3 курс / Патологическая физиология / Основные_механизмы_повреждения_клеток

дуктов конденсации гликогена при гликогенозах, мукополисахаридов при муковисцидозе, холестерина при атеросклерозе также не приводят к немедленной гибели клеток, но значительно снижают их функциональную активность и продолжительность жизни. Немедленную смерть клетки может вызвать повреждение ЦПМ и мембран лизосом.

3.2. Признаки повреждения клетки

Проявления повреждения могут быть как специфическими, характерными только для какого-то болезнетворного агента, так и неспецифическими, стереотипными, характерными для самых разнообразных повре-

ждающих агентов. Примерами специфических признаков повреждения клетки могут служить образование радиотоксинов при радиационном повреждении; кавитация при повреждении ультразвуком; подавление активности цитохромоксидазы и стабилизация её Fe3+ при отравлении цианидами; угнетение ацетилхолинэстеразы фосфорорганическими соединениями; расширение синаптической щели, сглаживание складок постсинаптической мембраны нервно-мышечных синапсов вследствие аутоиммунного повреждения при тяжелой миастении. Различают морфологические, функ-

циональные и биохимические неспецифические признаки повреждения клетки, характерные для всех видов повреждения.

Морфологические признаки повреждения клетки

При повреждении наблюдается набухание клетки, нарушаются контакты с соседними клетками и поддерживающими структурами, нарушается целостность ЦПМ, и происходит её фрагментация. Повреждение митохондрий (МХ) проявляется в стойком их набухании, вакуолизации, разрывах мембран, гомогенизации крист, просветлении матрикса. Повреждение эндоплазматического ретикулума (ЭР) сопровождается разрывами и фрагментацией мембран, расширением канальцев и цистерн, образованием вакуолей. Полисомы разрушаются, уменьшается число рибосом и нарушается их связь с мембранами. Изменяется размер и форма ядра, происходит фрагментация ядерных мембран, наблюдается гиперхроматоз ядра. Нарушение целостности мембран лизосом с последующей полной деструкцией клетки. Морфологическим выражением нарушения метаболизма клеток является дистрофия. В зависимости от преобладания нарушений того или иного вида обмена различают белковые, жировые, углеводные и мине-

11

ральные дистрофии. Структурные изменения клеток при различных типах дистрофии подробно описаны в учебниках патологической анатомии.

Функциональные признаки повреждения клетки

При повреждении нарушается барьерная функция клеточных мембран: увеличивается их проницаемость для ионов, белков, коллоидных красителей, аминокислот, нуклеотидов. Например, при цитолизе из кардиомиоцитов выходят в кровь миоглобин, тропонин, креатинфосфокиназа и другие маркеры инфаркта миокарда. При повреждении гепатоцитов происходит освобождение в кровь аминотрансфераз.

Снижается функциональная активность клеток, что проявляет-

ся, прежде всего, в нарушении специализированных функций клеток. Так, снижается сократительная функция кардиомиоцитов, подвижность и фагоцитарная активность нейтрофилов, антитоксическая функция гепатоцитов и биосинтез альбуминов гепатоцитами; нарушается энергетическая функция клетки (снижается синтез АТФ) и секреторная функция, например, снижается синтез и секреция стероидных гормонов клетками коры надпочечников.

Нарушается возбудимость клетки: первоначально повышается возбудимость и снижается мембранный потенциал, затем снижается возбудимость при прогрессировании повреждения.

Повреждение клетки сопровождается активацией синтеза медиа-

торов воспаления и ответа острой фазы. Например, тучные клетки,

макрофаги и нейтрофилы при аллергической реакции высвобождают лейкотриены, вызывающие сокращение гладкой мускулатуры бронхов и увеличение сосудистой проницаемости. Лейкоциты под воздействием бактериальных эндотоксинов выделяют эндогенные пирогены, вызывающие развитие лихорадки.

Биохимические признаки повреждения клетки

При повреждении увеличивается внутриклеточное содержание Na+, H+ (ацидоз цитоплазмы), Ca2+, H2O, АДФ, АМФ и неорганического фосфора, но уменьшается внутриклеточное содержание АТФ. Повышается внеклеточное содержание K+ и содержание в крови внутриклеточных белков, ферментов и пуриновых оснований. Происходит денатурация молекул белков.

12

3.3. Механизмы повреждения клетки

При всем разнообразии причин, вызывающих повреждение клеток,

можно выделить наиболее общие механизмы их повреждений:

механизмы повреждения мембран клетки и внутриклеточных структур;

механизмы повреждения энергетического обеспечения клетки;

механизмы повреждения процессов, контролирующих пластическое обеспечение клетки и деятельность ядра;

механизмы повреждения рецепторного аппарата клетки и внутриклеточных механизмов регуляции её функций.

3.4.Механизмы повреждения клеточных мембран

Вжизнедеятельности клетки важнейшая роль принадлежит плазматической мембране и мембранам органелл клетки. Они отвечают за ограничение и обособление клеток и органелл, сохранение разности концентраций метаболитов и неорганических ионов, а также других физиологических параметров между органеллами, цитоплазмой и внешней средой. Биологические мембраны контролируют транспорт метаболитов и ионов, восприятие внеклеточных сигналов и реакцию на них, межклеточные контакты и инициацию сигналов, поддержание формы клеток и органелл, осуществление двигательной активности, биосинтеза, биоэнергетических

имногих других процессов.

Схематическое изображение ЦПМ можно представить по рис. 1. Основными компонентами мембран являются липиды и белки. Внешний слой некоторых мембран содержит углеводы, ковалентно связанные с липидами и белками. Гликолипиды и гликопротеины плазматических мембран осуществляют рецепторную и иммунную функции, участвуют в межклеточных взаимодействиях. Липидный состав мембран обусловливает её текучесть. Наиболее подвижными являются жидкие липиды бислоя. Не закрепленные в мембране белки могут диффундировать в пределах бислоя. С увеличением содержания ненасыщенных жирных кислот текучесть возрастает, так как наличие двойных связей способствует нарушению полукристаллической мембранной структуры. Аннулярные липиды, фиксированные к белку, менее подвижны и входят в состав липопротеинового комплекса, включающего на одну молекулу белка более 20 молекул липидов.

13

Рис. 1. Схема строения плазматической мембраны (по Я. Кольман, К.–Г. Рём, 2011).

К мембранным липидзависимым белкам относятся Na+/K+-АТФаза, аденилатциклаза, глюкозо-6-фосфатаза, гексокиназа, холестеринацилтрансфераза, цитохром Р-450, ацил-СоА, 5-нуклеотидаза, Ca2+-АТФаза и другие белки, выполняющие транспортные, регуляторные, ферментные, рецепторные и другие функции. Интегральные мембранные белки прочно связаны с липидным окружением. Периферические белки удерживаются в мембране, присоединяясь к липидам (жирные кислоты, изопреноиды, пальмитиновая кислота и др.) или к интегральным мембранным белкам. Физико-химическое состояние аннулярных липидов влияет на конформационные свойства, подвижность, доступность активных центров для субстрата, возможность образования специализированных полиферментных комплексов связанных с ними белков. Таким липидом для Na+/K+-АТФазы является фосфатидилсерин (ФС), для Са2+-АТФазы – лизофосфатидилхолин (лизо-ФХ), для аденилатциклазы – фосфатидилинозит (ФИ), для ферментов дыхательной цепи митохондрий – кардиолипин и фосфатидилэтаноламин (ФЭА). В свою очередь конформационные свойства белков и их состав влияют на состояние мембранных липидов. Экранируя липиды, белки могут снижать действие на них свободных радикалов и фосфолипаз. При повреждении клеток нарушение целостности плазматической мембраны может быть обусловлено повреждением как липидных, так и белковых её компонентов. Липидные компоненты клеточных и субклеточных мембран повреждаются по эволюционно сформированным типовым ме-

14

ханизмам, которые взаимно обусловливают друг друга, не зависят от вида патогенного агента, вызвавшего повреждение, и присущи всем клеткам.

Важнейшими из них являются:

интенсификация перекисного окисления липидов (ПОЛ);

резкий дефицит энергии;

активация мембранных фосфолипаз и гидролаз лизосом;

повреждение мембран амфифильными соединениями и детергентами;

выраженный внутриклеточный ацидоз;

растяжение и микроскопические разрывы мембран при набухании клеток и их органелл;

повреждение мембран макромолекулами и иммунными комплексами.

3.4.1. Интенсификация перекисного окисления липидов

Постоянный приток молекулярного кислорода необходим большинству тканей для поддержания их окислительного потенциала. Однако даже в нормальных условиях О2 является источником токсичных веществ, в небольших количествах образуются активные формы кислорода (АФК). АФК – это сильные окислители или крайне реакционноспособные свободные радикалы, являющиеся молекулярными частицами, имеющими неспаренные электроны. Свободные радикалы с их прооксидантным действием необходимы для таких процессов как клеточная сигнализация, рост и дифференцировка клеток, разрушение инфицированных и злокачественных клеток, гибель болезнетворных организмов. В физиологических условиях процесс образования свободных радикалов сбалансирован с их утилизацией (восстановлением), также как содержание факторов, активирующих (прооксидантов) и подавляющих (антиоксидантов) этот процесс, поскольку как избыток свободных радикалов, так и их недостаток приводят к нарушению структуры и функции клеток. Молекула кислорода является бирадикалом, поскольку содержит два неспаренных электрона. Однако они расположены так, что молекула О2 остается относительно стабильной. Образование АФК является следствием неполного восстановления кислорода. При присоединении к О2 одного электрона образуется высоко реакционноспособный супероксидный анион-радикал (.О2-). При присоединении двух электронов образуется пероксид-анион (.О22-), который связы-

15

вает протоны с образованием пероксида водорода (Н2О2), не являющегося радикалом, но легко образующего радикалы. При присоединении трех электронов молекула пероксид-аниона расщепляется на ионы О2- и О- . О2- присоединяет протоны с образованием воды. О- присоединяет протон и образуется гидроксильный радикал (.ОН). Процесс полного, четырехэлектронного восстановления кислорода приводит к образованию воды. Этот процесс более энергозависим, чем процессы неполного восстановления, и осуществляется цитохром с-оксидазой, конечным ферментом дыхательной цепи митохондрий. АФК это нестабильные соединения. Время их жизни от долей микросекунды до миллисекунды. Возможны реакции перехода одной формы в другую, проходящие спонтанно, с участием ионов металлов переменной валентности (Fe2+, Сu2+, Mn2+, Сo2+ и др.). В месте повреждения накапливаются свободные радикалы, поскольку развивается дефицит энергии, снижается активность цитохром с-оксидазы, содержание прооксидантов увеличивается, а содержание антиоксидантов снижается.

Кислородные радикалы инициируют перекисное окисление липидов (ПОЛ) – цепную реакцию последовательного окисления жирных кислот или их остатков в составе других липидов (рис. 2). Субстратами процессов ПОЛ в клеточных мембранах являются полиненасыщенные жирные кислоты (например, арахидоновая кислота). Кислородные радикалы отнимают водород из групп –СН2– полиненасыщенной жирной кислоты, находящихся рядом с двойной связью. Это для них энергетически более выгодно, поскольку происходит делокализация неспаренного электрона между тремя атомами углерода. Образуется радикал жирной кислоты, который легко присоединяет O2 и превращается в пероксидный радикал жирной кислоты. Этот радикал может отнимать водород от другой молекулы жирной кислоты. Возникает цепная реакция. Пероксиды легко распадаются с образованием альдегидов путем разрыва в жирной кислоте углеродуглеродной связи, соседствующей с пероксидной группой. Это энергетически более выгодно, поскольку эти альдегиды имеют систему сопряженных двойных связей (C=C, C=O).

16

Рис. 2. Механизм перекисного окисления липидов.

Интенсивность ПОЛ регулируется соотношением прооксидантов и антиоксидантов. К прооксидантам относятся ионы металлов переменной валентности, свободные радикалы, образующиеся в процессе обмена веществ (эндоперекиси простагландинов, продукты метаболизма лейкотриенов, адреналина), НАДФН и НАДН, липоевая кислота. Аскорбиновая кислота в концентрации 10-3М в присутствии Fe3+ и Cu2+ действует как проок- сидант. Ионы Са2+ в концентрации около 10-5 М активируют ПОЛ путем

высвобождения ионов Fe2+, связанных с отрицательно заряженными группами липидов, и тем самым увеличивая концентрацию каталитически активного Fe2+ в системе.

Антиоксидантные факторы бывают двух видов – ферментные и неферментные. К неферментным факторам антиоксидантной защиты клеток относятся витамин E (токоферолы), провитамины группы А (β- каротин), витамин А (ретинол), убихинон (кофермент Q10), мочевая кислота, глутатион, церулоплазмин, селенсодержащие и цинксодержащие соединения, мелатонин, ионол. Однако установлено, что большинству анти-

17

оксидантов присущи прооксидантные свойства, что зависит от концентрации этих веществ и природы соседних молекул. Витамины A, К, глюкокортикоиды, тироксин и эстрогены, холестерин и витамин D оказывают дозозависимый эффект. В высокой концентрации холестерин, увеличивая вязкость и стабилизируя мембраны, оказывает антиоксидантное действие. Са2+ в концентрации около 10-4 М и выше ингибирует активность ПОЛ.

Ферменты антиоксидантного действия:

– супероксиддисмутаза (СОД) катализирует процесс диспропорционирования двух супероксидных радикалов с образованием пероксида водорода и молекулярного кислорода в цитоплазме, митохондриях и ядре:

– каталаза катализирует процесс диспропорционирования двух молекул пероксида водорода с образованием молекулярного кислорода и воды

внутри пероксисом практически во всех тканях:

каталаза 2

–глутатионпероксидаза (локализующаяся в основном в цитоплазме), содержащая селен, восстанавливает перекись водорода до воды, а глутатионпероксидаза, не содержащая селен, разлагает гидроперекиси липидов нерадикальным способом.

При повреждении клеток активность естественных прооксидантов усиливается, а активность антиоксидантной системы резко снижается. Повидимому, антиоксиданты активно потребляются, повреждаются продуктами ПОЛ, ацидозом, липидными перекисями. Ионизирующая радиация и γ-излучение ингибируют антиоксидантные ферменты. Скорость генерации липидных метаболитов превалирует над скоростью их потребления (выведения). Это обусловливает накопление продуктов ПОЛ в месте повреждения. Следует отметить, что активация ПОЛ может быть не только результатом его прямой интенсификации под влиянием патогенных воздействий, но и следствием первичного подавления антиоксидантных систем клеток.

Из основных последствий активации ПОЛ для клеточных мем-

бран можно выделить следующие:

–повреждение липидов мембран клетки. В липидном бислое мембран формируются сквозные полярные каналы (перекисные кластеры), что увеличивает пассивную проницаемость мембран для ионов K+, H+, Na+, Ca2+ и воды, снижает электрическую стабильность мембран. Увеличивается внутриклеточное содержание ионов H+, Na+, Ca2+ и воды, но снижается

18

внутриклеточное содержание ионов K+. Пробой липидной части мембраны приводит к её разрыву и гибели клетки. Изменяется количественный и качественный состав мембранных липидов (снижается содержание полиненасыщенных жирных кислот), происходит делипидизация, нарушение гидрофобной области липидного бислоя, увеличивается доступность липидов для фосфолипаз;

–повреждение белков мембран клетки. Повреждение аннулярных липи-

дов нарушает функцию липидзависимых белков. При ослаблении липидбелковых взаимодействий интегральные белки выходят из мембраны во внеклеточное пространство, увеличивается неселективная проницаемость мембраны. Образуются поперечные белковые «сшивки» и ковалентно связанные белковые полимеры, окисляются SH-группы белков и необратимо инактивируются белки (например, Ca2+-АТФаза). Нарушение липидного бислоя мембран увеличивает доступность белков для протеаз;

–повреждение гликопротеинов мембран клетки. Изменение состава ли-

пидного бислоя мембраны нарушает функциональные свойства гликопротеинов (цАМФ-зависимой протеинкиназы, рецепторов трансферрина).

Установлено, что ПОЛ играет ведущую роль в развитии эритемы кожи под действием ультрафиолетовых лучей, световых ожогов глаз, радиационных повреждений, отравлений четыреххлористым углеродом. Активация ПОЛ составляет основное звено повреждения кардиомиоцитов при ишемической болезни сердца и инфаркте миокарда. Процесс активации полиморфноядерных лейкоцитов и макрофагов сопровождается респираторным «взрывом», характеризующимся усилением окислительного метаболизма и высвобождением активных радикалов кислорода. АФК в значительной степени обусловливают бактерицидные свойства фагоцитов, но могут быть токсичными для окружающих тканей и самих фагоцитов.

Принципы защиты мембран и ферментов клеток от токсических продуктов ПОЛ

Снижение интенсивности ПОЛ может быть достигнуто за счет:

– уменьшения образования инициирующих ПОЛ активных форм кислорода, пероксида водорода, гидроксильных радикалов путем медикаментозной стимуляции усвоения кислорода митохондриями и степени сопряжения окислительного фосфорилирования с помощью β-каротина, ретинола, рибофлавина, антагонистов кальция;

19

–инактивации свободных радикалов с помощью антиоксидантов природного происхождения (α-токоферола, кофермента Q, церулоплазмина, аскорбиновой кислоты, β-каротина) и синтетических препаратов (ионола, селен-метионина), а также антиоксидантных ферментов и тушителей АФК (супероксиддисмутазы, церулоплазмина, маннитола, гистидина);

–уменьшения концентрации в клетках токсических гидроперекисей липидов и других органических и неорганических соединений с помощью глутатионпероксидазы, каталазы, препаратов селена;

–использования препаратов, ингибирующих мембранные фосфолипазы и метаболизм арахидоновой кислоты (аналоги глюкокортикоидов, ацетилсалициловая кислота и др.), а также стабилизаторов мембран, хелаторов и восстановителей металлов переменной валентности.

3.4.2. Активация мембранных фосфолипаз и гидролаз лизосом

В клеточных мембранах содержатся липиды трех классов (фосфолипиды, холестерин и гликолипиды). Главными компонентами мембран клетки являются фосфолипиды (ФХ, ФЭА, ФС, ФИ и сфингомиелин). Биохимический состав липидной фазы мембраны в основном регулируется её фосфолипазами. Активность фосфолипазы А2 плазматической мембраны контролируется гормонами, гистамином, цитокинами и другими факторами, действие которых сопровождается повышением уровня внутриклеточного Са2+. Под действием фосфолипазы А2 происходит гидролиз фосфолипидов ЦПМ, отщепление арахидоновой кислоты и лизо-ФАТ. При метаболизме арахидоновой кислоты образуются эйкозаноиды, которые через активацию тропных к ним мембранных рецепторов, находящихся в непосредственной близости от места их синтеза, регулируют функциональную активность, как синтезирующих их клеток, так и соседних клеток. В гидролизе мембранных фосфолипидов важную роль играет также фосфолипаза C, объединяющая группу субстратзависимых ферментов, каждый из которых гидролизует определенные фосфолипиды. Под действием фосфолипазы C происходит гидролиз фосфатидилинозит-4,5- дифосфата, и образуются два вторичных мессенджера: гидрофильный инозит-1,4,5-трифосфат (ИФ3) и липофильный диацилглицерин (ДАГ). ИФ3 поступает в ЭР и вызывает высвобождение Са2+ из запасающих везикул. ДАГ, оставаясь в мембране, активирует протеинкиназу С, которая в присутствии Са2+ фосфорилирует различные белковые субстраты и модулирует их функциональную активность. При повреждении увеличивается

20