Повреждение

Повреждение клеток – нарушение функции, гомеостаза и структуры клеток; возникает тогда, когда повреждающий стимул (по природе, силе, продолжительности) таков, что к нему невозможна адаптация. Обратимое повреждение приводит к восстановлению нарушенных параметров после удаления повреждающего стимула. При обратимом повреждении, как правило, нет существенных нарушений плазматической мембраны и ядра. Необратимое повреждение приводит к гибели клеток путем некроза (одна из двух форм гибели клеток наряду с апоптозом). Переход от обратимого повреждения к необратимому, как правило, сопровождается двумя событиями: 1) невозможностью восстановления функции митохондрий и аэробного метаболизма, 2) нарушением плазматической мембраны. Основные причины повреждения клеток: гипоксия, ишемия, внешние химические и физические агенты, инфекции, воспаление и иммунные реакции, генетические дефекты, нарушения питания, старение.

Механизмы повреждения. Наиболее уязвимые для повреждающих стимулов субклеточные мишени: мембрана, цитоскелет, митохондрии (генерация АТФ), генетический аппарат, синтез белков (рис.):

Дефицит АТФ как механизм повреждения особенно выражен в органах с низкой способностью к гликолизу (головной мозг, миокард) и меньше – в органах с высокой гликолитической способностью (печень). Возникает при ↓ АТФ до уровня 5-10%. Основные пути развития (рис.):

1. ↓ АТФ-зависимого трансмембранного транспорта ионов → изменения ионного состава → набухание клеток, ЭПС, потеря микроворсинок;

2. ↑ гликолиза → ↓рН → конденсация хроматина, ингибирование ферментов, в т.ч., обратное ингибирование гликолиза и усиление энергодефицита;

3. отсоединение рибосом от ЭПС → ↓синтеза белков.

Дефект митохондрий как механизм повреждения возникает за счет повышения [Ca²⁺]_i, активных метаболитов, или форм, кислорода (reactive oxygen species, ROS). При потере мембранного потенциала митохондрий снижается выработка АТФ, а выход митхондриальных белков (! – цитохром с) в цитоплазму запускает апоптоз (см. далее).

Повышение внутриклеточной концентрации кальция. Вход Са²⁺ в цитоплазму (сначала из внутриклеточных депо, затем извне) происходит при неспособности поддерживать [Ca²⁺]_i белками-переносчиками (Са-АТФаза, Na-Ca обменник, опосредовано - Na,K-АТФаза). В этих условиях активируются Са-зависимые ферменты, которые повреждают субклеточные структуры и вызывают дополнительный расход АТФ (рис.), кроме того, изменяется мембранный потенциал, и происходит электрическое разобщение клеток (за счет изменения свойств межклеточных контактов).

Окислительный стресс – состояние с повышением [ROS] (ROS = reactive oxygen species, активные метаболиты кислорода, активные формы кислорода) внутри клетки за счет усиления их генерации или уменьшения их удаления антиоксидантами. ROS очень активны, атакуют ДНК, РНК, белки, жирные кислоты с образованием новых свободных радикалов (R∙). ROS образуются постоянно в митохондриях при дыхании, но разрушаются антиоксидантами.

Генерация ROS:

1. Неполное восстановление О₂ в дыхательной цепи – образование О₂^-∙, Н₂О₂, ОН∙

2. Образование ROS с участием металлов, например, реакция Фентона: Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + OH∙ + OH^-

3. Поглощение лучевой энергии (УФ, рентген) – гидролиз: Н₂О → ОН∙ +Н∙

4. Ферментативный метаболизм экзогенных веществ (CCl₄)

5. Образование лейкоцитами при воспалении

6. NO – образование лейкоцитами при воспалении и эндотелием

Удаление ROS (антиоксиданты):

1. Супероксиддисмутаза – 2О₂^-∙ +2Н → Н₂О₂ + О₂

2. Глутатионпероксидаза – 2OH∙ + 2GSH → 2Н₂О + GSSG. Отношение [GSSG]/[GSH] показывает окислительное состояние клетки и способность катаболизировать свободные радикалы.

3. Каталаза в пероксисомах – 2Н₂О₂ → О₂ + Н₂О

4. Витамины Е, А, С - ↓ образования ROS, ↑ удаления ROS

5. Трансферрин, ферритин, лактоферрин, церулоплазмин – связывание Fe и Cu, способствующих генерации ROS по реакции Фентона

Эффекты ROS:

1. Перекисное окисление липидов (ПОЛ) – образование пероксидов;

2. Образование перекрестных связей между белками через SH-группы; фрагментация белков;

3. Фрагментация ДНК (реакция с тимином)

Мембранные дефекты как отдельный механизм повреждения возникают при действии ROS, дефиците АТФ, кальциевой перегрузке. Продукты распада фосфолипидов (неэстерифицированные жирные кислоты, ацилкарнитин, лизофосфолипиды) могут встраиваться в мембрану и растворять ее (детергентный эффект). При дефекте мембран митохондрий снижается выработка АТФ, при дефекте плазматической мембраны нарушается осмотический баланс и теряются метаболиты, а при дефекте мембран лизосом происходит утечка кислых гидролаз (РНКазы, ДНКазы, протеазы, гликозидазы), в результате чего разрушаются другие клеточные структуры.

Существуют тканеспецифические признаки повреждения. Наличие в сыворотке компонентов внутриклеточного содержимого (ферменты, белки сократительного аппарата, миоглобин) свидетельствует о мембранных дефектах (некрозе): тропонин (Т и I) – кардиомиоциты, щелочная фосфатаза – эпителий желчных протоков, трансаминазы – гепатоциты.