Патофизиология (Пособие для резидентуры)

Рис. 8.3. Механизмы апоптоза.

А – митохондриальный механизм; Б – рецепторный механизм.

(FADD – Fas-ассоциированный домен смерти; FasL – Fas-лиганд)

Каспазы активируются посредством внутренних или внешних сигналов. Прием внутренних сигналов реализуется посредством митохондриального, внешнего – посред-

81

ством рецепторного механизма /9/.

Для инициации апоптоза необходим апоптогенный сигнал. При митохондриальном механизме апоптогенным сигналом могут служить: недостаток факторов роста, регулирующих пролиферацию клеток (IL-2, IL-3, IL-4, IFN-α, GM-CSF, эритропоэтин и др.), повреждение ДНК под действием ионизирующей радиации и свободных радикалов, белки, приобретающие аномальную структуруи т.д.

Если повреждения ДНК вследствие действия свободных радикалов, ионизирующей радиации, токсинов, становятся причиной активации регулирующего гена p53, то цикл клетки блокируется в фазе G1 и активируются гены системы репарации ДНК. Если репарация невозможна, то ген p53 активирует гены апоптоза (Bak, Bad, Bax), обеспечивая реализацию апоптоза по внутреннему механизму.

Вследствие вышеперечисленных причин, возникает дисбаланс между проапоптотическими (Bax, Bak, Bad, Bid) и антиапоптотическими (Bcl-x, Bel-w, Mel-1 и др.) протеинами. Протеины Bax, Bad активируются (напротив, синтез Bcl-x ограничивается) и создают комплекс с порином на митохондриальной мембране. В это время проницаемость митохондриальной мембраны повышается, в результате чего цитохром-с и другие проапоптогенные протеины выходят из митохондрий. Эти освобождаемые из митохондрий протеины переводят прокаспазы в каспазы и таким образом активизируют их. Изменения, происходящие после активации каспаз, в обоих механизмах апоптоза одинаковы.

Каспазы активизируют эндонуклеазы и протеазы цитоскелета, под влиянием которых ядерная ДНК распадается на фрагменты и начинается деградация цитоскелета. Апоптотические тельца малого размера, окруженные клеточной мембраной, поглощаются фагоцитами. На поверхности апоптотических телец располагается распознаваемый фагоцитами молекулярный маркер – фосфатидилсерин. Эти молекулы обладают свойством образовывать с синтезируемым в макрофагах гликопротеином MFG-E8 специфическое соединение. В нормальном состоянии молекулы фосфатидилсерина фиксируются на липидном слое внутренней поверхности мембраны, обращенной в сторону цитоплазмы. А при апоптотическом процессе молекулы фосфатидилсерина, экспрессируясь на наружную поверхность мембраны, привлекают макрофаги.

При другом механизме запускающий апоптоз внешний сигнал принимается посредством «рецептора смерти», и таким образом запускается генетически детерминированный механизм смерти клетки. К рецепторам смерти относятся TNF-r (tumor necrosis factor reseptor), Fas (CD95). При соединении на поверхности клетки этих рецепторов с соответствующими лигандами (TNF-r→TNF, Fas→FasL) сначала активизируются внутренние домены, затем они, превращая прокаспазы в каспазы, запускают процесс апоптоза. Активизированные от воздействия антигенов и цитокинов цитотоксические Т-лимфоциты (ЦТЛ) экспрессируют на поверхности своей мембраны Fas лиганду. При соединении этой лиганды Т-лимфоцита с Fas рецептором на поверхности клетки включается внешний рецепторный механизм апоптоза. Цитотоксические лимфоциты обладают свойством помимо рецепторов смерти распознавать и соединяться со специфическими антигенами клеток, инфицированных вирусом, или клеток, несущих онкогены. При этом ЦТЛ сначала с помощью белка перфорина на поверхности клеткимишени образуют трансмембранные каналы, затем гранзим протеазы, выпускаемые из ЦТЛ в клетки-мишени, непосредственно активизируя каспазы, запускают апоптоз. Примером активизации апоптоза по внешнему механизму может служить разрушение аутореактивных лимфоцитов. Аутореактивные лимфоциты – это лимфоциты, которые участвуют в иммунном ответе против антигенов нормальных клеток организма. В норме такого ответа не должно быть, т.к. иммунная система организма толерантна к своим антигенам. Эта толерантность возникает за счет апоптоза аутореактивных лимфоцитов по внешнерецепторному механизму (FasL-Fas). Нарушение этого механизма становится причиной развития аутоиммунных заболеваний.

82

Примером эндогенных факторов повреждения клетки могут служить:

ишемия (спазм сосудов, атеросклеротические изменения, тромб, стаз);

нейротрофичекие повреждения (нарушения иннервации ткани);

генные мутации и наследственные ферментопатии (серповидноклеточная анемия,

талассемия, гликогенозы, липидозы, фенилкетонурия);

иммунные, аутоиммунные и аллергические повреждения (резус конфликт, тиреоидит Хашимото, феномен Артюса).

Помимо этого, гипоксия, возникшая в организме по разным причинам, энергетический

дефицит, накопление вредных промежуточных продуктов обмена веществ, ацидоз, алкалоз и др. эндогенные факторы вызывают вторичную альтерацию.

8.4. Патогенетическиемеханизмыповрежденияклетки

Несмотря на разнообразие факторов повреждения клетки, патогенетические механизмы повреждения одинаковы /6/:

нарушение энергопродукции в митохондриях и истощение запасов АТФ;

образование свободных радикалов и нарушение проницаемости мембран;

кальциевый механизм повреждения клетки;

изменение мембранного потенциала клетки и электролитно-осмотический механизм повреждения;

белковый механизм повреждения клетки;

генетические механизмы повреждения клетки.

Нарушение энергопродукции в митохондриях и истощение АТФ – самый универ-

сальный механизм повреждения клетки. При выполнении клеткой (тканью или органом) работы, в несколько раз превышающей ее энергетические возможности, возникает несоответствие между энергопотребностью и энергоснабжением. Нарушается связь между окислением и фосфорилированием: наблюдается компенсаторное ускорение окисления (путем анаэробного гликолиза), а фосфорилирование замедляется (интенсивное расщепление АТФ и КФ). Таким образом, с биоэнергетической стороны для повреждения клетки характерны снижение АТФ и КФ, увеличение АДФ, АМФ и креатинина, снижение гликогена в ткани, ослабление тканевого дыхания, нарушение взаимосвязи между процессами окисления и фосфорилирования, ускорение гликолиза.

Основными причинами снижения синтеза АТФ являются ишемия и гипоксия (рис. 8.5). В результате возникающего при этом энергодефицита нарушается работа энергозависимых ионных насосов, обеспечивающих активный транспорт ионов (Na+/K+-AТФ-азы, Na+/Ca2+- AТФ-азы, Ca2+/Mg2+-AТФ-азы). Это приводит к повышению содержания ионов натрия и кальция внутри клетки и ионов калия вне клетки. Повышение осмотического давления во внутриклеточном пространстве, проникновение молекул воды внутрь клетки становится причиной набухания митохондрий и эндоплазматического ретикулума. Клетка, набухая, теряет свои естественные мембранные микрореснички, и на ее поверхности образуются более крупные мембранные поры. Рибосомы отделяются от эндоплазматического ретикулума, полисомы превращаются в моносомы и синтез белка резко снижается. Для компенсации энергодефицита интенсивируется анаэробный гликолиз, что, в свою очередь, приводит к уменьшению запасов гликогена клетки, увеличению содержания кислых промежуточных продуктов обмена, снижению pH, уплотнению (конденсации) хроматина в ядре. В результате повышения содержания ионов Ca2+ в цитоплазме повреждаются мембраны клетки и ее органелл, и в клетке начинаются необратимые некробиотические процессы.

84

контрактура миофибрилл. Выделяют два вида патологической кальцификации: дистрофический и метастатический. Дистрофическая кальцификация сопровождается накоплением солей кальция в некротической зоне (наряду с фосфатом кальция в малом количестве накапливаются соли железа, магния и др. минералов). Дистрофическая кальцификация не связана с нарушением обмена кальция в организме, это накопление кальция в мертвой или умирающей ткани. А метастатическая кальцификация – это осаждение и накопление солей кальция в нормальных тканях и органах (легкие, почки и др.) в результате нарушения обмена кальция в организме – гиперкальциемии. Гиперкальциемия возникает при гиперсекреции паратгормона (первичный гиперпаратироидизм), деструкции костей при опухолевых заболеваниях, болезни Педжета, нарушении обмена витамина D (интоксикации витаминами D);

активация фосфолипазы A2. Под влиянием этого фермента фосфолипиды мембран окисляются u образуется арахидоновая кислота. Арахидоновая кислота окисляется с участием ферментов циклооксигеназы (ЦОГ) и липооксигеназы (ЛОГ), в результате чего образуется большое количество медиаторов воспаления, обладающих различными механизмами действия;

нарушение соответствия между окислением и фосфорилированием.

Таким образом, вышеуказанные основные механизмы повреждения клетки (возникно-

вение энергодефицита, нарушение проницаемости клеточной мембраны и кальциевый механизм), один становясь причиной другого, приводят к развитию порочного круга (рис.

8.9).

Своевременное устранение причины, вызывающей ишемию, предотвращает развитие необратимых изменений в клетке. А иногда восстановление перфузии ткани после длительной ишемии приводит к парадоксальному углублению некробиотических процессов и расширению зоны некроза в ней. Это называет-

ся синдромом ишемической реперфузии.

Механизм развития синдрома ишемической реперфузии объясняется кальциевым парадоксом. Так, при реперфузии с кровью к тканям

поступают питательные вещества и большое количество ионов кальция. В период реперфузии в ишемизированной ткани вследствие повышения проницаемости мембраны, ионы кальция переходят во внутриклеточное пространство, что запускает и углубляет кальциевый механизм повреждения. При синдроме постишемической реперфузии активируется также другой механизм повреждения клетки – ускорение образования в ткани активных форм кислорода (свободных радикалов). Причина этого – поступление с кровью в зону ишемии кислорода и большого количества воспалительных клеток – фагоцитов. Свободные радикалы путем повреждения клеточной мембраны становятся причиной расширения зоны некроза. Этот нежелательный результат реперфузии наиболее часто встречается во время устранения ишемии миокарда и мозга.

Изменение мембранного потенциала клетки и электролитно-осмотический механизм повреждения связан с увеличением проницаемости мембраны и нарушением деятельности Na+-K+-АТФ-азы в результате энергодефицита. При этом в клетке возникает дисбаланс электролитов и нарушается основной путь трансмембранного транспорта веществ

88

(простая диффузия, опосредованная диффузия и активный транспорт).

В патологическом состоянии нарушение электролитного баланса происходит: 1) при ускорении диффузии ионов по градиенту концентрации или 2) при нарушении работы Na+-K+-насоса. Первое наблюдается, в свою очередь, при нарушении водно-солевого обмена (гипернатриемия и гипокалиемия) и повышении мембранной проницаемости. А нарушение работы Na+-K+-насоса происходит в результате уменьшения запасов АТФ клетки, увеличения содержания молекул холестерина в двойном липидном слое мембраны, действия ингибиторов Na+-K+-АТФ-азы (сердечные гликозиды и др.).

Изменение концентрации ионов на внутренней и внешней поверхности мембраны, нарушение электрического потенциала мембраны, внутриклеточный отек и ацидоз приводят к осмотическому напряжению клетки. Изменение электрического потенциала мембраны один из важных признаков повреждения клетки. За счет разницы концентрации ионов с внутренней и внешней стороны цитоплазматической мембраны образуется мембранный потенциал (потенциал покоя). В нормальной клетке мембранный потенциал составляет -70mV. При повреждении клетки нарушается работа Na+-K+-ATФ-азы, Na+ и Ca2+ накапливаются внутри, а ионы K+ вне клетки, уменьшается разница потенциалов. В патологическом состоянии в результате уменьшения мембранного потенциала возникает потенциал повреждения (действия). В очаге повреждения преимущественно увеличивается концентрация K+. При прохождении биоэлектрического импульса через возбудимые ткани (нервная и мышечная ткани) область прохождения импульса преврашается в эктопический очаг возбуждения. Накопление ионов K+ в очаге некроза при инфаркте миокарда считается основной причиной возникновения аритмий (экстрасистолий и фибрилляций).

Повышение концентрации ионов внутри клетки приводит к увеличению внутриклеточного осмотического давления, вода более быстро поступает внутрь клетки, развивается внутриклеточный отек, поглотительная способность клетки и ее тургор повышаются.

Ацидоз – один из признаков, связанных с нарушением электролитного баланса поврежденной клетки. На начальном этапе энергодефицит становится причиной нарушения взаимосвязи между окислением и фосфорилированием, превалирования анаэробного гликолиза, что, в свою очередь, приводит к накоплению кислых продуктов обмена и развитию первичного ацидоза. Накопление свободных радикалов, продуктов ПОЛ, увеличение проницаемости мембраны, активация фосфолипаз, гидролиз фосфолипидов на лизофосфолипиды и свободные жирные кислоты, повреждение лизосомальных мембран и ускорение гидролитическими ферментами процессов гликолиза, липолиза и протеолиза и другие механизмы еще больше углубляют ацидоз. Все это становится причиной развития вторичного ацидоза. Ацидоз, углубляясь, еще больше увеличивает образование свободных радикалов, повышает активность лизосомальных ферментов.

Протеиновый механизм повреждения клетки. Белки под действием высокой температуры, ацидоза, свободных радикалов, солей тяжелых металлов денатурируются. В зависимости от функций белков возникают различные нарушения. Изменение первичной структуры белков, выполняющих роль рецепторов и обеспечивающих ответ клетки на определенные сигналы, приводит к нарушению циторецепции. Если возникает денатурация белков, образующих ионные каналы, нарушается электролитный обмен клетки, возникает ионный дисбаланс и мембранный потенциал изменяется. В результате денатурации ферментов ингибируется любая ферментативная реакция. Разрушение белков цитоскелета приводит к потере двигательной функции клетки. Наконец, денатурированная молекула белка придает клетке свойство чужеродности, что становится причиной развития аутоиммунных, аутоаллергических реакций.

89

Генетический механизм повреждения клетки связан с возникновением различных видов мутаций. Мутация гена, кодирующего синтез определенного фермента, приводит к дефициту этого фермента. Это, в свою очередь, приводит к нарушению биохимических реакций, обеспечивающих синтез соответствующего белка, что означает образование качественно нового белка (признака). Например, при фенилкетонурии мутация соответствующего гена приводит к недостаточности фермента фенилаланин-4-гидроксилазы, что нарушает обмен фенилаланина. Накопление в организме фенилаланина и токсических продуктов его нарушенного метаболизма (фенилпировиноградной и фенилмолочной кислоты) становится причиной повреждения ряда органов (мозг, печень, почки) и развития патологических признаков.

8.5. Признакиповрежденияклетки

Признаки повреждения клетки условно можно разделить на 2 группы: специфические и неспецифические признаки. Признаки, возникающие в зависимости от характера повреждающего фактора и вида поврежденной клетки, называются специфическими. А неспецифические признаки – это изменения одинакового характера, которые возникают при действии различных повреждающих факторов.

К неспецифическим признакам повреждения клетки относятся клеточный ацидоз, отек клетки, денатурация белков, повышение активности ряда внутриклеточных ферментов в плазме (AЛT, AСT, тропонин, ЛДГ), увеличение образования продуктов ПОЛ (малоновые диальдегиды, диеновые конъюгаты и др.) и напротив, снижение активности антиоксидантных систем (каталаза, глютатион), дистрофическая кальцификация, увеличение сорбционной (поглотительной) способности клетки и интенсивное окрашивание красителями, образование потенциала действия и ослабление электрического импеданса (сопротивления) клетки и т.д. Эти признаки носят общий характер, т.е. они в той или иной степени выраженности сопровождают повреждение клетки в результате действия любого эндогенного и экзогенного фактора.

Специфический признак повреждения клетки характерен только для одного определенного повреждающего фактора /2/. Например, специфическим признаком повреждений при ожогах, возникающих в результате действия высокой температуры, концентрированных кислот и щелочей, является денатурация белков. При химических повреждениях изменение активности одного фермента расценивается как специфический признак. Так, в результате действия фосфорноорганических соединений остро снижается активность фермента холинэстеразы, а в результате действия цианидов – активность цитохромоксидазы. Монойодуксусная кислота замедляет процесс гликолиза. Флоридзин, снижая активность фермента гексокиназы в эпителиальных клетках почечных канальцев, нарушает фосфорилирование и реобсорбцию глюкозы. Боевые яды, в состав которых входит арсен (льюзит), инактивируют пируватоксидазу. Яды растительного, животного и бактериального происхождения, нарушая активность определенных ферментов, оказывают на клетки специфическое воздействие. Например, яд скорпиона нарушает работу натрий-калиевого насоса. Змеиный яд и токсины микробов газовой гангрены, растворяясь в липидах мембраны, изменяют активность ряда гидролитических ферментов.

Причинами возникновения внутриклеточных накоплений становятся врожденные или приобретенные нарушения метаболизма. Накапливающиеся вещества подразделяются на две группы: эндогенные (при стеатозе) и экзогенные (при силикозе, пневмокониозе). Вещества эндогенного происхождения накапливаются или при избыточном поступлении его внутрь клетки, или при нарушении катаболизма этого вещества. Например, при гиперхолестерине-

90