Structural and metabolic characteristics of cells and their functional capabilities

Full Text

Регуляция жизнедеятельности любой клетки осуществляется в основном за счет состояния структурных субъединиц мембраны, их взаимодействия и взаимного расположения. В результате структурных перестроек могут изменяться практически все функции биомембран, органелл и клетки в целом: активность мембраносвязанных ферментов, проницаемость и транспорт ионов и субстратов, активность генома, размножение. Биомембраны обладают сложной гетерогенной структурной организацией, которая обусловлена разноообразием компонентов, основными среди которых являются белки и полярные липиды. Большая часть липидов клеточных мембран приходится на фосфолипиды (от 39 до 61,1% в разных типах клеток); вторая по объему - на холестерин (13,6-21,2%); оставшиеся 20-25% занимают нейтральные липиды и гликолипиды [1, 2]. Фосфолипиды (ФЛ) относятся к сложным, или комплексным, липидам, в составе которых имеются азотистые основания, спирты (глицерин, инозит, сфин- гозин), жирные кислоты (ЖК), углеводы, фосфорная или серная кислота. В эту группу входят глицерофос- фолипиды и сфинголипиды. Глицерофосфолипиды представлены фосфатидными кислотами, фосфати- дилхолинами, фосфатидилэтанолами, фосфатиди- линозитидами и другими соединениями, исходным субстратом для которых служит глицерофосфорная кислота. Сфинголипиды представлены сфингомиели- ном и гликосфинголипидами: цереброзиды, сульфаты, ганглиозиды, церамидполигексозиды [1, 3]. Липиды располагаются в мембране ассиметрич- но, но этот признак не является абсолютным, за исключением гликолипидов, для которых он обязателен, - данная фракция, участвующая в образовании рецепторов, всегда находится на наружной стороне клеточной мембраны. Следует, отметить, что по мере необходимости, молекулы той или иной фракции липидов могут достаточно быстро переходить из своего слоя в противоположный. Так, например, фосфатидилхолин в мембранах эритроцитов может переместиться с наружного на внутренний слой (явление, носящее название «флип-флоп») за 8 часов [1, 3]. Для мембранных структур фосфолипиды (ФЛ) являются основным динамическим компонентом, поддерживающим оптимальное структурнофункциональное состояние путем сбалансированных реакций распада и синтеза, обмена между субклеточными образованиями [1-3]. Считается, что постоянство качественного и количественного состава ФЛ в мембранах клеток человека имеют генетическую основу. Поддержание постоянства мембранных ФЛ происходит за счет достаточно интенсивного обмена в образуемых ими структурах, когда разрушенные молекулы замещаются идентичными. Продукты деградации ФЛ - свободные жирные кислоты (СЖК) и глицерол- 3-фосфат - либо снова используются в процессах биосинтеза в клетке, либо удаляются из нее путем экзоцитоза. Фосфолипиды являются функционально активными соединениями для многих мембранно-связанных липидзависимых и липидсодержащих ферментных систем. Будучи предшественниками многих биологически активных веществ (простагландин, простациклин, инозитолтрифосфат), они могут модулировать активность мембранных белков, прежде всего, ферментов. Для многих ферментов определяющее значение имеет не столько жидкостность липидного окружения, обусловленая присутствием холестерина (ХОЛ) и его соотношением с ФЛ, сколько наличием специфических форм последних. Одни ферменты требуют присутствия определенного фосфолипида, то есть обладают абсолютной специфичностью, другие характеризуются частичной специфичностью и активируются или ингибируются группой ФЛ. Например, на активность Na-, K-АТФ-аз значительное влияние оказывает наличие фосфатидилсерина или других отрицательно заряженных ФЛ; на активность моноаминоксидазы митохондрий также влияют отрицательно заряженные фосфатидилсерин и фосфатидилинозитол; активность глюкозо-6-фосфотазы определяется фосфа- тидилэтаноламином; пируватдегидрогеназы - фос- фатидилсерином; цитохрома Р-450 - фосфатидил- холином; активность ферментов дыхательной цепи зависит от оптимального соотношения в клеточных структурах фосфатидилэтаноламина и фосфатидил- холина, насыщенности ЖК мембранных липидов; активность аденилатциклазы (основного фермента, регулирующего уровень цАМФ и активацию клеток) снижается при изменении соотношения ХОЛ/ ФЛ, что обусловлено текучестью мембран, отражаемым этим соотношением [1, 3]. Установлено, что содержание ФЛ в клетках связано с функциональным состоянием и возрастом последних: концентрация этих форм липидов более высока в молодых, растущих тканях. Фосфолипидный состав биомембран в значительной степени подвержен регуляторным влияниям организма. Например, при стрессорных воздействиях избыток катехоламинов вызывает активацию перекисного окисления липидов (ПОЛ), которое изменяет или повреждает липидный слой. Фосфолипиды играют важную роль в активации ряда клеточных ферментов и в реакции клеток- мишеней на гормональную стимуляцию; они, участвуя в образовании ацетилхолина и в транспорте ионов через клеточные и субклеточные мембраны, обеспечивают проведение нервного импульса. Явление десенситизации (снижение чувствительности к медиаторам, например, катехоламинам) связывают с изменением липидного микроокружения адренорецепторов при повторных стрессорных воздействиях. Фосфолипиды могут использоваться клеткой и как источник энергии при недостатке кислорода и в других экстремальных ситуациях [4]. Учитывая большую энергетическую емкость ФЛ, Х. Мисель- саар с соавторами доказал возможность существования динамичного равновесия в системе ФЛ-АТФ. Так называемые простые липиды состоят из спирта (чаще глицерина или ХОЛ) и ЖК; это ацилглицерины (или нейтральные жиры), представляющие собой глицериновые эфиры, желчные кислоты, воска. Основную массу нейтральных жиров в организме составляют триглицериды или триацилглицерины (ТАГ). Холестерин является не только предшественником желчных кислот, стероидных гормонов надпочечников, яичников, семенников и плаценты, но и принимает самое активное участие в формировании мембран: до 90% его содержания в организме приходится на клеточные структуры. Присутствие холестерина определяет электрический потенциал, текучесть, проницаемость и другие биофизические параметры мембран [2]. Участие холестерина в построении клеточных структур обусловлено его способностью легко взаимодействовать с липидами, образуя комплексы. Входя в состав клеточных мембран, холестерин обеспечивает необходимую стабильность структурам, предохраняя их от действия ферментов. Модулирующее влияние холестерина на проницаемость, вязкость, мембранный потенциал обусловлено его способностью изменять угол наклона углеводородных цепей к плоскости мембраны, вследствие чего меняется площадь, занимаемая молекулами липидов, и мембрана уплотняется. Увеличение уровня стероида влияет на функциональное состояние клеток через изменение вязкости мембран и снижение их реакционной способности и активности клеточных рецепторов. Воздействие содержания холестерина в биомембранах на функциональное состояние клеток проявляется в изменении активности многих клеточных ферментов. Свободные жирные кислоты. (СЖК) и ТАГ в значительной степени используются как энергетические субстраты; существует тесная связь взаимопревращений этих двух групп липидов в организме. источниками СЖК являются ТАГ жировых депо, откуда ЖК высвобождаются при последовательном гидролизе липазами, а также ФЛ клеточных мембран, в процессе непрерывного обновления которых и образуются СЖК. Освободившиеся при гидролизе ЖК с числом атомов более 10 вновь синтезируются в ТАГ в эпителиальных клетках. Большая часть глицерина триглицеридов образуется из глюкозы или гексофосфатов в гликолитическом или пентоз- ном цикле. Синтез ТАГ, составляющих основную массу нейтральных жиров в организме, происходит в печени, жировой клетчатке и других органах. Известны три пути биосинтеза этих липидов: а-глицерофосфатный, диоксиацетонфосфатный и моноацилглицерофосфатный, название которых указывает на вещества, используемые в качестве предшественников в синтезе. Кроме того, в биосинтезе используются активированные насыщеные и ненасыщенные ЖК. Активирование их катализируется ацил-КоА-синтетазами, которые локализуются в микросомах; происходит это в присутствии КоА и АТФ [1, 3]. Липолиз (гидролиз ТАГ) стимулируется в организме липомобилизирующим фактором гипофиза, АКТГ, СТГ, ТТГ, катехоламинами, тироксином, гидрокортизоном, гепарином. Адреналин, АКТГ, глю- кагон угнетают включение СЖК в синтез ТАГ [1, 3]. Антагонистами норадреналина и адреналина, увеличивающими скорость липолиза и мобилизацию ЖК, являются кортикотропин и вырабатываемые под его влиянием глюкокортикоиды, а также инсулин, тормозящий высвобождение ТАГ и СЖК из жировой ткани. Выраженное влияние на обмен ТАГ оказывает и вегетативная нервная система: импульсы, подаваемые по симпатическим нервам, тормозят их синтез и усиливают распад, а повышение тонуса парасимпатического отдела нервной системы способствует отложению жира. Существует два пути синтеза ЖК - митохондриальный, в котором происходит удлинение углеродной цепи этих соединений и превращение паль- митата в стеарат, линолеата в арахидонат, и немитохондриальный, локализованный в цитоплазме и катализирующий превращение ацетил-КоА в паль- митат. Окисление ЖК относится к числу наиболее быстрых реакций организма, и этот факт определяет важное значение СЖК в обеспечении энергетики при различных состояниях напряжения: стрессе, физических нагрузках и других состояниях, сопровождающихся повышением активности симпатико- адреналовой системы. Жирные кислоты представляют собой важный регулятор метаболизма углеводов на клеточном уровне, они способны стимулировать реакции пен- тозофосфатного пути, угнетают ферменты гликолиза, тормозят транспорт глюкозы через внутриклеточные мембраны, блокируют гликогенолиз и активируют глюконеогенез. Активация ключевых ферментов глюконеогенеза может быть расценена в качестве благоприятного явления для клетки, так как способствуют компенсации дефицита глюкозы из доступных субстратов - лактата, аминокислот, глицерина. Учитывая, что ЖК присуща способность повышать электропроводность липидных мембран и, следовательно, разобщать окислительное фосфори- лирование, В.П. Скулачев высказал предположение. что любое повышение концентрации СЖК в мембране митохондрий, наступающее в результате возрастания уровня этих соединений в клетке, должно сопровождаться определенным разобщением окисления и фосфорилирования. СЖК, как и лизоформы ФЛ, способны увеличивать скорость ПОЛ. По мнению ряда авторов, нарушения свойств липидного бислоя во многих случаях является первопричиной развития патологического процесса в клетках, тканях и организме в целом. Влияние липидного спектра клеток (содержание ХОЛ, СЖК, ТАГ) на их функции наиболее подробно изучается на лимфоцитах крови, и результаты этих исследований свидетельствуют о выраженной зависимости между липидным составом лимфоцитарных мембран и способностью их реагировать на внешние раздражения [2]. Увеличение уровня ХОЛ в клетке и, как следствие, - повышение вязкости мембраны, делают последнюю менее реакционноспособной, что опосредуется активностью поверхностных рецепторных систем и способностью клеток к трансформации. Наибольшее количество исследований, посвященных изучению зависимости функциональных возможностей клеток от их метаболических характеристик, проведено на лимфоцитах. Это можно объяснить тем, что лимфоцит имеет сложный внутриклеточный обмен, отражающий практически все метаболические процессы, свойственные организму, в связи с чем Р.П. Нарциссов назвал лимфоцит - «ферментативным зеркалом организма» [5, 6]. Более широкие возможности для изучения особенностей внутриклеточных процессов появились с разработкой определения активности внутриклеточных ферментов методом биолюминесценции с бактериальной люциферазой. К числу наиболее информативно отражающих основные параметры внутриклеточного метаболизма лимфоцитов можно отнести несколько дегидрогеназ [7, 8]. Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа (Г6ФДГ) - ключевой фермент пентозофосфатного пути (ПФП) и играет важную роль в метаболизме сахаров - от этого фермента зависит, подвергнется ли глюкоза гликолизу или будет утилизироваться в ПФП. Физиологическое значение последнего состоит в том, что в этом цикле, являющемся основным конкурентом гликолиза за глюкозо-6-фосфат образуются рибозо-5-фосфат и НАДФН, используемые в реакциях макромолекуляр- ного синтеза: нуклеотидных коферментов, нуклеиновых кислот, жирных кислот, стероидов; кроме того НАДФН является кофактором для НАДФ-зависимых ферментов. Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа достаточно тесно взаимосвязана с ферментами антиокси- дантной защиты и катаболизма ксенобиотиков (известно о кофакторной взаимосвязи между Г6ФДГ и глютатионредуктазой). Активность Г6ФДГ повышается в растущих и пролиферирующих клетках, как, например, в лимфоцитах при состоянии активации иммунной системы [9-11]. Глицерол-3-фосфатдегидрогеназа (Г3ФДГ), существует в двух формах - цитоплазматической и внутримитохондриальной. В цитоплазме НАД- зависимый фермент осуществляет взаимосвязь между системой липидного обмена и гликолизом через реакцию взаимообращения глицерол-3-фосфата и диоксиацетонфосфата. При взаимодействии НАД- зависимой Г3ФДГ и его внутримитохондриальной ФАД-зависимой формы осуществляется работа альфа-глицерофосфатного челночного механизма, обеспечивающего перенос водорода внутрь митохондрий; активность последнего зависит от наработки НАДФН в цитоплазме клеток и от окисления субстратов в митохондпиях. Отмечена активация ФАД-зависимой формы фермента под влиянием гормонов щитовидной железы и зависимость активности Г3ФДГ от уровня концентрации кортизола и инсулина в сыворотке крови [9]. Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) катализирует метаболизм лактата, регулируя тем самым внутриклеточное соотношение НАД/НАДФ. ЛДГ катализирует реакцию, находящуюся на разветвлении анаэробного и аэробного превращения пирувата. Большая часть этого НАД-зависимого фермента, существующего в пяти изоферментных формах, локализована в цитоплазматическом матриксе, меньшая - на мембранах митохондрий. В результате аэробной реакции ЛДГ (лактат-пируват), которая является одним из важных показателей обеспечиваемой гликолизом доли энергетического потенциала метаболизма в цитоплазме, нарабатывается основное количество НАДН. Важная роль гликолиза при состояниях функционального напряжения лимфоцитов (он выступает как «аварийный» механизм выработки АТФ в клетках), что подтверждается рядом авторов, установивших, например, его активацию при реакциях бласттранс- формации лимфоцитов. Более продуктивным, чем гликолиз, с точки зрения выработки в клетках АТФ, является цикл три- карбоновых кислот (цикл Кребса). Характеристика реакций этого цикла может быть получена при исследовании показателей активности ферментов, катализирующих начальные (НАДиЦДГ и НАД- ФиЦДГ) и конечные (НАДМДГ и НАДФМДГ) его этапы. Две изоцитратдегидрогеназы (НАД- и НАДФ- зависимая) контролируют метаболизм соответствующего субстрата (изоцитрата) цикла три- карбоновых кислот (ЦТК), превращая его в а-кетоглутарат. Активность фермента НАДиЦДГ наряду с НАДМДГ отражает объем субстратного потока по циклу, который обеспечивает поддержание необходимой концентрации НАДН и энергетического потенциала митохондрий. При снижении интенсивности субстратного потока и недостатке водорода в митохондриях может включаться одна из дополнительных реакций цикла, регулируемая НАДФиЦДГ; которая катализирует приток в цикл субстрата из цитозоля клетки. Однако следует учитывать, что подобный компенсаторный механизм ограничен во времени в связи с изменениями перераспределения интермедиаторов между митохондриями и цитоплазмой клетки. Два фермента функционируют на заключительном этапе ЦТК, они участвуют в реакциях метаболизма, образующегося в нем малата; это НАДМДГ и НАДФМДГ. Фермент НАДМДГ регулирует в цикле субстратный поток и влияет совместно с глутаматдегидрогеназами на окислительное фос- форилирование. Второй (НАДФМДГ или малик- фермент) контролирует одну из так называемых шунтирующих реакций, активизирующихся при необходимости ускорения прохождения субстратов по метаболическим путям. В ходе этой реакции происходит превращение яблочной кислоты в пируват с восстановлением НАДФ+ до НАДФН, который затем используется в процессах синтеза. Как и другой уже упоминавшийся фермент - Г6ФДГ, участвующий в наработке НАДФН в клетке, НАДФМДГ имеет функциональные связи с внутриклеточными системами антиоксидантной защиты. Важная роль в функционировании ЦТК принадлежит ферментной системе глутаматдегидрогеназ, которые контролируют поток субстратов по циклу, влияют на окислительное фосфорилирование и осуществляют связи ЦТК с аминокислотным обменом. Процессы, контролируемые ферментами НАД- и НАДФ-зависимой глутаматдегидрогеназа- ми (НАДГДГ и НАДФГДГ) относят к вспомогательным реакциям ЦТК, им принадлежит важная роль в регуляции его активности через изменения объемов субстратного потока. Определение активности этих ферментов в реакциях с использованием в качестве субстрата глутамата, позволяет оценить интенсивность поступления на ЦТК субстратов с аминокислотного обмена (Yoshino M., 1993). Фермент глютатионредуктаза (ГР) обеспечивает регенерацию глутатиондисульфида в восстановленный глутатион, который функционирует в системе антиоксидантной защиты клеток и участвует в транспортировке в них белка. ГР находится в прямой кофакторной связи с Г6ФДГ, и активно влияет на жизнедеятельность лимфоцитов, особенно на процесс пролиферации и бласттрансформации. ГР участвует в двух важнейших внутриклеточных процессах: во-первых, обеспечивает превращение глу- татиондисульфида в восстановленный глутатион, поддерживая тем самым функционирование глута- тионовой системы антиоксидантной защиты клеток; во-вторых, участвует в активном транспорте в них аминокислот [4, 12]. Таким образом, внутриклеточный метаболизм лимфоцитов регулируется широким набором ферментов и это обеспечивает возможность выполнения клетками многообразных специфических функций. Проявление ими функциональных возможностей в полном объеме лимфоцитов возможно лишь при соответствующем состоянии внутриклеточного обмена. Активность ферментов в лимфоцитах являются весьма чувствительными показателями их состояния, они используются для дифференциальной диагностики и разработки прогноза течения заболеваний.

About the authors

O. I Kiselev

Research Institute of Influenza

Email: office@influenza.spb.ru
15/17, Professora Popova str., Saint Petersburg, 197376

I. V Sergeeva

Krasnoyarsk State Medical University named after professor V.F. Voyno-Yasenetsky

Email: sergeevaiv-1979@mail.ru
1, Partizana Zheleznyaka Str., Krasnoyarsk, Russian Federation, 660022

T. V Sologub

Research Institute of Influenza

Email: sologub@influenza.spb.ru
15/17, Professora Popova str., Saint Petersburg, 197376

E. P Ytkhonova

Krasnoyarsk State Medical University named after professor V.F. Voyno-Yasenetsky

Email: tihonovaep@mail.ru
1, Partizana Zheleznyaka Str., Krasnoyarsk, Russian Federation, 660022

G. V Bulygin

Krasnoyarsk State Medical University named after professor V.F. Voyno-Yasenetsky

Email: kaniala@mail.ru
1, Partizana Zheleznyaka Str., Krasnoyarsk, Russian Federation, 660022

References

Supplementary files