Механизмы защиты мембран от повреждений

Пути действия повреждающих агентов на клетки и межклеточные структуры. Интенсификация свободнорадикальных реакций и перекисного свободнорадикального окисления липидов как один из важнейших механизмов повреждения клеточных мембран и связанных ферментов.

Рубрика Биология и естествознание
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 16.05.2017
Размер файла 286,6 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

  • Введение
  • 1. Понятие повреждения клетки
  • 2. Общие механизмы повреждения клетки
  • 3. Повреждение мембран
  • 3.2 Действие мембранных фосфолипаз
  • 3.3 Механическое (осмотическое) растяжение мембран и адсорбция белков
  • 4. Явление электрического пробоя мембран
  • Заключение
  • Список использованных источников

Введение

В основе целого ряда патологических состояний лежат изменения свойств клеточных мембран, вызываемые как факторами внешней среды, так и внутренними функциональными расстройствами. Нарушение в функционировании биомембран может быть не только причиной, но и следствием развития патологических процессов. Механизмы возникновения и развития таких наиболее распространенных патологических состояний, как злокачественный рост, гипертония, атеросклероз, связаны с модификацией функций биологических мембран, с нарушением структурных свойств мембранных белков и липидов. Клеточные мембраны являются мишенью действия ядов, токсинов, радиоактивного и ультрафиолетового облучения. В основе патологий иммунной системы часто лежит нарушение функций мембранных рецепторов.

На основе физико-химических и биологических исследований патологических состояний биологических мембран разрабатываются способы лечения и профилактики заболеваний, создаются высокоэффективные лекарственные препараты.

Патология биологических мембран может быть связана с модификацией мембранных липидов (изменением в соотношении липидного состава мембран; увеличением или уменьшением насыщенности жирных кислот, входящих в состав мембранных липидов; развитием перекисного окисления; изменением концентрации в мембране липорастворимых витаминов); нарушением функций мембранных белков (включая рецепторы). Как правило, патологические состояния приводят к комплексной модификации функций мембран, затрагивающей как липидный бислой, так и мембранные ферменты [1].

Целью данного исследования является изучение по данным литературных источников понятия повреждения клетки, общих механизмов повреждения клетки, понятия повреждения мембран, перекисного окисление липидов, действия мембранных фосфолипаз, осмотического растяжения мембраны клетки, адсорбции белков.

Для достижения данной цели потребуется решить следующие задачи:

1. Изучить понятие повреждения клетки

2. Изучить общие механизмы повреждения клетки

3. Понять механизмы повреждения мембран

4. Изучить перекисное окисление липидов

5. Изучить действие мембранных фосфолипаз

6. Изучить осмотическое растяжение мембраны клетки

1. Понятие повреждения клетки

Клетка является структурно-функциональной единицей тканей и органов. В ней протекают процессы, лежащие в основе энергетического и пластического обеспечения структур и функций тканей.

Различные патогенные факторы, действующие на клетку, могут обусловить повреждение.

Повреждения клетки - разнообразные по этиологии, патогенезу и проявлениям нарушения её структуры, метаболизма и функции, приводящие к многоликим расстройствам гомеостаза, а также снижению приспособляемости к постоянно меняющимся условиям внешней и внутренней среды организма, резистентности к действию разных повреждающих факторов и продолжительности жизни. В зависимости от свойств (природы) выделяют следующие три основных вида патогенных факторов [2 - 5].

Нередко процесс повреждения обозначают термином альтерация, что не совсем точно, поскольку alteratio переводится как изменение, отклонение и является, таким образом, более широким понятием. Однако в медицинской литературе эти термины применяются обычно как синонимы.

Среди факторов физического характера причинами повреждения клеток наиболее часто являются следующие:

- механические воздействия. Они обуславливают нарушение структуры плазмолеммы и мембран субклеточных образований;

- колебания температуры. Повышенная температура среды, в которой находится клетка, до 45 - 50 °С и более, может привести к денатурации белка, нуклеиновых кислот, декомпозиции липопротеидных комплексов, повышению проницаемости клеточных мембран и другим изменениям. Значительное снижение температуры может обусловить существенное замедление или необратимое прекращение метаболических процессов в клетке, кристаллизацию внутриклеточной жидкости и разрыв мембран;

- изменения осмотического давления в клетке, в частности, вследствие накопления в ней продуктов неполного окисления органических субстратов, а также избытка ионов. Последнее, как правило, сопровождается током жидкости в клетку по градиенту осмотического давления, набуханием ее и растяжением (вплоть до разрыва) ее плазмолеммы и мембран органелл. Снижение внутриклеточного осмотического давления или повышение его во внеклеточной среде ведет к потере клеткой жидкости, ее сморщиванию (пикнозу) и нередко к гибели;

- воздействие ионизирующей радиации, обусловливающей образование свободных радикалов и активацию перекисных свободно-радикальных процессов, продукты которых повреждают мембраны и денатурируют ферменты клеток. Патогенное действие на клетку могут также оказывать гравитационные, электромагнитные и другие факторы физического характера.

Повреждение клеток нередко вызывают воздействия факторов химической природы. К их числу относятся разнообразные вещества экзогенного и эндогенного происхождения: органические кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов, продукты нарушенного метаболизма. Так, цианиды подавляют активность цитохромоксидазы. Этанол и его метаболиты ингибируют многие ферменты клетки. Вещества, содержащие соли мышьяка, угнетают пируватоксидазу. Неправильное применение лекарственных средств также может привести к повреждению клеток. Например, передозировка строфантина обусловливает значительное подавление активности К+ - Na+ - АТФазы сарколеммы клеток миокарда, что ведет к дисбалансу интрацеллюлярного содержания ионов и жидкости [3, 6].

Биологические - вирусы, микоплазмы, риккетсии, бактерии, грибы, простейшие, растения, животные, паразиты (насекомые, гельминты) и продукты их жизнедеятельности (токсины и др.). В зависимости от интенсивности действия патогенные факторы могут быть абсолютными и относительными. Первые независимо от условий (даже благоприятных) всегда способны вызвать то или иное повреждение клеток. Вторые могут проявлять патогенные свойства только при неблагоприятных внешних и/или внутренних условиях. В зависимости от происхождения выделяют следующие виды патогенных факторов:

- экзогенные (первичные) и эндогенные (первичные в результате прямого, вторичные в результате опосредованного повреждения клеток);

- инфекционные и неинфекционные. Важно отметить, что фактором повреждения может быть как недостаток, так и избыток веществ, необходимых для жизнедеятельности клеток и межклеточных структур, а также появление в организме веществ, не встречающихся в норме.

Пути действия повреждающих агентов на клетки и межклеточные структуры. Среди них различают:

- прямое (непосредственное) действие патогенных факторов на клетки (клеточную мембрану, различные субклеточные структуры, ядро, цитоплазму) и межклеточные структуры;

- опосредованное действие повреждающих факторов на клетки и/или межклеточные образования через нарушение межсистемной, системной, вне- и внутриклеточной регуляторных систем (нервной, гуморальной, эндокринной, иммунной, генетической). Степень и характер повреждения клеток зависит не только от вида, длительности и интенсивности действия патогенных факторов и неблагоприятных внешних условий, но и от исходного функционального, метаболического и структурного состояния клеток, их митотического цикла (периода деления), возраста, старения.

Повреждение клеток наиболее часто возникает при:

- голодании (полном, неполном, частичном);

- расстройствах крово- и лимфообращения (системного, регионарного, микроциркуляции), дыхания (внешнего и внутреннего);

- гипоксии различных видов и степени выраженности (приводящей к уменьшению содержания в тканях и/или использования ими кислорода);

- интоксикациях (действие токсинов микроорганизмов и повреждённых клеток макроорганизма);

- нарушениях механизмов регуляции (метаболической, пептидной, эндокринной, нервной) трофики, структуры и функций различных уровней организации (внутриклеточного, клеточного, межклеточного, тканевого, органного, системного, организменного) [7].

2. Общие механизмы повреждения клетки

клетка свободнорадикальный окисление липид

На уровне клетки повреждающие факторы "включают" несколько патогенетических звеньев. К их числу относят:

- расстройство процессов энергетического обеспечения клеток;

- повреждение мембран и ферментных систем;

- дисбаланс ионов и жидкости;

- нарушение генетической программы и/или ее реализации;

- расстройство механизмов регуляции функции клеток [6, 7].

Повреждение мембран и ферментов играет существенную роль в расстройстве жизнедеятельности клетки, а также переходе обратимых изменений в ней в необратимые. Это обусловлено тем, что основные свойства клетки в существенной мере зависит от состояния ее мембран и связанных с ними или свободных энзимов.

Одним из важнейших механизмов повреждения мембран и ферментов является интенсификация свободнорадикальных реакций (СРР) и перекисного свободнорадикального окисления липидов (ПСОЛ). Эти реакции протекают в клетках и в норме, являясь необходимым звеном таких жизненноважных процессов, как транспорт электронов в цепи дыхательных ферментов, синтез простагландинов и лейкотриенов, пролиферация и созревание клеток, фагоцитоз, метаболизм катехоламинов и др. ПСОЛ участвует в процессах регуляции липидного состава биомембран и активности ферментов. Последнее является результатом как прямого действия продуктов липопероксидных реакций на энзимы, так и опосредованного - через изменение состояния мембран, с которыми ассоциированы многие ферменты.

Интенсивность ПСОЛ регулируются соотношением факторов, активирующих (прооксиданты) и подавляющих (антиоксиданты) этот процесс. К числу наиболее активных прооксидантов относятся легко окисляющиеся соединения, индуцирующие свободные радикалы, в частности, нафтохиноны, витамины А и Д, восстановителя - НАДФН2, НАДН2, липоевая кислота, продукты метаболизма простагландинов и катехоламинов [8].

Процесс ПСОЛ условно можно разделить на три этапа:

1) кислородной иницикации ("кислородный" этап);

2) образования свободных радикалов органических и неорганических агентов ("свободнорадикальный" этап),

3) продукции перекисей липидов ("перекисный" этап).

Инициальным звеном свободнорадикальных перекисных реакций при повреждении клетки является, как правило, образование в процессе оксигеназных реакций так называемых активных форм кислорода: супероксидного радикала кислорода (О2), гидроксильного радикала (ОН), перекиси водорода (Н2О2), которые взаимодействуют с компонентами структур клеток, главным образом с липидами, белками и нуклеиновыми кислотами. В результате образуются активные радикалы, в частности, липидов, а также их перекиси. При этом может приобрести цепной "лавинообразный" характер.

Однако это происходит не всегда. В клетках протекают процессы и действуют факторы, которые ограничивают или даже прекращают свободнорадикальные и перекисные реакции, т.е. оказывают антиоксидантный эффект. Одним из таких процессов является взаимодействие радикалов и гидроперекисей липидов между собой, что ведет к образованию "нерадикальных" соединений. Ведущую роль в системе антиоксидантной защите клеток играют механизмы ферментной, а также не ферментной природы.

Таблица 1 - Звенья антиоксидантной системы и ее некоторые факторы

Звенья антиоксидантной системы

Факторы

Механизмы действия

I. "Антикислородное"

Ретинол, каротиноиды, рибофлавин

Уменьшение содержания О2 в клетке, например, путем активации его утилизации, повышения сопряжения процессов окисления и фосфорилирования.

II. "Антирадикальное"

Супероксиддисмутаза, токоферолы, маннитол

Перевод активных радикалов в "нерадикальные" соединения, "гашение" свободных радикалов органическими соединениями.

III. "Антиперекисное"

Глютатионпероксидазы, каталазы, серотинин

Инактивация гидроперекисей липидов, например, при их восстановлении.

Исследование последних лет показали, что чрезмерная активация свободнорадикальных и перекисных реакция является одним из главных факторов повреждения мембран и ферментов клеток. Ведущее значение при этом имеют следующие процессы:

1) изменение физико-химических свойств липидов мембран, что обусловливает нарушение конформации их липопротеидных комплексов и в связи с этим снижение активности белков и ферментных систем, обеспечивающих рецепцию гуморальных воздействий, трансмембранный перенос ионов и молекул, структурную целостность мембран;

2) изменение физико-химических свойств белковых мицелл, выполняющих структурную и ферментные функции в клетке;

3) образование структурных дефектов в мембране - т.н. простейших каналов (кластеров) вследствие внедрения в них продуктов ПСОЛ.

Указанные процессы, в свою очередь, обуславливают нарушение важных для жизнедеятельности клеток процессов - возбудимости, генерации и проведения неравного импульса, обмена веществ, восприятия и реализации регулирующих воздействий, межклеточного взаимодействия и др. [8, 9].

Другим вариантом повреждения мембран является активация гидролаз (лизосомальных, мембраносвязанных и свободных).В норме состав и состояние мембран и ферментов модифицируется не только свободнорадикальными и липоперексидными процессами, но также мембраносвязанными, свободными (солюбилизированными) и лизосомальными ферментами: липазами, фосфолипазами, протеазами. Под влиянием патогенных факторов их активность или содержание в гиалоплазме клетки может повыситься (в частности, вследствие развития ацидоза, способствующего увеличению выхода ферментов из лизосом и их последующей активации). В связи с этим интенсивному гидролизу подвергаются глицерофосфолипиды и белки мембран, а также ферменты клеток. Это сопровождается значительным повышением проницаемости мембран и снижением кинетических свойств ферментов.

Наконец, последним видом повреждения мембран является внедрение амфифильных соединений в липидную фазу мембран. В результате действия гидролаз (главным образом липаз и фосфолипаз) в клетке накапливаются свободные жирные кислоты и лизофосфолипиды, в частности, глицерофосфолипиды: фосфотидилхолины, фосфатидилэтаноламины, фосфатидилсерины. Они получили название амфифильных соединений в связи со способностью проникать и фиксироваться в обеих - как в гидрофобной, так и в гидрофильных средах мембран клеток (амфи - означает "оба", "два"). При сравнительно небольшом уровне в клетке амфифильных соединений они, внедряясь в биомембраны изменяют нормальную последовательность глицерофосфолипидов, нарушают структуру липопротеидных комплексов, увеличивают проницаемость, а также меняют конфигурацию мембран в связи с "клинообразной" формой липидных мицелл. Накопление в большом количестве амфифилов сопровождается массированным внедрением их в мембраны, что так же, как и избыток гидроперекисей липидов, ведет к формированию кластеров и микроразрывов в них. Повреждение мембран и ферментов клеток является одной из главных причин существенного расстройства жизнедеятельности клеток и нередко приводит к их гибели [10].

Наиболее ранние изменения свойств и поведения клеток при действии повреждающих агентов связаны с изменениями функционирования мембранных структур клетки: цитоплазматической мембраны, внутренней мембраны митохондрий, мембран эндоплазматического ретикулума и других внутриклеточных структур (Таблица 2).

Биологические мембраны выполняют множество функций, нарушение любой из которых может привести к изменению жизнедеятельности клетки в целом и даже к ее гибели. На рисунке 1 дано схематическое изображение типичной мембраны с указанием тех ее элементов, повреждение которых может иметь место в патологии и лежать в основе развития различных заболеваний.

Рисунок 1 - Элементы биологических мембран, подверженные повреждению: 1 - липидный бислой; 2 - монослой липидных молекул; 3 - гликолипиды; 4 - гликопротеины; 5 - микрофиламенты; 6 - микротубулы; 7 - ионный канал; 8 - ионный насос.

Наиболее тяжелые последствия вызывает повреждение липидного слоя (или бислоя) мембраны. Липидный слой цитоплазматической и внутриклеточных мембран выполняет две основные функции - барьернуюи матричную (структурную). Повреждение барьера приводит к нарушению регуляции внутриклеточных процессов и тяжелым расстройствам клеточных функций [9 - 15].

Таблица 2 - Ранние изменения в функционировании внутриклеточных структур при повреждении

Изменения

Проявления

Увеличение проницаемости цитоплазматической мембраны

Увеличение электропроводности тканей, увеличение связывания красителей, изменение мембранного потенциала, выход К+ из клетки, выход метаболитов, увеличение объема (набухание) клеток, увеличение внутриклеточной концентрации Са2+

Нарушение структуры и функций митохондрий

Снижение потребления кислорода, увеличение проницаемости внутренней митохондриальной мембраны, набухание митохондрий, снижение Са2+-аккумулирующей способности

Ацидоз

Повышение внутриклеточной концентрации Na+, набухание клеток

Повреждение эндоплазматического ретикулума

Выход Ca2+ в цитоплазму, нарушение системы синтеза белка

Изменение активности ферментов и рецепторов

Активация ферментов лизосом, активация эндо-нуклеаз, апоптоз

Повреждение генетического аппарата клетки

Повреждение рибосом

3. Повреждение мембран

Изучение воздействия разного рода повреждающих агентов на изолированные клетки (например, эритроциты), митохондрии, фосфолипидные везикулы (липосомы), плоские бислойные липидные мембраны и другие модельные объекты показало, что в конечном счете существует всего четыре основных процесса, которые непосредственно обусловливают нарушение целостности липидного бислоя в патологии:

1) механическое (осмотическое) растяжение мембраны;

2) перекисное окисление липидов;

3) действие мембранных фосфолипаз;

4) адсорбция на липидном слое полиэлектролитов, включая некоторые белки и пептиды.

Понимание роли мембран в развитии того или иного патологического состояния предполагает знание химических и физических условий протекания перечисленных выше процессов и результатов их действия на мембранные структуры, включая знание молекулярных механизмов действия каждого из них и биологические последствия повреждения мембран для жизнедеятельности клетки и организма в целом [16].

3.1 Перекисное окисление липидов

Перекисное окисление мембранных фосфолипидов является одним из наиболее распространенных механизмов деструкции мембранных структур, регистрируется при развитии целого ряда патологических состояний. Тем не менее процессы перекисного окисления липидов протекают и в нормальной клетке. Они регулируются целым рядом ферментов: НАДФ (Н) - зависимыми микросомальными оксигеназами, циклооксигеназами и липоксигеназами. Продукты перекисного окисления липидов - предшественники синтеза простагландинов, тромбоксанов, простациклина, лейкотриенов и липоксинов. [17]

В основе современных представлений о механизме перекисного окисления липидов лежит выдвинутая в 1887 г. гипотеза А.Н. Баха о возможности непосредственного присоединения молекулярного кислорода к органическим молекулам с образованием гидроперекисей. Субстратом окисления в биологических мембранах являются полиненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав фосфолипидов [18].

Перекисное окисление липидов - сложный процесс. Он включает в себя активацию и деградацию липидных радикалов, в липид предварительного активированного молекулярного кислорода, реорганизацию двойных связей в полиненасыщенных ацилах липидов и, как следствие, деструкцию мембранных липидов и самих биомембран. В результате развития свободнорадикальных реакций перекисного окисления линолевой кислоты образуется, по крайней мере, около 20 продуктов ее распада. Биологические мембраны содержат большое количество ненасыщенных жирных кислот, металлопротеины, активирующие молекулярный кислород. Поэтому неудивительно, что в них могут развиваться процессы перекисного окисления липидов [19].

Схематично процесс перекисного окисления липидов можно представить следующим образом. Сначала образуется липидный радикал, в результате чего формируются двойные сопряженные связи. Атака молекулярного кислорода приводит к образованию перекисного радикала, который может взаимодействовать с другой молекулой липида, разрушает ее с образованием нового липидного радикала. Одним из продуктов этой реакции является гидроперекись липида - сравнительно устойчивое соединение. Кроме этого из перекисного радикала может образовываться эндоперекисный радикал липида, распад которого приводит к формированию ряда продуктов, в том числе малонового диальдегида (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема образования перекисей липидов

Полинасыщенные жирные кислоты, как в свободном виде, так и в составе липидов могут претерпевать спонтанное перекисное окисление, которое с довольно высокой скоростью протекает в липидных пленках и в растворах, гомогенных системах, а также в водных средах, где липиды образуют липосомы и пленки, системы с разными фазами. Скорость липопереокисления зависит от природы субстрата, от температуры, а также от присутствия в системе катализаторов. Наиболее активные катализаторы липопереокисления - Fe2+ и аскорбиновая кислота [1 - 3].

Реакции неферментативного свободнорадикального липопереокисления идут по кинетике цепных процессов с разветвлением цепей. Эти свободнорадикальные реакции эффективно ингибируются антиоксидантами - веществами, способными служить ловушками радикалов. К таким соединениями относятся токоферолы, карнозин и некоторые другие природные вещества. Существует ряд синтетических агентов, также обладающих мощными антиоксидантами свойствами, среди них наиболее широко известен ионол.

Фосфолипиды в нативных мембранных системах эффективно защищены от неферментативного перекисного окисления наличием в биомембранах антиоксидантов, структурной организацией мембран, а также специальными ферментативными системами, регулирующими концентрации в мембране активных форм кислорода, ингибирующими развитие липопереокисления [5].

Скорость неферментативного липопереокисления в нативных биологических мембранах, в отличие от автоокисления в гомогенных системах, не коррелирует в ненасыщенностью в гомогенных системах, не коррелирует с ненасыщенностью фосфолипидов и определяется особенностями структуры окисляемых мембран, наличием в них антиоксидантов и рядом других факторов.

По-видимому, в нативных мембранах неферментативное перекисное окисление идет по кинетике, отличной от свободнорадикальных процессов, протекающих в жидкой фазе и сопровождающих удлинением и разветвлением цепей. Ряд исследователей считают, что неферментативное перекисное окисление вообще не идет in vivo и не играет существенной физиологической роли.

Тем не менее продукты неферментативного перекисного окисления регистрируется в тканях при некоторых патологических процессах. Сторонники теории развития неферментативного перекисного окисления в ходе таких патологических процессов, как злокачественных рост поражения тканей рентгеновским облучением и другие, приводят для доказательства протекания этого процесса в тканях in vivo тот факт, что введение в организм антиоксидантов существенно снижает уровень липореокисления.

При работе с липидами биологических мембран и с мембранными фракциями in vitro этот процесс необходимо учитывать, предпринимать систему мер, препятствующую развитию липопереокисления. Выделение липидов и мембранных фракций рекомендуется проводить в присутствии антиоксидантов на холоде. Хранить препараты. Подвергающиеся липопереокислению, рекомендуется при минус 70 єС в атмосфере инертных газов. Существенно снижается уровень липопереокисления, если к среде хранения мембранных фракций добавить 1 - 2 % глицерина [19].

Перекисное окисление липидов может приводить к повреждению или модификации всех основных функций биологических мембран: барьерной, рецепторной, каталитической. Принято рассматривать, по крайней мере, 3 основных первых механизма повреждения биомембран в результате инициации перекисного окисления липидов:

1) В результате появления гидрофильной гидроперекисной группировки в полиненасыщенной жирной кислоте, входящей в состав мембранного фосфолипида, нарушается гидрофобность фосфолипидного бислоя, резко увеличивается его пассивная проницаемость для ионов;

2) Образующиеся в ходе липопереокисления диальдегиды, типа малонового обладают свойствами поперечносшивающих бифункциональных реагентов. Они способны приводить к полимеризации и агрегации биомолекул, накоплению липофусциноподобных соединений;

3) Перекисные радикалы осуществляют окисление аминокислотных остатков мембранных белков, в том числе остатков, локализованных в активном центре ферментов, что приводит к утрате ферментативной активности.

Эти три первичных модифицирующих эффекта активных форм кислорода и липидных радикалов обусловливают многообразные проявления перекисного окисления как на уровне молекулярной и ультраструктурной организации биомембран, так и в отношении их функциональных характеристик. Наиболее типичными из них являются: ограничение молекулярной подвижности фосфолипидов и появление "перекисных кластеров" в липидном бислое, уменьшение количества жидких липидов в микроокружении мембранных белков и нарушение липид-белковых взаимодействий, устранение характерной для нативных мембран трансмембранной миграции интегральных белков, появление каналов проницаемости для ионов, снижение каталитической активности и термостабильности мембранных белков, снижение электрической прочности мембран, их дезинтеграция и фрагментация [20].

В заключении необходимо сказать, что последствия перекисного окисления липидов заключаются в нарушении свойств и функций клеточных и внутриклеточных мембран. Наиболее изучены три из них:

1) Окисление тиоловых групп мембранных белков. Приводит к появлению пор в мембранах клеток и митохондрий и увеличению проницаемости мембран;

2) Увеличение ионной проницаемости липидного бислоя. Приводит к разобщению окислительного фосфорилирования и снижению образования АТФ;

3) Снижение стабильности липидного слоя и создание условий для электрического пробоя мембран.

Обобщив, можно сказать что в норме на скорость и выраженность процесса перекисного окисления липидов влияют специальные защитные системы. В составе этих систем различные химические вещества. Их делят на 2 группы:

1) прооксиданты, которые усиливают процессы перекисного окисления;

2) антиоксиданты, которые тормозят процесс перекисного окисления.

Прооксиданты: высокие концентрации кислорода (напр., при гипербарической оксигенации), некоторые ферменты, ионы двухвалентного железа.

Антиоксиданты: делятся на 4 группы:

1) СОД, каталаза, глютатионредуктаза. Нейтрализуют супероксидный анион-радикал и перекись водорода. Предотвращают образование гидроксильного радикала.

2) Фосфолипаза и глютатионпероксидаза. Разрушают гидроперекиси липидов.

3) Система окисления и связывания ионов железа. Снижает концентрацию двухвалентного железа в крови. С участием двухвалентного железа происходит образование гидроксил-радикала.

В крови имеется фермент церрулоплазмин и трансферрин. Церрулоплазмин переводит двухвалентное железо в трехвалентное, а трансферрин связывает и переносит трехвалентное железо в клетки. В клетках железо депонируется в форме ферритина.

4) Жирорастворимые антиоксиданты или перехватчики свободных радикалов, или "ловушки". Обрывают цепи перекисного окисления за счет захвата липидных радикалов и радикалов липоперекисей. По химической природе это производные фенола. Это: витамин Е, убихинон, тироксин, ионол (входит в состав лекарства дибунола) [1 - 3, 5, 19].

3.2 Действие мембранных фосфолипаз

Фосфолипазы - это ферменты, которые гидролизуют мембранные фосфолипиды. Фосфолипазы имеются практически во всех клетках и во всех клеточных структурах. В мембранах в норме фосфолипазы малоактивны. Причины малоактивности фосфолипаз:

1) фосфолипазы плохо гидролизуют именно фосфолипиды липидного бислоя мембран;

2) фосфолипазы активируются ионами Са и ингибируются ионами Мg, а в цитоплазме здоровой клетки как раз мало кальция и много магния.

Чрезмерное увеличение содержания ионов кальция в цитоплазме при повреждении приводит к активации фосфолипаз. Фосфолипиды липидного слоя гидролизуются. Мембрана теряет барьерные свойства и становится возможным электрический пробой мембраны [20].

3.3 Механическое (осмотическое) растяжение мембран и адсорбция белков

Механическое растяжение мембран наблюдается при нарушении осмотического равновесия в клетках, а именно увеличении внутриклеточного коллоидно-осмотического давления. В этом случае в клетку поступает вода, объем клетки увеличивается, и создаются условия для электрического пробоя мембран.

Адсорбция белков на мембранах также приводит к снижению электрической стабильности мембран.

Перекисное окисление липидов, активация фосфолипаз. адсорбция белков на мембранах и механическое их растяжение приводят к снижению электрической прочности липидного слоя мембран и электрическому пробою мембран [21, 22].

4. Явление электрического пробоя мембран

Явление электрического пробоя мембран изучали многие авторы на искусственных мембранах и отдельных клетках. Мембраны обладают определенным сопротивлением R электрическому току I, который при небольшой разности потенциалов U между двумя сторонами мембраны является постоянной величиной. Иными словами, для мембраны соблюдается закон Ома

Это означает, что зависимость между напряжением на мембране U и током через мембрану I линейная. Однако такая зависимость сохраняется при сравнительно небольших величинах U, обычно не выше 200 - 300 мВ. При определенной критической разности потенциалов на мембране, называемой потенциалом пробоя (U*), происходит резкое возрастание тока. При постоянном мембранном потенциале, если он превышает критическое значение, ток самопроизвольно нарастает во времени до полного разрушения мембраны. Это явление называется электрическим пробоем мембраны.

В основе этого явления лежит самопроизвольное зарождение дефектов в липидном би-слое вследствие теплового движения фосфолипидных молекул. При отсутствии разности потенциалов на мембране увеличения размеров спонтанно образовавшихся пор не происходит, так как этот процесс сопровождается ростом площади раздела фаз липид-вода и требует преодоления значительных сил поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Более того, под действием сил поверхностного натяжения спонтанно образовавшийся дефект (пора) сразу же затягивается и мембрана остается целой. При увеличении разности потенциалов на мембране энергия, необходимая для образования и роста поры, уменьшается. При критической разности потенциалов U* рост спонтанно образовавшихся пор становится самопроизвольным, ток через мембрану резко возрастает и, если разность потенциалов поддерживать, мембрана будет полностью разрушена.

Чрезвычайно важно для патологии клетки то обстоятельство, что электрическая прочность мембран, мерой которой служит потенциал пробоя, снижается под действием повреждающих факторов. Как уже говорилось, основными причинами нарушения барьерных свойств мембран в патологии являются перекисное окисление липидов, действие мембранных фосфолипаз, механическое растяжение мембран или адсорбция на них некоторых белков. Изучение влияния этих действующих факторов на электрическую прочность мембран показало, что все они снижают потенциал пробоя мембран (рисунок 3) [23].

Рисунок 3 - Снижение электрической прочности искусственных фосфолипидных мембран при действии четырех основных повреждений факторов

Пробой мембран собственным мембранным потенциалом ("самопробой"). Электрический пробой мембраны может наблюдаться не только под действием напряжения, подаваемого на мембрану от внешнего источника, но и под действием собственного мембранного потенциала, то есть разности потенциалов, возникающей на мембране в результате диффузии ионов. Разумеется, этого не происходит в нормально функционирующих, неповрежденных клетках, потому что потенциалы пробоя мембран U* выше, чем разности потенциалов, существующие на клеточных и внутриклеточных мембранах (U* > U). В табл. 2 приведены значения потенциалов пробоя некоторых мембран, а также величины электрических потенциалов на мембранах клеток и митохондрий. Из рисунка 3 видно, что потенциалы плазматических и митохондриальных мембран ниже потенциалов пробоя примерно на 20 - 30 мВ.

При повреждении мембранных структур происходит снижение потенциала пробоя U* и может сложиться ситуация U* > U, когда мембрана будет пробиваться собственным мембранным потенциалом. К чему это приводит в живой клетке? Предположим, клетку облучают ультрафиолетовыми лучами, под влиянием которых в липидных мембранах активируется перекисное окисление. В неповрежденных митохондриях потенциал на мембране равен 175 мВ, а потенциал пробоя составляет около 200 мВ (таблица 3). В процессе активации перекисного окисления липидов потенциал пробоя начинает постепенно снижаться, и, как только он достигает 175 мВ, мембрана митохондрий пробивается собственным мембранным потенциалом. То же происходит и при активации фосфолипаз: снижение потенциала пробоя до величины, равной потенциалу, который в нормальных условиях создается на мембране, приводит к электрическому пробою мембраны и потере ею барьерных свойств. В опытах с эритроцитами и митохондриями было показано, что и осмотическое растяжение мембраны, и добавление чужеродных белков могут снизить потенциал пробоя мембран настолько, что мембраны начинают пробиваться собственным мембранным потенциалом.

Почему "все дороги ведут к самопробою"? Стоит задуматься, почему такие, казалось бы разные, воздействия, как перекисное окисление липидов, ферментативный гидролиз фосфолипидных молекул, механическое растяжение мембраны или адсорбция полиэлектролитов, приводят к одному и тому же результату - снижению электрической прочности (то есть уменьшению величины потенциала пробоя) мембраны. Теория электрического пробоя дает четкий ответ на этот вопрос. Самопроизвольному росту пор, случайно зародившихся в липидном бислое, препятствуют силы поверхностного натяжения на границе раздела фаз липидный слой мембраны - окружающий водный раствор. Нужно приложить довольно большую разность потенциала к мембране, чтобы преодолеть эти силы и вызвать рост поры. Теперь становится понятно, что вещества, снижающие поверхностное натяжение (детергенты), должны облегчать самопроизвольный рост пор и снижать величину критического потенциала, который нужно приложить к мембране, чтобы вызвать электрический пробой. Это и наблюдается в действительности. Продукты перекисного окисления липидов, так же как и продукты гидролиза фосфолипидов фосфолипазами (лизолецитины), и многие белки снижают поверхностное натяжение на границах раздела фаз. Именно поэтому они снижают потенциал пробоя мембран, то есть уменьшают их электрическую прочность (рисунок 3). Механическое растяжение мембраны ?р действует сходно, так как противодействует силам поверхностного натяжения. Таким образом, электрический пробой мембран оказывается универсальным механизмом нарушения барьерной функции мембран в патологии [8, 9, 22 - 25].

Таблица 2 - Электрические потенциалы на мембранах клеток и потенциалы пробоя модельных и биологических мембран

Объект

Разность потенциалов на мембране в клетках

Потенциал пробоя

Липидный бислой

-

130 - 170 (БЛМ)

Клеточная мембрана

70

90 - 100 (эритроциты)

Внутренняя мембрана митохондрий

175

200

Заключение

Биологические мембраны наряду с элементами цитоскелета формируют ультраструктуру протоплазмы. Кроме того, они выполняют множество функций, нарушение любой из которых может привести к изменению жизнедеятельности клетки в целом и даже ее гибели.

Наиболее тяжелые последствия вызывает повреждение липидного слоя мембран. Липидный слой клеточной и внутриклеточных мембран выполняет две основные функции: барьерную и матричную (структурную). В нормально функционирующей клетке срединная часть липидного слоя представляет собой сплошную пленку, образованную углеводородными хвостами фосфолипидных молекул. Эта пленка практически непроницаема для ионов и молекул водорастворимых 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.

Изучение повреждения митохондрий клеток при гипоксии, а также изменений свойств митохондрий, клеток крови и искусственных фосфолипидных мембран показало, что в основе нарушения барьерных свойств липидного слоя мембран (и мембран в целом) лежат четыре причины: перекисное окисление липидов, действие мембранных фосфолипаз, механическое растяжение мембран или адсорбция полиэлектролитов. Действие каждого из этих факторов может быть специфическим. Так, перекисное окисление вызывает избирательную проницаемость мембран для ионов H+ (или OH?) и ионов Ca2+. Фосфолипазы вызывают появление в мембране каналов для катионов, таких, как K+. Поликатионы также, по-видимому, могут вызвать появление пор в липидном слое мембран.

Вместе с тем воздействие всех перечисленных факторов может иметь одно и то же последствие: снижение электрической прочности мембран и электрический пробой мембраны создаваемой ею разностью электрических потенциалов. Поэтому можно предположить, что самопробой мембран электрическим полем - универсальный механизм нарушения барьерных свойств мембран в патологии и одна из главных причин биологической смерти клеток в неблагоприятных условиях.

Список использованных источников

1. Болдырева, А.А. Введение в биомембранологию / А.А. Болдырева. - Москва: Издательство Московского университета,1990

2. Зайко, Н.Н. Патологическая физиология/ Н.Н. Зайко, Ю.В. Быць. - Киев: Логос, 1996. - 647 с.

3. Литвицкий, П.Ф. Патофизиология: курс лекций / П.Ф. Литвицкий. - Москва: Медицина, 1995. - 745 с.

4. Бергельсон, Л.Д. Мембраны. Молекулы. Клетки. / Л.Д. Бергельсон. - Москва: Наука, 1982.

5. Чизмаджев, Ю.А. Биоэлектрохимия: из прошлого в будущее / Ю.А. Чизмаджев // Соросовский Образовательный Журнал. - 2000. - Т. 6. - № 3.- с. 23-27.

6. Антонов, В.Ф. Липидные поры: стабильность и проницаемость мембран / В.Ф. Антонов// Соросовский Образовательный Журнал, - 1998. - №10.- с. 10-17.

7. Пучкова, Т.В. Снижение электрической прочности как основной механизм нарушения барьерной функции биомембран: докл. АН СССР/ Т.В. Пучкова, А.В. Путвинский, Ю.А. Владимиров // Соросовский Образовательный журнал. - 1983. - Т.270. - №6.- с. 1489-1492.

8. Владимиров, Ю.А. Биологические мембраны и незапрограммированная смерть клеток / Ю.А. Владимиров. - Москва: Российский государственный медицинский университет, 2000

9. Эванз, У.Г. Биологические мембраны: методы / У.Г. Эванз, Д.Д. Морре. - Москва.,1990. - 496с.

10. Болдырева, А.А. Биохимия мембран / А.А. Болдырева. - Москва.,1998. - 113с

11. Артюхов, В.Г. Биологические мембраны / В.Г. Артюхов, М.А. Наквасина. - Москва., 2010. - 296с.

12. Трошин, А.С. Структура и функции биологических мембран / А.С. Трошин; В.И. Архипиенко. - Москва.,1975. - 348с.

13. Петров, Р.В. Биохимия мембран. Клеточные мембраны / Р.В. Петров; Р.И. Атаулллаханов. - Москва.,1991. - 146с.

14. Кульберг, А.Я. Биохимия мембран. Рецепторы клеточных мембран / А.Я. Кульберг. - Москва.,1987. - 106с.

15. Игнатьев, П.С. Морфология и динамика биологических объектов / П.С. Игнатьев. - Москва.,2011.-102с.

16. Албертс, Б. Молекулярная биология клетки / Б. Албертс. - Москва.,1994. - 521с.

17. Snyder F., Biochim. Biophys / F. Snyder F; N. Stephens. - N., 1965.- 244c.

18. Duncombe, W. 0. Biochem / W. O. Duncombe. - N., 1988. - 221c.

19. Higgins, J. A Biochem/ J.A. Higgins; W.H. Evans. - N., 1978. - 543c.

20. Геннис, А. Биомембраны / А. Геннис. - М., 1997. - 300с.

21. Мулдер, Г. Введение в мембранную технологию/ Г. Мулдер. - М., 1999. - 256с.

22. Ченцов, Ю.С. Введение в клеточную биологию / Ю.С. Ченцов. - Москва: ИКЦ АкадемКнига,2004

23. Брагина, Н.А. Мембранология / Н.А. Брагина, А.Ф. Миронов. - Издательско-полиграфический центр МИТХТ им. М.В. Ломоносова.,2002

24. Артюхов, В.Г. Наквасина М.А., Биологические мембраны: структурная организация, функции, модификация физико-химическими агентами / В.Г. Артюхов, М.А. Наквасина. - Издательство Воронежского государственно университета, 2000

25. Литвицкий, П.Ф. Патофизиология: курс лекций / П.Ф. Литвицкий.- Москва: Медицина. 1995. - 745 с.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Исследование ферментативных и неферментативных путей образования активных форм кислорода. Механизмы их повреждающего воздействия на живые клетки, в частности, инициация свободнорадикального перекисного окисления липидов. Антиоксидантная защита организма.

    курсовая работа [65,0 K], добавлен 11.01.2017

  • Виды повреждения клетки. Стадии хронического повреждения клетки. Виды гибели клетки. Некроз и апоптоз. Патогенез повреждения клеточных мембран. Высокоспециализированные клетки с высоким уровнем внутриклеточной регенерации. Состояния соединительной ткани.

    презентация [12,3 M], добавлен 03.11.2013

  • Белки и липиды как основные компоненты мембран. Фосфолипидный состав субклеточных мембран печени крысы. Длинные углеводородные цепи. Мембраны грамположительных бактерий. Пути биосинтеза мембранных липидов и механизмы их доставки к местам назначения.

    реферат [1,3 M], добавлен 30.07.2009

  • Ультраструктура биологических и молекулярное строение цитоплазматических мембран, их основные функции. Физическая природа сил взаимодействия белков и липидов в их структурах. Методы изучения и исследования искусственных моделей цитоплазматических мембран.

    презентация [68,6 K], добавлен 06.06.2013

  • Липидный состав нервной ткани серого и белого вещества мозга человека. Деятельность мембран и способность к фазовым переходам в физиологических условиях. Ацилобменные реакции и их механизм. Участие липидов в рецепции, миелин и локализация ганглиозидов.азо

    курсовая работа [2,5 M], добавлен 27.08.2009

  • Понятие и строение биологической мембраны, принципы ее жизнедеятельности. Функциональные особенности липидов в ее деятельности и развитии, механизмы. Гипотеза возникновения плазматических мембран, оценка биологической роли и значения в них белков.

    реферат [18,8 K], добавлен 03.06.2014

  • Структура биологических мембран и строение их основы - билипидного слоя. Молекулярная масса мембранных белков, их различие по прочности связывания с мембраной. Динамические свойства биологических мембран и значение организации для биологических систем.

    реферат [19,1 K], добавлен 20.12.2009

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.