11. Ушкодження клітини

11.1. Що таке ушкодження клітини і які існують принципи його класифікації?

Ушкодження клітини — це типовий патологічний процес, основу якого становлять зміни внутрішньоклітинного гомеостазу, що призводять до порушення структурної цілісності клітини і її функціональних властивостей.

Залежно від швидкості розвитку й вираженості основних проявів ушкодження клітини може бути гострим і хронічним, залежно від ступеня змін внутрішньоклітинного гомеостазу — оборотним і необоротним, залежно від періоду життєвого циклу, на який припадає дія ушкоджувального агента, - мітотичним та інтєрфазним, залежно від патогенетичних механізмів ініціювання ушкодження - насильницьким і цитопатичним.

11.2. Які чинники можуть викликати ушкодження клітини?

Безпосереднє (первинне) ушкодження клітини виникає в результаті прямої дії факторів:

1) фізичної природи (механічний вплив, висока й низька температури, іонізуюче випромінювання та ін.);

2) хімічного походження (кислоти, луги, низькомолекулярні органічні сполуки, ферменти та ін.);

3) біологічної природи (віруси, бактерії, найпростіші).

Опосередковане (вторинне) ушкодження виникає як наслідок первинних порушень сталості внутрішнього середовища організму (гіпоксія, ацидоз і алкалоз, гіпер-і гіпоосмія, гіпоглікемія та ін.).

11.3. Які ознаки свідчать про ушкодження клітини?

Про ушкодження клітини свідчать такі ознаки:

1. Структурні. їх виявляють за допомогою гістологічних і електронномікроскопіч-них методів дослідження, вони є предметом вивчення патологічної анатомії.

2. Функціональні. До них відносять: порушення електрофізіологічних процесів (деполяризація плазматичної мембрани, зміни властивостей збудливості й провідності, розвиток парабіозу); розлади скоротливості, екзо- і ендоцитозу; порушення клітинного поділу, міжклітинних контактів і взаємодій; зміни у сприйнятті клітиною нервових і гуморальних регуляторних впливів.

3. Фізично-хімічні, які охоплюють: а) порушення з боку клітинних колоїдів (зменшення ступеня дисперсності колоїдів цитоплазми і ядра, підвищення в'язкості цитоплазми, зміна сорбційних властивостей стосовно вітальних барвників) і б) зміни водно-електролітного обміну (збільшення концентрації в цитоплазмі

іонів натрію та кальцію і зменшення концентрації іонів калію, набряк клітини і окремих її органел, накопичення іонів водню — ацидоз ушкодження).

4. Біохімічні:

1) зменшення концентрації високоенергетичних сполук— креатинфосфату і АТФ - і збільшення концентрації продуктів їх гідролітичного розщеплення — креатину, АДФ, АМФ, неорганічного фосфату;

2) пригнічення тканинного дихання;

3) роз'єднання окиснення й фосфорування;

4) активація гліколізу;

5) активація процесів протеолізу;

6) збільшення інтенсивності процесів дезамінування.

5. Термодинамічні. Це декомпартменталізація, тобто порушення відносної відособленості внутрішньоклітинних відсіків; конформаційні зміни макромолекул, що відбуваються в напрямку найбільш вигідного термодинамічного стану (денатурація); розпад великих, складних молекул на дрібні, простіші; вирівнювання концентраційних градієнтів як між клітинними відсіками, так і між клітиною та позаклітинним середовищем.

11.4. Чим принципово відрізняються два патогенетичних варіанти ушкодження клітини: насильницький і цитопатичний?

Насильницьке ушкодження розвивається при дії на здорову клітину фізичних, хімічних і біологічних факторів, інтенсивність яких перевищує звичайні збуджувальні впливи, до яких клітина адаптована.

Цитопатичний варіант виникає в результаті первинного порушення захисно-компенсаторних гомеостатичних механізмів клітини. У цьому випадку факторами, що запускають патогенетичні механізми ушкодження, є природні для даної клітини збуджувальні стимули, які в цих умовах стають ушкоджувальними. До цитопа-тичного варіанта відносять усі види ушкодження клітини, спричинені відсутністю яких-небудь необхідних для неї компонентів (при гіпоксії, голодуванні, гіпо- і авітамінозах, антиоксидантній недостатності, генетичних дефектах, порушеннях нервової трофіки та ін.).

11.5. Які зміни на молекулярному рівні мають велике значення в патогенезі ушкодження клітини? *

Можна виділити 6 груп молекулярних механізмів, що відіграють важливу роль у патогенезі ушкодження клітин: ліпідні (пероксидне окиснення ліпідів, активація мембранних фосфоліпаз, детергентна дія вільних жирових кислот), кальцієві, електролітно-осмотичні, ацидотичні, протеїнові і нуклеїнові.

11.6. У чому сутність пероксидного окиснення ліпідів?

Пероксидним окисненням ліпідів (ПОЛ) називають вільнорадикальне окиснення ненасичених жирових кислот, що входять до складу фосфоліпідів клітинних мембран.

Ініціаторами ПОЛ є вільні радикали, серед яких найбільше значення мають: 'О " (Н0₂") - супероксидний радикал; ОН' - гідроксильний радикал; Н' - водневий радикал; *0₂ - синглетний (збуджений) кисень.

11. 7. Які реакції лежать в основі ініціювання пероксидного окиснемня ліпідів?

Первинний вільний радикал, що з'явився в клітині (А') взаємодіє з молекулою ненасиченої жирової кислоти (RH), у результаті чого утворюється вільний радикал цієї кислоти (R') і молекулярний продукт реакції (НА):

Вільний радикал жирової кислоти, що утворився, взаємодіє з молекулярним киснем, який завжди міститься в клітині, у результаті чого з'являється пероксидний радикал цієї кислоти (ROO'):

Пероксидний радикал, у свою чергу, вступає у взаємодію з новою молекулою ненасиченої жирової кислоти, що міститься поруч. У ході цієї реакції утворюється гідропероксид (ROOH) і новий вільний радикал:

Слід зазначити дві важливі особливості ПОЛ. Перша полягає в тому, що реакції ПОЛ мають ланцюговий характер. Це означає, що в ході реакцій ПОЛ не відбувається знищення вільних радикалів і в процес утягуються все нові й нові молекули нена-сичених жирових кислот.

Друга особливість- це розгалужений характер ПОЛ. Інакше кажучи, у реакціях ПОЛ у кількості, що наростає, з'являються вільні радикали, джерелом яких є самі проміжні продукти ПОЛ. Прикладом може бути утворення вільних радикалів з гідропероксидів ліпідів при їхній взаємодії з наявними в клітині металами змінної валентності:

Через те що в багатьох біохімічних реакціях за умов норми утворюється невелика кількість вільних радикалів, існує постійна небезпека активації ПОЛ в клітині. Однак у природних умовах цього не відбувається, оскільки клітина має у своєму розпорядженні механізми антиоксидантного захисту, завдяки яким досягається інактивація вільних радикалів, обмеження й гальмування ПОЛ.

11.8. Які антиоксидантні системи є в клітинах?

І. Ферментні антиоксидантні системи: 1. Супероксгіддисмутазна.

Компоненти: супероксиддисмутаза (СОД), каталаза. Призначення: інактивація супероксидних радикалів (HOj):

Причини порушень: набуті розлади синтезу ферментів, дефіцит міді і заліза. 2. Глютатіонова.

Компоненти: глютатіон (Г), глютатіонпероксидаза (ГП), глютатіонредуктаза (ГР), НАДФ-Н₂.

Призначення: інактивація і руйнування гідропероксидів ліпідів:

Причини порушень: спадково обумовлені і набуті порушення синтезу ферментів, дефіцит селену, порушення пентозного циклу (зменшення утворення НАДФН₂).

II. Неферментні антиоксиданти: 1. "Істинні" антиоксиданти.

Компоненти: токофероли, убіхінони, нафтохінони, флавоноїди, стероїдні гормони, біогенні аміни.

Призначення: інактивація вільних радикалів жирових кислот:

де In — антиоксидант; In' — вільний радикал цього антиоксиданту, що має низьку реакційну здатність.

Причини порушень: гіповітаміноз Е, порушення регенерації "істинних" антиоксидантів. 2. Допоміжні антиоксиданти.

Компоненти: аскорбінова кислота, сполуки, що містять сірку - глютатіон, цистин, цистеїн.

Призначення: регенерація "істинних" антиоксидантів:

де DH - відновлена, D — окиснена форма допоміжного антиоксиданту.

Причини порушень: гіповітаміноз С, порушення пентозного циклу, дефіцит сполук, що містять сірку.

11.9. У яких випадках відбувається активація ПОЛ? Активація ПОЛ відбувається:

1) при надмірному утворенні первинних вільних радикалів (ультрафіолетове й іонізуюче випромінювання, гіпероксІя, отруєння чотирихлористим вуглецем, гіпервітаміноз D та ін.);

2) при порушенні функціонування антиоксидантних систем (недостатність ферментів - супероксиддисмутази, каталази, глютатіон пер оксид ази, глютатіонредуктази; дефіцит міді, заліза, селену; гіповітамінози Е, С; порушення пентозного циклу).

11.10. Які механізми лежать в основі порушень бар'єрних функцій клітинних мембран при активації ПОЛ?

I. Іонофорнш механізм обумовлений появою в клітині речовин, що мають властивості іонофорів, тобто сполук, здатних полегшувати дифузію іонів через мембрану завдяки утворенню комплексів, що проходять через її шари. У процесі активації ПОЛ серед проміжних продуктів його реакцій з'являються речовини-іонофори для іонів кальцію і водню. У результаті цього підвищується проникність клітинних мембран до цих іонів.

II. Механізм електричного пробою пов'язаний з існуванням на багатьох мембранах (плазматичній, внутрішній мітохондріальній) різниці потенціалів. У результаті появи гідрофільних продуктів ПОЛ порушуються електроізоляційні властивості гідрофобного шару клітинних мембран, що призводтггь до електричного пробою мембрани, тобто до електромеханічного її розриву з утворенням нових трансмембранних каналів іонної провідності.

11.11. Як порушується матрична функція мембран у процесі активації ПОЛ?

Сутність матричної функції ліпідного подвійного шару мембран полягає в тому, що в ньому вмонтовані мембранні ферменти та деякі спеціалізовані білки.

У процесі ПОЛ порушується активність мембранних ферментів, оскільки змінюється їх ліпідне мікрооточення, яке багато в чому визначає властивості білкових молекул. Крім того, у ході реакцій ПОЛ відбувається утворення "зшивок" між молекулами білків і фосфоліпідів, а також окиснення сульфгідрильних груп активних центрів, що призводить до необоротної інактивації ферментів.

11.12. Яким чином підвищення активності фосфоліпаз впливає на ушкодження клітинних мембран?

У патогенезі ушкодження клітини велике значення має надмірна активація фос-фоліпази А₂ - ферменту, що здійснює гідролітичне відщеплення ненасичених жирових кислот від молекул фосфоліпідів клітинних мембран (рис. 33). У результаті цього утворюються лізофосфоліпіди, в молекулах яких лише один жировокислотний "хвіст", у зв'язку з чим вони мають здатність до міцелоутворення і є дуже сильними

Рис. 33. Утворення лізофосфоліпідів

детергентами (рис. 34). З детергентною дією лізофосфоліпідів і пов'язане ушкодження клітинних мембран в умовах надмірної активації фосфоліпази А,, яку, як правило, викликають високі концентрації іонів кальцію в цитоплазмі клітини.

11.13. За яких умов виникає небезпека детергентноїдії вільних жирових кислот на клітинні мембрани?

Детергентна дія вільних жирових кислот (ВЖК) виявляється при збільшенні їхнього вмісту в клітині. Це може бути обумовлене (оис. 35):

Рис. 34. Підвищення проникності клітинних мембран внаслідок детергентної дії лізофосфоліпідів

а) посиленим надходженням ВЖК у клітину при гіперліпацидемії (наприклад, активація ліполізу в жировій тканині при стресі, цукровому діабеті);

б) вивільненням ВЖК у лізосомах із тригліцеридної частини ліпопротеїдів, що надійшли в клітину із плазми крові (наприклад, гіперліпопротеїнемія при атеросклерозі);

в) вивільненням ВЖК із фосфоліпідів мембран під дією мембранних фосфоліпаз;

г) порушеннями використання ВЖК як джерела енергії (зменшення активності ферментів Р-окиснення і циклу Кребса, наприклад, при гіпоксії).

Для того щоб запобігти ушкоджувальній дії надлишку жирових кислот, клітина має у своєму розпорядженні систему ферментів, які переводять вільні жирові кис-

Рис. 35. Причини накопичення вільних жирових кислот (ВЖК) у клітині

лоти у форму триглщеридів. При цьому відбувається невластиве для норми відкладення тригліцеридів у вигляді жирових крапель, тобто виникає жирова дистрофія клітини.

11.14. У яких випадках іони кальцію втягуються в патогенез ушкодження клітини? З якими ефектами цих іонів пов 'язана їхня участь в ушкодженні клітинних структур?

Ушкодження клітинних структур може бути обумовлене стійким підвищенням концентрації іонів Са²⁺ у цитоплазмі клітини. Така ситуація виникає або в результаті надмірного надходження іонів Са²⁺ у цитоплазму (гіперкальціємія, підвищення проникності плазматичної мембрани), або в результаті порушення механізмів, що забезпечують видалення іонів Са²⁺ із цитоплазми (порушення Са-насосів, Na-Ca-об-мінного механізму, Са-акумулгоючої функції мітохондрій).

Підвищення концентрації іонів Са^2т у цитоплазмі викликає:

а) контрактуру (пер є скорочення) фібрилярних структур клітини (міофібрил, елементів цитоскєлета);

б) активацію фосфоліпази А,;

в) роз'єднання процесів окиснення й фосфорування.

11. 15. Чим можуть бути обумовлені зміни вмісту іонів натрію й калію в клітині і яка роль таких порушень у патогенезі клітинного ушкодження?

Вирівнювання концентрацій іонів Na⁺ і К ⁺ по обидва боки плазматичної мембрани (збільшення вмісту Na⁺ і зменшення вмісту К⁺ у цитоплазмі) у своїй основі може мати два механізми: 1) посилену дифузію іонів через плазматичну мембрану за існуючим концентраційним і електричним градієнтом і 2) порушення механізмів активного транспорту Na⁺ і К⁺ (Na-K-насоса).

Перший механізм реалізується в умовах загальних порушень водно-електролітного обміну (гіпернатріємія, гіпокаліємія) і порушень бар'єрної функції плазматичної мембрани (підвищення її іонної проникності).

Розлади функції Na-K-насоса можуть бути обумовлені дефіцитом АТФ у клітині, збільшенням вмісту холестеролу в ліпідному бішарі мембрани (наприклад, при атеросклерозі), дією цілої низки специфічних інгібіторів Na-K-АТФ-ази (наприклад, строфантину).

Зміни вмісту іонів Na⁺ і К⁺ викликають:

а) втрату клітиною електричного мембранного потенціалу (потенціалу спокою), а отже і збудливості;

б) набряк клітини;

в) осмотичне розтягнення клітинних мембран, що супроводжується підвищенням їх проникності.

11. 16. Чим може бути обумовлений розвиток внутрішньоклітинного ацидозу і які зміни в клітині можуть бути з ним пов 'язані?

До розвитку внутрішньоклітинного ацидозу можуть спричинятися:

1) надмірне надходження іонів Н⁺ у клітину з позаклітинного середовища (декомпенсований газовий або негазовий ацидоз);

2) надмірне утворення кислих продуктів у самій клітині при активації гліколізу (молочна кислота), порушеннях циклу Кребса (три- і дикарбонові кислоти), гідролітичному розщепленні фосфоліпідів клітинних мембран (вільні жирові кислоти, фосфорна кислота) та ін.;

3) порушення зв'язування вільних іонів Н⁺ у результаті недостатності буферних систем клітини;

4) порушення виведення іонів Н⁺ з клітини при розладах Na-H-обмінного механізму, а також в умовах порушеного місцевого кровообігу в тканині.

Внутрішньоклітинний ацидоз викликає: а) зміну конформації білкових молекул з порушенням їх ферментативних, скоротливих та інших властивостей; б) підвищення проникності клітинних мембран; в) активацію лізосомних гідролітичних ферментів.

11.17. Які зміни білкових молекул мають значення в патогенезі ушкодження клітини?

До білкових (протеїнових) механізмів ушкодження клітини можна віднести:

1) інгібуванння ферментів (оборотне і необоротне);

2) денатурацію, тобто порушення нативної будови білкових молекул у результаті обумовлених розривом ковалентних зв'язків змін вторинної й третинної структур білка;

3) протеоліз, що здійснюється під дією лізосомних протеолітичних ферментів (ка-тепсинів) і протеаз, які активуються іонами Са²⁺, У результаті протеолізу можуть з'являтися пептиди, що мають властивості фізіологічно активних речовин. З виходом останніх з ушкоджених клітин може бути пов'язаний розвиток як місцевих, так і загальних реакцій організму (запалення, гарячка).

11. 18. Які порушення функціонування генетичного апарату клітини можуть призводити до її ушкодження?

Основу ушкодження клітини можуть становити так звані нуклеїнові механізми, обумовлені порушеннями процесів:

1) реплікації ДНК (денатурація ДНК, ушкодження ДНК-репліказної ферментної системи, дефіцит трифосфонуклеотидів - АТФ, ГТФ, ТТФ і ЦТФ);

2) транскрипції (мутаційні дефекти генної матриці, інгібування ДНК-залежної РНК-полімерази антибіотиками й токсинами, порушення посттранскрипційної модифікації інформаційної РНК: неприєднання "кепа" до головного кінця молекули, порушення утворення полі-А-хвоста, розлади сплайсингу тощо);

3) трансляції (дефіцит або якісні зміни інформаційної, рибосомної або транспортної РНК, а також рибосомних ферментів і нєферментних білків; дефіцит вільних амінокислот і АТФ; інгібування процесу антибіотиками й мікробними токсинами).

11.19. Які існують універсальні механізми підвищення проникності клітинних мембран при ушкодженні клітини?

Підвищення проникності клітинних мембран може бути обумовлене:

1) активацією пероксидного окиснення ліпідів;

2) активацією фосфоліпаз;

3) осмотичним розтягненням мембран;

4) адсорбцією білків (поліелектролітів) на мембрані;

5) змінами фазового стану мембранних ліпідів (ацидоз, зміна температури).

/1.20. Які порушення виникають у клітині в результаті ушкодження окремих її органоїдів (плазматичної мембрани, мітохондрій, ендоплазматичногоретикулуму лізосом)?

Порушення бар'єрної функції плазматичної мембрани призводить до вирівнювання існуючих у нормі концентраційних градієнтів речовин: у клітину надходять іони Na⁺, Са²⁺, СІ", а виходять іони К⁺, Mg²⁺, неорганічного фосфату, низько- і високо-молекулярні органічні сполуки (АМФ, АДФ, проміжні продукти клітинного обміну, білки-ферменти). З ушкодженнями білків і глікопротеїдних комплексів, вбудованих у плазматичну мембрану, пов'язані порушення систем активного транспорту речовин (Na-K-, Са-насосів; Na-Ca- і Na-H-обмінних механізмів); зміни специфічних іонних каналів (Na-, K-, Са-каналів); порушення клітинних рецепторів, що сприймають зовнішні регуляторні сигнали (а- і )3-адренорецепторів, ш- і n-холінорецепторів та ін.); порушення міжклітинних взаємодій; зміни антигенних властивостей клітини.

Ушкодження мітохондрій супроводжується або пригніченням процесів клітинного дихання, або ефектом роз'єднання процесів окиснення й фосфорування. І в тому, і в другому випадку результатом розладів мітохондріальних функцій буде порушення енергозабезпечення клітини (рис. 36).

Ушкодження шорсткого ендоплазматичного ретикулуму призводить до деза-грегації полісом, унаслідок чого порушуються реакції біосинтезу білка в клітині. У результаті ушкодження гладкого ендоплазматичного ретикулуму і його ферментних систем страждають процеси детоксикації, мікросомного окиснення та ін. У деяких

клітинах, наприклад м'язових, порушується здатність ендоплазматичного (саркоплазма-тичного) ретикулуму депонувати іони Са²⁺, що сприяє реалізації так званих кальцієвих механізмів ушкодження клітини.

Підвищення проникності лізосомних мембран призводить до виходу в цитоплазму гідролітичних ферментів, активація яких у кінцевому підсумку викликає необоротні зміни клітини — її аутоліз.

Рис. 36. Роль дефіциту АТФ в ушкодженні клітини

11.21. Які існують механізми загибелі клітин? Чим вони принципово відрізняються?

Розрізняють два механізми загибелі клітин: некроз і апоптоз.

Некроз - це загибель необоротно ушкоджених клітин, яка відбувається за участю лізосомних ферментів, що здійснюють гідролітичне розщеплення усіх компонентів клітини (аутоліз), руйнують плазматичну мембрану і зумовлюють вихід вмісту клітини за ЇЇ межі в навкружну тканину з наступним розвитком запалення.

Апоптоз— це шлях запрограмованої загибелі клітин ("самогубство"), що відбувається за участю спеціально призначених для цього активованих ферментів (кас-паз), які руйнують власну ДНК, ядерні білки і білки цитоскелета, не ушкоджуючи при цьому плазматичну мембрану.

Основні відмінності між некрозом і апоптозом представлено в табл.

Властивості	Некроз	Апоптоз
Об'єм клітини	Збільшений (набряк)	Зменшений (стиснення)
Ядро	Пікноз → каріорексис —f каріолізис	Фрагментація - розпад на окремі фрагменти (нуклеосоми)
Плазматична мембрана	Розірвана	Інтактна
Вміст цитоплазми	Ферментативне перетравлювання лізосомними ферментами (аутоліз), вихід вмісту клітини за її межі	Інтактний
Викликає запалення в тканині	Часто	Ніколи
Фізіологічне чи патологічне явище	Завжди патологічне (кульмінація незворотного ушкодження клітин)	Часто фізіологічне (генетично запрограмована загибель клітин); може бути патологічним після деяких видів ушкодження клітин, особливо після ушкодження ДНК

11.22. Назвіть основні причини апоптозу.