3 курс / Патологическая физиология / Основные_механизмы_повреждения_клеток

нового рецептора составляет 7-12 дней, т.е. рецепторы постоянно синтезируются и распадаются.

При активации рецептора второго типа открывается канал либо для Na+, K+, Са2+ либо для CI-. Так, активация Н-холинорецептора ацетилхолином приводит к открыванию канала, проницаемого для положительно заряженных ионов Na+, К+ и Са2+. Вход ионов Na+ вызывает деполяризацию мембраны. Ионный канал NMDA (N-метил-D-аспартат)-рецептора к глутаминовой кислоте тоже проницаем для положительно заряженных ионов. ГАМКА-рецепторы содержат Cl- -каналы.

При активации рецептора третьего типа сигнал от первичного мессенджера с помощью ГТФ-связывающих белков (G-белки) передается на ферменты-эффекторы (аденилатциклазу, цГМФ-фосфодиэстеразу, фосфолипазы А2 и C). Это приводит к высвобождению вторичных мессенджеров (цАМФ, цГМФ, ИФ3, ДАГ, Са2+, NO и др.), которые через активацию разных видов протеинкиназ, обусловливают фосфорилирование ферментов, мембранных белков, рецепторов. Протеинкиназы могут быть растворимыми и мембранными белками, катализирующими фосфорилирование белков и модулирующими их биологическую активность. Установлены разные механизмы активации протеинкиназ. Протеинкиназы А активируются цАМФ, протеинкиназы G – цГМФ, протеинкиназы С – ДАГ, Са2+/кальмодулин-зависимые киназы – ионами Са2+. Некоторые протеинкиназы обладают широким спектром действия по субстрату, другие – фосфорилируют только некоторые белки.

При активации адреналином β1-адренорецепторов, сопряженных с GS-белком, их αs-субъединицы высвобождают цАМФ, который активирует протеинкиназу A, происходит фосфорилирование внутриклеточных белков. В результате, меняется проницаемость мембран, активность и количество ферментов, открываются Са2+-каналы L-типа в мембранах кардиомиоцитов. Активированные GS-белки способны прямо открывать потенци- ал-зависимые Са2+-каналы. Увеличивается концентрация ионов кальция в цитоплазме, и реализуются положительные инотропный, хронотропный, дромотропный эффекты.

Активация α1-адренорецепторов катехоламинами тоже увеличивает концентрацию Са2+ в цитоплазме, но по механизму, опосредованному Gq- белками и фосфолипазой Сβ. Гидролиз фосфатидилинозит-4,5-дифосфата приводит к образованию двух вторичных мессенджеров – ИФ3 и ДАГ (механизм их действия описан выше). Повышение внутриклеточного кальция,

41

обусловливает сокращение гладкой мускулатуры артериол, бронхиол, мочевого пузыря и др.

При активации М2-холинорецепторов в миокарде Gi-белки ингибируют аденилатциклазу, снижают уровень цАМФ и приток Са2+ в цитоплазму, проявляются отрицательные хронотропный и дромотропный эффекты на сердце. В тоже время, активация β2-адренорецепторов сальбутамолом увеличивает уровень цАМФ, но снижает внутриклеточное содержание ионов кальция, что обусловливает расширение бронхиол и кровеносных сосудов в скелетных мышцах.

Функции рецепторного аппарата могут быть нарушены при активации типовых механизмов повреждения биологических мембран (дефицит энергии, интенсификация ПОЛ, активация эндогенных фосфолипаз и протеаз, избыток внутриклеточного Са2+, внутриклеточный ацидоз), поскольку они нарушают как липидный бислой мембран, так и конформационное строение рецепторов (липидзависимых белков, гликопротеинов), ионообменных систем и каналов; инактивируют ферменты, нарушают связь ферментов с мембранами, вызывают выход ферментов, вторичных мессенджеров, рецепторов, пуриновых оснований за пределы клетки.

При сахарном диабете 2 типа главным звеном патогенеза является развитие инсулинорезистентности (снижение всех биологических эффектов инсулина). Этому способствуют первичные генетические нарушения, в частности, мутации и нарушения экспрессии генов тирозинкиназы инсулинового рецептора, мембранных и внутриклеточных посредников, ферментов, участвующих в передаче сигнала. Кроме того, в мышечные и жировые клетки меньше поступает глюкозы, возникает дефицит энергии. Накапливаются недоокисленные продукты жирового, углеводного и белкового обмена (молочная кислота, СЖК и др.), свободные радикалы, возникает внутриклеточный ацидоз, увеличивается уровень внутриклеточного кальция, активируются Са2+-зависимые фосфолипазы и другие патогенетические факторы. Они обусловливают нарушение функции и повреждение инсулиновых рецепторов и рецепторов β-клеток поджелудочной железы. Наблюдается прогрессивное нарастание инсулинорезистентности и развитие поздних осложнений сахарного диабета.

Возникновение эндотелиальной дисфункции коронарных сосудов при ишемической болезни сердца предшествует развитию инфаркта миокарда, для которого характерно нарушение регуляции сократительной функции. Это, по-видимому, свидетельствует о повреждении рецепторов

42

на эндотелиальных клетках коронарных сосудов, так и на клетках миокарда. При атеросклерозе, в механизме которого важная роль принадлежит активации ПОЛ, уменьшается чувствительность барорецепторов дуги аорты и каротидного синуса.

Одним их примеров влияния состояния липидов клеточных мембран на функции рецепторного аппарата является механизм действия экзогенного этанола на мембраны клеток. Этанол, растворяясь в липидах клеточных мембран, изменяет их текучесть и структуру, мембранные ионные токи, генерацию потенциалов, активность многих липидзависимых белков. Однократный прием этанола повышает активность β-адренорецепторов, дофаминергических и ГАМК-рецепторов, но снижает активность глутаматных NMDA-рецепторов. Длительное избыточное действие этанола и продуктов его метаболизма через активацию связанной с мембраной фосфолипазы C запускает каскад молекулярных событий адаптации к постоянному присутствию экзогенного этанола в организме. Нарушается генетический аппарат клеток на молекулярном, генном и хромосомном уровне. Повышается ригидность мембран, содержание в них холестерина, существенно изменяется состав и свойства регуляторных липидзависимых белков. Снижается синтез α-субъединицы Gs-белка, активность аденилатциклазы и синтез цАМФ. Нарушается синтез, экспрессия и сродство рецепторов к опиоидным пептидам. Уменьшается активность ГАМК-ергической системы, повышается выброс дофамина и снижается содержание ацетилхолина, что приводит к редукции холинергических вставочных нейронов ствола мозга. Длительное действие экзогенного этанола, нарушая липидный бислой мембран нейронов, существенно изменяет функциональную активность всех нейрохимических систем мозга, обусловливает формирование новых функциональных систем, устойчивых необратимых связей, обусловливающих пожизненные формы памяти. Происходит пролиферация участков связывания глутаминовой кислоты и потенциал-зависимых Са2+-каналов NMDA-рецепторов. Увеличение числа NMDA-рецепторов и внутриклеточного уровня ионов кальция сопровождается активацией Са2+- зависимых фосфолипаз и протеаз, повреждением мембран нейронов и нарушением внутриклеточного метаболизма. Взаимодействие ацетальдегида (продукта окисления этанола) с каталитическими центрами ферментов нарушает их функциональную активность и метаболизм таких эндогенных аминокислот, как глутаминовая кислота, ГАМК и глицин. Ацетальдегид связывается и с тубулином, что нарушает структуру и функциональную

43

активность микротрубочек нейронов. Нейротоксический эффект этанола проявляется гибелью нейронов и атрофией мозга, расширением мозговых желудочков, дегенерацией коры больших полушарий.

Для сахарного диабета 2 типа характерна гипергликемия натощак и после приема пищи, а также гиперинсулинемия. Постоянная гипергликемия обусловливает активацию гликозилирования – необратимого, без участия ферментов присоединения молекул глюкозы к -аминогруппе молекул белков. Гликозилирование инсулиновых рецепторов или инсулина снижает сродство между лигандом и рецептором. В условиях постоянной гиперинсулинемии уменьшается число инсулиновых рецепторов в мембранах клетки (десенситизация). Это можно объяснить как активацией ПОЛ и другими типовыми механизмами повреждения клетки, так и нарушением процесса синтеза новых рецепторов инсулина на фоне нарушения внутриклеточной регуляции метаболических и митогенных эффектов инсулина избытком ФНО-α, а также образованием антител к гликозилированным рецепторам и инсулину, развитием аутоиммунного повреждения рецепторов и клетки.

При болезни Аддисона обнаруживаются антитела к рецепторам АКТГ. Взаимодействие иммуноглобулинов с рецепторами АКТГ приводит к нарушению пролиферативных процессов в коре надпочечников. Прекращается синтез и выделение гормонов, развивается первичная атрофия коры надпочечников. При тяжелой миастении аутоиммунное повреждение постсинаптической мембраны нервно-мышечного синапса и мышечных клеток приводит к развитию прогрессирующей мышечной слабости. В патогенезе заболевания участвуют разные типы аутоантител - антитела к каждой из пяти субъединиц Н-холинорецептора, титин-протеину, рианодиновому рецептору саркоплазматического ретикулума, потенциалзависимым K+-каналам, мышечной специфической тирозинкиназе и др. Установлена структурная гомология антител к ИЛ-12, холинорецептору, α2 -ИНФ. ИЛ-12 стимулирует синтез определенных антител и цитокинов, направляя ответ по Th1-типу. Связывание IgG2α , например, с титинпротеином или рианодиновым рецептором активирует комплемент и повреждает мышечный субстрат. Н-холинорецепторы могут блокироваться антителами, превосходящими их по размеру, что приводит к интенсификации ПОЛ и повреждению мембраны. Количество других Н- холинорецепторов резко уменьшается при образовании крупных мембранных кластеров за счет перекрестного реагирования антител с антигенами,

44

последующего их эндоцитоза и деградации. При диффузном токсическом зобе в организме синтезируются антитела к рецепторам ТТГ, которые стимулируют эти рецепторы в щитовидной железе и имитируют эффекты ТТГ (повышается синтез тиреоидных гормонов и развивается гиперплазия щитовидной железы). При этом по отрицательной обратной связи тормозится продукция ТТГ, однако продолжается стимуляция ТТГ-рецепторов и прогрессирует гиперфункция щитовидной железы.

Блокада рецепторов конкурентными ингибиторами природного происхождения или лекарственными препаратами нарушает их функцию. Например, яд кураре, алколоид растительного происхождения, избирательно и обратимо блокирует Н-холинорецепторы постсинаптической мембраны, препятствует действию ацетилхолина, как следствие развивается паралич. Синтетические аналоги кураре (атракурия, безилат) вызывают релаксацию произвольной мускулатуры в период хирургической операции. Необратимую блокаду Н-холинорецепторов вызывает α-нейротоксин яда кобры. При отравлении стрихнином, блокирующем глициновые рецепторы спинного мозга и ствола мозга, угнетаются тормозные процессы и возникают тонические судороги. Кофеин, блокируя А1-аденозиновые рецепторы пресинаптической мембраны, снимает пресинаптическое торможение (повышается активность аденилатциклазы и синтез цАМФ), что обусловливает повышенный выброс нейромедиаторов и активацию многих медиаторных систем мозга. Кофеин ингибирует фосфодиэстеразу, что также способствует накоплению цАМФ в клетках. Однако при регулярном введении в организм кофеина число А1-аденозиновых рецепторов пресинаптической мембраны увеличивается, усиливается пресинаптическое торможение выброса нейромедиаторов, поэтому при отказе от кофеина наблюдается депрессия и сонливость (изменяется толерантность и развивается физическая зависимость).

Снотворные средства и транквилизаторы – барбитураты (фенобарбитал, люминал) и бензодиазепины (диазепам), активируя различные участки ГАМКА-рецепторов, связанные с Cl--каналами, усиливают ГАМКзависимое торможение в ЦНС: барбитураты – через увеличение продолжительности открытия хлорных каналов и увеличение их проницаемости, бензодиазепины – через увеличение числа открытых хлорных каналов в конечном мозге.

Опиаты (природные и синтетические экзогенные морфиноподобные средства) взаимодействуют с опиоидными рецепторами, но опиаты хотя и

45

похожи по структуре молекулы на эндогенные аналоги, но более стабильны, действуют продолжительнее и в больших дозах, чем опиоидные пептиды. Экспериментально установлено, что под действием опиатов происходит активация ПОЛ в мембранах клеток неокортекса, среднего мозга, черной субстанции, миокарда. Наблюдаются существенные структурные изменения мембран: рецепторы связываются с ионами металлов, изменяется содержание ГТФ в микроокружении рецепторов, число G-белков и их сопряжение с рецепторами. Снижается сродство рецепторов к опиоидным пептидам и их взаимодействие. Уже после 1-2 введений опиатов уменьшается число -опиоидных рецепторов, повышается синтез аденилатциклазы, изменяется метаболизм нейронов.

Токсины оказывают повреждающее действие на мембраны и рецепторы, в частности, влияя на субъединицы G-белков, являющихся посредниками в передаче сигнала от рецептора до эффекторных структур клетки. Одна из субъединиц холерного токсина проникает в клетку и катализирует присоединение АДФ-рибозы к GS-белку, ингибируется проявление ГТФфосфатазной активности αS-субъединицы, не происходит дефосфорилирование ГТФ, цикл функционирования GS-белка останавливается на этапе активации аденилатциклазы, повышенная активность которой сохраняется длительное время. В клетках эпителия кишечника накапливается избыток цАМФ, вызывающий секрецию электролитов и воды в просвет кишечника, возникает повреждение клеток кишечника, обезвоживание организма и смерть уже через несколько часов.

3.11. Виды гибели клетки

Гомеостаз многоклеточного организма контролируется механизмами пролиферации, дифференцировки и гибели клеток. Когда нарушения гомеостаза поврежденной клетки достигают критического уровня и приводят к необратимым нарушениям неравновесного состояния клетки и окружающей её среды, наступает гибель клетки. Смерть клетки характеризуется прекращением всех жизненных процессов в ней: обмена веществ, синтеза белков, активного транспорта электролитов и т.д. Смерть клетки обычно сопровождается саморазрушением – аутолизом (распад клеток и тканей в организме под действием содержащихся в них гидролитических ферментов без помощи бактерий). Однако в некоторых случаях аутолиз при гибели клетки не развивается. Например, когда смерть организма наступила внезапно, а ткани длительное время находились в условиях

46

Рис.6. Последовательность ультраструктурных изменений в процессе апоптоза (справа) и некроза (слева): 1 – интактная клетка; 2 – уплотнение и сегрегация хроматина в ядре; 3 – распад ядра на фрагменты и образование апоптозных телец; 4 – фагоцитоз апоптозных телец соседней клеткой; 5 – ранняя стадия некроза, включающая конденсацию хроматина и деградацию цитоплазматических структур; 6

– разрушение мембран и дезинтеграция клетки (по: B.V. Harmon et al., 1990).

низкой температуры (трупы доисторических животных в зоне вечной мерзлоты). Гибель клетки реализуется либо по механизму апоптоза, либо по механизму некроза (Рис.6).

Некроз развивается в результате воздействия на клетки экстремальных факторов достаточной мощности (токсины, тепловые воздействия, радиация, бактериальная и вирусная инфекция и другие факторы), вызывающих необратимое повреждение ЦПМ с нарушением её барьерной функции, работы катионных насосов, электролитного баланса. Развивается дефицит энергии и внутриклеточный ацидоз, обусловливающие нарушение функции ядра и угнетение биосинтеза РНК. Морфологическими признаками некроза клеток являются набухание клеток и митохондрий, фрагментация ЦПМ и мембран митохондрий и лизосом, распад хроматина и полная деструкция цитоскелета. Выход ферментов из цитоплазмы и орга-

47

нелл обусловливает повреждение соседних клеток, развитие воспаления и образование некротических зон.

Апоптоз (программированная клеточная гибель) – это форма смерти клеток в результате реализации механизмов самоуничтожения клетки в ответ на активацию рецепторного аппарата биологически активными веществами (ФНО, ИЛ-I, ИЛ-10, глюкокортикоидами, γ-интерфероном), под действием повреждающих факторов (цитотоксических Т-клеток, вирусной инфекции и бактериальных токсинов, свободных радикалов, этанола, оксидантов, β-амилоидного пептида). В результате апоптоза происходит удаление, гибель отдельных клеток, завершивших свой жизненный цикл, образующихся в избытке, неправильно развивающихся или имеющих поврежденную ДНК. Таким образом, апоптоз может быть биологически целесообразным процессом, направленным на сохранение гомеостаза организма. Развитие апоптоза имеет морфологические и биохимические отлигачия от некроза. Морфологические признаки апоптоза наблюдаются в следующей последовательности: конденсация цитоплазмы, как бы «сморщивание» клеток; агрегация хроматина вблизи ядерной оболочки; формирование на поверхности клетки выпячиваний, с последующим их отшнуровыванием; образование ограниченных мембраной апоптозных телец различного размера, содержащих фрагменты ядра и органеллы; фагоцитоз апоптозных телец соседними клетками или макрофагами. При этом отсутствует воспалительная реакция, поскольку содержимое клетки не попадает в окружающую ткань.

Апоптоз – это энергозависимый процесс, для которого характерна экспрессия соответствующих генов, синтез белка и РНК на ранней стадии процесса, упорядоченная деградация хроматина под действием Са2+-, Mg2+-зависимой эндонуклеазы на фрагменты по размеру соответствующие нуклеосомам или их олигомерам. Следует отметить, что усиление роли факторов, ингибирующих апоптоз, или снижение удельного веса процессов, стимулирующих его, приводит к развитию заболеваний, связанных с усилением пролиферативных процессов и увеличением клеточной массы (например, при лейкозах). Напротив, избыточная активация апоптоза обусловливает развитие болезней, связанных с дегенерацией тканей – болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, остеопороза, апластической анемии и других.

48

4. Контрольные вопросы и задания

Тесты II уровня для самоконтроля знаний по теме:

1.Приведите определение понятия «повреждение клетки».

2.Виды повреждения клеток (4).

3.Общие механизмы повреждения клетки (4).

4.Типовые механизмы повреждения клеточных мембран (7).

5.Принципы защиты мембран и ферментов клеток от токсических продуктов перекисного окисления липидов (4).

6.Последствия повышения внутриклеточного содержания кальция

(4).

7.Факторы, обусловливающие интенсификацию перекисного окисления липидов при повреждении клетки (4).

8.Признаки необратимого повреждения клетки (4).

9.Функциональные признаки повреждения клетки (4).

10.Механизмы, обусловливающие нарушение барьерной функции клеточных мембран (4).

11.Механизмы, обусловливающие нарушение функциональной активности клеток (4).

12.Механизмы, обусловливающие биохимические признаки повреждения клетки (4).

13.Механизмы повреждения рецепторного аппарата клетки (5).

14.Основные прооксиданты (5).

15.Основные неферментные антиоксиданты (6).

16.Основные ферменты антиоксидантного действия (3).

17.Последствия активации перекисного окисления липидов для клеточных мембран (3).

18.Причины избыточной активации а) фосфолипаз мембран лизосом и б) фосфолипаз плазматической мембраны и мембран других органелл клетки (2).

19.Последствия избыточной активации мембранных фосфолипаз и гидролаз лизосом (5).

20.Последствия повреждающего действия амфифильных соединений и детергентов на плазматическую мембрану (5).

21.Механизмы повреждающего действия антибиотиков на клеточные мембраны (2).

49

22.Факторы, обусловливающие развитие дефицита энергии при повреждении клетки (5).

23.Патогенетические факторы повреждающего действия дефицита энергии на клетку (5).

24.Последствия дефосфорилирования мембранных белков (5).

25.Патогенетические факторы ишемического повреждения клетки (7).

26.Факторы патогенеза реперфузионного повреждения клеток (7).

27.Факторы, обусловливающие внутриклеточный ацидоз (5).

28.Повреждающее действие внутриклеточного ацидоза (5).

29.Механизмы повреждения генетического аппарата клетки (5).

Правильные ответы на тесты I I уровня:

1.Повреждение клеток – это такое нарушение внутриклеточного гомеостаза, которое ограничивает функциональные возможности клеток, угрожает их жизни или сокращает её продолжительность.

2.1. острое, 2. хроническое, 3. обратимое, 4. необратимое

3.1. механизмы повреждения мембран клетки и внутриклеточных структур; 2. механизмы повреждения энергетического обеспечения клетки; 3. механизмы повреждения процессов, контролирующих пластическое обеспечение клетки и деятельность ядра; 4. механизмы повреждения рецепторного аппарата клетки и внутриклеточных механизмов регуляции её функций.

4.1. интенсификация перекисного окисления липидов; 2. резкий дефицит энергии; 3. активация мембранных фосфолипаз и гидролаз лизосом; 4. повреждение мембран амфифильными соединениями и детергентами; 5. выраженный внутриклеточный ацидоз; 6. растяжение и микроскопические разрывы мембран при набухании клеток и их органелл; 7. повреждение мембран макромолекулами и иммунными комплексами.

5.1. медикаментозная стимуляция усвоения кислорода митохондриями и степени сопряжения окислительного фосфорилирования; 2. инактивация свободных радикалов антиоксидантами; 3. Медикаментозное ингибирование мембранных фосфолипаз и метаболизма арахидоновой кислоты,использование стабилизаторов мембран, хелаторов и восстановителей металлов переменной валентности; 4.

50