Повреждения клеточной мембраны

Повреждающее действие патогенного фактора в большинстве случаев направлено на клеточную мембрану, где и локализуются первичные повреждения, в то время как повреждения клеточных органелл носят вторичный характер и опосредованы внутриклеточными расстройствами гомеостаза – последствиями повреждений цитоплазматической мембраны. Наравне с этим возможно прямое действие некоторых патогенных факторов на клеточные органеллы с развитием в них первичных патологических процессов.

Цитоплазматическая мембрана (плазмолемма) состоит из липидов и протеинов. Около 90% мембранных липидов являются фосфолипидами (в частности, лецитин), которые состоят из амфипатических молекул, содержащих гидрофильную и гидрофобную части. Фосфолипиды в составе цитоплазматической мембраны образуют бимолекулярный слой, причем гидрофобные части обоих слоев ориентированы внутрь бислоя, а гидрофильные – к периферии, то есть внутрь и наружу клетки соответственно. Таким образом, внутренняя часть мембраны образована только двумя гидрофобными группировками, что и определяет ее свойства, сходные со свойствами парафина: непроницаемость для воды, ионов и водорастворимых веществ (углеводов, аминокислот), но проницаема для кислорода, двуокиси углерода, спиртов, других жирорастворимых веществ. (Следует отметить, что вода свободно проходит сквозь мембранные каналы и поры.). Другим важным свойством цитоплазматической мембраны является диэлектрическое свойство – высокое электрическое сопротивление и неспособность проводить электрический ток. Диэлектрические свойства определяют и устойчивость клетки к патогенному влиянию электрического тока. Так, нормальная клетка противостоит прямому действию электрического потенциала до 200мВ (собственный электрический потенциал цитоплазматической мембраны возбудимых клеток в среднем равен 70мВ, а митохондриальной мембраны – 175мВ). Липидный бислой на границе двх сред (вода-липиды) обладает межфазовым поверхностным натяжением, которое уравновешивает внутриклеточное гидростатическое давление. Взаимодействие этих сил – поверхностного натяжения и внутриклеточного давления определяет объем клетки. (Следует отметить, что форма клетки определяется цитоскелетом.). Изменение баланса сил ведет либо к уменьшению объема клетки («сморщивание» клетки), либо к его увеличению вплоть до разрыва клетки (цитолиз; в отношении эритроцитов - гемолиз). Кроме того, поверхностное натяжение мембраны способствует саморепарации дефектов липидного бислоя, постоянно возникающих в результате броуновского движения молекул, растворенных в гиалоплазме; это поддерживает целостность и барьерные свойства плазмолеммы. Следовательно, внутриклеточное пространство закрыто для свободного обмена большинства веществ с внеклеточным пространством, за исключением воды, кислорода, углекислого газа, жирорастворимых веществ.

Особенности строения цитоплазматической мембраны (липидный состав с преобладанием фосфолипидов с небольшим количеством триглицеридов и холестерола) определяют низкую точку плавления и сохранение полужидкого состояния при температуре тела, сравнительно небольшую вязкость, что обеспечивают как механическую резистентность мембран, так и текучесть мембраны, возможность флотации («плавучесть»), миграции и ротации молекул белков в пределах мембраны. Ввиду того, что эти свойства зависят от соотношения между триглицеридами, фосфолипидами и холестеролом в составе мембраны, дефицит фосфолипидов, также как избыток триглицеридов и холестерола, ведут к увеличению вязкости мембраны, уменьшая ее текучесть и подвижность белковых структур – рецепторов, ферментов и др.

Вторым компонентом цитоплазматической мембраны являются белки. Молекулы белков погружены в липидный слой, занимая различные позиции. Интегральные белки полностью «прошивают» цитоплазматическую мембрану, один конец их молекулы находится в межклеточном пространстве, а другой – во внутриклеточном. Периферические белки, занимают только половину липидного бислоя, причем один конец молекулы погружен в цитоплазматическую мембрану, а другой выступает внутрь либо наружу клетки. Мембранные белки выполняют различные функции. Белки-рецепторы воспринимают сигналы из внутренней среды организма и передают их клеткам через систему вторичных мессенджеров. Мембранные белки-антигены характеризуют видовую, индивидуальную и клеточную антигенную специфичность и служат в качестве рецепторов распознавания (self-маркеры) для иммунокомпетентных клеток; антигены также участвуют во взаимодействии клеток со специфическими иммуноглобулинами либо сенсибилизированными лимфоцитами. Белки-ионные каналы служат для прохождения ионов и водорастворимых веществ через липидный бислой в клетку и из клетки. Избирательность каналов зависит от конфигурации молекулы вещества и канала, а открытие канала может осуществляться двумя механизмами: потенциалзависимым и рецептором, распознающим вещество. Так, каналы для ионов Na⁺ и Ca²⁺ открываются при деполяризации возбудимых клеток под действием раздражителей. Белки - мембранные ферменты обеспечивают различные функции клетки, включая и некоторые защитные реакции. Кроме того, ферментами являются и ионные насосы, активно транспортирующие различные вещества против градиента концентрации с потреблением энергии – ионы Na и К (Na⁺, K⁺ – АТФ-аза), ионы Са (Са²⁺ – АТФ-аза).

Структура клеточной мембраны определяет и её функции: механического барьера, поддержания внутриклеточного гомеостаза путем селективной проницаемости в обоих направлениях для большинства веществ, образование, поддержание и восстановление градиента концентрации для некоторых веществ, поддержание формы и объема клетки, образование, поддержание и восстановление электрического мембранного потенциала, восприятие химических и антигенных сигналов, межклеточная коммуникация.

Углеводы клеточной мембраны почти всегда находятся в комплексе с протеинами либо липидами. Так, большинство интегральных белков – это гликопротеины, а десятая часть липидных молекул – гликолипиды. Углеводная часть этих молекул выступает вне клетки и не связана с мембраной. Другие углеводные производные, называемые протеогликанами, расположены вокруг белкового ядра и прикреплены к внешней поверхности цитоплазматической мембраны, покрывая ее рыхлым углеводным слоем – гликокаликсом. Углеводный состав гликокаликса определяет важные функции и характеристики клетки: отрицательный электрический заряд углеводных групп придает поверхности большинства клеток отрицательный заряд и обусловливает силу взаимного отталкивания, которая противостоит агрегации клеток и их взаимодействию с другими отрицательно заряженными частицами; соединение клеток между собой путем взаимодействия молекул гликокаликса; углеводные группы действуют как рецепторы, которые связывают гормоны и активируют таким образом интегральные белки, к которым они присоединены, запуская целый каскад внутриклеточных ферментных активаций; участвуют в иммунологических реакциях.

Этиология и патогенез повреждений мембраны

Разрушение цитоплазматической мембраны может быть обусловлено множеством причин: механические, физические факторы (электрический ток, поля, излучения, повышенная либо пониженная температура), гипер- и гипоосмолярность, химические факторы, ферменты, антитела и сенсибилизированные лимфоциты, гипоксия и гипероксия, дисгомеостазы питательных веществ, голодание, ацидоз и алкалоз, дисгидрозы, дисминералозы, нарушения циркуляции крови и др.

Клеточные патологические процессы запускаются первичными повреждениями клеточной мембраны, вызванными действием патогенного фактора. Эти повреждения представляют собой первый патогенетический фактор, специфичный вызывающей причине. Вторичные повреждения, которые представляют собой последующие патогенетические факторы, во многом стереотипны и генетически определены структурой и функциями клетки. Это оправдывает трактовку клеточных патологических процессов как типические, не зависящие от вызывающей причины и от гистофизиологической специфичности клетки.

Первичные повреждения цитоплазматической мембраны носят печать специфичности этиологического фактора и могут быть классифицированы в зависимости от его природы.

А. Первичные механические повреждения цитоплазматической мембраны (растяжение, разрыв, образование дефектов, фрагментация) вызваны механическими силами, которые воздействуют непосредственно на клетку. Таким образом, первичным патогенетическим фактором является механическая дезинтеграция мембраны, открытие механического барьера клетка – интерстиций и образование прямых неконтролируемых сообщений между внутриклеточным и межклеточным пространствами. Это пориводит к свободному прохождению веществ в обоих направлениях: интерстиций – гиалоплазма и гиалоплазма–интерстиций. Конечный результат – уравновешивание составов этих пространств, проникновение в клетку внеклеточных веществ (напр., Na⁺) и выход из клетки веществ, содержащихся в ней (напр., К⁺). Дисгомеостаз внутриклеточного пространства делает невозможным нормальное функционирование клеточных органелл с их вовлечением в патогенетическую цепь патологического процесса.

Б. Электрические повреждения, вызванные электрическим током; зависят от характеристик тока (постоянный или переменный), а также от типа клетки. Так, действие тока на возбудимые клетки (нейроны, миоциты) фазное. Сначала имеет место открытие потенциалзависимых ионных каналов (Na⁺, K⁺, Ca²⁺) c исчезновением градиента концентрации и потенциала покоя, то есть возникает деполяризация клеточной мембраны, возбуждение клетки с соответствующими эффектами - генерация и проведение электрического импульса, сокращение миоцита. Более длительном действии постоянного электрического тока на клетку препятствует реполяризации мембраны и восстановлению потенциала покоя, следовательно, ведет к деполяризационному торможению. Далее происходит поляризация гиалоплазмы: накопление отрицательно заряженных ионов (анионов) на положительно заряженном электроде (аноде), а положительно заряженных (катионов) – на отрицательно заряженном электроде (катоде). Под действием тока происходит электролиз внутри- и внеклеточных веществ, то есть разложение веществ с ионной структурой до нейтральных атомов (напр., ионы Na⁺ восстанавливаются на катоде до нейтральных атомов натрия, а ионы Cl^– окисляются на аноде до нейтральных атомов хлора.

Под действием тока возникает «пробой» цитоплазматической мембраны (electrical break-down). Это явление наблюдается тогда, когда электрический потенциал, подведенный к клетке, превышает силу поверхностного натяжения и вязкость цитоплазматической мембраны. Следовательно, дефекты, образованные в бислое броуновским движением молекул, не только не могут быть закрыты, но имеют тенденцию к увеличению вплоть до полного разрушения мембраны. Следует отметить, что при ослаблении механических и диэлектрических свойств возможен «автопробой» клеточных мембран под действием собственного электрического потенциала.

В. Оксидативный стресс, вызванный действием свободных радикалов кислорода. Свободным радикалом кислорода называется кислород либо его соединение, которое содержит на последнем электронном уровне один неспаренный электрон, обуславливающий огромную химическую активность этого вещества (поэтому такие радикалы называются еще активным кислородом). Свободные радикалы – обычные продукты некоторых физиологических процессов (напр., цепь переноса электронов в митохондриях – дыхательная цепь, фагоцитоз), однако в физиологических условиях их потенциально патогенному действию противодействуют антиоксидантные системы организма, которые быстро нейтрализуют эти соединения. При патологических процессах также образуются свободные радикалы (воспаление, фагоцитарная реакция, гипероксия, гипоксия, действие ионизирующего излучения, отравление хлороформом, четыреххлористым углеродом и др.). В настоящее время выявляется все больше патологических процессов, в патогенезе которых играют роль свободные радикалы (напр., заболевания печени, язва желудка, инфаркт миокарда и др.).

Формы свободных радикалов: супероксид кислорода (О₂^–), пероксид водорода (Н₂О₂), гидроксильный радикал (ОН^–). Из антиоксидантных систем следует отметить: супероксиддисмутазу (нейтрализует пероксид водорода), каталазу (разлагает пероксид водорода), пероксидазы (нейтрализует пероксиды), церуллоплазмин, трансферрин и ферритин (связывают ионы железа, предотвращая цепные реакции перекисного окисления эндогенных веществ, которые инициируются свободными радикалами), витамин Е, полифенолы и др.

Механизм патогенного действия свободных радикалов состоит в перекисном окислении эндогенных веществ: липидов, полиненасыщенных жирных кислот, нуклеиновых кислот, белков, аминокислот, тиоловых ферментов, которые содержат сульфгидрильную группу в составе своей молекулы и др. Самые неблагоприятные последствия действия свободных радикалов – генные мутации и перекисное окисление полиненасыщенных жирных кислот в составе цитоплазматических мембран. Механизм реакции состоит в следующем.

Гидроксильный радикал ОН^– является самым агрессивным из свободных радикалов. Благодаря своим малым размерам, он легко проникает внутрь липидного бислоя, где подвергает перекисному окислению полиненасыщенные жирные кислоты из состава мембранных фосфолипидов. Под действием гидроксильного радикала происходит первая реакция – отрыв одного протона от липида (LH) (точнее, от полиненасыщенных жирных кислот) с образованием воды и липидного радикала, обозначенного L^–:

1) ОН^– + LH = Н₂О + L^–.

Липидный радикал, образовавшийся в ходе первой реакции, взаимодействует с молекулярным кислородом, растворенным во внутриклеточной либо в межклеточной среде, образуя липопероксидный радикал LOO^–, согласно реакции 2:

2) L^– + О₂ = LOO^–.

Липопероксидный радикал взаимодействует с новой молекулой липида LH, образуя два новых радикала: гидропероксидный радикал LOOH и липидный радикал L^– (реакция 3):

3) LOO^– + LH = LOOH + L^–.

Итак, реакция становится автокаталитической, образуя длинную цепь и вовлекая все больше молекул липидов. В результате этой реакции один гидроксильный радикал образует три новых радикала: липидный, липопероксидный и гидропероксидный.

В некоторых условиях, например в присутствии двухвалентного железа, автокаталитическая цепь образования липидных пероксидов может ветвиться согласно реакции 4:

4) LOOH + Fe²⁺ = Fe³⁺ + ОН^– + LO^–; LO^– + LH = LOH + L^–.

Таким образом, вследствие последней реакции образуется липидный радикал L^–, который может инициировать новую цепь и т.д. Окончательный результат – пероксидное окисление и денатурация большого числа молекул фосфолипидов, что ведет к множеству мембраноразрушающих эффектов:

а) деструкция мембраны и образование незакрываемых брешей с уменьшением её механического сопротивления;

б) увеличение неизбирательной проницаемости и исчезновение клеточных ионных градиентов;

в) уменьшение электрического сопротивления мембраны и ее разрывы;

г) исчезновение электрического потенциала на мембранах возбудимых клеток и деполяризационное торможение;

д) увеличение концентрации ионов кальция в гиалоплазме со всеми вытекающими последствиями;

е) нарушение функций клеточных органелл;

ж) некробиоз, некроз и аутолиз клетки.

Наряду с липидами, мишенями оксидативного стресса могут быть и другие вещества в составе цитоплазматической мембраны. Так, под действием свободных радикалов происходит восстановление сульфгидрильных групп тиоловых ферментов (напр., Са²⁺ - АТФаза) до дисульфидных групп с потерей ферментативной активности и всеми вытекающими последствиями. Еще одно последствие оксидативного стресса – разрушение ДНК с потенциально мутагенными эффектами.

Г. Ферментативные клеточные повреждения, вызванные действием экзогенных и эндогенных ферментов. Источниками эндогенных ферментов могут быть фагоциты в очаге воспаления, лизосомальные ферменты из любых клеток организма, высвобождающиеся при дестабилизации мембраны лизосом, панкреатические пищеварительные ферменты, высвобождаемые в кровь в случае панкреатита либо панкреонекроза. К экзогенным ферментам относятся микробные (напр., стрептококковая лецитиназа, которая расщепляет мембранные фосфолипиды; ферменты, вырабатываемые Clostridium perfringens, которые индуцируют расщепление клеточных мембран).

Спектр цитопатогенных ферментов очень широк: протеазы, пептидазы, коллагеназа, элластаза, липаза, фосфолипаза, амилаза, гиалуронидаза и др. Патогенетическая цепь патогенных цитопатогенных эффектов запускается с момента расщепления субстратов, специфичных для этих ферментов: мембранные фосфолипиды, мембранные белки, гликопротеины и др. Окончательный результат патогенного действия ферментов – дезинтеграция мембраны с последующей «лавиной» цитодеструктивных патогенетических процессов.

Следует отметить, что в норме во внутренней среде организма имеется определенный уровень эндогенных энзимов. Им противодействуют натуральные антиэнзимы, главным из которых является альфа-антитрипсин, вырабатываемый печенью. Таким образом, цитопатогенное действие энзимов проявится лишь при дисбалансе энзимемии и антиэнзимных систем.

Д. Иммуноцитопатогенные повреждения опосредованы иммунными, аутоиммунными и аллергическими реакциями, которые разворачиваются на уровне цитоплазматической мембраны. К ним относятся аллергические цитолитические реакции II типа, аутоиммунные реакции. Иммуноцитопатогенные реакции различаются по механизму, но их общим окончательным результатом является смерть клетки. Так, взаимодействие антиген-антитело при аллергических реакциях II типа ведет к активации комплемента и к «перфорации» клеточной мембраны активированными комплексами комплемента С₅ – С₉ со всеми последующими эффектами потери целостности мембраны. В то же время опсонизация клеток иммуноглобулинами и связанным комплементом индуцирует фагоцитоз с последующим внутриклеточным перевариванием фагоцитированной клетки. При цитолитических реакциях IV типа, инициируемых сенсибилизированными лимфоцитами, наблюдается разрушение атакуемой клетки посредством специфических либо неспецифических клеточных цитолитических механизмов (катионные белки и др.).

Е. Термическая травма клеток происходит под действием высоких температур и имеет специфические патогенетические механизмы. Действие повышенных температур ведет к термической денатурации веществ из состава цитоплазматической мембраны (белки) с исчезновением специфических функций каналов, ионных насосов, ферментов, антигенов, Возможно также образование аутоантигенов споследующей аутоиммунной реакцией. Денатурация веществ из гиалоплазмы и клеточных органелл имеет соответствующие последствия для клетки.

Действие пониженных температур ведет к кристаллизации воды в момент замерзания и размораживания, а образующиеся внутриклеточно кристаллы механически разрушают цитоплазматическую мембрану, а также мембраны клеточных органелл с соответствующими последствиями.

Ж. Гипоксические повреждения. Энергия, необходимая для выполнения всех функций клетки почти целиком обеспечивается процессами окисления питательных веществ; сопряжение окисления с процессами фосфорилирования ведет к депонированию энергии в виде макроэргических соединений. Депонированная энергия используется для обеспечения жизнедеятельности клетки: анаболизма, репарации клеточных структур, деятельности ионных насосов и поддержания внутриклеточного гомеостаза, ионного градиента, мембранного потенциала и др. Причинами клеточной гипоксии могут быть все формы генерализованной гипоксии (гипоксическая, респираторная, циркуляторная, анемическая, гистотоксическая), нарушения местного крово- и лимфообращения (венозная гиперемия, ишемия, гемо- и лимфостаз), прямое поражение процессов окислительного фосфорилирования, нарушения системного кровообращения (кардиогенная, сосудистая либо гематогенная недостаточность кровообращения, коллапс, шок). Следует отметить, что дисциркуляторные нарушения, наряду с дефицитом энергии, вызванным клеточной гипоксией, обуславливают и другие цитодеструктивные патогенетические факторы: гипоперфузию, гипонутрицию, гиперкапнию, ацидоз, накопление в клетках и межклеточном пространстве метаболических шлаков.

Эффекты клеточной гипоксии инициируются снижением уровня энергии ниже порога, совместимого с жизненной активностью клетки. Патогенетические цепи многообразны по последовательности их развития:

a) клеточная гипоксия уменьшение окислительных процессов уменьшение количества АТФ уменьшение активности Na⁺, K⁺ – АТФ-азы исчезновение градиента Na⁺ и K⁺ внутриклеточная гиперосмолярность клеточное набухание цитолиз;

b) исчезновение мембранного потенциала покоя деполяризационное торможение;

c) уменьшение активности Са²⁺ – АТФ-азы исчезновение градиента концентрации Са²⁺ и увеличение его концентрации в гиалоплазме рост активности фосфолипаз, протеаз, эндонуклеаз, АТФ-аз набухание митохондрий, эндоплазматической сети, дестабилизация лизосом;

d) активизация гликолитических процессов накопление молочной кислоты клеточный ацидоз активация протеаз и фосфолипаз цитолиз.

З. Дисгомеостатические клеточные повреждения вызываются нарушениями гомеостаза внутренней среды. Внутренняя среда организма (среда обитания клеток) характеризуется строгим поддержанием физических, физико-химических и биохимических параметров. Крайние отклонения биохимических параметров интерстициального пространства являются прямым следствием изменения состава крови и могут стать патогенными факторами, вызывая клеточные патологические процессы. Тяжелые последствия вызывают дисминералозы (гипер- и гипонатриемия, гипер- и гипокалиемия, гипер- и гипокальцемия, гипер- и гипохлоремия, гипер- и гипомагниемия, гипер- и гипо-Н-иония), де- и гипергидратация, гипер- и гипоосмолярность.

И. Метаболические клеточные повреждения, вызванные как врожденными дефектами ферментов, так и внеклеточными дисметаболизмами. К внеклеточным дисметаболизмам, которые могут повредить клетки, относятся гипо- и гипергликемия, галактоземия, гипопротеинемия и диспротеинемии, гиперлипидемия и дислипидемия, гиперкетонемия.

К. Инфекционные повреждения. Первичные клеточные повреждения инфекционной природы вызваны биологическими факторами (вирусы, бактерии, протозоары, метазоары), а последующее воспаление пораженного органа ведет к вторичным клеточным повреждениям. Вторичные повреждения являются многофакторными, имеют сложный патогенез, определенный действием многих патогенных факторов из очага воспаления (ацидоз, дисциркуляторные нарушения, оксидативный стресс, иммунные поражения, дисметаболизмы, гипоксия).

Проявления повреждений клеточной мембраны

Как было отмечено выше, конечный результат прямого действия патогенных факторов и первый патогенетический фактор клеточных патологических процессов – это дезинтеграция цитоплазматической мембраны. Вне зависимости от этиологического фактора и от характера первичных повреждений, дезинтеграция мембраны запускает следующие вторичные патогенетические факторы, которые продолжают клеточный патологический процесс.

1. Нарушение проницаемости клеточной мембраны и трансмембранного транспорта веществ

Проникновение в клетки веществ, необходимых для жизнедеятельности, равно как и удаление из клеток продуктов катаболизма осуществляется путем трансмембранного транспорта различных типов и эффективности. Будучи расположенной на границе между клеткой и внеклеточной средой, клеточная мембрана контролирует и модулирует обмен веществ, обеспечивая выживание, функционирование и постоянную гомеостатическую адаптацию клетки к условиям среды.

Трансмембранный обмен осуществляется путем пассивного и активного транспорта. Пассивный транспорт осуществляется путем осмоса, простой диффузии, облегченной диффузии, равновесия Доннана, ко-диффузии (сопряженной диффузии), причем все механизмы реализуются по трансмембранным физико-химическим градиентам (электрическим, ионным и концентрационным) без потребления энергии. Формы транспорта зависят, прежде всего, от размеров транспортируемого объекта. Описаны системы микротранспорта (непрерывный транспорт молекул) и макротранспорт, обеспечивающий прерывистое проникновение макрочастиц.

Пассивный микромолекулярный транспорт обеспечивается тремя видами мембранных структур и играет роль в транспорте водорастворимых молекул: ионные каналы, транспортеры и ионофоры.

Трансмембранное перемещение молекул воды осуществляетсяпутем осмоса. В случае, когда два раствора разделены полупроницаемой мембраной, каковой и является цитоплазматическая мембрана, молекулы растворителя перемещаются из отдела с малой концентрацией в отдел с большей концентрацией растворенного вещества.

Простая диффузия осуществляется благодаря физическому либо электрическому градиенту концентрации. Неравенство концентраций между двумя отделами создает концентрационную энергию. Эта энергия движет молекулы растворенного вещества из отдела с большей концентрацией в отдел с меньшей концентрацией.

Облегченная диффузия является формой пассивного транспорта, при которой существует специфический мембранный переносчик, способный во много раз увеличить скорость диффузии вещества. Когда концентрация транспортируемого вещества сильно возрастает, происходит насыщение переносчика и скорость диффузии падает.

Равновесие Доннана – вид простой диффузии, который осуществляется в тех случаях, когда по одну сторону мембраны находится ион, для которого эта мембрана непроницаема. Такая ситуация возникает для клетки, мембрана которой непроницаема для органических анионов, обладающих большими размерами (внутриклеточные белки), но в то же время проницаема для других анионов и катионов. В этом случае состояние равновесия реализуется в условиях избытка ионов K⁺ на внутренней поверхности и избытка ионов Cl^– – на наружной. Таким образом, диффузионные силы уравновешиваются взаимно противоположными электродвижущими силами.

Вследствие повреждения цитоплазматической мембраны, в том числе и гликокаликса, имеет место нарушение структурной целостности мембраны с потерей барьерной функции. Как следствие становится возможным неизбирательное (неконтролируемое) проникновение тех веществ, которые нормальным образом переносятся только при помощи избирательных механизмов транспорта (Na⁺, K⁺, Cl^–, Ca²⁺, Mg²⁺), а затем и внутриклеточное поступление избытка воды путем осмоса, что ведет к гидропической дистрофии и вакуолизации, деформации, набуханию клетки, механической деструкции цитоскелета. Морфологически это проявляется увеличением объема клетки вплоть до ее разрыва. Вследствие последовательных деформаций возможно «расправление», даже исчезновение микроворсинок с потерей соответствующих функций (напр., потеря микроворсинок энтероцитами ассоциируется с синдромом мальабсорбции, деформация клеток почечного эпителия в случае нефропатий сопровождается нарушениями реабсорбции веществ).

2. Нарушение активного трансмембранного транспорта веществ

Избирательный трансмембранный транспорт веществ осуществляется через функционирующие ионные каналы и ионные насосы.

Ионные каналы образованы интегральными белками мембраны, которые могут создать гидрофильные трансмембранные пути, обеспечивая движение воды и, следовательно, пассивную диффузию простых молекул либо ионов. Существуют специфические каналы для каждого из основных ионов (Na⁺, K⁺, Cl^–, Ca²⁺). Специфичность этих каналов обусловлена характеристиками белковой макромолекулы и, в особенности, «воротами» канала. Регуляция прохождения сквозь ионные каналы осуществляется при помощи различных механизмов. Если канал содержит распознающую субъединицу – рецептор, канал открывается при поступлении специфического химического сигнала извне – гормона либо медиатора. Другой вид регуляции – потенциалзависимый. Так, снижение потенциала покоя возбудимых клеток (нейронов, миоцитов) ниже критического уровня (пороговая деполяризация) ведет к раскрытию натриевых каналов с проникновением натрия в цитоплазму и генерацией потенциала действия.

Особенностью движения ионных потоков через мембранные каналы является тот факт, что однажды активированный канал остается открытым определенное время, после чего автоматически закрывается. Эта постоянная инактивации характерна каждому типу каналов, а мощность потока ионов Na⁺ в каждый момент деполяризации зависит от количества активных каналов в данный момент. Вместе с начавшейся реполяризацией и в зависимости от степени восстановления мембранного потенциала возможность открытия отдельных каналов снижается, количество одновременно активных каналов также уменьшается, а поток натрия постепенно снижается. Считается, что ионы Ca²⁺ участвуют в механизмах активации потенциалзависимых каналов Na⁺, так как уменьшение содержания внеклеточного кальция снижает порог открытия канала, в то время как повышение содержания кальция стабилизирует канал.

В отсутствие интегрального белка, играющего роль канала, пассивный трансмембранный транспорт осуществляется путем включения транспортируемого иона в гидрофильную полость подвижной мембранной структуры, внешняя поверхность которой липофильна. Эта структура, называемая транспортером, соединяясь с транспортируемым веществом на одной поверхности мембраны, может диффундировать на противоположную поверхность, где это вещество высвобождается.

Существуют вещества, называемые ионофорами, которые, действуя на уровне естественных либо искусственных мембран, могут увеличивать до 10.000 раз их проницаемость для определенных видов ионов. К ионофорам относятся некоторые антибиотики (ионофоры K⁺ и Na⁺). Из клеточных мембран выделен и эндогенный ионофор АХ347, специфичный ионам кальция.

Активный трансмембранный транспорт веществ осуществляется с потреблением метаболической энергии против электрохимического градиента. Активный транспорт осуществляется ионными насосами, которые способствуют трансмембранному переносу некоторых ионов и молекул: Н⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, аминокислот, углеводов и др. Самыми изученными являются Na⁺ - K⁺ и Ca²⁺ насосы.

Первичный активный трансмембранный транспорт Na⁺, K⁺ и Ca²⁺ осуществляется специальными ферментами – ионными насосами (например, K⁺, Na⁺ - АТФ-аза цитоплазматической мембраны, Ca²⁺ - АТФ-аза мембраны эндоплазматического ретикулума либо саркоплазматического ретикулума кардиомиоцитов), которые гидролизуют АТФ и таким образом получают энергию, необходимую для транспорта. Транспортные АТФ-азы образуют различные конформации Е₁ и Е₂ с различным сродством к Na⁺ и K⁺. Так, конформация Е₁ K⁺, Na⁺ - АТФ-азы обладает повышенным сродством к Na⁺ и присоединяет внутри клетки 3 иона натрия, после чего пространственно поворачивается, перенося Na⁺ кнаружи. Вместе с переориентацией фермент изменяет конформацию на Е₂, теряя сродство к Na⁺ и высвобождая его во внеклеточное пространство; в то же время возрастает сродство конформации Е₂ к K⁺, расположенному внеклеточно. Это ведет к присоединению 2 ионов K⁺ из внеклеточного пространства, что ведет к преобразованию конформации обратно в Е₁ и переориентации фермента внутриклеточно одновременно с потерей сродства к K⁺, который и высвобождается внутрь клетки. Далее процесс повторяется, функционируя постоянно и, таким образом, создавая градиент внутри - внеклеточной концентрации Na⁺ и K⁺. Так как обмен ионов происходит в отношении 3 Na⁺ на 2 K⁺, внутриклеточно образуется дефицит ионов Na и положительных зарядов – электрогенное действие ионного насоса, котрое ведет к образованию разности потенциалов с обеих сторон мембраны. Действие K⁺ - Na⁺ насоса обеспечивает градиент концентрации этих ионов в клетке и интерстиции, который для Na⁺ составляет 1:20, а для K⁺ - 4:1. Насос специфически блокируется сердечными гликозидами (особенно строфантином G) и неспецифически – уменьшением энергогенеза, например разобщением окислительного фосфорилирования и уменьшением синтеза АТФ.

Ca²⁺ - АТФ-аза действует сходным образом, путем последовательного изменения сродства к Ca²⁺, «закачивая» внутриклеточный кальций в эндо- (сарко-) плазматический ретикулум, создавая таким образом высокий градиент Ca²⁺ в гиалоплазме по сравнению с концентрацией этого иона во внеклеточном пространстве и в эндо- (сарко-) плазматическом ретикулуме, равный 1:10.000.

Вследствие деструкции цитоплазматической мембраны повреждаются все механизмы активного транспорта веществ. Следствием нарушения активного транспорта веществ является исчезновение градиентов концентрации электролитов (Na, K, Ca, Cl) между интерстицием и цитоплазмой и цитоплазмой и внутриклеточными структурами – митохондриями и эндоплазматическим ретикулумом. Соответственно исчезает и мембранный потенциал.

3. Устранение градиента калия

В клетке нормальное соотношение внутри- и внеклеточного калия равно 4:1, что, наряду с другими электролитами, создает электрический градиент и потенциал покоя у возбудимых клеток. Градиент концентрации калия также необходим для функционирования митохондрий. Уравнивание вне- и внутриклеточной концентраций калия устраняет потенциал покоя клетки (деполяризация) и делает невозможным возбуждение клетки (деполяризационное торможение). Благодаря увеличению внеклеточной концентрации ионов калия, уменьшается мембранный потенциал соседних клеток, увеличивается их возбудимость, что может служить фактором спонтанного запуска потенциала действия. Это явление можно наблюдать при инфаркте миокарда, когда повышение концентрации калия в очаге некроза способствует появлению фибрилляций сердца.

С другой стороны, калий, вышедший из клеток, проникает во внутреннюю среду организма, включая кровь (гиперкалиемия), что похожим образом влияет на другие возбудимые клетки, отдаленные от очага первичного повреждения (нейроны, кардиомиоциты). Рост концентрации ионов калия в крови в результате его высвобождения из клеток может наблюдаться при механической травме, аллергических и гипоксических состояниях, в случае назначения высоких доз сердечных гликозидов, что проявляется изменениями электрокардиограммы и электроэнцефалограммы.

4. Устранение градиента натрия

В клетке нормальное соотношение внутри- и внеклеточного натрия равно 1:20, что, наряду с градиентом калия и других электролитов, создает электрический градиент и потенциалы покоя и действия у возбудимых клеток. Градиент K⁺ и Na⁺ поддерживается благодаря функционированию потенциалзависимых каналов K⁺ и Na⁺, а также селективного насоса - K⁺, Na⁺ - АТФ-азы. Так как цитоплазматическая мембрана непроницаема для макромолекулярных веществ, внутриклеточная концентрация белков больше, чем во внеклеточном пространстве, что создает градиент концентрации белков, а также избыток внутриклеточного онкотического давления. В этих условиях изоосмолярность гиалоплазмы поддерживается посредством пониженной концентрации натрия в клетке. Таким образом, онко-осмотическое равновесие поддерживается путем вывода натрия из клетки, уменьшения его внутриклеточной концентрации и соответственного роста внеклеточной концентрации ионов натрия. Устранение градиента концентрации натрия при деструкции мембраны влечет за собой проникновение этого элемента внутрь клетки, что увеличивает внутриклеточное осмотическое давление, создавая осмо-онкотический градиент, который инициирует проникновение воды внутрь клетки путем осмоса, набухание клетки, цитолиз.

5. Устранение потенциала покоя

Благодаря разности концентраций ионов во вне- и внутриклеточном пространствах, на цитоплазматической мембране возбудимых клеток создается разность потенциалов, равная приблизительно –70 мВ. В случае прекращения функционирования мембранных ионных насосов возрастает проницаемость мембраны для ионов и уравнивается их внутри- и внеклеточная концентрация. Следствием этого является уменьшение мембранного потенциала, деполяризация мембраны, невозможность восстановления мембранного потенциала и, в итоге, деполяризационное торможение клетки.

6. Уменьшение электрического сопротивления цитоплазматической мембраны

Цитоплазматическая мембрана и мембрана клеточных органелл представляет собой диэлектрик, который может противостоять разности потенциалов до 200 мВ (потенциал пробоя), который превышает физиологический потенциал этих структур (75 мВ для цитоплазматической мембраны и 175 мВ для митохондриальной мембраны). Таким образом, в обычных условиях, собственный электрический потенциал не может пробить мембрану, так как сила поверхностного натяжения и вязкость цитоплазматической мембраны превышают электрический потенциал, а повреждения, образующиеся броуновским движением в липидном бислое, легко закрываются. Уменьшение электрического сопротивления цитоплазматической мембраны (напр., при деградации мембранных липидов фосфолипазой, мембранных белков протеиназами) ведет к снижению порога электрического пробоя. Когда порог пробоя снижен ниже критического уровня, собственный электрический потенциал клетки превосходит силу поверхностного натяжения и вязкость цитоплазматической мембраны, а образующиеся броуновским движением в липидном бислое повреждения не только не могут быть закрыты, но имеют тенденцию к увеличению вплоть до полного разрушения мембраны. Таким образом собственный мембранный потенциал разрывает и разрушает мембрану (электрический пробой, «electrical break-down»).

7. Устранение градиента кальция

В норме концентрация ионов Ca²⁺ в гиалоплазме равна приблизительно 10^–7 ммоль/л, а во внеклеточном пространстве – 10^–3 ммоль/л, таким образом, соотношение концентраций равно 1:10.000. То же соотношение поддерживается между гиалоплазмой и эндоплазматическим (саркоплазматическим) ретикулумом, а также между гиалоплазмой и митохондриями.

Ионы кальция проникают в клетки как путем диффузии, так и через мембранные кальциевые каналы, которые открываются в ответ на изменение мембранного потенциала (напр., при возбуждении клетки) либо вследствие взаимодействия гормонов со специфическими рецепторами мембраны. Постоянное выведение кальция из гиалоплазмы клеток и поддержание нормального градиента концентрации осуществляется кальциевыми насосами (Ca²⁺ - АТФ-аза) клеточной мембраны и эндоплазматического (саркоплазматического) ретикулума, а также системой накопления ионов Ca²⁺ в митохондриях.

При уменьшении синтеза АТФ в клетках ингибируется активность Ca²⁺ - АТФ-азы, уменьшается скорость выведения кальция из гиалоплазмы, что способствует накоплению ионов кальция до концентрации, равной 10^–5 ммоль/л. Появляются изменения в клеточном цитоскелете, активируются сократительные структуры (актин и миозин), активируются ферментные системы клетки (АТФ-азы, фосфолипазы, протеазы, эндонуклеазы), повреждаются внутриклеточные мембраны и нарушаются метаболические процессы на уровне клетки.

8. Активация внутриклеточных ферментов

Общим эффектом увеличения концентрации кальция внутри клетки является активация внутриклеточных ферментов: АТФ-аз, протеаз, эндонуклеаз и фосфолипаз.

Активация клеточных АТФ-аз ведет к снижению запасов АТФ, что, наряду с первичным снижением процессов образования энергии, усугубляет энергодефицит.

Активация внутриклеточных протеаз ведет к запуску процессов аутолиза клетки – деградации собственных протеинов с дезинтеграцией самой клетки.

Активация эндонуклеаз ведет к деградации нуклеопротеидов (ДНК, РНК) и запуску процесса апоптоза.

Активация клеточных фосфолипаз (фосфолипаза А) ведет к деградации фосфолипидов из состава цитоплазматической мембраны, к образованию незакрываемых дефектов мембраны, что снижает как механическую, так и электрическую резистентность, нарушает барьерную функцию и увеличивает неизбирательную проницаемость. Этот эффект сходен с действием первопричины – повреждением цитоплазматической мембраны патогенным фактором – таким образом замыкается порочный круг. Одновременно с этим деградация фосфолипидов из состава цитоплазматической мембраны уменьшает электрическое сопротивление и ведет к электрическому разрыву мембраны.

9. Нарушение функционирования механизма трансмембранного обмена ионов Na⁺ и Н⁺. Клеточный ацидоз

Клеточные повреждения сопровождаются внутриклеточным ацидозом с уменьшением внутриклеточного рН ниже 6,0. В патогенезе ацидоза участвуют следующие механизмы:

а) повышенный приток ионов водорода в клетку из внеклеточного пространства, обусловленный первичным дисгомеостазом кислотно-основного баланса в организме;

б) избыточное образование кислых промежуточных продуктов обмена непосредственно в клетке ввиду усиления процесса гликолиза, нарушения цикла Кребса, гидролиза мембранных фосфолипидов, интенсивной деградации адениловых нуклеотидов; в)истощение и недостаточность буферных систем, вследствие чего становится невозможным ограничение роста концентрации ионов водорода;

г) недостаточность механизмов выведения ионов водорода из клетки.

Увеличение концентрации водородных ионов внутри клетки запускает цепь патологических изменений: нарушение функции белков вследствие изменения конформации их молекулы, активация гидролитических лизосомальных ферментов, увеличение проницаемости клеточных мембран как результат нарушения структуры мембранных липидов.

10. Внутриклеточная гиперосмолярность

Нормальная клеточная изоосмолярность – равенство осмотического давления внутри клетки и в интерстиции обеспечивается оптимальным балансом концентрации белков и электролитов с обеих сторон. Изоосмолярность поддерживает постоянный объем клетки и клеточных органелл. В нормальном сосотоянии в клетках содержится большее количество белка по сравнению с внеклеточной средой. Это создает осмо-онкотический градиент, что могло бы привести к увеличению объема клетки. Благодаря действию Na⁺, K⁺ - АТФ-азы, ионы натрия удаляются из клетки, что уменьшает внутриклеточное осмотическое давление и поддерживает изоосмолярность и постоянный объем клетки.

При повреждении мембраны и K⁺, Na⁺ - АТФ-азы (напр., при отравлении солями тяжелых металлов), при нарушении процессов энергогенеза в случае гипоксии, при отравлениях оксидом углерода избыток ионов натрия не удаляется из цитоплазмы и, таким образом, в клетке создается гиперосмолярность. Это, в свою очередь, способствует проникновению воды в клетку путем осмоса, что ведет к набуханию клетки, увеличению ее в объеме, росту механического давления внутри клетки и даже разрыву цитоплазматической мембраны. Схожие процессы имеют место и на уровне клеточных органелл.

11. Усиление анаэробных катаболических процессов, в особенности гликолитических, является универсальной реакцией клетки на дефицит энергии. Этот механизм изначально имеет компенсаторное значение для поврежденной клетки, так как направлен на восполнение дефицита энергии. Впоследствии интенсивный катаболизм ведет к накоплению внутри клетки промежуточных метаболических продуктов, напр., лактата, накоплению ионов водорода и декомпенсированному клеточному ацидозу со снижением рН ниже предела, совместимого с жизнью клетки.

Таким образом, все повреждения клеточной мембраны в итоге ведут к нарушению основных функций клетки и смерти последней.

Последствиями повреждений клеточной мембраны являются дистрофии, некробиоз и некроз, воспаление, атрофия, склерозирование.