АЛКОГОЛЬ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАНЫ
УДК 612.8
АЛКОГОЛЬ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАНЫ
А.Ю. Савинова, студент, специальность «Лечебное дело»
Пензенский государственный университет
Медицинский институт
(440026, Россия, г. Пенза, ул. Лермонтова, 3, корп. 10)
E-mail: nastyasavinova0604@icloud.com
В.В. Гусарова, студент, специальность «Лечебное дело»
Пензенский государственный университет
Медицинский институт
(440026, Россия, г. Пенза, ул. Лермонтова, 3, корп. 10)
E-mail: gusarova.2006@mail.ru
Н.Л. Ильина, кандидат биологических наук, доцент
Пензенский государственный университет
Медицинский институт
(440026, Россия, г. Пенза, ул. Лермонтова, 3, корп. 10)
E-mail: ilinanl@mail.ru
Н.И. Микуляк, доктор медицинских наук, доцент, заведующий кафедрой «Физиология человека»
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный Университет»
(440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: normphys@mail.ru
Аннотация. В данной статье рассматривается влияние этанола, основного компонента алкогольных напитков, на структурно-функциональные свойства клеточных мембран, с особым акцентом на нейрональные мембраны. Этанол способен изменять физико-химические характеристики мембран, что может приводить к нарушению их целостности и функциональности. Это имеет важные последствия для нейрональной активности, включая передачу сигналов и взаимодействие нейронов. В статье также сделан акцент на определение алкоголя в воздухе.
Ключевые слова: этанол, клеточные мембраны, ионная проницаемость, ГАМК(A)‑рецепторы, NMDA‑рецепторы.
При целостности клеточных мембран все функции- барьерная, транспортная, регуляторная и ферментная, происходят в нормальных, генетически запрограммированных режимах. Если мембраны повреждаются, то и все функции будут нарушаться и будут появляться расстройства в зависимости от того, в каком органе это повреждение произошло.
Согласно современной, трехмерной, жидкостно-мозаичной модели строения клеточных мембран, они состоят из 2 слоев липидов (жиров), в которые встроены белки. Белки обычно являются рецепторами и элементами транспортных каналов. Между белками и жирами существует связь, притяжение, они определенным образом расположены и составляют единое целое. Молекулы этанола могут ослаблять силы притяжения между молекулами липидов в клеточной мембране, и они обретают способность свободно перемещаться в пределах жирового бислоя. Мембрана клетки при этом теряет свою структурную организацию и жесткость, становится менее вязкой и более текучей. В результате этого все функции мембран нарушаются, и, в результате этого, меняется активность мембранных ферментов, нарушается процесс активного транспорта ионов. В клетках, в частности, повышается содержание ионов натрия и уменьшается содержание ионов калия, нарушается баланс других электролитов: кальция, магния, меди, цинка, марганца. В результате этого нарушаются процессы возбудимости – формирование на мембранах потенциала действия, проведение биотоков по нервам и через синапсы. У пьяного «отнимаются» руки и ноги, «заплетается» язык, замедляются все психические и двигательные реакции. Клинически это проявляется состояниями глубокого угнетения, нечувствительности людей, находящихся в состоянии глубокого опьянения, к возбуждающим воздействиям [2].
При острой интоксикации текучесть и проницаемость мембран повышается. Но при хроническом потреблении алкоголя организм проявляет свои компенсаторные и приспособительные способности, изменяет состав липидов в мембранах и они становятся более стабильными, менее текучими, более устойчивыми к повреждающему действию этанола. По этой причине патогенетические механизмы и клинические проявления острой интоксикации отличаются от таковых при хроническом потреблении алкоголя.
2. Воздействия на нейронные мембраны. Воздействие этанола на центральную нервную систему осуществляется преимущественно через модуляцию ионной проницаемости нейрональных мембран и изменение функций ключевых нейротрансмиттерных рецепторов.
Натриевые каналы демонстрируют повышенную инактивацию при умеренных концентрациях этанола (20-50 mM), что снижает возбудимость нейронов. Потенциал-зависимые кальциевые каналы L-типа подвергаются подавлению, что нарушает процессы экзоцитоза нейромедиаторов. Одновременно наблюдается активация кальций-зависимых калиевых каналов, усиливающих гиперполяризацию мембраны и дополнительно снижающих нейрональную возбудимость.
Особый интерес представляет воздействие этанола на ГАМК-ергическую систему. ГАМК (A)-рецепторы, представляющие собой лиганд-зависимые хлорные каналы, испытывают значительную аллостерическую модуляцию под влиянием алкоголя. Этанол в концентрациях 5-50 mM повышает аффинность рецептора к ГАМК, удлиняет время открытия хлорных каналов и усиливает ток ионов хлора в постсинаптические нейроны. Дополнительным механизмом является потенцирование действия эндогенных нейростероидов на ГАМК- рецепторы. Совокупность этих эффектов приводит к значительному усилению тормозных постсинаптических потенциалов и снижению нейрональной возбудимости, что клинически проявляется седацией, анксиолизом, нарушением координации движений и другими признаками угнетения ЦНС.
Параллельно этанол оказывает выраженное ингибирующее действие на NMDA- рецепторы, относящиеся к инотропным глутаматным рецепторам. Алкоголь неконкурентно ингибирует эти рецепторы через снижение частоты открытия ионных каналов при концентрациях 10-100 mM, уменьшение амплитуды NMDA- токов и нарушение взаимодействия с внутриклеточными сигнальными системами. Особенно значимым является подавление кальций-зависимых процессов в постсинаптических нейронах, поскольку именно через NMDA- рецепторы осуществляется кальций-зависимая регуляция синаптической пластичности. Ингибирование NMDA-рецепторов нарушает процессы долговременной потенциации (LTP), лежащие в основе механизмов обучения и памяти, что объясняет характерные когнитивные нарушения при алкогольной интоксикации.
При хроническом употреблении алкоголя развиваются сложные нейроадаптационные процессы, направленные на компенсацию острых эффектов этанола. Происходит снижение плотности ГАМК-рецепторов и их функциональная десенситизация, одновременно наблюдается увеличение количества NMDA-рецепторов и их гиперчувствительность к глутамату. Меняется экспрессия субъединиц рецепторных комплексов, что приводит к фундаментальной перестройке свойств рецепторов. Эти компенсаторные изменения нарушают тонкий баланс между тормозными и возбуждающими системами ЦНС, создавая основу для развития толерантности, физической зависимости и синдрома отмены.
Клинические проявления алкогольного воздействия непосредственно коррелируют с описанными молекулярными механизмами. Острая интоксикация обусловлена преимущественно усилением ГАМК-ергического торможения и подавлением NMDA-опосредованного возбуждения. Абстинентный синдром характеризуется противоположными изменениями - гипервозбудимостью NMDA-системы на фоне сниженного ГАМК-ергического тонуса. Когнитивные нарушения являются прямым следствием дисфункции NMDA-рецепторов и нарушения синаптической пластичности. Формирование алкогольной зависимости включает в себя сложную перестройку дофаминергической системы мезолимбического пути, происходящую на фоне фундаментального изменения баланса между тормозными и возбуждающими системами мозга [1].
3. Переработка и нейтрализация этанола. Алкоголь, попадая в организм человека мгновенно проникает в кровеносное русло, откуда распространяется по всему телу. Лишь 10% принятого алкоголя выходит наружу в первоначальном виде, выделяясь через кожу, почки, лёгкие. Основная масса алкоголя подвергается обработке и обезвреживанию в печени с помощью ферментов: алкогольдегидрогеназа и ацетальдегиддегидрогеназа [4].
Алкогольдегидрогеназа-фермент, при помощи которого в организме человека спирты, окисляясь, превращаются в кетоны и альдегиды. Ген ADH1B кодирует β-субъединицу алкогольдегидрогеназы. Один из значимых полиморфизмов – замена гуанина на аденин в позиции 143 нуклеотидной последовательности (маркер G143A), что приводит к замене аргинина на гистидин в положении 47 аминокислотной последовательности белка (Arg47His). Выделяют два основных аллеля: ADH1B*1 (Arg47) – аллель, кодирующий фермент с меньшей активностью; ADH1B*2 (His47) – аллель, кодирующий фермент с повышенной активностью.
У носителей аллеля ADH1B2 фермент работает в 100 раз быстрее, чем у людей с аллелем ADH1B1. Это приводит к ускоренному превращению этанола в ацетальдегид, что вызывает быстрое накопление токсичного метаболита и появление симптомов непереносимости алкоголя (покраснение лица, тахикардия, тошнота и др.). Такая реакция может снижать склонность к злоупотреблению алкоголем и, как следствие, риск развития алкогольной зависимости. Частота аллеля ADH1B*2 варьируется в разных популяциях: у европейцев она составляет около 2-5%, а в азиатских популяциях достигает 70-86%.
Ацетальдегидрогеназа-другой фермент. Он окисляет ядовитые ацетальдегиды, превращая их в безвредную уксусную кислоту. Ген ALDH2 кодирует митохондриальную альдегиддегидрогеназу. Важный полиморфизм – замена гуанина на аденин в позиции 1510 (маркер G1510A), что приводит к замене глутаминовой кислоты на лизин в положении 504 белка (Glu504Lys). Выделяют два основных аллеля: ALDH2*1 (Glu504) – аллель, кодирующий активную форму фермента; ALDH2*2 (Lys504) – аллель, кодирующий неактивную форму фермента [6].
У гомозигот по аллелю ALDH2*2 фермент практически полностью утрачивает активность, а у гетерозигот активность снижается до 6% от нормы. Это приводит к накоплению ацетальдегида в крови даже после небольших доз алкоголя, что вызывает выраженные симптомы интоксикации.
Аллель ALDH2*2 распространён преимущественно в азиатских популяциях (частота 30-50%), тогда как у представителей европеоидной и негроидной рас он практически отсутствует.
Сочетание аллелей ADH1B2 и ALDH22 приводит к максимальному накоплению ацетальдегида, так как этанол быстро превращается в ацетальдегид (из-за активной ADH), а его дальнейшее окисление затруднено (из-за неактивной ALDH). Это вызывает сильный дискомфорт и, как правило, снижает склонность к употреблению алкоголя. Однако даже при наличии таких аллелей риск развития алкогольной зависимости не исключён полностью.
4. Химические способы определения алкоголя в воздухе. Когда алкоголь покидает кровоток и попадает в дыхательную систему, он достигает равновесного состояния в альвеолярном отделе лёгких. В настоящее время наиболее общее принятое соотношение-2100:1. То есть, 2100 частей воздуха в альвеолах содержит такое же количество алкоголя, как и 1 часть крови.
Наиболее простым и доступным является проба Рапопорта. Механизм: в две чистые пробирки наливают 2 мл дистиллированной воды. В одну из них опускают пипетку с узким вытянутым концом и испытуемый пропускает около 2 л выдыхаемого воздуха. Проходя через воду, алкоголь, содержащийся в выдыхаемом воздухе, растворяется в ней и затем его наличие определяют с помощью химических реакций.
В обе пробирки приливают по 20 капель чистой концентрированной серной кислоты и после по 1 капле 0,5% раствора марганцевокислого калия. Результаты исследования оцениваются в течение 1-2 минуты с момента введения маргенцевокислого калия. Если в течении 2 минут раствор в сравнении с контрольным не изменил цвета-алкоголя в организме у обследуемого не обнаружено. При полном обесцвечивании раствора- факт употребления алкоголя подтверждается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Березов, Т.Т., Коровкин, Б.Ф. Биологическая химия: учебник / Т. Т. Березов, Б. Ф. Коровкин. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Медицина, 1998. – 704 с.: ил. – (Учеб. лит. для студентов мед. вузов)
3. Косицкий Г.И. Физиология человека. – М.: Медицина, 1985.
4. Наркология: национальное руководство под ред. Н. Н. Иванца, М. А. Винниковой. – 3-е изд., перераб. и доп. – Москва: ГЭОТАР-Медиа, 2024. – 848 с.
5. Alcohol Metabolism, Alcohol Intolerance, and Alcoholism: Biochemical and Pharmacogenetic Approaches / Д. П. Агаравал, Х. В. Гоедде. – Берлин ; Нью-Йорк : Springer-Verlag, 1990. – 184 с.
6. Edenberg, H.J. The genetics of alcohol metabolism: role of alcohol dehydrogenase and aldehyde dehydrogenase variants // Alcohol Research & Health. – 2007. – Vol. 30, No. 1. – Pp. 5-13.
REFERENCES
1. Moiseev V.S. Et al. Alkogol’naya bolezn’. Porazhenie vnutrennikh organov [Alcoholic Disease. Damage to Internal Organs]: monografiya. ed. By V. S. Moiseev. 2nd ed., rev. and suppl. Moscow: GEOTAR‑Media, 2014.
2. Berezov T.T., Korovkin B.F. Biologicheskaya khimiya [Biological Chemistry]: uchebnik. 3rd ed., rev. And suppl. Moscow: Meditsina, 1998. 704 p.: ill. (Uchebnaya literatura dlya studentov meditsinskikh vuzov).
3. Kositskii G.I. Fiziologiya cheloveka [Human Physiology]. Moscow: Meditsina, 1985.
4. Narkologiya: natsional’noe rukovodstvo [Narcology: National Guide]. ed. By N. N. Ivants, M. A. Vinnikova. 3rd ed., rev. And suppl. Moscow: GEOTAR‑Media, 2024. 848 p.
5. Agarwal D.P., Goedde H.W. Alcohol Metabolism, Alcohol Intolerance, and Alcoholism: Biochemical and Pharmacogenetic Approaches. Berlin; New York: Springer‑Verlag, 1990. 184 p.
6. Edenberg H.J. The genetics of alcohol metabolism: role of alcohol dehydrogenase and aldehyde dehydrogenase variants. Alcohol Research & Health. 2007. Vol. 30, No. 1. P. 5–13.
Материал поступил в редакцию 25.02.26
ALCOHOL AND ITS IMPACT ON CELL MEMBRANES
A.Y. Savinova, Student, Specialty “General Medicine”
Medical Institute, Penza State University
(440026, Russia, Penza, Lermontov St., 3, Bldg. 10)
E‑mail: nastyasavinova0604@icloud.com
V.V. Gusarova, Student, Specialty “General Medicine”
Medical Institute, Penza State University
(440026, Russia, Penza, Lermontov St., 3, Bldg. 10)
E‑mail: gusarova.2006@mail.ru
N.L. Ilyina, Candidate of Biological Sciences, Associate Professor
Medical Institute, Penza State University
(440026, Russia, Penza, Lermontov St., 3, Bldg. 10)
E‑mail: ilinanl@mail.ru
N.I. Mikulyak, Doctor of Medical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Human Physiology
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Penza State University” (Penza State University)
(440026, Russia, Penza, Krasnaya St., 40)
E‑mail: normphys@mail.ru
Abstract. This article examines the influence of ethanol, the main component of alcoholic beverages, on the structural and functional properties of cell membranes, with a particular focus on neuronal membranes. Ethanol is capable of altering the physicochemical characteristics of membranes, which may lead to a disruption of their integrity and functionality. This has significant implications for neuronal activity, including signal transmission and neuron‑to‑neuron interaction. The article also emphasizes the detection of alcohol in the air.
Keywords: ethanol, cell membranes, ionic permeability, GABA(A)‑receptors, NMDA‑receptors.