Денатурация что это в медицине

ДЕНАТУРАЦИЯ

ДЕНАТУРАЦИЯ — существенные изменения природных свойств вещества под влиянием химических или физических воздействий. Термин «денатурация» применяется обычно к белкам (см.). Нарушение нативной уникальной структуры под влиянием повышения температуры, высокого гидростатического давления, ультразвука, ионизирующих излучений, резких сдвигов pH, добавления некоторых химических веществ, разрывающих нековалентные связи (напр., мочевины, солей гуанидина, трифторуксусной или трихлоруксусной к-т), называется общим термином «денатурация белков». Молекуле нативного белка свойственна внутренняя упорядоченность, поддерживаемая системой нековалентных связей между многочисленными структурными элементами. При Денатурации такая упорядоченность нарушается. Ковалентные (химические) связи в молекуле белка при Денатурации не затрагиваются, и первичная структура белка сохраняется. Структуры высоких порядков — вторичная или третичная — нарушаются полностью или в значительной степени. Изменение нативного состояния молекул, аналогичное Денатурации белков, известно также и для нуклеиновых кислот (см.).

Биологически активные белки — ферменты, антитела и др.— при Д. инактивируются. Причиной этого является то, что в процессе Д. нарушаются активные центры — точно организованные участки белковых молекул, непосредственно ответственные за соответствующую биол, функцию. Физ.-хим. изменения, сопровождающие Д., также связаны с нарушением упорядоченной структуры белка. Так, при Д. нарушаются (в различной степени) спирализованные участки полипептидной цепи, что фиксируется соответствующими спектрополяриметрическими сдвигами. Переход полипептидной цепи белка из плотно упакованного в беспорядочное и подвижное состояние вызывает изменение вязкости и других гидродинамических свойств их р-ров. В состоянии Д., когда полипептидная цепь становится более подвижной, общая реактивность хим. групп увеличивается. Нетитрующиеся (т. е. не вступающие в реакцию) сульфгидрильные (SH-) и некоторые другие группы, присутствующие во многих нативных белках, обычно титруются после Д. Взаимодействие белков с нек-рыми красителями резко усиливается в результате Д. Из-за повышения доступности и увеличения реактивности различных хим. групп при Д. очень сильно возрастает степень взаимодействия между отдельными белковыми молекулами. В денатурированном состоянии белки легко агрегируют, т. е. денатурированные белки легко осаждаются, свертываются или же латинизируются. Для сохранения белка в растворенном состоянии после Д. приходится применять солюбилизирующие вещества — детергенты (см.), мочевину и др.

Д. белков обычно сопровождается значительным увеличением теплосодержания и энтропии (см. Термодинамика), хотя эти изменения зависят от условий среды. В простейших случаях система при Д., по-видимому, содержит всего две формы белка — нативную и полностью денатурированную. По мере Д. белок переходит из одной формы в другую без заметного образования каких-либо промежуточных форм и, следовательно, весь денатурационный переход белковой молекулы протекает как единый скачок. В других случаях кинетика денатурации указывает на образование в ходе реакции нескольких относительно стабильных не нативных форм белка, что соответствует более сложной схеме перехода. Но если при Д. молекула белка претерпевает несколько конформационных превращений, то каждое из них является кооперативным, т. е. включает большое число взаимозависимых реакций, заключающихся в образовании и разрыве нековалентных связей.

В прошлом Д. рассматривали как необратимый процесс, как переход белка в состояние, имеющее минимальный уровень свободной энергии. Теперь хорошо известно, что Д. обратима. Фактически наступающая необратимость создается, как оказалось, сопутствующими реакциями — агрегацией белка, окислением SH-групп с образованием новых дисульфидных (S—S) связей и пр. Если эти реакции в достаточной мере исключены, то тенденция к возвращению белка в нативное состояние (ренатурация) проявляет себя сразу же по прекращении действия денатурирующего агента.

Если Д. по существу представляет собой физ. переход упорядоченность — беспорядок, то в ренатурации ярко проявляется биол, особенность белков — способность к самоорганизации, путь к-рой определен строением полипептидной цепи, т. е. наследственной информацией. В условиях живой клетки данная информация, вероятно, является решающей для преобразования беспорядочной полипептидной цепи во время или после ее биосинтеза на рибосоме в нативную молекулу белка.

Библиография: Белицер В. А. Макроструктура и денатурационные превращения белков, Укр. биохим, журн., т. 24, в. 2, с. 290, 1962, библиогр.;

Птицын О. Б. Физические принципы самоорганизации белковых цепей, Усп. совр, биол., т. 69, в. 1, с. 26, 1970, библиогр.; Anfinsen С. В. The formation and stabilization of protein structure, Biochem. J., v. 128, p. 737, 1972, bibliogr.; Anfinsen G. B. a. Scheraga H. A. Experimental and theoretical aspects of protein folding, Advanc. Protein Chem., v. 29, p. 205, 1975, bibliogr.; Morawetz H. Rate of conformational transitions in biological macromolecules and their analogs, ibid., v. 26, p. 243, 1972, bibliogr.

Источник

Денатурация: особенности процесса, влияющие факторы, механизмы и последствия

Что такое белки?

Человеческий организм нуждается в различных типах молекул, и наиболее важными являются молекулы белков, которые содержат азот и состоят из аминокислот. Молекулы белка образуют основной строительный блок мышц и других тканей в организме человека. Их название указывает на то, что они имеют решающее значение для здоровья человека. Слово «белок» происходит от греческого «протеос», что означает «первый» или «первом месте». Каждый белок имеет свое место действия и задачи, которые он выполняет. Функции белка можно разделить на 9 основных:

Молекулы белка имеют разные размеры, в зависимости от количества аминокислот. Малые молекулы включают, например, инсулин из 51 аминокислоты, в то время как очень большие молекулы включают титан из почти 27 000 аминокислот.Однако размер молекул не имеет значения, для правильного функционирования они должны быть в подходящей форме. Каждый тип белка имеет уникальную форму, которая определяет роль белка в организме. Попробуйте представить белки как ключи, которые принадлежат только определенным дверям в человеческом организме.

Человеческий метаболизм расщепляет белки на более простые частицы – аминокислоты. 20 аминокислот необходимы для роста мышц и обмена веществ, 11 из которых не являются необходимыми. Это означает, что наш организм может создавать их сам, и их не нужно употреблять в пищу. Остальные аминокислоты помечены как незаменимые, и организм человека получает их из пищи и пищевых добавок. Мышечная ткань не может расти или регенерировать без них.

Что такое денатурация белка?

Денатурация – это процесс, при котором структура белковой молекулы нарушается, тем самым теряя свою функцию. Различия в форме белка могут быть вызвать:

Денатурация меняет форму белка, но последовательность аминокислот остается прежней. Цель протеина в форме пищевой добавки состоит в том, чтобы восполнить достаточное количество белка, и чтобы пищеварительная система могла разрушиться, тем самым снабжая мышечную ткань. Эта функция не теряется при термообработке белков.

Хорошим примером также является белок пепсин, который действует как фермент и расщепляет белки в желудке. Он работает только при низком pH, теряет свою функцию в среде с высоким pH и денатурирует. По этой причине pH желудка поддерживается на очень низком уровне, чтобы обеспечить правильное функционирование пепсина.

Тепло используется для разрыва водородных связей и неполярных гидрофобных взаимодействий в молекуле белка. Более высокая температура увеличивает кинетическую энергию и заставит молекулы вибрировать очень быстро, пока связи между ними не будут разрушены. Молекула белка разворачивается из своей трехмерной структуры, обеспечивая лучший доступ пищеварительного фермента к белковым связям.

Вот почему мы готовим продукты, чтобы изменить структуру белка и облегчить его переваривание. Например, этот процесс происходит, когда вы готовите яйца. В это время белок из яиц денатурируется и во время варки. После употребления вареных яиц переваривание и усвоение содержащихся в них питательных веществ происходит быстрее. Вы можете быть удивлены тем, что такой же процесс происходит при стерилизации медицинских инструментов. Тепло денатурирует белки в бактериях, которые затем уничтожают бактерии и дезинфицируют объекты.

Особенности процесса

Он сопровождается разворачиванием полипептидной связи, которая в растворе изначально представлена в виде беспорядочного клубка.

Процесс денатурации белка сопровождается утрачиванием гидратной оболочки, выпадением белка в осадок, утрачиванием им нативных свойств.

Среди основных факторов, которые провоцируют процесс денатурации, выделим физические параметры: давление, температуру, механическое действие, ионизирующее и ультразвуковое излучение.

Денатурация белка происходит под воздействием органических растворителей, минеральных кислот, щелочей, солей тяжелых металлов, алкалоидов.

Свойства денатурированных белков, виды денатурации

При денатурации утрачивается гидратная оболочка и белок выпадает в осадок и при этом утрачивает нативные свойства.

Денатурацию вызывают физические факторы: температура, давление, механические воздействия, ультразвуковые и ионизирующие излучения; химические факторы: кислоты, щелочи, органические растворители, алкалоиды, соли тяжелых металлов.

Различают 2 вида денатурации:

Свойства денатурированных белков:

Ферментные методы гидролиза основаны на избирательности действия протеолитических ферментов расщепляющих пептидные связи между определенными аминокислотами.

Пепсин расщепляет связи, образованные остатками фенилаланина, тирозина и глутаминовой кислоты.

Трипсин расщепляет связи между аргинином и лизином.

Химотрипсин гидролизует связи триптофана, тирозина и фенилаланина.

Гидрофобные взаимодействия, а также ионные и водородные связи относятся к числу слабых, тк энергия их лишь ненамного превосходит энергию теплового движения атомов при комнатной температуре(т е уже при данной температуре возможен разрыв связей ).

Поддержание характерной для белка конформации возможно благодаря возникновению множества слабых связей между различными участками полипептидной цепи.

Факторы, вызывающие денатурацию белков

Факторы, которые вызывают денатурацию белков, можно разделить на физические и химические.

Воздействие факторами денатурации применяют для стерилизации оборудования и инструментов, а также как антисептики.

Что происходит в процессе денатурации белков

Веганские школьные обеды помогают детям избежать дефицита питательных веществ

В процессе денатурации белка имеет место разрыв химических связей (дисульфидных, водородных, ван-дер-ваальсовых, электростатических и др.), которые стабилизируют высшие уровни организации белковой молекулы, что обуславливает изменение пространственной структуры белка. Следует отметить, то в большинстве случаев первичная структура белка в процессе денатурации не нарушается, поэтому после раскрутки цепи полипептидов (стадия нити), протеин может снова стихийно скручиваться, при этом образуя «случайный клубок», то есть переходит к хаотическому состоянию, отличного от нативной конформации.

Процесс денатруации белков происходит при температуре выше, чем 56 °С.

Типичными признаками необратимой денатурации белков является снижение гидрофильности и растворимости белков, увеличение оптической активности, изменение изоэлектрической точки, уменьшение устойчивости белковых растворов и молекулярной массы и изменение формы белковых молекул, увеличение вязкости и усиление способности к расщеплению ферментами, переход молекулы в хаотическое состояние, при котором наблюдается агрегация частиц белка и выпадение их в осадок.

Схема денатурации белка: а — нативная молекула; б — развертывание полипептидной цепи; в — стадия нити; г — случайный клубок

При непродолжительном действии денатурирующего агента (например, органического растворителя) возможно восстановление нативной структуры белка. Этот процесс называется ренатурацией. При ренатурации происходит восстанавлениене только структуры, но и биологических функций белка. С денатурацией связаны процессы переработки продуктов питания, изготовления одежды, обуви, консервирования и сушки овощей и фруктов. Результатом необратимой денатурацией протеинов является потеря способности к прорастанию семян при длительном хранении, особенно при неблагоприятных условиях. Процесс денатурации белков широко применяется в медицине, ветеринарии, фармации, клинике и биохимических исследованиях с целью осаждения протеина в биологическом материале с целью дальнейшей идентификации в нем низкомолекулярных и небелковых субстанций, с целью как установления наличия протеина, так и его количественного определения, для обеззараживания слизистых покровов и кожи, для конъюгации солей тяжелых металлов при терапии отравлений солями свинца, ртути, меди и т.п. или с целью профилактики подобных токсикозов на предприятии.

Процесс денатурации белков происходит также при приеме фармакологических препаратов танальбина и танина, на чем базируются их противовоспалительное и вяжущее действие. Вяжущие свойства танина базируются на его способности осаждать протеины с синтезом плотных альбуминатов, защищающих от раздражения тканей, в частности чувствительные нервные окончания. При этом уменьшается проявление воспалительной реакции, а также снижаются болевые ощущения и происходит непосредственное уплотнение мембран клеток. Препарат танальбин представляет собой продукт взаимодействия белка казеина с танином — в отличие от танина, данный препарат не оказывает вяжущего действия на слизистую оболочку желудка и ротовой полости. Только после попадания в кишечник он поддается процессу расщепления, выделяя при этом свободный танин. Применяется в медицине и ветеринарии как вяжущее лекарственное средство при хронических и острых болезнях кишечника, в частности у детей.

В практике фармацевтики использование процессов денатурации белка дает возможность контролировать качество протеиновых препаратов, например, в ампулах.

Последствия

После денатурации происходит переход нативной компактной структуры в рыхлую развернутую форму, упрощается проникновение к пептидным связям ферментов, необходимых для разрушения.

Конформация белковых молекул определяется возникновением достаточного количества связей между разными участками определенной полипептидной цепочки.

Белки, состоящие из достаточного количества атомов, которые находятся в непрерывном хаотичном движении, способствует определенным перемещениям частей полипептидной цепи, что вызывает нарушение общей структуры белков, снижение его физиологических функций.

Белки имеют конформационную лабильность, то есть предрасположенность к незначительным изменениям конформации, происходящим в результате обрыва одних и образования других связей.

Денатурация белка приводит к изменениям его химических свойств, способности вступать во взаимодействие с другими веществами. Наблюдается изменение пространственной структуры и участка, непосредственно контактирующего с иной молекулой, и всей конформацией в целом. Наблюдаемые конформационные изменения имеют значение для функционирования белков в живой клетке.

Механизмы денатурации

Практически любое заметное изменение внешних условий, например, нагревание или обработка белка щелочью приводит к последовательному нарушению четвертичной, третичной и вторичной структур белка. Обычно денатурация вызывается повышением температуры, действием сильных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов, некоторых растворителей (спирт), радиации и др.

Денатурация часто приводит к тому, что в коллоидном растворе белковых молекул происходит процесс агрегации частиц белка в более крупные. Визуально это выглядит, например, как образование «белка» при жарке яиц.

Источник

Денатурация

Смотреть что такое «Денатурация» в других словарях:

Денатурация — Денатурация лишение естественных свойств Денатурация биополимеров изменение структуры их молекул, приводящее к потере их естественных свойств: Денатурация белков Денатурация нуклеиновых кислот Денатурация продуктов изменение… … Википедия

денатурация — и, ж. dénaturation f. 1. Изменение природной структуры молекулы белка, нуклеиновой кислоты и других биополимеров при воздействии физических и химических свойств среды (температуры, давления и т. п.). БАС 2. Белки природных продуктов называют… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

ДЕНАТУРАЦИЯ — (от де. и лат. natura природные свойства) любые изменения природной (нативной) структуры молекулы белка, нуклеиновой кислоты и других биополимеров, не сопровождающиеся разрывом прочных ковалентных химических связей. Денатурация ведет к… … Большой Энциклопедический словарь

ДЕНАТУРАЦИЯ — [дэ], денатурации, мн. нет, жен. (спец.). Действие по гл. денатурировать. Денатурация спирта. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

ДЕНАТУРАЦИЯ — (от лат. De приставка, означающая удаление, утрату, и nаtura природные свойства), утрата природной (нативной) конфигурации молекулами белков, нуклеиновых к т и др. биополимеров в результате нагревания, химич. обработки и т. п. Обусловлена… … Биологический энциклопедический словарь

денатурация — изменение природной структуры молекулы белка, нуклеиновой кислоты и других биополимеров, не сопровождающееся разрывом прочных ковалентных хим. связей. Д. ведет к изменению свойств биополимера, может быть полной и частичной, обратимой и… … Словарь микробиологии

денатурация — и, мн. нет, ж. ( … Словарь иностранных слов русского языка

денатурация — сущ., кол во синонимов: 1 • денатурирование (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

денатурация — Процесс нарушения нативной конформации биологических макромолекул в результате разрыва нековалентных связей, индуцируемый химическими веществами, нагреванием, охлаждением и т.п. и сопровождающийся потерей биологической активности; Д. может быть… … Справочник технического переводчика

Денатурация — * дэнатурацыя * * denaturation изменение или даже утрата белками (и нуклеиновыми кислотами) их естественных свойств при перемене физических и химических условий среды (температуры, давления и др.): понижение растворимости, повышение вязкости их… … Генетика. Энциклопедический словарь

денатурация — ДЕНАТУРАЦИЯ, ДЕНАТУРИРОВАТЬСЯ см. Денатурировать. * * * денатурация (от де. и лат. natura природные свойства), любые изменения природной (нативной) структуры молекулы белка, нуклеиновой кислоты и других биополимеров, не сопровождающиеся… … Энциклопедический словарь

Источник

Противоречия эстетической медицины. 6. Методы скинтайтинга: миф о схлопывании коллагеновых волокон

И. Кругликов, доктор физико-математических наук, «Веллкомет ГмбХ», Германия
Статья публикуется с разрешения доктора И. Кругликова и журнала KOSMETICHE MEDIZIN (4/2013), Германия

1 ВВЕДЕНИЕ

Неинвазивные и минимально инвазивные аппаратные методы лечения находят все большее применение в эстетической медицине. Некоторые из этих методов, особенно те, которые предназначены для подтяжки кожи, декларируют долгосрочную модификацию коллагеновой сети как основную цель их применения. Этот эффект может быть достигнут, в частности, за счет конформационных изменений в коллагеновых структурах, вызываемых локальным выделением тепла в ткани-мишени. Одно из таких конформационных изменений – так называемое схлопывание коллагеновых структур – эффект, который практически всеми лазерными и радиочастотными методами подтяжки кожи заявляется в качестве основы их воздействия. Несмотря на то что молекулы коллагена действительно изменяют свою конфигурацию при нагревании и при этом даже могут существенно схлопываться (что было продемонстрировано во многих исследованиях in vitro и in vivo), действительный вклад этого феномена в наблюдаемые клинические результаты после применения различных методов подтяжки кожи остается спорным.

2 МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ КОЛЛАГЕНОВЫХ СТРУКТУР ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ

Сшитый (зрелый) коллаген – важная составная часть соединительной ткани, а его содержание определяет механические свойства и стабильность этой ткани. Содержание коллагена в ткани сильно зависит от скорости его обновления, которое протекает на разных уровнях – от активирования матричной рибонуклеиновой кислоты и синтеза проколлагена до производства зрелой коллагеновой сетки. Причем первые стадии этого процесса очень неустойчивы и могут чувствительно реагировать на различные физические факторы [1, 2]. Свободные белки проколлагена нестабильны, их внутримолекулярные связи слабы и могут быть ферментативно, а также под воздействием физических факторов расщеплены. Эти белки сами по себе не играют роли в механических свойствах соединительной ткани, поскольку только коллагеновые волокна, образующиеся путем фибриллогенеза, формируют механически ригидные и ферментативно устойчивые структуры (которые связаны также гликозаминогликанами и потому могут эффективно управлять накоплением воды в тканях).

Общепризнанно, что содержание коллагена в соединительной ткани с возрастом непрерывно уменьшается, что может иметь драматические последствия для ее механических свойств. Снижение содержания коллагена, а также деформация коллагеновой сетки ведут к возникновению крупнозернистой и несовершенной пространственной структуры, ригидность которой соответственно уменьшается. Искусственное уплотнение и упрочение этой сетки теоретически должно было бы привести к подтяжке кожи, а значит, и к улучшению ее внешнего вида.

Существуют три основные возможности добиться таких изменений. Некоторые из них могут быть реализованы в долгосрочной перспективе, другие – в среднесрочной или краткосрочной.

Смещение равновесия между формированием и разрушением соединительной ткани

Эта стратегия в долгосрочной перспективе может привести к стабильному обновлению коллагеновой сетки. Смещение в направлении разрушения соединительной ткани развивается в течение длительного времени вследствие разных заболеваний, действия солнечного излучения, а также по мере старения. Обратного развития этого процесса можно добиться путем целевого стимулирования фибробластов при одновременном подавлении матриксных металлопротеиназ, отвечающих за разрушение коллагена. Однако следует учесть, что обновление зрелой коллагеновой сетки в коже протекает в квазифизиологических условиях крайне медленно c периодом полураспада коллагена около 15 лет [3], поэтому такое обновление кожи может произойти только спустя длительное время [1].

Локальное повреждение соединительной ткани, которое приводит к образованию рубцов и соответствующему изменению натяжения кожи Именно такие изменения типичны при проведении минимально инвазивных омолаживающих процедур – лазерных (Fraxel и др.), радиочастотных и других. Эффект подтяжки кожи должен возникнуть при этом в среднесрочной перспективе (от недель до нескольких месяцев) и по времени должен коррелировать с образованием рубцов в соединительной ткани.

Модификация внутри- или межмолекулярных связей в коллагене в целях воздействия на структуры коллагеновой сетки на уровне отдельных коллагеновых молекул, коллагеновых фибрилл и/или коллагеновых волокон

Самым известным примером такой модификации является обратимая или необратимая денатурация коллагена под воздействием тепла, которая терапевтически применяется для укрепления слабой соединительной ткани в нестабильных суставных капсулах с помощью термической капсулорафии, а также в термокератопластике и для подтяжки кожи (Skin Tightening) в эстетической медицине. При массивной денатурации коллагена подтяжка соединительной ткани должна возникнуть сразу или через непродолжительное время после проведения процедуры.

Наиболее важные методы скинтайтинга в эстетической медицине основываются на локальном повышении температуры, причем в связи с этим следует различать следующие виды нагрева: с помощью воды, лазерный, ультразвуковой и радиочастотный. Хотя в основе этих методов лежат разные физические механизмы передачи энергии (а значит, и распределение энергии в тканях происходит по-разному), в конечном итоге все они осуществляют некоторое тепловое воздействие на целевую область.

Практически все эстетические методы коррекции, основанные на выделении тепла, декларируют схлопывание коллагеновых волокон как наиболее важный механизм их действия, не только обеспечивающий надежную теоретическую базу для этих методов, но и обосновывающий получение быстрого и относительно долгосрочного эффекта. Данное объяснение было перенято у достаточно хорошо изученных неинвазивных или минимально инвазивных методов (например, у капсулорафии) без критического анализа различий в распределении энергии и длительности воздействия. При этом часто игнорируется и тот факт, что схлопывание коллагеновых волокон зависит от многих, как правило, плохо контролируемых параметров и при квазифизиологических температурах в живом организме может быть в действительности реализовано лишь очень ограниченно. Так, для большинства применяемых на практике радиочастотных методов

коррекции время местного воздействия составляет менее 10 секунд, а во многих случаях оно лежит даже в миллисекундном диапазоне. В большинстве же исследований in vitro и клинических исследованиях по применению капсулорафии при температуре 60–70° C используется время воздействия в минутном диапазоне. Кроме того, обычно не принимается во внимание и то, что денатурированные молекулы коллагена не могут долго оставаться в ткани и должны быть элиминированы аутогенными желатиназами, что должно достаточно быстро снизить достигнутый эффект, если бы он действительно возникал от схлопывания коллагеновых волокон.

Все это порождает законный вопрос: насколько реально схлопывание коллагеновых волокон при проведении неинвазивных эстетических процедур. Этот вопрос становится особенно актуальным в свете все большей популярности радиочастотных методов эстетической коррекции независимо от используемых технических решений, связанных с моно-, би-, три- или даже мультиполярным расположением электродов.

3 ТЕРМИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ КОЛЛАГЕНА

Молекулы проколлагена состоят из трех полипептидных цепей, которые с помощью слабых внутримолекулярных связей образуют тройную спиральную структуру (три закрученные в левую сторону спирали составляют суперспираль, закрученную в правую сторону). Слабые внутримолекулярные связи (водородные мостики) возникают между глицинами одной спирали и пролинами другой, так что на каждый триплет приходится обычно один водородный «мостик». Такие тройные спиральные структуры могут в дальнейшем организоваться и удерживаться в параллельно расположенных структурах более высокого порядка – микрофибриллах (состоящих из 5 молекул проколлагена) и фибриллах, а также в коллагеновых волокнах, где их связывают уже альдегидные мостики, которые являются существенно более прочными, чем водородные. Только такие зрелые фибриллярные структуры, а не проколлагены могут отвечать за механические свойства соединительной ткани.

Тройные спирали коллагена формируют матриксные структуры различных типов тканей и при нормальных температурах тела остаются термически и механически относительно стабильными. Поэтому длительное время предполагалось, что эти молекулы обладают маргинальной термостабильностью и денатурируют лишь при температурах, на несколько градусов Цельсия превосходящих температуру тела. Однако в настоящее время многое говорит в пользу того, что температура денатурации (TD) тройных спиралей проколлагена на самом деле ниже температуры тела [4]. Если это действительно так, то можно предположить, что молекулы проколлагена уже при температуре тела не существуют в устойчивой для них форме тройной спирали, а должны иметь стохастическую (случайную) структуру. Как только молекулы проколлагена выделяются из клетки, они сразу же начинают распадаться. Предполагается, что это может быть связано с отсутствием стабилизирующих белков теплового шока. Такой быстрый распад объясняет, почему абсолютное большинство вновь синтезированных молекул проколлагена снова спонтанно распадаются и никогда не образуют зрелых фибриллярных структур.

Итак, нагревание при квазифизиологических температурах приводит к тому, что неустойчивые внутримолекулярные связи разрушаются, хотя при этом межмолекулярные сшивки могут сохраняться и дальше. Таким образом происходит денатурация коллагена, часто называемая также схлопыванием коллагеновых волокон, – коллагеновые фибриллы теряют свою внутреннюю спиральную структуру, схлопываются вдоль главной оси и в дальнейшем удерживаются вместе в основном за счет внутримолекулярных связей. Подобное конформационное изменение соответствует переходу коллагена из высокоорганизованной кристаллообразной структуры в гелеобразное (денатурированное) состояние.

Разрушение молекул коллагена по механизму обратной связи приводит к активации фибриллогенеза (образованию коллагеновых фибрилл из отдельных молекул проколлагена), что позволяет вновь стабилизировать коллагеновые структуры. Так из нестабильных молекул проколлагена могут быть образованы стабильные структуры коллагена [5].

Как уже было сказано, квазифизиологическое нагревание ткани может усилить распад молекул проколлагена. Однако этот процесс в первую очередь затронет именно свободные молекулы проколлагена и не должен привести к существенному изменению зрелой коллагеновой сетки, для термической модификации которой потребуются намного более высокие температуры. Зрелый коллаген денатурирует обычно при температуре 60–65° C. Здесь имеется в виду так называемая температура перехода, при которой денатурируют 50% всех молекул коллагена. Поскольку конформационные изменения происходят в температурном диапазоне 10–12° C, первые переходы, как правило, могут наблюдаться уже при температуре на 5–6° C ниже среднего значения TD. Это определяет абсолютный предел минимально эффективной температуры денатурации коллагена в соединительной ткани на уровне 55° C.

Предельная температура, при которой наблюдаются первые признаки денатурации зрелого коллагена во время эстетической процедуры, зависит от различных контролируемых и неконтролируемых параметров – скорости нагрева- ния, гидратации ткани, стресса, предшествующих процедур и т.д. Снижение TD всего на 1° C способно уменьшить длительность распада коллагена с нескольких дней до нескольких часов, вследствие чего может существенно измениться динамический баланс между распадом коллагена и образованием коллагеновых фибрилл.

К этому добавляется еще один важный момент: изменения в структуре коллагена во время нагревания в зависимости от температуры и длительности воздействия могут быть либо обратимыми, либо необратимыми. Умеренное и относительно краткосрочное повышение температуры приводит к локальным изменениям во внутримолекулярной структуре молекул коллагена, которые, однако, регенерируют спустя некоторое время после процедуры (обратимые изменения), если, конечно, прежде эти поврежденные молекулы не были расщеплены ферментативно. При более высоких температурах в молекулах коллагена возникают необратимые структурные изменения, в результате чего они больше не могут спонтанно восстановиться. Такие денатурированные коллагеновые структуры могут быть элиминированы только посредством матриксных металлопротеиназ.

4 УСЛОВИЯ СХЛОПЫВАНИЯ КОЛЛАГЕНОВЫХ МОЛЕКУЛ: ЗАВИСИМОСТЬ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Результат нагревания коллагена в большой степени зависит от различных параметров.
Наиболее важными из них являются:
– максимальная температура в ткани;
– длительность воздействия;
– механический стресс во время нагревания;
– содержание коллагена и ориентация коллагеновых волокон;
– возраст соединительной ткани;
– значение pH в ткани;
– степень гидратации ткани.

Максимальная температура и длительность нагрева
Чем выше температура, до которой нагреваются коллагеновые структуры, тем короче время, необходимое для получения одинакового модифицирующего эффекта. Так, нагрев in vitro коллагена из плечевого сустава при температуре воды 65° C в течение 10 минут приводит к 10%-ному схлопыванию его волокон, а нагревание до 80° C уже через 1,5 минуты способно вызвать 60%-ную денатурацию коллагена.

Похожий эксперимент по воздействию на такие же коллагеновые пробы радиочастотным током продемонстрировал другие значения: при нагревании пробы до 65° C произошло схлопывание менее 4% коллагеновых волокон, а при ее нагревании до 80° C – 14% [6]. А при исследовании коллагеновых проб из сухожилий крысиных хвостов [7] денатурация коллагена произошла при еще более низкой температуре: через 1,5 минуты нагрева до 58° C денатурировало менее 10% коллагена, а через 9 минут – уже почти 50%.

Исследования in vitro демонстрируют при этом еще один эффект – так называемый эффект плато: при достижении определенной степени денатурации дальнейшего разрушения коллагеновых волокон не происходит, несмотря на последующее повышение температуры.

Если принять во внимание, что повышение температуры всего лишь до 45° C уже существенно влияет на витальность клеток, то представляется совершенно невероятным, что схлопывание коллагена во время неинвазивных радиочастотных процедур (которые, как правило, не вызвают в тканях локальных ожогов) может быть главной причиной часто наблюдаемого на практике эффекта подтяжки кожи.

Механический стресс
Если ткань во время нагревания подвергается механическому стрессу, то температура денатурации коллагена при прочих равных условиях может отчетливо меняться. Если при этом степень нагрева и длительность теплового воздействия демонстрируют качественно схожее воздействие на деградацию коллагена, то влияние механического стресса может проявиться в снижении процентного количества денатурированных коллагеновых волокон при одинаковой длительности нагрева (или в увеличении необходимой длительности нагрева для достижения той же степени денатурации).

Этот эффект может быть объяснен переориентированием коллагеновых волокон под воздействием механического стресса. Действительно, механический стресс может существенно изменить физические свойства ткани и вызвать искусственную анизотропию в направлении натяжения. Этот феномен может играть важную роль при практическом применении некоторых методов подтяжки кожи (например, при комбинации радиочастотного воздействия с вакуумом).

Содержание коллагена и ориентирование коллагеновых волокон
Чем выше содержание коллагена в ткани и чем упорядоченное расположены фибриллы, тем более высокие температуры или более длительное время нагрева будут необходимы, чтобы добиться одной и той же степени модификации коллагена. Это может объяснить, почему результаты температурного воздействия (например, при применении радиочастотного тока) на различных участках тела могут отличаться. Участки с особенно правильно упорядоченными коллагеновыми волокнами в значительной степени анизотропны. Известным примером могут служить так называемые линии Лангера, которые определяют не только предпочтительное направление образования кожных складок или рубцов при повреждении кожи, но и поглощения тканью света [8]. При такой анизотропии выбранное направление прохождения электрического тока или распространения света (параллельно или перпендикулярно локальной ориентации коллагеновых волокон) может оказывать существенное влияние на результаты коррекции.

Возраст и значение pH ткани
Восстанавливаемые ковалентные альдегидные связи с возрастом заменяются на невосстанавливаемые мультивалентные связи. Последние значительно более стабильны и для своего разрушения требуют существенно более высоких температур. Это служит еще одной причиной того, что реакция старческой кожи на температурное воздействие заметно слабее, чем молодой.

Умеренное изменение значения pH ткани в щелочном направлении может привести к существенному повышению температуры денатурации коллагена. Поэтому все дополнительные методы воздействия, которые могут вызвать хотя бы временное снижение pH кожи, должны демонстрировать усиление эффекта от коррекции с применением обсуждаемых здесь методов.

Гидратация ткани
Уже давно известно, что дополнительная гидратация ткани приводит к усилению денатурации коллагена при одинаковых температурах нагрева [9]. Ведущие к этому изменения не до конца понятны, однако можно предположить, что свободные молекулы водорода образуют дополнительные связи с деформированными молекулами коллагена, за счет чего последние больше не в состоянии самопроизвольно восстанавливаться.

Снижение гидратации ткани с возрастом приводит к тому, что реакция старческой кожи на тепловое воздействие протекает значительно хуже, чем молодой. Соответственно дополнительные методы воздействия, ведущие к увеличению содержания воды в ткани перед ее нагревом, должны положительно сказываться на результатах коррекции.

Впрочем, гидратация ткани может и сама изменяться при повышении (в определенных пределах) температуры. Это связано, в частности, с тем, что при температурах выше 42° C в ткани происходит дополнительное производство эндогенной гиалуроновой кислоты [10], которое коррелирует с локальной выработкой белков теплового шока. Добавочное связывание воды новопроизведенной гиалуроновой кислотой ведет к краткосрочному увеличению тургора кожи в районе коррекции, что может повлечь за собой отчетливое, но также относительно краткосрочное улучшение состояния кожи после ее подтяжки радиочастотными токами.

Все это показывает, что денатурация коллагеновых волокон зависит от очень многих параметров и в неодинаковых условиях может протекать совершенно по-разному. Если данный процесс взять за теоретическую основу тепловой трансформации соединительной ткани при применении аппаратных методов подтяжки кожи, то становится очевидно, что результаты лечения разных пациентов должны сильно различаться и, таким образом, будут практически непредсказуемы.

5 МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ТЕРМИЧЕСКИ ПОВРЕЖДЕННОЙ ТКАНИ

В термически поврежденной ткани в результате денатурации коллагена обычно происходят следующие морфологические изменения:
– размножение и миграция фибробластов (фиброплазия);
– замена нативных бимодальных коллагеновых структур (состоящих из коллагеновых волокон малых и больших диаметров) преимущественно мелкими коллагеновыми волокнами.

Оба этих процесса характерны для заживления ран и образования рубцов, однако они возникают только при настоящем повреждении ткани. Эти же два процесса обеспечивают решающие различия между неинвазивным омоложением кожи и заживлением ран – процессами, которые часто сравнивают друг с другом. Поскольку при продолжительном нагревании ткани при температуре выше 60° C должна происходить не только денатурация коллагеновых волокон, но и массовая гибель клеток, после успешной процедуры радиочастотной коррекции в области обработки теоретически должны наблюдаться как некроз ткани, так и фиброплазия. Впрочем, это скорее исключение, чем правило.

Если бы эффект подтяжки кожи после коррекции радиочастотными токами можно было в основном объяснить денатурацией коллагеновых волокон, то денатурация коллагена должна была бы сочетаться с повышенной упругостью (сопротивлением деформации) кожи. Однако эксперименты показывают совершенно обратное: при подтвержденной денатурации коллагена кожа теряет свою упругость. Более того, известно, что потеря упругости соединительной ткани положительно коррелирует со степенью денатурации коллагеновых волокон (см. обсуждение в [6]). Недавно было также показано, что под влиянием нагрева кожа может по-разному вести себя при растяжении и сжатии: если при растяжении упругость кожи заметно понижается с повышением температуры, то при ее сжатии происходит совершенно обратное [11].

Все это означает, что настоящая термическая денатурация коллагена, хотя и может приводить к краткосрочному увеличению плотности ткани, одновременно должна вызывать ухудшение ее механических свойств, что в капсулорафии даже рассматривается как послеоперационный риск. Такого ухудшения механических свойств кожи после неинвазивного или минимально инвазивного лечения радиочастотным током на практике не наблюдается, что само по себе должно поставить под вопрос всю теорию денатурации коллагеновых волокон как основу тепловых методов подтяжки кожи. Но если существенное механическое ослабление кожи после применения тех или иных неинвазивных методов тепловой коррекции будет действительно установлено, они больше не смогут оцениваться как безопасные из-за возникающих в связи с этим рисков.

6 ВЫВОДЫ

Гипотеза о том, что схлопывание (денатурация) коллагеновых волокон является основной причиной подтяжки кожи при применении различных неинвазивных (прежде всего, связанных с радиочастотным воздействием) методов коррекции должна рассматриваться как крайне сомнительная.

Во-первых, необходимая для этого температура и длительность воздействия находятся далеко за пределами того, что фактически обеспечивают большинство приборов.

Во-вторых, настоящая денатурация коллагеновых волокон должна сопровождаться массовой гибелью клеток в области обработки, чего клинически почти никогда не наблюдается.

В-третьих, существенная зависимость степени денатурации коллагеновых волокон от самых разных параметров сделала бы результаты коррекции очень вариабельными и практически непредсказуемыми.

В-четвертых, массовое схлопывание коллагеновых структур привело бы к значительной потере локальной упругости кожи, которая наблюдалась бы сразу после проведения такой коррекции и привела бы к развитию некоторых побочных явлений.

Хотя феномен денатурации коллагеновых волокон после нагревания действительно существует и во многих исследованиях in vitro и in vivo был надлежащим образом подтвержден, вопрос о том, может ли он быть главной причиной получения клинических результатов, наблюдаемых после применения описанных методов коррекции, все еще остается предметом дискуссии. Даже в капсулорафии нет единого мнения о том, отвечает ли за укрепление сустава непосредственно денатурация коллагеновых волокон или это, скорее, заслуга последующей фиброплазии, заживления ран и образования рубцов [6]. В пользу второго варианта говорит то, что итоговые результаты можно увидеть лишь через несколько месяцев после лечения. Более того, в [12] было показано, что лечение ахиллова сухожилия радиочастотным током не вызывает денатурации коллагеновых волокон, тем не менее существенное укрепление пролеченного сухожилия было достигнуто через 8 недель после выполнения процедур.

В качестве главного механизма, лежащего в основе термических методов подтяжки кожи, происходящей непосредственно во время или вскоре после проведения процедуры, намного более реалистичным представляется не денатурация коллагеновых волокон, а активация местного синтеза гиалуроновой кислоты. Ее выработка ведет к накоплению воды и соответствующему увеличению тургора кожи в области коррекции – быстровозникающему эффекту, почти моментально улучшающему состояние кожи. Несмотря на то что такая быстрая выработка гиалуроновой кислоты относится к неспецифическим реакциям и в большей или меньшей степени должна была бы возникать при всех типах нагревания ткани, она в значительной мере зависит от конкретного типа распределения тепла в ткани, а также от потенциальной способности соединительной ткани к подобному синтезу, которая в стареющей коже, как правило, существенно снижается. Последнее может обусловливать известный возрастной предел эффективности при применении подобных методов коррекции.

Источник