Рис. 1. Компьютерная биомикроскопия хрусталика. На 9 и 11 часах поры и вакуоли на мембранах волокон
Рис. 2. Компьютерная биомикроскопия хрусталика. Водяные щели между волокнами
Поэтому исследования, направленные на изучение первичного звена развития катаракты, безусловно, являются актуальными.
Учитывая вышесказанное, мы начали изучать литературные данные по происхождению ультраструктурных изменений тканей хрусталика.
Проведенным анализом установлено, что эти изменения представлены денатурированными белковыми молекулами (ДБМ) [11, 14, 17].
Известно, что белковые молекулы (БМ) образуются путем соединения аминокислот прочной пептидной связью (эта связь называется ковалентной – наследственной связью), имеющей энергию связи в 40 —120 ккал/моль. Имеются и нековалентные связи (энергия связи в 1 —5 ккал/моль) – ионная, водородная и межмолекулярные связи, которые участвуют в образовании макромолекул. При денатурации белка нековалентные связи нарушаются и БМ теряют спиральную форму и биологическую активность. Однако пептидная связь, отвечающая за наследственную информацию, сохраняется [11, 14, 16, 17]. Поэтому, при применении некоторых лечебных мероприятий, денатурированные БМ восстанавливают свою спиральную структуру и биологическую активность [14].
Все факторы, вызывающие патологические изменения в организме, в первую очередь отражаются на белках. Полагаем, что изучение патогенеза различных заболеваний необходимо начинать с исследования структурных изменений БМ. Подобный подход может дать ключ к пониманию многих неясных вопросов патогенеза и лечению различных заболеваний, в том числе катаракты.
Для уточнения механизма нарушения обменных процессов в хрусталике мы изучили структурные и функциональные изменения БМ клеточных мембран (КМ), являющихся барьером между цитоплазмой и внеклеточной средой. На основании данных многолетних клинических наблюдений (1010 больных (1860 глаз) в возрасте от 12 до 80 лет) за развитием катаракты, мы пришли к выводу, что для изучения данного вопроса удобен биомикроскопический метод исследования изменений ультраструктуры хрусталика (на цифровом компьютерном видеобиомикроскопе).
Хрусталик обычно имеет бедную внутриклеточную структуру, беден липидами, богат белками и мукополисахаридами, прозрачен и доступен для изучения ДБМ клеточных мембран in vivo.
В начальных стадиях развития катаракты, еще до появления помутнений хрусталика, при обычной биомикроскопии хорошо определяются некоторые признаки ДБМ: поры и вакуоли на его мембранах.
Используя цифровую компьютерную видеобиомикроскопию, в начальных стадиях развития катаракты, нами впервые наблюдался синдром мандариновой кожуры (множество расширенных пор на волокнах и капсуле хрусталика).
Рис. 3. Компьютерная биомикроскопия хрусталика. Разорванная БМ хрусталика
Рис. 4. Компьютерная биомикроскопия хрусталика. Помутневшие канальцы БМ хрусталика в виде спиц
При денатурации БМ их канальцы и поры расширяются (рис. 1). При расширении канальцев увеличивается их проходимость, что приводит к повышению ПКМ хрусталика. К признакам повышения ПКМ относятся водяные щели, диссоциация волокон, просачивание жидкости из мембран волокон, скопление агрегатов на мембранах волокон, межклеточной среде и на капсуле хрусталика (рис. 2).
При использовании компьютерной видеобиомикроскопии нами впервые, в начальных стадиях развития катаракты, наблюдалась «разорванная белковая макромолекула» хрусталика (рис. 3). Отмечены также прозрачные и помутневшие канальцы БМ, имеющие разнообразный вид (спицы, кружки и т.д.).
Иногда наблюдалась вся структура помутневших канальцев БМ (рис. 4).
В отличие от ряда авторов [11, 14, 17], проводивших электронно —микроскопические исследования на гомогенатах белков различных тканей, при использовании цифровой компьютерной видеобиомикроскопии хрусталика in vivo нам удалось наблюдать не только изменения структуры БМ, но и изменения функций КМ, т.е просачивание жидкости в виде струи из канальцев мембран волокон хрусталика.
Таким образом, к признакам повышения ПКМ относили просачивание жидкости и растворенных в ней ионов, нуклеопротеидов и других веществ содержимого клетки, появление водяных щелей, диссоциацию волокон хрусталика и т.д. На последних стадиях развития катаракты клетку покидают белки с небольшим молекулярным весом и вместе с другими веществами они скапливаются на КМ, в межклеточной среде и на капсуле хрусталика. Вследствие вышесказанного ткань хрусталика инфильтрируется и мутнеет.
Для установления роли денатурации белка и изменения проницаемости КМ в развитии катаракты нами изучены биомикроскопические данные исследования хрусталика при различных стадиях этого заболевания (табл.). Установлено, что еще до появления помутнений в хрусталике наблюдались структурные изменения мембран БМ, что подтверждает мнение о первичности ДБМ хрусталика. Это приводит к повышению ПКМ и к нарушению обменных и метаболических процессов, появлению помутнений в хрусталике. По мере развития катаракты степень ДБМ и повышения ПКМ хрусталика увеличивается, что, как мы полагаем, указывает на их роль в развитии катаракты.
До развития помутнений в хрусталике при биомикроскопии нами наблюдались вакуоли, расширенные поры, канальцы, разорванные БМ и водяные щели. Однако до сих пор не было известно их происхождение. На основании полученных нами данных методом компьютерной видеобиомикроскопии, а также при сравнительном анализе этих данных с данными литературы, по электронно —микроскопическим исследованиям на гомогенатах белков различных тканей организма [11,14,16] установлено, что ультраструктуры, наблюдаемые в хрусталике, являются денатурированными белковыми молекулами [2 —9].
Известно, что в клетке каждая БМ окружена примерно 20000 молекулами воды. При ДБМ происходит проникновение этих молекул воды в клеточный скелет [14], т.е. в БМ. Клетки набухают и становятся видимыми при использовании цифровой компьютерной видеобиомикроскопии [4 —9]. Данным методом выявлено также нарушение функции КМ в виде просачивания жидкости из пор канальцев белковых молекул КМ хрусталика. Вышесказанное подтверждает наличие транспортных путей, проходящих через белковые канальца КМ, входным отверстием которых являются поры на мембранах волокон и капсулах хрусталика. Через этот путь осуществляется обмен веществ в хрусталике. Этим же путем, при повышении ПКМ, происходит утечка содержимого клетки.
При повышении ПКМ в первую очередь клетку покидают жидкости и растворенные в ней вещества, в том числе ионы калия. При утечке ионов калия, входящих в центр активности ферментов (пируватфосфокиназы, карбоангидразы, АТФ —зы и др.), катализирующих биохимические реакции, снижается активность этих ферментов, наступает парабиоз и нарушаются метаболические процессы в хрусталике.
В литературе отмечен факт двукратного повышения содержания калия в слезной жидкости у больных катарактой по сравнению со слезной жидкостью у лиц контрольной группы [10]. Однако автор не указывает на механизм повышения содержания калия в слезе.
На последних стадиях развития катаракты нами наблюдались агрегаты на мембранах хрусталика. Их появление на КМ, в межклеточной среде и капсуле хрусталика связано с тем, что вместе с другими веществами клетку покидают белки с небольшим молекулярным весом. Далее ткань хрусталика инфильтрируется и мутнеет.
Описанные нами агрегаты наблюдались Г.С. Полуниным [15] при электронной микроскопии тканей хрусталика у больных катарактой. Автором установлено, что агрегаты состоят из белковых скоплений.
Таким образом, все вышеизложенное указывает на молекулярный механизм развития катаракты.
Каждое звено этого механизма исходит от предыдущего и дополняет друг друга. Молекулярный механизм охватывает все звенья развития катаракты, а они связаны с ультраструктурными изменениями хрусталика.
ВЫВОДЫ
1. Первичным звеном развития катаракты являются ультраструктурные изменения тканей хрусталика.
2. Ультраструктурные изменения хрусталика представлены денатурированными белковыми молекулами.
3. Белковые молекулы имеют вид канальцев, через которые осуществляются обменные процессы.
4. При денатурации канальцы БМ и их поры расширяются.
5. Денатурированные БМ приводят к повышению ПКМ тканей хрусталика.
6. Повышение ПКМ приводит к нарушению обменных процессов и к утечке содержимого клетки в межклеточную среду.
7. В начальных стадиях развития катаракты клетку покидают жидкости и растворенные в ней вещества – ионы калия, сера и др. микроэлементы и вещества с небольшими молекулами, в результате происходящего появляются водяные щели между волокнами хрусталика.
8. Утечка ионов приводит к снижению активности ферментов, наступает парабиоз, и нарушаются метаболические процессы.
9. В развитых стадиях катаракты клетку покидают белки с небольшим молекулярным весом, и вместе с другими веществами онискапливаются на КМ, в межклеточной среде и капсуле хрусталика в виде агрегатов, ткань хрусталика инфильтрируются и мутнеет.
Сведения об авторах
Агаева Т.С. – ведущий научный сотрудник Национального офтальмологического центра им. акад. З. Алиевой.
Талыбова С.Р. – научный сотрудник отдела инфекционной патологии глаза и пересадки роговицы Национального офтальмологического центра имени акад. З. Алиевой.
