Sorry, this entry is only available in
Russian
На жаль, цей запис доступний тільки на
Russian.
К сожалению, эта запись доступна только на
Russian.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

От фотохимии, от внутримолекулярных процессов в родопсине (ретиналь + белок) и в липидах (ретиналь + липид), от первичных фотохимических и фотофизиче­ских реакций изомеризации и сенсибилизации окисления перейдем теперь на другой, биологический уровень рас­смотрения проблемы повреждающего действия света на зрение. Но не будем забывать, что все последующие со­бытия в молекулах, мембранах, зрительных клетках и сетчатке — лишь следствие первичных фотохимических процессов.

Начнем с молекул липидов. Зародившийся в ходе первичной фотосенсибилизированной реакции первич­ный радикал R взаимодействует с молекулярным кисло­родом и превращается в перекисный радикал RO2 (R + 02 —» RО2). Именно поэтому такой тип окисления ли­пидов получил название перекисного. Он протекает по механизму цепной свободнорадикальной реакции, подоб­но тому, как это происходит и в случае органических соединений. Итак, образовался новый радикал RO. Те­перь уже он, взаимодействуя с новой молекулой липида RH и продолжая цепь окисления, рождает опять первич­ный радикал R(RO+ RH —» ROOH + R, где ROOH на­зывается гидроперекисью). Чередование этих двух ре­акций и приводит к цепному окислению.

Радикал R продолжает цепь дальше, a ROOH — стабильный продукт реакции. Однако молекула R—О—О—Н довольно легко распадается по связи О—О на RO и ОН (ROOH —> RO + OH), и каждая из этих новых частиц с неспаренным электроном дополнительно зарождает новую цепь реакций.

Что еще важно знать для понимания сущности тех химических событий, которые приводят к деструкции фоторецепторной мембраны и, главное, для сознатель­ного, научного поиска средств защиты от фоторазруши­тельного процесса. При распаде гидроперекиси (ROOH) получаются, как мы видим, две свободнорадикальные частицы RO и ОН. Если же гидроперекись ROOH всту­пает в реакцию с ионом металла переменной валентно­сти — железом (Fe2+), то появляются не два, а один новый свободный радикал RO (ROOH + Fe2+ —> RO + OH + Fe3+).

Отличительная черта цепной свободнорадикальной реакции окисления — ее высокая чувствительность да­же к незначительным изменениям среды, в которой эти реакции протекают. В теории цепных реакций это назы­вается обрывом цепи окисления. В некоторых случаях, особенно важных в биологических системах, к обрыву цепи может привести взаимодействие свободных ради­калов с валентно-насыщенными молекулами. В ходе ре­акции RO2 + HIn —> ROOH + In активный свободный ра­дикал RO2 заменяется малоактивным радикалом In, ко­торый к продолжению цепи неспособен. Вещество HIn называется ингибитором свободных радикалов.

Исходя из этих основополагающих представлений теории свободнорадикального цепного окисления, одним из авторов этой брошюры в конце 50-х — начале 60-х годов была выдвинута гипотеза об определяющей роли свободнорадикальных реакций в развитии лучевого по­ражения и повреждающего действия света на биологи­ческие системы, а также концепция о перспективности применения малотоксичных ингибиторов свободноради­кальных реакций — антиоксидантов — в качестве за­щитных средств. Уже в первых работах говорилось, что, во-первых, воздействие радиации приводит к образова­нию свободнорадикальных состояний химических ком­понентов клетки, в результате чего возникают биохимические процессы, не свойственные живому организму в норме, во-вторых, развитие свободнорадикальных реак­ций в организме должно приводить к уменьшению ко­личества тканевых ингибиторов и вследствие этого к на­рушению способности организма правильно регулиро­вать биохимические процессы, что может стать одной из причин возникновения сдвигов, свойственных лучевой болезни.

К написанным более 20 лет назад словам «примене­ние нетоксичных ингибиторов радикально-цепных реак­ций может представить интерес для экспериментальной радиобиологии» сейчас можно добавить: «и для фото­биологии, в частности для офтальмологии и гигиены зрения».

Данная концепция стала своего рода отправным пунктом в комплексном изучении молекулярных меха­низмов фотохимических и фотобиологических процессов, лежащих в основе повреждающего действия света на сетчатку глаза, в поиске средств защиты органа зрения от светового повреждения и в изучении перспектив их применения.

Как мы уже говорили, один из ингибиторов свобод­норадикальных процессов — дибунол, созданный в сек­торе кинетики химических и биологических процессов, полностью предотвратил в фоторецепторной мембране зрительной клетки развитие процесса фотоокисления да­же таких длинноцепочных ненасыщенных жирных кис­лот липидов, которые с трудом поддаются защите от окисления (см. рис. 1, б).

В любой живой клетке имеется сложная система антиокислительной защиты. Ее важнейшим звеном яв­ляются природные ингибиторы свободных радикалов (антиоксиданты). К ним в первую очередь относится витамин Е (а-токоферол), о котором мы уже упомина­ли. Эти вещества способны непосредственно реагировать с перекисными свободными радикалами на стадии обры­ва цепи окисления, уменьшая, таким образом, их кон­центрацию. Иными словами, природные антиоксиданты обладают антирадикальной активностью; при этом ви­тамин Е наиболее эффективно регулирует скорость окис­ления липидов в биологических мембранах. Синтетиче­ские антиоксиданты ингибируют перекисное окисление липидов (тот же дибунол) вдвое хуже.

Помимо антиоксидантов, живая клетка обладает и другими звеньями антиокислительной защиты, включа­ющими различные ферменты. Один из них защищает клетку от активных форм молекулы кислорода, другой — от токсичных продуктов перекисного окисления липидов.

В нормальных условиях в здоровой клетке при фи­зиологических условиях освещенности окисление липи­дов практически не происходит; в противном случае структура в фоторецепторной мембране нарушалась бы, а токсические продукты распада липидов отравили бы белки в этой мембране. Связано это с тем, что в зри­тельной клетке в процессе эволюции сформировалась исключительно мощная система антиокислительной за­щиты. И основную роль в этой системе играет вита­мин Е. Как выяснилось, его содержание здесь почти на порядок выше, чем в клетках других тканей организма. Однако, как уже говорилось, в некоторых экстремаль­ных ситуациях (слишком яркий или длительно действу­ющий свет, гипероксия) система антиокислительной за­щиты зрительной клетки не выдерживает, и тогда воз­можно развитие патологического процесса. В больной сетчатке опасность светоповреждения еще более вели­ка: система антиокислительной защиты функционирует недостаточно эффективно. В таких критических для зре­ния случаях защитный или терапевтический эффект мо­гут оказать нетоксичные синтетические ингибиторы сво­боднорадикальных реакций — антиоксиданты.

Перейдем теперь к патологическим последствиям фо­тосенсибилизированного ретиналем окисления SH-групп родопсина. Как ни вспомнить в этой связи, отвлекаясь на минуту от химической физики проблемы «Глаз и Солнце», пророческие слова отца русской физиологии И. М. Сеченова: «При настоящем состоянии естествен­ных наук единственный возможный принцип в патоло­гии есть молекулярный» (Сеченов И. М. Материалы для будущей физиологии алко­гольного опьянения, Спб., 1860). Именно сейчас, сто с лишним лет спустя, эти слова в полной мере актуальны, объек­тивно отражают состояние современной физиологии и медицины.

Итак, какие же молекулярные патологические про­цессы совершаются в фоторецепторной мембране?

Нами обнаружено, что окисление SH-групп родопсина приводит к межмолекулярным «сшивкам» — обра­зуются дисульфидные (S—S) связи между нескольки­ми молекулами родопсина. В результате в фоторецеп­торной мембране возникают стабильные агрегаты (ком­ки) из нескольких молекул родопсина, и доля свободно-диффундирующих и одиночных молекул зрительного пигмента падает. Нормальное вращательное и латераль­ное движение молекул родопсина в жидкой фоторецепторной мембране замедляется или вовсе прекращается.

Патологическим следствием этих молекулярных со­бытий (окисление родопсина и липидов, агрегация ро­допсина) является потеря зрительным пигментом его нативных свойств. Результаты, полученные нами в послед­ние годы, указывают на то, что в первую очередь нару­шается такое важное свойство родопсина, как способ­ность к регенерации. Оказалось, что и в опытах in vivo— на животных, и в опытах in vitro — в пробирке родоп­син после обесцвечивания теряет способность снова при­соединять 11-цисретиналь (замок испорчен, и ключ не входит). Эта молекулярная поломка полностью выводит родопсин из строя — зрительный пигмент в зрительной клетке прекращает нормально функционировать. Не­трудно понять, к каким последствиям для зрения это может привести.

В самое последнее время, используя совершенную технику рентгеноструктурного анализа, в экспериментах, выполненных совместно с Институтом кристаллографии АН СССР удалось показать, что длительное и яркое освещение приводит к нарушению ультраструктурной, молекулярной организации фоторецепторной мембраны. Таким образом, выявлены патологические последствия фотоповреждения зрительной клетки на молекулярном и мембранном уровнях ее организации.

Рассмотрим теперь эти последствия на клеточном уровне.

С помощью световой микроскопии и электронно-мик­роскопической техники было обнаружено, что в сетчат­ке, которую часто называют «частью мозга, помещенной в глаз», в первую очередь страдают от фотоповреждения именно зрительные клетки — палочки и колбочки. Эти вытянутые в длину рецепторные клетки исключительно сложно организованы. Первичные процессы зрительной рецепции — возбуждение и адаптация — совершаются в наружном сегменте этих клеток. Он представляет собой, образно говоря, огромную стопку фоторецепторных мембран. Нам понятно поэтому, почему микроскописты в первую очередь обнаруживают фотоповреждение на­ружных сегментов фоторецепторов. Ведь именно в них разыгрываются все фотоокислительные процессы де­струкции.

Результаты морфологических работ хорошо под­тверждаются электрофизиологическими данными. В электрофизиологических экспериментах, выполненных совместно с сотрудниками Института глазных болезней им. Гельмгольца, проявился защитный и терапевтиче­ский эффект антиоксидантов (рис. 3). Основной резуль­тат этих исследований сводится к следующему: анти­оксидант, предварительно до засвета введенный в орга­низм животного, существенно уменьшает, хотя и не предотвращает, полностью падение всех волн электроретинограммы (ЭРГ). Световая и электронная микроско­пия показали, что при этом ослабляется выраженность структурных изменений фоторецепторов и клеток пи­гментного эпителия. Особенно интересен, как нам пред­ставляется, отдаленный эффект действия антиоксидан­тов, проявляющийся через несколько дней после засве­таживотных повреждающими дозами видимого света. Он состоит в ускорении процесса репарации, что прояв­ляется в виде возрастания амплитуды а — волны ЭРГ. Эти электрофизиологические данные находятся в хоро­шем соответствии и с морфологической картиной репа­рации сетчатки. Можно, следовательно, заключить, что именно фоторецепторы, их наружные сегменты, — основ­ной объект защитного действия антиоксидантов.

Оценка повреждающего действия яркого видимого света на сетчатку глаза кролика...

Оценка повреждающего действия яркого видимого света на сетчатку глаза кролика…

По крайней мере, три фактора предопределяют опас­ность развития в зрительной клетке патологического про­цесса, развивающегося по механизму свободнорадикаль­ного фотосенсибилизированного окисления. Первый — окрашенный фотосенсибилизатор (ретиналь), второй — легкоокисляемые субстраты (липиды и родопсин) и тре­тий — повышенная концентрация кислорода. О ретина­ле, полиненасыщенных жирных кислотах и SH-группах родопсина мы уже говорили. Несколько слов о кислоро­де. Он диффундирует к зрительным клеткам сетчатки от разветвленной сети капилляров мощной сосудистой оболочки глаза, при этом кислород проходит через одно­слойный пигментный эпителий, лежащий в глазу между сосудистой оболочкой и сетчаткой. Парциальное давле­ние кислорода в ткани сетчатки достаточно велико; оно соизмеримо или даже превышает парциальное давление в тканях мозга. Около 60% кислорода в сетчатке по­требляется зрительными клетками. Недавно показано, что при освещении концентрация свободного кислорода в них повышается. Вероятно, для развития окислитель­ного процесса недостатка в свободном кислороде зри­тельная клетка не испытывает.

Итак, повышенная концентрация кислорода, окра­шенный фотосенсибилизатор (ретиналь) и легкоокисляе­мые субстраты (липиды и родопсин) — вот та триада, которая делает исключительно высокой опасность раз­вития неуправляемого процесса окисления в наружном сегменте зрительной клетки.