мощнейших лекарств, открытых человечеством — аспирин. Аспирин стал употребляться почти за столетие до того, как прояснили механизм его действия — блокирование циклооксигеназы.

Липооксигеназный путь приводит к образованию под действием фермента 5-липооксигеназы 5-гидропероксиэйкозатетраеновой кислоты (5-НРЕТЕ), а затем 5-гидроксиэйкозатетраеновой кислоты (5-НЕТЕ). Последим служит мощным хемоаттрактантом полиморфонуклеарных лейкоцитов. Из нее образуются лейкотриены (Lt) A₄ и В₄ (медиаторы краевого стояния лейкоцитов и адгезии тромбоцитов, а также хемоаттрактанты этих клеток). Присоединив пептид через сульфгидрильную группу, LtA₄ переходит в кислые серосодержащие липопептиды LtC₄, LtD₄ и LtE₄, ранее условно называвшиеся в патофизиологии «медленно реагирующая субстанция анафилаксии» — МРСА. Компоненты МРСА вызывают, соответственно, вазоспазм (С₄), бронхоспазм (D₄) и повышение проницаемости сосудов (Е₄), что делает их ключевыми участниками коронарных ишемических приступов, бронхиальной астмы и отека Квинке, Наконец, LtF₄ можно получить из LtE₄ путем глутаминирования.

Роль лейкотриенов особенно велика при бронхиальной астме и ишемической болезни сердца.

При астме лейкотриены вызывают не только бронхоспазм, но также и отек слизистой бронхов, нарушение мукоцилиарной функции и увеличение продукции бронхиальной слизи. Все это вместе обеспечивает обструкцию дыхательных путей. Лейкотриен В₄ вместе с другими хемотактическими факторами обеспечивает аттракцию тромбоцитов, эозинофилов и других полиморфонуклеаров, которые при помощи своих медиаторов, в частности, лейкотриена С₄, поддерживают нарушения бронхиальной проводимости.

Спектр эйкозаноидов, производимых различными клетками в ответ на повреждение, сильно отличается. Он также может варьировать и для одних и тех же клеток в зависимости от условий, например, парциального напряжения кислорода или диеты и доступности субстратов. Так например, клетки сосудистой стенки боталлова протока после перехода к легочному дыханию у новорожденного из-за возрастания парциального напряжения кислорода в крови уменьшают продукцию простагландина Е₂ и изменяют реакцию на него, следствием чего является закрытие боталлова протока (см. ниже раздел «Онтогенетические аспекты стресса»). Нейтрофилы уникальны своей способностью производить тригидроксиэйкозаноидные производные — липоксины.

Употребление в пищу смородины, некоторых сортов зеленых яблок и пищевой добавки тартразина, содержащейся в кондитерских изделиях, прохладительных напитках и мятных таблетках, особенно, на фоне пищевого дефицита ненасыщенных жирных кислот, может сместить равновесие продуктов арахидонового каскада и вызвать преобладание лейкотриенов над простагландинами. У лиц с конституциональной недостаточностью циклооксигеназы (синдром Видаля) это может вызвать бронхоспазм и астматический кашель, что иногда ошибочно трактуется, как пищевая аллергия. Подобные же явления провоцируются у таких пациентов аспирином.

Дополняя диету ω-3 ненасыщенными жирными кислотами, содержащимися, в частности, в морепродуктах, можно добиться снижения продукции арахидоновых метаболитов с непредельными связями во 2 и 4 положении и увеличить выработку производных дигомоглиноленовой и эйкозапентаеновой кислот, с двойными связями в положении 3. Это приводит к уменьшению тромбогенных и агрегационных свойств тромбоцитов, формирующих ТхА₃ вместо ТхА, и к увеличению тромбо- и спазморезистентности сосудистой стенки. Диеты, богатые ω -3-ненасыщенными жирными кислотами, рекомендуются в превентивной медицине для профилактики атеросклероза и его осложнений. Эйкозаноиды оказывают на те или иные функции клеток разнонаправленный эффект, в зависимости от их концентрации и от присутствия других сигналов. Это связано с их способностью модулировать ответ клеток на различные биорегуляторы путем вмешательства в механизмы пострецепторного опосредования. Они, например, влияют на клеточный ответ, изменяя скорость продукции цАМФ, через взаимодействия с G-белками.

Список литературы:

1. Основы патохимии / А.Ш. Зайчик, Л.П. Чурилов (Учебник пособие для студентов медицинских ВУЗов). – СПб., ЭЛБИ 2000. – 688 с.

Дата добавления: 2015-07-25