Причины повреждения клетки

ТЕМА: Повреждение клетки

ПРИЧИНЫ И ВИДЫ ПовреждениЯ клетки

Повреждение клетки – типовой патологический процесс, основу которого составляют нарушения внутриклеточного гомеостаза, приводящие к нарушению структурной целостности клетки и её функциональных способностей.

Повреждение клетки – этотакие изменения её структуры, метаболизма, физико-химических свойств и функции, которые ведут к нарушению жизнедеятельности клетки.

Причины повреждения клетки.

По природе повреждающего фактора: физические, химические, биологические (рис. 1).

По происхождению повреждающие факторы подразделяются на экзогенные и эндогенные.

Экзогенные факторы (действуют на клетку извне):

• физические воздействия (механические, термические, лучевые и др.),

• химические агенты (кислоты, щёлочи, этанол и др.),

• инфекционные факторы (вирусы, риккетсии, бактерии, гельминты и др.).

Эндогенные факторы (образуются и действуют внутри клетки):

• физической природы (например, избыток свободных радикалов, колебания осмотического давления),

• химические факторы (например, накопление или дефицит ионов Н+, K+, Ca2+ и др., углекислого газа, метаболитов и др.),

• биологические агенты (например, лизосомальные ферменты, иммуноглобулины, дефицит или избыток гормонов, ферментов и др.).

Рис. 1. Причины повреждения клеток

Виды повреждения клетки. В зависимости от скорости развития основных проявлений повреждение клетки может быть острым и хроническим. Острое повреждение развивается быстро, как правило, в результате однократного, но интенсивного повреждающего воздействия, в то время как хроническое повреждение протекает медленно и является следствием многократных, но менее интенсивных патогенных влияний.

Различают непосредственное (первичное) и опосредованное (вторичное) повреждения. Последнее возникает как следствие первичных нарушений постоянства внутренней среды организма (гипоксия, ацидоз, гипер- и гипоосмия, гипогликемия и др.)

В зависимости от степени нарушения внутриклеточного гомеостаза повреждение бывает обратимым и необратимым. Например, обратимым могут быть повреждения кардиомиоцитов при кратковременной (рефлекторной) ишемии миокарда (не более 10-15 мин). Если повреждающие агенты вызывают стойкие изменения внутриклеточного гомеостаза, неустранимые при вовлечении внеклеточных и внутриклеточных защитно-компенсаторных механизмов, развиваются необратимые повреждения клеток, приводящие, как правило, к их гибели или значительному сокращению сроков жизни. В качестве примеров можно привести повреждения миокардиоцитов при длительной ишемии миокарда, клеток кожи при действии больших доз ультрафиолетовых лучей.

В зависимости от периода жизненного цикла, на который приходится действие повреждающего агента, повреждение клетки может быть митотическим и интерфазным.

Выделяют два патогенетических варианта повреждения клеток:

1. Насильственный. Развивается в случае действия на клетку патогенных факторов, интенсивность которых превышает возмущающие воздействия, к которым клетка адаптирована. Наиболее чувствительны к данному варианту повреждения функционально малоактивные клетки, обладающие малой мощностью собственных гомеостатических механизмов.

2. Цитопатический. Возникает в результате первичного нарушения защитно-компенсаторных гомеостатических механизмов клетки. В этом случае фактором, запускающим механизмы повреждения, являются естественные для данной клетки возмущающие стимулы, которые в этих условиях становятся повреждающими. К цитопатическому варианту относятся все виды повреждения клетки, возникающего вследствие отсутствия каких-либо необходимых ей компонентов (гипоксическое, нервно-трофическое, при голодании, гиповитаминозах, недостаточности антиоксидантной системы, генетических дефектах и др.). К цитопатическому повреждению наиболее чувствительны функционально активные клетки (нейроны, кардиомиоциты).

Проявления повреждения клеток могут быть как специфическими, т.е. характерными только для какого-то конкретного болезнетворного агента, так и неспецифическими.

Специфические изменения. Примерами специфических проявлений повреждения могут служить иммунный гемолиз эритроцитов при наличии в организме специфических антиэритроцитарных антител, образование радиотоксинов при радиационном повреждении, избирательное торможение отдельных клеточных ферментов при химическом повреждении, например, подавление активности цитохромоксидазы при отравлении цианидами, угнетение холинэстеразы фосфорорганическими соединениями.

Неспецифические изменения. В то же время в поврежденных клетках наблюдаются стереотипные неспецифические изменения их жизнедеятельности, общие для действия разнообразных повреждающих агентов. Примерами неспецифических проявлений повреждения клетки являются угнетенение ферментов мембран, клеточных «насосов», нарушение энергетического обмена, обмена воды, электролитов, развитие ацидоза, изменение структуры и функции внутриклеточных органелл: митохондрий, лизосом, эндоплазматическогго ретикуллума и др.

МЕХАНИЗМЫ повреждения клетки

К наиболее важным механизмам повреждения клетки относятся:

• расстройства энергетического обеспечения клетки;

• повреждение мембран и ферментов;

• дисбаланс ионов и жидкости;

• нарушение в геноме или экспрессии генов;

• нарушение регуляции внутриклеточных процессов.

1. Расстройства энергетического обеспечения клетки. Энергоснабжение клетки может расстраиваться на этапах ресинтеза, транспорта и утилизации энергии АТФ.

• Ресинтез АТФ нарушается в результате дефицита кислорода и субстратов метаболизма, снижения активности ферментов тканевого дыхания и гликолиза, а также повреждения и разрушения митохондрий (в которых осуществляются реакции цикла Кребса и сопряжённый с фосфорилированием АДФ перенос электронов к молекулярному кислороду).

• Транспорт энергии. АТФ в норме доставляется от мест ресинтеза (митохондрий) к эффекторным структурам (миофибриллам, ионным насосам и др.) с помощью АДФ-АТФ-транслоказы и креатинфосфокиназы (КФК). При повреждении этих ферментов нарушается функция эффекторных структур.

• Утилизация энергии может бытьнарушена за счёт уменьшения активности АТФаз (АТФаза миозина, Na+,K+-АТФаза плазмолеммы, протонная и калиевая АТФаза, Са2+-АТФаза и др.), КФК, адениннуклеотидтрансферазы.

Таким образом, нарушение жизнедеятельности клеток может развиваться даже в условиях нормального или повышенного содержания в клетке АТФ.

Рис. 2. Механизмы нарушения энергообеспечения в повреждённой клетке

2. Повреждение клеточных мембран и ферментов. Биологические мембраны выполняют множество функций, нарушение любой из которых может привести к изменению жизнедеятельности клетки в целом и даже к ее гибели.

Повреждение клеточных мембранпроисходит за счёт следующих механизмов.

• Активация гидролаз. Под влиянием патогенных факторов активность мембраносвязанных, свободных (солюбилизированных) и лизосомальных липаз, фосфолипаз, протеаз может значительно увеличиться (например, при гипоксии и ацидозе). В результате фосфолипиды и белки мембран подвергаются гидролизу. Это сопровождается значительным повышением проницаемости мембран и снижением активности ферментов.

• Расстройства репарации мембран. При воздействии повреждающих факторов репаративный синтез поврежденных или утраченных мембранных макромолекул подавляется, что приводит к недостаточному восстановлению мембран.

• Нарушение конформации макромолекул (их пространственной структуры) приводит к изменению физико-химического состояния клеточных мембран и их рецепторов, что приводит к потере их функций.

• Разрыв мембран. Перерастяжение и разрывы мембран набухших клеток и органоидов в результате их гипергидратации (следствие значительного увеличения осмотического и онкотического давления), что обусловлено избытком в них гидрофильных молекул органических соединений (молочная и пировиноградная кислоты, альбумины, глюкоза и др.), а также ионов, накопившихся в связи с расстройствами клеточного метаболизма.

• Свободнорадикальные и перекисные реакции. В норме свободнорадикальные и перекисные реакции являются необходимым звеном транспорта электронов, синтеза простагландинов и лейкотриенов, фагоцитоза, метаболизма катехоламинов и др. В то же время, свободные радикалы – это высокоактивные молекулы, способные разрушать структуры клетки.

Основным источником свободных радикалов в организме является молекулярный кислород. К кислородным радикалам относятся: NO* (монооксид азота), RO* (алкоксильный радикал), RO*₂ (пероксидный радикал), O*₂^- (супероксидный радикал), HO*₂ (гидроперекисный радикал), HO* (гидроксильный радикал).

В нормальных условиях радикалы кислорода не накапливаются в клетках. Состояние клеток, характеризующееся избыточным содержанием в них радикалов кислорода, называется окислительным стрессом. Окислительный стресс развивается тогда, когда окислительно-восстановительный гомеостаз в клетке нарушается. Этот дисбаланс может быть обусловлен гиперпродукцией активных форм кислорода или недостаточностью системы антиоксидантной защиты.

Выделяют несколько основных групп антиоксидантов:

1. ферментативные – супероксиддисмутаза, каталаза, ферменты глутатионового цикла (глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза, глутатион-S-трансфераза);

2. неферментативные – витамин Е, коэнзим Q, флавоноиды (кверцетин, рутин, гесперетин и др.), каротиноиды, аскорбиновая кислота, SH-содержащие соединения (глутатион и др.).

Рис. 3. Общие механизмы повреждения мембран клеток

В свободнорадикальные реакции вовлекаются белки, нуклеиновые кислоты и, особенно, липиды (свободнорадикальное перекисное окисление липидов – СПОЛ).

Этапы СПОЛ: образование активных форм кислорода → генерация свободных радикалов органических и неорганических веществ → продукция перекисей и гидроперекисей липидов. При действии патогенных факторов генерация свободных радикалов и СПОЛ значительно возрастает, что усиливает повреждение клеток.

• Детергентные эффекты амфифилов. В результате активации липопероксидных реакций и гидролаз в клетке накапливаются гидроперекиси липидов, свободные жирные кислоты и фосфолипиды – амфифилы (вещества, способные фиксироваться как в гидрофобной, так и в гидрофильной зоне мембран). Это ведёт к формированию обширных амфифильных кластеров (простейшие трансмембранные каналы), микроразрывам и разрушению мембран.

3. Дисбаланс ионов и воды. Дисбаланс ионов и воды в клетке развивается одновременно с расстройствами энергетического обеспечения и повреждением мембран и ферментов. В результате существенно изменяется трансмембранный перенос многих ионов. В наибольшей мере это относится к K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Cl–, т.е. ионам, которые принимают участие в таких жизненно важных процессах, как возбуждение, проведение потенциалов действия (ПД) и др.

К проявлениям ионного и водного дисбаланса относят: изменение соотношения отдельных ионов в цитозоле; нарушение трансмембранного соотношения ионов; гипергидратация клеток; гипогидратация клеток; нарушение электрогенеза.

• Изменение ионного состава (дизиония) обусловлено повреждением мембранных АТФаз и дефектами мембран. Так, вследствие нарушения работы Na+,K+-ATФазы происходит накопление в цитозоле избытка Na+ и потеря клеткой К+. Вследствие нарушения работы Na+-Ca2+-ионообменного механизма (обмен двух ионов Na+, входящих в клетку, на один ион Са2+, выходящий из неё), а также Са2+-АТФаз происходит увеличение содержания Са2+ в цитозоле. Повышение концентрации ионов Са2+ в цитоплазме вызывает контрактуру фибриллярных структур клетки (миофибрилл), активацию фосфолипазы А2, разобщение окисления и фосфорилирования.

• Гипергидратация. Основная причина гипергидратации поврежденных клеток – повышение содержания ионов Na+, а также органических веществ, что сопровождается увеличением в них осмотического давления и набуханием клеток. Это сочетается с растяжением и микроразрывами мембран (например, при осмотическом гемолизе эритроцитов).

• Гипогидратация клеток наблюдается, например, при лихорадке, гипертермии, полиурии, инфекции (холере, брюшном тифе, дизентерии). Эти состояния ведут к потере организмом воды, что сопровождается выходом из клеток жидкости, а также органических и неорганических водорастворимых соединений.

• Нарушения электрогенеза (изменения характеристик мембранного потенциала – МП и потенциалов действия – ПД) имеют существенное значение, поскольку нередко являются одним из важных признаков повреждения клеток. Примером могут служить изменения ЭКГ при повреждении клеток миокарда, электроэнцефалограммы при патологии нейронов головного мозга, электромиограммы при изменениях в мышечных клетках.

Рис. 5. Дисбаланс ионов и жидкости в клетке при её повреждении

4. Нарушения в геноме или экспрессии генов. К таким нарушениям относятся:

• мутации (например, мутация гена инсулина приводит к развитию сахарного диабета);

• дерепрессия патогенного гена (например, дерепрессия онкогена сопровождается трансформацией нормальной клетки в опухолевую);

• репрессия жизненно важного гена (например, подавление экспрессии гена фенилаланин-4-монооксигеназы обусловливает гиперфенилаланинемию и развитие умственной отсталости);

• трансфекция (внедрение в геном чужеродной ДНК). Например, трансфекция ДНК вируса иммунодефицита приводит к возникновению СПИДа;

• нарушения митоза (например, деление ядер эритрокариоцитов без деления цитоплазмы наблюдается при мегалобластных анемиях) и мейоза (нарушение расхождения половых хромосом ведет к формированию хромосомных болезней).

5. Нарушение регуляции внутриклеточных процессов. Механизмы нарушения регуляции внутриклеточных процессов при её повреждении включают в себя:

• изменение числа рецепторов клетки к биологически активным веществам (БАВ),

• изменение чувствительности рецепторов клетки к БАВ.

• нарушение функции внутриклеточных посредников («мессенджеров») регуляторных воздействий.

Рецепторы клеток для БАВ (материальные субстраты чувствительности и реактивности клеток) представляют собой генетически детерминированные, лабильные, белковые структуры, осуществляющие распознавание действующего фактора с последующей трансформацией этого сигнала в адекватный ответ клетки.

В патогенезе ряда заболеваний, в том числе сердечно-сосудистых и онкологических, важное значение имеет нарушение отношений между БАВ, рецепторным аппаратом и реакциями клетки на их взаимодействие. Например, при ишемии миокарда наблюдается снижение активности фофодиэстераз, разрушающих цАМФ (внутриклеточный посредник), что приводит к нарушению формирования потенциала действия в кардиомиоцитах и является одной из возможных причин развития сердечных аритмий.

Виды клеточной гибели. некроз и апоптоз

Клетки погибают как в норме, так и в условиях патологии. Различают два принципиально разных варианта смерти клеток – некроз (гибель клетки вследствие её значительного – летального – повреждения) и апоптоз (гибель клетки в результате включения специальной программы смерти).

Некроз (греч. necros – мёртвый) – патологическая форма гибели клетки вследствие её необратимого повреждения.

Некроз является следствием прямого или опосредованного действия на клетку повреждающих факторов значительной разрушающей силы.

Основные звенья патогенеза некроза те же, что и повреждения клеток, но при развитии некроза они максимально интенсифицированы и развиваются на фоне недостаточности защитно-компенсаторных механизмов. Основным механизмом некроза является невосстанавливаемое повреждение клеточной мембраны, сопровождающееся нарушением её барьерной функции, работы ионных насосов, электролитного баланса, энергетического обмена и функции ядра. Фрагментация цитоплазматической и внутриклеточной мембран, хаотичные разрывы ДНК, высвобождение и активация лизосомальных ферментов приводят к полной дезинтеграции клетки.

Содержимое клетки попадает в окружающее тканевое пространство и подвергается фагоцитозу. Некроз распространяется на множество клеток, что ведёт к образованию некротической зоны и развитию воспалительной реакции.

Некрозу могут предшествовать периоды паранекроза и некробиоза.

Паранекроз – обратимое повреждение клетки (в клетке: помутнение цитоплазмы, вакуолизация, появление грубодисперсных осадков, увеличение проникновения в клетку различных красителей).

Некробиоз (от necros - мертвый и bios - живой) –состояние «между жизнью и смертью»; изменения в клетке, предшествующие ее смерти. При некробиозе в отличие от некроза возможно возвращение клетки в исходное состояние после устранения причины, вызвавшей некробиоз.

Апоптоз (греч. apo – отделениеи ptosis – падение, «опадание листьев») – это генетически контролируемая физиологическая форма гибели клетки. Апоптоз – это программируемая гибель клетки.

В этом принципиальное отличие апоптоза от некроза. Апоптоз является компонентом многих физиологических процессов. Биологическая роль апоптоза заключается в поддержании равновесия между процессами пролиферации и гибели клеток (т.е. поддержание внутреннего гомеостаза организма на клеточном, тканевом и системном уровнях). Апоптоз – энергозависимый процесс. Нарушение или блокада апоптоза может стать причиной патологии (опухоли, иммунодефициты, реакции иммунной аутоагрессии и др.).

Апоптоз является активным процессом саморазрушения клетки, по морфологическим и другим признакам он существенно отличается от некроза (см. табл.).

Механизм апоптоза. В ходе апоптоза выделяют четыре стадии: инициация, программирование, реализация программы, удаление погибшей клетки.

1. Стадия инициации. На этой стадии информационные сигналы воспринимаются клеточными рецепторами и передаются сигналы внутрь клетки.

Пусковыми факторами апоптозамогут быть как внешние (внеклеточные) факторы, так и внутриклеточные сигналы. Сигнал воспринимается клеткой, далее последовательно передается молекулам-посредникам (мессенджерам) различного порядка и достигает ядра, где происходит включение программы клеточного «самоубийства».

Индукторами экзогенного апоптоза являются стероидные гормоны (половые, тиреоидные, минералокортикоиды и др.), антигены, антитела, цитокины. Их действие осуществляется через ядерные рецепторы, специализированные мембранные «рецепторы смерти» (Fas, TNF-RI, TNF-RII, DR-3 и др.) и рецепторы, выполняющие иные функции, например функцию активации клетки (T-клеточный рецептор (TCR), цитокиновые рецепторы), что сопровождается развитием активационного апоптоза.

Эндогенный запуск программы апоптоза клетки возможен при лишении её ростовых факторов (IL-2, IL-3, IL-4, INF-α, колониестимулирующих факторов – гранулоцитарно-макрофагального (ГМ-КСФ), гранулоцитарного (Г-КСФ), эритропоэтина и др.), нарушении контактов с внеклеточным матриксом и другими клетками, накоплении нерепарируемых разрывов ДНК (например, при повреждении клетки вирусами, ионизирующей радиацией, ультрафиолетовым излучением и др.).

Таблица. Дифференциальные признаки некроза и апоптоза

2. Стадия программирования. В результате запуска апоптогенным сигналом программы активации генов-индукторов апоптоза (Р53, BAX, PIG, FAS/APO-1, IGF-BP3 и др.) и/или угнетения апоптозингибирующих генов (генов семейства BCL-2) в клетке синтезируются и активируются ферменты, способные разрушать клеточные белки (протеазы – каспазы, катепсины, кальпаины, гранзимы) и нуклеиновые кислоты (нуклеазы – Са²⁺/Мg²⁺-зависимая эндонуклеаза и др.). Основным проявлением деструктивных изменений клетки при апоптозе является деградация хроматина, основой которого служит расщепление ДНК.

3. Стадия реализации программы (исполнительная, эффекторная) заключается в гибели клетки, осуществляемой посредством активации протеаз и нуклеаз.

Непосредственными исполнителями «умертвления» клетки являются Са2+,Mg2+ - зависимые эндонуклеазы (катализируют распад нуклеиновых кислот) и эффекторные каспазы (расщепляют белки). При этом в клетке формируются и от неё отпочковываются фрагменты, содержащие остатки органелл, цитоплазмы, хроматина и цитолеммы – апоптозные тельца.

4. Стадия удаления погибшей клетки. На поверхности апоптозных телец имеются лиганды, с которыми взаимодействуют рецепторы фагоцитирующих клеток. Фагоциты обнаруживают, поглощают и разрушают апоптозные тельца. В результате содержимое разрушенной клетки не попадает в межклеточное пространство и при апоптозе отсутствует воспалительная реакция.

При различных патологических процессах в организме могут наблюдаться как ускорение, так и замедление апоптоза.

Заболевания, связанные с угнетением апоптоза: опухолевые заболевания (рак молочной железы, рак предстательной железы и др.), аутоиммунные болезни (системная красная волчанка, ревматоидный артрит и др.), вирусные инфекции (герпес, аденовирусы).

Заболевания, связанные с усилением апоптоза:нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, паркинсонизм, боковой амиотрофический склероз), токсические заболевания печени, гипо- и апластические анемии.

Поиск по сайту: