CC BY
30
Химия, биология
лагена (рис. 2, а), а к 10-м сут. эти показатели достигают максимальных значений (число слоев 9Д±0,6) и стабилизируются, При тяжелом стрессе фибробласти-ческая капсула начинает строиться с 10 суток (2,6±0,4 слоя фибробластов), к 15-ти суткам количество слоев фибробластов увеличивается до 7,2±0,6 (Р<0,05) и до 30 суток не меняется, Толщина капсулы и объемная доля коллагена в течение всего срока наблюдения почти вдвое меньше, чем в контроле (Р<0,05; рис, 2, б). При введении метаболитов стресс-лимитирующих систем к концу пятых суток фибробла-сты формируют тонкую капсулу (2,2±0,5 слоя клеток), в которой выявляется достаточно большое количество коллагена (рис. 2, в). До 15-ти суток число слоев фибробластов в капсуле быстро нарастает, но синтез коллагена идет медленнее, чем у животных контрольной группы. К 30-ти суткам, за счет созревания коллагена, его объемная доля в капсуле значительно увеличивается, а объемная доля фибробластов уменьшается. В результате, в условиях ограничения стресса капсула формируется более прочная и зрелая, чем в условиях тяжелого нелимитированного стресса, и, вместе с тем, более тонкая, по сравнению с животными контрольной группы.
Таким образом, затяжное течение воспаления в условиях тяжелого стресса обусловлено пролонгированием острого и репаративного периодов и завершается формированием тонкой и незрелой фибробла-стической капсулы. Ограничение стресса в ранние этапы воспаления введением метаболитов стресс-лимитирующих систем сокращает продолжительность острого периода и приводит к более быстрому фор-
мированию зрелой, тонкой и прочной фибробластиче-
ской капсулы.
Библиографический список
1, Автандилов Г.Г, Медицинская морфометрия, - М,: Медицина, 1990, - 384 с.
2, Барабой В.А., Брахман И.И., Голотин В.Г, и др, Перекис-ное окисление и стресс, - СПб.: Наука, 1992. - 149 с,
3, Васильева АС„ Макарова И,Г., Малышев В,В, Затяжной характер асептического воспаления при стрессе II Механизмы патологических реакций, - Иркутск, 1991, - С, 68.
4, Майборода A.A. К методике параметризации функции соединительной ткани в очаге асептического повреждения I! Сб, работ по рационализации, - Иркутск, 1974, -Вып. 6, - С, 90-93.
5, Малышев В.В„ Васильева АС., Белогоров С.Б., Нефедова T.B. II Бюл. эксперим. биологии и медицины. - 1995. -№6, - С. 590-593,
6, Малышев В,В., Васильева ЛС„ Кузьменко В.В, Взаимосвязь воспаления и стресса - общебиологическая закономерность, определяющая принцип оптимизации воспалительного процесса II Успехи современ, биологии, -1997. - Т. 117, вып. 4. - С, 405-420.
7, Меерсон Ф.З. Адаптация, стресс и профилактика. - М,: Наука, 1981, - 278 е..
8, Молдавкин Г.М., Благова O.E., Савченко Н,М, II Фарма-кол. и токсикол, - 1988. - №3 - С, 11-12,
9, Зозуля A.A., Пшеничкин С,Ф. //ВИНИТИ Итоги науки и техники, - Сер, Иммунология, - Т.25. - М„ 1990, - С,48-120.
10, Weissmann G., Smolen J.E., Hoffstein S. Pdymorphonuclea leuko-cytes as secrefoiy organs of ¡nSammaiion, II J, Invesl. Dermoid -1978,-Vd 71, № l.-P, 95-99,
Е.В.Шевченко
Стабильность липндных пленок
Жидкие кристаллы смектического типа обнаружены во всех клеточных мембранах, где они формируют бимолекулярные слои, Химический состав смектиков весьма многообразен, но основным компонентом являются, как правило, фосфолипиды. Бимолекулярный слой фосфолипидов динамичен, его структура во многом зависит от температуры, химического состава среды, электрических полей. Липидный бимолекулярный слой клеточных мембран может находиться в двух структурно различающихся состояниях - гель-фазе и жидкокристаллическом состоянии. Температура фазового перехода при этом зависит от свойств окружающей среды и внешних воздействий. Поэтому переход между конформационно различающимися состояниями может быть вызван не только изменением температуры, но и изменением химического состава примем-
бранной области, механическими воздействиями, о также изменениями электрического и магнитного полей.
Фазовые превращения липидов играют важную роль в слиянии клеток, осмосе и транспорте веществ, В живых клетках существует целая система биохимических процессов, призванных ослабить эффект фазового перехода, сместить его в область отрицательных температур.
Фундаментальные биологические процессы, такие, как межклеточные взаимодействия, клеточная адгезия и слияние, фаго- и эндоцитоз, клеточное деление включают в качестве необходимого звена физические механизмы, определяющие стабильность мембран. Основное условие стабильности определяется, как известно, термодинамикой: мембрана стабильна, когда
■■ У.-.-4 .. ' , ' Л о Химия, биология й ' г'',,;.. 'V „г7. \ 'V '.
ее энергия имеет минимум в пространстве независимых переменных термодинамических параметров (давления, температуры, термодинамического потенциала, поверхностного натяжения и т.д.). Это означает, что любое изменение термодинамических параметров будет приводить к возрастанию энергии системы, а следовательно, к переходу в нестабильное состояние. Если скорость изменения системы мала, то можно считать такое состояние метастабильным,
Стабильность бислойных липидных мембран (БАМ) характеризуется временем жизни [1]. Время жизни мембран зависит от наличия в них дефектов типа сквозных пор, изменяющих радиус в течение жизни мембраны. В зависимости от внешних параметров мембраны поры могут залечиваться, сливаться между собой и диффундировать как единое целое либо находиться в стационарном состоянии, Залечивание мембраны приводит к стабилизации мембраны, обратный процесс - рост поры - приводит в конечном итоге к механическому разрушению мембраны. Таким образом, наличие поры является регулирующим фактором, определяющим поведение мембраны в целом.
Пора по своему происхождению связана с дефектами кристаллической решетки липидного монослоя. Развитие поры начинается с молекулярных превращений, сопровождающих фазовый переход, при этом гош-форма молекул фосфолипидов переходит в трансформу с максимально вытянутыми жирнокислотными хвостами. Средняя площадь на молекулу уменьшается и в монослое образуется пустота, эволюционирующая в дальнейшем в гидрофильную пору.
Стабильность мембран нарушается в результате стресса, вызванного изменением внешним электрическим полем, приводящем к электрическому пробою мембраны, давления, ускоряющего коллапс мембраны, тепловых воздействий в области фазового перехода. Однако визуализировать отдельные поры удалось только в начале 80-х годов, когда впервые электрическими методами были зарегистрированы флуктуации тока через бислойные липидные мембраны, возникающие в области фазового перехода. Эти флуктуации объяснялись появлением сквозных пор, Таким образом, появилась возможность непосредственно изучать свойства мембран и появляющихся пор. В дальнейших исследованиях фазовые переходы запускались не только изменением температуры, но и изменениями условий окружающей среды (рН и двухвалентными ионами) и электрическим напряжением. В наших исследованиях применялись слабые электрические поля, соответствующие физиологическим условиям и далекие от электрического пробоя мембраны.
Замораживание липидной мембраны в результате фазового перехода жидкий кристалл - гель сопровождается значительным замедлением диффузионных процессов в мембране, что должно приводить к замедлению процессов залечивания и разрыва мембран, Эта
особенность приводит к возможности разделения времени жизни пор и мембран,
Термодинамический анализ показывает, что основной вклад в структурные изменения липидного монослоя в процессе формирования поры вносит изменение упругой энергии монослоя. Этот параметр определяется изменением площади, приходящейся на молекулу фосфолипида. Равновесное состояние монослоя поддерживается за счет баланса упругой энергии и краевой энергии образовавшегося дефекта. Такое состояние может быть устойчивым , что способствует дальнейшей эволюции дырки в трансмембранную пору. Детали этого механизма неизвестны, однако можно предположить, что образованию гидрофильной поры предшествует этап формирования гиидрофобной поры, В дальнейшем такая пора может расти до некоторого критического радиуса, вслед за тем она либо залечивается, либо происходит разрыв мембраны,
Фактором, способствующим дестабилизации бис-лойной липидной мембраны, помимо фазового перехода или электрического пробоя является растяжение, создаваемое осмотическим давлением в липосомах или градиент давления в исходно плоских бислоях. Механизм этих воздействий имеет одну и ту же природу, связанную с появлением локальных дефектов липидного бислоя.
Критериями, определяющими стабильность мембраны, являются время жизни мембраны с порой, критический размер поры, время залечивания пор, высота энергетического барьера, определяющего переход поры из докритического в надкритическое состояние. Поры докритического радиуса могут довольно долго существовать в мембране, в то время как поры надкритического радиуса будут довольно быстро расти, обусловливая механическое разрушение мембраны. Расширение поры не сопровождается изменением толщины окружающих участков пленки, следовательно, в процессе растяжения скорости частиц параллельны плоскости пленки. Отметим, что натяжение бимолекулярной пленки может значительно повышать ее нормальное натяжение, примерно равное удвоенному поверхностному натяжению мембранообразующего раствора.
Свободные бимолекулярные пленки, разделяющие две одинаковые фазы, метастабильны, поэтому при ее разрыве свободная энергия системы снижается за счет исчезновения межфазных натяжений. Однако бислойные пленки могут быть неограниченно стабильны, так как процесс прорыва должен сопровождаться переходом через некоторый потенциальный барьер, соответствующий свободной энергии образовавшейся «критической дырки», находящейся в динамическом равновесии с окружением.
Будем считать, что возникновение и рост зачаточной дырки происходит за счет флуктуационного возникновения и расширения круглой дырки в начале
Химия,, биология
молекулярного размера. Зародышевая пора может возникнуть и вследствие флуктуаций плотности, которые появляются в бислоях фосфолипидов, В индивидуальной фазе флуктуации плотности около ее среднего значения будут небольшими, Однако при равновесии двух фаз эти флуктуации становятся значительными, так как плотность будет изменяться между крайними значениями, соответствующими плотности различных фаз: жидкокристаллического и геля. Так как при фазовом переходе резко изменяется величина поверхностного натяжения фосфолипидных бислоев [2], то можно предположить, что при этом будут флуктуировать и величины поверхностного натяжения в локальных ли-пидных бислоях.
Найдем вероятность образования зародышевой поры в мембране площадью . Если область пленки
£ находится в квазистацинарном состоянии (то есть в пленке есть только микроскопические зародышевые дырки), то состояние подсистемы будет определяться только ее энергией Е, Если же область пленки £ находится в двумерном состоянии (то есть на этом участке имеется макроскопическая дырка), то это состояние будет характеризоваться и размером зародыша.
Минимальная работа, необходимая для образования зародышевой поры, имеющей форму круга, равна Е = ~сг05 + у1, где сг0 - двумерное давление пленки, у - работа образования периметра зародыша на единицу длины, £ и / - площадь и периметр зародыша радиуса гп. Производная от работы образования поры обращается в нуль, когда гп =гкР ~у/о-о . Здесь г - критический радиус поры, определяющий состояние устойчивого равновесия, При гп < гкр зародыш стремится исчезнуть, а
при гп > г - вырасти до макроскопических размеров. Тогда вероятность прорыва бимолекулярной пленки на площади 51 в единицу времени будет [1]:
I/ = (акТ)]/ 2 ехр(тгу2 /окТ),
Ажгкрт]
где р - число дефектов на единицу площади пленки;
¡7 - двумерная вязкосгь; к - постоянная Больцмана;
Т - абсолютная температура. Авторы работы [1] пришли к выводу, что по измерению времени жизни бислойных пленок с порами можно оценивать линейное натяжение с высокой точностью,
Развитием теории нуклеации пор является вакан-сионный механизм [3]. Вакансионный рост зародыше-' вой дырки происходит за счет стока вакансий в дырку. Существование вакансионного механизма кинетики прорыва расширяет сферу применений теории разрыва черных пленок, Эти модели разрушения и ста-
бильности рассматривают поведение бислойных мембран, находящихся в одном агрегатном состоянии, чаще всего жидкокристаллическом. В то же время изменение темперагуры приводит к изменению целого ряда параметров, входящих в формулу, определяющую вероятность разрыва пленки или время ее жизни, Прежде всего, влияние температуры должно сказываться на величине двумерной вязкости и поверхностного натяжения. Изменение температуры способствует переходу вещества в другое фазовое состояние, Известно, что при переходе из жидкокристаллического состояния в гель-фазу скачком меняются многие параметры, в том числе поверхностное натяжение [4]. Собственно фазовый переход способствует формированию в мембране пор [5].
Время жизни мембраны с порой обратно пропорционально вероятности разрыва, Оно определяется критическими параметрами мембраны - критическим радиусом и энергетическим барьером. Критические параметры определяют судьбу мембраны с порой, Оба параметра зависят от поверхностного натяжения бислоя и линейного натяжения кромки поры. Переход мембраны в гель-фазу приводит к увеличению поверхностного натяжения в 5 раз [4], Теоретически с ростом поверхностного натяжения время жизни мембраны с порой должно уменьшаться. В эксперименте в гель-состоянии мембрана оставалась стабильной.
Для выяснения этого противоречия была, проведена оценка распределения проводимостей при длительном выдерживании мембраны при температуре фазового перехода, Оказалось, что такая процедура приводит к перераспределению проводимостей в сторону меньших значений. Такое явление известно в физике твердого тела как «отжиг дефектов». Перераспределение проводимостей говорит о том, что в гель-фазе в мембране присутствуют только дефекты малых радиусов, Такие поры относятся к докритическим и с большой вероятностью затекают. Их появление в мембране не приводит к разрыву пленки. Процесс является потен-циалозависимым. При наложении на мембрану внешнего напряжения также происходит перераспределение проводимостей в сторону меньших значений, то есть к уменьшению радиуса пор [6].
Таким образом, изменение размеров наиболее вероятных пор в сторону уменьшения и является причиной устойчивости мембраны с порой.
Эволюция поры в поле дефектов представляет самостоятельный интерес, Зависимость энергии поры от радиуса в поле радиусов выражается формулой
Е = 2 пут - 71Г2 ст.
Первый член представляет энергию, связанную с образованием поры, второй - изменение поверхностной энергии при появлении поры. Расчеты дают значение критической поры в жидкокристаллическом состоянии равное 10 нм, следовательно, поры с радиусом, меньшим этого значения, будут с большой веро-
ятностью затекать. Переход мембраны в гель-фазу сопровождается снижением энергетического барьера и уменьшением критического радиуса, Стабильность мембраны в гель-фазе говорит о том, что "замороженные" поры попадают в разряд докритиче-ских. Перераспределение пор по размерам при выдерживании мембраны при температуре фазового перехода подтверждает это предположение.
Аналогичное изменение критических параметров наблюдается при наложении на мембрану электрического поля, По-видимому, электрическое напряжение оказывает влияние на линейное натяжение кромки поры, снижая его.
Библиографический список
1. Дерягин Б,В, Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок, - М,: Наука, 1987, - 400 с,
2. Hladky S,B„ Gruen D.W.R. // Biophvs, J. 1982. V.38. P, 251-258.
3. Exerova D,, Balinov B,, Kashchiev D .// J, Colloid, Interface Sei, 1983, V.94, P, 45-53.
4. Микаэлян ЛГ„ Аджян C.A, //Биофизика, - 1986, - T, 31 -С, 643-646,
5. Антонов В.Ф., Смирнова Е.Ю„ Шевченко Е,В. /^пидные мембраны при фазовых превращениях, - М.: Наука, 1992.' - 136 с.
6. Шевченко Е.В. Поры и стабильность бислойных липидных мембран з области фазового перехода, Дис, .,, докт, биол. наук. - М,: МГУ, 1993.
И.Ж.Семннский
Закономерности развития разных форм воспаления
По современным представлениям воспаление является универсальной защитно-приспособительной компенсаторной реакцией организма, развивающейся в ответ на повреждение. Она состоит из поэтапных изменений микроциркуляторного русла, системы крови и соединительной ткани с участием иммунных и регю-ративных механизмов, которые направлены на устранение воспалительного агента и восстановление поврежденной ткани (Мовэт Г.З., 1975; Чернух A.M., 1979; Галанкин В.Н., 1990; Воспаление / Под ред. В.В.Серова, С.В.Паукова, 1995).
Показано, что воспаление у позвоночных животных и человека реализуется через комплекс сосудистых и клеточных реакций с определенной последовательностью событий в очаге повреждения: отек - лейкоцитарная инфильтрация - макрофагическая инфильтрация - фиброзирование. Соответственно различают фазы (стадии) воспаления; экссудация, лейкоцитарная, макрофагическая и фибробластическая (Елисеев 8,Г,, 1961; Поликар А,, 1969; Васильцов М.К., 1974; Майбо-рода А.А,, 1979; Серов В,В., Шехтер А,Б., 1981; Сар-кисов Д.С., 1988 и др.). Воспаление, как «двуликий Янус», с одной стороны, является нормальным физиологическим процессом, а, с другой - патологическим явлением, приводящим к болезни, По образному выражению А.Н. Маянского (1993); "Воспаление - это защита, переходящая в повреждение".
Воспаление, как известно, является основным звеном патогенеза большинства заболеваний человека, от его исхода зависит выздоровление от болезни. В неблагоприятных эколого-социальных условиях воспалительные процессы у людей часто протекают атипично с тенденцией к хронизации и генерализации. Поэтому возникает необходимость изучения самых разных
форм воспаления, условий, влияющих на его течение, причин перехода острого воспаления в хроническое.
Особую актуальность приобретают исследования по экспериментальному моделированию воспаления. К сожалению, в настоящее время в медицине нет общепринятых моделей воспалительного процесса. Это создает большие трудности при сравнении результатов, полученных разными авторами, Практически отсутствуют адекватные модели и критерии оценки хронического воспаления, не унифицированы модели паразитарного воспаления, нет надежных количественных методов их оценки и прогнозирования.
Исходя из вышеизложенного, в настоящей работе была поставлена цель - разработать унифицированный подход к изучению разных форм воспаления и выявить общие структурные закономерности и особенности развития различных по этиологии воспалительных процессов.
Последовательно решались следующие задачи: Разработать стандартизированную модель воспаления, позволяющую изучать воспалительные процессы разной этиологии.
Выявить принципиальные отличия клеточных реакций при остром асептическом и хроническом микробных воспалительных процессах,
Определить нарушение динамики клеточных реакций в очаге асептического воспаления при гиперстимуляции и угнетении энергетического обмена,
Установить структурно-функциональные особенности клеток, реализующих воспаление, вызванное биологическими агентами (спорами грибов, гельминтами, бактериями).
Определить основные причины и структурные критерии хронизации воспаления.
