CC BY
19
УДК 577.31 + 577.171.53
АВТОРЕГУЛЯЦИЯ ПОТОКА КИСЛОРОДА ВНУТРЬ
КЛЕТОК
М. В. Фок, А. Р. Зарицкнй, Г. А. Прокопенко, Е. В. Переведенцева
Предложен и качественно рассмотрен молекулярный механизм изменения неспецифической проницаемости цито-плазматической мембраны, чувствительный к напряжению кислорода в цитоплазме. Рассмотрена роль этого механизма в регуляции потока кислорода внутрь клетки при изменении ее активности, а также в стабилизации напряжения кислорода в цитоплазме при изменении его напряжения в межклеточной жидкости.
При переходе клетки из состояния покоя в активное состояние потребление кислорода возрастает в десятки раз [1]. Но изменение напряжения кислорода рО2 в межклеточной жидкости почти не влияет на его поток внутрь клетки и на рО-2 в цитоплазме. Рассмотрим на молекулярном уровне, какой механизм может это обеспечить.
В цитоплазме напряжение кислорода не больше нескольких миллиметров ртутного столба, а в межклеточной жидкости - на порядок больше (не менее 20 мм рт.ст.) [2. 3]. Поэтому, даже если р02 цитоплазмы уменьшится до нуля, перепад р02 на цито-плазматической мембране не может существенно возрасти. Он увеличится, лишь если возрастет р02 в межклеточной жидкости. Но эта величина лежит в узких пределах: о г 100 мм рт.ст. при входе в капилляр до 20 мм в летальном углу [4]. Следовательно, возле каждой клетки рО2 межклеточной жидкости может возрасти не более, чем в несколько раз, даже если возле нее откроется резервный капилляр. Поэтому увеличение потока кислорода в клетку в десятки раз возможно, лишь если во много раз возрастет проницаемость цитоплазматической мембраны.
На основе анализа известных данных можно показать, что проницаемость мембраны может изменяться в ту или другую сторону и в том случае, когда потребность клетки в кислороде остается постоянной, но изменяется р02 межклеточной жидкости.
Так, при дыхании гииоксической смесыо газов рО? цитоплазмы восстанавливается не позднее, чем через 10 минут [5]. Это значит, что за такое время проницаемость цнто-плазматических мембран успевает увеличиться в необходимое число раз [6, 7]. С другой стороны, при гипербарической оксигенации ¡Юъ цитоплазмы остается близким к норме, несмотря па увеличение рС>2 межклеточной жидкости [8]. Это показывает, что проницаемость цитоплазматической мембраны уменьшилась. На адаптацию клеток к изменению рО'1 газовой среды, проявляющуюся в том, что внутриклеточное р02 изменяется значительно меньше, чем р02 газовой среды, указано также в [9, 10].
В данной работе предложен возможный молекулярный механизм изменения проницаемости мембраны, который обеспечивает поддержание потока кислорода на уровне, отвечающем потребности клетки в данный момент, как при изменении этой потребности, так и при изменении рО2 в межклеточной жидкости, и одновременно ограничивает р02 цитоплазмы безопасными пределами.
В работах [6, 7] было показано, что цитоплазматическая мембрана эритроцита может изменять свою проницаемость для кислорода в несколько тысяч раз, и был предложен молекулярный механизм, приводящий к таким изменениям. Мы полагаем, что механизм изменения неспецифической проницаемости цитоплазматических мембран клеток тканей - потребителей кислорода универсален и во многом аналогичен механизму изменения проницаемости мембраны эритроцита. Основные его черты следующие: 1) Кислород проникает сквозь мембрану главным образом по сквозным порам, имеющимся в ее липидном биослое. 2) Если в расположении молекул обоих монослоев бнелоя имеется дальний порядок (двумерный кристалл), то на границах между монокрнсталлпческн-ми участками имеются сквозные поры и проницаемость мембраны велика. Если же в одном из монослоев дальний порядок отсутствует (двумерная жидкость), то сквозных пор мало, ибо они возникают лишь случайно, и проницаемость низкая. 3) Состояние двумерного кристалла устойчиво лишь при достаточно слабом электрическом поле в мембране. В сильном поле один из монослоев переходит в состояние двумерной жидкости и сквозные поры закрываются.
Напряженность поля в мембране может изменяться как вследствие изменения транс-мембранной разности электростатических потенциалов, так и из-за адсорбции на поверхности мембраны каких-либо крупных молекул, так как в результате этого та же разность потенциалов будет приходиться на большую толщину. В эритроцитах роль таких молекул играет гемоглобин. Как показали опыты, в деоксигенированных эритроцитах он выстилает внутреннюю поверхность мебраны в одпн-два сплошных слоя, а в
б
оксигенированных - занимает заметно меньше половины ее поверхности.
Мы предполагаем, что в клетках - потребителях кислорода вместо гемоглобина на мембране адсорбируется онкобелок (Орг), который всегда присутствует в них в небольших количествах. Химические свойства Орг изучены еще очень мало, и его роль в клетке не установлена. Однако то, что он присутствует не только в животных, но и в растительных клетках, указывает, что Орг удовлетворяет какие-то фундаментальные потребности, жизненно важные для всех клеток. Одной из таких потребностей может являться регуляция потока кислорода в цитоплазму.
Молекулярная масса Орг близка к молекулярной массе гемоглобина., и его адсорбция на цитоплазматической мембране уменьшает имеющееся в ней электрическое поле точно так же, как и адсорбция гемоглобина. Чтобы Орг выполнял эту роль, его адсорбция должна зависеть от р02 в цитоплазме. Однако сам Орг кислород не присоединяет. Зато его присоединяет миоглобин (МЬ), также всегда присутствующий в клетках. (Сам он заменить гемоглобин не может, так как его молекула слишком мала. Ее масса в четыре раза меньше массы молекулы гемоглобина.) Мы пред полагаем, что оксимиоглобин (МЬ02) способен образовывать комплексы с оикобелком (0ргМЬ02), которые десорби-руются с мембраны. При этом ее проницаемость будет уменьшаться точно так же, как она уменьшается при десорбции оксигемоглобина (рис. 1).
В общих чертах, цепочка процессов такова. Переход клетки в активное состояние приводит к повышенному расходу кислорода, вследствие чего его концентрация в цитоплазме уменьшается. В результате равновесие в реакции 02 + МЬ МЬ02 смещается влево, т.е. концентрация оксимиоглобина уменьшается. Это вызывает смещение влево равновесия в реакции
В результате концентрация свободного Орг повышается, он адсорбируется на поверхности цитоплазматической мембраны и увеличивает ее проницаемость описанным выше путем.
Оценим, может ли такой механизм обеспечить наблюдаемое на опыте возрастание в 20 - 30 раз потока кислорода в клетки при переходе их в активное состояние и стабилизировать р02 цитоплазмы и поток в нее кислорода при изменении р02 межклеточной жидкости. Для этого рассмотрим, как соотносятся между собой проницаемости цито-плазматических мембран клеток тканей - потребителей кислорода и эритроцитов.
Орг + МЬ02 ^ 0ргМЬ02.
(1)
Мембрана
^
-а +
ь
■-J
с и t
ч
=
* t
ос га +
ж
-
о +
ь
и
5 +
*
о +■
+
+
+
Мембрана
Цитоплазма
Рис." 1. Схема молекулярного механизма регуляции числа сквозных пор в липидном бислое мембраны. Внизу - участок мембраны и прилегающая к нему цитоплазма, вверху - распределение потенциала. Стрелками отмечены поры в монослоях, а) Кислорода мало. Оикобелок (Орг) адсорбировался на мембране. Оба ее монослоя в состоянии двумерного кристалла. Пора сквозная, б) Кислорода .много. Оикобелок вступил в комплекс с оксимиоглобином (МЬОп), и этот комплекс (МЬОпОрг) десорбировался с мембраны. Внутренний монослой перехиел в состояние двумерной жидкости. Хотя пор в нем стало больше, но ни одна из них не совпадает с порой в монослое, оставшемся в состоянии двумерного кристалла; сквозных пор нет.
Процесс насыщения эритроцита кислородом в первом приближении подчиняется экспоненциальному закону:
F — (TrcSrc{p02alv - р02гс) = arcSTCAP0e
(2)
где F - поток кислорода в эритроцит, аТС и Src - удельная проницаемость для кислорода и площадь поверхности его мембраны, p02aiv ~ парциальное давление кисло-
рода в альвеолярном газе, p02rc ~ напряжение кислорода в цитоплазме эритроцита, АРо = GO мм рт.ст. - разность этих величин при входе в капилляр легкого, t - текущее время от момента входа эритроцита в этот капилляр, т - постоянная времени.
За время прохождения по капилляру легких ti = 0,8 с гемоглобин эритроцита успевает почти полностью прийти в равновесие с альвеолярным газом. На выходе из легких p02aiv — pO?rc < 1 Л1Л£ pm.cm. Из (2) следует, что т < 0,25 с. Это согласуется с тем, что при предельной нагрузке, когда кроветок через легкие ускоряется в три раза, р02 артериальной крови уменьшается на 8%, откуда получается т = 0,1 с. Для оценок возьмем среднее, положив г = 0,17 с.
Проинтегрировав (2) по времени от 0 до найдем количество кислорода Q. получаемое эритроцитом в легких:
Q = arcSrcAP0r(l - е""/т) (3)
(так как ti > 4т, то для дальнейших расчетов мы пренебрежем экспоненциальным членом в этой формуле).
Это количество кислорода клетки, обслуживаемые эритроцитами, получают равномерно в течение всего времени tc = 45 с движения эритроцита по кругу кровообращения. Поэтому
Q = o-tcStc(p02ici - p02c)tc, (4)
где atc и Stc ~ удельная проницаемость для кислорода и суммарная площадь поверхности цнтоплазматических мембран тканевых клеток, приходящихся на один эритроцит, а р02ш ~ напряжение кислорода в межклеточной жидкости.
Приравняв друг другу правые части (3) и (4), получим: <rrc/(7tc = (p02ici — р02(C)ic/(j,.cAPo. Подставив сюда приведенные выше данные и воспользовавшись тем, что P02ic, - p02tc ~ АР0 и Stc — 7Src, получим: arc/atc > 2000.
Как видно, у клеток тканей - потребителей кислорода проницаемость для кислорода их цнтоплазматических мембран много меньше наибольшей проницаемости мембран эритроцитов. Но в то же время она в несколько раз больше наименьшей проницаемости мембран эритроцитов, измеренной нами in vitro.
Принципиальная возможность дальнейшего уменьшения проницаемости указывает, что в мембранах клеток в состоянии покоя еще имеется достаточное количество сквозных пор на границах между кристаллическими участками мембраны, так что основной поток кислорода проходит по ним, а не каким-то другим путем. В то же время ясно, что
в мембране, проницаемость которой на три с лишним порядка меньше наибольшей возможной, кристаллических участков должно быть мало. В таком случае длина, общих границ между ними пропорциональна квадрату их числа. Следовательно, для 20-30-кратного увеличения проницаемости мембраны достаточно всего лишь приблизительно 5-кратного увеличения числа этих участков.
Из-за наличия у клеток трансмембранной разности потенциалов и связанного с ней электрического поля внешний монослой каждого независимого участка мембраны большую часть времени находится в состоянии двумерного кристалла, а внутренний в состоянии двумерной жидкости. Чтобы это поле ослабло достаточно сильно, и второй мопослой тоже перешел бы в состояние двумерного кристалла, на каждом независимом участке мембраны должно адсорбироваться хотя бы несколько молекул Орг, лишь тогда они займут заметную долю его поверхности. Расчет показывает, что вероятность этого пропорциональна второй - третьей степени концентрации Орг, не образовавшего комплексы с МЬ02■ Поэтому для 20-30-кратного изменения проницаемости мембраны достаточно, чтобы концентрация свободного Орг изменилась всего лишь раза в три.
Можно думать, что предложенный молекулярный механизм регуляции потока кислорода в цитоплазму клеток - потребителей кислорода принципиально может обеспечить необходимое изменение этого потока. По-видимому, принципиально возможна также и стабилизация р02 цитоплазмы, а также потока в нее кислорода при изменении р02 межклеточной жидкости. Однако очевидно, что для того и другого необходимо, чтобы концентрация МЬ02 была больше концентрации Орг. Иначе МЬ02 не хватит, чтобы оторвать почти все молекулы Орг от поверхности мембраны. Но константа диссоциации МЬ02 такова, что при значении р02 несколько мм pin.ст., какое обычно бывает в клетках, он оксигенироваи только приблизительно на 30%. К тому же, так как реакция (1) обратима, то часть МЬ02 всегда остается свободной.
Итак, для работы механизма авторегуляции потока кислорода требуется, чтобы концентрация МЬ была значительно больше концентрации Орг, а константа диссоциации комплекса МЪ020рг была достаточно малой, чтобы этих комплексов хватило для удаления с мембраны значительной доли адсорбированного на ней Орг.
В клетках здоровых тканей концентрация Орг действительно значительно меньше концентрации МЬ. Так, концентрация МЬ лежит в пределах от 0,4% в нервных тканях до 2,7% в мышцах, в то время как концентрация Орг настолько мала, что его присутствие обнаруживается в основном с помощью иммунологических методов. Остается выяснить, имеются ли в здоровых клетках комплексы МЬ020рг и действительно ли они находятся
в цитоплазме, а не на мембране.
ЛИТЕРАТУРА
[1] В е й с с Ч., А нтон и Г., В и ц л е б Э., Т е в с Г., Г р о т е И. Физиологии человека. М., Мир, т. 3, 19SG.
[2] L i n S. Н. Л. Theor. Biol., 60, 449 (1976).
[3] В о a g J. M. Oxygen Diffusion ancl Oxygen Deplation Problems in Radiobiology. Inst, of Cancer Research, Phys. Dept., Sutton, 1978.
[4] Бураковск и й В. И., Б о к е р и я JL А. Гипербарическая оксигенацня в сердечно-сосудистой хирургии. М., Медицина, 1974.
[5] Я р м о н е н к о С. П., В а й н с о н A. A., M а г д о и Э. Кислородный эффект и лучевая терапия опухолей. М., Медицина, 1980.
[6] Ф о к М. В., 3 а р и ц к и й А. Р., 3 а р и ц к а я Г. А., П е р е в е д е и ц е в а Е. В. Успехи физических наук, 164, N 3, 335 (1994).
[7] 3 а р и ц к и й А. Р., Переведе н цева Е. В., Прокопенко Г\ А., Ф о к М. В. Краткие сообщения по фиике ФИАН, N 9 - 10, 24 (1994).
[8] G о b и г n R. F., Р 1 о g m a k е г s F., G о n d r i e P., and A b b о u d R. Amer. J. Physiol., 224, N 4. S70 (1973).
[9] Koch С. J. Br. J. Cancer., 37, Suppl. Ill, 163 (197S).
[10] Б e p e 3 о в с к и й В. А. 13 Съезд Всесоюз. Фнзпол. об-ва им. И. П. Павлова, т. 1, Алма-Ата, 1979, с. 503.
[11] Дыхание и спорт. Матер. XV Всесоюз. науч. конф. по спортивной медицине. М., 1971.
[12] Коробков А. В., Башки ров А. А., В е т ч и н к и н а К. Т. Нормальная физиология. М., Высшая школа, 1980.
[13] Киселев JL Л. Молекулярная биология, 19, 309 (1985).
Поступила в редакцию 11 октября 1995 г.
