Интегральные механизмы гибели клетки

Стадии повреждения: Обратимая и необратимая.

Обратимая: стадия повреждения и стадия восстановления.

Необратимая: паранекроз – некроз – аутолиз – фагоцитоз.

Начальная стадия повреждения – паранекроз: характерны - внутриклеточный ацидоз, исчезновение гликогена, повышение сорбционных свойств цитоплазмы (красители), потеря К⁺ и буферных систем клетки, набухание клетки и ее органелл.

Затем развивается некробиоз – необратимая стадия (это острый процесс, для хронического – термин «патобиоз» - пример: индуративный отек) – кариопикноз с кариолизисом и кариорексисом, полное прекращение продукции энергии и гибель клетки.

Некроз – это уже посмертные изменения клетки - ферментативное разрушение и денатурация белков (сухой – коагуляционный (доминирует раннее повреждение митохондрий, пример – действие кислот) и колликвационный (доминируют гидролазные процессы лизосом, пример – действие щелочей); комбинация их – казеозный некроз (туберкулезный например). Продукты распада клеток фагоцитируются, вокруг развивается воспаление.

Важное деление некробизоа по механизму: Гипоксический (недостаток кислорода) и свободно-радикальный (избыток кислорода) некробиоз (но чаще всего – смешанный тип).

Гипоксический некробиоз: стойкое прекращение дыхания и кровообращения делает гипоксию конечным механизмом всех типов умирания. Механизмы: снижение аэробного окисления в митохондриях и АТФ-энергодефицит, активируется фосфофоруктокиназа для компенсации - активируется анаэробный гликолиз (расходование гликогена клеток; одновременно стрессовая реакция организма, выделение катехоламинов и глюкокортикодиов, также активирует гликолиз) – идет накопление лактата – внутриклеточный ацидоз – тормозит фосфофруктокиназу (тормозит гликолиз и продукцию энергии!) - углубляется энергодефицит (порочный круг при гипоксиях).

Блок наиболее энергоемких процессов (К⁺-Na⁺АТФазы и сократительных систем клетки) ведет к уменьшению электрического потенциала клеток даже до обратного (с положительного на отрицательный!) – развиваются агрегация и адгезия эритроцитов ведет к сладжу эритроцитов и белым тромбам, нарушающим кровообращение – присоединение циркуляторной гипоксии, снижение возбудимости клеток – нейроторможение - кома. Углубление гипоксии и энергодефицита ведет к входу в клетки Na⁺ - гипергидратация клеток (балонная дистрофия клеток) с денатурацией белков, коагуляцией и декомпозицией цитоплазмы (иногда жировая трансформация клетки – но она полностью обратима!), накопление жирных кислот с Са²⁺ и Na⁺ омыляет мембрану и лизирует клетки; на глубоких стадиях некробиоза важен избыток ионов кальция – активация мембранных фосфолипаз и дезинтеграция мембран); затем идет распад лизосом и деструкция митохондрий – прекращение продукции энергии и аутолиз.

Свободно-радикальный некробиоз (см. выше): направления повреждения: Перекисное окисление липидов (ПОЛ); сшивки мембранных, внутри и внеклеточных белков через сульфгидрильные мостики, образование сульфоновых кислот и радикалов с образованием белковых агрегатов; повреждение ДНК и мутагенез и цитостатичность.

МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ КЛЕТКИ К ПОВРЕЖДЕНИЮ: Компенсация энергетических повреждений: переход на гликолитический синтез АТФ, активация ферментов транспорта энергии в клетке, повышение к.п.д. АТФаз; снижение функциональной активности и пластических процессов клетки.

Защита мембран и ферментов: активация антиоксидантной системы, буферных систем (снижение внутриклеточного ацидоза в т.ч. транспорт Н⁺ в митохондрии, саркоплазматический ретикулум и из клетки); повышение активности ферментов микросом (окисление, восстановление, деметилирование и пр. патогенных агентов); активация репарации мембранных структур клеток (белковый синтез репарации).

Нормализация водно-ионного баланса клетки: активация ионных насосов (мембран клеток и саркоплазматического ретикулума, меньше - митохондрий), активация буферный систем.

Репарация генетических дефектов: ферменты репарации ДНК. Компенсация процессов регуляции клетки: изменение числа рецепторов клеток, их чувствительности (аффинности), внутриклеточных посредников (G-белки, цАМФ, кальмодулин, Са²⁺). Активация всех типов обратных связей ведет к аутоадаптации метаболизма.

Стереотипные приспособления клетки: гипертрофия, гиперплазия, дисплазия, метаплазия (предрак), белки теплового шока: при гипертермии, гипоксии, интоксикациях, вирусном повреждении и пр. – интенсификация продукции БТШ (70 и 90 кДа массой) – защита клетки от самых различных стрессов и патогенов.

Межклеточная адаптация: нервные, эндокринные, цитокинные влияния, обмен метаболитами, ионами, Н₂О₂ в т.ч. и пр.; изменение периферического кровообращения и лимфотока.

ТИПОВЫЕ ФОРМЫ КЛЕТОЧНОЙ ПАТОЛОГИИ: ДИСТРОФИИ (нарушения обмена): характерны – синтез аномальных белков (амилоид), избыточное превращение жиров и белков в углеводы или углеводов в жиры и т.п.; декомпозиция (фанероз) – распад субклеточных структур; инфильтрация клеток и межклеточного вещества – ЛПНП, холестерином, Са²⁺ (при атеросклерозе),

ВИДЫ: Диспротеинозы – зернистая (инфильтрация или деструкция клеточных элементов), гиалиново-капельная (нарушение проницаемости мембран), гидропическая (вакуольная) – повышение онкотического давления (гипоксии, ионизирующее облучение, токсины).

Минеральные дистрофии – изменение обмена Ca, K, Fe, Zn, Cu – кальциноз, сидероз; меди - при гепатоцеребральной дистрофии и пр.

Липидозы – появление, увеличение, изменение жиров: первичные ферментопатии и вторичные токсические (этанол, СCl₄, соединения фосфора), в миокарде (жировая дистрофия), печени, почках, мозгу.

Диспигментозы (гемоглобиногенные – ферритин, гемосидерин, билирубин, порфирин – гемохроматоз и порфирия; тирозиногенные – меланин, адренохром – меланоз, охроноз и альбинизм, липопротеидогенные – липофусцин, цероид). Врожденные и приобретенные ферментопатии, изменение транспорта пигментов через мембраны, избыточное накопление пигмента (в фагоцитах например).

Углеводные дистрофии: нарушения обмена: А) полисахаридов – гликогенозы (сахарный диабет, ферментопатии), Б) гликопротеинов (накопление муцина и мукоида – слизистые дистрофии при гипотиреозе, токсических повреждениях клеток).

БОЛЕЗНИ НАКОПЛЕНИЯ: ферментопатии обычно аутосомно-рецессивного типа: липидозы, гликогенозы, мукополисахаридозы, муколипозы, а также лизосомные и пероксисомного болезни.

ДИСПЛАЗИИ: нарушения дифференцировки клеток с изменением их структуры, метаболизма и функции, ведущие к нарушениям жизнедеятельности. Рассматриваются как предраковые состояния: В12-дефицитная анемия; серповидно-клеточные эритроциты при патологии гемоглобина; туберозный склероз (нейронов); болезнь Реклингхаузена – образование многоядерных гигантских клеток со своеобразным расположением хроматина; метаплазия однослойного мерцательного эпителия в многослойных плоский при хронических воспалительных заболевананиях легких (в т.ч. курении); фиброзно-кистозная болезнь молочной железы; гетеротопная оссификация (рубцовой ткани), оссифицирующий миозит.

ТИПОВЫЕ РЕАКЦИИ И ПАТОЛОГИЯ ОТДЕЛЬНЫХ

КЛЕТОЧНЫХ СТРУКТУР

1. НАРУШЕНИЯ РЕЦЕПТОРНОГО АППАРАТА: снижение (повышение) числа рецепторов, изменение их аффинитета, появление новых, нарушение обновления, нарушение передачи сигнала с рецепторов в клетку. Пример 1: семейная наследственная гиперхолестеринэмия (ранний атеросклероз и инфаркт) – следствие генетического дефекта рецепторов к ЛП(О)НП, что нарушает их нормальный метаболизм клетками (рецептор-зависимый пиноцитоз) и ведет к физической инфильтрации сосудистой стенки.

Пример 2: инсульт ведет к гипоксии и гиперкомпенсаторному повышению глутаминовых рецепторов мозга, это повышает цГМФ и увеличивает резистентность к АФК, а также повышает синтез NO и улучшает периферическое кровоснабжение; но одновременно повышается вход Са²⁺ в клетку что ведет к гиперактивации клетки и ее некробиозу, а избыток NO формирует токсические перекиси азота.

2. НАРУШЕНИЯ РАБОТЫ ИОННЫХ НАСОСОВ: изменяет мембранный потенциал (ведет к набуханию клеток из-за нарушения транспортных систем ионов) и изменяет Са²⁺ -зависимые реакции.

Схема 1. Главные пути Са²⁺ в клетке:

СаАТФаза (Са-насос) Энергезированная МХ

Са²⁺/Na⁺ обменник МХ

Са²⁺/Н⁺ обменник

Инозитол-3фосфат- выход Са

Са²⁺ Са²⁺

Са²⁺-каналы СаАТФаза

Са²⁺/Н⁺обменник

СР

3. НАРУШЕНИЕ 2-ичных МЕССЕНДЖЕРОВ: сигнал в клетку передается через посредников – от них и от набора белков-эффекторов зависит специфичность реакции клетки той или иной ткани, а также особенности реакции внутри клеток (клетка разбита на ряд отделов, структурирована!).

А. РЕЦЕПТОРНЫЙ ЭНДОЦИТОЗ – поступление гормонов, антител в клетку и ядро (стероидные гормоны имеют рецепторы в ядре!). Пример патологии: семейная наследственная гиперхолестеринэмия.

Б. ЦИКЛАЗЫ – ферменты образования цАМФ, цГМФ – обычно связаны с Са²⁺ механизмами, но могут влиять на ионные каналы прямо.

В. Са²⁺ извне, из митохондрий, из саркоплазматического ретикулума поступает разными механизмами: Са²⁺/Na⁺ обменники (антипортеры), Са²⁺ АТФ-азы (насосы), Са²⁺/Н⁺ обменники. Обычно повреждаются в ходе снижения энергообеспечения (АТФазы), при повреждения плазматической мембраны. Кальций действует через циклазы и фосфодиэстеразы (цАМФ), кальмодулин и тропонин, через фосфолипазу А (ФЛа) которая активирует синтез арахидоновой кислоты и затем эйкозоноидов с баллансом лейкотриенов и простагландинов.

Г. G-БЕЛКИ: это ГТФ-связывающие белки мембраны, интегрируют сигнал от нескольких типов воздействия на клетку и передают его множеству эффекторных белков клетки.

Основные направления эффекта в клетке:

1.ЦциклазыцАМФПротеинкиназа А (ПК_А)фосфорилирование с активированием клеточных белков;

или цАМФNa⁺каналы потенциал клеток.

2. Активация Фосфолипазы С (ФЛ_С): повышение инозинтрифосфата (ИТФ)выход Са²⁺ из саркоплазматического ретикулума в цитоплазму прямые или кальмодулин- или тропонин- опосредованные воздействия на белки клетки;

или повышение синтеза диацилглицерина (ДАГ)активация протеинкиназы С (ПКс)фосфорилирование и активация (часто вместе с Са²⁺) белков клетки.

Пример нарушений: псевдопаратиреоз при дефекте гена G-белков и снижении реакции клеток к паратиреоидным гормонам. Пример 2: холерный токсин повышает активность G-белка и продукцию цАМФ в слизистой кишечника, что активирует потерю воды.

4. ПОВРЕЖДЕНИЯ ЯДРА: Типичные адаптивные реакции: при повреждении ДНК (облучение, температура, химические реакции, токсичны, ионы тяжелых металлов)  репарация ДНК с активацией белка р53 – замораживающего клеточный цикл в G₁ фазе и при недостатке репарации активирующего апоптоз.

Стандартно активируются также метилирование хроматина (инактивация пластических процессов) и АДФ-рибозилирование хроматина что «склеивает» разрыва ДНК, но полиАДФрибозилполимераза (ПАРП) может гиперактивироваться и истощать энерго-пул НАД*Н, что ведет как к энерго-истощению клетки, так и нарушает распад пуринов, они теперь образуют ксантины и АФК (*О₂^-) повреждающие клетку.

Типичен также аварийный синтез ряда белков: активация генов раннего ответа (c-fos, c-myc, c-jun как подготовка к гипертрофии и пролиферации клетки), антионкогенов (р53 белок),

генов маркеров старения и повреждения клеток (особый белок ионных каналов, к которому имеются аутоантитела, активирующие также фагоцитоз таких клеток);

белки теплового шока (БТШ) – комплекс белков со свойствами детергентов и ограниченного протеолиза, защищающих клетку от самых различных агентов путем поддержания нативной конформации клеточных белков (антиденатурирующие эффекты) + блокада клеточного стресса (т.к. часть БТШ - это рецепторы стероидных гормонов ядра) + стабилизация цитоскелета + антигипоксическое действие + ограниченный протеолиз (малые БТШ, 8-12 кДА = убиквитины) – способствуют протеолизу денатурированных белков и активируют р53 белок с активацией апоптоза клеток.