Нарушение структуры и функций

Митохондрий

Нарушение биоэнергетических функций митохондрий - одно из наиболее ранних проявлений повреждения клеток. Например, после прекращения кровообращения происходит нарушение окислительного фосфорилирования в митохондриях через 20-30 мин в печени и через 30-60 мин - в почках. Приблизительно в эти же сроки появляются и другие признаки повреждения клеток.

Изучение нарушения функций митохондрий производится после выделения этих органелл из ткани; при этом важно не повредить митохондрии в ходе их выделения. Один из способов изучения функции митохондрий - измерение скорости потребления кислорода суспензией органелл в различных функциональных состояниях методом полярографии. На рис. 1 приведено изменение концентрации кислорода в среде инкубации изолированных митохондрий. Наклон кривой в каждый момент времени характеризует скорость потребления кислорода (дыхания) в данном состоянии. Эти величины принято обозначать как V 1, V 2, V 3, V 4и т.д., где цифрами обозначены состояния по классификации Б. Чанса. Наиболее информативны V 3- скорость дыхания митохондрий при окислительном фосфорилировании, т. е. в присутствии субстратов окисления, АДФ и ортофосфата, и V 4 - скорость дыхания митохондрий в присутствии субстратов окисления и ортофосфата, но в отсутствие АДФ (состояние дыхательного контроля).

С н и ж е н и е п о т р е б л е н и я к и с -л о р о д а. Уменьшение скорости потребления кислорода митохондриями, связанное с нарушением работы переносчиков электронов, наблюдается при действии многих токсических соединений, например ионов тяжелых металлов, таких как ртуть или серебро, ряда гидрофобных соединений, различных производных углеводорода, при перекисном окислении липидов. Оно может быть также следствием набухания митохондрий и разрыва их наружных мембран, в результате чего из митохондрий выходит цито-хром с, который является одним из переносчиков электрона по дыхательной цепи.

У в е л и ч е н и е п р о н и ц а е м о с т и в н у т р е н н е й м и т о х о н д р и а л ь н о й м е м б р а н ы.Низкая скорость дыхания митохондрий в состоянии 4 (см. рис. 1) связана с тем, что высокий мембранный потенциал (создаваемый в отсутствие АДФ и при наличии кислорода и субстратов) препятствует переносу протонов через внутренние мембраны, связанному с работой дыхательной цепи, и тем самым останавливает поток электронов по этой цепи. Утечка ионов снижает мембранный потенциал и приводит к увеличению скорости дыхания (V 4). Поэтому рост V 4- свидетельство увеличения проницаемости внутренних мембран митохондрий. В митохондриях V 4растет при повреждении органелл в результате гипоксии или пероксидации липидов.

Анализ полярографических кривых позволяет определить два взаимосвязанных показателя работоспособности митохондрий. Первый - это коэффициент Р /0, который рассчитывается как отношение

 

Р моли синтезированного АТФ

=.

0 моли поглощенного кислорода

Второй показатель - коэффициент дыхательного контроля (ДК), который находят как отношение

ДК = V 3 / V 4.

 

Снижение ДК до единицы сопровождается снижением коэффициента Р /0 до нуля и является свидетельством разобщения процессов окисления и фосфорилирования в митохондриях при их повреждении.

С н и ж е н и е с п о с о б н о с т и н а - к а п л и в а т ь к а л ь ц и й. Параллельно разобщению окислительного фосфорилирования наблюдается потеря способности митохондрий к накоплению ионов кальция. В присутствии избытка субстратов дыхания и при наличии кислорода и ортофосфата митохондрии печени способны накопить в матриксе количество фосфорнокислого кальция, по массе превышающее массу митохондрий в сотни и даже в тысячу раз! Повреждение митохондрий приводит к падению разности потенциалов на митохондриальной мембране. Положительно заряженные ионы кальция, удерживаемые в матриксе электрическим полем, начинают выходить наружу из поврежденных митохондрий.

Разобщение окислительного фосфорилирования и выход кальция из мито­хондрий имеют самые драматические последствия для клетки. Снижение уровня АТФ в клетке приводит к выключению ионных насосов, выходу калия и вхождению ионов натрия и кальция в клетку из окружающей среды. Это, в свою очередь, приводит к активации целого комплекса ферментных систем, активируемых ионами кальция, включая фосфолипазы, многие системы биосинтеза и протеинкиназы; метаболизм клетки вначале активируется, а затем дезорганизуется. Именно повреждение митохондрий является, согласно современным представлениям, тем переломным моментом, после которого изменения в клетке, вызванные повреждающим агентом, становятся необратимыми и клетка погибает.

Н а б у х а н и е м и т о х о н д р и й. Весьма важным морфологическим признаком повреждения митохондрий является их набухание. Набухание митохондрий наблюдается, например, в клетках миокарда при недостаточности сердца, а также при многих инфекционных, гипоксических, токсических и других патологических процессах. Набухание митохондрий происходит при помещении клеток в гипотоническую среду, под влиянием ионизирующей радиации, бактериальных токсинов, при действии химических ядов и других патогенных агентов на клетку. Набухание приводит сначала к разрывам наружных мембран митохондрий, а затем - к их полному разрушению.

В опытах с изолированными митохондриями показано, что существует два типа набухания: пассивное и активное. В противоположность цитоплазматической мембране, сравнительно хорошо проницаемой для ионов калия и хлора, внутренние мембраны митохондрий непроницаемы для ионов, за исключением Ca2+ и, возможно, ионов железа. В изотоническом растворе КСl неповрежденные митохондрии сохраняют свой объем, несмотря на то, что концентрация ионов калия и хлора внутри существенно меньше, чем снаружи: осмотическое давление внутри создается и другими ионами, а также белками матрикса. При одновременном увеличении проницаемости для ионов калия и хлора они начинают диффундировать в митохондрии, что приводит к повышению осмотического давления, входу воды и набуханию органелл, которое называется пассивным, так как не зависит от дыхания и энергизации. К агентам, вызывающим пассивное набухание, относятся ионы тяжелых металлов, включая ртуть, серебро, свинец. Таким же действием обладает и избыточная активация перекисного окисления липидов в мембранах митохондрий.

В условиях живой клетки чаще имеет место иной тип набухания - активное набухание, связанное с работой цепи переноса электронов. Повреждение митохондрий происходит под действием малых доз тяжелых металлов, активации собственной фосфолипазы в условиях гипоксии, при перекисном окислении липидов и сопровождается прежде всего повышением проницаемости внутренней мембраны для катионов. В присутствии источников энергии (субстраты дыхания и кислород, АТФ) на мембранах митохондрий генерируется разность потенциалов величиной около 170-180 мВ со знаком «минус» в матриксе, под действием которой ионы К+поступают внутрь поврежденных митохондрий. Вместе с калием в матрикс поступает ортофосфат, который переносится в электронейтральной форме через внутреннюю мембрану с помощью специального белкового переносчика. Активное (т. е. связанное с затратой энергии) накопление фосфата калия в матриксе сопровождается набуханием митохондрий.

 

Ацидоз

Любое повреждение клетки сопровождается ацидозом ее цитоплазмы (рН падает до 6 и ниже). Первичный ацидоз повреждения клеток следует отличать от вторичного ацидоза в воспаленной ткани, который возникает значительно поз-днее (спустя несколько часов) после нанесения по­вреждения. Первичный ацидоз повреждения - следствие накопления в клетке определенных продуктов метаболизма (например, молочной кислоты). Первичный ацидоз в поврежденной ткани возникает при действии различных повреждающих агентов: механического воздействия, действия химических агентов (например, гор­чичного масла), бактериальных токсинов (дизентерийная палочка, гемолитический стафилококк). Ацидоз повреждения возникает в тканях также при гипоксии.