Структура и функции биологических мембран в норме и при патологии.
Согласно клеточной теории все клетки гомологичны по своему строению и основными структурными компонентами клетки являются ядро, цитоплазма и мембрана. Любой патологический процесс начинает развиваться на молекулярно-генетическом, субклеточном и клеточном уровне. Понять механизмы патологических процессов можно только в том случае, если мы знаем ультраструктуры и функции клеточных компонентов, прежде всего в норме, а затем уже при нарушении.
В строении клетки огромную роль играют биологические мембраны, и в настоящее время проблема клеточных мембран является доминирующей. Биологические мембраны тонки (6-10 нм) и замкнутые сами на себя. Основные химические компоненты - это липиды - 40%, белки-60%, и 2-10% углеводов. Некоторые мембранные белки лишь частично погружены в мембрану, тогда как другие пронизывают ее. Структурной основой мембран служит бимолекулярный липидный слой. Холестерин занимает особое место среди мембранных липидов. Он способен встраиваться в фосфолипидный бислой клеточной мембраны и уплотнять ее. Мембрана становится более вязкой и менее проницаемой для многих веществ (глюкозы, ионов, воды и др.). Содержание холестерина в клеточных мембранах зависит от общего обмена холестерина в организме и подвержено сильному влиянию пищевого рациона.
По месту локализации мембранные белки делятся на: периферические - расположенные на поверхности липидного слоя; интегральные - расположенные в толще липидов; тоннельные - пронизывающие липидный слой.
В зависимости от функциональной активности классифицируются на рецепторные белки, белки-ферменты, структурные белки.
Структурные белки усиливают прочность липидного каркаса. Белки-ферменты катализируют химические реакции. Белки-рецепторы присутствуют как в мембранах клеток органов чувств, так и в мембранах любых клеток, обеспечивая их взаимодействие с окружающей средой, а также информацией между органоидами внутри отдельной клетки. К рецепторам относятся антитела, способные связывать специфический антиген и вызывать иммунный ответ клетки, в плазмолемме которой сосредоточены. Рецепторную функцию выполняют гликопротеиды.
К основным функциям биологических мембран относятся: механическая - заключается в поддержании целостности и автономности клетки и внутриклеточных органоидов; барьерная - заключается в свойстве полупроницаемости мембран. К барьерной функции так же относится разделение цитоплазмы на компартменты, где могут происходить взаимоисключающие химические реакции (принцип компартментализации). Поэтому в клетке пространственно разобщены и изолированы друг от друга биохимические процессы, совместное течение которых невозможно. Например, синтез жирных кислот идет в цитоплазме, а окисление - в митохондриях, синтез белка- на рибосомах, а расщепление — в лизосомах.
Транспортная функция - это перенос различных веществ по обе стороны мембраны. Это обеспечивает поддержание в клетке соответствующего рН. Существует 4 основных механизма транспорта веществ через биологические мембраны: диффузия, осмос, активный транспорт и экзо- или эндоцитоз. Различают пассивный и активный транспорт веществ.
Пассивный транспорт идет в направлении действия концентрационного, электрического, осмотического и фильтрационного (гидростатического) градиентов, без затраты энергии. Транспорт по градиенту концентрации, осуществляется, когда низкомолекулярные вещества диффундируют в клетку в направлении большей концентрации в меньшую. К нему относятся диффузия и осмос. Диффундируют через мембраны газы (например, кислород, СО2), а также ионы и малые полярные молекулы.
Модификацией этого механизма является облегченная диффузия - это транспорт вещества с помощью специфических молекул-переносчиков через особые каналы. Примером такого перемещения служит поступление глюкозы в эритроциты.
Активный транспорт - связан с потреблением энергии - перенос вещества через мембрану против градиента концентрации. Он направлен в сторону более низкого электрохимического потенциала и необходим для накопления в клетках веществ и выведения их из клеток. «Ионные насосы» - системы активного транспорта Na+, К+, Са2+, Н+ (натрий-калиевая, кальциевая, протонная помпы).
Для большинства клеток концентрация ионов Nа+ внутри клетки значительно ниже (в 8 раз), чем в окружающей среде, а ионов К+ наоборот ( в 20 раз) выше. Это необходимо для жизнедеятельности клетки. Распад одной фосфорной связи АТФ обеспечивает энергией перенос двух ионов калия внутрь и трех ионов натрия наружу. Работает натрий-калиевая насос, по типу перистальтики, как передвижение пищевого комка по кишечнику.
Поступление веществ в клетку и из нее возможно еще с помощью экзо - и эндоцитоза. Примером экзоцитоза может служить транспорт веществ из клеток желез внешней и внутренней секреции. Эндоцитоз особенно развит у простейших, но существует и в клетках высших животных. Посредством эндоцитоза в клетки поступают пептидные гормоны, в том числе инсулин, липопротеиды крови, некоторые иммуноглобулины и др.
Плазматическая мембрана или плазмолемма - это поверхностная периферическая структура, называемая наружной клеточной мембраной. Она, в первую очередь, ограничивает клетку снаружи, обуславливает ее непосредственную связь с внеклеточной средой. Она имеет толщину 10 нм и представляет собой самую толстую из клеточных мембран.
В световом микроскопе она не различима. Большая толщина обусловлена тем, что на ее внутренней стороне локализован довольно плотный слой периферических белков, а на наружной - слой углеводных компонентов. Эти углеводы входят в состав гликокаликса - полисахаридного слоя на наружной поверхности плазматической мембраны. Гликокаликс представляет собой совокупность молекул, связанных с белками мембраны.
Плазматическая мембрана практически всех клеток постоянно обновляется. Функции плазмалеммы: ограничение внутренней среды клетки; сохранение формы клетки; защита от повреждений и разнообразных воздействий извне; транспорт различных веществ как внутрь клетки, так и из нее; участвует в процессах внеклеточного расщепления биополимеров; участвует в передаче сигналов внутрь клетки; принимает участие в межклеточных взаимодействиях у многоклеточных организмов; играет важную роль при делении клетки.
Нормальное функционирование клетки зависит от многих причин: состояния окружающей клетку среды (гомеостаза), своевременности и достаточности поступления в клетку питательных веществ, кислорода, глюкозы, аминокислот, уровня содержания продуктов метаболизма, особенно, СО2.
Главное условие в гомеостазе клетки – нормальная проницаемость цитомембраны. Мембрана поддерживает внутренний химический состав клетки посредством избирательной проницаемости и транспортировки. Воздействие тех или иных внутренних и внешних факторов приводит на начальном этапе к повреждению элементарных структур клетки и нарушению их функций, в дальнейшем возможно развитие, как патологии отдельной клетки, так и клеточных коопераций. Причинами повреждения цитоплазматической мембраны являются:
- образование свободных радикалов в результате воздействия на клетки ионизирующего излучения, химических ядов, оксигенотерапии, острого воспаления и т. д. Основное действие свободных радикалов заключается в перекисном окислении липидов клеточной и митохондриальной мембран, инактивации ферментов, разрыве нитей ДНК.
- другой причиной является лизис мембраны ферментами и вирусами. Например, панкреатические липазы могут способствовать развитию обширного некроза цитомембран клеток поджелудочной железы.
Результатами повреждения цитоплазматической мембраны являются потеря структурной целостности, нарушение барьерной функции, что может привести к избыточному поступлению воды в клетку – вакуольной дистрофии, нарушение мембранною транспорта, нарушение синтеза и обмена мембран.
Наиболее изученной моделью изменения мембранной проницаемости является повреждение тяжелыми металлами (ртуть, уран). Они резко увеличивают проницаемость мембран для натрия, калия, хлора, кальция, магния, что приводит к быстрому набуханию клеток, распаду их цитоскелета. С уменьшением количества ионов кальция во внеклеточной жидкости возможно утолщение клеточной мембраны. При этом изменяется проницаемость для ионов натрия и калия.
Клеточная мембрана, являясь динамичном структурой, образует систему цитоплазматических мембран, - ЭПС, связующих все структуры в единый комплекс. Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или, эндоплазматический ретикулум (ЭР), представляет собой единый непрерывный компартмент, ограниченный мембраной, образующей множество инвагинаций и складок. На мембранах ЭПС совершаются многообразные первичные синтезы веществ, необходимых для жизнедеятельности клетки. Первичными их можно условно назвать потому, что молекулы этих веществ будут подвергаться дальнейшим химическим превращениям в других компартментах клетки.
Большинство веществ синтезируется на наружной поверхности мембран ЭПС. Затем эти вещества переносятся через мембрану внутрь компартмента и там транспортируются к местам дальнейших биохимических превращений, в частности, к комплексу Гольджи. Для этого на концах трубочек ЭПС образуются и затем отделяются от них транспортные пузырьки. Каждый пузырек окружен, таким образом, мембраной и перемещается в гиалоплазме к месту назначения. Как всегда, в транспорте принимают участие микротрубочки. Эндоплазматичсский ретикулум в цитоплазме образует многочисленные сплетения из каналов. Он участвует в формировании ядерной мембраны и аппарата Гольджи.
Различают два типа ЭПС: гранулярную (зернистую, шероховатую) и агрануллярную (гладкую). Обе они представляют собой единою структуру. Наружная, обращенная к гиалоплазме, строна мембраны гранулярной ЭПС покрыта рибосомами. Здесь осуществляется синтез белков. Поверхность гладкой ЭПС лишена рибосом и на ее мембранах синтезируются углеводы и липиды, среди них - гликоген, холестерин и стероидные гормоны. Гладкая ЭПС принимает участие также в выведении ионов хлора в клетках эпителия желез желудка. Будучи депо ионов кальция, гладкая эндоплазматическая сеть участвует в сокращении кардиомиоцитов и волокон скелетной мышечной ткани. Выявлена роль гладкой ЭПС в детоксикации гепатоцитами веществ, которые поступают из полости кишки по воротной вене в печеночные капилляры.
Она так же имеет отношение к метаболизму гликогена. В условиях патологии можно наблюдать два вида морфологических изменений - гиперплазию и атрофию эндоплазматического ретикулума. Гиперплазия ЭР связана с воздействием экотоксинов - ДДТ, диметилнитрозамина, фосфора, а так же с вирусной инфекцией. Атрофия ЭР, то есть уменьшение его размеров, сопровождается снижением белково-синтетических функций клетки (при голодании, болезнях печени, старении). Описанное под названием «дегрануляция шероховатого ЭР» уменьшение числа рибосом, связанных с ЭР, и общего числа рибосом часто наблюдается в гепатоцитах при интоксикации этионином, четыреххлористым углеродом и пиромицином. Эти изменения обратимы и свидетельствуют о снижении белкового синтеза. Наконец, необходимо помнить, что ЭР также является пристанищем для некоторых вирусов, в частности ретровирусов.
Таким образом нарушение структуры и функции биологических мембран и ЭПС как ее производной приводит к возникновению развитию патологических состояний обратимого и необратимого характера. Важно отметить, что самые ранние, начальные стадии патологического процесса, проявляющиеся только на уровне ультраструктур клеток могут быть компенсированы.