Повреждение клеток при недостатке кислорода

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.

При отсутствии кислорода митохондрии погибают находясь не только в живых клетках, но и в изолированном состоянии. 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. 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.

Объяснение наблюдаемых явлений приведено на рис. 7, где дано схематическое изображение митохондрий. При отсутствии ионов кальция и кислорода (рис. 7, а) митохондрии могут некоторое время существовать не повреждаясь. Введение кислорода (при наличии субстратов окисления) приводит к энергизации (см. рис. 7, 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. 7, в) митохондрии повреждаются (см. также рис. 7, д, е). Но если наряду с кальцием в среде есть кислород (рис. 7, г), ионы кальция "заглатываются" митохондриями и, находясь внутри, уже не оказывают повреждающего действия.

На рис. 7, д, е объясняется причина повреждающего действия внемитохондриального кальция.

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

Здесь R1 и R2 - углеводородные цепи жирных кислот.

Одна из особенностей фосфолипазы А2, содержащейся во внутренней мембране митохондрий, состоит в том, что этот фермент активируется ионами кальция, находящимися снаружи, а не внутри митохондрий (см. рис. 7, д).

Гидролиз фосфолипидов фосфолипазой дает начало событиям, которые приводят к серьезным повреждениям мембран митохондрий. Поврежденные митохондрии (см. рис. 7, 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.

Однако расщепление фосфолипидов фосфолипазой является обратимым процессом. 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:

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