WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 11 |

Хондроитинсульфаты – это протеогликаны, являющиеся важнейшим компонентом хряща. Хондроитинсульфаты прочно связываются с гиалуроновой кислотой при помощи двух связывающих белков, образуя в соединительной ткани очень большие агрегаты. Кератансульфат впервые был выделен из роговой оболочки глаза быка. В отличие от всех остальных гликозаминогликанов кератансульфаты не содержат ни Dглюкуроновой, ни L-идуроновой кислот. Установлено, что кератансульфат, выделенный из роговицы глаза (кератансульфат I), и кератансульфат, полученный из хрящевой ткани (кератансульфат II), отличаются по степени сульфатированности и строению связи между кератансульфатом и пептидной частью протеогликана. Гепарин представляет собой классический протеогликан, в котором несколько полисахаридных цепей связаны с общим белковым ядром. Он обнаруживается в гранулах тучных клеток и, таким образом, локализован внутриклеточно. Повторяющийся дисахаридный компонент содержит глюкозамин и уроновую кислоту. Гепарин известен прежде всего как антикоагулянт. Гепарансульфат (гепаринсульфат) присутствует на клеточных поверхностях, представляя собой внеклеточный протеогликан. Полипептидный остов гепарансульфатного протеогликана содержит дополнительный аминокислотный компонент, отличный от такового в гепарине. Дерматансульфат особенно характерен для дермы кожи. Дерматансульфат резистентен к действию гиалуронидаз. В этом одно из его отличий от хондроитинсульфатов. Кроме того, в состав дисахаридной единицы дерматансульфата входит L-идуроновая, а не D-глюкуроновая кислота (в малых количествах D-глюкуроновую кислоту можно обнаружить в повторяющихся единицах дерматансульфата). Одна из основных функций дерматансульфата связана со стабилизацией коллагеновых пучков. Преимущественная локализация различных гликозаминогликанов в биотканях представлена в Таблице 2 [138,143,218].

Таблица 2. Преимущественная локализация различных гликозаминогликанов в биотканях Гиалуроновая Хондроитин- Хондроитин- Дерматан- КератанТкань Гепарин кислота 4-сульфат 6-сульфат сульфат сульфат Кожа + + Хрящ + + + + Сухожилия + + Связки + Пупочный + + + канатик Стекловидное + тело Синовиальная + жидкость Сердечные + + клапаны Спинальные + + диски Кость + + + Печень + Легкое + Сосудистая + стенка Хрящ + + + эмбриона Роговица глаза + + Следует отметить, что помимо того, что разные биоткани содержат различные типы протеогликанов, но и количество протеогликанов различно в разных биотканях.

Так, например, роговица глаза в одних и тех же условиях набухает сильнее по сравнению со склерой глаза [122], что обусловлено в первую очередь различным количеством протеогликанов (а точнее числом связанных с ними гликозаминогликанов, несущих на себе отрицательный заряд), которых в склере глаза меньше, чем в роговице.

Кроме того, на степень набухания сильное влияние оказывает коллагеновый каркас биоткани, механически ограничивающий набухание. Благодаря этим двум причинам финальная степень набухания склеры глаза меньше, чем степень набухания роговицы.

Интересно также заметить, что вода, проникающая в фиброзные биоткани на второй стадии набухания (см. выше), не располагается равномерно по всему объему ткани, а локализуется в виде "озер" в областях свободных от коллагеновых волокон [122,202], что, по-видимому, связано со структурно-механическими свойствами фиброзных биотканей.

Соли различных металлов снижают степень набухания биотканей, поскольку положительно заряженные ионы металлов нейтрализуют отрицательный заряд, локализованный на гликозаминогликанах внутритканевого матрикса, и затрудняют образование гидратных оболочек. При этом степень снижения, для каждого конкретного значения pH и концентрации соли, зависит от валентности анионов [214].

Необходимо заметить, что щелочное набухание также подавляется солями, и степень снижения набухания зависит от валентности катионов.

На набухание и обезвоживание внутритканевой жидкости и коллагена соединительной ткани изменение pH среды и концентрации солей оказывает различное влияние [207,214]. Так, например, если происходит увеличение концентрации водородных ионов в соединительной ткани, то ее внутритканевая жидкость набухает незначительно, коллаген же при этом набухает очень сильно. Это явление связано с тем, что коллагеновые волокна, образующие остов внутритканевого матрикса, расположены в виде сети. Коллагеновые волокна остова укорачиваются по мере набухания, причем это укорочение прямо пропорционально степени бокового набухания волокна. Набухание сети волокон вызывает укорочение каждого волокна, если узлы фиксированы, а укорочение каждого волокна приводит к уменьшению объема всей структуры, так как боковое набухание волокон просто заполняет внутрифибриллярные пространства. Эти же факторы оказывают противоположное влияние на набухание и обезвоживание, с одной стороны, соединительной ткани в целом и, с другой стороны, клеток. Так, при pH среды, вызывающей набухание клеток, вода поступает в них из “водного депо” – соединительной ткани, которая при этом обезвоживается. Во всех указанных случаях набухание зависит, главным образом, от изменения в тканях pH среды.

Проникновение различных веществ через клеточные мембраны происходит двумя путями: во-первых, с помощью пассивной диффузии, а во-вторых, с помощью облегченной диффузии и активного транспорта. Прежде чем более подробно рассмотреть данные механизмы транспорта рассмотрим строение и свойства клеточных мембран. Все животные клетки окружены плазматической мембраной. Основной матрикс мембраны состоит из липидов, главным образом фосфатидилхолина [145,216].

Эти липиды состоят из головной гидрофильной группы, к которой присоединены длинные гидрофобные углеводородные цепи. В воде такие липиды спонтанно формируют двухслойную пленку толщиной 4-5 нм, в которой гидрофильные группы обращены к водной среде, а гидрофобные углеводородные цепи располагаются в два ряда, образуя безводную липидную фазу. Клеточные мембраны представляют собой бислои именно такого типа и содержат гликолипиды, холестерол и фосфолипиды.

Гидрофильная часть гликолипидов образована олигосахаридами. Гликолипиды всегда располагаются на наружной поверхности плазматической мембраны, причем олигосахаридная часть молекулы ориентирована подобно волоску, погруженному в окружающую среду. Разбросанные среди фосфолипидов в почти равном с ними количестве молекулы холестерола стабилизируют мембрану [216,218].

Главными функциональными элементами погруженными в сравнительно инертный липидный матрикс мембраны являются белки составляющие от 25 до 75% массы мембран. Одни белки пронизывают мембрану от ее наружной до внутренней поверхности, другие же закреплены в каком-то одном слое. Белковые молекулы обычно ориентированы так, что их гидрофобные группы погружены в липидную мембрану, а полярные гидрофильные группы на поверхности мембраны погружены в водную фазу. Многие белки наружной поверхности мембраны представляют собой гликопротеины; их гидрофильные сахаридные группы обращены во внеклеточную среду [216].

Диффузия – это наиболее важный процесс, благодаря которому большая часть молекул в водных растворах перемещается на небольшие расстояния. Это относится и к их движению в клетке, поскольку диффузии не препятствуют мембраны. Множество веществ могут свободно диффундировать через липидные мембраны, в особенности вода и растворенные газы, такие, как, например O2 или CO2. Жирорастворимые вещества и стероидные гормоны также хорошо диффундируют через мембраны; это касается и полярных молекул достаточно малого размера, таких, как этанол и мочевина, тогда как сахара проходят через липидный слой с трудом. Вместе с тем липидные слои практически непроницаемы для заряженных молекул, в том числе даже для неорганических ионов [216,218].

Диффузия – это перенос вещества из одной области в другую при отсутствии перемешивания (механическим способом или конвекцией). Диффузия происходит при наличии градиента давления, градиента температуры, полей внешних сил, а также градиента концентрации [210].

Многие ионы, сахара, аминокислоты и нуклеотиды преодолевают мембрану через поры, образованные транспортными белками, погруженными в мембрану.

Внутри таких белков имеется заполненный водой канал, через который могут диффундировать малые молекулы. Скорость простой диффузии растворенных веществ через клеточную мембрану определяется тепловым движением перемещающихся по электрохимическому градиенту молекул, трансмембранным концентрационным градиентом вещества и его растворимостью (коэффициентом проницаемости) в гидрофобном слое мембраны. Растворимость обратно пропорциональна числу водородных связей, которые должны быть разорваны, чтобы растворенное в водной среде вещество оказалось включенным в гидрофобный слой. Электролиты, слабо растворимые в липидах, не образуют с водой водородных связей, но и они обладают водной оболочкой, образующейся в результате электростатических взаимодействий.

Размер оболочки прямо пропорционален плотности заряда электролита. Электролиты с большей плотностью заряда обладают большей гидратной оболочкой и, таким образом, меньшей скоростью диффузии. Ионы натрия, например, характеризуются большей плотностью заряда, чем ионы калия. Следовательно, гидратированный ион натрия имеет больший размер, чем ион калия, и его скорость пассивной диффузии ниже [145, 216,218].

Мембранные каналы обладают относительной избирательностью по отношению к типу молекул, которые могут проходить через них. Существуют, например, калиевые, натриевые и кальциевые каналы, каждый из которых непроницаем практически для любого иона, кроме специфического. Такая избирательность обусловлена зарядом или структурой мест связывания в стенках канала, что облегчает транспорт специфической молекулы и предотвращает проникновение через канал других веществ. В тоже время один ион может регулировать активность канала, проницаемого для другого иона [216, 218-222].

Молекулы, которые сами не могут пересекать липидный бислой используют для этого белки-переносчики с которыми они связываются. Такое перемещение может происходить двумя способами: путем облегченной диффузии или активного транспорта с помощью высокоспецифичных транспортных систем. Облегченная диффузия и активный транспорт во многом сходны. Оба процесса осуществляются при участии специальных белков-переносчиков и для обоих характерна специфичность к ионам, сахарам и аминокислотам. Основные различия между облегченной диффузией и активным транспортом состоят в следующем: 1) облегченная диффузия может осуществляться в обоих направлениях, тогда как активный транспорт – обычно лишь в одном; 2) активный транспорт всегда идет против электрического или химического градиента и требует энергетических затрат [218]. Схематично механизм облегченной диффузии выглядит достаточно просто: согласно существующим на сегодняшний день представлениям, белок-переносчик может находиться в двух основных конформациях.

В одном состоянии он экспортирован в раствор с высокой концентрацией вещества и молекулы последнего могут связываться со специфическими участками белка. В результате конформационных изменений в белке участки связывания вместе с переносимым веществом экспортируются в раствор с низкой его концентрацией. Этот процесс полностью обратим и суммарный поток вещества через мембрану определяется его концентрационным градиентом. Скорость, с которой растворенное вещество поступает в клетку, зависит от следующих факторов: 1) трансмембранного концентрационного градиента; 2) количества белка-переносчика; 3) быстроты связывания вещества с переносчиком; 4) быстроты конформационных изменений нагруженного и ненагруженного переносчика.

Процесс активного транспорта отличается от диффузии тем, что он сопровождается смещением состояния системы от термодинамического равновесия и, следовательно, требует энергетических затрат. Источником энергии могут быть гидролиз АТФ, процесс переноса электронов или свет. Поддержание электрохимических градиентов играет столь большую роль в биологических системах, что на него затрачивается около 30-40% всей потребляемой клеткой энергии [145,218].

Рассмотренные механизмы прекрасно иллюстрируются на примере транспорта глюкозы в клетку – первого этапа утилизации энергии. Исключением из общего правила является печень, в которой такой специфический процесс не обнаружен. В клетки печени глюкоза поступает путем простой диффузии по концентрационному градиенту, который всегда чрезвычайно велик из-за быстрого превращения внутри клетки глюкозы в глюкозо-6-фосфат. В другие клетки (жировые, и в еще большей степени в мышечные) глюкоза поступает с помощью специфической транспортной системы, регуляция которой осуществляется инсулином.

Рассматривая транспорт глюкозы, мы сталкиваемся с различными аспектами транспорта веществ, рассмотренными выше. Глюкоза и Na+ связываются с разными участками переносчика глюкозы. При этом Na+ поступает в клетку под действием электрохимического градиента и "тащит" глюкозу за собой. Таким образом, чем круче градиент Na+, тем больше поступает глюкозы, и, если концентрация Na+ во внеклеточной жидкости уменьшается, транспорт глюкозы подавляется. Чтобы поддерживать необходимый для работы переносчика Na+ /глюкозы градиент Na+, используется Na+ / K+ -насос, поддерживающий низкую внутриклеточную концентрацию Na+. Аналогичные механизмы используются клетками для транспорта других сахаров, а также аминокислот [218].

1.3 Анализ динамики осмотического набухания и дегидратации биотканей Первичный количественный анализ динамики осмотического набухания биотканей может быть выполнен в рамках достаточно простой феноменологической модели, основанной на предположении об аддитивности объемов исследуемых образцов биоткани и осмотически поглощаемой или теряемой ими жидкости [122].

Определим степень набухания образца биоткани в каждый момент времени как (см. ур-ние 7):

M t - M t = 0 Mosm t Vosm t osm ( ) ( ) ( ) ( ) H t == =, (8) ( ) M t = 0 M t = 0 M t = ( ) ( ) ( ) где Vosm и Mosm – объем и масса осмотически активной жидкости, поглощенной образцом биоткани, и osm – ее плотность. В данном приближении объем исследуемого образца биоткани определяется выражением V t =V t = 0 +Vosm t =V t = 0 + H t M t = 0 osm, (9) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) где V t – объем набухающего образца биоткани в каждый момент времени.

( ) Поскольку набухание биоткани связано с диффузией внутрь образца осмотически активной жидкости, то описание экспериментально измеренной динамики изменения степени набухания может быть выполнено на основе уравнения, описывающего диффузию жидкости через проницаемую мембрану. Рассмотрим это уравнение подробнее.

Первый закон Фика [125,126,215] связывает поток вещества J (т.е. количество вещества проходящее в единицу времени через единицу площади перпендикулярной направлению движения) с градиентом концентрации:

dC J =-D, (10) dx где D – коэффициент диффузии, см2/сек и С – концентрация диффундирующего вещества, г/мл. При стационарном транспорте через тонкую мембрану производную от концентрации можно заменить конечной разностью концентраций, отнесенной к толщине мембраны [125]. Тогда C -CC J =-D =-D = P C0 -C. (11) () x l Величина P = D l называется коэффициентом проницаемости и измеряется в см/сек.

Здесь С и C0 – концентрация диффундирующего вещества по обе стороны мембраны и l – толщина мембраны, см.

С помощью закона Фика для диффузии через тонкую мембрану (ур-ние 11) можно найти изменение концентрации в замкнутом объеме V (исследуемый образец биоткани) окруженном проницаемой мембраной площадью S [125]. Полный поток вещества в единицу времени, направленный внутрь объема, равен J S, а скорость ( ) изменения концентрации в этом объеме определяется выражением dC PS = C0 -C. (12) () dt V В данном случае С – концентрация вещества внутри замкнутой области и C0 – концентрация вещества вне ее. Зависимость концентрации от времени можно получить, проинтегрировав выражение (12) [125]:

Ct dC PS = dt, C0 -C V C=0 t=откуда C0 -C PS ln =- t, C0 V или PS C t = C0 1- exp- t. (13) ( ) V Полученное выражение показывает, что процесс установления равновесной концентрации носит экспоненциальный характер.

Итак, для описания экспериментально измеренной динамики изменения степени набухания будем использовать феноменологическое уравнение, подобное уравнению (13), описывающему диффузию жидкости через проницаемую мембрану:

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 11 |






















© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.