5.214. Нарушение гомеостаза внутриклеточного кальция

Нарушение гомеостаза внутриклеточного кальция, сопровождающееся существенным повышением его концентрации в цитоплазме клетки, ле­жит, как полагают, в основе механизма клеточной гибели при различных патологических состояниях, в том числе при острых отравлениях. Цито- токсическое действие самых разных токсикантов (цианидов, четыреххло­ристого углерода, свинца, органических соединений олова и ртути, алки- лирующих агентов, диоксина и т. д.), как полагают, хотя бы отчасти связано с повышением уровня кальция внутри клеток.

В норме низкая концентрация кальция в цитоплазме поддерживается энергозависимыми механизмами его активного удаления из клетки и компартментализации в клеточных органеллах (рис. 18).

J
г	V
КЛЕТКА АТФ	АДФ АЛЛ

Са²⁺

1,3 мМ

АДФ,

Са

2+

Н⁺ Na⁺

Са²⁺100 нМ

Са

2+

АТФ

митохондрии

эндоплазматический

ретикулум

АТФ

2+

АДФ

Са

ядро

Все эти механизмы могут приводить к усилению инфлюкса кальция из внеклеточной жидкости и его высвобождению из депо в цитоплазму клетки. Примеры веществ, повреждающих механизмы поддержания го­меостаза кальция внутри клеток, представлены в табл. 11.

Таблица 11

Некоторые вещества, нарушающие внутриклеточный гомеостаз кальция

1. Высвобождение кальция из митохондрий: динитрофенол динитрокрезол кадмий	3. Усиление поступления кальция через плазматическую мембрану: четыреххлористый углерод 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин
2. Высвобождение кальция из эндоллазматического ретикупума: четыреххлористый углерод + бромбензол перекиси альдегиды	4. Угнетение эффлюкса кальция из клетки: цистамин хиноны паракват ^ ванадий

Цитотоксический эффект, опосредованный стойким повышением со­держания свободного кальция в цитоплазме, в настоящее время связыва­ют с развивающимся при этом повреждением целостности цитоскелета и неконтролируемой активацией катаболических энзимов (фосфолипаз, протеаз, эндонуклеаз).

Повреждение цитоскелета. Цитоплазма клетки помимо цитозоля и клеточных органелл, как правило, содержит еще и нитевидные белковые структуры, которые в массе формируют клеточный скелет. Это образова­ние выполняет не только стабилизирующую и структурирующую, но и другие функции, среди которых обеспечение клеточного деления, внут­риклеточный транспорт, секреция, обмен рецепторных белков, регуля­ция клеточной подвижности и формы.

При действии разнообразных веществ на изолированные клетки (ку­льтура ткани) выявляется отчетливое изменение формы их поверхности: появляются выпячивания цитоплазмы (пузырьками — blebs). Такое «пу- зырение» (или вскипание — blebbing) клеточной мембраны — один из ранних признаков разрушения сети цитоскелета, предшествующий раз­рушению клетки.

Кальций вовлечен в процесс поддержания структуры цитоскелета че­рез ряд Са²⁺-связывающих протеинов и Са²⁺-зависимых энзимов, обес­печивающих ассоциацию белков цитоскелета с белками плазматической мембраны. Во-первых, стойкое увеличение концентрации кальция в ци­тозоле разрушает комплекс актина микрофиламентов с а-актинином, белком, связывающим микрофиламенты цитоскелета с белками плазма­тической мембраны. Во-вторых, Са²⁺ активирует протеазы (см. ниже), которые могут расщеплять актин-связывающие белки, разрушая тем са­мым места прикрепления филаментов цитоскелета к клеточной мембра­не. Отщепление цитоскелета от мембраны приводит к ослаблению фик­сации последней и ее «вскипанию», что и наблюдается при действии различных токсикантов на клетки.

Активация фосфолипаз. Эти энзимы широко представлены в различ­ных клетках. Особое значение имеют фосфолипазы А2, основная функ­ция которых состоит в удалении из мембран поврежденных фосфолипи­дов путем отщепления жирных кислот, подвергшихся пероксидации. Фосфолипазы А2 являются Са²⁺- и кальмодулин-зависимыми энзимами

и, следовательно, чувствительными к повышению кальция в цитоплазме. При интоксикациях стимуляция фосфолипаз избыточным кальцием при­водит к усилению разрушения фосфолипидов мембран и повреждению клеток.

Активация протеаз. К числу протеаз с оптимумом активности в облас­ти нейтральных значений pH относятся АТФ-зависимые и Са²⁺-зависи- мые (кальпаины) протеазы. Кальпаины присутствуют практически во всех клетках млекопитающих. Они локализуются вне лизосом, в мемб­ранных структурах в форме неактивного комплекса с ингибиторными протеинами (кальпастатины). Основные функции кальпаинов — репара­ция цитоскелета и клеточных мембран, разрушение рецепторных протеи­нов и их обновление, активация некоторых энзимов, участие в процессах митоза. Неуправляемая активация кальпаинов кальцием приводит к по­вреждению микрофиламентов цитоскелета и гибели клеток.

Активация эндонуклеаз. При завершении клеткой жизненного цикла активируется процесс «программированной» физиологической клеточ­ной гибели — апоптоз. На ранних этапах в апоптотической клетке прояв­ляются морфологические изменения: «вскипание» клеточной и ядерной мембран, уплотнение органелл, конденсация хроматина. Биохимическим коррелятом процесса является активация эндонуклеаз, энзимов, расщеп­ляющих хроматин на фрагменты — олигонуклеосомы. Установлено, что кальций участвует в активации эндонуклеаз, а повышение его содержа­ния в цитоплазме значительно активирует процесс фрагментации ДНК. Активация эндонуклеаз может быть причиной гибели клеток печени, ми­окарда, почек и других органов при отравлениях многими химическими веществами.

5. Повреждение процессов синтеза белка и клеточного деления

В основе нарушения процессов синтеза белка, клеточного деления и пе­редачи наследственной информации лежит повреждение токсикантами молекул ДНК, РНК и ферментов, участвующих в их синтезе и репарации (табл. 12).

Кроме представленных в табл. 12 существуют и другие способы ток­сического повреждения процессов. Так, в фазе приготовления к митозу возможно повреждение центриолей и угнетение синтеза митотического аппарата, образующего клеточное веретено. Веретено формируется SH- содержащими протеинами (тубулином), которые благодаря -S-S-связям образуют нитевидные структуры. Естественно, токсиканты, взаимодей­ствующие с SH-группами, способны повреждать митотическое веретено и тем самым нарушать клеточное деление. Примерами таких токсикан­тов являются мышьяк, ртуть и их соединения, колхицин, подофилоток- син и др.

Таблица 12

Возможные точки приложения повреждающего действия токсикантов на процессы синтеза белка и клеточного деления

1. Синтез ДНК. Репликация

• изменение структуры (конформации) ДНК

• нарушение процесса полимеризации ДНК

• нарушение синтезе нуклеотидов

• нарушение процесса репарации ДНК

. нарушение механизмов регуляции синтеза ДНК

2. Синтез РНК. Транскрипция “ .

• резрушение РНК

• нарушение полимеризации РНК » нарушение процессии РНК

• нарушение синтеза нуклеотидов

• нарушение механизмов регуляции синтеза РНК

3. Синтез белка. Трансляция

• нарушение организации и процессии рибосом и полисом

• нарушение полимеризации аминокислот

• нарушение образования аминоацетил-tPHK

• нарушение формирования конформации белка и его третичной и четвертичной структур

• нарушение механизмов регуляции трансляции

Повреждающее действие химических веществ на ДНК называется ге­нотоксическим. Результатом генотоксического действия ксенобиотиков нередко является мутагенез.

Мутации — это наследуемые изменения генетической информации, хранящейся в ДНК клеток. Химические вещества, способные вызывать мутации, называются мутагенами.

Все клетки организма находятся в одной из фаз клеточного цикла:

1. Покоя (фаза Go): клетка функционирует или покоится (большинст­во соматических неделящихся клеток).

2. Синтеза клеточных компонентов, необходимых для последующего синтеза ДНК (фаза Gj): идет накопление необходимого количества пури­новых и пиримидиновых оснований и других химических компонентов ДНК. В делящейся клетке процесс занимает до 40% общего времени цик­ла клеточного деления.

3. Синтеза ДНК (фаза S): осуществляется «сборка» новой молекулы ДНК из наличествующих в клетке компонентов. Процесс занимает до 39% времени клеточного цикла.

4. Синтеза клеточных компонентов для митоза (фаза G2). В частности, синтезируются мономеры и полимер тубулина и т. д. Процесс занимает около 19% времени цикла делящейся клетки.

5. Митоза (фаза М): разделение генетического материала между вновь образующимися дочерними клетками; клеточное деление. Процесс зани­мает 2% времени.

Некоторые химические вещества способны вызывать мутации лишь тех клеток, которые находятся в определенной фазе цикла, это так назы­ваемые цикло-специфичные вещества. Другие действуют на генетиче­ский аппарат не зависимо от того, в каком периоде клеточного цикла находится клетка (цикло-неспецифичные). Такая особенность опреде­ляется механизмом токсического действии веществ (см. выше). К числу цикло-неспецифичных принадлежат мутагены, способные вызывать хи­мическое повреждение ДНК (алкилирующие агенты и химические мо­дификаторы нуклеотидов). Все остальные мутагены являются цикло­специфичными.

Основными видами мутаций, вызываемых химическими веществами, являются:

1. точечная мутация, связанная с модификацией одного нуклеоти­да в структуре ДНК (замещение нуклеотида, выпадение нуклео­тида из цепи, включение дополнительного нуклеотида в цепь);

2. хромосомные аберрации, т. е. изменение структуры хромосом (разрывы молекул ДНК, транслокации фрагментов ДНК) или числа хромосом в клетке.

Далеко не всякая модификация молекулы ДНК (мутация) является опасной для организма.

Клетки обладают способностью корректировать и устранять повреж­дения ДНК. Вследствие этого лишь небольшое число мутаций, иниции­рованных токсикантом, сохраняется в процессе репликации молекулы. Однако если мутация не распознана, извращенная информация транс­крибируется в РНК, а затем экспрессируется в форме неполноценного протеина. Последствия этого для клетки могут быть либо несуществен­ны, либо критичны, в зависимости от функций, выполняемых протеи­ном.

Неблагоприятные эффекты мутагенеза определяются также и тем, в клетках какого типа он реализуется: половых или соматических, стволо­вых и делящихся или созревающих и зрелых. Результатом грубых мута­ций половых клеток и делящихся клеток развивающегося плода являют­ся: стерильность особи, врожденная патология у потомства, тератогенез, гибель плода. Мутации стволовых и делящихся соматических клеток со­провождаются структурно-функциональными нарушениями тканей с не­прерывной физиологической регенерацией (система крови, иммунная система, эпителиальные ткани) и канцерогенезом. Повреждение токси­кантом ДНК зрелой соматической клетки не приводит к пагубным по­следствиям для организма.

1. лава а. ижоикицинлмикл

Последствия повреждения ДНК зависят от дозы токсиканта. Высокие дозы вызывают цитостатический эффект (гибель пула делящихся кле­ток), дистрофические изменения в клетке, более низкие — канцероген­ное, тератогенное действие.

Существует представление, согласно которому проникновение в ор­ганизм даже единственной молекулы генотоксиканта (в отличие от ток­сикантов с иным механизмом токсического действия) может привести к пагубным последствиям. Дело в том, что химическое повреждение еди­ничной молекулы ДНК в единичной клетке макроорганизма, при стече­нии обстоятельств, может стать причиной образования целого клона клеток с измененным геномом. Вероятность такого события бесконечно мала, но теоретически возможна. Такой характер действия веществ на биосистемы называется беспороговым.

3. Развитие токсического процесса

Повреждение биологических систем в наиболее общей форме реализует­ся нарушением основных функций живого:

• раздражимости;

• энергетического обмена;

• пластического обмена;

• системы физиологической регенерации и размножения;

• информационного обмена;

• интегративной регуляции.

Нарушение энергетического обмена, как правило, приводит к быст­рому формированию нарушений наиболее энергоемких органов (ЦНС, сердечная мышца, почки). Нарушение пластического обмена сопровож­дается медленным развитием длительно текущих патологических процес­сов в наиболее чувствительных органах и системах. Нарушение системы физиологической регенерации тканей проявляется поражением прежде всего системы крови, эпителия слизистой оболочки ЖКТ, органов ды­хания, кожи и ее придатков. Нарушение информационного обмена при­водит к нарушению механизмов нервной и гуморальной регуляции про­цессов, происходящих в организме. Вещества, нарушающие неявную регуляцию, как правило, вызывают быстро развивающиеся эффекты.

Клиническая картина интоксикации зависит прежде всего от того, ка­кие органы и ткани будут вовлечены в патологический процесс.

Проявления токсического процесса, инициируемого токсикантами различных групп, рассматриваются ниже.