Влияние ксенобиотиков на физико-химические свойства цитоплазмы, транспортные функции биологических мембран и метаболические процессы в клетке.

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 27Следующая ⇒

Обмен веществ в клетке может осуществляться только при определенной структурной организации. В то же время сама структура динамична, она создается и поддерживается в процессе обмена веществ. Наибольшее внимание привлекают физико-химические показатели, которые характеризуют структурные и электрические свойства живой клетки: вязкость, движение цитоплазмы, концентрацию водородных ионов и величину изоэлектрической точки. Цитоплазма – главное содержимое любой живой клетки – основа клеточной организации. Физико-химические изменения в цитоплазме являются ведущими в процессах жизнедеятельности клетки. Цитоплазма, основу которой составляют глобулярные белки, способна к обратимым глобулярно-фибриллярным изменениям. «Основное вещество» цитоплазмы – цитозоль, заполняющее пространство между клеточными органеллами. Цитозоль содержит систему микрофиламентов. Крупные молекулы – белки и в меньшей мере РНК – образуют коллоидные растворы. Коллоидный раствор может быть золем (невязким) или гелем (вязким). Внешние слои цитоплазмы по своей конституции ближе к гелям, например эктоплазма амебы. Взаимодействие гидратированных ионов ксенобиотиков с заряженными белковыми молекулами цитоплазмы может вызывать переходы золь – гель и обратно. Катионы, имеющие поливалентный заряд, притягиваются сильнее к заряженной коллоидной частице по сравнению с одновалентными. Поэтому в первом случае молекула коллоидной частицы теряет часть гидратной воды, и цитоплазма превращается в вязкую гелеобразную массу. Во втором случае из-за слабого притяжения гидратные оболочки белка и иона сливаются и цитоплазма оводняется, превращается в жидкий раствор – золь

Вязкость. В цитоплазме обнаружена структурная вязкость – свойство, присущее жидкостям, обладающим внутренней структурой. Вопрос об агрегатном состоянии цитоплазмы привлекал внимание исследователей с момента ее открытия. Фрей-Висслинг (1950 г.) указывал на то, что цитоплазма одновременно обладает признаками жидкости (текучесть) и твердого тела (эластичность). Если рассматривать протоплазму как жидкость, то показателем консистенции жидкости служит ее вязкость. В физике вязкость жидкости определяют как сопротивление передвижению одного ее слоя относительно другого. Поэтому вязкость часто называют внутренним трением. Количественно вязкость выражают силой (на ед. поверхности двух слоев), которая достаточна для поддержания определенной скорости перемещения одного слоя относительно другого. Вязкость воды при 25 º С равна 8, 9·10^–4Па·с. Наиболее простой способ определения вязкости жидкости – по скорости движения через нее тел сферической формы с известной плотностью и размером.

Использование закона Стокса позволяет рассчитать абсолютную вязкость:

2g (D – d) r²

V = ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾,

где r – радиус падающего тела; D – плотность падающего тела; h – вязкость; d – плотность жидкости; V – скорость падения; g – ускорение силы тяжести.

Поскольку свободное падение гранул в клетке наблюдается только при низкой вязкости цитоплазмы, то заменим g центробежной силой (центрифугирование):

2r² (D – d) · m · g

V = ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾,

где m – величина ускорения, сообщаемая центрифугой.

Величина этого ускорения зависит от числа оборотов центрифуги и расстояния от оси вращения и определяется выражением:

(2np)² r

m = ¾ ¾ ¾ ¾,

где n – число оборотов центрифуги в секундах; r – расстояние от центрифугируемого объекта до оси центрифуги. Существуют другие методы определения вязкости протоплазмы, например по регистрации пути частицы при броуновском молекулярном движении, плазмолитический метод определения вязкости и т. д.Экспериментальные данные свидетельствуют о широком диапазоне величин структурной вязкости. Она служит хорошим показателем физиологического состояния клеток, уровня их жизнедеятельности. В структурной вязкости находит отражение реакция живых организмов на изменение внешних условий (температуры, освещения и др.) и, конечно, на химические агенты.

Движение цитоплазмы. Движение цитоплазмы в животных и растительных клетках довольно распространенное явление, которое играет важную роль в осуществлении обмена и распределении веществ внутри клетки, а также характеризует уровень жизнедеятельности клетки. Движение цитоплазмы (циклоз) наиболее отчетливо выражено в амебоидных и растительных клетках, но его можно наблюдать и у простейших, в плазмодии миксомицетов, в некоторых клетках высших животных, особенно в тканевых культурах. Впервые циклоз в клетках растений был описан 200 лет назад исследователем Корти, с тех пор накопился большой экспериментальный материал об этом интересном явлении.О движении цитоплазмы судят по движению многочисленных гранул, включенных в протоплазму и пассивно увлекаемых ею. Характер движения цитоплазмы разнообразен. В одних клетках оно неустойчивое по скорости и случайное по направлению; в других – упорядоченное и постоянное. Часто можно наблюдать в одной и той же клетке обратимый переход одного типа движения в другой. В некоторых растительных клетках (нителла, спирогира, эвглена) при определенных условиях движение цитоплазмы приобретает ритмический характер. Ритмичным является и движение цитоплазмы в плазмодии миксомицета слизевика, представляющего собой комок голой протоплазмы со множеством ядер, не отделенных друг от друга клеточными перегородками; движение то ускоряется, то замедляется, причем направление его изменяется на противоположное при постоянных внешних условиях. Скорости движения цитоплазмы у разных объектов различаются в широких пределах, от едва обнаруживаемой до значительной (табл. 4.1). Скорость движения цитоплазмы (СДЦ) сильно варьирует от нескольких мкм/с до десятков мкм/с и зависит от условий окружающей среды (света, температуры, рН) и, конечно, от присутствия ксенобиотиков.

Самая высокая скорость движения наблюдалась в плазмодии миксомицета – 1350 мкм/с. Скорость движения может меняться в зависимости от температуры и от сезона года. Так, на колеоптилях овса в ноябре она была равна 12, 4 мкм/с, а в августе – 17, 6 мкм/с.

Движение цитоплазмы зависит от процессов дыхания и гликолиза; при движении протоплазмы, так же как и при мышечном сокращении, расходуется энергия. Чувствительность к недостатку кислорода у разных типов клеток различна. Разнообразные внешние воздействия – нагрев, повышенное гидростатическое давление, механические воздействия, электрический ток – влияют на движение цитоплазмы. При действии эфира, хлороформа, хинина, гербицидов и гетероауксина (индолил-3-уксусная кислота) наблюдались двухфазные изменения - вначале движение ускорялось, а затем замедлялось и останавливалось.

Во многих растительных клетках, например в клетках элодеи и валиснерии, движение цитоплазмы может начаться под влиянием внешних воздействий (α -аминокислота, гетероауксин, соли металлов, серная кислота, сапонин, гистидин, видимый свет). Такое индуцированное движение обычно называют хемодинезом.

Вопрос о механизме движения цитоплазмы решен пока только в самом общем виде.

Большинство исследователей полагают, что в основе этого явления - лежит функционирование сократительных белков, молекулярную основу которой образуют белки актин и миозин. Сократимость этих фибриллярных белковых молекул составляет физическую основу движения цитоплазмы.

Некоторые авторы полагают, что течение цитоплазмы в какой-то мере может быть обусловлено сокращением микротрубочек – широко распространенных цитоплазматических структур. В состав микротрубочек входит белок тубулин, обладающий АТФ-азной активностью. Такие микротрубочки обнаружены и в растительных клетках там, где наблюдается интенсивное движение цитоплазмы, около сократительных вакуолей инфузорий и рядом с цитоплазматическими пульсирующими тельцами. Много микротрубочек имеется и в клетках гладких мышц.

Рассказывая о движении протоплазмы внутри клеток, нельзя не упомянуть о непрерывном токе аксоплазмы в отростках нервных клеток позвоночных. Это движение направлено от тела нервной клетки к периферии, и совершается оно с относительно малыми скоростями (0, 5–12 мм/сутки). С движением аксоплазмы транспортируются в основном растворимые белки. Непрерывный отток цитоплазмы в аксон и дендриты обеспечивает постоянное обновление оставшейся части за счет новых синтезов. Помимо медленного течения белков существует быстрое (40-500 мм/сутки), связанное, видимо, с транспортом структурного белка внутриклеточных органелл; оно может происходить не только к периферии, но и в обратном направлении. Скорость аксотока зависит от количества АТФ и ионов кальция, регуляция его определяется уровнем метаболизма в теле нейрона. Большинство исследователей считают, что микротрубочки и нейрофиламенты, обладающие сократительными свойствами, регулируют пульсацию веществ по аксону и дендритам в том или ином направлении. Если их разрушить митотическими ядрами (колхицин, винбластин), то аксоток блокируется.

Возможно, что в течении аксоплазмы имеют значение медленные перистальтические волны, распространяющиеся по поверхности нервного волокна от центра к периферии, которые были обнаружены Вейссом (1962) с помощью микрокиносъемки.

Изоэлектрическая точка цитоплазмы. Все амфолиты способны давать двойственные ионы: положительные и отрицательные. Такими веществами являются аминокислоты с группами NH₂ и СООН. Связь между аминокислотами при образовании полипептидных цепей осуществляется через эти группы, поэтому свободными остаются только концевые СООН и NН₂-группы, а также СООН-группы из дикарбоновых кислот и NН₂-группы из диаминокислот. Кислые группы, теряя протон, становятся отрицательно заряженными СОО^–(+Н⁺), основная группа, присоединяя протон, становится положительно заряженной NН₂ +Н⁺ → NН₃⁺.

При конденсации полипептидов образуется белковая молекула, сохраняющая амфотерный характер, а также кислые и основные группы. Эти ионные группы и определяют электрические свойства белковых молекул. Действительно, заряд белковой молекулы равен сумме зарядов ионных групп. На ионизацию кислых и основных групп белка сильно влияет значение рН среды. В кислой среде аминокислоты присоединяют ион водорода (R – N Н₂+Н⁺ → R – NН₃⁺), образуя положительный заряд, в щелочной диссоциирует карбоксильная группа (СООН ← → СОО^–+Н⁺), становясь отрицательно заряженной. При определенном значении рН образуется одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, т. е. сумма их равна 0, белок становится нейтральным.

Значение рН, при котором белок имеет минимальный электрический заряд, принято называть ИЭТ. В растворе с рН, равном ИЭТ, белок не движется ни к одному из полюсов, тогда как в кислой перемещается к катоду, а в щелочной – к аноду. Этот прием, называемый электрофорезом, широко используется для разделения белков.

Многие физиологические свойства белка зависят от его электрических свойств, поэтому в ИЭТ он имеет минимальное значение вязкости, растворимости, степени гидратации, осмотического давления и электропроводности.

Различные ксенобиотики, имеющие кислотные или щелочные свойства, способны сдвигать величину рН в ту или иную сторону и тем самым изменять ИЭТ цитоплазмы. Каждый белок имеет строго определенную величину ИЭТ в зависимости от преобладания диамино- или моноаминокарбоновых кислот. Величина рН изоэлектрической точки некоторых белков: казеина – 4, 6–4, 7; желатина – 4, 6–4, 7; сывороточного альбумина – 4, 6–4, 7; сывороточного глобулина – 5, 4; протамина – 10–12 и т. д.

Проницаемость мембран. Биологическая способность ксенобиотиков определяется их способностью взаимодействовать с клеточной мембраной и, следовательно, изменять ее проницаемость для ионов и органических субстратов. В частности, механизм действия многих антибиотиков связан с их влиянием на проницаемость бактериальных мембран.

Рассмотренные выше механизмы прохождения веществ через мембраны дают возможность представить закономерности, по которым ксенобиотики могут воздействовать на проницаемость клеточных мембран. Например, химические соединения, вызывающие структурные перестройки в мембранах, могут изменять условия для диффузии других соединений как через гидрофобные липидные участки, так и через гидрофильные поры (каналы). Вещества, способные воздействовать на переносчики, могут влиять на транспорт соединений, которые переносятся через биологические мембраны. Активный перенос может ингибироваться также соединениями, нарушающими сопряжение между транспортной системой и источником энергии.

Представляют интерес данные о проницаемости мембран внутриклеточных органелл для ксенобиотиков, что, в конечном счете, определяет их локализацию в определенных структурах.

В последние 20–30 лет сделаны попытки выявить связь между физико-химическими свойствами веществ и их проницаемостью через клеточные мембраны. Наиболее интенсивные исследования в этой области проводились с лекарственными препаратами. Например, установлено, что в клетку не проникают или плохо проникают антибиотики, молекулы которых обладают выраженными кислотными или основными свойствами (пенициллин, стрептомицин, новобиоцин и др.) или антибиотики с молекулярной массой более 1000 Кд (бацитрацин). Хорошо проникают в клетку антибиотики с нейтральной или амфотерной молекулой (левомицин, тетрациклин).

Исследования проницаемости клеточных мембран развиваются в двух взаимосвязанных направлениях: детальное изучение переноса ксенобиотиков через мембраны на молекулярном уровне и вскрытие механизмов, способствующих обеспечению высокой степени селективности переноса определенных химических соединений в клетки. Совместное использование этих направлений позволяет решать обратную задачу – препятствовать поступлению ряда ксенобиотиков в организм; последнее имеет исключительно важное прикладное значение.

Обмен веществ и регуляторные процессы. Метаболические процессы могут быть нарушены под действием ксенобиотиков. Чужеродные вещества, реагируя с гормонами и другими регуляторными системами, вызывают различного рода неконтролируемые превращения.

Часто наблюдаются нарушения реакций окислительного расщепления углеводов, вызываемая токсичными метаболитами; их можно рассмотреть на двух примерах реакции глюкозы. Так фосфорилирование глюкозы ферментом гексокиназой замедляется соединениями меди и мышьяка. Каталитические свойства фермента фосфоглицератмутазы, принимающей участие в превращении 3-фосфоглицериновой кислоты в 2-фосфоглицериновую кислоту, ослабляются под влиянием соединений ртути.

Доказано воздействие многих хлорорганических соединений и полиароматических углеводородов на активность ферментов микросом. Хлордан, диэльдрин, ПХБ и ДДТ вызывают ускорение гидроксилирования таких стероидных гормонов как андроген, эстроген и глюкокортикоиды.

Пентахлорфенол, триэтилсвинец, триэтилцинк и 2, 4-динитрофенол блокируют дыхательную цепь на стадии реакции окислительного фосфорилирования. При этом окислительно-восстановительные системы не работают, но продолжается синтез АТФ, что приводит к усилению дыхания.

Линдан, соединения кобальта и селена нарушают процесс расщепления жирных кислот. При длительном действии инсектицидов на рыб установлено повышение ферментативной активности при синтезе жиров.

В регуляторных процессах роста и развития растений клетки подвергаются влиянию «ауксинподобных» гербицидов, в частности дихлорфеноксиуксусной кислоты (2, 4-Д). 2, 4-Д селективно блокирует рост растений. В малых концентрациях 2, 4-Д обладает свойствами природного гормона ИУК. В повышенных концентрациях она нарушает нормальный рост, развитие клеток и в конце концов последние погибают, т. е. 2, 4-Д проявляет свойства гербицидов. Причиной гибели клеток являются нарушения метаболизма нуклеиновых кислот.

У животных известны нарушения нормального роста и развития при болезнях щитовидной железы. Они могут быть вызваны, например, хлорорганическими пестицидами и ПХБ, причем проявляется весьма близкое сходство структуры бифенилов и гормона щитовидной железы – тиронина (бифенилэфира).

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒