Биохимический состав хрусталика

Прозрачность хрусталика определяется клеточным и субклеточным уровнями его организации. Нарушение размеров, однородности формы и правильности расположения волокон приводит к рассеянию света, падающего на хрусталик. Однако, эффект светорассеяния усиливается и в том случае, если высокополимерные крупные молекулы (а это в основном белки) еще более укрупняются вследствие агрегирования. При помутнении хрусталика его нормальные прозрачные белки превращаются в мутную, коагулированную, нерастворимую форму, денатурируются. В цитоплазме кортикальных волокон катарактального хрусталика, по данным проникающей и сканирующей электронной микроскопии, отмечается разжижение цитозольного матрикса, фрагментация кортикальных клеток, неупорядоченность мембран, накопление материала липофильной природы глобулярных тел. Однако, процессы, ведущие к этому явлению, могут иметь самую различную природу. Поэтому сохранение прозрачности хрусталика возможно только при его определенном химическом составе, достигаемом строгой сбалансированностью всех звеньев метаболизма.

Среди низкомолекулярных веществ важное место занимает вода и неорганические соединения. По сравнению с другими органами содержание воды в хрусталике относительно невелико и составляет в среднем 62 %. В массе хрусталика вода находится главным образом внутри клеток (90%) и лишь незначительная ее часть занимает внеклеточное пространство (10%). Внутри клетки вода может быть как в свободном состоянии, так и в связанном с белками (54%), при этом только 3 – 4% связанной с белками воды можно считать прочно связанной. Содержание воды в хрусталике с возрастом понижается, за счет чего увеличивается сухой остаток. Развитие катаракты вызывает изменение количества воды в хрусталике. В частности, при старческой катаракте способность белков помутневшего хрусталика связывать воду уменьшается, и содержание свободной воды увеличивается и хрусталик набухает.

Около 2% минеральных солей содержится в нормальном хрусталике. В его состав входят калий, натрий, кальций, магний, хлор, фосфор, сера, железо, медь, марганец, цинк, барий, стронций, кремний, молибден, серебро, олово, свинец, бор, алюминий, никель, хром, цезий и некоторые другие элементы. Преобладающим катионом является калий. Высокая внутриклеточная концентрация калия необходимая для протекания гликолиза и процесса синтеза белка. В межклеточном веществе содержится большое количество натрия. Эти ионы важны для функционирования натрий – калиевого насоса, осуществляющего активный транспорт веществ в клетку и из клетки. Одним из патологических звеньев катарактогенеза является именно повреждение Na⁺ – K⁺ – АТФазы. При развитии катаракты содержание кальция возрастает примерно в 10 раз. При этом он переходит в нерастворимые формы и может откладываться в виде кристаллов, формируясь в сферолиты до 0,25 мм в диаметре. Ион кальция участвует в деградации белка хрусталика. В склеротическом ядре хрусталика более 3% зольного остатка составляет кальций, тогда как в норме эта величина не превышает 1%. Одной из наиболее важных функций хрусталика является поддержание нормальной проницаемости мембран.

Некоторые элементы участвуют в антиоксидантной системе хрусталика. Это селен, медь, цинк, железо. В частности, селен содержится в активном центре глутатионпероксидазы I (селензависимая). Развитие катаракты сопровождается снижением активности этого фермента на 30 %, при этом может уменьшаться содержание селена в хрусталике.

Из органических веществ хрусталика наибольшее внимание исследователей привлекли глутатион и аскорбиновая кислота. Это связано с тем, что эти вещества являются одними из важнейших компонентов антиоксидантной системы хрусталика. Аскорбат и глутатион способны восстанавливать липоперекиси и дисульфидные связи, накапливающиеся при фотоповреждении. В систему глутатиона входят три фермента: глутатионредуктаза (поддерживает глутатион в восстановленном состоянии), глутатионпероксидаза I и II (детоксицируют перекись водорода и органические гидроперекиси, обрывая свободнорадикальные цепи). Система глутатиона – универсальный метаболический путь для удаления вредных соединений из хрусталика. Глутатион участвует в процессах детоксикации чужеродных электрофилов (агенты, содержащие группировки, несущие положительный заряд) экстралентикулярного происхождения, а также в процессе окисления гидроперекисей интралентикулярного происхождения через глутатионпероксидазный путь. Таким образом, в норме система глутатиона препятствует окислению тиоловых групп белков хрусталика. При катаракте содержание глутатиона значительно снижается, причем содержание восстановленного глутатиона уменьшается задолго до появления клинических признаков помутнения хрусталика. Уменьшение количества глутатиона ведет к оксидантному повреждению мембран клеток хрусталика, следствием чего является нарушение их проницаемости и четкой организации самих мембран.

В хрусталике содержится относительно большое количество аскорбиновой кислоты. Она полностью поступает в хрусталик из камерной влаги. Снижение уровня витамина С в хрусталике негативно влияет на его окислительно-восстановительные процессы и тем способствует развитию старческой, травматической и других видов катаракт. Аскорбиновая кислота может выступать в качестве донора и акцептора водорода благодаря наличию в структуре молекулы двух кето - енольных групп. Следует отметить очень важную способность аскорбиновой кислоты ингибировать перекисное окисление липидов в водной фазе. Она обладает чрезвычайно широким спектром антиоксидантных свойств: обезвреживает радикал хлора, HO₂^., RO₂^. , O₂^. , OH^. , восстанавливает α – токоферольный радикал, тем самым возвращая α – токоферолу антиоксидантные свойства.

Клетки хрусталика содержат большое количество белка. Приблизительно 15% в кортексе и до 75% в ядре. Концентрация белков в хрусталике составляет приблизительно 35% влажного веса, что в 2 раза превышает аналогичный показатель в большинстве других тканей. Белки хрусталиковых волокон – кристаллины – тканеспецифичны и сохраняются в хрусталике с момента их образования и до конца жизни. Совершенная физико-химическая организация белков обеспечивает прозрачность хрусталика. Вся группа белков хрусталика по их отношению к воде делится на водорастворимые и водонерастворимые. Выяснено, что с возрастом увеличивается количество высокомолекулярных кристаллинов (α₁,α₂ - фракции) и снижается относительное количество низкомолекулярных (β, γ), общее количество белка имеет тенденцию к уменьшению. Также с возрастом увеличивается образование дисульфидных мостиков между кристаллинами, таким образом, увеличивается доля водонерастворимой фракции.

Объяснение многих патологических процессов идет в свете перекисного окисления липидов, причем окислительный процесс в основном связывают с присутствием в тканях полиненасыщенных жирных кислот. Липиды составляют 1 % массы хрусталика человека. В нем обнаружены представители всех основных групп – ацилглицерины, фосфоглицериды, сфинголипиды, гликолипиды, стерины. Две трети нейтральных и полярных липидов связаны с белками (липопротеины), а одна треть находится в свободном состоянии. При катаракте уменьшается количество липопротеинов при нормальном общем составе липидов. Почти 40 % липидов – это полярные фосфолипиды. Они являются главным компонентом мембран хрусталиковых волокон. С возрастом в мембранах количество фосфолипидов уменьшается.

В хрусталике содержатся насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты с длиной цепи от 16 до 24 атомов углерода.

Мембраны хрусталика содержат наибольшее по сравнению со всеми известными мембранами количество холестерина. Отношение холестерин/фосфолипиды в этих мембранах изменяется от 0,8 (в клетках эпителия) до 3,5 (в ядре хрусталика).