3 курс / Патологическая физиология / Основные_механизмы_повреждения_клеток

Развитие состояния дефицита энергии характерно для различных видов повреждения клеток, в том числе для ишемического повреждения. Ишемия – уменьшение кровенаполнения органа или ткани вследствие сниженного притока крови в эту область. Дефицит О2 и субстратов метаболизма обусловливает подавление окислительных процессов, развитие дефицита энергии и включение типовых механизмов повреждения клетки. Восстановление кровообращения в ткани после кратковременной ишемии может привести к полному восстановлению структуры и функций поврежденных клеток. Однако восстановление кровообращения после длительной ишемии может привести к развитию реперфузионного повреждения. Восстановление кровоснабжения участка длительной ишемии сопровождается феноменом «no-reflow» – отсроченным неполным восстановлением кровотока: первоначальной реактивной гиперемией с последующим падением кровотока. По-видимому, феномен можно объяснить отеком и дисфункцией эндотелия, вазоспастическими изменениями тонуса стенки мелких резистивных сосудов, формированием тромбов, сдавлением капилляров отечной жидкостью и другими факторами. Приток О2 в зону повреждения, характеризующуюся дефицитом энергии и антиоксидантов, избытком прооксидантов и инактивированных ферментов, нарушенной связью ферментов с мембранами приводит к интенсификации образования свободных радикалов и ПОЛ. При восстановлении кровоснабжения после ишемии в очаг повреждения с кровью поступает большое количество фагоцитов. При длительной ишемии в поврежденных тканях в избытке образуются хемоаттрактанты, активирующие фагоциты, которые накапливаются в поврежденных тканях и продуцируют биологически активные вещества и свободные радикалы. Избыточный приток Са2+ в зону ишемического повреждения активирует Са2+-зависимые фосфолипазы, липазы, протеазы, эндонуклеазы и ПОЛ. Прогрессирует повреждение клеточных мембран, в том числе мембран МХ. Это способствует избыточному поступлению Са2+ в МХ, необратимому нарушению их функции, прогрессированию дефицита энергии на фоне вымывания из клеток ферментов синтеза и транспорта АТФ. После длительной ишемии восстановление кровоснабжения органа или группы органов может привести к развитию ишемического шока, проявляющегося нарушением общего и местного кровообращения, циркуляторной гипоксией, синдромом полиорганной недостаточности. Важным патогенетическим звеном ишемического шока является действие свободных радикалов и токсических продуктов нарушенного ме-

31

таболизма, поступающих из поврежденного участка в системный кровоток и обусловливающих активацию общих механизмов повреждения клеток всех органов и тканей.

3.7.Роль ионов кальция в механизмах повреждения клетки

Вклетках организма кальций регулирует проницаемость ЦПМ и является внутриклеточным вторичным мессенджером: как положительно заряженный ион деполяризует мембрану и как химический агент влияет на работу ионных каналов, ферментов, рецепторов. В процессе эволюции сформирована сложная система белков, которая через взаимодействие с ионами Са2+ управляет передачей и приемом внутриклеточных сообщений. Внеклеточный уровень Са2+ приблизительно равен 1,3 ммоль/л, внутриклеточный уровень Са2+ составляет от 0,1 до 0,01 мкмоль/л. Низкий уровень цитоплазматического Са2+ в покое поддерживается механизмами активного выведения его из цитоплазмы во внутриклеточные депо (Са2+- АТФазы) или во внеклеточную жидкость (Са2+-АТФазы, Са2+/3Na+- антипортеры). Активный транспорт использует энергию гидролиза АТФ. Движущей силой переноса ионов Ca2+ против его концентрационного градиента является градиент ионов Na+ и трансмембранный потенциал (Са2+/3Na+-обменный механизм имеет электрогенную природу). Однако при повышенном уровне внутриклеточного Na+ внутриклеточные ионы Na+ будут обмениваться на внеклеточные ионы Ca2+. Это может привести

крезкому повышению уровня цитоплазматического Ca2+. Главными внутриклеточными депо кальция, регулирующими его концентрацию в цитоплазме, являются гладкий ЭР и МХ. В саркоплазматическом ретикулуме мышечных клеток высокую концентрацию ионов кальция контролируют Са2+-связывающий белок кальсеквестрин и Са2+-АТФазы. В гладком ЭР эту функцию выполняют Са2+-связывающие белки, управляемые Са2+- каналы и энергозависимые Са2+-насосы. Ионы Са2+ поступают в МХ через Са2+-унипортер, а выходят в цитоплазму в обмен на Н+ или Na+ в зависимости от трансмембранного потенциала внутренней мембраны МХ и протонного градиента. Ионы Ca2+ регулируют активность многих ферментов, в том числе ферментов дыхательной цепи МХ и ферментов, участвующих в синтезе липидов в ЭР.

Ионы кальция могут поступать в цитоплазму из внеклеточной жидкости и внутриклеточных депо различными способами: по градиенту концентрации с помощью белков-переносчиков; через потенциал-зависимые

32

Са2+-каналы при деполяризации мембраны; через рецептор-зависимые каналы, активирующимися биологически активными веществами (например, катехоламинами, глутаматом), внутриклеточными мессенджерами (ИФ3 и цАМФ). При высокой концентрации в цитоплазме ионы Са2+ оказывают на клетку цитотоксическое действие, поэтому в нормальной клетке уровень Ca2+ увеличивается кратковременно в 5-10 раз, а стимуляция клетки увеличивает лишь частоту этих флуктуаций. Частоту открывания Са2+- каналов ЭР контролирует увеличение уровня ионов Са2+ в цитоплазме при открывании Са2+-каналов ЦПМ и при действии ИФ3. В этом случае концентрация Са2+ в цитоплазме может повыситься до 500-1000 нМ. В цитоплазме ионы Са2+ связываются с белками (кальмодулином, тропонином и др.). При связывании четырех ионов Са2+ кальмодулин изменяет свою пространственную конфигурацию, активируется и фосфорилирует белки (протеинкиназы, ферменты, ионные насосы и компоненты цитоскелета). Через систему Са2+-кальмодулин реализуются внутриклеточные эффекты цАМФ, который, в свою очередь, усиливает кальциевый сигнал. Са2+ регулирует активность некоторых аденилатциклаз. При повышении внутриклеточного уровня цАМФ и активности протеинкиназы A происходит фосфорилирование Са2+- каналов, повышается концентрация Са2+ в клетке, активируется Са2+-зависимая фосфодиэстераза, катализирующая превращение цАМФ в АМФ.

Нарушение барьерной функции клеточных мембран и повышение их пассивной проницаемости для ионов Na+, К+ и Са2+ сопровождается резким увеличением содержания Са2+ в цитоплазме и в матриксе МХ, что является важнейшим фактором повреждения клетки. При дефиците энергии активируется ПОЛ и катехоламинергическая система, ингибируются Са2+- АТФазы, Na+/K+-АТФазы, повышается внутриклеточный уровень Na+, что обусловливает повышение концентрации Ca2+ в цитоплазме, развитие мышечной контрактуры и дальнейшее снижение запасов АТФ в клетке. Активируются Ca2+-зависимые протеазы и фосфолипазы мембран МХ, повышается их проницаемость для Ca2+. Снижение трансмембранного потенциала внутренней мембраны МХ нарушает обмен Са2+ матрикса МХ на Н+. При перенасыщении митохондрий Ca2+ образуются фосфорные соли кальция, выпадающие в осадок, что необратимо нарушает функцию МХ. Увеличение осмотического давления в матриксе МХ сопровождается поступлением в них воды и набуханием органелл, разобщением процессов дыхания и фосфорилирования, дальнейшим снижением синтеза АТФ.

33

Повышение концентрации Ca2+ в цитоплазме активирует фосфорилазу гликолиза, что усиливает внутриклеточный ацидоз. В определенных концентрациях Ca2+ стимулирует ПОЛ. Активируя фосфолипазы в очаге повреждения, Ca2+ повышает содержание полиненасыщенных жирных кислот, являющихся субстратом ПОЛ, а также снижает активность антиоксидантной системы. Повышение осмотического давления в клетке при избыточной кальциевой нагрузке может привести к осмотической гибели клетки. Са2+-зависимая активация эндонуклеаз повреждает ядерный хроматин.

Для предупреждения повреждения клеток в результате избыточной внутриклеточной концентрации Са2+ и коррекции нарушений обмена Са2+ в клетках в настоящее время нашли широкое применение кальциевые антагонисты: верапамил, метоксиверапамил (Д-600), нифедипин, дилтиазем и др. Механизм действия этих препаратов связан с вытеснением Са2+ с поверхности клеток и блокадой медленных кальциевых каналов.

3.8. Роль внутриклеточного ацидоза в повреждении клетки

Нарушениям процессов метаболизма адениловых нуклеотидов всегда сопутствует еще один фактор, повреждающий мембраны – внутриклеточный ацидоз, возникающий при дефиците О2 вследствие активации гликолиза, накопления недоокисленных продуктов нарушения углеводного и липидного метаболизма, гидролиза АТФ и других макроэргических соединений, восстановления НАД и НАДФ, снижения утилизации H+ из-за уменьшения синтеза АТФ. Действие ацидоза на мембранные структуры и функцию клетки зависит от степени его выраженности.

Умеренный ацидоз (снижение до pH 7,2–6,8) защищает клетку от повреждения: уменьшает активность аденилатциклазы, стимулируемой катехоламинами, и снижает образование цАМФ; угнетает активность фосфолипаз; увеличивает активность Са2+-АТФазы в плазматической мембране на фоне высокого внутриклеточного содержания Са2+; активирует окисление сукцината в МХ.

Выраженный ацидоз (снижение до рН 6,8–6,2) и резкий ацидоз

(снижение рН < 6,0) прямо повреждают мембраны клетки: изменяют конформационные свойства и повреждают мембранные белки, угнетают ферменты (креатинкиназную систему, АТФазу миозина), нарушают сократительную функцию миофибрилл, усиливают гидролитический эффект ряда фосфолипаз. Активация фосфолипаз и протеаз мембран лизосом ионами

34

Н+ нарушает целостность мембран лизосом, гидролитические ферменты выходят в цитоплазму и повреждают все структуры клетки. Внутриклеточный ацидоз способствует интенсификации ПОЛ и нарушению метаболических процессов в цитоплазме, в том числе ингибирует ферменты гликолиза, что усугубляет дефицит энергии.

3.9. Нарушение механизмов, контролирующих деятельность ядра и пластическое обеспечение клетки

Важным механизмом повреждения клетки является нарушение функции ядра, рибосом и других структур, ответственных за обеспечение клетки пластическими материалами, поддержание внутриклеточного гомеостаза и процессов клеточного деления.

В ядре клетки содержится большая часть клеточной ДНК, носителя генетической информации, здесь происходит её репликация и экспрессия. Ядерные мембраны отделяют генетический аппарат клетки от цитоплазмы. Внешняя мембрана ядра усыпана рибосомами и переходит в шероховатый ЭР. Важнейшей частью ядерной мембраны являются ядерные поры, представляющие собой белковые комплексы, через которые происходит энергозависимый регулируемый транспорт РНК из ядра в цитоплазму для участия в биосинтезе белков, а также ядерных белков из цитоплазмы в ядро. В ядре происходит биосинтез НАД+. Предшественник этого кофермента, никотинамидмононуклеотид, синтезируется в цитоплазме, транспортируется в ядрышко для превращения в НАД+, который после этого возвращается в цитоплазму. Установлено, что в клетках опухолей с редукцией ядерных пор нарушается взаимодействие между ядром и цитоплазмой, это изменяет межклеточные взаимодействия. При этом формируется активно функционирующее ядро и «ленивая» цитоплазма. Предполагают, что повышенная активность ядра в данной ситуации является компенсаторной реакцией на редукцию ядерных пор. Существенные изменения в ядрах опухолевых клеток происходят на молекулярно-генетическом уровне: хромосомные аберрации (количественные изменения и структурные нарушения хромосом), генетическая нестабильность вследствие нарушенной репарации ДНК, активация протоонкогенов и превращение их в клеточные онкогены, инактивация генов-супрессоров роста – антионкогенов. К хромосомным аберрациям относят потерю или избыток хромосом (анеуплоидии), кольцевидные хромосомы, полиплоидию, реципрокные транслокации, делеции и дупликации. Хромосомные мутации характеризуются

35

структурной перестройкой одной или нескольких хромосом, связанной с утратой или дупликацией их участков, изменением положения участков в той же хромосоме или переносом в другую хромосому.

Например, при хроническом миелоидном лейкозе в опухолевых клетках пациентов обнаруживается Филадельфийская хромосома – аномальная хромосома 22 с укороченным длинным плечом. Утраченный участок хромосомы 22 соединяется с хромосомой 9. В свою очередь определенный участок хромосомы 9 соединяется с хромосомой 22. Этот процесс называется транслокацией. В результате фрагмент гена BCR из хромосомы 22 и ген ABL из хромосомы 9 образуют единую рамку считывания. Продуктами этого аномального слитого гена могут быть белки с молекулярной массой 210 (р210) или, реже, 125 кДа (р185). Так как в норме белок ABL содержит тирозинкиназный домен, продукт мутантного гена также является тирозинкиназой. Белок BCR-ABL взаимодействует с одной из субъединиц клеточного рецептора к ИЛ-3. Транскрипция этого гена происходит непрерывно, ускоряется клеточное деление и подавляется репарация ДНК. Клетка становится более восприимчивой к дальнейшим генетическим аномалиям. Изменения числа хромосом в наборе называются геномными мутациями. Например, одна лишняя 21 хромосома приводит к синдрому Дауна.

Повреждение генетического аппарата клетки проявляется в виде генных и хромосомных мутаций. Причиной возникновения мутаций может быть действие ультрафиолетовых лучей, всех видов ионизирующих излучений, химических повреждающих агентов, чужеродных нуклеиновых кислот, вирусов. Химическое (азотистая кислота, алкилирующие соединения и др.) и радиационное повреждение клеток вызывают серьезные повреждения молекулы ДНК в виде одно- и двунитевых разрывов, образования поперечных сшивок. Следствием мутаций может быть замена одной аминокислоты на другую в полипептидной цепи, контролируемой данным геном. Например, у больных серповидноклеточной анемией синтезируется патологический гемоглобин S, у которого в β-цепи глютаминовая кислота заменена на валин в отличие от нормального гемоглобина А1. При снижении парциального напряжения О2 в крови гемоглобин S конденсируется, происходит деформация, а затем и гибель эритроцита.

При другом виде генных мутаций происходит выпадение или вставка отдельных нуклеотидов (или группы их). Если число недостающих или избыточных нуклеотидов не кратно трем (триплет – единица генетическо-

36

го кода), то произойдет сдвиг рамки считывания при транскрипции и трансляции, и, начиная с точки, в которой произошла мутация, вся структура полипептида может измениться, что может привести к полной утрате его функциональной активности. Могут выпадать не отдельные нуклеотиды, а целые гены (делеция гена). Например, при ретинобластоме происходит делеция в хромосоме 13. В то же время при выпадении части генов может происходить компенсация за счет сохранившихся парных гомологичных генов. Процесс злокачественной трансформации клетки обеспечивается изменениями не одного, а нескольких групп генов – активаторов и супрессоров роста. Кроме мутаций ядерного генетического материала возможны и мутационные изменения цитоплазматических генов (плазмогенов). В клетке человека такие гены представлены в основном ДНК митохондрий. В то же время в процессе эволюции созданы основы надежности генетического аппарата клетки – это дублированность его структурных элементов, механизмы репарации и матричный принцип биосинтеза ДНК и РНК. Исправление мутационного повреждения генетического материала механизмами репарации восстанавливает значительную часть поврежденных молекул ДНК. Происходит распознавание и эксцизия измененных участков ДНК с помощью рестриктирующих эндонуклеаз. Затем при участии ДНК-полимеразы синтезируется нормальный участок ДНК и встраивается в цепь ДНК под действием лигазы. Пострепликативная (рекомбинационная) репарация происходит с участием ДНК-полимераз и лигаз путем встраивания участков ДНК одних молекул в другие молекулы для восполнения отсутствующих участков. Нарушения в репарации ДНК могут служить причиной генетической нестабильности и приводить к злокачественной трансформации клеток. Возникновение опухолей кожи при пигментной ксеродерме связано с отсутствием рестриктирующих эндонуклеаз, осуществляющих в норме эксцизию поврежденных ультрафиолетовыми лучами участков ДНК, где образуются тимидиновые димеры. С возрастом увеличивается частота развития опухолей, что, по-видимому, обусловлено накоплением мутаций в геноме клеток и нарушением системы репарации ДНК в клетках пожилых людей.

Геном клетки повреждается при опухолевом росте. Канцерогенные факторы, вызывая мутации, делеции, суперэкспрессии, образование поперечных сшивок, активируют нормальные гены клеток (протоонкогены) и превращают их в клеточные онкогены, вызывающие развитие неопластической трансформации. При этом важную роль играет соотношение ак-

37

тивности генов-супрессоров и генов-онкосупрессоров. Клеточные онкогены кодируют белки, участвующие в передаче сигнала (внеклеточные лиганды, гомологичные ростовым факторам; мембранные рецепторы; регуляторы синтеза и транспорта белков; ядерные рецепторы, регулирующие транскрипцию определенных генов; ядерные онкосупрессоры, блокирующие вступление дифференцированных клеток в митотический цикл; факторы транскрипции; протеинкиназы), что позволяет регулировать клеточную пролиферацию, дифференцировку, процессы роста.

Геномные изменения обусловливают повреждения ЦПМ, органелл и цитоскелета. Вследствие изменения структуры и экспрессии углеводов ЦПМ, входящих в состав гликопротеидов и гликолипидов, формирующих адгезивные молекулы (САМ), нарушается контактное торможение. Активация типовых механизмов повреждения мембран обусловливает нарушение функций органелл клетки, в том числе участвующих в биосинтезе. Это угнетает репаративные процессы, восстанавливающие нарушенный гомеостаз клетки. В шероховатом ЭР синтезируются белки мембран, лизосом и секреторных везикул. Остальные белки синтезируются в цитоплазме на рибосомах, не связанных с ЭР. Процессы биосинтеза энергозависимы, поэтому при дефиците энергии они нарушаются. Известно, что в цитоплазме происходит деградация питательных веществ, синтез структурных компонентов клетки, промежуточный метаболизм (гликолиз, гексозомонофосфатный путь, глюконеогенез, биосинтез жирных кислот). Нарушение активности ферментов и связи их с мембранами нарушает метаболические процессы. Образующиеся антиметаболиты избирательно блокируют метаболические процессы.

Биосинтез нуклеотидов нарушается большинством важных в клиническом отношении цитостатиков, они подавляют синтез предшественников ДНК. Некоторые из них являются производными нуклеиновых оснований или нуклеотидов, они конкурентно ингибируют соответствующие ферменты. Цитостатики, взаимодействуя с молекулами ДНК, могут нарушать процессы репликации и транскрипции. При попадании в организм многие цитостатики активируются в результате метаболической трансформации. Например, из 6-меркаптопурина (аналога аденина) через ряд промежуточных стадий образуется тдГТФ (серосодержащее производное дГТФ), который, встраивается в ДНК, формирует поперечные связи и другие аномалии. Гидроксимочевина избирательно ингибирует рибонуклео- тид-редук-тазу, нейтрализуя тирозин-радикал, который необходим для

38

функционирования этого фермента. Метотрексат, аналог фолиевой кислоты, является чрезвычайно эффективным конкурентным ингибитором ди- гидрофолат-редуктазы, как следствие прекращается синтез ДНК.

3.10. Повреждение рецепторного аппарата клетки и внутриклеточных механизмов регуляции её функций

Важную роль в жизнедеятельности клетки играет ее рецепторный аппарат. Он обеспечивает восприятие и передачу информации клетке при воздействии сигнального вещества для формирования адекватной реакции в изменяющихся условиях внеклеточной среды. Рецепторы (белки или гликопротеины) в зависимости от вида сигнального вещества находятся либо в мембране клетки-мишени, либо в цитоплазме, либо в ядре клетки. Липофильные сигнальные вещества (стероидные и тиреоидные гормоны) проникают через ЦПМ и взаимодействуют со специфическим рецептором (цинксодержащим белком) в цитоплазме или в клеточном ядре.

Для гидрофильных сигнальных веществ различают три типа рецепторов (рис. 5), являющимися интегральными мембранными белками: 1) аллостерические ферменты (тирозинкиназа, протеинфосфатаза, гуанилатциклаза), их активный центр находится на внутренней стороне мембраны. К этому типу рецепторов относятся рецепторы цитокинов, инсулина и факторов

39

Рис. 5. Механизм действия гидрофильных гормонов (из Я. Кольман, К.–Г. Рём, 2011)

роста; 2) лиганд-активируемые ионные каналы (Н-холинорецепторы и А- рецептор ГАМК), 3) рецепторы, сопряженные с ГТФ-связывающими белками. Белки этих рецепторов состоят их 7 трансмембранных α-спиралей.

Каждый из вышеназванных рецепторов содержит высокоаффинный связывающий центр для своего сигнального вещества. При активации инсулинового рецептора, являющегося рецептором первого типа, происходит его димеризация, активация тирозинкиназы и фосфорилирование остатков тирозина в определенных белках и самого рецептора. При участии PI-3-K (фосфатидилинозитол-3-киназы) и активации протеинкиназы B осуществляются метаболические эффекты инсулина, в частности стимуляция синтеза гликогена и ряда белков. Посредством митогенного активатора белка осуществляются митогенные эффекты инсулина: стимуляция экспрессии транспортера глюкозы, эндотелин-синтетазы, стимуляции роста гладкомышечных клеток сосудов. Экзоцитоз гормональнорецепторного комплекса заканчивается протеолизом инсулина и возвращением субъединицы рецептора в мембрану. Период полужизни инсули-

40