Клеточные основы устойчивости физиологических функций Министерство образования Российской Федерации Ростовский государственный университет
advertisement
Министерство образования Российской Федерации Ростовский государственный университет В.Н. ДУМБАЙ Клеточные основы устойчивости физиологических функций (конспект лекции) Ростов-на-Дону 2001 г. Печатается по решению редакционной комиссии по биологическим наукам РГУ Автор: профессор кафедры физиологии человека и животных В. Н. Думбай Рецензент - доцент А.А. Синичкин Для студентов дневного, вечернего и заочного отделений биологопочвенного факультета 2 Термин «гомеостаз» был предложен У. Кенноном в 1929 году для обозначения относительного динамического постоянства внутренней среды и устойчивости основных физиологических функций. В основе такого постоянства лежат свойства живых клеток возвращаться к исходному состоянию после сдвигов в них в результате каких-либо возмущающих воздействий. Подобными свойствами обладают организованные структуры – органы, системы Взаимодействие целостной отдельных системы координаций, механизмов, организма, направленных более сложно и организм в целом. определяющих осуществляется на и путем установление устойчивость сложнейших оптимального физиологического состояния. В процессе жизнедеятельности имеют место непрерывные колебания физиологических показателей в оптимальных пределах, и это позволяет говорить об относительном динамическом постоянстве в условиях колебания параметров как внутренней, так и внешней среды. История изучения устойчивости физиологических функций берет начало с работ К. Бернара (1878г.), который считал, что основная цель всех жизненный процессов – поддержание постоянства внутренней среды. За почти столетнюю историю развития учения о гомеостазе накоплен огромный материал о структуре и свойствах отдельных клеток и их органоидов, органах, тканях взаимодействия. и системах, Значительная механизмах роль в их функционирования обеспечении и устойчивости физиологических функций принадлежит механизмам, регулирующим состав и свойства микросреды органов и тканей. Речь идет о барьерной функции, которой обладают биологические мембраны. Живые клетки находятся в состоянии постоянного обмена веществами с межклеточной средой, которая, в свою очередь, отделена от крови стенкой капилляров. Следовательно, можно говорить о двух внутренних средах организма. Одна из них это внутренняя среда каждого органа, другая – общая внутренняя среда 3 организма – кровь и лимфа. По своему составу и свойствам эти две среды различны и это различие обуславливается одним из важнейших свойств барьеров – мембран – проницаемостью. 1. Проницаемость биологических мембран Биологические мембраны – это поверхностные структуры клеток, состоящие из двух молекулярных слоев, разграничивающих наружную и внутреннюю (цитоплазма) среду клетки. Кроме того, биологические мембраны организуют внутриклеточную систему канальцев, складок и других органоидов клетки, имеющих мембранную структуру. Жидкостно-мозаичная модель мембранной структуры (По Марри и др., 1993) Основой мембраны является липидный бислой; с ним связаны белки, либо погруженные в бислой, либо присоединенные к цитоплазматической поверхности. Интегральные мембранные белки жестко закреплены в липидном бислое. Некоторые из этих белков пронизывают бислой и называются трансмембранными, другие погружены либо в наружный, либо во внутренний слой. Белки, слабо связанные с внутренней поверхностью мембраны, называются периферическими. Многие белки и липиды несут олигосахаридные цепочки, выступающие во внешнюю среду. Рис. 1 4 Мембрану, ограничивающую цитоплазму клетки снаружи, называют цитоплазматической или плазмолеммой. Внутриклеточные мембраны формируют субклеточные структуры и обозначаются в соответствии с названиями образуемых ими структур (митохондриальные, ядерные, лизосомные мембраны, мембраны комплекса Гольджи, эндоплазматического и саркоплазматического ретикулюма и т.д.). Функции биологических мембран весьма разнообразны – формирование клеточных структур, участие в процессе генерации нервного импульса, поддержание клеточного гомеостаза, всасывание, газообмен, тканевое дыхание и т.д. В состав мембран входят липиды, белки и углеводы (Рис. 1.). Содержание липидов в различных мембранах широко колеблется - от 25 % до 75 % по массе. Важнейшей характеристикой липидов является амфифильность, т.е. проявление одновременно гидрофильных и гидрофобных свойств. Белковая составляющая мембран – это разнообразные белки с молекулярным весом от 25000 до 230000. В связи с разной степенью гидрофобности, молекулы белков либо частично погружены в слой липидов, либо полностью, т.е. пронизывают последние насквозь. В плазматической мембране насчитывается до ста различных белков: транспортные белки, ферменты, структурообразующие белки, белки-рецепторы для определенных молекул. Каждая мембрана характеризуется своим набором белков и, следовательно, своими особыми свойствами, в том числе и иммунными. Углеводы в мембране составляют около 10 % массы, они представлены гликопротеидами и гликолипидами. Толщина биологических мембран около 10 нм. Мембранные компоненты – белки и липиды обладают свойством подвижности в пределах мембраны. Так, некоторые белковые молекулы обладают способностью к вращательному и латеральному движению, обнаружена их вертикальная подвижность. Этими свойствами обладают не 5 все мембранные белки. Часто они формируют малоподвижные плотноупакованные и строго ориентированные системы. Подвижностью обладают и липиды. Таким образом, клеточная мембрана обладает свойством структурной мозаичности, функциональная. Кроме следствием того, чего мембраны является мозаичность обладают свойством трансмембранной асимметрии, причем эта асимметричность, как правило, более или менее локальна. Это связано с особенностями локализации углеводов, белков и фосфолипидов на наружной и внутренней поверхности мембраны. Одна из основных функций клеточной мембраны – перенос веществ внутрь клетки и из клетки в межклеточную среду. Перенос вещества и информации через мембраны (По Марри и др., 1993) КБ – канальный белок; БП – белок-переносчик; Э - энергия Многие мелкие незаряженные молекулы свободно проходят через липидный бислой. Заряженные молекулы, крупные незаряженные молекулы и некоторые мелкие незараженные молекулы проходят через мембраны по каналам или порам, либо с помощью специфических белков-переносчиков. Пассивный транспорт всегда направлен по электрохимическому градиенту в сторону установления равновесия. Активный же транспорт осуществляется против электрохимического градиента и требует энергетических затрат. Рис. 2. 6 Различают пассивную проницаемость и активный транспорт веществ (Рис. 2). Кроме того, имеются особые механизмы клеточной проницаемости для макромолекул пиноцитоз и фагоцитоз. Пассивная проницаемость обеспечивается за счет разных видов диффузии молекул через мембраны – посредством растворения веществ в липидах, диффузия через поры, образуемые заряженными группами липидов и белков, а также через незаряженные поры мембран. Описаны также особые виды так называемой облегченной и обменной диффузии. В этом случае перенос веществ обеспечивается за счет работы переносчиков – белков и липидов, связывающих переносимое вещество и транспортирующих его через мембрану. Пассивный перенос осуществляется по концентрационному градиенту, т.е. из среды с большей концентрацией в менее насыщенную данным элементом среду. Важнейшую роль при этом играет соответствие размеров молекулы переносимого вещества размерам мембранных пор и их селективность, т.е. избирательность к различным молекулам. В мембранах обнаружены специальные каналы для гидратированных ионов натрия, калия и кальция. Они состоят из белков и выстланы отрицательно заряженными группами. Работа этих каналов регулируется нейромедиаторами. Кроме того, один ион может регулировать проницаемость канала для другого иона, что очень важно в процессах генерации потенциала действия в нервных клетках. Кроме того, уровень проницаемости связан с состоянием пор – они могут быть открыты или закрыты (заперты), что регулируется собственными механизмами клетки. В открытом состоянии поры имеют диаметр 0,5 – 0,8 нм, таким образом, молекулы, имеющие размеры сопоставимые с их диаметром свободно проходят через мембрану. Важным фактором, обеспечивающим скорость переноса, является так же заряд вещества и его растворимость в липидах и воде. Таким образом, пассивные потоки веществ через мембрану направлены на выравнивание концентрации этих веществ по обе стороны мембраны, т.е. приведение системы в равновесие. 7 Активный транспорт веществ – это процесс их переноса через мембрану против концентрационного градиента, поддерживающий стационарные условия функционирования клетки. Затрачиваемая на это энергия весьма значительна и может достигать в организме 30 – 35 % всей энергии, выделяемой в процессе метаболизма. В клеточных мембранах имеются молекулярные системы – насосы, обеспечивающие активный транспорт. В мембранах мышечных, нервных клеток, в эритроцитах, почечных клетках обнаружены ферменты, активно участвующие в переносе ионов (Na+, K+ называемые зависимые АТФ-азы). Эти ферменты включены натрий-калиевые насосы, обеспечивающие в так движение соответствующих ионов против градиента их концентрации, т.е. выведение из клетки ионов натрия и закачивания внутрь ее ионов калия. Описаны также и транспортные АТФ-азы, транспортирующие ионы кальция и водорода. Поскольку процессы пассивного и активного транспорта через мембрану протекают одновременно и параллельно, несомненно, их взаимовлияние. Это проявляется, в частности, в изменении свойств мембраны – регуляция открытия и закрытия пор, изменение электрохимических свойств мембраны, трансформация липопротеиновых связей в мембране и т.д. Показана существенная роль в этом факторов, стабилизирующих состояние мембран (антиокислителей): токоферола, витамина K, убихинона и др. 2. Барьерные функции В 1929 г. на XIII Международном физиологическом конгрессе в Бостоне (США) наша соотечественница академик Л. С. Штерн в своем докладе привела материалы исследований, основным выводом которых было обоснование наличия между сосудистым руслом (капилляры), межклеточной средой и клетками специальных приспособлений, 8 названных ею гистогематическими барьерами (ГГБ). Особенность таких барьеров является их селективность – т.е. способность пропускать одни вещества и задерживать другие. Поскольку кровь не соприкасается с клетками органов, каждый орган имеет свою микросреду. К гистогематическим барьерам относятся все известные барьерные образования между кровью и органами. К ним относятся также гемато-ликворный, гемато-лимфатический, гемато- плевральный, гемато-синовиальный, отражающие названия разделяемых сред организма. Хорошо изучены гемато-энцефалический (между кровью и нервной системой), гемато-офтальмический (между кровью и водянистой влагой глаза), гемато-лабиринтный (кровь – эндолимфа) барьеры. Описаны барьеры между кровью и эндокринными железами. Схема строения гисто-гематических барьеров (по «Физиология гисто-гематических барьеров», 1977) ЭН – эндотелий; БМ – базальная мембрана; П – перицит; ОВ – основное вещество соединительной ткани; Г – гистиоцит; Ф – фибробласт; ПКС – перикапиллярный слой; К – просвет капилляра Рис. 3 9 Гисто-гематические барьеры, названные выше, представляют собой комплекс, состоящий из цитоплазматических мембран рабочих клеток органа, капиллярной стенки и соединительной ткани, окружающей капилляр (рис. 3). В различных органах барьеры построены по одному плану с учетом специфики строения органа. В частности, в структуру гемато- энцелалического барьера включают глиальные клетки, а в плацентарный барьер – симпластотрофобласты. Основным элементом ГГБ, по мнению Г.Н. Кассиля, являются капиллярные стенки. Стенку капилляра образуют эндотелиальные клетки. Это уплощенные образования с неправильными контурами. В области ядра толщина клетки 3 – 5 мкм, на периферии – 0,1 – 0,3 мкм. Контактируя друг с другом, клетки эндотелия формируют щели разного размера и сложности размером от 20 до 1000 нм. Капилляры разных органов различаются по устройству щелевых контактов. В периферической части клеток обнаружены участки истончения, получившие название окошек (фенестр). Диаметр фенестр 50 - 70 нм, толщина истонченных участков – 2 8 нм. В цитоплазме эндотелиальных клеток описан так называемый везикулярный аппарат. Везикулы занимают значительную часть объема цитоплазмы (до 18%). Путем различных экспериментов показано, что транспорт веществ через эндотелиальный пласт капиллярной стенки возможен как через межклеточные щели, так и сквозь образования самих клеток – фенестры и везикулярный аппарат. С последним связывают механизмы пиноцитоза. Эндотелиальный пласт – это внутренний слой гистогематического барьера, непосредственно соприкасающийся с протекающей через капилляр кровью. Более поверхностно лежит базальная мембрана. Она состоит из тонких (3 – 10 нм) соединительнотканных волокон белково- мукополисахаридного и липопротеидного состава. Эти волокна погружены в аморфный матрикс. Капилляры разных органов отличаются по организации базальной мембраны. Толщина ее колеблется в пределах от 20 до 180 нм не 10 только в капиллярах разного типа, но и в пределах одного органа. В зависимости от характера базальной мембраны выделяется четыре группы капилляров /Шалахов, 1971/. Первая группа – капилляры со сплошным фибриллярным слоем толщиной 40 – 80 нм. Вторая группа – капилляры с аналогичным строением толщиной – 90 –150 нм. Третья группа капилляров характеризуется разрыхленным, пористым фибриллярным слоем. И, наконец, выделяется группа капилляров, вообще лишенных базальной мембраны. В базальной мембране выделяют 2 – 3 слоя, по-разному окрашиваемые осмием: осмофобный (наружный) и осмофильный (внутренний). Обязательным компонентом базальной мембраны являются перициты – клетки лежащие в дупликатуре мембраны. Отростки перицитов охватывают эндотелиальную трубку капилляра, формируя каркас и укрепляя капиллярную стенку. Этим не ограничиваются функции перицитов. Разные авторы отмечают их роль в продукции промежуточного вещества базальной мембраны, барьерную функцию (фагоцитоз), роль в обмене метаболитами между эндотелием и внеклеточным пространством и др. Соединительнотканный компонент гистогематических барьеров – это внешняя оболочка капилляров, состоящая из клеточных и неклеточных элементов. К первым относятся тучные клетки, макрофаги, фибробласты. Их функции разнообразны: фагоцитоз. Продукция промежуточного вещества, защитных белков и биологически активных соединений. К неклеточным элементам относятся эластические и коллагеновые волокна и бесструктурная часть промежуточного вещества, непосредственно контактирующая с рабочими клетками органа. Следует еще раз отметить, что в различных органах имеет место специфика в организации гистогематических барьеров, отражающая специфику его структуры и функции. 11 3. Гемато-энцефалический барьер Нормальная работа мозга невозможна без устойчивого функционирования гемато-энцефалического барьера (ГЭБ). Здесь наиболее ярко проявляются две основные функции барьера – защитная и регулирующая. Особенностью ГЭБ является наличие и участие в реализации функции ГЭБ цереброспинальной жидкости. Эта особенность строения центральной нервной системы (наличие центрального канала, субарахноидального пространства и желудочков мозга) позволила М. Бредбери /1979/ выделить гемато-церебральный (между кровью и нервными клетками) и гемато-ликворный (между кровью и ликвором) барьеры. Эта точка зрения разделяется не всеми хотя бы потому, что роль ликвора до сих пор остается не ясной /Г.Н.Кассиль/. Поэтому большая часть исследователей склонна не разделять ГЭБ на составляющие, хотя, несомненно, позиция М. Бредбери заслуживает внимания. Организация ГЭБ имеет свои особенности, определяющие уникальность морфологии центральной нервной системы. Это заключается во - первых в особенностях строения нейронов – наличие разветвленного дендритного аппарата, во вторых, в деталях строения капилляров и в третьих – наличие глиальных клеток, занимающих существенную долю в общем объеме мозговой ткани. В частности, клетки эндотелия мозговых капилляров лишены фенестр, поры выражены слабо, перициты единичны. Капилляры полностью или частично окружены отростками глиальных клеток, формирующих глиальную оболочку капилляра. Межклеточное пространство нервной ткани составляет по данным разных авторов 5 – 15 % объема мозга in vivo. М. Бредбери /1979/ приводит следующие сведения – объем межклеточного пространства в мозге млекопитающих составляет 18 мл/100г для серого вещества и около 13мл/100г белого. Кроме того, многие авторы 12 отрицают способность эндотелиальных клеток мозговых капилляров к пиноцитозу. Изучение защитной функции ГЭБ идет в направлении оценки проницаемости различных веществ из крови в ткань мозга и цереброспинальную жидкость. На первых этапах работ использовалось вещество (тринановый синий) /Л.С. Штерн/, дающее окраску при химических реакциях (феффоцианид натрия – полуторохлористое железо, розанид натрия – полуторохлористое железо, розанистый аммоний и др.). Проницаемость этих веществ определяли путем получения окрашенных соединений в цереброспинальной жидкости через разные промежутки времени после их введения в кровеносное русло. В дальнейшем, арсенал веществ, применяемых для оценки защитной функции ГЭБ, существенно расширился, и, к настоящему времени не поддается точной оценке. Во всех случаях для этой цели используются вещества, не свойственные данному организму – различные фармакологические препараты, антибиотики, питательные вещества, различные не биогенные химические соединения и др. Оказалось, что важнейшим параметром, определяющим проницаемость не электролитов через ГЭБ, является их коэффициент жирорастворимости. Вещества, хорошо растворимые в жирах, легко проникают через барьер, и скорость проникновения зависит скорее от скорости кровотока, чем от проницаемости ГЭБ. Напротив, слаборастворимые в жирах вещества или вещества, обладающие высокой полярностью и малой молекулярной массой, могут пересекать барьеры через водные каналы, т.е. их проникновение через барьеры имеет другой механизм. 3.1.Проницаемость ГЭБ для различных веществ 3.1.1 Углеводы Известная роль сахаров в обеспечении деятельности нервных клеток как основного источника их энергии обусловила настойчивый интерес 13 исследователей к проблеме транспорта через ГЭБ различных моносахаридов, и, в первую очередь, глюкозы. Выявлено, что ГЭБ, во-первых, довольно «прозрачен» для сахаров, при этом различные сахара характеризуются различными показателями проницаемости. В частности, L-ксилоза, сахароза, D-арабиноза практически вообще не проникают через барьер, слабо проникают через него D-фруктоза и D-рибоза. Глюкоза транспортируется через ГЭБ двумя путями – за счет простой диффузии и с использованием переносчиков. Как и для некоторых других веществ, проницаемость глюкозы связана с уровнем кровотока. Найдена практически прямая линейная зависимость между скоростью тока крови в капиллярах и показателем поглощения глюкозы /В.Бетс и др., 1973/. Переносчик глюкозы локализован в эндотелиальной мембране и его природа еще не определена. В отношении влияния инсулина на транспорт глюкозы имеются противоречивые сведения – от полного отсутствия такого влияния до указаний на то, что введение инсулина в кровь приводит к увеличению поглощения мозгом глюкозы на 15 - 20 % . 3.1.2. Аминокислоты Транспорт аминокислот через ГЭБ осуществляется несколькими системами переносчиков. В частности, серин, аланин, пролин, глицин, по данным Олдендорфа и Сабо /1976/, переносятся одной системой, а аспарагиновая и глютаминовая кислоты другой. Обнаружена более высокая проницаемость незаменимых аминокислот по сравнению с другими (Рис.4). Лишь тирозин является исключением из этого правила. Скорость транспорта обусловлена и изомерией – большей проницаемостью обладают L-изомеры по сравнению с D-изомерами. Существует устойчивое мнение о конкурентности L- и D- конфигураций. Как правило, L-изомеры ингибируют поглощение D-изомеров, т.е. обладают преимуществом в транспорте. Обмен 14 аминокислотами между кровью и мозгом весьма интенсивен, поэтому их концентрации в мозге и плазме практически одинаковы. Исходя из того, что концентрация аминокислот в спинномозговой жидкости всегда несколько ниже, чем в плазме, сделано предположение о накоплении аминокислот в нервных клетках. Проницаемость для различных аминокислот (по М. Бредбери, 1983) Аминокислоты расположены в нисходящем порядке в соответствии с величиной их поглощения головным мозгом. Видно, что за исключением тирозина головной мозг сильнее поглощает незаменимые аминокислоты, чем заменимые. Рис. 4 Предполагается, что в системе ГЭБ имеются специальные системы, для переноса из крови в мозг предшественников нуклеиновых кислот, холина (необходимого для продукции ацетилхолина), монокарбоновых и других органических кислот. 15 3.1.1. Вода Обмен водой между интерстициальным и внутриклеточным пространствами происходит беспрепятственно и непрерывно. При этом в условиях нормального состояния организма поддерживается изотоничность между жидкостями мозга и плазмой крови. В классических экспериментах Джаннет еще в начале 40-х годов 20 века показано, что при искусственной гипонатриемии, вызываемой перитонеальным диализом, объем жидкостей быстро восстанавливается, возвращаясь к нормальным показателям. В последующем многими исследователями в экспериментах с введением гиперили гипотонических растворов в кровеносное русло была подтверждена высокая лабильность водного обмена в мозгу. Для головного и спинного мозга увеличение объема ткани (за счет воды, в частности) чревато катастрофическими последствиями – отеком и сдавлением, поэтому здесь механизмы регуляции водного обмена имеют некоторые отличия по сравнению с другими органами. Одно из них – накопление и потеря осмотически активных веществ мозгом в зависимости от недостатка или увеличения количества воды. Другими словами, мозг имеет собственные механизмы регуляции своего объема, препятствующие набуханию и сморщиванию нервных клеток. В механизме такого регулирования существенную роль играют ионы натрия и калия. 3.1.4. Нейромедиаторы Гематоэнцефалический барьер практически непроницаем для катехоламинов – адреналина, норадреналина и дофамина. Находящиеся в крови катехоламины это продукт деятельности хромафинных клеток мозгового слоя надпочечников. Обнаруживаемый же в нервных клетках адреналин синтезируется в самих нейронах из 16 своего предшественника тирозина, который, как указывалось, легко проникает через ГЭБ. Почти единственное известное исключение – нейроны гипоталамуса, что подтверждается опытами с меченым тритием адреналином. Через гематоэнцефалический барьер плохо проникает и серотонин, однако его предшественник – 5-окситоцин легко его преодолевает. Относительно ацетилхолина имеются два пути его проникновения в структуры мозга. Один из них – проникновение через ГЭБ, а другой, более эффективный, - синтез в нейронах из легко преодолевающих барьер прекурсоров – холина и уксусной кислоты /Росин A. Я., 1977/. Менее изучен вопрос относительно проницаемости ГЭБ для серотонина. Имеются сведения о том, что серотонин весьма слабо преодолевает барьер. Практически непреодолим барьер для гамма- аминомасляной кислоты (ГАМК), играющей роль тормозного медиатора. Литература 1. Физиология гисто-гематических барьеров. Руководство по физиологии - М.:Наука, 1977.- 575 с. 2. Марри Д. и др. Биохимия человека. М.: Мир, 1993.- Т.2.- 415 с. 3. Бредбери М. Концепция гемато-энцефалического барьера. М.: Медицина, 1983.- 593 с. 17
