2.3. Химический состав и метаболизм нормального и мутнеющего хрусталика

    Вода и неорганические соединения. В составе нормального хрусталика среди веществ низкой молекулярной массы 60-65 % занимает вода. Распределение ее в хрусталике неравномерно. Наибольшее количество воды содержится к коре хрусталика, где происходит ее интенсивный обмен с полным замещением за 1–2 часа. Меньше воды в ядре хрусталика, и ее полное замещение происходит здесь в течение 5-20 часов. Вода в хрусталике играет важную роль в состоянии его оптических свойств (светорассеивание и рефракция). С возрастом содержание воды в хрусталике понижается. Изменяется количество воды в хрусталике при развитии различных катаракт как в сторону увеличения, так и уменьшения.

    В частности, при старческой катаракте способность белков помутневшего хрусталика связывать воду уменьшается по сравнению с его нормальным состоянием, при этом уровень свободной воды увеличивается.

    В составе неорганических соединений хрусталика, составляющих 5–7% зольного остатка, преобладающим катионом является калий, необходимый для реакций гликолиза, синтеза белка на рибосомах, регуляции осмотического давления. Другим активным катионом, регулирующим осмотическое давление в структурах хрусталика, является натрий, располагающийся преимущественно в межклеточных пространствах. При нарушениях нормального соотношения в хрусталике ионов калия и натрия обычно наступает его помутнение. Дисбаланс ионов калия и натрия занимает важное место в развитии старческой и рентгеновской катаракт. В помутневшем хрусталике, как правило, больше натрия и меньше калия, чем в прозрачном.

    Ионы магния в хрусталике необходимы для образования комплекса с АТФ, из которого извлекается энергия для процессов активного транспорта, необходимых для метаболических функций питательных веществ.

    Ионы кальция оказывают регулирующее влияние на концентрацию других ионов в хрусталике и необходимы для образования высокомолекулярных агрегатов его белков и поддержания нормальной проницаемости мембран.

    Фосфор содержится в органических и неорганических фосфатах хрусталики. в частности в АТФ, и на долю их приходится до 39 % зольного остатка хрусталика.

    Сера входит в состав сульфатов, цистеина, цистина, метионина и глутатиона хрусталика.

    Хлор в составе хлоридов регулирует осмотическое давление, располагаясь преимущественно в его внеклеточных пространствах.

    Железо, цинк, марганец, селен входят в состав энзимов хрусталика: железо – в цитохром С, выполняющий детоксирующие функции; цинк – в карбоангидразу; марганец – в декарбоксилазу яблочной кислоты и играет большую роль в окислительно-восстановительных реакциях хрусталика. С селеном связана активность глутатионпероксидазы, составляющей важное звено в механизмах антиоксидантной защиты хрусталика.

    При старении хрусталик обедняется минеральными веществами, и его зольный остаток у людей 61–80 лет уменьшается до 3 %. При этом в помутневшем хрусталике снижается концентрация магния, цинка, марганца, а также калия. Напротив, концентрация натрия, хлора, кальция, железа и меди увеличивается. Это сопровождается нарушением процессов активного транспорта глюкозы, аминокислот, катионов, необходимых для нормального функционирования хрусталика.

    Органические вещества. В составе органических веществ хрусталика важную группу составляют адениловые нуклеотиды (АТФ, АДМ, АМФ), входящие в состав фосфорсодержащих соединений. Система АДФ – АТФ действует как универсальный переносчик энергии. К другой важной группе органических фосфатов хрусталика относятся динуклеотиды: никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), участвующие в качестве кофакторов в окислительно-восстановительных реакциях.

    Помимо вышеописанных нуклеотидов в хрусталике обнаруживают также такие нуклеотиды, как гуанозин – моно-, ди-, трифосфат и другие нуклеотиды с иными азотистыми основаниями, участвующие в ферментном синтезе РНК и ДНК, полисахаридов и фосфолипидов.

    Из нефосфорилированных органических веществ для метаболизма хрусталика имеют большое значение:

    • Трипептид глутатион, в составе которого имеется цистеин, содержащий свободную сульфгидрильную группу. Глутатион выступает в качестве поставщика кислорода. Его рассматривают также и как природный антиоксидант, защищающий хрусталик от повреждающего воздействия. Исключительно важная роль глутатиона заключается и в сохранении прозрачности хрусталика. Его синтез осуществляется непосредственно в хрусталике из составляющих его аминокислот с использованием энергии АТФ.

    • Аскорбиновая кислота полностью поступает в хрусталик из камерной влаги, где секретируется цилиарным телом. Аскорбиновая кислота играет определенную роль в энергопродуцирующих процессах, транспортируя в хрусталик водород. Кроме того, аскорбиновая кислота входит в состав антиокислительной системы хрусталика.

    • Витамины: никотиновая кислота, B1, В2, А влияют на митотическую активность эпителия хрусталика; витамин Е рассматривается как возможный антиокислительный фактор, предотвращающий развитие помутнений хрусталика.

    При старении хрусталика и развитии его помутнений уменьшается содержание динуклеотидов, глутатиона, аскорбиновой кислоты. Это негативно влияет на окислительно-восстановительные процессы в хрусталике и может способствовать развитию старческой, травматической и осложненной катаракт.

    Углеводы. Энергетические потребности хрусталика покрываются в основном за счет «сгорания» углеводов. Основным источником энергии в хрусталике является глюкоза, которая поступает к нему преимущественно из камерной влаги и в меньшей степени из стекловидного тела.

    Для снабжения энергией анаболических реакций в хрусталике расщепление глюкозы осуществляется путем аэробного и анаэробного гликолиза, прямого окисления глюкозы (пентозофосфатный путь) и цикла трикарбоновых кислот Кребса. Возможен также сорбитный путь усвоения глюкозы хрусталиком.

    Из других углеводов в хрусталике обнаружены также глюкозамин, полисахарид гликоген, сиаловые кислоты, играющие опосредованно определенную роль в дыхании хрусталика.

    С возрастом энергетический обмен хрусталика претерпевает определенные изменения. Снижается интенсивность процессов гликолиза и активность его ферментов. Блокирование гликолиза в эксперименте ведет к помутнению хрусталика. Помимо гликолиза, с возрастом уменьшается также интенсивность процессов прямого окисления глюкозы и расщепления глюкозы в цикле трикарбоновых кислот Кребса. При старческой катаракте происходит снижение активности ферментов гликолиза, уменьшается продуцирование АТФ в хрусталике вследствие нарушений гликолиза, процессов прямого окисления глюкозы и путем цикла Кребса, что является одной из причин нарушения обмена белков в хрусталике и его помутнений.

    Превалирование сорбитного пути усвоения глюкозы хрусталиком лежит в основе развития диабетической катаракты. Накопление сорбита ведет к набуханию хрусталика из-за осмотических нарушений и изменений конформации его белков.

    Липиды. Хотя хрусталик и небогат липидами, в нем обнаружены представители всех их основных групп. В состав нейтральных липидов хрусталика и ходят холестерин, гликолипиды – ганглиозиды, фосфолипиды и фосфоглицериды. Почти 40 % липидов – это полярные фосфолипиды, которые входят в состав клеточных мембран хрусталика. Две трети нейтральных и полярных липидов связаны с белками (липопротеиды), а одна треть находится в свободном состоянии.

    Жирные кислоты липидов хрусталика являются насыщенными и мононенасыщенными.

    Образование липидов в хрусталике идет крайне медленно, преимущественно из глюкозы. При этом наиболее интенсивно синтез липидов осуществляем си в эпителии хрусталика.

    С возрастом в хрусталике человека увеличивается в 1,5–2 раза содержание холестерина, жирных кислот, фосфолипидов. Накопление липидов в хрусталике особенно характерно для старческих катаракт.

    Другой особенностью развития старческой катаракты являются изменения в отношении холестерин/фосфолипиды, возрастающие до 4,2–4,5 при норме 3,4– 3,5, а также свободные липиды/липопротеиды в сторону нарастания первых, что отражает потерю липидов из организованных мембран клеток и переход их в аморфные, межклеточные отложения.

    В итоге следует заметить, что существует три универсальных механизма повреждения мембран и процессе старческого катарактогенеза: это активация перекисного окисления липидов (ПОЛ) с накоплением в хрусталике продуктов свободнорадикального окисления липидов, которые инициируются активными формами кислорода и продуктами фотоокисления триптофана – производными кинуренина.

    Второй н третий механизмы старческого катарактогенеза связаны с увеличением активности фосфолипаз и накоплением в мембранах продуктов деградации фосфолипидов, разрушающих мембраны.

    Белки составляют 35% массы хрусталика, а их физико-химическое состояние во многом определяют его прозрачность. Белки неоднородны по составу и представлены водорастворимыми α-, β-, γ- кристаллинами (в соотношении 37 : 62 : 1) и нерастворимым альбуминоидом, который у человека рассматривается как производный от α-кристаллина.

    Молекула кристаллинов построена из нескольких субъединиц, каждая из которых содержит SH-группу. В образовании альбуминоидов из кристаллинов играет роль возникновение дополнительных водородных связей между составляющими его субъединицами.

    Помимо перечисленных белков, в хрусталике в незначительном количестве присутствуют сложные белки – гликопротеиды, располагающиеся в мембранах волокон, между волокнами, а также в капсуле хрусталика; коллагеноподобные белки капсулы, соединенные с углеводным компонентом; рибо- и дезоксирибонуклеотиды, липопротеиды, фосфопротеиды и хромопротеиды. В состав различных белков хрусталика входят все обычно встречающиеся аминокислоты (около 20) без количественного их преобладания.

    Характерной чертой белков хрусталика является их высокая органоспецифичность при низкой видовой специфичности. В хрусталике, как и в любой ткани, на протяжении всей жизни происходит постоянное обновление белков, их синтез и расщепление. Местом наиболее интенсивного синтеза белков в хрусталике является эпителий и периферические слои коры. Необходимые для синтеза белка аминокислоты поступают в хрусталик из камерной влаги. Синтез белковых молекул осуществляется обычным путем. Вначале с помощью матричной РНК из аминокислот образуются полипептидные цепи, затем с помощью как ковалентных, так и нековалентных взаимодействий между полипептидами формируются белковые молекулы.

    Обмен белков хрусталика включает и расщепление их до пептидов при помощи протеиназ, а затем далее до аминокислот под действием пептидаз. В нормальном хрусталике синтез белков количественно преобладает над их расщеплением. Образующиеся при протеолизе аминокислоты пополняют аминокислотный фонд хрусталика.

    Преобладающей среди свободных аминокислот в хрусталике является глютаминовая кислота, играющая ключевую роль в окислительном расщеплении аминокислот. В хрусталике установлены процессы переаминирования, окислительного дезаминирования аминокислот и функционирует цикл образования мочевины, а содержание свободного аммиака в нем даже выше, чем в других тканях.

    В возрастном онтогенезе в хрусталике происходит снижение доли растворимых и нарастание доли нерастворимых белков. По мере старения уменьшается биосинтез кристаллинов, β-кристаллины заменяются α-кристаллинами, и последние превращаются в альбуминоид во всех слоях хрусталика, особенно и его ядре. В белках хрусталика снижается содержание SH-группы, появляются пигментированные соединения.

    Убыль растворимых белков происходит не только путем их перехода в нерастворимые, но и за счет просачивания низкомолекулярных форм через капсулу за пределы хрусталика.

    При старческих катарактах качественные изменения белков хрусталика сходны с имеющимися изменениями при старении организма, но выражены более резко. Кроме того, при старческих катарактах возможно и образование растворимых агрегатов белков с очень высокой молекулярной массой, которые также снижают прозрачность хрусталика. Образованию таких агрегатов белков способствуют и процессы окисления сульфгидрильных групп растворимых протеинов с образованием дисульфидных сшивок между полипептидами.

    Нуклеиновые кислоты. Содержание нуклеиновых кислот в хрусталике очень низкое, особенно это касается ДНК, что объясняется в первую очередь небольшим количеством ядросодержащих клеток.

    РНК хрусталика представлена тремя фракциями: РНК-микросом и митохондрий; растворимая фракция; фракция, связанная с альбуминоидом. Образование альбуминоидной РНК происходит из растворимой фракции. И спою очередь, в растворимой фракции присутствуют также специфические транспортные РНК для аминокислот: лейцина, глицина, валина, гистидина, глютамина, лизина.

    Информационная РНК в хрусталике представлена двумя типами – короткоживущая, которая несет информацию для синтеза белка в эпителиальных чистках, и долгоживущая (стабильная), обеспечивающая информацией тот же процесс в волокнах.

    Общее содержание РНК в хрусталике уменьшается в направлении от его поверхностных к глубоким слоям. Синтез РНК происходит преимущественно в эпителии и молодых волокнах экваториальной зоны хрусталика. При этом растворимая РНК синтезируется в 15 раз активнее микросомальной и в 27 раз активней альбуминоидной.

    ДНК содержится в ядрах эпителиальных клеток хрусталика и его волокон. Большее количество ДНК содержится в эпителии центральной зоны хрусталика и меньшее – в приэкваториальной. Синтез ДНК может осуществляться во всех зонах эпителия хрусталика.

    С возрастом и при старческих катарактах снижается уровень РНК в хрусталике, в основном за счет уменьшения уровня информационной РНК, и в то же время увеличивается количество альбуминоидной РНК.

    При старении хрусталика выраженным изменениям в его эпителии подвергается локализация клеток, синтезирующих ДНК.

    Ошибки репарации ДНК способствуют помутнению хрусталика. Установлен факт повреждения ДНК хрусталика ионизирующей радиацией, и этот неблагоприятный эффект опосредуется супероксидным анион-радикалом.

    В общем виде процессы, ответственные за нативность хрусталика, представляются в следующем виде.

    1. Биофизические и биохимические компоненты, повреждение которых ведет к нарушению его оптических свойств:

    • нарушение целостности и взаиморасположения хрусталиковых волокон;

    • изменения структуры и проницаемости мембран;

    • денатурация, полимеризация, протеолиз, фотолиз и пострибосомальная модификация белков;

    • перекисное окисление, расщепление липидов;

    • полимеризация, деполимеризация углеводов, гликолизирование белков.

    2. Процессы, поддерживающие нативность молекулярных и надмолекулярных структур хрусталика:

    • транспорт ионов и метаболитов – аминокислот, витаминов, коферментов, липидов, углеводов;

    • биосинтетические процессы, в результате которых образуются белки, липиды, углеводы, глутатион и др.;

    • биоэнергетические процессы – окислительно-восстановительные реакции аккумуляции энергии в виде АТФ и других высокоэргических соединений;

    • активность энзиматических систем защиты белков, липидов и регенерации восстановленной формы глутатиона – катапаза, супероксидисмутаза, глутатионпероксидаза, глутатион-γ-трансфераза, глутатионредуктаза;

    • группа ферментов детоксикации – система цитохрома-450, урокиназа;

    • ферменты, восстанавливающие НАДФ.

    Основные формы возрастной катаракты (кортикальная, ядерная и субкапсулярная) имеют свои биохимические особенности, которые могут быть перечислены в следующем виде:

    а) в механизме образования кортикальных помутнений лежат нарушения равномерного распределения белков в хрусталиковых волокнах, конфигурации белков, плотности их упаковки в волокнах; образование за счет дисульфидных связей высокомолекулярных белковых агрегатов; повышение проницаемости мембран хрусталика и осмотические нарушения, приводящие к усилению обводненности хрусталика; нарушение механизмов транспорта ионов и их энергетического обеспечения;

    б) для ядерной катаракты характерны повреждения белков (увеличение размеров молекул, образование нерастворимых высокомолекулярных агрегатов), дезинтеграция мембран волокон, часто сочетающихся с окрашиванием ядpа в желто-коричневый цвет различной степени интенсивности благодаря образованию хромофоров;

    в) в генезе формирования субкапсулярных катаракт преобладают осмотические механизмы, нарушения действия «катионового насоса», гидратация хрусталика, набухание и деградация белков, нарушения проницаемости капсулы хрусталика и ее структуры, затрудняющие проникновение метаболитов.