ВВЕДЕНИЕ В ОБЩУЮ ПАТОЛОГИЮ КЛЕТКИ

Нарушение функций клеток

Клетки организма выполняют определенные функции. Нарушение жизнедеятельности организма человека всегда связано с изменением функционирования клеток. При воздействии очень сильных (избыточных) физиологических или патологических (не физиологических, не- благопрятных, болезнетворных) стимулов в клетках может развиться процесс адаптации (приспособления), следствием которого будет достижение нового состояния, которое позволит им нормально функционировать в изменившихся условиях. Если резервы клетки исчерпаны, а приспособления не произошло, наступает повреждение клетки. До определенного предела повреждение обратимо. Если неблагопрятный фактор действует длительно или интенсивность его велика, наступает необратимое повреждение клетки и ее гибель.

Виды повреждений и гибели клеток

Повреждение клетки - патологический процесс, основу которого составляют нарушения гомеостаза (саморегуляции, способности клетки сохранять постоянство своего внутреннего состояния), приводящие к нарушению структуры клеток и ее функций после удаления повреждающего агента.

Так, например, на первом этапе нарушение функционирования клетки, вызванное действием неблагоприятных факторов, может и не привести к повреждению клетки: как только восстановятся нормальные окружающие условия, клетка вернется в состояние близкое к исходному. Например, если в каком-либо органе или участке органа кровообращение прекращается на короткий промежуток времени (в разных органах этот промежуток неодинаков), а затем восстанавливается, клетки сохраняют способность к нормальному функционированию. Если кровоток не восстанавливается, то повреждение становится необратимым и клетки погибают.

В зависимости от скорости развития и выраженности основных проявлений повреждение клеток может быть острым и хроническим.

Острое повреждение развивается быстро, как правило, в результате однократного, но интенсивного повреждающего воздействия.

Хроническое повреждение протекает медленно и является следствием многократных, но менее интенсивных неблагоприятных воздействий.

В зависимости от степени нарушения внутриклеточного гомеостаза повреждение, как уже указывалось, бывает обратимым и необратимым.

Причины повреждения клеток

Причинами повреждения клеток могут быть следующие факторы:

  • 1. Гипоксия - состояние кислородного голодания как всего организма в целом, так и отдельных органов и тканей, вызванное различными факторами: задержкой дыхания, болезненными состояниями, малым содержанием кислорода в атмосфере. Это очень важная и распространенная причина повреждения клеток. Уменьшение кровообращения (ишемия), возникающее при атеросклерозе, тромбозе, эмболии, сдавлении артерий, является основной причиной гипоксии.
  • 2. Физические агенты - механическая травма, термические воздействия, колебания барометрического давления, ионизирующая и ультрафиолетовая радиация, электрический ток.
  • 3. Химические агенты и лекарства. Повреждение клеток может быть вызвано как физиологически необходимыми химическими соединениями, такими как, например, глюкоза или поваренная соль в гипертонических концентрациях, кислород при высоком парциальном давлении. Вещества, известные как яды (мышьяк, цианиды, соли ртути), могут вызвать гибель клеток в считанные минуты или часы.
  • 4. Иммунологические реакции. Хотя иммунные реакции защищают организм от воздействия биологических болезнетворных агентов, в ряде случаев (аллергия, аутоиммунные реакции) они могут приводить к повреждению клеток.
  • 5. Генетические повреждения (например, наследственные нарушения клеточных мембран - мембранопатии).
  • 6. Дисбаланс питания.

Первое событие, которое в конце концов приводит к повреждению клетки, - это взаимодействие повреждающего агента с молекулами-мишенями. Так, мишенями для ультрафиолетового излучения могут быть определенные группировки белков или нуклеотиды в молекулах ДНК и РНК. Мишенью при действии гипоксии оказываются митохондрии, которые перестают запасать энергию в форме АТФ, и т. д.

Гибель клетки - это конечный результат ее повреждения. Существуют два основных типа клеточной гибели - некроз и апоптоз.

Некроз - это патологическая форма гибели клетки вследствие ее необратимого химического или физического повреждения (высокая и низкая температура, гипоксия, ионизирующее излучение и др.). Некроз представляет собой совокупность морфологических изменений, являющихся результатом разрушающего действия ферментов на поврежденную клетку. Некроз считается патологической формой клеточной гибели, возникающей в результате чрезмерного повреждающего воздействия. В противоположность ему апоптоз является контролируемым процессом самоуничтожения клетки.

Апоптоз - это генетически контролируемая физиологическая форма гибели клетки. Биологическое значение апоптоза заключается в поддержании гомеостаза организма на клеточном, тканевом и системном уровнях. Например, гормон - зависимая инволюция органов у взрослых. Инволюция - это редукция или утрата в процессе эволюции отдельных органов, упрощение их организации и функций; обратное развитие органов, например инволюция матки после родов', атрофия органов в ходе естественного старения; отторжение клеток слизистой оболочки матки во время менструального цикла, регрессия молочной железы после прекращения кормления (лактации).

Апоптоз обеспечивает стабилизацию численности клеток в активно делящихся (пролиферирующих) тканях, например клеток эпителия кишечника, крови, иммунной системы. Благодаря ему происходит элиминация клеток, инфицированных вирусами, поврежденных действием химических и физических факторов.

Апоптоз является активным процессом саморазрушения клетки. По морфологическим и другим признакам он существенно отличается от некроза. Первое событие, связанное с осуществлением апоптоза, начинается в ядре (конденсация хроматина с формированием скоплений, фрагментация ядра и образование апоптотических телец - внеклеточных фрагментов ядра, окруженных мембраной). И это является наиболее характерным его проявлением. От поверхности апоптотической клетки отщепляются небольшие везикулы, наполненные содержимым цитоплазмы (митохондрии, рибосомы и др.) и окруженные липидным бислоем. Клетка постепенно уменьшается в объеме, округляется и теряет межклеточные контакты. Апоптотические клетки и их фрагменты (апоптотичесме тельца, везикулы) поглощаются макрофагами, нейтрофилами и другими соседними клетками, не являющимися «профессиональными» фагоцитами. В результате такого поглощения (эндоцитоза) содержимое апоптотических клеток не выделяется в межклеточное пространство, как это происходит при некрозе. При некрозе вокруг гибнущих клеток скапливаются их активные внутриклеточные компоненты, включая ферменты, закисляется среда, что способствует повреждению соседних клеток и развитию воспалительной реакции, тогда как апоптоз одиночной клетки не отражается на ее окружении.

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

При различных патологических процессах в организме (инфекция, воспаление, опухоли и др.) могут наблюдаться как ускорение, так и замедление апоптоза. Апоптоз включется в патогенез ряда заболеваний. Так, например, заболеваниями, связанными с угнетением апоптоза, являются некоторые опухолевые процессы (рак молочной железы, яичников, предстателькой железы и др.), аутоиммунные заболевания (системная красная волчанка, ревматоидный артрит), некоторые вирусные инфекции, вызванные вирусами герпеса, аденовирусами.

Нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и др.), токсические поражения печени, некоторые анемии и ряд других связаны с усилением апоптоза.

Универсальный ответ клетки на повреждение

Особенностью развития патологических изменений в клетках в ответ на самые различные неблагоприятные воздействия является сходство этих изменений. На этой основе возникла теория неспецифической реакции клеток на повреждение. Ее суть сводится к следующему - каким бы ни был повреждающий агент и на какие бы клетки он ни действовал, ответ клеток по ряду показателей является одинаковым. К числу таких показателей относятся:

  • 1) уменьшение дисперсности коллоидов цитоплазмы и ядра;
  • 2) увеличение вязкости цитоплазмы;
  • 3) увеличение сродства цитоплазмы и ядра к ряду красителей.

Во многих случаях обнаруживается также набухание клетки, изменение ионной проницаемости плазматической и внутриклеточных мембран, выход метаболитов из клетки, закисление цитоплазмы и т. д. Существование такого стереотипа изменений физико-химических свойств клеток при повреждении связано с тем, что молекулярноклеточные механизмы повреждения сходны, хотя причины, вызвавшие повреждение, могут быть различными.

Практически у всех клеток при действии повреждающих агентов наблюдается резкое увеличение проницаемости клеточных мембран для ионов кальция. Это приводит к активации многих внутриклеточных ферментов и процессов. Возникающие вследствие этого изменения функции клетки могут быть обратимыми, но в конце концов при сильном и длительном воздействии повреждающего фактора происходит стойкое нарушение функций клеток, а следовательно, ткани и органа в целом.

Повреждение мембранных структур клетки

Наиболее ранние изменения свойств и поведения клеток при действии повреждающих агентов связаны с изменениями функционирования клеточных мембран: плазматической, внутренней мембраны митохондрий, эндоплазматического ретикулума и др. Клетка - это государство мембранных структур, выполняющих множество функций. Нарушение любой из них может привести к изменению жизнедеятельности клетки и даже ее гибели. Наиболее тяжелые последствия возникают при повреждении липидного бислоя мембраны. При огромном разнообразии факторов, повреждающих липидный бислой, существуют всего четыре основных процесса, которые непосредственно обусловливают нарушение его целостности при патологии:

  • а) механическое (осмотическое) растяжение мембраны;
  • б) перекисное окисление мембранных липидов;
  • в) действие мембранных ферментов - фосфолипаз;
  • г) адсорбция на липидном бислое полиэлектролитов, включая некоторые белки и пептиды.

Нарушения барьерной функции клеточных мембран

Важную роль в повреждении мембран играет их механическое растяжение вследствие нарушения осмотического равновесия в клетках. Если поместить эритроциты в гипотонический раствор, то вода будет входить в клетки, они примут сферическую форму, а затем произойдет гемолиз. Митохондрии также набухают в гипотонических средах, но происходит разрыв только внешней мембраны; внутренняя остается целой, хотя теряет способность задерживать небольшие молекулы и ионы. В результате митохондрии утрачивают способность к окислительному фосфорилированию, т. е. свою биоэнергетическую функцию.

Сходные явления наблюдаются и в целых клетках, и тканях при патологии. Увеличение концентрации ионов или молекул внутри окруженной мембраной структуры вызывает вход воды, растяжение мембран и их дальнейшее повреждение.

Механизмы увеличения проницаемости липидного бислоя мембран для ионов

Сам по себе липидный бислой практически непроницаем для ионов. При действии химических и физических факторов он становится проницаемым по одной из трех причин (или их комбинаций):

1. В липидном бислое, микровязкость которого близка к вязкости оливкового масла, появляется жирорастворимое вещество, способное связывать ионы. Механизм переноса ионов в этом случае называется

«челночным», или переносом с помощью подвижного переносчика. К числу подвижных переносчиков, возможно, относятся водорастворимые продукты перекисного окисления липидов, в присутствии которых увеличивается проницаемость мембраны для ионов водорода.

  • 2. В липидном бислое появляются вещества, молекулы которого, собираясь вместе, образуют канал через мембрану. Сквозь такой канал ионы могут проходить через мембрану Примером могут служить антибиотики грамицидин А или полимиксин. Продукты перекисного окисления липидов в присутствии ионов кальция также способны формировать каналы в мембране.
  • 3. Электрическая прочность липидного бислоя мембраны при адсорбции полиэлектролитов, чужеродных белков, антител уменьшается, и ее участок разрушается электрическим током, который возникает под влиянием мембранного потенциала. Такое явление носит название «электрического пробоя».

Свободные радикалы

Хорошо известно, что в органических молекулах электроны на внешней оболочке располагаются парами. Свободные радикалы отличаются от обычных молекул тем, что у них на внешней электронной оболочке имеется неспаренный (одиночный) электрон. Это делает их химически активными, поскольку они стремятся вернуть себе недостающий электрон, отняв его от окружающих молекул и тем самым повреждая их. Свободные радикалы вступают в реакции с неорганическими и органическими соединениями - белками, липидами, углеводами, нуклеиновыми кислотами, в ходе которых молекулы, с которыми они реагируют, также превращаются в свободные радикалы. Таким образом, свободные радикалы - высокоактивные молекулы, способные разрушать структуры клетки. Радикалы постоянно образуются в клетках в ходе нормальных биохимических реакций. Наряду с этим разрушительное действие могут оказывать радикалы, образующиеся при действии ионизирующего излучения, УФЛ и пр. Они называются чужеродными. К ним принадлежат также радикалы, образующиеся из попавших в организм посторонних соединений (ксенобиотиков), многие из которых оказывают токсическое действие именно благодаря свободным радикалам, образующимся при их метаболизме.

Признаки нарушений барьерной функции плазматической мембраны

Уменьшение электрического сопротивления (импеданса) ткани

Экспериментальные исследования показали, что по своим пассивным электрическим свойствам каждый микроучасток (элемент) мембраны представлен ячейкой, состоящей из параллельно включенных емкости и омического сопротивления. Ячейки соединены между собой сопротивлениями цитоплазмы и внеклеточной жидкости.

При повреждении или старении клеток регистрируется уменьшение емкостного сопротивления тканей, связанное в основном с нарушением состояния клеточных мембран. При набухании или сжатии (стрикции) клеток изменяется омическая составляющая импеданса. Для количественной оценки указанных нарушений предложено определение коэффициента жизнеспособности клеток (К) как отношения сопротивления ткани переменному току с частотой 104 Гц (7?104) к сопротивлению ткани при действии тока частотой 106 Гц (/? 106): К = 104/106.

Окраска цитоплазмы красителями

Водорастворимые красители плохо проникают через мембрану неповрежденных клеток, слабо связываются внутриклеточными структурами и потому слабо их окрашивают. Увеличение проницаемости плазматической мембраны приводит к возрастанию количества красителя, вошедшего в клетки и связавшегося с компонентами цитоплазмы. Следовательно, окрашивание клеток водорастворимыми красителями усиливается при их повреждении. На этом основаны гистохимические методы определения жизнеспособности клеток (с помощью нейтрального синего, эозина и т. д.).

Снижение мембранного потенциала покоя

Разность электрических потенциалов между внутренним содержимым и окружающей средой покоящейся клетки (мембранный потенциал покоя) создается в основном диффузией ионов калия из клетки благодаря различной концентрации этих ионов в цитоплазме и окружающей среде. Так, внутри клеток содержание ионов калия в 20-40 раз выше, а ионов натрия в 10-20 раз ниже, чем во внеклеточной жидкости. Эти различия концентраций (концентрационные градиенты) обеспечиваются постоянной работой ионного насоса (Na+/K+-Hacoc), встроенного в плазматическую мембрану. Благодаря концентрационным градиентам на плазматической мембране имеется разность потенциалов со знаком минус внутри клетки (около -70 мВ для нервных и мышечных клеток). Уменьшение поляризации мембраны при действии повреждающих факторов происходит при снижении концентрационных градиентов (прежде всего калия) как в результате неспецифического увеличения проницаемости мембраны для ионов, так и вследствие выключения ионного насоса. Последнее может быть следствием как прямого повреждения насоса, так и снижения уровня внутриклеточного АТФ, необходимого для его «работы». Уменьшение поляризации плазматической мембраны наблюдается при гипоксии (недостатке кислорода), холодовом, радиационном, аллергическом, токсическом и других повреждениях клетки.

Выход ионов калия из клеток

Ионы калия входят в клетку благодаря разности потенциалов между внутриклеточным содержимым и окружающей жидкостью. Постоянный поток К+ внутрь клетки компенсирует спонтанный выход калия наружу, который происходит в силу диффузии этих катионов из области с более высокой его концентрацией (цитоплазма) в среду с более низкой концентрацией калия (внеклеточная жидкость).

Повреждение клетки сопровождается, как уже указывалось, прямым или опосредованным снижением внутриклеточного содержания АТФ, нарушением работы Na+-Hacoca, уменьшением концентрационного градиента ионов калия, снижением степени поляризации плазматической мембраны, повышением содержания внутриклеточного Са2+ в результате нарушения барьерных свойств мембранного бислоя, открыванием Са2+-активируемых калиевых каналов и выходом калия из клетки. Понижение внутриклеточной концентрации калия описано при механической травме, интоксикациях, аллергических состояниях, гипоксии, гипотермии и многих других повреждениях органов и тканей. Потеря клетками ионов калия происходит также при действии некоторых лекарственных веществ, например сердечных гликозидов, которые ингибируют Na+/K+-Hacoc, под влиянием больших доз минералокортикоидов - гормонов коры надпочечников.

Накопление ионов кальция в цитоплазме

Во всех покоящихся нормальных клетках концентрация ионов кальция в цитоплазме исключительно низка: 10-7— 10-8 М, тогда как в окружающей среде содержится 1СГ3 М ионов кальция. Наличие такого огромного трансмембранного концентрационного градиента кальция обусловлено очень низкой проницаемостью мембраны покоящихся клеток для этого катиона и высокой способностью внутриклеточных орга- нелл (эндо-, саркоплазматический ретикулум, митохондрии) депонировать ионы кальция, а также, в некоторых клетках (кардиомиоциты, гладкомышечные клетки), наличием в плазматической мембране Са2+-насоса и Ка+/Са2+-обменника, которые выводят кальций из цитоплазмы в окружающую среду.

При повреждении клетки нарушается работа митохондрий, снижается поляризация внутренней мембраны митохондрий и, как следствие, уменьшается кальций-депонирующая способность этих органелл. Прекращение процессов окислительного фосфорилирования в митохондриях ведет к снижению продукции АТФ, необходимой для работы Са2+-насосов ретикулума и плазматической мембраны. Увеличение внутриклеточной концентрации ионов натрия вследствие нарушения оперирования Na+-Hacoca нарушает выброс кальция из клетки через систему Ка+/Са2+-обмена и даже ведет к обращению направления работы этого обменника: вместо выброса кальция из клетки в обмен на натрий он переносит ионы кальция в клетку в обмен на внутриклеточный натрий.

В результате этих процессов концентрация ионов кальция в цитоплазме может увеличиваться до 10 6-10 4 М. А это приводит к активации большого числа кальций-зависимых ферментов (протеаз, протеин- киназ, фосфолипазы Аг и др.), нарушениям цитоскелета, образованию нерастворимых включений кальция в мактриксе митохондрий, повреждению внутриклеточных мембран и общей дезорганизации метаболизма. Морфологически это проявляется в замедлении «перемешивания» цитоплазмы - броуновского движения органелл и различных включений внутри клетки (увеличение вязкости цитоплазмы); красители начинают легче проникать в клетку и связываться с внутриклеточными структурами. Все эти признаки типичны для неспецифической реакции клетки на повреждение (см. выше).

Увеличение объема (набухание) клеток

Увеличение объема клеток - один из наиболее ранних признаков ее повреждения, который проявляется, например, при недостатке кислорода в ткани - тканевой гипоксии. Сохранение нормальной формы и объема клеток связано с состоянием цитоскелета и поддержанием определенного соотношения между осмотическим (онкотическим) давлением белков и электролитов внутри и вне клетки. При этом форма клетки определяется в большей мере цитоскелетом, тогда как объем - осмотическим балансом. Поскольку клеточные мембраны хорошо проницаемы для воды, но плохо проницаемы для большинства растворенных в ней веществ, включая соли, клетки, также как и внутриклеточные структуры, например митохондрии, являются своего рода осмометрами: их объем изменяется при изменении концентрации ионов и молекул внутри и вне клетки или органеллы. В нормальных условиях соотношение концентраций всех ионов и молекул строго поддерживается («жесткие» константы). Как только в цитоплазме начинает увеличиваться концентрация ионов или молекул, объем ее возрастает, поскольку вода поступает внутрь клетки. Выкачивание ионов мембранными насосами и обменниками сопровождается восстановлением ее объема за счет выхода вслед за ионами воды.

Отек клетки связан с нарушением регуляции ее объема со стороны плазматической мембраны. В нормальных клетках концентрация белков выше, чем вне клеток, вследствие чего клетки млекопитающих обладают более высоким внутриклеточным коллоидно-осмотическим (онкотическим) давлением, чем внеклеточная жидкость. Это неизбежно привело бы к увеличению объема клетки, если бы для уравновешивания этого «избыточного» давления не происходило бы выкачивания ионов натрия из клетки за счет работы Na+-Hacoca. Поскольку плазматическая мембрана клеток хорошо проницаема для ионов хлора, то вместе с натрием выходит и хлор за счет разности потенциалов на мембране. Иначе говоря, Na+-Hacoc удаляет из клетки NaCl и снижает концентрацию ионов в цитоплазме, что приводит к уменьшению объема клеток. Этому противостоит процесс самопроизвольного поступления натрия внутрь клетки через дефекты в липидном бислое, натриевые каналы, переносчики, сопрягающие вход натрия с транспортом сахаров и аминокислот в клетку, а также Na+/H+-, Ка+/Са2+-обменники и Na+/K+/2Cl -KOTpaH- спортер.

Таким образом, живая клетка находится в состоянии динамического равновесия, при котором «протечка» плазматической мембраны компенсируется постоянной работой ионного насоса. При патологии может происходить либо увеличение ионной проницаемости плазматической мембраны (возрастание «протечки»), либо нарушение работы ионных насосов, например при недостатке энергообеспечения вследствие гипоксии, действия цианидов и т. д.

Второй механизм набухания клеток при гипоксии - увеличение внутриклеточной осмотической нагрузки, вызванное накоплением метаболитов (катаболитов), таких как неорганический фосфат, молочная кислота и др.

Набухание клеток - процесс далеко не безразличный для функционирования самих клеток и ткани в целом. Первым результатом этого оказывается сдавливание кровеносных сосудов и затруднение кровообращения. Так, при ишемии (недостатке кровоснабжения) происходит набухание клеток, и последующее возобновление кровообращения не сразу и не всегда приводит к восстановлению жизнедеятельности ткани, потому как кровь не проникает в мелкие кровеносные сосуды, сдавленные набухшими клетками. То же происходит при трансплантации органов. Иногда применяется предварительное промывание пересаженного органа гипертоническим раствором, который восстанавливает прежний объем клеток и нормализует микроциркуляцию.

Изменения внутриклеточного метаболизма при повреждении

Ацидоз

Любое повреждение клетки сопровождается закислением ее цитоплазмы (ацидозом). pH цитоплазмы падает до 6 и ниже. Ацидоз повреждения - это следствие накопления в клетке определенных продуктов метаболизма (например, молочной кислоты). Ацидоз в поврежденной ткани возникает при действии различных болезнетворных агентов: физических факторов, химических веществ, бактериальных токсинов. Ацидоз повреждения возникает в тканях при гипоксии.

Активация протеаз

Наибольшее значение при повреждении клеток играет активация кальций-зависимых протеаз-кальпайнов.

Основные функции кальпайнов - репарация цитоскелета и клеточных мембран, разрушение рецепторных белков и их обновление, активация некоторых ферментов и участие в процессах деления клеток. Стойкая, неуправляемая активация кальпайнов кальцием приводит к повреждению цитоскелета, мембран и гибели клеток.

Активация эндонуклеаз

При завершении клеткой жизненного цикла активируется процесс программированной клеточной гибели - апоптоз. Установлено, что в активации эндонуклеаз участвует кальций. Активация может быть причиной гибели клеток печени, миокарда, почек при отравлении многими химическими веществами.

Нарушение структуры и функций внутриклеточных органелл при повреждении

Наибольшую чувствительность к повреждающим воздействиям болезнетворных факторов проявляют такие внутриклеточные структуры, как митохондрии, рибосомы и полисомы, лизосомы, цитоскелет.

Одним из наиболее ранних проявлений повреждения клеток является нарушение биоэнергетических функций митохондрий.

Признаки нарушений функций митохондрий:

  • 1. Снижение потребления кислорода, связанное с нарушением работы переносчиков электронов, наблюдается при действии многих токсических соединений, например ионов тяжелых металлов (ртуть, серебро), ряда гидрофобных соединений; при набухании митохондрий и разрыве их наружной мембраны, в результате чего из них выходит цитохром С - один из переносчиков электронов по дыхательной цепи.
  • 2. Увеличение проницаемости внутренней мембраны митохондрий. Происходит при гипоксии.
  • 3. Снижение способности накапливать (депонировать) кальций. В нормальных условиях митохондрии способны накапливать в матриксе кальций, в виде фосфорнокислой соли по массе, превышающей массу митохондрий во много раз.

Повреждение митохондрий приводит к падению разности потенциалов на митохондриальной мембране. Положительно заряженные ионы кальция, удерживаемые в матриксе электрическим полем, начинают выходить в цитоплазму, вызывая самые драматические для клетки последствия (см. выше).

Именно повреждение митохондрий является тем переломным моментом, после которого изменения в клетке, вызванные повреждающим агентом, становятся необратимыми, и клетка погибает.

4. Набухание митохондрий. Наблюдается, например, в клетках миокарда при сердечной недостаточности, а также при многих инфекционных, гипоксических, токсических и других патологических процессах. Их набухание происходит под влиянием ионизирующей радиации, бактериальных токсинов, химических ядов и других патогенных агентов. Набухание приводит сначала к разрыву наружных мембран, а затем к полному разрушению этих органелл.

Рибосомы и полисомы

При токсических воздействиях (тринитротолуол) на клетки происходит изменение конфигурации эндоплазматического ретикулума и связанных с ним рибосом. Синтез белков осуществляется на полисомах. Угнетение синтеза определенных белков, например синтеза гемоглобина при гипопластической анемии в клетках костного мозга, происходит на фоне уменьшения числа полисом и их распада на отдельные рибосомы.

Лизосомы

Лизосомная система, богатая ферментами, является специализированным инструментом клеток, используемым для осуществления таких важных метаболических и физиологических процессов, как катаболизм белков, глико- и липопротеидов, нуклеиновых кислот; накопление, трансформация и выведение из организма чужеродных веществ, в том числе лекарств, эндотоксинов; везикулярный транспорт и рециклизация рецепторов, фагоцитоз, апоптоз, адаптация и реконструкция клеточных структур и т. д. Особенно важной является роль лизосомного аппарата клетки при действии болезнетворных факторов. Лизосомы участвуют в защите клеток от бактерий, инородных тел, химических веществ, в воспалительных и иммунологических реакциях, в процессах дистрофии, некроза.

Различные повреждающие агенты, например эндотоксины бактерий брюшнотифозной группы, а также мелкие неорганические частицы (двуокись кремния, двуокись титана, алмазная пыль), попадая в лизосомы, разрушают их. При этом ферменты (гидролазы, оксидоредуктазы), заключенные в лизосомах, освобождаются в цитоплазму, активируются и вызывают повреждение субклеточных структур и макромолекул, что может привести клетку к гибели.

Однако активация лизосомальных ферментов может происходить не только под действием тех или иных специфических факторов, но и в результате ацидоза, характерного для неспецифической реакции клетки на повреждающее воздействие. Одним из процессов, вызывающих выход лизосомальных ферментов, является также активация перекисного окисления липидов в мембранах лизосом.

С повреждающим действием лизосомных факторов связывают развитие ряда заболеваний печени, почек, злокачественных новообразований, системной красной волчанки, ревматизма, ревматоидного артрита и т. д. Увеличение численности и размеров лизосом является одной из форм структурно-функциональной адаптации клеток к повреждающему воздействию. Так, многие тяжелые металлы при поступлении в организм в течение длительного времени или в высоких концентрациях способны не только накапливаться в лизосомных везикулах различных клеток, но и индуцировать усиленное образование новых первичных лизосом и их последующее набухание. Это обеспечивает защиту клеток от повреждения путем аккумуляции и обособления токсичного металла в лизосомных везикулах, а в случае повреждения клеточных органелл - быструю ликвидацию дефектных структур с помощью лизосомного аутофагоцитоза и апоптоза.

Эффект индукции образования лизосом, морфологически выявляемый в виде увеличения их численности и размеров, продемонстрирован в гепатоцитах при циррозе печени, в клетках почек и печени при отравленниях медью, солями кадмия, в различных участках мозга при введении ацетата свинца крысам.

Цитоскелет

Цитоплазма клетки, помимо цитозоля и клеточных органелл, как правило, содержит еще и нитевидные белковые структуры, которые в массе формируют клеточный скелет. Цитоскелет — это система белковых нитей, заполняющих цитоплазму. Он отвечает за динамичную архитектуру клетки, ее подвижность, форму. В составе цитоскелета выделяют три основные структуры: микрофиламенты, микротубулы и промежуточные филаменты. Каждая из них состоит из одного или двух основных белков: микрофиламенты - из актина, микротубулы - из тубулина, промежуточные филаменты - из специальных белков, различных в разных тканях. Цитоскелет - динамичное образование, строение которого может меняться за счет полимеризации и деполимеризации образующих его структур - нитей и микротубул. Благодаря такой полимеризации- деполимеризации цитоскелет непрерывно перестраивается, что лежит в основе изменений формы, движений клеток, клеточного деления, внутриклеточного транспорта, секреции и т. д. К элементам цитоскелета могут присоединяться «моторные» молекулы: к актиновым микрофиламентам - молекулы миозина, к микротубулам - денеина и кинезина. При этом один конец такой молекулы прикрепляется к нити или микро- тубуле, а другой - к органелле или соседним элементам цитоскелета. В присутствии АТФ эти молекулярные «моторы» могут перемещать ор- ганеллы вдоль элементов цитоскелета и относительно друг друга. В нервных клетках микрофиламенты и микротубулы принимают участие в монтаже системы антероградного и ретроградного аксонального транспорта биологически активных веществ.

Как известно, белки синтезируются в околоядерной области (пе- рикарионе) нейрона, а затем транспортируются с помощью этой системы на периферию клетки (в область синаптических контактов). Транспорт по аксону необходим и для обеспечения функций аксональной мембраны - обновления глобулярных белков в мембране аксонов, выполняющих функции ионных каналов. Состояние шванновских клеток, образующих миелиновую оболочку нервного волокна, также контролируется трофическими веществами, переносимыми с аксональным током. С этим током перемещается весь набор ферментов, нейромедиаторов и их предшественников, необходимых для обеспечения синаптической передачи нервных импульсов.

Хорошо известно, что клетки способны переключаться с одной программы работы на другую под влиянием соответствующих сигналов: клетка может начать или прекратить деление, может дифференцироваться или включить программу самоубийства - апоптоза. В последние годы появились основания утверждать, что одним из факторов, регулирующих эти процессы, могут быть изменения натяжения цитоскелета.

При действии разнообразных альтерирующих агентов на изолированные клетки (культура ткани) выявляется отчетливое изменение формы их поверхности: появляются выпячивания цитоплазмы, называемые пузырьками. Такое «пузырение» (или «вскипание») клеточной мембраны - один из ранних и надежных признаков разрушения сети цитоскелета. «Вскипание» мембраны инициируют вещества, нарушающие гомеостаз внутриклеточного кальция.

Механизм феномена объясняют следующим образом. Кальций вовлечен в процесс поддержания структуры цитоскелета как непосредственно, так и через ряд Са2+-связывающих белков и Са2+-зависимых ферментов. Особенно значим уровень Са2 в цитоплазме для образования ассоциации белков цитоскелета с белками плазматической мембраны и взаимодействия различных элементов цитоскелета. Стойкое увеличение концентрации кальция в цитозоле, по-видимому, вызывает отщепление актина микрофиламентов от актинина - белка, служащего промежуточным звеном, который связывает микрофиламенты цитоскелета с белками плазматической мембраны. Кроме того, Са2 активирует протеазы, которые могут расщеплять актин-связывающие белки, разрушая тем самым места прикрепления микрофиламентов цитоскелета к клеточной мембране. Отщепление цитоскелета от мембраны приводит к ослаблению фиксации последней и ее «вскипанию», что и обнаруживается при действии на клетки различных токсинов. Вещества, связывающие внутриклеточный кальций и ингибиторы Са2+-зависимых протеаз, препятствуют «вскипанию» плазматической мембраны клеток, обработанных токсическими агентами.

Белки цитоскелета повреждаются не только в результате повышения содержания Са2^ в цитоплазме, но и под влиянием факторов с иными механизмами действия. Так, непосредственно взаимодействуют с белками цитохалазины, фаллоидин (один из токсинов бледной поганки), а также колхицин, алкалоиды барвинка (цитостатики винбластин, вин- кристин).

Действие повреждающих веществ на тубулин митотического веретена делящихся клеток приводит к нарушению пролиферации последних, особенно клеток системы крови. Колхицин и алкалоиды барвинка в эксперименте, разрушая цитоскелет аксонов нервных клеток, существенно нарушают аксональный ток. Вероятно, аналогичные эффекты могут развиваться и при повреждении цитоскелета веществами, нарушающими внутриклеточный гомеостаз кальция.

Повреждение генетического аппарата клетки

Нуклеиновые кислоты весьма чувствительны к прямому действию повреждающих агентов физической (облучение ионизирующей радиацией, ультрафиолетом, видимым светом в присутствии некоторых окрашенных соединений - фотосенсибилизаторов), химической (сернистый и азотистый иприты, эпоксиды, этиленимин, метилсульфонат и т. д.), вирусной (аденовирусы, герпесвирусы, онкорнавирусы и др.) природы. Их повреждающее действие на ДНК называется генотоксическим.

В значительной мере повреждения нуклеиновых кислот устраняются в результате репарации. В противном случае возникают нарушения в геноме и работе системы биосинтеза белка. В последнее время многие необратимые изменения в клетках (например, при интоксикациях или в ходе процесса старения) связывают с повреждением генетического аппарата митохондрий.

Наиболее чувствительны к генотоксическому действию клетки, способные к делению (эмбриональные, герминативные, костного мозга, эпителия почек, кожи, слизистой желудочно-кишечного тракта и т. д.).

Последствия нарушения нативной структуры ДНК зависят от дозы повреждающего агента. Так, например, высокие дозы химических генотоксических веществ вызывают цитостатический эффект (гибель пула делящихся клеток), более низкие - канцерогенное, тератогенное, мутагенное действия, что зависит от ряда условий.

Повреждение клеток при гипоксии

Наиболее распространенными причинами повреждения клетки являются недостаток кислорода (гипоксия) или же, напротив, избыточное образование его радикалов (окислительный стресс).

Недостаток кислорода приводит к снижению синтеза митохондриями АТФ из АДФ и ортофосфата. Недостаток АТФ делает невозможным функционирование многих систем клетки, для которых необходима затрата энергии в форме макроэргических связей АТФ. Именно энергетический голод, а не само по себе отсутствие кислорода приводит к нарушению функционирования клеток, а затем и к их повреждению. Но и наличие кислорода еще не означает полного благополучия. Дело не только в том, есть ли кислород в клетках, но еще и в том, на что он расходуется. Наряду с окислением субстратов тканевого дыхания, конечным этапом которого является перенос электронов на кислород в цепи переноса электронов в митохондриях, в клетках существуют и альтернативные пути восстановления кислорода, приводящие к появлению радикалов кислорода и липидов.

Нормоксия и аноксия на уровне отдельной клетки. Кислородный

конус.

В опытах с изолированными митохондриями показано, что скорость потребления кислорода этими частицами при наличии субстратов дыхания практически постоянна при всех концентрациях кислорода - вплоть до самых низких, соответствующих напряжению кислорода р02 = 1-2 мм рт. ст. Причина этого явления заключается в высоком сродстве к кислороду конечного переносчика электронов по дыхательной цепи - цитохромоксидазы. Поэтому отдельная клетка «выбирает» весь кислород из окружающей среды до конца, не испытывая кислородного голода в весьма широком интервале р02 - от 70 до 1-2 мм рт. ст. Это приводит к формированию так называемого кислородного конуса в тканях. Схематически кислородный конус представлен на рис. 58. Для простоты кровеносный сосуд изображен в виде трубки постоянного диаметра, а ткань - в виде однородной структуры, состоящей из одинаковых клеток, поглощающих кислород с постоянной скоростью. Кровь, протекающая по кровеносному сосуду, непрерывно отдает его окружающим тканям, в результате чего содержание кислорода снижается вдоль сосуда по ходу тока крови.

Кислородный конус в участке ткани

Рис. 58. Кислородный конус в участке ткани

С другой стороны, кислород, диффундирующий от сосуда в толщу ткани, поглощается клетками, так что его напряжение (р02) снижается по мере удаления от кровеносного сосуда. Там, где оно падает до 1-2 мм рт. ст. (т. е. практически до нуля), клетки как бы оказываются в состоянии полной аноксии. Во всем слое ткани ближе этой границы они не испытывают кислородного дискомфорта, т. е. находятся в состоянии нормоксии. Очевидно, что чем ниже было исходное содержание кислорода в данном участке сосуда, тем тоньше слой ткани, полностью «выедающей» весь кислород. Иначе говоря, по ходу тока крови толщина слоя клеток в состоянии нормоксии сужается, образуя тем самым конус из нормально обеспеченных кислородом клеток. Протяженность конуса увеличивается с ускорением тока крови, а ширина его уменьшается с увеличением потребления кислорода клетками.

Таким образом, в ткани часть клеток находится в состоянии нормоксии, а часть - аноксии. Доля клеток, лишенных кислорода, от общего числа клеток в ткани может служить количественной характеристикой степени гипоксии в ткани. Как кровоток, так и потребление кислорода клетками могут изменяться во времени, так что одна и та же клетка может в одни моменты быть в состоянии аноксии, а в другие - нормоксии. Тогда можно говорить и о степени гипоксии для данной клетки, имея в виду ту часть времени, которую она (клетка) провела в условиях отсутствия кислорода.

Митохондрии - главная мишень при гипоксическом повреждении клеток. Пребывание клеток в состоянии аноксии в течение 30-90 мин (для разных тканей) приводит к их повреждению. Ученых давно волновал вопрос, какие структуры при этом повреждаются первыми, предопределяя последующую гибель всей клетки. Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал позволяет утверждать, что такими структурами являются биоэнергетические станции клетки - митохондрии.

Ионы кальция и активация фосфолипаз при аноксии

Фосфолипазы присутствуют практически во всех мембранных структурах клетки, включая митохондрии, лизосомы, плазматическую мембрану. Они катализируют гидролиз фосфолипидов, входящих в состав клеточных мембран. Особое внимание исследователи уделяют фосфолипазам А2 - группе липаз, основная функция которых состоит в удалении из мембраны поврежденных фосфолипидов путем высвобождения жирных кислот, подвергшихся перекисному окислению.

Фосфолипаза А2 является Са2+-кальмодулин-зависимым ферментом и, следовательно, чувствительным к повышению концентрации кальция в цитоплазме. В мембранах фосфолипазы обычно находятся в малоактивном состоянии, поскольку активируются ионами кальция и ингибируются ионами магния, в то время как в цитоплазме поддерживается низкая концентрация кальция (1(Г7 М и менее) и содержится относительно много ионов магния (около 1(Г3 М). Увеличение проницаемости плазматической мембраны при повреждении клетки или, в некоторых клетках, при открывании кальциевых каналов, равно как и выключение ионных насосов за счет недостатка энергии в клетке, приводит к увеличению концентрации кальция в цитоплазма. Повышение его концентрации до КГ6 М следует считать нормальным механизмом кальциевой регуляции внутриклеточных процессов, т. к. Са2+ является вторичным посредником (мессенджером) при действии многих гормонов и медиаторов.

Умеренная активация фосфолипазы А2 - также нормальное физиологическое явление, поскольку служит первым звеном в цепи образования физиологически активных производных арахидоновой кислоты. Однако чрезмерное увеличение концентрации ионов кальция в цитоплазме и активация фосфолипазы приводит к усилению разрушения фосфолипидов мембран, потере ими барьерных свойств и нарушению функционирования клеточных органелл и клетки в целом. Указанные процессы наблюдали в культуре кардиомиоцитов и гепатоцитов при аноксии.

Последовательность нарушений в клетке при гипоксии

В аэробных условиях ионов кальция вокруг митохондрий мало (КГ6-!О-7 М) и фосфолипаза А2 умеренно активна. При отсутствии кислорода исчезает электрический потенциал на мембране митохондрий, который удерживает ионы кальция в матриксе, и кальций выходит в цитоплазму. Связываясь с активным центром фосфолипазы А2 на наружной стороне внутренней мембраны митохондрий, ионы кальция активируют фермент. Гидролиз фосфолипидов приводит к потере мембраной ее барьерных свойств, и митохондрии теряют способность как к окислительному фосфорилированию, так и к закачиванию кальция в матрикс.

Последовательность изменений в клетке в результате прекращения доступа кислорода (аноксии) одинакова для самых различных тканей. Это показали опыты со срезами тканей, изолированными клетками и изолированными клеточными органеллами, в частности митохондриями. В клетках печени, находящихся в условиях аноксии при комнатной температуре, последовательность событий такова:

  • 0-5 мин: снижение уровня АТФ в клетке в 2-4 раза, несмотря на активацию гликолиза;
  • 5-15 мин: повышение концентрации Са2+ в цитоплазме клетки. Активация гидролитических ферментов, в том числе фосфолипазы А2 митохондрий. Содержание Са2+ в митохондриях повышается, т. к. они еще не повреждены;
  • 15-30 мин: гидролиз митохондриальных фосфолипидов фосфолипазой А2 и нарушение барьерных свойств митохондриальной мембраны. Реоксигенация ткани на этой стадии приводит к активному набуханию митохондрий. Дыхательный контроль в митохондриях нарушен, окислительное фосфорилирование разобщено, способность митохондрий накапливать ионы кальция снижена;
  • 30-60 мин: частичное восстановление функций митохондрий, временное повышение дыхательного контроля, способности накапливать кальций. Механизм компенсаторных процессов, приводящих к временному улучшению функций митохондрий, неизвестен, но связан с функцией клетки в целом, так как при анаэробной инкубации изолированных митохондрий это явление не наблюдается;
  • 60-90 мин: необратимое повреждение митохондрий и полная гибель клеток.

При температуре тела человека все эти процессы протекают в 2-3 раза быстрее. Кроме того, в разных тканях они протекают с разной скоростью: быстрее всего в мозгу, медленнее - в печени, еще медленнее - в мышцах.

«Порочный круг» клеточной патологии

Увеличение внутриклеточного содержания кальция и нарушение биоэнергетических функций митохондрий являются общими признаками для клеток, поврежденных различными неблагоприятными факторами. Эти два события - не простое следствие других изменений в поврежденных клетках: они лежат в основе нарушения функций поврежденных клеток и могут рассматриваться как главные звенья в цепи событий, приводящих к развитию неспецифической реакции клеток на повреждение.

«Порочный круг» клеточной патологии

Рис. 59. «Порочный круг» клеточной патологии

Согласно схеме первичными мишенями действия повреждающих агентов служат мембранные структуры клетки, в которых могут разрушаться липидный бислой, рецепторы, белковые переносчики ионов и молекул, ионные каналы, а также встроенные в мембраны ферменты, включая ионные насосы. Увеличение проницаемости мембран и подавление работы ионных насосов, непосредственно вызванные действием повреждающих факторов (токсические соединения, свободные радикалы, продукты перекисного окисления липидов, недостаток АТФ и т. д.) приводят к увеличению концентрации кальция и натрия в цитоплазме. Последнее сопровождается дисбалансом внутриклеточных сигнальных систем и активацией ряда ферментов (протеазы, фосфатазы, эндонуклеазы, фосфолипаза А2). Гидролиз мембранных фосфолипидов фосфолипазой приводит к дальнейшему нарушению барьерных свойств липидного бислоя, что вызывает еще большее увеличение уровня кальция в цитоплазме, набухание митохондрий и их повреждение. «Порочный круг» замыкается, и клетка может погибнуть.

Контрольные вопросы к разделу «Введение в общую патологию клетки»

  • 1. Что такое повреждение клетки? Причины и виды повреждения клетки. Гипоксия как причина повреждения клеток.
  • 2. Характеристики некроза и апоптоза.
  • 3. Гипоксия как причина повреждения клеток.
  • 4. Универсальный ответ клетки на повреждение.
  • 5. Повреждения клеточных мембран и ключевые процессы, лежащие в их основе.
  • 6. Нарушения барьерной функции клеточных мембран. Повреждающие факторы и механизмы повреждений.
  • 7. Признаки нарушений барьерной функции плазматической мембраны.
  • 8. Механизмы увеличения проницаемости липидного бислоя мембран для ионов.
  • 9. Свободные радикалы и их роль в повреждении клеток.
  • 10. Изменения внутриклеточного метаболизма при повреждении
  • 11. Нарушения структуры и функции митохондрий при повреждении.
  • 12. Нарушения структуры и функции рибосом и полисом.
  • 13. Функции лизосом и их повреждение.
  • 14. Структура и функции цитоскелета. Действие повреждающих факторов на элементы цитоскелета.
  • 15. Повреждение генетического аппарата клетки.
  • 16. Повреждение клеток при гипоксии.
  • 17. Нормоксия и аноксия на уровне отдельной клетки. Кислородный конус.
  • 18. Роль ионов кальция и активации фосфолипаз при аноксии.
  • 19. Последовательность нарушений в клетке при гипоксии.
  • 20. «Порочный круг» в клеточной патологии
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >