Биологические мембраны и незапрограммированная смерть клетки

БИОЛОГИЯ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ И НЕЗАПРОГРАММИРОВАННАЯ СМЕРТЬ КЛЕТКИ Ю. А. ВЛАДИМИРОВ Российский государственный медицинский университет, Москва

ВВЕДЕНИЕ

BIOLOGICAL MEMBRANES AND NON-PROGRAMMED CELL DEATH Yu. A. VLADIMIROV

© Владимиров Ю.А., 2000

Non-programmed cell death (necrosis) occurs, most frequently, as a result of the lack of oxygen or excessive production of free radicals. In both cases the membrane lipid layer damage occurs. A hypothesis may be put forward, according to which the decrease of the membrane’s electric stability gives rise to the electrical “self-breakdown” of membranes by the potentials, which is created by the membranes themselves.

2

Незапрограммированная гибель клеток (некроз) связана с недостатком кислорода или избыточным образованием свободных радикалов. В обоих случаях происходит повреждение липидного слоя биологических мембран. Высказана гипотеза, что снижение электрической прочности мембран приводит к их электрическому пробою при возникновении разности потенциалов, которую эти мембраны сами и создают.

www.issep.rssi.ru

В последнее время большое внимание привлекает проблема апоптоза – генетически запрограммированной смерти клеток. Кто из биологов не поразится еще раз красоте и стройности мироздания? Даже смерть запрограммирована и обусловлена законами природы. Апоптозу противопоставляют некроз – гибель клетки от случайных причин, так сказать от плохой жизни. По контрасту с изящной стройностью системы апоптоза некроз представляется хаосом и мерзостью, и все еще трудно разобраться в том, существуют ли какие-то законы, управляющие этой незапрограммированной смертью. Мы увидим, что нормальные клетки, которые используют все шансы в борьбе за жизнь, все же погибают, и есть суровые, но определенные причины, приводящие к их гибели. Знание этих причин позволяет бороться за жизнь клеток. ГЛАВНЫЕ ВРАГИ – НЕДОСТАТОК КИСЛОРОДА И ИЗБЫТОК РАДИКАЛОВ Древнейшие организмы были анаэробами, но когда возник фотосинтез, а на Земле появился кислород, то он оказался токсичным, и живые существа вынуждены были приспосабливаться к этим условиям. С той поры, вероятно, сохранились ферменты, защищающие от образования токсичных кислородсодержащих радикалов, такие, как каталаза, супероксиддисмутазы и пероксидазы. Современные организмы активно используют кислород для запасания энергии, в основном в форме аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая, в свою очередь, тратит энергию на все нужды клетки. В организме человека самая распространенная причина гибели клетки – это недостаток кислорода в окружающей ее среде, то есть в ткани (тканевая гипоксия), который, в свою очередь, может быть вызван недостатком содержания кислорода во вдыхаемом воздухе, плохой циркуляцией крови или чрезмерным потреблением кислорода самой тканью при перегрузке.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , ТО М 6 , № 9 , 2 0 0 0

а

Что в начале В эксперименте на лабораторных животных недостаток кислорода в органе можно вызвать, если прекратить приток крови (ишемия) или изолировать орган и поместить его во влажную камеру, заполненную азотом или аргоном. Затем из органа выделяют различные компоненты клеток, например митохондрии или цитоплазматические мембраны, и изучают работу внутриклеточных систем, активность ферментов. Уже в 60-е годы XX века подобные опыты позволили сделать вывод, что одними из первых в клетках повреждаются митохондрии. Они начинают слабее окислять субстраты за счет потребления молекулярного кислорода и, главное, теряют способность синтезировать АТФ. И то и другое в конечном счете связано с увеличением проницаемости мембран митохондрий для ионов и потерей разности потенциалов на митохондриальной мембране, создание которой – необходимое условие для синтеза АТФ из АДФ и ортофосфата. Значительное повреждение митохондрий наблюдается уже через 30 мин гипоксии печени, для мозга это время еще короче. Через 1 час в клетках печени погибает большинство митохондрий, и восстановить жизнедеятельность такой ткани уже невозможно. Отчего гибнут митохондрии При отсутствии кислорода митохондрии погибают находясь не только в живых клетках, но и в изолированном состоянии (рис. 1). Если выделить митохондрии из печени или почек крысы и поместить их в подходящий раствор, они будут дышать (потреблять кислород и окислять субстраты окисления) и синтезировать АТФ. Кроме того, митохондрии обладают способностью захватывать ионы кальция и фосфата из окружающего раствора и накапливать их внутри себя. Все эти проявления жизнедеятельности постепенно угасают, если подержать митохондрии в среде, не содержащей кислород, но не во всякой. Оказалось, что митохондрии повреждаются, только если в среде было небольшое количество ионов кальция и при этом отсутствовал кислород (верхняя кривая на рис. 1, б ). В присутствии кислорода митохондрии не повреждаются при инкубации независимо от того, содержится небольшое количество ионов кальция или нет. При отсутствии кислорода митохондрии также не повреждаются, если в окружающем их растворе нет ионов кальция (рис. 1, б, в). Объяснение наблюдаемых явлений приведено на рис. 2, где дано схематическое изображение митохон-

б

в

Степень повреждения

ПОВРЕЖДЕНИЕ КЛЕТОК ПРИ НЕДОСТАТКЕ КИСЛОРОДА

Дыхательный контроль

БИОЛОГИЯ % 100 –О2

90 80 70 60

0

%

1 Время аноксии, ч

2

В присутствии Ca2+

100

–О2

50

+О2

0 0 100

5

10

15

Без Ca2+

50

–О2

0

+О2

0

20

5 10 15 20 Время инкубации, мин

Рис. 1. Повреждение митохондрий при анаэробной и аэробной инкубации печени (а) и изолированных митохондрий (б, в) при отсутствии кислорода (−О2) и в аэробных условиях (+О2). а – степень повреждения оценивали по так называемой величине дыхательного контроля (отношение скорости потребления кислорода в состоянии окислительного фосфорилирования к этой скорости при отсутствии АДФ). Дыхательный контроль интактных митохондрий (RC ) обычно имеет величину 3–4 и по мере повреждения мембран митохондрий снижается вплоть до единицы. б – степень повреждения в данном случае рассчитывали по выражению [(RC0 / RCt − 1] ⋅ 100%, где RC0 и RCt – дыхательный контроль митохондрий до инкубации и через t мин инкубации в аэробных (+O2) или анаэробных условиях (− O2)

дрий. При отсутствии ионов кальция и кислорода (рис. 2, а) митохондрии могут некоторое время существовать не повреждаясь. Введение кислорода (при наличии субстратов окисления) приводит к энергизации (см. рис. 2, б ), основным проявлением которой служит появление разности потенциалов на внутренней мембране (знак минус внутри). В присутствии ионов кальция и при отсутствии кислорода в среде (см. рис. 2, в) митохондрии повреждаются (см. также рис. 2, д, е). Но если наряду с кальцием в среде есть кислород (рис. 2, г), ионы кальция “заглатываются” митохондриями и, находясь внутри, уже не оказывают повреждающего действия. На рис. 2, д, е объясняется причина повреждающего действия внемитохондриального кальция. Дело в том, что внутренние мембраны митохондрий содержат

В Л А Д И М И Р О В Ю . А . Б И О Л О Г И Ч Е С К И Е М Е М Б РА Н Ы И Н Е З А П Р О Г РА М М И Р О В А Н Н А Я С М Е Р Т Ь К Л Е Т К И

3

БИОЛОГИЯ а

–Са2+ – O2

б

–Са2+ + O2

в

+Са2+ – O2

г

+Са2+ + O2

е

+Са2+ + O2

в том, что этот фермент активируется ионами кальция, находящимися снаружи, а не внутри митохондрий (см. рис. 2, д ). Гидролиз фосфолипидов фосфолипазой дает начало событиям, которые приводят к серьезным повреждениям мембран митохондрий. Поврежденные митохондрии (см. рис. 2, е), хотя и потребляют кислород, не могут удержать мембранный потенциал и поэтому не удерживают внутри ионы кальция и неспособны к синтезу АТФ; они погибли, и клетка, содержащая такие митохондрии, уже нежизнеспособна. Основное доказательство решающей роли активации фосфолипазы в повреждении митохондрий заключается в том, что повреждение митохондрий в анаэробных условиях всегда изменяется одновременно со степенью расщепления фосфолипидов фосфолипазой, которую можно оценить, измеряя количество высвободившейся при этом свободной жирной кислоты. Угнетение фосфолипазы может быть вызвано удалением ионов кальция с помощью связывающих эти ионы веществ, путем угнетения активности фермента ионами меди или таким местным анестетиком, как новокаин. Во всех этих опытах между степенью гидролиза фосфолипидов и повреждения митохондрий наблюдается четкая корреляция. Обратимо ли расщепление фосфолипидов фосфолипазой? В опытах на изолированных митохондриях можно залечить поврежденные мембраны, добавив к митохондриям АТФ. При этом происходят ресинтез фосфолипидов, залечивание мембран митохондрий и восстановление способности митохондрий к функционированию. Это можно пояснить следующей схемой:

Са2+ д

+Са2+ – O2

Фосфолипаза А2 Рис. 2. Повреждение митохондрий при отсутствии кислорода

фермент фосфолипазу А2 , который расщепляет фосфолипиды мембран и делает мембраны проницаемыми для ионов. Напомним читателю, что фосфолипаза А2 расщепляет сложноэфирную связь в молекуле фосфолипида, при этом образуются свободная жирная кислота (СЖК) и лизофосфолипид (ЛФ), например лизофосфатидилхолин при гидролизе фосфатидилхолина (лецитина):

CH2 CH

CH2

O

O

O

X

C OC O R1

+ H2O

R2

Фосфатидилхолин

Фосфолипаза A2

CH2 CH

CH2

O

O

O

X

C O OH

R2 COO−

R1

СЖК

Лизоформа

Здесь R1 и R2 – углеводородные цепи жирных кислот. Одна из особенностей фосфолипазы А2 , содержащейся во внутренней мембране митохондрий, состоит

4

Повреждение митохондрий Ca2+ + фосфолипаза А2 активная фосфолипаза; Фосфолипид (+ фосфолипаза) лизофосфолипид + жирная кислота повреждение мембран. Восстановление функций митохондрий Лизофосфолипид + жирная кислота + АТФ фосфолипид + АДФ + ортофосфат восстановление барьерных свойств мембран и функций митохондрий. Использует ли живая клетка способность митохондрий к излечиванию при наличии АТФ? Некоторые указания на это имеются. В опытах с изолированными органами часто наблюдается такая картина: через 30 мин инкубации органа в анаэробных условиях изолированные митохондрии теряют способность к синтезу АТФ и накоплению ионов кальция, а через 60 мин эта способность временно восстанавливается. Этого “самопроизвольного” восстановления никогда не удается наблюдать в изолированных митохондриях. Возможно, в

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , ТО М 6 , № 9 , 2 0 0 0

БИОЛОГИЯ целых клетках поврежденные митохондрии могут восстанавливаться за счет АТФ, синтезируемого соседними, еще не поврежденными органеллами. Однако необходимы дальнейшие исследования.

а

г К+

ФН

НАБУХАНИЕ МИТОХОНДРИЙ – СЛЕДСТВИЕ ИЛИ ПРИЧИНА ИХ ПОВРЕЖДЕНИЯ? Одно из наиболее постоянных проявлений повреждения клеток при самых разных повреждающих воздействиях, включая недостаток кислорода, – это увеличение объема митохондрий, которое называют их набуханием. Причина набухания митохондрий после повреждения ее мембраны собственной фосфолипазой А2 сейчас хорошо известна. В результате частичного расщепления фосфолипидов, формирующих липидный слой мембран митохондрий, в нем появляются дефекты (небольшие поры в мембране), через которые в митохондрию могут проникать катионы из окружающего раствора. При этом на ранней стадии действия фосфолипазы через образующиеся поры могут проходить преимущественно только катионы (в первую очередь ионы K+). Дальнейшие события пояснены на рис. 3. В нормальных (интактных, или неповрежденных) митохондриях в присутствии кислорода и субстратов происходит энергизация, то есть появление разности электрических потенциалов и разности рН по сторонам внутренней мембраны (рис. 3, а). Это связано с тем, что перенос электронов по дыхательной цепи митохондрий сопряжен с переносом протонов из матрикса митохондрий наружу (рис. 3, б ). В митохондриях, поврежденных в результате действия собственной фосфолипазы А2 (рис. 3, в), внутренняя мембрана становится проницаемой для катионов, которые начинают накапливаться в матриксе, движимые электрическим полем. Одновременно происходит накопление фосфата (в результате разности рН). Увеличение осмотического давления в результате накопления катионов и фосфата приводит к входу воды внутрь митохондрий и их набуханию (рис. 3, г). Набухание может привести к разрыву наружной мембраны митохондрий и выходу части внутренней мембраны из образовавшейся трещины (рис. 3, д ). Последующее растяжение внутренней мембраны приводит к дальнейшему увеличению ее проницаемости и окончательной потере способности митохондрий синтезировать АТФ и накапливать ионы кальция. Таким образом, осмотическое растяжение мембран митохондрий, связанное с набуханием органелл, может быть как следствием, так и причиной повреждения мембран митохондрий.

H2O б

в 2е- 2H+ O2

∆pH

д 2е- 2H+ O2

К+ ФН

Рис. 3. Набухание митохондрий, поврежденных собственной фосфолипазой А2

ПОРОЧНЫЙ КРУГ В ПАТОЛОГИИ КЛЕТКИ Характерная особенность развития патологических процессов в организме человека – это существование порочных кругов, то есть ситуаций, когда одно нарушение влечет за собой другое, которое, в свою очередь, усиливает первое, и т.д. С такой же ситуацией мы сталкиваемся в случае повреждения клетки при недостатке кислорода. Это можно проиллюстрировать такой схемой Токсические вещества

Перекисное окисление липидов

Тканевая гипоксия

Повреждение мембранных структур клетки Активация мембранных фосфолипаз

Снижение уровня АТФ Увеличение содержания Ca2+ в цитоплазме Усиленная активация рецепторов

При недостатке кислорода клетка начинает испытывать недостаток энергии (АТФ) и может попасть в порочный круг. Первое следствие энергетического голода – выключение насосов, выкачивающих из клетки ионы кальция и натрия, и как результат – увеличение содержания ионов кальция в клеточном соке. Это приводит к активации мембранных фосфолипаз, что сопровождается ростом ионной проницаемости мембран митохондрий и может привести (в частности, с участием

В Л А Д И М И Р О В Ю . А . Б И О Л О Г И Ч Е С К И Е М Е М Б РА Н Ы И Н Е З А П Р О Г РА М М И Р О В А Н Н А Я С М Е Р Т Ь К Л Е Т К И

5

БИОЛОГИЯ механизма набухания) к полной потере их барьерных свойств. Это означает, что митохондрии будут вырабатывать меньше энергии в форме АТФ (или не вырабатывать ее вообще) и далее по кругу. Если клетка не сможет из него выйти, она обречена. Войти в порочный круг клетка может, как и человек, многими способами. Один из них – чрезмерное увеличение концентрации кальция в клетке, которое может быть связано, например, с длительным и интенсивным воздействием на клеточные рецепторы таких медиаторов, как адреналин. Недаром для предупреждения повреждения клеток сердечной мышцы при стрессах применяют лекарственные препараты-адреноблокаторы. Многие токсины и вещества, усиливающие свободнорадикальное окисление липидов, также повреждают мембранные структуры, что может привести к нарушению процесса синтеза АТФ в митохондриях и/или входу кальция в клетку из окружающей среды или внутриклеточных депо. ПЕРЕКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ – ЕЩЕ ОДНА ПРИЧИНА ПОВРЕЖДЕНИЯ МЕМБРАН Как уже говорилось, избыток кислорода тоже не подарок для клеток нашего организма. Одно из его последствий – образование свободных радикалов, повреждающих клеточные структуры, не в последнюю очередь мембранные структуры клетки. Впрочем, увеличенное образование свободных радикалов в организме и связанное с этим усиление процессов пероксидации липидов (которое иногда называют оксидативным стрессом) могут происходить не только из-за избытка кислорода, но и большого числа иных причин. Так или иначе, оксидативный стресс сопровождается нарушениями в свойствах биологических мембран и функционировании клеток. Наиболее изучены три прямых следствия перекисного окисления липидов. Первый результат – перекисное окисление липидов сопровождается окислением тиоловых (сульфгидрильных) групп мембранных белков. Так, например, связанное с перекисным окислением липидов окисление белков и образование белковых агрегатов в хрусталике глаза заканчиваются его помутнением. Этот процесс играет важную роль в развитии старческой и других видов катаракты у человека. Окисление тиоловых групп приводит к появлению дефектов в мембранах клеток и митохондрий. Под действием разности электрических потенциалов на мембранах через такие поры в клетки входят ионы натрия, а в митохондрии – ионы калия. В результате происходят увеличение осмотического давления внутри клеток и митохондрий и их набухание. Это приводит к еще большему поврежде-

6

нию мембран. Значительную роль в патологии клетки играет также инактивация ион-транспортных ферментов, например Ca2+-АТФаз, в активный центр которых входят тиоловые группы. Инактивация Ca2+-АТФазы приводит к замедлению «откачивания» ионов кальция из клетки и одновременно к ускорению входа кальция в клетку. Это сопровождается увеличением внутриклеточной концентрации ионов кальция и повреждением клетки. Второй результат перекисного окисления липидов связан с тем, что продукты такого окисления обладают способностью непосредственно увеличивать ионную проницаемость липидного слоя. Так, показано, что продукты перекисного окисления липидов делают липидную фазу мембран проницаемой для ионов водорода и кальция. Это приводит к тому, что митохондрии теряют способность к синтезу АТФ и клетка оказывается в условиях энергетического голода. Одновременно в цитоплазму выходят ионы кальция, которые повреждают клеточные структуры. Третий (и быть может, самый важный) результат перекисного окисления липидов – это уменьшение стабильности липидного слоя, что может привести к электрическому пробою мембраны под действием разности потенциалов, которую сама мембрана и создает. ЧЕТЫРЕ ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ БАРЬЕРНЫХ СВОЙСТВ МЕМБРАН В ПАТОЛОГИИ В опытах с изолированными митохондриями мы встретились с тремя причинами потери мембранами свойств непроницаемого барьера для ионов: 1) действие фосфолипаз, 2) растяжение мембран под действием осмотического давления, 3) перекисное окисление липидов мембран. В опытах с искусственными липидными мембранами было показано, что помимо этого причиной резкого повышения проницаемости мембран для ионов может быть адсорбция на поверхности липидного слоя поликатионов или полианионов, к которым принадлежат некоторые антибиотики, полипептиды и белки. Таким образом, изучение воздействия разного рода повреждающих агентов на изолированные клетки (например, эритроциты), митохондрии, фосфолипидные везикулы (липосомы), плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) и другие модельные объекты показало, что в конечном счете существуют четыре основных процесса, которые непосредственно обусловливают нарушение барьерных свойств липидного слоя мембран (а следовательно, и мембран в целом)в патологии: • перекисное окисление липидов, • действие мембранных фосфолипаз,

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , ТО М 6 , № 9 , 2 0 0 0

БИОЛОГИЯ • механическое (осмотическое) растяжение мембраны, • адсорбция поликатионов или полианионов. Возникает вопрос, действуют ли все эти агенты каждый по-своему или же в конечном итоге они нарушают барьерные свойства мембран каким-то единым способом. Сейчас можно сказать, что имеются данные, говорящие в пользу второго предположения. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОБОЙ МЕМБРАН КАК УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ НАРУШЕНИЯ ИХ БАРЬЕРНЫХ СВОЙСТВ 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 I = U / R. 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 бислое вследствие

Потенциал пробоя БЛМ U*, мВ

УФ

Фосфолипаза А2

90

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 (рис. 4). 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 ∆P

Поликатион (пептид)

∆P

60

30

0

10

20

0

10

20 0 Время, мин

10

20

0

10

20

Рис. 4. Снижение электрической прочности искусственных фосфолипидных мембран при действии четырех основных повреждающих факторов

В Л А Д И М И Р О В Ю . А . Б И О Л О Г И Ч Е С К И Е М Е М Б РА Н Ы И Н Е З А П Р О Г РА М М И Р О В А Н Н А Я С М Е Р Т Ь К Л Е Т К И

7

БИОЛОГИЯ 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. 1 приведены значения потенциалов пробоя некоторых мембран, а также величины электрических потенциалов на мембранах клеток и митохондрий. Из табл. 1 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 (см. табл. 1). 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 уменьше-

нию 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 (см. рис. 4). 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. 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

Таблица 1. Электрические потенциалы (в мВ) на мембранах клеток и потенциалы пробоя модельных и биологических мембран Объект

Разность потенциалов на мембране в клетках

Потенциал пробоя (по данным автора и сотрудников)

Липидный бислой – Клеточная мембрана 70 (нервные и мышечные клетки) Внутренняя мембрана митохондрий 175 (митохондрии печени в присутствии субстратов и кислорода)

8

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , ТО М 6 , № 9 , 2 0 0 0

130–170 (БЛМ) 90–100 (эритроциты) 200

БИОЛОГИЯ 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.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Чизмаджев Ю.А. Биоэлектрохимия: из прошлого в будущее // Соросовский Образовательный Журнал. 2000. Т. 6, № 3. С. 23–27. 2. Антонов В.Ф. Липидные поры: стабильность и проницаемость мембран // Там же. 1998. №10. С. 10–17. 3. Пучкова Т.В., Путвинский А.В., Владимиров Ю.А. Снижение электрической прочности как основной механизм нарушения барьерной функции биомембран // Докл. АН СССР. 1983. Т. 270, № 6. С. 1489–1492. 4. Брагин Е.О., Дергунов А.Д. и др. Роль фосфолипазы А2 в аноксическом повреждении энергозависимых функций митохондрий // Вопр. мед. химии. 1977. Т. 23, № 5. С. 673–677. 5. Владимиров Ю.А., Парнев О.М., Черемисина З.П. Электрическая прочность мембран митохондрий // Биол. мембраны. 1984. Т. 1, № 4. С. 428–434.

Рецензент статьи А.Н. Тихонов *** Юрий Андреевич Владимиров, доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой биофизики Российского государственного медицинского университета и кафедрой физико-химических основ медицины МГУ, руководитель отдела биофизики Института физикохимической медицины МЗ РФ, академик РАМН, лауреат Государственной премии СССР. Автор 400 научных работ, включая 11 монографий и учебников.

В Л А Д И М И Р О В Ю . А . Б И О Л О Г И Ч Е С К И Е М Е М Б РА Н Ы И Н Е З А П Р О Г РА М М И Р О В А Н Н А Я С М Е Р Т Ь К Л Е Т К И

9