Энергоснабжение клетки может расстраиваться на этапах ресинтеза, транспорта и утилизации энергии атф

Нарушения ресинтеза АТФ

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

Расстройства транспорта энергии

Заключённая в макроэргических связях энергия АТФ в норме доставляется от мест ресинтеза — митохондрий и цитозоля — к эффекторным структурам (миофибриллам, мембранным ионным насосам и др.) с помощью АДФ‑АТФ‑транслоказы (адениннуклеотидилтрансферазы) и КФК.

Адениннуклеотидилтрансфераза обеспечивает транспорт энергии макроэргической фосфатной связи АТФ из матрикса митохондрий через их внутреннюю мембрану, а КФК переносит её далее на креатин с образованием креатинфосфата, который поступает в цитозоль. КФК эффекторных клеточных структур транспортирует фосфатную группу креатинфосфата на АДФ с образованием АТФ, который и используется в процессах жизнедеятельности клетки.

Системы транспорта энергии могут быть повреждены различными патогенными агентами, в связи с чем (даже на фоне высокого общего содержания АТФ в клетке) может развиваться дефицит АТФ в энергорасходующих структурах.

Расстройство механизмов использования энергии

Нарушения энергообеспечения клеток и расстройства их жизнедеятельности могут развиваться в результате повреждения механизмов утилизации энергии, главным образом за счёт уменьшения активности АТФаз (АТФаза миозина, Na⁺,K⁺‑АТФаза плазмолеммы, протонная и калиевая АТФаза, Са²⁺‑АТФаза [Са²⁺‑насос] и др.). Следовательно, расстройство жизнедеятельности клеток может развиваться даже в условиях нормального или повышенного содержания в клетке АТФ.

Нарушение энергообеспечения, в свою очередь, может стать одним из факторов расстройств функции мембранного аппарата клеток, их ферментных систем, процессов транспорта ионов и воды, а также механизмов регуляции клетки

38. Повреждение рецепторного аппарата клетки и внутриклеточных механизмов регуляции ее функций. Механизмы защиты и адаптации клеток при повреждении.

РАССТРОЙСТВА РЕГУЛЯЦИИ ВНУТРИКЛЕТОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Нарушения жизнедеятельности клетки могут быть результатом расстройств одного или нескольких уровней реализации регуляторных механизмов

Межклеточные информационные сигналы

Все виды информационных межклеточных взаимодействий описаны в рамках концепции «сигнал–ответ», основы которой заложил Пауль Эрлих. Межклеточные информационные взаимодействия укладываются в следующую схему:

сигнал  рецептор  (второй посредник)  ответ

Сигналы

Передачу сигналов от клетки к клетке осуществляют сигнальные молекулы (первые посредники), вырабатываемые в одних клетках и специфически воздействующие на другие — клетки–мишени. Специфичность воздействия сигнальных молекул определяютрецепторы клетки–мишени, связывающие только собственные лиганды. Все сигнальные молекулы (лиганды) — в зависимости от их физико-химической природы — подразделяют на полярные (гидрофильные) и аполярные (жирорастворимые). Гидрофильные молекулы (например, нейромедиаторы, цитокины, пептидные гормоны, Аг) не проникают через плазматическую мембрану и связываются с рецепторами плазмолеммы (мембранные рецепторы). Жирорастворимые молекулы (например, стероидные и тиреоидные гормоны) проникают через плазмолемму и связываются с рецепторами внутри клетки (ядерные рецепторы).

Рецепторы. Описаны три класса клеточных рецепторов: мембранные, ядерные и сиротские.

Мембранные рецепторы — гликопротеины. Они контролируют проницаемость плазмолеммы путём изменения конформации белков ионных каналов (например, н‑холинорецептор), регулируют поступление молекул в клетку (например, холестерина при помощи рецепторов ЛНП), связывают молекулы внеклеточного матрикса с элементами цитоскелета (например, интегрины), регистрируют присутствие информационных сигналов (например, нейромедиаторов, квантов света, обонятельных молекул, Аг, цитокинов, гормонов пептидной природы). Мембранные рецепторы регистрируют поступающий к клетке сигнал и передают его внутриклеточным химическим соединениям, опосредующим конечный эффект (вторые посредники). Функционально мембранные рецепторы подразделяют на каталитические, связанные с ионными каналами и оперирующие через G‑белок.

Ядерные рецепторы — белки-рецепторы стероидных гормонов (минерало- и глюкокортикоиды, эстрогены, прогестерон, тестостерон), ретиноидов, тиреоидных гормонов, жёлчных кислот, витамина D₃. Каждый рецептор имеет область связывания лиганда и участок, взаимодействующий со специфическими последовательностями ДНК. Другими словами, ядерные рецепторы — активируемые лигандом факторы транскрипции.

Сиротские рецепторы. В геноме человека имеется более 30 ядерных рецепторов, лиганды которых находятся на стадии идентификации.

Вторые посредники

Внутриклеточные сигнальные молекулы (вторые посредники) передают информацию с мембранных рецепторов на эффекторы (исполнительные молекулы), опосредующие ответ клетки на сигнал. Стимулы, такие как свет, молекулы различных веществ, гормоны и другие химические сигналы (лиганды) инициируют ответ клетки–мишени, изменяя в ней уровень внутриклеточных (вторых) посредников. Вторые посредники представлены многочисленным классом соединений. К ним относятся циклические нуклеотиды (цАМФ и цГМФ), инозитолтрифосфат, диацилглицерол, Ca²⁺.

Ответы клеток–мишеней

Функции клеток являются следствием реализации генетической информации (например, транскрипция, посттрансляционная модификация) и крайне разнообразны (например, изменения характера функционирования, стимуляция или подавление активности, перепрограммирование синтезов и т.д.).

Расстройства взаимодействия БАВ с рецепторами

Межклеточные сигналы в виде БАВ информационного характера (гормоны, нейромедиаторы, цитокины, хемокины и др.) реализуют регуляторные эффекты после взаимодействия БАВ с клеточными рецепторами.

Причины искажения регуляторного сигнала многообразны. Наибольшее значение имеют:

• изменение чувствительности рецепторов;

• отклонения количества рецепторов;

• нарушения конформации рецепторных макромолекул;

• изменения липидного окружения мембранных рецепторов.

Указанные отклонения могут существенно модифицировать характер клеточного ответа на регулирующий стимул. Так, накопление токсичных продуктов СПОЛ при ишемии миокарда изменяет физико‑химические свойства мембран. Это сопровождается нарушением реакций сердца на норадреналин и ацетилхолин, воспринимающихся соответствующими рецепторами плазматической мембраны кардиомиоцитов.

Расстройства на уровне вторых посредников

На уровне внутриклеточных вторых посредников (мессенджеров) — циклических нуклеотидов: аденозинмонофосфата (цАМФ) и гуанозинмонофосфата (цГМФ) и других, образующихся в ответ на действие первых посредников — гормонов и нейромедиаторов, возможны многочисленные расстройства. Примером может служить нарушение формирования МП в кардиомиоцитах при накоплении в них избытка цАМФ. Это является одной из возможных причин развития сердечных аритмий.

Расстройства на уровне ответа на сигнал

На уровне метаболических процессов, регулируемых вторыми посредниками или другими внутриклеточными факторами, также возможны многочисленные расстройства. Так, нарушение активации клеточных ферментов, например в связи с дефицитом цАМФ или цГМФ, может существенно изменить интенсивность метаболических реакций и как следствие — привести к расстройству жизнедеятельности клетки.

ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ АДАПТИВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

К внутриклеточным адаптивным механизмам относят следующие реакции и процессы.

Компенсация нарушений энергетического обеспечения клетки; Защита мембран и ферментов клетки; Уменьшение выраженности или устранение дисбаланса ионов и воды в клетке; Устранение дефектов генетической программы клетки и механизмов её реализации; Компенсация расстройств механизмов регуляции внутриклеточных процессов; Снижение функциональной активности клеток; Регенерация; Гипертрофия; Гиперплазия.

Компенсация энергетических нарушений

При повреждении клетки, как правило, в большей или меньшей мере повреждаются митохондрии и снижается ресинтез АТФ в процессе тканевого дыхания. Эти изменения служат сигналом для включения компенсационных механизмов:

• увеличения продукции АТФ в системе гликолиза;

• повышения активности ферментов, принимающих участие в процессах окисления и фосфорилирования (при слабой или умеренной степени повреждения клеток);

• активации ферментов транспорта энергии АТФ (адениннуклеотидтрансферазы, КФК);

• повышения эффективности ферментов утилизации энергии АТФ (АТФаз);

• ограничения функциональной активности клетки;

• снижения интенсивности пластических процессов в клетке.

Защита мембран и ферментов

Ферменты антиоксидантной защиты (СОД, инактивирующая радикалы O₂^–; каталаза и глутатионпероксидазы, расщепляющие соответственно Н₂О₂ и липиды) уменьшают патогенные эффекты свободнорадикальных и перекисных реакций.

Активация буферных систем клетки ведёт к уменьшению внутриклеточного ацидоза (следствие ацидоза — избыточная гидролитическая активность лизосомальных ферментов).

Повышение активности ферментов микросом (особенно ферментов эндоплазматической сети) усиливает физико‑химическую трансформацию патогенных агентов путём их окисления, восстановления, деметилирования и т.д.

Дерепрессия генов имеет следствием активацию синтеза компонентов мембран (белков, липидов, углеводов) взамен повреждённых или утраченных.

Дисбаланс ионов и воды

При этом ближайшими задачами являются следующие:

• активация процессов энергетического обеспечения ионных насосов;

• повышение активности ферментов, принимающих участие в транспорте ионов;

• изменение интенсивности и характера метаболизма (например, усиление гликолиза сопровождается высвобождением K⁺, содержание которого в повреждённых клетках уменьшено в связи с повышением проницаемости их мембран).

• нормализация внутриклеточных буферных систем (например, активация карбонатного, фосфатного, белкового буферов способствует восстановлению оптимального соотношения в цитозоле и трансмембранного распределения ионов K⁺, Na⁺, Ca²⁺ и других, в частности, путём уменьшения в клетке [Н⁺]).

• уменьшение дисбаланса ионов, в свою очередь, может сопровождаться нормализацией содержания и циркуляции внутриклеточной жидкости, объёма клеток и их органелл.

Генетические дефекты

Устранение мелкомасштабных изменений в геноме осуществляют деметилазы. Они удаляют метильные группы и лигазы, устраняют разрывы в цепях ДНК, возникающие под действием ионизирующего излучения, свободных радикалов и др.

Особое значение имеет репарация ДНК, как эксцизионная, так и рекомбинационная.

Устранение нарушений механизмов реализации генетической программы клетки может нормализовать нуклео‑ и цитотомию, транскрипцию, трансляции и др.

Механизмы регуляции внутриклеточных процессов

Кроме того, в повреждённой клетке наблюдается коррекция контуров обратной связи в метаболических цепочках (например, концентрация конечных продуктов по принципу положительной или отрицательной обратной связи изменяет активность ферментов в начале цепочки.

Снижение функциональной активности клеток

Важным механизмом защиты клетки является снижение выраженности или полное прекращение выполнения клеткой её специфических функций. Это позволяет перераспределить ресурсы и тем самым увеличить возможности адаптации клетки для компенсации изменений, вызванных повреждающим фактором. При этом энергия, уходившая на выполнение специфической клеточной функции, позволяет клетке компенсировать изменения метаболизма, вызванные повреждающим фактором. В результате степень и масштаб повреждения клеток при действии патогенного фактора существенно снижаются, а после прекращения его действия отмечается более интенсивное и полное восстановление клеточных структур и их функции.

К главным механизмам, обеспечивающим временное понижение функции клеток, отнесят:

• уменьшение эффекторной импульсации от нервных центров;

• снижение числа или чувствительности рецепторов на поверхности клетки;

• внутриклеточное регуляторное подавление метаболических реакций;

• репрессию активности отдельных генов.

Стереотипные (типовые) приспособительные изменения

Адаптация клеток в условиях повреждения происходит не только на метаболическом и функциональном уровнях. Длительное, повторное или значительное повреждение ведёт к существенным структурным перестройкам в клетке, имеющим адаптивное значение. Такая адаптация к действию повреждающих факторов происходит путём стереотипных (типовых) приспособительных изменений клетки или клеточной системы (атрофия, гипертрофия, гиперплазия, метаплазия, дисплазия). Например, в условиях хронического венозного застоя в печени кислородное голодание гепатоцитов сопровождается их атрофией. Процессы атрофии, гипертрофии, гиперплазии, а также регенерации рассмотрены в «Приложения» (см. «Справочник терминов» на компакт-дтске).

Белки теплового шока

При воздействии на клетку повреждающих факторов (изменения температуры, гипоксия, химические факторы, инфицирование вирусом и др.) происходит интенсификация синтеза белков теплового шока (HSP, от Heat Shock Proteins; их называют также белками стресса). Эти белки способны защитить клетку от повреждений и предотвратить её гибель. Наиболее распространены HSP с M_r 70 000 (hsp70) и 90 000 (hsp90).

Механизм действия этих белков многообразен и состоит в регуляции сборки и конформации других белков. Примером повышенной резистентности, обусловленной белками теплового шока, могут служить опухолевые клетки, которые экспрессируют повышенный уровень HSP70, что защищает их от повреждения и гибели.

МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ АДАПТИВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Для межклеточных (системных) механизмов адаптации к повреждению характерно взаимодействие клеток друг с другом. Такое взаимодействие осуществляется несколькими путями.

Пути взаимодействия

• Обмен метаболитами, местными БАВ — цитокинами, ионами.

• Реализация реакций системы ИБН.

• Изменения лимфо‑ и кровообращения.

• Эндокринные влияния.

• Нервные воздействия.

Примеры

• Гипоксия. Уменьшение содержания кислорода в крови (что приводит или может привести к повреждению клеток, прежде всего мозга) рефлекторно (через раздражение хеморецепторов) стимулирует активность дыхательного центра. В результате увеличивается объём альвеолярной вентиляции, что ликвидирует или уменьшает недостаток кислорода в крови и тканях.

• Гипогликемия. Повреждение клеток в условиях гипогликемии может быть уменьшено в результате увеличения выработки гормонов, способствующих повышению в плазме крови глюкозы (ГПК) и транспорта её в клетки: глюкагона, адреналина, глюкокортикоидов, соматотропного гормона (СТГ) и др.

• Ишемия. Снижение кровоснабжения какого‑либо участка ткани, как правило, сопровождается увеличением притока крови к тканям по коллатеральным (обходным) сосудам.

• Патогенные факторы антигенный природы. Чужеродные антигены активируют иммунные механизмы защиты. Система иммунобиологического надзора с помощью фагоцитов, АТ и/или T-лимфоцитов инактивирует эндо‑ и экзогенные Аг, способные повредить клетки организма.

В норме указанные выше и другие системы обеспечивают адекватное реагирование организма в целом на различные воздействия эндо‑ и экзогенного происхождения.

В патологии они участвуют в реализации механизмов защиты, компенсации и восстановлении повреждённых структур и нарушенных функций клеток, органов и тканей.