WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
БИОЛОГ ИЯ БИОЛОГ ИЯ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ И НЕЗАПРОГРАММИРОВАННАЯ СМЕРТЬ КЛЕТКИ Ю. А. ВЛАДИМИРОВ Российский государственный медицинский университет, Москва ВВЕДЕНИЕ BIOLOGICAL MEMBRANES В последнее время большое внимание привлекает проAND NON-PROGRAMMED CELL DEATH блема апоптоза – генетически запрограммированной смерти клеток. Кто из биологов не поразится еще раз Yu. A. VLADIMIROV красоте и стройности мироздания Даже смерть запрограммирована и обусловлена законами природы. АпопNon-programmed cell death (necrosis) occurs, тозу противопоставляют некроз – гибель клетки от случайных причин, так сказать от плохой жизни. По most frequently, as a result of the lack of oxyконтрасту с изящной стройностью системы апоптоза gen or excessive production of free radicals. In некроз представляется хаосом и мерзостью, и все еще both cases the membrane lipid layer damage трудно разобраться в том, существуют ли какие-то заoccurs. A hypothesis may be put forward, коны, управляющие этой незапрограммированной according to which the decrease of the mem- смертью. Мы увидим, что нормальные клетки, которые используют все шансы в борьбе за жизнь, все же погиbrane’s electric stability gives rise to the elecбают, и есть суровые, но определенные причины, приtrical “self-breakdown” of membranes by the водящие к их гибели. Знание этих причин позволяет potentials, which is created by the membranes бороться за жизнь клеток.

themselves.

ГЛАВНЫЕ ВРАГИ – НЕДОСТАТОК Незапрограммированная гибель клеток КИСЛОРОДА И ИЗБЫТОК РАДИКАЛОВ (некроз) связана с недостатком кислорода Древнейшие организмы были анаэробами, но когда или избыточным образованием свободных возник фотосинтез, а на Земле появился кислород, то радикалов. В обоих случаях происходит поон оказался токсичным, и живые существа вынуждены вреждение липидного слоя биологических были приспосабливаться к этим условиям. С той поры, мембран. Высказана гипотеза, что сниже- вероятно, сохранились ферменты, защищающие от образования токсичных кислородсодержащих радикалов, ние электрической прочности мембран такие, как каталаза, супероксиддисмутазы и пероксидаприводит к их электрическому пробою при зы. Современные организмы активно используют кисвозникновении разности потенциалов, колород для запасания энергии, в основном в форме адеторую эти мембраны сами и создают.

нозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая, в свою очередь, тратит энергию на все нужды клетки. В организме человека самая распространенная причина гибели клетки – это недостаток кислорода в окружающей ее среде, то есть в ткани (тканевая гипоксия), который, в свою очередь, может быть вызван недостатком содержания кислорода во вдыхаемом воздухе, плохой циркуwww.issep.rssi.ru ляцией крови или чрезмерным потреблением кислорода самой тканью при перегрузке.

СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №9, Владимиров Ю.А., © БИОЛОГ ИЯ а ПОВРЕЖДЕНИЕ КЛЕТОК % ПРИ НЕДОСТАТКЕ КИСЛОРОДА 90 –ОЧто в начале В эксперименте на лабораторных животных недостаток кислорода в органе можно вызвать, если прекратить приток крови (ишемия) или изолировать орган и 01 Время аноксии, ч поместить его во влажную камеру, заполненную азотом б % или аргоном. Затем из органа выделяют различные комВ присутствии Ca2+ поненты клеток, например митохондрии или цитоплаз–Оматические мембраны, и изучают работу внутриклеточных систем, активность ферментов. Уже в 60-е годы +ОXX века подобные опыты позволили сделать вывод, что одними из первых в клетках повреждаются митохонд0 5 10 15 рии. Они начинают слабее окислять субстраты за счет в потребления молекулярного кислорода и, главное, теБез Ca2+ ряют способность синтезировать АТФ. И то и другое в –Оконечном счете связано с увеличением проницаемости 0 +Омембран митохондрий для ионов и потерей разности потенциалов на митохондриальной мембране, созда- 0 5 10 15 Время инкубации, мин ние которой – необходимое условие для синтеза АТФ из АДФ и ортофосфата. Значительное повреждение Рис. 1. Повреждение митохондрий при анаэробной митохондрий наблюдается уже через 30 мин гипоксии и аэробной инкубации печени (а) и изолированных печени, для мозга это время еще короче. Через 1 час в митохондрий (б, в) при отсутствии кислорода (- О2) и клетках печени погибает большинство митохондрий, и в аэробных условиях (+О2).

восстановить жизнедеятельность такой ткани уже не- а – степень повреждения оценивали по так называемой величине дыхательного контроля (отношение возможно.

скорости потребления кислорода в состоянии окислительного фосфорилирования к этой скорости при Отчего гибнут митохондрии отсутствии АДФ). Дыхательный контроль интактных митохондрий (RC) обычно имеет величину 3–4 и по При отсутствии кислорода митохондрии погибают намере повреждения мембран митохондрий снижаетходясь не только в живых клетках, но и в изолирован- ся вплоть до единицы.

б – степень повреждения в данном случае рассчитыном состоянии (рис. 1). Если выделить митохондрии из вали по выражению [(RC0/RCt - 1] 100%, где RC0 и печени или почек крысы и поместить их в подходящий RCt – дыхательный контроль митохондрий до инкураствор, они будут дышать (потреблять кислород и бации и через t мин инкубации в аэробных (+O2) или окислять субстраты окисления) и синтезировать АТФ. анаэробных условиях (- O2) Кроме того, митохондрии обладают способностью захватывать ионы кальция и фосфата из окружающего дрий. При отсутствии ионов кальция и кислорода раствора и накапливать их внутри себя. (рис. 2, а) митохондрии могут некоторое время существовать не повреждаясь. Введение кислорода (при налиВсе эти проявления жизнедеятельности постепенчии субстратов окисления) приводит к энергизации но угасают, если подержать митохондрии в среде, не со(см. рис. 2, б), основным проявлением которой служит держащей кислород, но не во всякой. Оказалось, что появление разности потенциалов на внутренней мембмитохондрии повреждаются, только если в среде было ране (знак минус внутри).



небольшое количество ионов кальция и при этом отсутствовал кислород (верхняя кривая на рис. 1, б). В В присутствии ионов кальция и при отсутствии присутствии кислорода митохондрии не повреждаются кислорода в среде (см. рис. 2, в) митохондрии поврежпри инкубации независимо от того, содержится неболь- даются (см. также рис. 2, д, е). Но если наряду с кальцишое количество ионов кальция или нет. При отсутст- ем в среде есть кислород (рис. 2, г), ионы кальция “завии кислорода митохондрии также не повреждаются, глатываются” митохондриями и, находясь внутри, уже если в окружающем их растворе нет ионов кальция не оказывают повреждающего действия.

(рис. 1, б, в).

На рис. 2, д, е объясняется причина повреждающеОбъяснение наблюдаемых явлений приведено на го действия внемитохондриального кальция. Дело в рис. 2, где дано схематическое изображение митохон- том, что внутренние мембраны митохондрий содержат ВЛАДИМИРОВ Ю.А. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ И НЕЗАПРОГРАММИРОВАННАЯ СМЕРТЬ КЛЕТКИ Степень повреждения Дыхательный контроль БИОЛОГ ИЯ в том, что этот фермент активируется ионами кальция, а б –Са2+ – O2 –Са2+ + Oнаходящимися снаружи, а не внутри митохондрий (см.

рис. 2, д). Гидролиз фосфолипидов фосфолипазой дает начало событиям, которые приводят к серьезным повреждениям мембран митохондрий. Поврежденные митохондрии (см. рис. 2, е), хотя и потребляют кислород, не могут удержать мембранный потенциал и поэтому не удерживают внутри ионы кальция и неспособны к синтезу АТФ; они погибли, и клетка, содержащая такие митохондрии, уже нежизнеспособна.

вг +Са2+ – O2 +Са2+ + O2 Основное доказательство решающей роли активации фосфолипазы в повреждении митохондрий заключается в том, что повреждение митохондрий в анаэробных условиях всегда изменяется одновременно со степенью расщепления фосфолипидов фосфолипазой, которую можно оценить, измеряя количество высвободившейся при этом свободной жирной кислоты. Угнетение фосфолипазы может быть вызвано удалением ионов кальция с помощью связывающих эти ионы веСа2+ ществ, путем угнетения активности фермента ионами меди или таким местным анестетиком, как новокаин.

д е +Са2+ – O2 +Са2+ + OВо всех этих опытах между степенью гидролиза фосфолипидов и повреждения митохондрий наблюдается четкая корреляция.

Обратимо ли расщепление фосфолипидов фосфолипазой В опытах на изолированных митохондриях можно залечить поврежденные мембраны, добавив к митохондриям АТФ. При этом происходят ресинтез фосфолипидов, залечивание мембран митохондрий и восстановление способности митохондрий к функциоФосфолипаза А2 нированию. Это можно пояснить следующей схемой:

Повреждение митохондрий Рис. 2. Повреждение митохондрий при отсутствии Ca2+ + фосфолипаза А2 активная фосфолипаза;

кислорода Фосфолипид (+ фосфолипаза) фермент фосфолипазу А2, который расщепляет фосфо лизофосфолипид + жирная кислота липиды мембран и делает мембраны проницаемыми повреждение мембран.

для ионов. Напомним читателю, что фосфолипаза АВосстановление функций митохондрий расщепляет сложноэфирную связь в молекуле фосфоЛизофосфолипид + жирная кислота + АТФ липида, при этом образуются свободная жирная кис фосфолипид + АДФ + ортофосфат лота (СЖК) и лизофосфолипид (ЛФ), например лизофосфатидилхолин при гидролизе фосфатидилхолина восстановление барьерных свойств мембран (лецитина):

и функций митохондрий.

CH2 CH CH2 CH2 CH CH2 Использует ли живая клетка способность митохондФосфолипаза Aрий к излечиванию при наличии АТФ Некоторые укаO O O + H2O O O O зания на это имеются. В опытах с изолированными орX C O C O X C O OH ганами часто наблюдается такая картина: через 30 мин инкубации органа в анаэробных условиях изолированR1 R2 R2 COO- Rные митохондрии теряют способность к синтезу АТФ и Фосфатидилхолин СЖК Лизоформа накоплению ионов кальция, а через 60 мин эта способЗдесь R1 и R2 – углеводородные цепи жирных кислот.

ность временно восстанавливается. Этого “самопроОдна из особенностей фосфолипазы А2, содержа- извольного” восстановления никогда не удается нащейся во внутренней мембране митохондрий, состоит блюдать в изолированных митохондриях. Возможно, в СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №9, БИОЛОГ ИЯ целых клетках поврежденные митохондрии могут вос- а г станавливаться за счет АТФ, синтезируемого соседниК+ ми, еще не поврежденными органеллами. Однако необходимы дальнейшие исследования.

ФН НАБУХАНИЕ МИТОХОНДРИЙ – СЛЕДСТВИЕ ИЛИ ПРИЧИНА ИХ ПОВРЕЖДЕНИЯ H2O бв д Одно из наиболее постоянных проявлений поврежде2е- 2H+ 2е- 2H+ ния клеток при самых разных повреждающих воздействиях, включая недостаток кислорода, – это увеличение O2 Oобъема митохондрий, которое называют их набуханием. Причина набухания митохондрий после повреждеК+ ния ее мембраны собственной фосфолипазой А2 сейчас pH ФН хорошо известна. В результате частичного расщепления фосфолипидов, формирующих липидный слой Рис. 3. Набухание митохондрий, поврежденных мембран митохондрий, в нем появляются дефекты (не- собственной фосфолипазой Абольшие поры в мембране), через которые в митохондрию могут проникать катионы из окружающего раство- ПОРОЧНЫЙ КРУГ В ПАТОЛОГИИ КЛЕТКИ ра. При этом на ранней стадии действия фосфолипазы Характерная особенность развития патологических прочерез образующиеся поры могут проходить преимущецессов в организме человека – это существование поственно только катионы (в первую очередь ионы K+).





рочных кругов, то есть ситуаций, когда одно нарушение Дальнейшие события пояснены на рис. 3. В нормальвлечет за собой другое, которое, в свою очередь, усилиных (интактных, или неповрежденных) митохондриях вает первое, и т.д. С такой же ситуацией мы сталкиваемв присутствии кислорода и субстратов происходит ся в случае повреждения клетки при недостатке кислоэнергизация, то есть появление разности электричес- рода. Это можно проиллюстрировать такой схемой ких потенциалов и разности рН по сторонам внутренПерекисное Токсические Тканевая ней мембраны (рис. 3, а). Это связано с тем, что переокисление вещества гипоксия липидов нос электронов по дыхательной цепи митохондрий сопряжен с переносом протонов из матрикса митохондрий наружу (рис. 3, б). В митохондриях, поврежденПовреждение мембранных ных в результате действия собственной фосфолипазы структур клетки А2 (рис. 3, в), внутренняя мембрана становится проницаемой для катионов, которые начинают накапливаться Активация Снижение в матриксе, движимые электрическим полем. Одновре- мембранных уровня фосфолипаз АТФ менно происходит накопление фосфата (в результате разности рН). Увеличение осмотического давления в Увеличение результате накопления катионов и фосфата привосодержания Ca2+ в цитоплазме дит к входу воды внутрь митохондрий и их набуханию (рис. 3, г). Набухание может привести к разрыУсиленная активация ву наружной мембраны митохондрий и выходу части рецепторов внутренней мембраны из образовавшейся трещины (рис. 3, д). Последующее растяжение внутренней мем- При недостатке кислорода клетка начинает испыбраны приводит к дальнейшему увеличению ее проница- тывать недостаток энергии (АТФ) и может попасть в порочный круг. Первое следствие энергетического гоемости и окончательной потере способности митохондлода – выключение насосов, выкачивающих из клетки рий синтезировать АТФ и накапливать ионы кальция.

ионы кальция и натрия, и как результат – увеличение Таким образом, осмотическое растяжение мембран содержания ионов кальция в клеточном соке. Это примитохондрий, связанное с набуханием органелл, моводит к активации мембранных фосфолипаз, что сожет быть как следствием, так и причиной повреждения провождается ростом ионной проницаемости мембран мембран митохондрий. митохондрий и может привести (в частности, с участием ВЛАДИМИРОВ Ю.А. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ И НЕЗАПРОГРАММИРОВАННАЯ СМЕРТЬ КЛЕТКИ БИОЛОГ ИЯ механизма набухания) к полной потере их барьерных нию мембран. Значительную роль в патологии клетки свойств. Это означает, что митохондрии будут выраба- играет также инактивация ион-транспортных ферментывать меньше энергии в форме АТФ (или не выраба- тов, например Ca2+-АТФаз, в активный центр которых тывать ее вообще) и далее по кругу. Если клетка не смо- входят тиоловые группы. Инактивация Ca2+-АТФазы жет из него выйти, она обречена. приводит к замедлению «откачивания» ионов кальция из клетки и одновременно к ускорению входа кальция Войти в порочный круг клетка может, как и челов клетку. Это сопровождается увеличением внутриклевек, многими способами. Один из них – чрезмерное точной концентрации ионов кальция и повреждением увеличение концентрации кальция в клетке, которое клетки.

может быть связано, например, с длительным и интенсивным воздействием на клеточные рецепторы таких Второй результат перекисного окисления липидов медиаторов, как адреналин. Недаром для предупреж- связан с тем, что продукты такого окисления обладают дения повреждения клеток сердечной мышцы при способностью непосредственно увеличивать ионную стрессах применяют лекарственные препараты-адре- проницаемость липидного слоя. Так, показано, что ноблокаторы. Многие токсины и вещества, усиливаю- продукты перекисного окисления липидов делают лищие свободнорадикальное окисление липидов, также пидную фазу мембран проницаемой для ионов водороповреждают мембранные структуры, что может приве- да и кальция. Это приводит к тому, что митохондрии сти к нарушению процесса синтеза АТФ в митохондри- теряют способность к синтезу АТФ и клетка оказываетях и/или входу кальция в клетку из окружающей среды ся в условиях энергетического голода. Одновременно в или внутриклеточных депо. цитоплазму выходят ионы кальция, которые повреждают клеточные структуры.

ПЕРЕКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ – Третий (и быть может, самый важный) результат ЕЩЕ ОДНА ПРИЧИНА перекисного окисления липидов – это уменьшение ПОВРЕЖДЕНИЯ МЕМБРАН стабильности липидного слоя, что может привести к электрическому пробою мембраны под действием разКак уже говорилось, избыток кислорода тоже не поданости потенциалов, которую сама мембрана и создает.

рок для клеток нашего организма. Одно из его последствий – образование свободных радикалов, повреждаЧЕТЫРЕ ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ ющих клеточные структуры, не в последнюю очередь БАРЬЕРНЫХ СВОЙСТВ МЕМБРАН мембранные структуры клетки. Впрочем, увеличенное В ПАТОЛОГИИ образование свободных радикалов в организме и связанное с этим усиление процессов пероксидации липиВ опытах с изолированными митохондриями мы встредов (которое иногда называют оксидативным стрестились с тремя причинами потери мембранами свойств сом) могут происходить не только из-за избытка непроницаемого барьера для ионов: 1) действие фоскислорода, но и большого числа иных причин. Так или фолипаз, 2) растяжение мембран под действием осмоиначе, оксидативный стресс сопровождается нарушетического давления, 3) перекисное окисление липидов ниями в свойствах биологических мембран и функциомембран. В опытах с искусственными липидными мемнировании клеток. Наиболее изучены три прямых бранами было показано, что помимо этого причиной следствия перекисного окисления липидов.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.