Транспорт в мембранах при патологиях

 

Согласно клеточной теории все клетки гомологичны по своему строению и основными структурными компонентами клетки являются ядро, цитоплазма и мембрана. Любой патологический процесс начинает развиваться на молекулярно-генетическом, субклеточном и клеточном уровне. Понять механизмы патологических процессов можно только в том случае, если мы знаем ультраструктуры и функции клеточных компонентов, прежде всего в норме, а затем уже при нарушении.

В строении клетки огромную роль играют биологические мембраны, и в настоящее время проблема клеточных мембран является доминирующей. Биологические мембраны тонки (6-10 нм) и замкнутые сами на себя. Основные химические компоненты - это липиды - 40%, белки-60%, и 2-10% углеводов. Некоторые мембранные белки лишь частично погружены в мембрану, тогда как другие пронизывают ее. Структурной основой мембран служит бимолекулярный липидный слой. Холестерин занимает особое место среди мембранных липидов. Он способен встраиваться в фосфолипидный бислой клеточной мембраны и уплотнять ее. Мембрана становится более вязкой и менее проницаемой для многих веществ (глюкозы, ионов, воды и др.). Содержание холестерина в клеточных мембранах зависит от общего обмена холестерина в организме и подвержено сильному влиянию пищевого рациона.

По месту локализации мембранные белки делятся на: периферические - расположенные на поверхности липидного слоя; интегральные - расположенные в толще липидов; тоннельные - пронизывающие липидный слой.

В зависимости от функциональной активности классифицируются на рецепторные белки, белки-ферменты, структурные белки.

Структурные белки усиливают прочность липидного каркаса. Белки-ферменты катализируют химические реакции. Белки-рецепторы присутствуют как в мембранах клеток органов чувств, так и в мембранах любых клеток, обеспечивая их взаимодействие с окружающей средой, а также информацией между органоидами внутри отдельной клетки. К рецепторам относятся антитела, способные связывать специфический антиген и вызывать иммунный ответ клетки, в плазмолемме которой сосредоточены. Рецепторную функцию выполняют гликопротеиды.

К основным функциям биологических мембран относятся: механическая - заключается в поддержании целостности и автономности клетки и внутриклеточных органоидов; барьерная - заключается в свойстве полупроницаемости мембран. К барьерной функции так же относится разделение цитоплазмы на компартменты, где могут происходить взаимоисключающие химические реакции (принцип компартментализации). Поэтому в клетке пространственно разобщены и изолированы друг от друга биохимические процессы, совместное течение которых невозможно. Например, синтез жирных кислот идет в цитоплазме, а окисление - в митохондриях, синтез белка- на рибосомах, а расщепление — в лизосомах.

Транспортная функция - это перенос различных веществ по обе стороны мембраны. Это обеспечивает поддержание в клетке соответствующего рН. Существует 4 основных механизма транспорта веществ через биологические мембраны: диффузия, осмос, активный транспорт и экзо- или эндоцитоз. Различают пассивный и активный транспорт веществ.

Пассивный транспорт идет в направлении действия концентрационного, электрического, осмотического и фильтрационного (гидростатического) градиентов, без затраты энергии. Транспорт по градиенту концентрации, осуществляется, когда низкомолекулярные вещества диффундируют в клетку в направлении большей концентрации в меньшую. К нему относятся диффузия и осмос. Диффундируют через мембраны газы (например, кислород, СО2), а также ионы и малые полярные молекулы.

Модификацией этого механизма является облегченная диффузия - это транспорт вещества с помощью специфических молекул-переносчиков через особые каналы. Примером такого перемещения служит поступление глюкозы в эритроциты.

Активный транспорт - связан с потреблением энергии - перенос вещества через мембрану против градиента концентрации. Он направлен в сторону более низкого электрохимического потенциала и необходим для накопления в клетках веществ и выведения их из клеток. «Ионные насосы» - системы активного транспорта Na+, К+, Са2+, Н+ (натрий-калиевая, кальциевая, протонная помпы).

Для большинства клеток концентрация ионов Nа+ внутри клетки значительно ниже (в 8 раз), чем в окружающей среде, а ионов К+ наоборот (в 20 раз) выше. Это необходимо для жизнедеятельности клетки. Распад одной фосфорной связи АТФ обеспечивает энергией перенос двух ионов калия внутрь и трех ионов натрия наружу. Работает натрий-калиевая насос, по типу перистальтики, как передвижение пищевого комка по кишечнику.

Поступление веществ в клетку и из нее возможно еще с помощью экзо - и эндоцитоза. Примером экзоцитоза может служить транспорт веществ из клеток желез внешней и внутренней секреции. Эндоцитоз особенно развит у простейших, но существует и в клетках высших животных. Посредством эндоцитоза в клетки поступают пептидные гормоны, в том числе инсулин, липопротеиды крови, некоторые иммуноглобулины и др.

Плазматическая мембрана или плазмолемма - это поверхностная периферическая структура, называемая наружной клеточной мембраной. Она, в первую очередь, ограничивает клетку снаружи, обуславливает ее непосредственную связь с внеклеточной средой. Она имеет толщину 10 нм и представляет собой самую толстую из клеточных мембран.

В световом микроскопе она не различима. Большая толщина обусловлена тем, что на ее внутренней стороне локализован довольно плотный слой периферических белков, а на наружной - слой углеводных компонентов. Эти углеводы входят в состав гликокаликса - полисахаридного слоя на наружной поверхности плазматической мембраны. Гликокаликс представляет собой совокупность молекул, связанных с белками мембраны.

Плазматическая мембрана практически всех клеток постоянно обновляется. Функции плазмалеммы: ограничение внутренней среды клетки; сохранение формы клетки; защита от повреждений и разнообразных воздействий извне; транспорт различных веществ как внутрь клетки, так и из нее; участвует в процессах внеклеточного расщепления биополимеров; участвует в передаче сигналов внутрь клетки; принимает участие в межклеточных взаимодействиях у многоклеточных организмов; играет важную роль при делении клетки.

Нормальное функционирование клетки зависит от многих причин: состояния окружающей клетку среды (гомеостаза), своевременности и достаточности поступления в клетку питательных веществ, кислорода, глюкозы, аминокислот, уровня содержания продуктов метаболизма, особенно, СО2.

Главное условие в гомеостазе клетки – нормальная проницаемость цитомембраны. Мембрана поддерживает внутренний химический состав клетки посредством избирательной проницаемости и транспортировки. Воздействие тех или иных внутренних и внешних факторов приводит на начальном этапе к повреждению элементарных структур клетки и нарушению их функций, в дальнейшем возможно развитие, как патологии отдельной клетки, так и клеточных коопераций. Причинами повреждения цитоплазматической мембраны являются:

- образование свободных радикалов в результате воздействия на клетки ионизирующего излучения, химических ядов, оксигенотерапии, острого воспаления и т. д. Основное действие свободных радикалов заключается в перекисном окислении липидов клеточной и митохондриальной мембран, инактивации ферментов, разрыве нитей ДНК.

- другой причиной является лизис мембраны ферментами и вирусами. Например, панкреатические липазы могут способствовать развитию обширного некроза цитомембран клеток поджелудочной железы.

Результатами повреждения цитоплазматической мембраны являются потеря структурной целостности, нарушение барьерной функции, что может привести к избыточному поступлению воды в клетку – вакуольной дистрофии, нарушение мембранною транспорта, нарушение синтеза и обмена мембран.

К нарушениям транспортных функций ведет изменение проницаемости мембран.

Наиболее изученной моделью изменения мембранной проницаемости является повреждение тяжелыми металлами (ртуть, уран). Они резко увеличивают проницаемость мембран для натрия, калия, хлора, кальция, магния, что приводит к быстрому набуханию клеток, распаду их цитоскелета. С уменьшением количества ионов кальция во внеклеточной жидкости возможно утолщение клеточной мембраны. При этом изменяется проницаемость для ионов натрия и калия.

Нарушение мембранного транспорта, приводят к патологии клетки, хорошо прослежены при ишемии (малокровия, местная анемия, уменьшение кровоснабжения вследствие недостаточного притока крови, может закончиться инфарктом, гангреной). При ишемии обнаружено первичные изменения в митохондриях. Они отекают, резко уменьшается эффективность окислительного фосфорилирование, далее повреждения становится тотальным и необратимым.

Ишемическое повреждение митохондрий приводит к разрушению натрий-калиевого АТФ-насоса, постепенному накапливанию в клетке натрия и потере ею калия. Нарушение натрий-калиевого обмена ведет к вытеснению кальция из митохондрий. В результате в цитоплазме повышается уровень ионизированного кальция и увеличивается связывание его с кальмодулином. С повышением содержания кальций-кальмодулиновых комплексов связан ряд изменений клетки: расхождение клеточных стыков, поглощение кальция митохондриями, изменение микротрубочек и микрофиламентов, активация фосфолипаз.

Реакции фагоцитоза и пиноцитоза могут выступать показателями цитофизиологичнои активности клетки в условиях патологии, а также использоваться как диагностические критерии активности патологического процесса в клинической патоморфологии. Таковы сидерофаги ("клетки сердечных пороков"), зернистые шары, ксантомные клетки, клетки Вирхова, клетки Микулича и др.. Вследствие активной резорбции метаболитов в клетке накапливаются субстраты, которые трудно поддаются утилизации, что приводит к развитию дистрофии клетки.

 

У человека нарушения транспортных функций предопределяет более двадцати так называемых "транспортных" болезней. Например почечная глюкозурия - повышенное выведение с мочой глюкозы (у здорового человека глюкоза отсутствует в моче, может быть примерно до 1 г); цистинурия, нарушение всасывания глюкозы, витамина В12 и др.)..

Одной из важных функций плазмолемы есть рецепторная. На сегодня известны уже некоторые болезни, причиной которых является отсутствие или блокада рецепторов клеток.

Таким образом нарушение структуры и функции биологических мембран и ЭПС как ее производной приводит к возникновению развитию патологических состояний обратимого и необратимого характера. Важно отметить, что самые ранние, начальные стадии патологического процесса, проявляющиеся только на уровне ультраструктур клеток могут быть компенсированы.

 

Первый график

На первом графике мы видим зависимые от напряжения, проводящие К+ ионы – клетки Мюллера (глиальные клетки сетчатки глаза).

На рисунках A и D типичные клетки характеризуются сильно сниженными токами в условиях контроля.

На рисунке B мы видим влияние 1 ммоль хинина на поврежденные клетки Мюллера, которые блокируют наружный ток, эта блокада приводит к разрушению мембранного потенциала. После вымывания хинина, мембранный потенциал и токи постепенно восстанавливаются. Это показано на рисунке C.

На рисунке E мы видим применение 1 ммоль ионов Бария. Ионы имели слабое влияние на внешние токи.

Второй график

Токи изолированных клеток Мюллера после метаболического торможения (Рисунок А) хранили при комнатной температуре в течение 120 минут. На рисунке В изображена текущая картина клетки после 115-минутно инкубации в раствор йодоацетата. Внутренние токи избирательно блокируются.

На рисунке С 1 ммоль хинина применяли к той же самой ячейке что и на рисунке В, были заблокированы и внешние токи.

Данные для кривых с А до С были записаны на D текущие значения- это отклонения при воздействии на токи различные веществами.

Третий график

Влияние хинина на мембранный потенциал изолированной клетки Мюллера. Клетку Мюллера инкубировали в течение 115 мин в растворе, содержащем иодацетат (1 ммоль). Мембранный потенциал регистрировался в условиях целых клеток в режиме токового зажима. Применение 1 ммоль хинина, как указано штрихом, вызвало обратимую деполяризацию до почти 0 мВ.