Критерии оценки увеличения проницаемости цитоплазматической мембраны

У м е н ь ш е н и е э л е к т р и ч е с к о г о с о п р о т и в л е н и я т к а н и. М е т одом оценки проницаемости мембран для ионов может служить изменение электрического сопротивления (импеданса) ткани. Последний 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 клеток наблюдается уменьшение омического сопротивления тканей, связанное в основном с возрастанием ионной проницаемости клеточных мембран.

О к р а с к а ц и т о п л а з м ы р а з л и ч - н ы м и к р а с и т е л я м и. В о д орастворимые красители плохо проникают через мембраны неповрежденных клеток и потому слабо прокрашивают внутриклеточные структуры. Увеличение проницаемости цитоплазматических и внутриклеточных мембран при повреждении клетки приводит к возрастанию количества красителя, вошедшего в клетку и внутриклеточные структуры. На этом основаны многие гисто (цито)-химические методы определения жизнеспособности клеток.

С н и ж е н и е м е м б р а н н о г о п о т е н - ц и а л а п о к о я. 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 молекулярных ионных насосов (Na+-K+- АТФазы и Са2+- Mg2+ -АТФазы), встроенных в мембраны клеток. Так, внутри клеток содержание Са2+примерно в 10000 раз ниже, чем в окружающей среде; в клетках гораздо больше К+и меньше Na+, чем в плазме крови или межклеточной жидкости (табл. 9). Благодаря различию в концентрации ионов в клетке и окружающей среде на цитоплазматической мембране имеется разность потенциалов со знаком «минус» внутри клетки (около 70 мВ для нервных и мышечных клеток). Уменьшение мембранного потенциала покоя при действии повреждающих факторов происходит как в результате неспецифического увеличения ионной проницаемости, так и при уменьшении градиентов концентрации ионов вследствие выключения работы ионных насосов; последнее происходит как при прямом повреждении Nа+-К+-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 и других повреждениях клеток, лизосом и прочих субклеточных структур.

В ы х о д и о н о в к а л и я и з к л е - т о к. При активно работающей Na+-К+-АТФазе на цитоплазматической мембране поддерживается разность потенциалов со знаком «минус» внутри клетки, под действием которой 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,падением электрического потенциала на цитоплазматической мембране, повышением содержания внутриклеточного Ca2+и выходом калия из клеток. Освобождение калия из клеток описано при механической травме, различных интоксикациях, аллергических cocтояниях, гипоксии и многих других повреждениях органов и тканей. Понижение содержания ионов калия 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 потенциала соседних 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.

Н а к о п л е н и е и о н о в к а л ь ц и я в ц и т о п л а з м е. В нормальных клетках концентрация ионов кальция в цитоплазме характеризуется исключительно низкими значениями: 10-7или даже 10-8 М, тогда как в окружающей клетку среде содержится 10-3 Мионов 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 изменение мембранного потенциала, присоединение гормонов и медиаторов к мембранным рецепторам. Компенсирует вход ионов Са2+ в клетку работа трех типов кальцийтранспортирующих систем: кальциевый насос (Са2+- Mg2+-АТФаза) в мембранах саркоплазматического ретикулума и клеточной мембране, система аккумуляции Са2+ в митохондриях, и в некоторых клетках, Na+/Ca2+-обменник, встроенный в цитоплазматическую мембрану.

При повреждении клетки нарушается работа митохондрий: снижается мембранный потенциал и прекращается окислительное фосфорилирование. При снижении мембранного потенциала в митохондриях уменьшается поглощение этими структурами Са2+. Снижение уровня АТФ в клетке приводит к выключению работы Са2+- Mg2+-АТФазы цитоплазматической и мембран саркоплазматического ретикулума. Все это способствует накоплению кальция в цитоплазме. Увеличение концентрации Na+в клетке вследствие угнетения натриевого насоса при недостатке АТФ приводит к выключению и Na+/Са2+-обмена через клеточную мембрану. В результате всего этого происходит увеличение концентрации кальция от 10-8-10-7M (в норме) до 10-6-10-5 М. Это приводит к активации большого числа кальцийзависимых ферментов (протеинкиназ, фосфолипаз, фосфодиэстеразы циклических нуклеатидов и др.), нарушениям в цитоскелете, активации сократительных структур, 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 Насонову и Александрову (см. выше).

В ы х о д м е т а б о л и т о в. Увеличение проницаемости мембраны клеток и ухудшение работы ионных насосов приводит 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.

У в е л и ч е н и е о б ъ е м а (н а б у х а - н и е) к л е т о к. 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 значительной 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. При этом строго поддерживается соотношение концентраций всех ионов и молекул внутри и вне клетки. Как только в клетке начинают накапливаться новые ионы и молекулы, ее объем возрастает, поскольку вода входит внутрь. Выкачивание ионов мембранными насосами и обменниками сопровождается уменьшением ее объема за счет самопроизвольного выхода избытка воды.

В нормальной клетке имеется, как правило, избыточное по сравнению с окружающей средой количество белков, что приводило бы к появлению избыточного осмотического (онкотического) давления и увеличению объема клетки, если бы одновременно не происходило удаление (выкачивание) ионов натрия из клетки за счет работы Na+-К+-АТФазы. Вместе с натрием, который выкачивается ионными насосами за счет энергии гидролиза АТФ, происходит выход ионов хлора за счет электрического поля, создаваемого диффузией ионов калия и переносом Na+, так как мембрана клеток хорошо проницаема для ионов хлора. Иначе говоря, натриевый насоc (Na+-К+-АТФаза) удаляет из клетки NaCl и снижает концентрацию ионов в ней, что приводит к уменьшению клеточного объема. Этому процессу противостоит процесс самопроизвольного поступления натрия внутрь клетки: через дефекты в липидном бислое, через натриевые каналы, через переносчики, сопрягающие вход натрия с транспортом сахаров и аминокислот в клетку, Na+/H+- и Na+/Ca2+-обменники. Таким образом, живая клетка находится в состоянии динамического равновесия, при котором «протечка» клеточной мембраны компенсируется постоянной работой ионной помпы (это так называемая leak and pump - гипотеза).

При патологии может происходить либо увеличение ионной проницаемости клеточной мембраны (возрастание «протечки»), либо нарушение работы ионных насосов (например, при недостатке энергообеспечения). В опытах с изолированными клетками печени, почек, мозга было показано, что отравление солями ртути или других тяжелых металлов приводит к увеличению ионной проницаемости мембраны клеток (увеличению «протечки») и возрастанию объема клеток (т. е. набуханию ткани). Увеличение объема клеток можно вызвать и другим способом: нарушив систему их энергообеспечения. Действительно, было показано, что объем клеток возрастает при гипоксии (например, при действии цианида или окиси углерода) и под влиянием разобщителей окислительного фосфорилирования, таких как динитрофенол.

Набухание клеток - процесс, далеко не безразличный для функционирования клеток и ткани в целом. Первым результатом этого оказывается сдавливание кровеносных сосудов и затруднение кровообращения. Так, при ишемии происходит набухание клеток и последующее общее возобновление кровообращения не сразу и не всегда приводит к восстановлению жизнедеятельности ткани, потому что кровь не проникает в мелкие кровеносные сосуды, сдавленные набухшими клетками. Тo же происходит при трансплантации органов. Иногда применяется предварительное промывание пересаженного органа гипертоническим раствором, который восстанавливает прежний объем клеток и нормализует микроциркуляцию.