Ядерная пора и ядерный поровый комплекс. Строение и функции ядра. Морфология и химический состав ядра Для комплекса ядерной поры правильны следующие утверждения

Реконструкция ядерной поры.

Ядерные поры - это не просто перфорации, а сложно устроенные, многофункциональные регулируемые структуры, организованные приблизительно 30 белками - нуклеопоринами . Белковая составляющая ядерной поры обозначается термином «комплекс ядерной поры» (англ., nuclear pore complex, NPC). Масса комплекса ядерной поры колеблется в пределах от ~44 МДа в клетках дрожжей до ~125 МДа у позвоночных .

По данным электронной микроскопии , ядерные поры в поперечном сечении имеют форму «восьмиспицевого тележного колеса», то есть имеют ось симметрии восьмого порядка. Эти данные подтверждает тот факт, что молекулы нуклеопоринов присутствуют в составе ядерной поры в количестве, кратном восьми. Проницаемый для молекул канал располагается в центре структуры. Комплекс ядерной поры заякорен на ядерной оболочке с помощью трансмембранной части, от которой к просвету канала обращены структуры, получившие название спиц (англ., spokes), по аналогии со спицами тележного колеса. Эта коровая часть поры, построенная из восьми доменов , с цитоплазматической и ядерной сторон ограничена соответственно цитоплазматическим и ядерным кольцами (англ., rings; у низших эукариот они отсутствуют). К ядерному кольцу прикреплены белковые направленные внутрь ядра тяжи (ядерные филаменты , англ., filaments), к концам которых крепится терминальное кольцо (англ., terminal ring). Вся эта структура носит название ядерной корзины (англ., nuclear basket). К цитоплазматическому кольцу также прикреплены направленные в цитоплазму тяжи - цитоплазматические филаменты . В центре ядерной поры видна электрон-плотная частица, «втулка» или транспортер (англ., plug).

Физические размеры ядерной поры высших эукариот. Вид сверху и сбоку.

Свойства ядерных пор

Количество ядерных пор на одно ядро может колебаться от 190 у дрожжей , 3000-5000 в клетках человека , до 50 млн в зрелых ооцитах шпорцевой лягушки (Xenopus laevis ). Этот показатель может также варьировать в зависимости от типа клетки, гормонального статуса и стадии клеточного цикла . Например, в клетках позвоночных количество ядерных пор удваивается на протяжении S фазы, одновременно с удвоением хромосом . При разборке ядерной оболочки во время митоза ядерные поры позвоночных распадаются на субкомплексы с массами около миллиона дальтон . Показано, что разборка комплекса ядерной поры инициируется циклин B-зависимой киназой , фосфорилирующей нуклеопорины. После завершения клеточного деления ядерные поры собираются de novo . Ядерные поры интерфазного ядра перемещаются большими массивами, а не независимо друг от друга, причем эти перемещения происходят синхронно с перемещениями ядерной ламины . Это служит доказательством того, что ядерные поры механически связаны между собой и формируют единую систему (англ., NPC network).

Нуклеопорины

Нуклепорины, белки из которых постоены ядерные поры, делят на три подгруппы. К первой относят трансмембранные белки, заякоривающие комплекс в ядерной оболочке . Нуклепорины второй группы содержат характерный аминокислотный мотив - несколько раз повторенные FG, FXFG или GLFG - последовательности (так называемые FG-повторы , где F - фенилаланин , G - глицин , L - лейцин , X - любая аминокислота). Функция FG-повторов, по-видимому, заключается в связывании транспортных факторов, необходимых для осуществления ядерно-цитоплазматического транспорта. Белки третьей подгруппы не имеют ни мембранных доменов, ни FG- повторов, наиболее консервативны среди всех нуклеопоринов, их роль, по-видимому, заключается в обеспечении связывания FG-содержащих нуклепоринов с трансмембранными. Нуклеопорины также отличаются по своей мобильности в составе ядерной поры. Некоторые белки связаны с конкретной порой на протяжении всего клеточного цикла , в то время как другие полностью обновляются всего за несколько минут.

Ядерно-цитоплазматический транспорт

Ядерно-цитоплазматическим транспортом называется материальный обмен между ядром и цитоплазмой клетки . Ядерно-цитоплазматический транспорт можно разделить на две категории: активный транспорт , требующий затрат энергии, а также специальных белков-рецепторов , и пассивный транспорт , протекающий путем простой диффузии молекул через канал ядерной поры.

Пассивный транспорт

Молекулы небольших размеров (ионы , метаболиты , мононуклеотиды и т. д.) способны пассивно диффундировать в ядро. Проводимость ядерных пор для молекул разных размеров различна. Белки массой менее 15 кДа быстро проникают в ядро, в то время как для белка массой более 30 кДа на это требуется определенное время. Белковые молекулы массой более 60-70 кДа, по-видимому, вообще не могут пассивно проходить через ядерные поры. Впрочем, пропускная способность ядерных пор для пассивной диффузии может изменяться в зависимости от типа клетки и стадии клеточного цикла.

Активный транспорт

Цикл Ran.
1. Транслокация Ran-ГТФ в цитоплазму в комплексе с транспортинами. 2. Гидролиз ГТФ. Собственная ГФАзная активность Ran активируется цитоплазматическим белком RanGAP. 3. Ran-ГДФ реимпортируется в ядро при участии белка NTF2. 4. ГДФ в активном центре Ran заменяется на ГТФ под действием ядерного белка RCC1 (фактора обмена нуклеотидов).

Пропускная способность ядерной поры для активного транспорта значительно выше. Так рибосомные субчастицы размерами до нескольких мегадальтон транспортируются из ядра в цитоплазму через ядерные поры, и нет никаких оснований предполагать, что процесс транспорта сопровождается частичной разборкой этих субчастиц. Системы активного транспорта обеспечивают весь макромолекулярный обмен между ядром и цитоплазмой. Молекулы РНК, синтезируемые в ядре, поступают через поры в цитоплазму, а в ядро попадают белки участвующие в ядерном метаболизме. Причем одни белки должны поступать в ядро конститутивно (например, гистоны), а другие в ответ на определенные стимулы (например, транскрипционные факторы). У ядерных белков идентифицированы специальные последовательности, отвечающие за их локализацию. Самая распространенная из них, так называемый «классический» сигнал ядерной локализации - NLS (от англ., N uclear L ocalization S ignal), представляет собой один или два участка положительно заряженных аминокислот , аргинина и лизина . Транслокация белков в ядро, в отличие от транслокации в митохондрии и эндоплазматический ретикулум , не сопровождается отщеплением этой сигнальной последовательности и разворачиванием полипептидной цепи. NLS-содержащие белки, как и все другие субстраты систем ядерного транспорта, переносятся в ядро в комплексе со специальными белками - транспортинами или кариоферинами (англ., transportins, karyopherins). Каждый транспортин или комплекс транспортинов для осуществления своей функции должен обладать тремя активностями: во-первых, он должен узнавать и связывать транспортируемый субстрат, во-вторых, заякориваться на ядерной поре, и в-третьих, связывать небольшой белок - GTPазу Ran, относящуюся к семейству Ras-подобных ГТФаз и служащую для сопряжения транспорта с гидролизом ГТФ , что придает процессу необратимость (снабжает его энергией). Собственно акт гидролиза ГТФ осуществляется непосредственно этим белком. Фактор обмена нуклеотидов (англ., G TPase Е xchange F actor, GEF) для Ran, хроматин-связывающй белок RCC1, локализован строго в ядре, а активаторы ГТФазной активности (англ., G TPase A ctivation P rotein, GAP) RanGAP1 и некоторые другие белки - строго в цитоплазме. Эта асимметричная локализация приводит к формированию градиента: в ядре находится преимущественно ГТФ-связанная форма Ran, в цитоплазме, наоборот, ГДФ-связанная. Ran используется для снабжения энергией как процессов импорта, так и процессов экспорта различных субстратов, а вся схема носит название Ran-цикла (англ., Ran-cycle). Ran-цикл снабжает энергией и экспорт, и импорт, используя общий принципиальный механизм, ключевыми стадиями которого являются гидролиз ГТФ в цитоплазме и обмен ГДФ на ГТФ в ядре.

Схема импорта белков в ядро.
1. Образование комплекса груз-рецептор (импортин). 2. Заякоривание комплекса на белках ядерной поры и собственно транслокация. 3. Диссоциация комплекса груз-импортин под воздействием Ran-ГТФ, высвобождение груза, образование комплекса Ran-ГТФ-импортин. 4. Реэкспорт образовавшегося комплекса в цитоплазму. 5. Гидролиз ГТФ и диссоциация комплекса.

Механизм импорта белков в ядро

Рассмотрим механизм поступления субстратов в ядро на примере импорта NLS-содержащих белков. Первой стадией транспортировки является узнавание субстрата транспортинами, в данном случае комплексом импортинов-α/β (транспортины участвующие в транспорте в ядро называются импортинами, а из ядра - экспортинами). Затем образовавшийся комплекс заякоривается на белках ядерной поры с цитоплазматической стороны и транслоцируется через канал в ядро, где с ним связывается Ran-ГТФ, что вызывает диссоциацию комплекса и высвобождение груза. После чего импортины в комплексе с Ran-ГТФ направляются обратно в цитоплазму, где Ran под действием RanGAP1 гидролизует ГТФ (ГТФ => ГДФ + PO 4 3-). Комплекс Ran-ГДФ-импортины α/β нестабилен и диссоциирует. Ran-ГДФ поступает обратно в ядро при помощи собственного переносчика, димерного белка NTF2. В ядре под действием белка RanGEF, ГДФ в активном центре Ran заменяется на ГТФ и цикл, тем самым, замыкается.

Схема экспорта белков из ядра.
1. Образование комплекса груз-экспортин-Ran-ГТФ. 2. Заякоривание комплекса на белках ядерной поры и собственно транслокация. 3. Гидролиз ГТФ, диссоциация комплекса и высвобождение груза. 4. Реимпорт высвободившегося экспортина.

Механизм экспорта белков из ядра

Теперь рассмотрим механизм экспорта из ядра на примере белков, содержащих сигналы ядерного экспорта (англ., N uclear E xport S ignal, NES). Для последовательностей этих сигналов характерно содержание гидрофобных аминокислот. Первой стадией транспортировки здесь также является рецепция субстрата специфическим экспортином Crm1 (англ., C hromosome R egion M aintenance) и образование комплекса. Главным отличием механизмов импорта является тот факт, что в состав транслоцирующегося комплекса в случае экспорта помимо субстрата и Crm1 входит и Ran-ГТФ, то есть сопряжение с циклом Ran происходит на стадии транслокации, а не на стадии реимпорта рецептора. После прохождения через ядерную пору в цитоплазму, Ran расщепляет ГТФ, комплекс теряет стабильность и диссоциирует, высвобождая груз.

ЯДРО

Ядро – важнейший компонент ядерных (эукариотических) клеток, представляет собой информационный центр клетки, обеспечивающий направленный и регулируемый поток информации. На основе данного потока осуществляются основные внутриклеточные метаболические процессы и деление клетки. В прокариотических клетках ядра нет, а генетический аппарат называется нуклеоидом (нуклеоид – подобный ядру – от «нуклеус» - ядро, «-оид» - подобный). Нуклеоид прокариот – это часть цитоплазмы, в которой находится кольцо двухцепочной (2 цепи) спирали ДНК, без белков-гистонов.

Функции ядра :

1) хранение генетической информации в виде хроматина;

2) воспроизведение генетической информации в процессе репликации ДНК;

3) обеспечение передачи генетической информации потомству;

4) регуляция всех процессов обмена веществ в клетке;

5) реализация генетической информации базируется на матричных процессах: репликации (синтезе ДНК в ядре), транскрипции (синтезе РНК в ядре) и трансляции (синтезе белка в цитоплазме);

6) восстановление генетической информации основанной на репарации ДНК;

7) в ядре образуются субъединицы рибосом;

Строение ядра :

I. Поверхностный аппарат ядра (ПАЯ) – кариотека, кариолемма:

1) наружная ядерная мембрана (НЯМ);

2) внутренняя ядерная мембрана (ВЯМ);

3) перинуклеарное пространство;

4) ядерные поры с поровым комплексом;

5) периферическая плотная пластинка (ППП) – ламина.

II. Ядерный матрикс (ЯМ) -белковый ядерный остов, ядерный скелет:

1) периферический ЯМ: ППП - ламина;

2) внутренний ЯМ: фибриллы кариоскелета (интерхроматиновые и ядрышковые).

III. Кариоплазма (нуклеоплазма) :

1) кариолимфа - ядерный сок;

2) фибриллы кариоскелета.

IV. Хроматин – ДНП (Дезоксирибопротеин) = ДНК + протеин (гистоны H1,

H2, H2B, H3, H4 + негистоновые кислые ядерные белки).

1) эухроматин: деспирализован, декомпактизован и функционально активен;

2) гетерохроматин:

а) конститутативный – структурный гетерохроматин (постоянно компактизован);

б) факультативный – функциональный гетерохроматин (м.б. компактизован и не компактизован).

Пример: Х-хромосома (тельце Барра*).

V. Ядрышко:

1. Ядрышковый организатор – это участок ДНК, содержит гены, которые кодируют РНК; в компактной хромосоме соответствует вторичной перетяжке; в ядрышковый организатор клеток человека включены 13, 14, 15, 21, 22 хромосомы.

2. Фибриллярный компонент - РНП фибр. = РНК + белок.

3. Глобулярный компонент - незрелые субъединицы рибосом.

Тельце Барра – компактизованная структура Х-хромосомы (тельце полового хроматина). Причины возникновения тельца Барра: согласно сохранению дозового баланса генов в генотипе для формирования нормального фенотипа у гомогаметного пола происходит инактивация одной из половой хромосомы (ХХ→ХО). Это приводит дозу активно функционирующих Х-генов у данного пола в соответствие с их дозой у гетерогаметного пола ХО или ХУ.

I. Поверхностный аппарат ядра

Поверхностный аппарат ядра (кариолемма) представлен двумя мембранами (наружной и внутренней). Между ними находится перинуклеарное пространство. Обе мембраны имеют жидкостно-мозаичное строение и различаются по набору мембранных белков. Среди этих белков имеются ферменты, переносчики и рецепторы. Главная функция ПАЯ – изоляция гиалоплазмы от кариоплазмы. При этом специальные белки ядерных мембран осуществляют транспортную функцию. В некоторых районах кариолеммы наружная и внутренняя мембраны сливаются и образуют поры. Через эти поры осуществляется связь гиалоплазмы и кариоплазмы. Для регуляции такой связи в порах находятся поровые комплексы.

Рис. 1. Строение ПАК.

1. Наружная ядерная мембрана (НЯМ) является продолжением мембран ЭПС. В результате, содержимое полостей ЭПС свободно попадает в перинуклеарное пространство. На внешней стороне НЯМ могут находиться рибосомы.

2. Внутренняя ядерная мембрана (ВЯМ) отличается по составу от НЯМ, прежде всего отсутствием холестерина, обладает меньшей проницаемостью.

3. Перинуклеарное пространство содержит жидкость сходную по составу с гиалоплазмой.

4. Ядерные поры – участки слияния наружной и внутренней мембран кариолеммы в которых находятся поровые комплексы; занимают 3-35% поверхности ядерной оболочки. ПАЯ в клетках животных и человека содержит 2000-4000 поровых комплексов.

Рис. 2. Структура порового комплекса.

Типичный поровый комплекс (ПК) представляет собой сложную белковую структуру – содержит более 1000 молекул белка. По обе стороны поры (к наружной и внутренней мембранам) в области поры располагаются по 8 белковых глобул (диаметр около 25 нм). Они взаимодействуют между собой и образуют кольцевые структуры диаметром около 120 нм. Одно поровое кольцо располагается с наружной стороны поры (в области основной гиалоплазмы), другое – с внутренней (в области кариоплазмы). Эти периферические глобулы (всего 16) фиксируются в мембранах специальным интегральным белком. От этих глобул к центру сходятся белковые фибриллы, где прикрепляются к центральной глобуле, тем самым формируя перегородку – диафрагму поры, толщиной около 5 нм. С периферическими глобулами связаны тонкие белковые фибриллы, локализованные как в основной гиалоплазме, так и в кариоплазме. Особенностью центральной глобулы является наличие в ней канала диаметром до 15 нм.

Главная функция ПК – транспорт определенных биополимеров из ядра в цитоплазму и из цитоплазмы в ядро. Ионы мелкие и средние органические молекулы, а также

Наружные глобулы обладают рецепторами к белкам, подлежащим к поступлению из цитоплазмы в ядро. Такие полипептиды называют нуклеофидьными белками. Нуклеофильные белки имеют специальный сигнальный пептид, т.е. белки без него не транспортируются через ПК в ядро. Благодаря этому ПК осуществляет не только транспорт, но и сегрегацию белков, необходимых для функционирования именно в ядерном аппарате.

В ходе транспорта нуклеофильные белки взаимодействуют с тонкими фибриллами гиалоплазмы, связанными с периферическими глобулами наружного кольца ПК, и перемещаются к нему. В центральной глобуле ПК имеются причальные белки (белки-рецепторы), связывающие сигнальный пептид белка. Это взаимодействие индуцирует АТФ-зависимый перенос нуклеофильного полипептида через канал центральной глобулы в кариоплазму. Таким образом, в данном случае центральная глобула выполняет функцию транслокационного комплекса аналогичного таковому в шЭПС.

В ядро через ядерные поры поступают: 1) негистоновые белки (белки-ферменты, которые участвуют в процессах репликации и репарации (восстановление повреждений в ДНК); белки-ферменты, участвующие в транскрипции; белки-репрессоры, которые регулируют процесс транскрипции; белки, входящие в состав субъединиц рибосом; белки ядерного матрикса, образующие кариоскелет); 2) белки-гистоны, которые связываются с молекулой ДНК и образуют хроматин; 3) нуклеотиды; 4) ионы минеральных солей, в частности, ионы Са 2+ и Mg 2+ .

Глобулы внутреннего кольца содержат рецепторы к т-РНК, в периферических глобулах имеется особый белок – переносчик молекул т-РНК. Считается, что сначала транспортируемая молекула взаимодействует с фибриллами периферическиъх гранул в кариоплазме. С их помощью макромолекулы передвигаются к периферическим гранулам, взаимодействуют с рецепторами и транспортируются переносчиками в гиалоплазму. С помощью периферических глобул осуществляется транспорт также других макромолекул из ядра в гиалоплазму. В этих процессах участвуют специальные белки периферических глобул – нуклеопорины.

В центре порового комплекса локализуется центральная глобула. Она связана с периферическими глобулами тонкими фибриллами. Центральная глобула специализируется на транспорте и-РНК из ядра в гиалоплазму. В составе этой глобулы имеются ферменты, которые участвуют в химической модификации и-РНК – ее процессинге, в частности, наблюдается взаимодействие РНК со специфическими белками. Кроме того, через ПК из ядра выводятся и рРНК, но уже в составе субъединиц рибосом, т.е. в комплексе с рибосомальными белками. Считается, что при этом субъединицы рибосом, проходя через ПК, вытесняют центральную глобулу, которая затем возвращается в ПК.

Гранулы поровых комплексов структурно связаны с белками ядерной ламины, которая участвует в их организации. Нуклеоплазма при обмене веществ непосредственно не контактирует с гиалоплазмой.

Обмен веществ между ядром и цитоплазмой осуществляется двумя основными способами:

1) через многочисленные поры, которыми пронизана ядерная оболочка, происходит регулируемый транспорт веществ в ядро и из ядра. Все белки, поступающие из цитоплазмы в ядро, имеют специальную ядерную последовательность, состоящую из нескольких аминокислот, которая опознается белками-рецепторами поровых комплесов;

2) вещества из ядра в цитоплазму и из цитоплазмы в ядро попадают путем отшнуровывания выростов и выпячиваний ядерной оболочки.

Функции комплекса ядерной поры :

1. Обеспечение регуляции избирательного транспорта веществ между цитоплазмой и ядром.

2. Активный перенос в ядро белков, имеющих особую маркировку в виде так называемой последовательности ядерной локализации N uclear L ocalization S equence (NLS ), распознаваемой рецепторами NLS (в комплексе поры). Через канал центральной глобулы в ядро попадают определенные белки. Они имеют специальный сигнальный участок, который распознается рецептором центральной глобулы. Белки без такого сигнального участка в ядро не попадают.

3. Перенос в цитоплазму субъединиц рибосом, которые, однако, слишком велики для свободного прохождения через пору; их транспорт, вероятно, сопровождается изменением конформации порового комплекса.

Импорт белков через поровый комплекс ядра включает 5 последовательных этапов:

Белок-импортин ГДФ – гуанозиндифосфат

ТранспортируемыйNLS-по-

Рис. 4. Импорт белков через ядерную пору.

1. Распознавание транспортируемого белка, имеющего сигнал ядерной локализации, комплексом белка импортина с белком Ran, связывающим ГДФ * .

2.Связывание образующегося белкового комплекса с белками цитоплазматических филаментов порового комплекса.

3. Перенос белкового комплекса, включающего транспортируемый белок - импортин и белок Ran-ГДФ, через центральный канал порового комплекса.

4. Ферментативное замещение, связанного с белком Ran ГДФнаГТФ * и освобождение транспортируемого белка из комплекса.

5. Перенос комплекса импортин-Ran-ГТФ через ядерный поровый комплекс с последующим ферментативным гидролизом ГТФ до ГДФ (дефосфорилирование).

В основе переноса кариофильных белков через ядерную мембрану лежит различие концентраций гуанозин дифосфата (ГДФ) и гуанозин трифосфата (ГТФ), связанного с белком Ran, по обе стороны ядерной мембраны. Это обусловлено тем, что на наружной ядерной мембране, обращенной к цитозолю, локализуются ферменты, осуществляющие гидролиз гуанозин трифосфата, связанного с белком Rаn, до гуанозин дифосфата, а на внутренней мембране – ферменты, замещающие, связанный с белком Rаn ГДФ до ГТФ.

5. Периферическая плотная пластинка (ППП), или ламина (lamina) – слой толщиной 80 – 300 нм, прилегает изнутри к внутренней ядерной мембране, исключая области пор. Внутренняя ядерная мембрана гладкая, ее интегральные белки связаны с ламиной (периферической плотной пластинкой). Таким образом, ламина является элементом поверхностного аппарата ядра, объединяющим его с ядерным матриксом. Ламина состоит из специальных переплетенных белков – ламинов, образующих периферический кариоскелет в виде ортогональной сетчатой структуры. Белки-ламины относятся к классу промежуточных филаментов (скелетных фибрилл), другие типы которых представлены в цитоплазме и поверхностном аппарате клетки. У млекопитающих известно 3 вида этих белков – это ламины А, В, С. Эти белки поступают в ядро из цитоплазмы. Ламины разных видов взаимодействуют между собой и образуют белковую сеть под внутренней мембраной ядерной оболочки. С помощью ламина В периферическая плотная пластинка соединяется со специальным интегральным белком ядерной оболочки. Этот белок является рецептором ламина В и обеспечивает структурную связь с ППП с ядерной оболочкой. С ППП взаимодействуют и белки периферических глобул «внутреннего кольца» порового комплекса. Ламины А и С образуют сеть тонких фибрилл. К ламину А прикрепляются теломерные участки хромосом.

Функции ламины:

1. Ламина поддерживает форму ядра (формообразующая функция). Даже если обе ядерные мембраны разрушить, то ядро за счет ламины сохраняет свою форму и поровые комплексы остаются на своих местах.

2. Ламина служит компонентом кариоскелета (скелета ядра). Более того, в районе пор ламины взаимодействуют с цитоплазматическими скелетными фибриллами. В результате формируется структурная связь ламины с опорными элементами поверхностного аппарата клетки. Это обеспечивает единство всех скелетных структур клетки.

3. Ламина участвует в сборке ядерной оболочки (формировании кариолеммы).

4. В интерфазном ядре к ламине А прикрепляется хроматин. Таким образом, ламина обеспечивает функцию фиксации хроматина в ядре (обеспечивает упорядоченную укладку хроматина, участвует в пространственной организации хроматина в интерфазном ядре). Это, в свою очередь, увеличивает скорость и эффективность протекания матричных процессов (репликации и транскрипции) и подготовки клетки к делению.

5. Ламина обеспечивает структурную организацию поровых комплексов.

Итак, изобразить схематично строения ядерного аппарата (а)

и поровых комплексов (б, в) можно следующим образом (рис. 5) :

Хотя ламина и представляет собой жесткую скелетную структуру, она может дезинтегрироваться. В частности, это происходит при переходе клетки к процессу деления и связано с активацией специальных протеинкиназ.

Рис. 6. Схема разрушения ламины во время митоза.

Фосфорилирование ламинов с помощью протеинкиназ приводит к разборке ППП. При этом ламин В остается в мембране кариолеммы и мембранных пузырьков, образующихся из ядерной оболочки на первых стадиях деления. Дефосфорилирование ламинов, катализируемое протеинфосфатазами, индуцирует взаимодействие ламинов и формирование ППП в поверхностном аппарате ядра новых клеток.

Рис. 7. Схема формирования ламины во время телофазы митоза .

Ламиновые полипепетиды образуют димеры с центральным альфа-спиральным участком, состоящим из двух полипептидных цепей, закрученных друг вокруг друга. Димеры соединяются «голова к хвосту» и образуют полимер. Полимеры, соединяясь друг с другом «бок в бок», формируют филаменты.

Рис. 8. Связь ламины с различными структурами клетки

II. Ядерный матрикс

Ядерный матрикс (ЯМ) представляет собой систему особых фибриллярных белков толщиной 2-3 нм, локализованных в кариоплазме. ЯМ является универсальным белковым компонентом ядерного аппарата эукариотических клеток. Его универсальность определяется тем, что он обеспечивает оптимальную пространственную организацию и функционирование генетического материала. В составе ЯМ выделяют периферический ЯМ и внутренний ЯМ.

1. Периферический ЯМ представляет собой ламину, т.е. один из элементов ПАЯ, что указывает на структурное единство данных компонентов ядра (рис. 8).

2. Внутренний ЯМ структурно связан с периферическим (ламиной) и представляет собой сложную систему белковых фибрилл, расположенную во всем объеме кариоплазмы. Большинство белков ЯМ относится к группе кислых белков. Внутренний ЯМ дифференцирован на 2 зоны: интерхроматиновую сеть ЯМ и ядрышковую сеть ЯМ.

2.1. Интерхроматиновая сеть ЯМ по составу белков очень разнообразен. В частности в здесь обнаруживаются актиновые микрофибриллы. Одна из функций ЯМ заключается в том, что он представляет собой элемент кариоскелета. Это определяется структурным взаимодействием белковых фибрилл внутреннего ЯМ с ламинами периферического ЯМ (ламиной) и образованием целостной скелетной системы ядра, определяющей его форму. Кроме того, интерхроматиновая сеть фиксируется на внутренних участках хромосом, которые в свою очередь теломерами (концевыми участками) прикрепляются к ламине.

2.2. Одна из частей ядерного матрикса является ядрышковым матриксом. Ядрышковый матрикс состоит из плотно упакованных фибрилл и гранул. Белки ядрышковой сети (фибриллы) взаимодействуют с участками хромосом (вторичными перетяжками) содержащими множество копий генов рибосомальных РНК (саттелитная ДНК). Такие участки получили название ядрышкового организатора, который вместе с ядрышковой сетью и созревающими субъединицами рибосом (гранулы) формируют специфическую структуру ядра – ядрышко.

Таким образом, фибриллы ядерного матрикса контактируют с ламинами ППП и образуют единую систему кариоскелета. Кариоскелет поддерживает форму ядра и обеспечивает определенное расположение хромосом в пространстве, благодаря чему длинные тонкие нити хроматина не спутываются между собой.

III. Кариоплазма

Кариоплазма (нуклеоплазма или ядерный сок), представляет собой желеобразный раствор, в котором находятся как низкомолекулярные (например, нуклеотиды), так и высокомолекулярные (РНК и разнообразные белки, включая ферменты) вещества, а также ионы. Химический состав ее в основном сходен с составом гиалоплазмы, хотя имеются некоторые отличия. В кариоплазму погружены хроматин и ядрышко. Кроме того, в ней располагается ядерный матрикс. Кариоплазма создает специфическую для ядерных структур микросреду и тем самым обеспечивает нормальное функционирование ядерного аппарата. Кариоплазма связана с гиалоплазмой через систему поровых комплексов и транспортных комплексов ядерной оболочки.

Сходные явления наблюдаются и в целых клетках и тканях в условиях патологии. Так, в результате активации фосфолипазы А 2 мембран митохондрий при гипоксии они становятся проницаемыми для ионов калия. Если в этих условиях восстановить оксигенацию ткани, то на мембранах митохондрий восстановится мембранный потенциал (со знаком «минус» внутри) и митохондрии будут «насасывать» ионы калия, вслед за которыми в матрикс входит фосфат. Концентрация ионов внутри митохондрий возрастает, и органеллы набухают. Это приводит к растяжению мембран и их дальнейшему повреждению.

Молекулярные механизмы увеличения проницаемости липидного слоя мембран для ионов. При изучении молекулярных основ проницаемости липидного слоя широко используются модельные мембранные системы: изолированные мембранные структуры (эритроциты, митохондрии, везикулы саркоплазматического ретикулума), а также искусственные фосфолипидные мембраны (бислойные липидные мембраны и фосфолипидные везикулы - липосомы). Изучение такого рода систем показало, что сам по себе липидный слой практически непроницаем для ионов. При действии различных химических и физических факторов он становится проницаемым по одной из трех причин (или их комбинаций):

1. В липидном бислое, микровязкость которого близка к вязкости оливкового масла, появляется жирорастворимое вещество, способное связывать ионы. Механизм переноса ионов в этом случае напоминает «перевоз пассажиров в лодке с одного берега на

другой» и называется «челночным», или переносом с помощью подвижного переносчика. Примером подвижного переносчика может служить ионофорный антибиотик валиномицин, который образует комплекс с ионами калия, растворимый в липидной фазе мембраны. К числу подвижных переносчиков, возможно, относятся водорастворимые продукты перекисного окисления липидов, в присутствии которых, как оказалось, увеличивается проницаемость мембраны для ионов водорода.

2. В липидном слое появляются вещества, молекулы которых, собираясь вместе, образуют канал через мембрану. Сквозь такой канал ионы могут проходить с одной стороны мембраны на другую. Каналы образуются молекулами некоторых антибиотиков, например грамицидина А и полимиксина. Продукты перекисного окисления липидов также могут образовывать каналы в липидном слое, если в растворе есть ионы кальция. Продукты расщепления некоторых фосфолипидов (в частности, кардиолипина) фосфолипазой А 2 образуют каналы для одновалентных катионов.

3. Электрическая прочность липидного слоя мембраны снижается, и ее участок разрушается электрическим током, который возникает под влиянием разности потенциалов, существующей на мембране. Такое явление носит название «электрического пробоя» (см. ниже). Формирование в мембране «пор» с индукцией пробоя мембраны лежит в основе нарушений барьерной функции мембраны при адсорбции на липидном бислое полиэлектролитов, чужеродных для клетки белков, антител.

Свободные радикалы. Свободнорадикальное (перекисное) окисление липидов (ПОЛ) . Хорошо известно, что в органических молекулах (включая те, из которых состоит наш организм) электроны на внешней электронной оболочке располагаются парами: одна пара на каждой орбитали. Свободные радикалы отличаются от обычных молекул тем, что у них на внешней электронной оболочке имеется неспаренный (одиночный) электрон. Это делает их химически активными, поскольку они стремятся вернуть себе недостающий электрон, отняв его от окружающих молекул и тем самым повреждая их. Свободные радикалы вступают в реакции с неорганическими и органическими соединениями - белками, липидами, углеводами, нуклеиновыми кислотами, инициируют аутокаталитические реакции, в ходе которых молекулы, с которыми они реагируют, также превращаются в свободные радикалы. Таким образом, сво-

бодные радикалы - высокоактивные молекулы, способные разрушать структуры клетки.

Основным источником радикалов является молекулярный кислород. К кислородным радикалам относятся: NO* (оксид азота или нитроксид), RO* (алкоксильный радикал), RO* 2 (перекисный или пероксидный радикал), O* 2 - (супероксидный анион-радикал или супероксид), HO* 2 (гидроперекисный радикал, HO* (гидроксильный радикал).

В целом все радикалы, образующиеся в организме человека, можно разделить на природные и чужеродные. В свою очередь, природные радикалы можно разделить на первичные, вторичные и третичные (рис. 3-2).

Первичные радикалы - те радикалы, образование которых осуществляется при участии определенных ферментных систем (НАДФН-оксидазы, NO-синтазы, циклооксигеназы, липооксигеназы, монооксигеназы, ксантиноксидазы и др.). Прежде всего к первичным радикалам относятся семихиноны, образующиеся в реакциях таких переносчиков электронов, как коэнзим Q (обозначим радикал как Q*) и флавопротеины, O* 2 - , NO*.

Рис. 3-2. Классификация радикалов в организме человека

Из первичного радикала - O* 2 - , а также в результате других реакций в организме образуются весьма активные молекулярные соединения: перекись водорода (Н 2 О 2), гипохлорит (HOCl), гидроперекиси липидов. Под действием ионов металлов переменной валентности, в первую очередь Fe 2 +, из этих веществ образуются вторичные радикалы (HO*, радикалы липидов), которые оказывают разрушительное действие на клеточные структуры.

Для защиты от повреждающего действия вторичных радикалов в организме используется большая группа веществ, называемых антиоксидантами (см. ниже), к числу которых принадлежат «ловушки» («перехватчики») свободных радикалов. Примером последних служат альфа-токоферол, тироксин, восстановленный убихинон (QH 2) и женские стероидные гормоны. Реагируя с липидными радикалами, эти вещества сами превращаются в радикалы антиоксидантов, которые можно рассматривать как третичные радикалы.

Наряду с этими радикалами, постоянно образующимися в том или ином количестве в клетках и тканях организма человека, разрушительное действие могут оказывать радикалы, появляющиеся при таких воздействиях, как ионизирующее излучение, ультрафиолетовое облучение или даже освещение интенсивным видимым светом, например светом лазера. Такие радикалы можно назвать чужеродными. К ним принадлежат также радикалы, образующиеся из попавших в организм посторонних соединений, ксенобиотиков, многие из которых оказывают токсическое действие именно благодаря свободным радикалам, образующимся при метаболизме этих соединений.

Однако не следует считать, что свободные радикалы являются только повреждающим клетки фактором. Примером положительной роли этих соединений является система клеточного иммунитета. Например, фагоцитирующие лейкоциты (к которым относятся гранулоциты и моноциты крови и тканевые клетки - макрофаги), соприкасаясь с поверхностью бактерий в очаге воспаления, активируются и с помощью НАДФН-оксидазы - фермента, встроенного в мембрану клеток и внутриклеточных везикул-фагосом, генерируют из О 2 супероксидный анион-радикал, обладающий бактерицидным действием (рис. 3-3). Нитроксид (NO *), выделяясь клетками-фагоцитами вместе с супероксид-радикалами, используется для борьбы с микробами грибковой природы. Для осуществления своих киллерных функций фагоциты используют также образующийся из перекиси водорода гипохлорит (OCl -). Реакция

Рис. 3-3. Реакции супероксидного радикала

образования гипохлорита катализируется с помощью специального фермента - миелопероксидазы: Н 2 О 2 + Cl - - Н 2 О + ОО - . Гипохлорит сам по себе не является свободным радикалом (относится к группе активных метаболитов кислорода нерадикальной природы), но взаимодействует с органическими молекулами через радикальные механизмы. При участии гипохлорита образуются такие высокоактивные молекулы, как гидроксильный радикал (Fe 2 + + OCl - + H+ - Fe 3 + + HO" + Cl -), синглетный кислород (Ю 2). В активированных лейкоцитах гидроксильный радикал (HO") может образовываться также при разложении перекиси водорода в присутствии ионов двухвалентного железа (Н 2 О 2 + Fe 2 + - Fe 3 + + HO" + HO"). Цитотоксическое действие OCl - и HO" заключается в их способности разрушать SH-гругты и другие аминокислотные остатки белков, индуцировать разрывы цепей ДНК и РНК, усиливать активность ПОЛ, протеиназ, белков системы комплемента, ингибировать белки деления и ферменты бактерий.

Свободные радикалы выполняют также и другие, в том числе регуляторные, функции. Так, для некоторых тканей, в частности мозга, характерен повышенный синтез простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов, образующихся из арахидоновой кислоты при индукции ПОЛ с участием супероксид-аниона. Радикал убихинона (коэнзима Q) - семихинон (HQ") участвует в цепи переноса электронов; при нарушении работы дыхательной цепи он может стать источником других радикалов, в первую очередь радикалов кислорода.

Кроме того, свободные радикалы активно участвуют в процессах передачи клеточного сигнала, могут выступать в качестве вто-

ричных мессенджеров в сигнальных каскадах, запускаемых ангиотензином II, эндотелином и др. Так, NO", образующийся клетками стенок кровеносных сосудов (эндотелия) при участии гемсодержащего фермента NO-синтазы, играет ключевую роль в регуляции тонуса сосудов и кровяного давления: его недостаток приводит к гипертензии, избыток - к гипотензии. Нарушение метаболизма NO вызывает заболевания, связанные с изменением кровяного давления. Радикалы, образующиеся в цитозоле клетки в ответ на стимуляцию факторами роста, участвуют в регуляции пролиферативного процесса.

В нормальных условиях радикалы кислорода не накапливаются в клетках. Состояние клеток, характеризующееся избыточным содержанием в них радикалов кислорода, называется окислительным стрессом. Окислительный стресс развивается тогда, когда окислительно-восстановительный гомеостаз (редокс-гомеостаз или баланс) в клетке нарушается. Этот дисбаланс может быть обусловлен гиперпродукцией активных форм кислорода или недостаточностью системы антиоксидантной защиты, в состав которой входят низкомолекулярные соединения растительного и животного происхождения (содержатся в плазме крови, в цитоплазме или мембранах клеток). Выделяют несколько основных групп антиоксидантов:

1) ферментативные - супероксиддисмутаза, каталаза, ферменты глутатионового цикла (глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза, глутатион-S-трансфераза);

2) фенольные - витамин Е, коэнзим Q, флавоноиды (кверцетин, рутин, гесперетин и др.);

3) каротиноиды - жирорастворимые растительные пигменты, входящие в состав овощей и фруктов (морковь, шпинат, манго, абрикос и др.);

4) аскорбиновая кислота (витамин С) - содержится в свежих овощах, фруктах и ягодах (петрушка, молодая капуста, шиповник, черная смородина, лимон, апельсин, папайя, яблоко и др.), в организме в большом количестве обнаруживается в надпочечниках, гипофизе, вилочковой железе;

6) хелаторы ионов металлов переменной валентности - трансферрины, ферритин, церулоплазмин, металлотионеины, мочевая кислота и др.

По принципу антиокислительного действия выделяют антиоксиданты прямого (направленного) и непрямого (опосредованного) действия. Эффективность последних проявляется только в живых системах (in vivo), в то время как соединения направленного типа действия могут подавлять окислительные процессы с участием активных метаболитов кислорода как in vivo, так и in vitro.

В естественных условиях антиоксиданты (супероксиддисмутаза, каталаза, таурин и др.) защищают фагоциты от аутодеструкции собственными радикалами (супероксидом, гипохлоритом, гидроксильным радикалом), координируют генерацию воспалительных медиаторов нейтрофилами и макрофагами (простагландинов, IL-6, TNF-α и др.). Эффекты некоторых антиоксидантов представлены в табл. 3-5.

Таблица 3-5. Наиболее известные антиоксиданты

Основные стадии цепного окисления. Реакция цепного окисления липидов играет исключительную роль в клеточной патологии. Она протекает в несколько стадий: инициирование, продолжение, разветвление и обрыв цепи (рис. 3-4).

Рис. 3-4. Цепная реакция перекисного окисления липидов: 1-старая цепь окисления, 2, 3 - новые цепи окисления

Инициирование цепной реакции начинается с того, что в липидный слой мембран или липопротеинов внедряется свободный радикал. Чаще всего это радикал гидроксила. Будучи небольшой по размеру незаряженной частицей, он способен проникать в толщу гидрофобного липидного слоя и вступать в химическое взаимодействие с полиненасыщенными жирными кислотами (их принято обозначать как LH), входящими в состав биологических мембран и липопротеинов плазмы крови. При этом образуются липидные радикалы:

HO" + LH - Н 2 О + L".

Липидный радикал (L) вступает в реакцию с растворенным в среде молекулярным кислородом, при этом образуется новый свободный радикал - радикал липоперекиси (LOO):

Этот радикал атакует одну из соседних молекул фосфолипида с образованием гидроперекиси липида LOOH и нового радикала L:

LOO"+ LH - LOOН + L"

Чередование двух последних реакций как раз и представляет собой цепную реакцию ПОЛ (см. рис. 3-4).

Существенное ускорение пероксидации липидов наблюдается в присутствии небольших количеств ионов двухвалентного железа. В этом случае происходит разветвление цепей в результате взаимодействия Fe 2 + с гидроперекисями липидов:

Fe 2 + + LOOН - Fe 3 + + НО - + LO"

Образующиеся радикалы LO" инициируют новые цепи окисления липидов (см. рис. 3-4):

LO" + LH - LOН + L"; L"+ О 2 - LOO" - и т.д.

В биологических мембранах цепи могут состоять из десятка звеньев и более. Но, в конце концов, цепь обрывается в результате взаимодействия свободных радикалов с антиоксидантами (InH), ионами металлов переменной валентности (например, теми же Fe 2 +) или друг с другом:

LOO" + Fe 2 + + H+ - LOOН + Fe 3 +

LOO" + InH - In"+ LOOH

LOO + LOO - молекулярные продукты

Повреждающее действие пероксидации липидов. На рис. 3-5 показаны основные мишени ПОЛ в мембранных структурах клеток. Повреждаются либо белковые структуры, либо липидный бислой в целом. В последнее время ученые уделяют все большее внимание взаимодействию мембран с нуклеиновыми кислотами в ядре и митохондриях. По-видимому, одним из результатов пероксидации липидов может стать повреждение этих молекул со всеми вытекающими последствиями.

Наиболее чувствительны к перекисному окислению липидов сульфгидрильные, или тиоловые, группы (SH) мембранных белков: ферментов, ионных каналов и насосов. В ходе окисления тиоловых групп образуются радикалы (S), которые затем либо взаимодействуют друг с другом с образованием дисульфидов (SS), либо связываются с кислородом с образованием сульфитов и сульфатов (SO 3 и SO 4). Большую роль в патологии клетки играет также

Рис. 3-5. Повреждающее действие перекисного окисления липидов на биологические мембраны

повреждение ионтранспортирующих ферментов (например, Ca 2 +, Мg 2+ -АТФазы), в активный центр которых входят тиоловые группы (рис. 3-5, 1). Инактивация Са 2 +-АТФазы приводит к замедлению откачивания из клетки ионов кальция и ускорению их «протечки» в клетку (где их концентрация меньше). Это вызывает рост уровня ионов кальция в цитоплазме и повреждение клеточных структур.

Окисление тиоловых групп мембранных белков приводит к появлению дефектов в мембранах клеток и митохондрий. Под действием электрического поля через такие дефекты в клетки входят ионы натрия, а в митохондрии - ионы калия. В результате происходит увеличение осмотического давления внутри клеток и митохондрий и их набухание. Это приводит к еще большему повреждению мембранных структур.

Наряду с белками и нуклеиновыми кислотами мишенью повреждающего действия ПОЛ служит сам липидный бислой. Было показано, что продукты ПОЛ делают липидную фазу мембран проницаемой для ионов водорода и кальция (рис. 3-5, 2-3). Это приводит к тому, что в митохондриях окисление и фосфорилирование разобщаются, и клетка оказывается в условиях энергетического голода. Одновременно из митохондрий в цитоплазму выходят ионы кальция, которые повреждают клеточные структуры.

Возможно, наиболее важный результат пероксидации - это уменьшение электрической стабильности липидного слоя, кото-

рое приводит к электрическому пробою мембраны собственным мембранным потенциалом (рис. 3-5, 4). Электрический пробой вызывает полную потерю мембраной ее барьерных функций.

Стабильность липидного слоя мембран и явление электрического пробоя. Как известно, мембраны обладают определенным сопротивлением R электрическому току I, которое при небольшой разности потенциалов φ между двумя сторонами мембраны является постоянной величиной. Иными словами, для мембраны соблюдается закон Ома: I = φ / R. Это означает, что зависимость между напряжением на мембране φ и током через мембрану I - линейная. Однако такая зависимость сохраняется при сравнительно небольших величинах |φ|: не выше 200-300 мВ. При определенной критической разности потенциалов ток резко увеличивается, что может стать причиной разрушения мембраны. Это явление называется электрическим пробоем.

В основе электрического пробоя мембраны лежит спонтанное (вследствие теплового движения молекул) зарождение в липидном бислое дефектов - пор, через которые могут проходить водорастворимые молекулы и ионы. При отсутствии разности потенциалов на мембране увеличения размеров спонтанно образовавшихся пор не происходит, так как данный процесс сопровождается ростом площади раздела фаз «липид - вода» и требует энергетических затрат на преодоление сил поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Однако при увеличении разности потенциалов на мембране количество энергии, необходимое для образования и увеличения размеров поры, уменьшается, что способствует ее дальнейшему росту, который после преодоления некоторого энергетического барьера становится самопроизвольным и приводит к полному разрушению мембраны (рис. 3-6). При небольших мембранных потенциалах, существующих в живой клетке (-70 мВ на цитоплазматической мембране и -175 мВ на внутренней мембране митохондрий), этого не происходит, потому что энергетический барьер достаточно высок. Более того, в нормальных условиях, под действием сил поверхностного натяжения образовавшийся дефект «затягивается», и мембрана остается целой. Величина барьера снижается при увеличении поляризации мембраны. Потенциал, при котором начинается электрический пробой, называется потенциалом пробоя и обычно обозначается как U* или φ*. Величина потенциала пробоя различна для мембран с разным составом белков и липидов и может служить количественной мерой электрической

Рис. 3-6. Электрический пробой мембран: А - появление в липидном бислое мембраны поры, заполненной водой; Б - размер внутренней поверхности поры пропорционален ее радиусу; В - энергия мембраны с порой в зависимости от ее радиуса (величина потенциального барьера при росте поры уменьшается); Г - возрастание тока в зависимости от потенциала пробоя

стабильности мембраны. Чем стабильнее мембрана, тем выше ее потенциал пробоя (т.е. |φ*|).

В живых клетках потенциал пробоя выше мембранного потенциала (|φ*|>|φ|), иначе мембраны пробивались бы своим собственным потенциалом и клетка не могла существовать. Однако запас электрической прочности невелик - 20-30 мВ. Это означает, что при |φ*|<|φ|, т.е. при снижении электрической прочности, может произойти «самопробой» мембраны.

Как уже указывалось выше, основными причинами нарушения барьерных свойств мембран при патологии являются их механическое (осмотическое) растяжение, активация ПОЛ, гидролиз фосфолипидов и адсорбция полиэлектролитов на поверхности. Изучение влияния этих факторов на электрическую прочность мембран показало, что все они снижают силы поверхностного натяжения на границе раздела фаз «липидный слой мембраны - окружающий водный раствор», а следовательно, величину потенциала пробоя (рис. 3-7). Таким образом, электрический пробой - это универсальный механизм нарушения барьерной функции мембран при патологии.

Мембранные системы защиты от электрического пробоя. Известны два фактора, с помощью которых живые клетки повышают электрическую стабильность своих мембранных структур:

Рис. 3-7. Снижение электрической прочности бислойной липидной мембраны (БЛМ) при действии ультрафиолетового излучения (УФ), фосфолипазы А2, пептидов, при растяжении мембраны, вызванном разностью гидростатического давления (ΔΡ)

1. Асимметричный поверхностный потенциал. Поверхностный потенциал возникает на мембране в случае появления на поверхности липидного слоя заряженных химических группировок, например таких, как карбоксил или фосфат. Непосредственно на липидный бислой действует потенциал, равный разности величины мембранного потенциала (т.е. потенциала между водными средами, омывающими мембрану) и поверхностного потенциала (рис. 3-8). За счет неодинаковой плотности зарядов на поверхности мембраны реальная разность потенциалов, приложенная к липидному бислою, отличается от трансмембранной разности потенциалов. Это снижает вероятность пробоя мембраны собственным потенциалом.

2. Холестерин. Было показано, что включение молекул холестерина в фосфолипидный бислой весьма заметно увеличивает электрическую прочность мембран, т.е. повышает потенциал пробоя (см. рис. 3-6, Г). Особенно заметно действие холестерина на поврежденные мембраны. Защитные свойства холестерина против электрического пробоя мембраны можно объяснить его влиянием на вязкость липидного бислоя. Известно, что введение холестерина в фосфолипидный бислой повышает вязкость последнего в 2-3 раза. Это приводит к замедлению образования и роста дефектов (пор) в липидном бислое мембран, лежащих в основе явления электрического пробоя.

Рис. 3-8. Влияние поверхностного потенциала (cp S) на разность потенциалов на липидном слое мембран (cp L) при одном и том же мембранном потенциале (φ)

Критерии оценки нарушений барьерной функции цитоплазматической мембраны. Основными критериями, позволяющими судить о нарушении барьерных свойств цитоплазматической мембраны и увеличении ее проницаемости, являются: уменьшение электрического сопротивления ткани, проникновение водорастворимого красителя в цитоплазму, снижение мембранного потенциала покоя, нарушение ионного баланса, выход внутриклеточных метаболитов в окружающую среду, набухание клеток.

Уменьшение электрического сопротивления (импеданса) ткани. Методом оценки состояния как плазматической, так и внутриклеточных мембран может служить измерение электрического сопротивления - импеданса ткани, который включает в себя омическую и емкостную составляющие, поскольку каждая клетка представляет собой как бы систему конденсаторов (биологические мембраны) и резисторов (биологические мембраны, межклеточная жидкость и цитоплазма). При повреждении или старении клеток регистрируется уменьшение емкостного сопротивления тканей, связанное в основном с нарушением состояния мембран клеток. При набухании, или стрикции, клеток изменяется омическая (высокочастотная) составляющая импеданса. Для количественной оценки указанных нарушений Б.Н. Тарусовым предложено определение коэффициента жизнеспособности клеток (К) как отношения сопротивления ткани переменному току с частотой 104 Гц (R104) к сопротивлению ткани при действии тока с частотой 106 Гц (R106): К= R104 /R106.

Окраска цитоплазмы различными красителями. Водорастворимые красители плохо проникают через мембраны неповрежденных клеток, слабо связываются внутриклеточными структурами и потому слабо их прокрашивают. Увеличение проницаемости плазматической и внутриклеточных мембран приводит к возрастанию количества красителя, вошедшего в клетку и связавшегося с компонентами цитоплазмы. Следовательно, окрашивание клетки красителями усиливается при ее повреждении. На этом основаны многие гистохимические методы определения жизнеспособности клеток (с помощью нейтрального синего, эозина и др.).

Снижение мембранного потенциала покоя. Разность электрических потенциалов между содержимым клетки и окружающей средой (мембранный потенциал покоя) создается, как известно, в основном диффузией ионов калия из клетки в окружающую среду. Неравномерное распределение ионов между клеткой и окружающей

средой, лежащее в основе генерации электрических потенциалов на мембране, обеспечивается постоянной работой молекулярного ионного насоса (Na + /К + -АТФаза), встроенного в плазматическую мембрану клеток.

Так, внутри клеток содержание ионов калия в 20-40 раз выше, а ионов натрия - в 10-20 раз ниже, чем во внеклеточной жидкости. Благодаря различию в концентрации ионов в клетке и окружающей среде на плазматической мембране имеется разность потенциалов со знаком «минус» внутри клетки (около -70 мВ для нервных и мышечных клеток). Уменьшение поляризации мембраны при действии повреждающих факторов происходит как в результате неспецифического увеличения ионной проницаемости, так и при уменьшении градиентов концентрации ионов вследствие выключения ионных насосов.

Последнее происходит как при прямом повреждении Na+/K+- АТФазы, так и при снижении уровня АТФ вследствие нарушения биоэнергетических процессов в митохондриях. Например, установлено снижение мембранного потенциала покоя клеток печени у лабораторных животных при асфиксии. Снижение мембранного потенциала наблюдается также при холодовом, радиационном, аллергическом, токсическом и других повреждениях клеток и субклеточных структур.

Выход ионов калия из клеток. Благодаря разности потенциалов между внутренним содержимым клетки и окружающей жидкостью ионы калия входят в клетку. Этот постоянный поток К+ внутрь клетки компенсирует спонтанный выход калия наружу, который происходит в силу диффузии этих катионов из области с более высокой концентрацией калия в область с более низкой его концентрацией. Повреждение клетки сопровождается снижением содержания в ней АТФ, угнетением Na + /К + -АТФазы, падением электрического потенциала на плазматической мембране, повышением содержания внутриклеточного Ca 2 + и выходом калия из клеток. Освобождение калия из клеток описано при механической травме, различных интоксикациях, аллергических состояниях, гипоксии, гипотермии и многих других повреждениях органов и тканей. Понижение содержания К+ в клетке может происходить также под влиянием больших доз минералокортикоидных гормонов, при действии некоторых лекарственных веществ, например сердечных гликозидов. В свою очередь, увеличение концентрации калия во внеклеточной среде приводит к снижению мембранного потенциа-

ла соседних неповрежденных клеток, что в случае электровозбудимых тканей может вызвать генерацию потенциалов действия. Так, увеличение концентрации калия в очаге инфаркта миокарда может стать одной из причин возникновения фибрилляции сердца.

Накопление ионов кальция в цитоплазме. В нормальных клетках концентрация ионов кальция в цитоплазме исключительно низка: 10 -7 М или даже 10 -8 М, тогда как в окружающей клетку среде содержится 10 -3 М ионов кальция. При этом следует иметь в виду, что ионы кальция проходят в клетку не только самопроизвольно (процесс «утечки» через мембрану), но и в некоторых клетках через кальциевые каналы в мембране. Эти каналы могут открываться в ответ на деполяризацию мембраны (потенциалзависимые кальциевые каналы) или присоединение гормонов и медиаторов к мембранным рецепторам (рецепторуправляемые кальциевые каналы). Компенсирует вход Са 2 + в клетку работа трех типов кальцийтранспортирующих систем: кальциевого насоса (Са 2+ /Мg 2+ -АТФаза) в мембране саркоплазматического ретикулума и плазмолемме, аккумуляции Са 2 + в митохондриях и в некоторых клетках Na+/Ca 2 +- обменника, встроенного в плазмолемму.

При повреждении клетки нарушается работа митохондрий: снижается мембранный потенциал внутренней митохондриальной мембраны, прекращается окислительное фосфорилирование. Как следствие снижения мембранного потенциала уменьшается поглощение митохондриями ионов кальция. Снижение концентрации АТФ в клетке приводит к угнетению Са 2+ /Мg 2+ -АТФазы плазматической мембраны и мембраны саркоплазматического ретикулума. Увеличение концентрации Na+ в клетке вследствие угнетения натриевого насоса при недостатке АТФ приводит к выключению и даже обращению направления Na + /Са 2+ -обмена через плазматическую мембрану. В результате этого происходит увеличение концентрации кальция от 10 -8 М - 10 -7 M до 10 -6 М - 10 -5 М, что приводит к активации большого числа кальцийзависимых ферментов (протеинкиназ, фосфатаз, фосфолипаз, фосфодиэстеразы циклических нуклеотидов и др.), нарушениям цитоскелета (см. раздел 3.4), образованию нерастворимых включений кальция в матриксе митохондрий, повреждению внутриклеточных мембран и общей дезорганизации метаболизма. Морфологически это проявляется в замедлении броуновского движения различных включений внутри клетки (увеличение «вязкости протоплазмы») и возрастании светорассеяния; красители начинают легче проникать в

клетку и связываются в большом количестве с внутриклеточными структурами. Все эти признаки типичны для «неспецифической реакции клетки на повреждение» по Д.Н. Насонову и В.Я. Александрову (см. выше).

Выход метаболитов. Увеличение проницаемости мембраны клеток и ухудшение работы ионных насосов приводят к тому, что компоненты цитоплазмы выходят в окружающую среду. Вышедшие из клеток вещества отнюдь не безразличны для других клеток, тканей и органов. Так, среди веществ, выходящих из клеток, поврежденных в результате ишемии (нарушения кровотока) или ожога, имеются полипептиды, обладающие способностью вызвать остановку сердца (ишемический, ожоговый токсины). Обнаружение этих веществ осуществляется различными методами, включая измерение хемилюминесценции плазмы крови, интенсивность которой снижается в присутствии полипептидных токсинов.

Увеличение объема (набухание) клеток. Увеличение объема клеток - один из наиболее ранних признаков ее повреждения, который проявляется, например, при недостатке кислорода в ткани - тканевой гипоксии. Сохранение нормальной формы и объема клеток связано с состоянием цитоскелета и поддержанием определенного соотношения между осмотическим давлением белков и электролитов внутри и вне клетки. При этом форма клетки определяется в большей мере цитоскелетом, тогда как объем - поддержанием осмотического баланса. Поскольку все биологические мембраны хорошо проницаемы для воды, но плохо проницаемы для большинства растворенных в воде веществ, включая соли, клетки, так же как и внутриклеточные структуры, например митохондрии, обладают свойством осмометра: их объем изменяется при изменении концентрации ионов и молекул внутри и вне клетки или органеллы. В нормальных условиях соотношение концентраций всех ионов и молекул внутри и вне клетки строго поддерживается. Как только в цитоплазме начинает увеличиваться концентрация ионов или молекул, объем клетки возрастает, поскольку вода поступает внутрь. Выкачивание ионов мембранными насосами и обменниками сопровождается восстановлением ее объема за счет выхода вслед за ионами избытка воды.

Отек клетки связан с нарушением регуляции ее объема со стороны плазматической мембраны. В нормальных клетках концентрация белка выше, чем вне клеток, вследствие чего клетки млекопитающих обладают более высоким внутриклеточным

коллоидно-осмотическим (онкотическим) давлением, чем внеклеточная жидкость. Это неизбежно привело бы к увеличению объема клетки, если бы для уравновешивания этого «избыточного» давления не происходило удаление (выкачивание) ионов натрия из клетки за счет работы энергозависимой Na + /К + -АТФазы. Поскольку мембрана клеток хорошо проницаема для ионов хлора, то вместе с натрием выходит и хлор за счет разности потенциалов на мембране. Иначе говоря, натриевый насос удаляет из клетки NaCl и снижает концентрацию ионов в цитоплазме, что приводит к уменьшению клеточного объема. Этому процессу противостоит процесс самопроизвольного поступления натрия внутрь клетки через дефекты в липидном бислое, натриевые каналы, переносчики, сопрягающие вход натрия с транспортом сахаров и аминокислот в клетку, Na+/H+- и Na + /Ca 2+ -обменники, а также Na + /К + /2С1- котранспортер.

Таким образом, живая клетка находится в состоянии динамического равновесия, при котором «протечка» клеточной мембраны компенсируется постоянной работой ионной помпы (это так называемая гипотеза leak and pump).

При патологии может происходить либо увеличение ионной проницаемости клеточной мембраны (возрастание «протечки»), либо нарушение работы ионных насосов, например, при недостатке энергообеспечения вследствие гипоксии, действия цианидов или разобщителей окислительного фосфорилирования (динитрофенол). В опытах с изолированными клетками печени, почек и мозга было показано, что отравление солями ртути или других тяжелых металлов приводит к увеличению ионной проницаемости мембраны клеток (увеличению «протечки»), нарушению АТФ-зависимого транспорта и возрастанию объема клеток (т.е. набуханию ткани).

Рис. 2.5. Общая схема строения биологических мембран. Объяснения в тексте.
дорастворимых веществ, таких, как углеводы, аминокислоты, белки, нук­леотиды 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 ли­пидной 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, липопротеидных, гликопротеидных и гликолипидных компонентов мембран. От свойств липидной фазы мембран, таких, как вязкость, поверхностный за­ряд, полярность, зависит работа мембранных ферментов и рецепторов.
Для наружных клеточных мембран характерно наличие гликокаликса, 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 БН-группы белков, в том числе мембранных ферментов и ионных каналов (рис. 2.5, 7 и 2.5, 5), 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, фосфо­липидные 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 (пероксидации)липидов.
Свободнорадикальное (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.
Свободные радикалы, образующиеся в клетках организма

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

Рис. 2.6. Метаболизм супероксидного радикала. Объяснения в тексте.
лентности супероксидные радикалы превращаются в перекись водоро­да; эта реакция катализируется ферментом супероксиддисмутазой (ре­акция 2):
2Ю2- -» Н202 + 02
Клетки-фагоциты используют перекись водорода, превращая ее в гипохлорит - соединение, разрушающее стенки бактериальных клеток; эта реакция катализируется ферментом миелопероксидазой (реакция 3):
н2о2 + с1--»н2о + сю-.
Избыток перекиси водорода удаляется под действием двух фермен­тов: глутатион-пероксидазы или каталазы (4 на рис. 2.6):
Н202 + гвБН (глутатион) -> Глутатионпероксидаза 2Н20 + ОББО;
2Н202 -» Каталаза 2Н20 + 02.
Радикал гидроксила. В условиях патологии могут произойти нару­шения либо системы защитных ферментов (в частности, снижение актив­ности СОД), либо ферментных систем, связывающих ионы железа в плаз­ме крови (церулоплазмин и трансферрин) и в клетках (ферритин). В этом случае супероксидные радикалы и перекись водорода вступают в альтер­нативные реакции:
1. образование двухвалентного железа из трехвалентного (рис. 2.6, 7):
Ре3+ + Ю2- -» Ре2+ + 02;
2. реакция перекиси водорода и гипохлорита с ионами двухвалентно­го железа (рис. 2.6, 9 и 10):
Ре2+ + Н202 -» 1=е3+ + НО" + НО* (реакция Фентон);
Ре2+ + СЮ- + Н+ -» Ре3+ + С1" + НО- (реакция Осипова).

Совокупность продуктов, образуемых активированными клетками-фагоцитами (радикалы супероксида и гидроксила, перекись водорода и гипохлорит), называют активными формами кислорода; некоторые авто­ры называют гипохлорит и продукты его метаболизма в тканях (такие, как хлорамины Р-ЫНС1), активными формами хлора.
Радикалы гидроксила химически исключительно активны и вызыва­ют повреждение белков, нуклеиновых кислот и липидов биологических мембран. Особенно тяжелые последствия имеют две последние реакции. Радикалы -ОН вызывают разрыв нитей ДНК, оказывают в зависимости от ситуации, мутагенное, канцерогенное или цитостатическое действие. Вместе с тем, реагируя с ненасыщенными жирными кислотами, входя­щими в состав мембранных липидов, радикалы гидроксила инициируют цепную реакцию их пероксидации (перекисного окисления).
Цепное окисление липидов. Реакция цепного окисления липидов играет исключительную роль в клеточной патологии. Она протекает в не­сколько стадий, которые получили название инициирование, продолже­ние, разветвление и обрыв цепи (рис. 2.7). Рассмотрим эти стадии под­робнее.


Рис. 2.7. Реакция цепного окисления липидов.
А - реакция с неразветвленной цепью, Б - разветвленная цепная реакция
Инициирование цепи. Радикал гидроксила - небольшая по разме­ру незаряженная частица - способен проникать в толщу гидрофобного липидного слоя и вступать в химическое взаимодействие с полиненасы­щенными жирными кислотами (которые принято обозначать как Ш), вхо­дящими в состав биологических мембран и липопротеинов плазмы кро­ви. При этом в липидном слое мембран образуются липидные радикалы:
НО- + Ш -» Н20 + Ь.

Липидный радикал (L-) вступает в реакцию с растворенным в среде молекулярным кислородом; при этом образуется новый свободный ра­дикал - радикал липоперекиси (LOO):
L- + LH -> LOO .
Продолжение цепи. Этот радикал атакует одну из соседних моле­кул фосфолипида с образованием гидроперекиси липида LOOH и нового радикала
LOO + LH-»LOOH + L-.
Чередование двух последних реакций представляет собой цепную реакцию перекисного окисления липидов (см. рис. 2.7, А).
Разветвление цепи. Существенное ускорение пероксидации ли­пидов наблюдается в присутствии небольших количеств ионов двухвален­тного железа. В этом случае происходит разветвление цепей в результа­те взаимодействия Fe с гидроперекисями липидов:
Fe2+ + LOOH -> Fe3+ + НО- + LO.
Образующиеся радикалы LO* инициируют новые цепи окисления липидов (рис. 2.7, Б):
LO + LH -> LOH + L-; L- + 02 -> LOO- -> и т.д.
Обрыв цепей. В биологических мембранах цепи могут состоять из десятка и более звеньев. Но в конце концов цепь обрывается в результа­те взаимодействия свободных радикалов с антиоксидантами (InH), иона­ми металлов переменной валентности (например, теми же Fe2+) или друг с другом:
LOO- + Fe2+ + H + `LOOH;
LOO- + InH -» In-;
LOO- + LOO- -> молекулярные продукты.
Использование хемилюминесценции для изучения реакций, идущих с участием свободных радикалов. Последняя реакция интерес­на еще и тем, что она сопровождается свечением - хемилюминесценци­ей. Интенсивность хемилюминесценции очень мала, поэтому ее иногда называют «сверхслабым свечением». Интенсивность свечения пропорци­ональна квадрату концентрации свободных радикалов в мембранах, а ско­рость перекисного окисления прямо пропорциональна концентрации тех же радикалов. Поэтому интенсивность «сверхслабого» свечения однознач­но отражает скорость липидной пероксидации в изучаемом биологичес­ком материале, и измерение хемилюминесценции довольно часто исполь­зуется при изучении перекисного окисления липидов в различных объектах.
Измерение хемилюминесценции широко применяется также для изучения образования активных форм кислорода клетками крови и пери­тонеальными макрофагами. В присутствии специальных соединений - люминола и люцигенина - наблюдается хемилюминесценция изолиро­ванных лейкоцитов крови, макрофагов или разведенной цельной крови, если клетки-фагоциты продуцируют гипохлорит, и радикалы кислорода (супероксид + гидроксил-радикал). Интенсивность хемилюминесцентных ответов клеток увеличивается в несколько раз при появлении очагов не­кроза в организме, например после инфаркта миокарда, и, напротив, уг­нетается при тканевой гипоксии; поэтому измерение клеточной хемилю­минесценции может быть использовано в ряде случаев с целью выявления заболевания, оценки тяжести состояния больного и эффективности на­значенного лечения.

Биологические последствия пероксидации липидов. Увеличен­ное образование свободных радикалов в организме и связанное с этим усиление процессов пероксидации липидов (которое иногда называют оксидативным стрессом) сопровождается рядом нарушений в свой­ствах биологических мембран и функционировании клеток. Наиболее изу­чены три прямых следствия перекисного окисления липидов.
Во-первых, перекисное окисление липидов сопровождается окис­лением тиоловых (сульфгидрильных) групп мембранных белков (Рг). Это может происходить в результате неферментативной реакции ЭН-групп со свободными радикалами липидов; при этом образуются сульфгидрильные радикалы, которые затем взаимодействуют собразованием дисуль­фидов либо окисляются кислородом с образованием производных суль­фоновой кислоты:
Рг-ЭН + и -» Ш + Рг-Э-;
Р^-Э- + Рг2-Э- -» Рг^ЭЭ-Р^;
Рг-Э* + 02 -> Рг-Э02` -> молекулярные производные.
Связанные с перекисным окислением липидов окисление белков и образование белковых агрегатов в хрусталике глаза заканчиваются его помутнением; этот процесс имеет большое значение в развитии старчес­кой и других видов катаракты у человека. Важную роль в патологии клетки играет также инактивация ион-транспортных ферментов, в активный центр которых входят тиоловые группы, в первую очередь Са2+-АТФазы. Инак­тивация этого фермента вызывает замедление «откачивания» ионов каль­ция из клетки и, наоборот, вход кальция в клетку (рис. 2.8, 7), увеличение внутриклеточной концентрации ионов кальция и повреждение клетки.

Рис. 2.8. Нарушение барьерных свойств мембран при перекисном окислении липидов.

Наконец, окисление тиоловых групп мембранных белков приводит к появлению дефектов в липидном слое мембран клеток и митохондрий. Под действием разности электрических потенциалов на мембранах через такие дефекты в клетки входят ионы натрия, а в митохондрий - ионы калия. В результате увеличивается осмотическое давление внутри клеток и митохондрий, что способствует еще большему повреждению мембран.
Во-вторых, результат перекисного окисления липидов связан с тем, что продукты пероксидации обладают способностью непосредственно увеличивать ионную проницаемость липидного бислоя. Показано, что продукты перекисного окисления липидов делают липидную фазу мемб­ран проницаемой для ионов водорода (рис. 2.8, 2) и кальция (рис. 2.8, 3). Это приводит к тому, что в митохондриях окисление и фосфорилирова­ние разобщаются, а клетка оказывается в условиях энергетического голода (т.е. недостатка АТФ). Одновременно в цитоплазму выходят ионы кальция, которые повреждают клеточные структуры.
Третьий (и быть может, самый важный) результат пероксидации - это уменьшение стабильности липидного слоя, что может вызвать элект­рический пробой мембраны собственным мембранным потенциалом, т.е. под действием разности электрических потенциалов, существующей на мембранах живой клетки. Электрический пробой приводит к полной по­тере мембраной ее барьерных функций (рис. 2.8, 4).
Клеточные системы антирадикальной защиты. В нормальных условиях процесс перекисного окисления липидов находится под стро­гим контролем ферментативных и неферментативных систем клетки, от­чего скорость его невелика. Принято делить химические соединения и физические воздействия, влияющие на скорость перекисного окисления липидов, на прооксиданты (усиливают процессы перекисного окисления) и антиоксиданты (тормозят перекисное окисление липидов). К проокси­дантам в живой клетке относятся высокие концентрации кислорода (на­пример, при длительной гипербарической оксигенации больного), фер­ментные системы, генерирующие супероксидные радикалы (например, ксантиноксидаза, ферменты плазматической мембраны фагоцитов и др.), ионы двухвалентного железа.
Хотя сам процесс перекисного окисления развивается в виде цеп­ных реакций в липидной фазе мембран и липопротеинов, начальные (а) стадии этой сложной системы реакций про­текают в водной фазе. Часть защитных систем клетки также локализуется в липидной, а часть - в водной фазах. В зависимости от этого можно го­ворить о водорастворимых и гидрофобных антиоксидантах.
Антиоксиданты водной фазы. Основные реакции в водной фазе, предшествующие цепному окислению, и роль антиоксидантов в ограни­чении скорости этих процессов можно представить в виде схемы:

Непосредственными предшественниками гидроксильного радика­ла, инициирующего цепное окисление липидов, служат ионы двухвалент­ного железа и перекись водорода (или образующийся из нее гипохлорит). По этой причине образование радикала гидроксила и пероксидация ли­пидов тормозятся веществами, снижающими концентрацию одного из этих двух соединений. К ним относятся следующие вещества:
- фермент супероксиддисмутаза - снижает концентрацию суперок­сидных радикалов и тем самым препятствует восстановлению ими ионов трехвалентного железа до двухвалентного. В клетке ионы же­леза хранятся в трехвалентном состоянии в специальных депо, об­разованных субъединицами белка - ферритина;
- ферменты каталаза и глутатионпероксидаза - удаляют перекись во­дорода. Эффективность работы глутатионпероксидазы зависит от концентрации свободного глутатиона, при снижении которой может возрастать концентрация цитотоксических гидроксильных ради­калов;
- регенерация восстановленного глутатиона (СБН) из окисленного (СББС) осуществляется за счет НАДФН; этот процесс катализиру­ется ферментом глутатионредуктазой. Недостаток глутатиона в клет­ках, например в эритроцитах, который может быть обусловлен дей­ствием токсичных веществ, например ионов тяжелых металлов или наследственным недостатком глутатионредуктазы, приводит к ак­тивации перекисного окисления; это, в частности, наблюдается при некоторых видах гемолитических анемий;
- соединения, связывающие ионы железа (комплексоны). Следует, однако, добавить, что в водной фазе некоторые комплексы ионов железа вступают в реакции с супероксидным радикалом и перекисью водорода наряду со свободными ионами железа.
Антиоксиданты, тормозящие развитие цепных реакций в ли­пидной фазе. Основные реакции в липидной фазе биологических мемб­ран и липопротеинов крови, а также роль антиоксидантов в ограничении скорости этих процессов можно продемонстрировать с помощью схемы.

Цепные реакции «ведут» свободные радикалы липидов (L* и LOO), разветвление цепей происходит при взаимодействии продукта пероксидации - гидроперекиси липидов (LOOH) с ионами Fe . Все соединения, снижающие концентрацию перечисленных веществ, выполняют функцию антиоксидантов. К ним относятся:
- ферменты фосфолипаза и глутатионпероксидаза, разрушающие гидроперекиси липидов, предотвращая разветвление цепей окис­ления липидов в мембранах. При этом действие фосфолипазы зак­лючается в отщеплении от фосфолипидов окисленной жирной кис­лоты, содержащей гидроперекисную группу (LOOH), а действие глутатионпероксидазы сводится к восстановлению этой группы до спиртовой с одновременным окислением глутатиона (GSH) до ди­сульфида (GSSG):
LOOH + 2GSH -» LOH + GSSG + Н20;
- ловушки радикалов, которые называют иногда «липидными антиоксидантами». По своей химической природе липидные антиок­сиданты - это производные фенола. К ним относится сс-токоферол (витамин Е), убихинон (кофермент Q), тироксин, эстрогены и синте­тические соединения,например ионол;

Соединения, связывающие железо. Большинство из них, включая такие природные соединения, как дипептид карнозин, не просто связывают железо, но, главное, не дают ему возможности приник­нуть в липидную фазу мембран, поскольку образующиеся комплек­сы в силу своей полярности не проникают в гидрофобную зону.
Для детоксикации двухвалентного железа в организме существует, по-видимому, целая система окисления и связывания ионов железа. В плазме крови эта система представлена ферментом церрулоплазмином (феррооксидазой), который окисляет Ре2+ до Ре3+ кислородом без обра­зования свободных радикалов, и белком трансферрином, который свя­зывает и переносит в кровяном русле ионы трехвалентного железа, а за­тем захватывается клетками. В клетках железо может восстанавливаться аскорбиновой кислотой и другими восстановителями, но затем окисля­ется и депонируется в окисленной форме внутри ферментного белкового комплекса ферритина.

Нарушения в ядре клетки . Они приводят к патологии хранения генетической информации в ДНК и передачи ее при делении клеток, генетического контроля клеточных процессов.

В связи с этим механизмы нарушений в ядре были рассмотрены при описании нарушений функций генетического аппарата и механизмов его реализации.

Восстановление клеток после повреждения, особенно в тканях, где основные популяции клеток не способны к делению (нервная, сердечная мышечная ткани), в зонах опухолевого роста, при патологической гипертрофии и гиперфункции органов может происходить путем образования полиплоидных клеток с многократным увеличением числа хромосом и размеров клеток. Такая полиплоидия сопровождается повышением функциональной активности клетки, однако это может привести к снижению ее резервных возможностей. Например, если гипертрофированный кардиомиоцит достигает очень больших размеров, то его трофическое обеспечение значительно затрудняется и приводит к гибели клетки. При ускорении синтеза белка и нуклеиновых кислот при гиперфункции и регенерации образуются множественные выпячивания и впячивания в связи с увеличением поверхности ядра. Эти явления сопровождаются увеличением количества хроматина и ядерных пор, возрастанием числа и размеров ядрышек.

Выделяют следующие патологии ядерного аппарата.

Уменьшение генетического материала наблюдают в злокачественных опухолевых клетках. Это приводит к уменьшению размеров таких клеток и изменению их свойств. Такие клетки по своим свойствам резко отличаются от нормальных клеток организма, имеют иные антигенные свойства, значительно изменяется их способность к дифференцировке.

Атипичные митозы (в том числе так называемый дегенеративный амитоз) сопровождаются анэуплоидией, хромосомными аберрациями. Это резко изменяет функциональные особенности клетки. В результате цитокинеза формируются две клетки со случайно распределенными наборами хромосом и содержимым цитоплазмы. Эти клетки являются атипичными, нередко опухолевыми. Подобные нарушения характерны для злокачественного опухолевого роста. Встречается неполный амитоз, когда цитотомии не происходит, и формируется многоядерная клетка - такой амитоз в патологии иногда называют дегенеративным.

Патология синтеза субъединиц рибосом и тРНК в ядрышке сопровождается нарушением синтетических процессов в клетке. В эту же группу включают нарушения экспрессии генов, транскрипции и сплайсинга, переноса генетической информации в составе иРНК из ядра в цитоплазму. Все эти изменения связаны с фенотипической изменчивостью.

Изменения генома и/или механизмов его реализации сопровождаются патологией строения ядер (полиморфизм, деформация, формирование инвагинаций цитоплазмы вплоть до включений цитоплазмы в ядре, выпячивания кариоплазмы в цитоплазму).

При нарушениях ядро набухает с вакуолизацией (расширением) перинуклеарной цистерны или сморщивается. Набухшие ядра становятся более светлыми, изменяется ядерно-цитоплазматическое отношение. Это часто предшествует разрушению ядерной оболочки со слиянием содержимого кариоплазмы и цитоплазмы (кариолизис). Кариолизис предшествует паранекрозу и/или некрозу, с последующим самоперевариванием клетки (аутолизом). Увеличение (конденсация) или уменьшение количества хроматина, разрыв ядра могут быть вызваны гипоксией, ионизирующим излучением и др. Данные нарушения сопровождаются снижением синтеза нуклеиновых кислот и белка.

При сморщивании ядро (кариопикноз) уменьшается в размерах, в нем накапливается гетерохроматин, что приводит к усилению окрашивания кариоплазмы (гиперхроматоз). Ядрышки уплотняются, уменьшаются в размерах, нередко распадаются. Синтез РНК и субъединиц рибосом в таком ядре резко снижается. Прогрессируя, эти изменения приводят к сегментации ядра с последующим его распадом на глыбки (кариорексис), которые затем разрушаются. Эти последствия гибельные для клетки. Такая клетка распадается на части, которые подвергаются фагоцитозу макрофагами.

При гибели клетки хроматин коагулируется и собирается в грубые конгломераты.

При подавлении синтеза рРНК ядрышко сжимается и фрагментируется, утрачивает гранулы. В ядрышке появляются «полости» с низкой плотностью.

Нарушение созревания рибосом (ингибиция процессинга рРНК) вызывает увеличение размеров ядрышек, но в них отсутствуют зрелые субъединицы рибосом.

Изменения в цитозоле (гиалоплазме) . Для них характерны патологии циклоза, обеспечения взаимодействия клеточных структур друг с другом, анаэробного гликолиза, обмена углеводов, белков, липидов и других веществ, депонирования гликогена, жиров, пигментов.

Гипоксия, протеолитические процессы, аутолиз, преобладание анаэробно-гликолитических процессов могут приводить к накоплению низкомолекулярных органических соединений, изменять онкотическое давление. Повышение онкотического давления вызывает диффузию воды в гиалоплазму и набухание клетки. Подобные же явления могуг сопровождать гипоосмолярную гипергидрию. При резком набухании разрывается цитомембрана и содержимое гиалоплазмы сливается с межклеточным веществом.

Повышенная проницаемость цитомембраны при различных патологических воздействиях вызывает выход ионов калия из клетки и поступление в нее ионов натрия, хлора и кальция. Повышается осмотическое давление гиалоплазмы. В нее поступает вода, и клетка набухает.

Обезвоживание, гиперосмолярность межклеточного вещества приводят к выходу воды из гиалоплазмы и сморщиванию клетки. Потеря клеткой воды (дегидратация) понижает функциональную активность, замедляет циклоз, происходит накопление продуктов жизнедеятельности (аутоинтоксикация).

При патологии изменяется кислотно-щелочное равновесие в матриксе клетки. Недоокисленные продукты, накапливающиеся в матриксе, вызывают метаболический ацидоз, повышают проницаемость мембран. Нарушение проницаемости активизирует протеолитические ферменты, что вызывает внутриклеточное самопереваривание - аутолиз.

Патофизиология митохондрий . Она связана с нарушением аэробного фосфорилирования и энергетического обеспечения. Изменения в митохондриях возникают при гипоксии, действии токсинов, блокирующих цепи окислительного фосфорилирования.

Нарушение функций митохондрий наблюдают при гипертиреозе за счет трийодтиронина, рецепторы к которому имеются в органелле. α-Динитрофенол, глюкокортикоиды, инсулин, интерлейкин-1, избыток кальция и тиреоидных гормонов вызывают набухание митохондрий и разобщение цепей окислительного фосфорилирования. В результате клетка не может выработать достаточного количества АТФ, и энергозависимые процессы затухают. Эти функциональные нарушения сопровождаются структурными перестройками в виде набухания митохондрий, изменения структуры их крист и плотности матрикса.

При нарушении обмена веществ, гипоксии, интоксикации митохондрии набухают, их матрикс просветляется и вакуолизируется. Все это приводит к снижению образования АТФ и эффективности окислительного фосфорилирования.

Разобщение цепей окислительного фосфорилирования происходит при лихорадке в момент повышения температуры и при гипотермии как механизм, обеспечивающий повышенную теплопродукцию.

Кроме набухания можно наблюдать конденсацию и фрагментацию митохондрий. Формируются органические (белковые, липидные) и минеральные (нерастворимые соли кальция) включения. Все это также снижает эффективность синтеза АТФ за счет полной или частичной блокады окислительных процессов.

Иногда встречаются гигантские митохондрии с соответствующей гипертрофией крист. Эти нарушения имеют место в случае гипертрофии органелл или за счет их слияния. Изменяются также число и форма крист внутренней мембраны. Увеличение числа крист обычно указывает на повышение активности митохондрий. Иногда трансформируется форма крист и появляются не только трабекулярные, но и мультивезикулярные (трубчатые). Динамике подвергается и направлен на крист. Может встречаться продольная и поперечная направленность. Фрагментация крист, нарушение их правильного расположения появляются при гипоксии.

При гиповитаминозах, алкогольной интоксикации, в опухолевых клетках изменяется форма митохондрий и крист.

Количественные изменения содержания митохондрий в клетке могут быть как в виде увеличения, так и уменьшения. Увеличение числа митохондрий в клетке обычно возникает при усилении ее функциональной активности (гиперфункции и гипертрофии), в процессе восстановления нарушенных функций, при апоптозе. Уменьшение абсолютного содержания митохондрий в клетке указывает на снижение ее функциональной активности, деструктивные атрофические процессы.

Высокой динамичностью отличается распределение митохондрий. Так, при различных патологических ситуациях они локализуются вокруг ядра или на одном из полюсов клетки. В результате математического моделирования показано, что эти изменения в числе прочих могут быть обусловлены динамикой диффузии кислорода и глюкозы.

Часть антибиотиков специфически нарушает белковый синтез на рибосомах митохондрий, например левомицетин, эритромицин. Если в выделенные митохондрии добавить подобные антибиотики, то нарушаются синтетические процессы и органеллы гибнут. Подобные явления в целом организме не наблюдаются, так как указанные антибиотики не накапливаются внутри эукариотической клетки, плохо проникая через ее мембрану.

Патологические процессы в рибосомах . Они сопровождаются нарушением трансляции с образованием полипептидных цепочек в цитозоле, гр. ЭПС и митохондриях.

Эти нарушения возникают при влиянии некоторых патологических факторов, например противоопухолевых препаратов, блокирующих синтез белков у эукариот.

Изменения рибонуклеопротеидных комплексов рибосом, а также рецепторов к ним могут сопровождаться снижением связывания рибосом и полисом с гр. ЭПС в ходе образования секреторных белков. Такие вновь образованные полипептидные цепочки быстро разрушаются в матриксе цитоплазмы.

Патология ядрышкового аппарата приводит к снижению содержания рибосом в цитоплазме и подавлению пластических процессов в организме.

Некоторые особенности имеет патология митохондриальных рибосом. Их нарушения вызывают препараты, блокирующие белковый синтез у бактерий, например левомицетин, эритромицин, которые не влияют на активность цитоплазматических рибосом.

Нарушения в ЭПС . Изменения в гр. и глад. ЭПС по проявлениям близки и сводятся к ниже перечисленным.

Расширение цистерн ЭПС с вакуолизацией цитоплазмы клеток . Наблюдается при повышении активности ЭПС с накоплением в ее структуре синтезированных веществ, при нарушении транспорта веществ в комплекс Гольджи, накоплении патологических веществ. При избыточном накоплении нормальных и патологических веществ развивается дистрофия клетки.

Фрагментация ЭПС , накопление в канальцах обрывков мембран, остатков клеточных органелл характерны для большого числа повреждений клетки, в том числе некроза и паранекроза, «шоковой» клетки, и сопровождаются значительным снижением синтетической активности ЭПС.

Гипертрофия ЭПС наблюдается при гиперфункции секреторных клеток, возникающей от избыточных стимулирующих воздействий на клетку. Это дисфункции вегетативной нервной системы, дисгормонозы, раздражающие воздействия на секреторные клетки, опухолевое их перерождение.

Гипотрофия ЭПС сопровождается снижением секреторной активности клеток и скорости замещения мембранных комплексов. Это характерно для гипотрофии, атрофии, апоптоза и может являться следствием подавления вегетативного нервного

контроля, гормонального блокирования секреции, гипоксии и голодания.

Упрощение структуры и изменение распределения ЭПС возникают при гипотрофии и атрофии в зонах хронических воспалительных процессов, дедифференцировке клеток в опухолях.

Нарушения в гранулярной ЭПС проявляются блокадой, избыточным синтезом полипептидов либо синтезом измененных полипептидных цепочек (мембранных, лизосомальных, секреторных).

Гипертрофия гр. ЭПС нередко сопровождается гиперсекрецией того или иного вещества. Это связано с чрезмерной внешней активацией специфической активности клетки при дисгормональных нарушениях и патологии нервной регуляции.

Патология гр. ЭПС с блокадой синтетических и/или транспортных процессов в клетке сопровождается вакуолизацией, фрагментацией органеллы, нарушением связи с рибосомами и др. Это приводит к дистрофиям, нарушению ресинтетических процессов в клетке.

Гипоксия, различного рода интоксикации изменяют форму цистерн и их размеры. Наблюдается фрагментация цистерн, изменяется их распределение в клетке. На цистернах исчезают рибосомы или они распределяются неравномерно. Эти явления значительно снижают эффективность синтетической функции клетки, в первую очередь восстановление мембранных структур, синтез секрета, восполнение лизосомальных ферментов. Это ведет к угнетению пластических (анаболических) процессов в клетке.

Патологические изменения могут возникать в функционировании свободных и связанных рибосом, что обусловлено несколькими механизмами. Свободные и связанные с гр. ЭПС рибосомы не связываются с иРНК, блокируются соединения с тРНК, не объединяются субъединицы рибосом, необходимые для процессов трансляции.

Дезагрегация рибосом и полисом на гр. ЭПС, их исчезновение вызывают нарушения синтеза секреторных и лизосомальных белков, белков клеточной мембраны.

Для гиповитаминоза С характерно неравномерное распределение рибосом на мембранах, что обусловлено нарушением рецепторной функции мембран гр. ЭПС и вызывает снижение синтетической активности клетки.

Нарушения в гладкой ЭПС выражаются патологией регенерации клеточных мембран, синтеза гликогена, липидов, стероидных гормонов, депонирования и высвобождения Са 2+ , детоксикации экзогенных и эндогенных веществ. Эти нарушения проявляются снижением обезвреживающей функции печеночных клеток, а также уменьшением секреторной активности экзокринных и эндокринных желез, уменьшением интенсивности сокращений в мышечной ткани. Может снижаться двигательная активность фагоцитов, нарушаться передача возбуждения в нейронах и т. д.

Нарушения в комплексе Гольджи . Это патологии модификации, сортировки и упаковки белков, которые или секретируются клеткой, или поступают в плазмолемму, изменения в лизосомах, нарушение образования полисахаридов, гликопротеинов, липопротеинов, гликолипидов.

Гиперфункция комплекса Гольджи с его гипертрофией вызывает избыточную секрецию и/или накопление секреторных продуктов внутри клетки. Гипертрофия с гиперфункцией комплекса Гольджи в секреторных клетках наблюдается при избыточной стимуляции секреции вегетативными нервными окончаниями, гиперфункции гормонов, стимулирующих секрецию. Гиперфункция комплекса Гольджи сопровождается набуханием цистерн, увеличением их числа и размеров. Подобным же образом изменяются вакуоли и пузырьки, участвующие в его формировании.

Гипофункция комплекса Гольджи нарушает репарацию мембранных комплексов клетки, снижает ее секреторную активность и переваривающую способность. Гипофункция возникает при гипотрофии и атрофии, денервации, гипофункции гормонов, стимулирующих секреторную активность клеток, и/или при повышенной активности гормонов, блокирующих секрецию, нарушениях питания. При вирусных инфекциях структуры комплекса Гольджи могут исчезнуть или их содержание резко уменьшается.

Парциальные нарушения функций комплекса Гольджи обусловлены врожденными или приобретенными ферментопатиями и сопровождаются блокадой созревания отдельных гликопротеиновых, липопротеиновых и других комплексов.

Патология лизосом . Она сопровождается активацией аутолиза при избыточной и дистрофией при недостаточной активности.

Повышение проницаемости мембран лизосом под действием гипоксии, СПОЛ, канцерогенных веществ и др. приводит к активизации переваривания с самоперевариванием клетки (аутолизом). Запускается аутолиз при гипоксии, кахексии (истощении) организма, травмах клетки, действии чрезмерно высокой или низкой температуры, кислот и щелочей, выраженной интоксикации, ионизирующих излучениях и др. Глюкокортикоиды, холестерин, противовоспалительные препараты поддерживают сохранность мембран, предотвращая самопереваривание.

Противоположное явление - недостаточное внутриклеточное переваривание - сопровождается накоплением в клетке продуктов неполного разрушения, что может приводить к дистрофии. Как вариант нарушения переваривания - невозможность разрушения патогенных микроорганизмов - нарушает защитные реакции организма. Уменьшение числа лизосом, снижение ферментативной активности встречаются при хронической гипоксии, избытке стероидных гормонов, некоторых инфекциях и нарушениях обмена веществ и др.

Патологию в лизосомах наблюдают при следующих явлениях: изменениях в самих лизосомах и реакции лизосом на нарушения в других клеточных компонентах. При генетических изменениях, вызывающих перестройку лизосомальных ферментов и снижающих их ферментативную активность, возникают «болезни накопления», при которых увеличивается количество остаточных телец и изменяются структуры вторичных митохондрий. Отравление клеток каротином при гипервитаминозе повышает проницаемость мембран клетки, в том числе мембран лизосом, лизосомальным ферментам становятся доступны клеточные субстраты, активируется аутолиз.

Нарушение функций пероксисом . Это снижает эффективность обезвреживания кислородных радикалов и активизирует перекисные процессы в клетке, приводит к накоплению недоокисленных продуктов и активизации свободнорадикальных перекисных процессов, что нарушает проницаемость мембран, вызывает мутации и аутолиз. Снижается содержание пероксисом при ионизирующем излучении и в опухолевых клетках.

Увеличение количества пероксисом встречается при патологических процессах и носит защитно-компенсаторный характер, например при лептоспирозе и вирусном гепатите.

Нарушения структуры и функций центриолей . Это нарушает деление, структурирование клетки вне деления, образование ресничек и жгутиков.

Нарушения структуры и функции центриолей, формирующих клеточный центр, тесно взаимосвязаны с процессами полимеризации и деполимеризации микротрубочек. В результате распада центриолей и разрушения центросферы изменяется распределение органелл в гиалоплазме. Комплекс Гольджи локализуется вблизи клеточного центра. При нарушениях в клеточном центре могут быть значительные изменения распределения транспортных процессов как в пределах компартментов комплекса, так и от него в направлении цитомембраны (регулируемая секреция) и в цитозоле (прелизосомы).

Под действием колхицина и его аналогов, разрушающих клеточный центр, блокируются процессы митоза и нормальное распределение генетического и цитоплазматического материала при делении.

Изменения элементов цитоскелета (микротрубочек, микрофиламентов, микротрабекул) . Они изменяют форму и подвижность клеток, нарушают распределение и перемещение компонентов клетки, транспорта веществ в клетку и из нее, возникает дезагрегация в межклеточных соединениях.

Патология полимеризации микротрубочек может привести к нарушению процессов перемещения секреторных пузырьков, лизосом, органелл в клетке, нарушению митоза, затруднению экзоцитоза секреторных включений, изменениям в формировании и подвижности ресничек и жгутиков. Например, изменение активности динеина блокирует движения ресничек дыхательных путей и половых органов, ведет к застою.

Полимеризация тесно связана с содержанием ионов кальция. Она может быть блокирована колхицином. Недостаток АТФ также вызывает снижение подвижности ресничек и жгутиков. Нарушение функции кинезиновых и динеиновых комплексов в нейротубулах (микротрубочках нейронов) сопровождается грубыми нарушениями в транспорте веществ вдоль аксона. Снижается регенерация поврежденных отростков нейронов.

Патология формирования тонких филаментов сопровождается повреждением микроворсинок и стереоцилий, ленточных десмосом. Снижается подвижность клеток, нарушаются процессы фагоцитоза и циклоза, возникает дискинезия выводящих путей экзокринных желез. Деполимеризация тонких микрофиламентов (миофиламентов) мышечной ткани характеризуется блокадой сокращений. Подобные явления наблюдают при невозможности взаимодействия тонких и толстых миофиламентов и микромиозиновых комплексов, например, когда нарушаются кальциевый обмен, образование, транспорт и использование АТФ, изменяется строение тропомиозинов и др.

Нарушения синтеза и распределения промежуточных филаментов сопровождаются деформациями клеток и ядер, значительно снижается механическая прочность клеток и их соединений. Снижение прочности адгезивных соединений связано с десмосомальными и полудесмосомальными контактами.

Кроме изменений в полимеризации самих микротрубочек, промежуточных филаментов и тонких микрофиламентов может возникнуть дезинтеграция их связи со структурными белками цитомембран.

Нарушения функций плазматической мембраны . Под действием патогенных факторов в течение длительного времени может повышаться ионная проницаемость клеточной мембраны. Нарушается функция калий-натриевых, кальций-магниевых и других насосов. В результате происходит перераспределение ионов внутри и вне клетки. Накапливаются ионы натрия, кальция и хлора и уменьшается количество калия в клетке. Процесс нередко сопровождается уменьшением количества АТФ либо блокированием АТФаз. Проникновение ионов Na + и Cl — вызывает повышение внутриклеточного давления и набухание вплоть до разрыва цитомембраны. Изменения проницаемости мембран характерны для многочисленных повреждений, в том числе гипоксии, действия животных и растительных ядов, ионизирующих излучений, блокаторов АТФаз и др.

Кроме повреждения транспорта ионов происходит снижение всасывания глюкозы (при сахарном диабете), отдельных аминокислот и др.

Наряду с блокадой активного транспорта при повреждениях нередко изменяются процессы эндоцитоза и экзоцитоза. Дисфункция эндоцитоза, не связанного с белками-рецепторами, обусловлена повреждением белков слияния. Это приводит к изменению транспортных процессов в эпителиальной ткани, в том числе в эндотелии кровеносных сосудов.

Микроэндоцитоз, опосредуемый через рецепторы, нарушается в связи с изменением рецепторного аппарата мембраны клетки. Это может быть также обусловлено нарушением образования вторых посредников, патологией прикрепления клатринов к внутренней поверхности мембраны клетки.

При фагоцитозе бактерий, крупных частей клетки и др. может нарушаться взаимодействие фагоцитируемой частицы с рецепторами на поверхности клетки, изменяются содержание кальция и полимеризация тонких микрофиламентов и микротрубочек.

Снижение спонтанной секреции вызывает повреждения комплекса Гольджи, что ведет к недостаточному восстановлению цитомембраны. Регулируемая секреция патологически меняется за счет дисфункции гормонального и нервного контроля, патологической деполяризации или гиперполяризации мембраны, избыточной или недостаточной активации клетки через вторые посредники, патологии микротрубочек и уровня внутриклеточного кальция. Изменения сопровождаются нарушением выведения секреторных продуктов, в том числе гормонов, ферментов, слизи, медиаторов при синаптической передаче в нервной ткани и т. д.

Одним из ведущих повреждающих механизмов клеточных мембран является каскад свободно-радикальных перекисных реакций липидов, в конечном итоге сопровождающийся накоплением амфифильных соединений с резким усилением проницаемости цитомембраны и активизацией аутолитических процессов.

При изменении рецепторного аппарата клетки повышается или снижается количество рецепторов к гормонам или другим биологически активным веществам, уменьшается аффинность (специфичность) рецепторов. Причины нарушений могут быть первичными (генетически обусловленными) или вторичными (приобретенными). Примерами причин вторичных нарушений служат аутоиммунный процесс с разрушением рецепторов антителами, компенсаторное уменьшение чувствительности к гормонам при повышении их активности, например увеличение содержания инсулина в сочетании со снижением чувствительности к нему при ожирении и инсулиннезависимом сахарном диабете.

Увеличение количества рецепторов наблюдают при денервации, например, в зонах, лишенных симпатического нервного контроля, повышается содержание рецепторов к адреналину и норадреналину. Уменьшение содержания рецепторов приводит к развитию заболеваний, связанных с относительной недостаточностью гормона, которые не корректируются введением даже повышенных доз этого биологически активного вещества (инсулиннезависимый сахарный диабет, карликовость).

Иногда наблюдаются изменения в передаче сигнала от рецепторов внутрь клетки. Возбуждение, вызванное сигналом, может передаваться в глубь клетки несколькими способами: при взаимодействии рецептора с интегральным G-белком, активирующим образование сигнальных молекул цитоплазмы (вторых посредников) - цАМФ, ионов кальция, цГМФ; во втором случае рецептор связан с тирозинкиназами, которые запускают Ras-каскад, в результате чего образуется инозитол-1,4,5-трифосфат, диацилглицерол. Вторые посредники влияют на цепь каталитических реакций, в том числе транскрипцию. Изменение активности вторых посредников и образующих их белков может привести к снижению или усилению влияния гормональных факторов.

Нарушение аффинности (сродства) рецепторов к молекулам адгезии и агрегации приводит к снижению прилипания клеток к себе подобным и/или межклеточным структурам. Нарушение «узнавания» рецептором гликокаликса родственных клеток сопровождается патологической подвижностью клеток с возможностью их миграции в организме. Такой способностью обладают злокачественные опухолевые клетки, что ведет к формированию метастазов и вызывает инфильтративный рост. В то же время снижение адгезивных свойств селектинов и интегринов лейкоцитов приводит к синдрому так называемых «ленивых» лейкоцитов, когда они не могут проникнуть из сосуда в зону воспаления.

Патология белков цитомембран, выполняющих опорно-каркасную функцию, нарушает форму клеток и их механическую прочность. Например, анемии с нарушением формы эритроцитов обусловлены повреждением связи опорных белков с микротрубочками и тонкими микрофиламентами.

Снижение активности белков-ферментов цитомембраны столбчатых энтероцитов резко затрудняет процессы пристеночного пищеварения в тонкой кишке. Повреждение белков-ферментов гликокаликса тироцитов блокирует образование гормонов щитовидной железой, а у фибробластов подавляет синтез коллагеновых и эластических волокон.

Нарушения образования главных комплексов гистосовместимости первого класса сопровождаются активизацией аутоиммунных процессов. Некоторые патогенные микроорганизмы выделяют фермент нейраминидазу, обнажающий антигенные структуры на мембранах клеток организма, что приводит к уничтожению таких клеток лейкоцитами. Изменяются главные комплексы гистосовместимости и при опухолевом перерождении клеток.

Нарушение функции механических контактов клетки (десмосом, полудесмоеом, ленточных десмосом) приводит к снижению прочности таких соединений, к разрывам контактов клеток с соседними структурами даже при незначительных механических воздействиях.

Патология щелевидных контактов нарушает единство физиологических реакций в тканях. Так, в гладкой и сердечной мышечной тканях подавляется проведение импульса, в эпителиальной ткани происходит десинхронизация процессов регенерации и секреторной активности клеток.

Структурно-функциональные изменения плотных контактов приводят к диффузии веществ из полостей в межклеточное вещество эпителия и далее в соединительную ткань и наоборот, что нарушает гомеостаз.

Патология функции синапсов сопровождается блокадой или усилением синаптической передачи с нарушениями функций нервной системы.

Микроскопически на ранних этапах повреждения чаще происходит округление (выравнивание формы и границ) клеток и потеря числа клеточных выростов и микроворсинок. В дальнейшем, наоборот, появляются на поверхности различные выросты и мелкие пузырьки, в норме не встречающиеся. Часто поверхность клетки как бы вскипает.

Таким образом, в приведенных в разделе материалах рассмотрены только некоторые из узловых моментов возможных нарушений. Они не могут охватить весь спектр подобных явлений, но позволяют наметить те направления изменений, которые происходят в клетке под влиянием повреждающих факторов. Каждое из изменений происходит не отдельно, а тянет за собой цепь структурно-функциональных нарушений во взаимодействующих между собой макромолекулярных комплексах, органеллах, частях клетки.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .