<<
>>

Биофизическая и биохимическая характеристики хрусталика ИМ Логай, Н.Ф. Леус

"Ѵ^уСтаЛИК человека представляет собой -^-¾- своеобразный сосуд, который содержит в среднем65% воды и 35% органических соединений. Причем в последнем случае речь идет в основном о структурных протеинах, составляющих наибольшую часть сухой массы вещества хрусталика и поэтому играющих важную роль как в трансмиссии, так и в абсорбции и отражении света при его прохождении через этот орган.

Степень гидратации и, возможно, наличие мукополисахаридов как цементирующих компонентов между волокнами хрусталика также имеют существенное значение для прозрачности последнего.

Способность хрусталика к аккомодации прежде всего обусловлена возможностью изменения собственной кривизны, а также имеющимся различием рефракционных свойств хрусталика и окружающей его жидкости передней и задней камеры.

Указанные факторы зависят главным образом от химического состава хрусталика и, в первую очередь, от состояния и концентрации белков, обладающих высокими показателями рефракции и большим содержанием воды. В зависимости от баланса этих двух компонентов в процессе аккомодации ведущую роль может играть или изменение кривизны хрусталика, или движение его вдоль зрительной оси. Первый вариант обусловлен высоким уровнем воды в хрусталике и отмечается у птиц (содержание воды более 80%), второй характерен для рыб, в хрусталике которых наблюдается относительно высокая концентрация белков. Содержание воды в хрусталике человека варьирует от 60 до 70% в зависимости от возраста. Как правило, с возрастом содержание воды в хрусталике заметно уменьшается.

В массе хрусталика вода находится главным образом внутри клеток (90%) и лишь незначительная её часть занимает внеклеточное пространство(10%). Внутри клетки вода может быть как в свободном состоянии, так и в связанном с белками (54%), при этом только 3-4% связанной с белками воды можно считать прочно связанной.

Вода в хрусталике играет важную роль в состоянии его оптических свойств (светорассеивание и рефракция). Процессы, приводящие к изменению рефракционного индекса, принято называть синерезисом. Между синерезисом, степенью мутности и размером светорассеивающих единиц отмечаются довольно сложные взаимоотношения. Их взаимосвязь и роль воды в этих процессах изучается с помощью методов ядерного магнитного резонанса и дифференциальной сканирующей калориметрии.

При анализе случаев ядерной катаракты выявлено, что синерезис играет ведущую роль в катарактогенезе. Так, приблизитель- но42% мутности хрусталика при ядерной катаракте можно отнести за счет вызываемых синерезисом изменений рефракционного индекса и только 14% помутнений обусловлено процессами агрегации хрустаЛИКОВЫХ компонентов.

Соотношение уровня воды и содержания белков в различных участках хрусталика варьирует. Это соотношение в значительной мере определяет изменение оптических свойств хрусталика при температурных воздействиях.

В последнее время получены убедительные данные о том, что при катарактогенезе отмечаются значительные изменения в состоянии воды в хрусталике. Так, в мутном хрусталике изменяется соотношение уровней свободной и связанной воды, при этом содержание свободной воды увеличивается.

Хрусталик человека отличается высоким содержанием калия — 170 мг/ 100 г сырого веса и примерно в половину меньшим уровнем натрия — 91мг/ 100 г сырого веса. Как и в других тканях организма, калий сосредоточен главным образом во внутриклеточном пространстве, а натрий — во внеклеточном. В зависимости от возраста человека и состояния хрусталика соотношение уровней калия и натрия может значительно изменяться.

В хрусталике отмечается значительный концентрационный градиент ионовК"1" и Na+ по отношению к внутрикамерной влаге: уровень ионовК+ и катионовЫа+ в нем составляет 20 и120тМ, тогда как в жидкости камеры — 150 и 5 тМ соответственно. Поддержание ионного баланса является важ- нымрегуляторньіМ механизмом метаболизма.

Так, в частности, синтез белков в хрусталике контролируется соотношением ионовК+ иЫа+. Транспорт ионов в хрусталик является энергозависимым процессом и осуществляется эпителиальными АТФ- азами. Посредством активного транспорта через эпителий хрусталика поступают аминокислоты; важным звеном в механизме этого процесса является уровень ионов

Ca2+.

В хрусталике нормального глаза у лиц молодого возраста содержание кальция составляет 1,4 мг/ 100 г сырой массы; в дальнейшем, а особенно при развитии возрастной катаракты, уровень кальция повышается. В склеротическом ядре хрусталика более 3% зольного остатка составляет кальций, тогда как в норме эта величина не пре- вышает1%. Одной из наиболее важных функций кальция в хрусталике является поддержание нормальной проницаемости мембран.

При развитии сенильной катаракты содержание кальция значительно возрастает (почти в 10 раз); при этом он переходит в нерастворимые формы и может даже откладываться в виде кристаллов (карбоната и оксалата), формируясфѳрОЛИТЫ до 0,25 мм в диаметре.

Хрусталик отличается сравнительно высоким уровнем магния — 0,3 мг/100 г сырого веса, что значительно превышает потребность в нем ферментных систем, где он выступает как кофактор аденозинтрифос- фатаз, киназ, мутаз, им активируемых.

Из анионов в хрусталике отмечаются значительные концентрации хлорида, карбоната, фосфата и сульфита. Хлориды нелегко проходят через мембраны хрусталиКОВЫХ волокон и локализованы главным образом во внеклеточном пространстве; повышение уровня хлоридов в хрусталике, как правило, свидетельствует о нарушении мембранной проницаемости для анионов. Содержание хлоридов в хрусталике варьирует от 24 до 69 мг/ 100 г сырой массы. Большая часть хлоридов в коре и ядре хрусталика находится в свободном состоянии и легко обменивается.

Функция карбонат-аниона связана главным образом с поддержанием постоянства концентрации ионов водорода (рН 7,4).

На долю фосфатов приходится до 39% зольного остатка хрусталика. Из этого количества только 10% составляет неорганический фосфат, остальная же главная часть его представлена различными органическими фосфатами.

В хрусталике человека обнаружено большинство микроэлементов, встречающихся в теле человека и животного. Следует отметить такие металлы, как цинк, железо, селен, являющиеся кофакторами важнейших энзиматических систем, обеспечивающих метаболизм и стабильность хрусТаЛИКОВЫХ компонентов. В большинстве случаев при старении человека и образовании возрастной катаракты в хрусталике было отмечено заметное повышение концентрации ионов меди.

В последнее время значительно возрос интерес к вопросу о влиянии микроэлементов на хрусталик, что связано с негативным воздействием загрязнений окружающей среды на организм как человека, так и животных.

Среди органических веществ с низкой молекулярной массой необходимо в первую очередь отметить фосфорсодержащие соединения — аденилОВЫе НуклеОТИДЫ, включающие в свой составЗДенОЗИНМОНО-, ди- и трифосфорные кислоты. Последняя является универсальным переносчиком энергии возбужденного электрона окисляемых соединений к разнообразным биохимическим процессам жизнеобеспечения, протекающим с потреблением энергии химической связи АТФ. КаденилОВЫМ нуклеотидам относится и группаНИКОТИНамидныХ кофер- ментов (NAD, NADN, NADF и NADFN), участвующих во всех окислительно-восстановительных процессах и реакциях восстановительного биосинтеза.

В хрусталике также обнаружены различные триозо-, пентозо- иГеКСОЗОфосфаты, принимающие участие в различных метаболических процессах, а также креатин-фосфат, частично депонирующий энергию АТФ.

В хрусталике присутствуют и другие азотистые нуклеотиды, используемые для синтеза РНК и ДНК, фосфолипидов, полисахаридов (гуанозин-, уридин-, моно-, ди- и трифосфаты).

Хрусталик отличается чрезвычайно высокой концентрацией глутатиона

(9,5-15 мкмоль/г).

Трипептид глутатион играет важную роль в обмене веществ хрусталика и поддержании нативности всех его компонентов. Конкретно о роли глутатионовой системы хрусталика будет сказано ниже.

В хрусталике обнаружены все известные витамины, при этом обращает на себя внимание очень высокое содержание аскорбиновой кислоты(0,5_1,1 нмоль/г).

Основное значение аскорбиновой кислоты в хрусталике заключается в обеспечении стабильности его белковых и мембранных компонентов.

В хрусталике находятся различные моносахариды, главным образом глюкоза, уровень которой почти в 10 раз ниже ее содержания во внутриглазной жидкости — 10 мг/ 100 г сырой массы. Углеводы поступают в хрусталик посредством энергозависимого процесса — так называемой облегченной диффузии — и используются в энергопродуцирующих и биосинтетических процессах.

Поступающая в хрусталик глюкоза в основном фосфорилируется и метаболизиру- ет по одному из двух путей: гликолиза или пентозофосфатного цикла. Первый наиболее активен, хотя энергетически малоэффективен, и приводит к образованию молочной кислоты. В последующем аэробном цик- леТрикарбоНОВЫХ кислот, через который метаболизируется только 3% поступающей в хрусталик глюкозы, продуцируется более 25% АТФ хрусталика.

Черезпентозо-фосфатный цикл в хрусталике метаболизируется только 5% глюкозы, однако его роль чрезвычайно важна для биосинтетических процессов и в первую очередь — для регенерации восстановленной формы глутатиона. И наконец, часть глюкозы, поступающей в хрусталик, повреждается в сорбитах (сорбиТОЛОВЫЙ путь), в нормальном хрусталике не более 5% глюкозы проходит через этот путь. Однако при сахарном диабете этот путь играет, по всей вероятности, важнейшую роль в развитии диабетической катаракты. Поэтому использование ингибиторов альдозоредуктазы, ключевого фермента этого пути, может быть перспективным в лечебно-профилактическом отношении.

Содержание липидов в хрусталике не- высоко(1 % общей массы хрусталика), хотя в нем обнаруживаются представители всех групп липидов — ГЛИЦерИДЫ, сфинголипи- ДЫ, ГЛИКОЛИПИДЫ истерины. Основная роль липидов в хрусталике определяется их участием в построении мембранных структур — на их долю приходится 55% сухого веса плазматических мембран (преимущественно холестерин).

Капсула хрусталика представляет собой бесклеточную структуру, состоящую в основном из коллагена, связанного с гликоп- ротеинами.МуКОПОЛИСахариДЫ, входящие в состав капсулы, секретируются в передней ее части эпителием хрусталика, а в задней — кортикальными фибриллами.

Из мукополисахаридов гепаринсульфат играет важную роль в организации структуры матрикса и поддержании прозрачности капсулы.

К базальной пластинке передней капсулы плотно прилежит один слой высокодифференцированных эпителиальных клеток, обладающих значительной метаболической активностью, включая синтез ДНК, РНК, белков, липидов, и способностью генерировать АТФ для энергетических путей хрусталика. Наиболее активно синтез ДНК протекает в так называемой герминативной зоне — ограниченном кольцевом участке передней поверхности хрусталика. Образующиеся здесь клетки мигрируют в экваториальном направлении, где они дифференцируются в фибриллы.

В своей массе кора и ядро хрусталика состоят из фибрилл, включающих белковый матрикс, окруженный двухслойной липидной мембраной. Химический состав плазматических мембранХрусталикОБЫХ волокон отличается стабильностью и ригидностью. Характерно высокое содержание насыщенных жирных кислот, высокий холестерол- фосфолипидный индекс и повышенная концентрация сфингомиелина. Все эти компоненты способствуют плотной упаковке и

низкой текучести мембран.

С возрастом показатели соотношений белки/ липиды ихолестерол/ ЛИПИДЫ возрастают, особенно это касается ядра, главным образом за счет потери фосфолипидов.

Концентрация белков в хрусталике составляет приблизительно 35% влажного веса, что в 2 раза превышает аналогичный показатель в большинстве других тканей. Основная масса белков хрусталика представляет собой структурные протеины, которые входят в состав волокон хрусталика. Эти белки делятся на две большие группы: водорастворимые и ВОДОНерЗСТВОрИМЫе. Большинство водорастворимых белков входят в одну из трех больших групп:ОС-, (3- и у- КрИСТЗЛЛИНЫ (их количественное соотношение 32, 55, 65% соответственно). Эти группы отличаются молекулярной массой и локализацией:И-фракция впервые появляется в эпителии, (3- и у- — в кортикальных волокнах. Наиболее высокомолекулярные белковые агрегаты, состоящие из а- и (З-КрИ- сталлинов, их концентрация повышается от коркового слоя к ядру хрусталика, это так называемыеНМ-КрИСТаллины. Белки с энзиматической активностью распределяются в основном во фракциях а- и р-кристал- линов.

Среди нерастворимых в воде белков более половины (55%) являются собственно мембранными протеинами (МР). Другая группа белков — актины (F-актин фибриллярный и G-актин глобулярный); функция этих белков заключается в поддержании цитоскелета нормального хрусталика, а также в их возможном участии в аккомодации.

Содержание нуклеиновых кислот в хрусталике весьма низкое, особенно низкий уровень ДНК, вследствие небольшого числа ядросодержащих клеток. Количество РНК в хрусталике человека составляет 50- 60MKr/ 100 г влажного веса. При этом в эпителии и волокнах содержатся разные типы РНК: в клетках эпителия — короткоживущие РНК, а в волокнах — долгоживущие. Интересно отметить, что синтез белка в волокнах не нарушается после блокирования транскрипции актиномицином Д.

Главной особенностью клеток эпителия хрусталика является их способность исправлять поврежденные участки ДНК (поврежденная ДНК активирует эндонуклеазу, которая отщепляет поврежденный участок ДНК, далее с помощьюПОЛИМеразы, экзонуклеазы иполинуклеотидлигазы происходит встраивание соответствующего исправленного фрагмента на его место). Это очень важное свойство генетического аппарата КЛ6Т0К хрусталикового эпителия, учитывая тот факт, что хрусталик не имеет возможности сбрасывать мертвые или поврежденные клетки.

Медико-социальное значение возрастной катаракты трудно переоценить, поскольку в настоящее время она является наиболее частой причиной слепоты. Ежегодно более 2 млн человек теряют зрение вследствие катаракты. В перспективе количество таких больных, по всей вероятности, будет расти в связи с увеличением продолжительности жизни населения. А вследствие повышения уровня общего фона радиации на земном шаре можно ожидать не только увеличение частоты возникновения катаракты, но и развитие её у лиц более молодого возраста.

Длительное время среди офтальмологов доминировало представление, что катаракта — неизбежный результат процесса старения тканей глаза. Это в значительной степени тормозило развитие исследований по изучению патогенеза возрастной катаракты и разработке способов профилактики её развития.

Основной вид помощи больным катарактой заключается в оперативном удалении помутневшего хрусталика. Но, несмотря на значительные успехи в микрохирургии катаракты в последние три десятилетия, проблема борьбы с инвалидностью по зрению вследствие катаракты не может быть решена только хирургическим путем. Хирургический путь не уменьшает нарастающего потока больных и не может обеспечить снижение высокого процента инвалидности в связи с не всегда высокой остротой зрения после операции и профессиональными ограничениями. Однако эффективных медикаментозных методов лечения катаракты, а также способов её профилактики до настоящего времени нет.

В то же время результаты клинических наблюдений и экспериментальных исследований дают основание полагать, что изменения, возникающие при старении, приводят к образованию помутнений в хрусталике, но развитие катаракты не является неизбежным.

Радикально проблема катаракты может быть решена только путем разработки методов профилактики заболевания и стабилизации его в начальной стадии при еще хорошем зрении с учетом фундаментального изучения причин и механизмов развития этой патологии хрусталика.

В целях разработки эффективных методов предупреждения и лечения катаракты учеными всего мира широко проводятся исследования для выяснения патогенетических основ катарактогенеза.

Основные направления, по которым осуществляется изучение патогенеза возрастной катаракты, приведены ниже. Прежде всего это детальное выяснение конкретных механизмов катарактогенеза на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях; определение прямых и дополнительных (косвенных)катарактогенньіХ факторов и исследование механизмов их действия; разработка способов предупреждения возрастной катаракты (элементарных, физических, биологических и др.) и методов лечения ее путем воздействия на основное звено или комплекс звеньев, ответственных за развитие заболевания.

По первому направлению основные успехи достигнуты при изучении физико-химических, биохимических и биофизических процессов в мутнеющем хрусталике, главным образом в экспериментальных условиях.

Как уже указывалось, хрусталик является уникальной структурой, состоящей в основном из белков и ЛИПОПрОТеИДНЫХ плазматических мембран хрусталикОБЫХ волокон. Данные литературы и результаты наших исследований свидетельствуют о

том, что начальные изменения при развитии ядерной катаракты обусловлены повреждениями в компоновкеХрустаЛИКОВЫХ волокон или их мембран, изменениями в структуре белковых молекул, в частности, их химической модификацией и полимеризацией, а также образованием хромогенов в хрусталике.

Следует отметить, что с возрастом в хрусталике происходит ряд изменений, которые можно рассматривать как признаки старения: относительное повышение уровня нерастворимых белков, снижение уровня свобод- ныхСуЛЬфгИДрильньіХ групп, появление пигментированных соединений и увеличение концентрации флуорогенов. Наиболее выражены указанные изменения в ядре хрусталика, и считается, что именно они лежат в основе физико-химического механизма образования ядерной катаракты. В повышении светорассеивания главная роль принадлежит процессам полимеризации белков, вследствие чего возрастают размеры белковых молекул и изменяются их оптические параметры; при этом уровень низкомолекулярных белков в хрусталике снижается. В полимеризации и деградации белковых молекул значительную роль играет образование ДИСульфидных связей, вследствие чего снижается уровеньу-криСТаЛЛИНОВ, содержащих наибольшее количество сульфгидриль- ных групп.

Существенную роль играет также расщепление ряда химических связей, окисление метионина, дезаминирование, неферментативное гликолизирование белков. Необходимо указать, что повреждение белков хрусталика, как правило, сочетается с процессами дезинтеграции мембранных компонентов хрусталиковых волокон и образованием плотныхГрОЗДЬевидньіХ агрегатов, состоящих из высокомолекулярных белков, связанныхДИСульфидньіМИ связями с полипептидными участками ЛИПОГфОТеиднЫХ мембран хрусталиковых волокон.

В ряде случаев помутнение хрусталика сопровождается окрашиванием его ядра в желто-коричневый цвет различной интенсивности, главным образом за счет образования пигментов из флуорогенов, которые, действуя какХроматофоры, поглощают энергию коротковолновой части спектра видимого света.Флуорогены образуются за счет окисления триптофана с образованием N-формилкинуренина и других окрашенных веществ. При этом следует отметить, что фотоны этого участка спектра, обладая значительной энергией (3-4,5 eV), способны вызывать не только возбуждение электронов в хроматофорах, но и расщеплять определенные химические связи. В общем ге- нез ядерной катаракты можно рассматривать как резко ускоренный (патологический) процесс старения хрусталика.

Принципиально отличительной чертой кортикальной катаракты является увеличение межклеточного пространства и нарушение равномерного распределения белков в хрусталиковых волокнах за счет появления большого числа нерегулярных межповерхностных расстояний в упаковке белковых молекул.

В механизме кортикальных помутнений существенную роль играют также значительные изменения в конфигурации и агрегации белков, нарушающие плотность их упаковки в хрусталиковых волокнах и приводящие к снижению прозрачности вещества хрусталика за счет повышения светорассеивания. Как и при ядерной форме катаракты, при кортикальной могут образовываться агрегаты за счет дисульфидных связей из высокомолекулярных белков и полипептидов мембран, однако при кортикальной катаракте эти комплексы отрываются от мембран, расщепляя их на фрагменты, переходящие в пространство цитоплазмы.

В образовании помутнения при кортикальной катаракте, особенно на ранних этапах ее развития, значительную роль может играть и "осмотический" механизм, в основе которого лежат нарушения процессов транспорта ионов, приводящие к изменению их соотношения и концентрации, в частности, к повышению уровня ионов натрия в хрусталике. При этом первичные повреждения могут возникать как непосредственно в механизмах транспорта ионов и прони-

Рис. 3.1. Нормальный метаболизм хрусталика

цаемости мембран, так и в процессах энергетического обеспечения мембранных функций: аккумуляции энергии, тканевого дыхания, углеводного обмена и т.д. (рис. 3.1).

Подобного рода биохимические механизмы образования катаракты отчетливо показаны в случае врожденной, а также диабетической и галактозной катаракт: наличие ингибитора мембранного фермента — K/Na-аденозинтрифосфатазы при врожденной катаракте и осмотическое набухание хрусталика вследствие накопления полиолов, образуемых альдозоредуктазой при повышении концентрации сахара в хруста-

<< | >>
Источник: З.Ф. Веселовская. Катаракта. 2002

Еще по теме Биофизическая и биохимическая характеристики хрусталика ИМ Логай, Н.Ф. Леус:

  1. Оглавление
  2. Предисловие
  3. Биофизическая и биохимическая характеристики хрусталика ИМ Логай, Н.Ф. Леус
  4. Биофизическая и биохимическая характеристики хрусталика
- Акушерство и гинекология - Анатомия - Андрология - Биология - Болезни уха, горла и носа - Валеология - Ветеринария - Внутренние болезни - Военно-полевая медицина - Восстановительная медицина - Гастроэнтерология и гепатология - Гематология - Геронтология, гериатрия - Гигиена и санэпидконтроль - Дерматология - Диетология - Здравоохранение - Иммунология и аллергология - Интенсивная терапия, анестезиология и реанимация - Инфекционные заболевания - Информационные технологии в медицине - История медицины - Кардиология - Клинические методы диагностики - Кожные и венерические болезни - Комплементарная медицина - Лучевая диагностика, лучевая терапия - Маммология - Медицина катастроф - Медицинская паразитология - Медицинская этика - Медицинские приборы - Медицинское право - Наследственные болезни - Неврология и нейрохирургия - Нефрология - Онкология - Организация системы здравоохранения - Оториноларингология - Офтальмология - Патофизиология - Педиатрия - Приборы медицинского назначения - Психиатрия - Психология - Пульмонология - Стоматология - Судебная медицина - Токсикология - Травматология - Фармакология и фармацевтика - Физиология - Фтизиатрия - Хирургия - Эмбриология и гистология - Эпидемиология -