Экологические аспекты устойчивого развития

Физико-химические изменения в цитоплазме являются ведущими в процессах жизнедеятельности клетки.

Вязкость. Вязкость – свойство, присущее жидкостям, обладающим внутренней структурой. В физике вязкость жидкости определяют как сопротивление передвижению одного ее слоя относительно другого. Поэтому вязкость часто называют внутренним трением.

Основное вещество цитоплазмы – цитозоль содержит систему микрофиламентов. Крупные молекулы – белки и РНК – образуют коллоидный раствор, который может быть золем (невязким) или гелем (вязким).

Взаимодействие гидратированных ионов ксенобиотиков с за­ряженными белковыми молекулами цитоплазмы может вызывать переходы золя в гель и обратно. Катионы, имеющие поливалентный заряд, сильнее притягиваются к заряженной коллоидной частице по сравнению с одновалентными. Поэтому в первом случае молекула коллоидной частицы теряет часть гидратной воды и цитоплазма превращается в вязкую гелеобразную массу. Во втором случае из-за слабого притяжения гидратные оболочки белка и иона сливаются и цитоплазма оводняется, превращаясь в жидкий раствор – золь.

Экспериментальные данные свидетельствуют о широком диапазоне величин структурной вязкости. Она служит хорошим показателем физиологического состояния клеток, уровня их жизнедеятельности. В структурной вязкости находит отражение реакция живых организмов на изменение внешних условий (температура, освещение и др.) и, конечно, на химические агенты.

Движение цитоплазмы. Скорость движения цитоплазмы (СДЦ) варьируется от нескольких микрометров в секунду до десятков и зависит от условий окружающей среды (свет, температур, рН) и от присутствия ксенобиотиков.

Индуцируемое химическими агентами движение цитоплазмы получило название хемодинеза. Заметное влияние на СДЦ оказывают ксенобиотики, подавляющие обмен веществ у живых организмов.

Изоэлектрическая точка цитоплазмы (ИЭТ). Все амфолиты способны проявлять свойства и кислот и оснований, т. е. способны образовывать и положительные и отрицательные ионы. В живых организмах важнейшими амфолитами являются аминокислоты, полипептиды, белки, т. к. они имеют группы –NH₂ и –СООН. Кислые группы в щелочной среде теряя протон, становятся отрицательно заряженными (–СОО^– + Н⁺), а основная группа, в кислой среде присоединяя протон, становится положительно заряженной (NH₂ + Н⁺ → NH₃⁺).

Ионные группы определяют электрические свойства белковых молекул. Заряд белковой молекулы равен сумме зарядов ионных групп. При определенном значении рН, когда образуется одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, т. е. сумма их равна 0, белок становится нейтральным. Значение рН, при котором белок имеет минимальный электрический заряд, принято называть ИЭТ. В растворе с рН, равном ИЭТ, белок не движется ни к одному из полюсов, тогда как в кислой среде он перемещается к катоду, а в щелочной – к аноду. Этот прием, называемый электрофорезом, широко используется для разделения белков.

Каждый белок имеет строго определенную величину ИЭТ. В ИЭТ белок имеет минимальное значение вязкости, растворимости, степени гидратации, осмотического давления и электропроводности.

Различные ксенобиотики, имеющие кислотные или щелочные свойства, способны сдвигать величину рН в ту или иную сторону и тем самым изменять ИЭТ цитоплазмы.

Плазматические мембраны. Содержимое клетки отграничено от окружающей среды плазматической мембраной. Благодаря этому поддерживаются условия, позволяющие структурным элементам клетки выполнять присущие им функции. С другой стороны, через плазматическую мембрану осуществляется непрерывный транспорт различных молекул, чем и обеспечивается обмен веществом между средой и клеткой. Наконец, в мембране локализуются белковые структуры, формирующие ионные каналы, рецепторы для физиологически активных веществ, обеспечивающие восприятие сигналов, регулирующих биологическую активность клетки.

В мембрану встроены белковые молекулы, которые часто пронизывают всю ее толщу, либо погружаются на различную глубину, локализуясь на внешней или внутренней стороне. Углеводный компонент клеточной мембраны представлен главным образом гликопротеинами. Они располагаются на внешней поверхности мембраны. Мембраны различных клеток существенно различаются по своему строению и функциям. В клеточной мембране печени обнаруживается около 20 энзимов. Изменение свойств плазматических мембран в ответ на стимул являются важнейшим звеном цепи биологических процессов, лежащих в основе формирования реакции организма на внешние и внутренние раздражители.

Плазматические мембраны, несмотря на преимущественно липидный состав, способны пропускать низкомолекулярные водорастворимые вещества, так как содержат поры со средним диаметром 0,7 – 1,0 нм. Полагают, что поры, заполненные водой, сформированы белковыми молекулами. Объем воды, содержащейся в мембранах, составляет от 30 до 50% от общего их объёма.

Клеточные мембраны чрезвычайно динамичный элемент. Их строение изменяется в соответствии с условиями окружающей среды и потребностями клетки. Увеличение площади поверхности растущей клетки осуществляется за счет слияния клеточной мембраны с синтезируемыми в цитоплазме (аппарат Гольджи) микровезикулами.

Известен и противоположный процесс – поступления необходимых веществ из окружающей среды в клетку, путем захвата фрагментом клеточной мембраны субстрата, погружением его в цитоплазму и отшнуровывания от остальной мембраны. Слияние мембраны с везикулами и их отшнуровывание обеспечивают динамичность её состава.

Важными свойствами клеточной мембраны является ее электрический заряд и электрическая проводимость. Наружная сторона мембраны клеток в состоянии покоя заряжена положительно. Полярность мембраны определяется отчасти асимметричностью липидных слоев, отчасти наличием в ее составе белковых молекул и гликопротеинов. Особое значение имеет градиент концентрации ионов по обе стороны мембраны, поддерживаемый благодаря энергозатратным процессам. Таким образом свойства мембраны и обмен веществ в клетке тесно связаны. Вещества, вмешивающиеся в обмен липидов, существенно влияют на свойства биологических мембран.

Цитоплазматические мембраны. Внутри клеток имеются многочисленные мембранные структуры, образующие эндоплазматический ретикулум, мембрану ядра клетки, митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы. Эти структуры образованы двумя слоями биологической мембраны.

Цитоплазматические мембраны служат организующим субстратом для объединения в единый комплекс ряда энзиматических систем. Например, мембраны митохондрий представляют собой сложную мозаику взаимодействующих энзиматических групп. В качестве матрикса для энзимов выступают и другие мембранные структуры: гладкий и шероховатый эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи. Эти структуры участвуют в обмене веществ. Так, на рибосомах, локализующихся на мембранах шероховатого ретикулума, осуществляется синтез белка; энзимы гладкого эндоплазматического ретикулума – важнейший элемент метаболизма ксенобиотиков; аппарат Гольлджи – основная секреторная структура клетки.

Токсическое действие многих веществ сопряжено с их влиянием на состояние мембранных структур. Оно может быть прямым и опосредованным. Наиболее вероятными механизмами опосредованного повреждения биологических мембран при интоксикациях являются: 1) активация перекисного окисления липидов; 2) активация фосфолипазной активности.