20. Механизмы свободно-радикального повреждения клетки.

Механизмы повреждения клеток

На ранних этапах действия неблагоприятных факторов на клетку включаются механизмы матричного синтеза белков, а именно активируются те или иные факторы транскрипции, вызывающие синтез матричных РНК. В результате этого лроисходит синтез активных белковых факторов - ферментов, вызывающих совершенно определенные изменения в функционировании клеток, а иногда их самоликвидацию (апоптоз).

Кислород - зависимые механизмы

Одной из первых реакций на действие повреждающих факторов является активация кислород-зависимых механизмов - образование активных форм кислорода, которые вызываю пероксидацию молекул, в первую очередь, липидов с активацией мембранных фосфолипаз, детергентным действием лизофосфолипидов и свободных жирных кислот.

Перекисным окислением липидов (ПОЛ) называется свободнорадикальное окисление ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав фосфолипидов клеточных мембран. Инициаторами ПОЛ являются свободные радикалы, среди которых наибольшее значение имеют 0*2- супероксидный анион - радикал; ОН*- гидроксильный радикал; Н- - водородный радикал; Ог • * кислород,' у которого один из электронов перешел на более высокий энергетический уровень.

В процессе повреждения клетки возможны два механизма активации ПОЛ.

Первый механизм - избыточное образование первичных свободных радикалов. В этой ситуации имеющиеся в клетке антиоксидантные системы не в состоянии «потушить» реакции ПОЛ. По данному механизму происходит активация ПОЛ в случае повреждающего воздействия на клетку ультрафиолетовых лучей, ионизирующей радиации, гипероксии, некоторых ядов, в частности четыреххлористого углерода, в условиях сильного стресса (образование свободных радикалов из катехоламинов).

Второй механизм активации ПОЛ - нарушение функционирования антиоксидантных систем клетки. В этом случае инициаторами ПОЛ являются первичные свободные радикалы, образующиеся в процессе естественно протекающего обмена веществ. Антиоксидантная недостаточность может быть обусловлена наследственными и приобретенными нарушениями синтеза антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутазы, каталазы, глутатионпероксидазы, глутатионредуктазы); дефицитам железа, меди, селена, необходимых для функционирования этих' ферментов; гиповитаминозами Е, С; нарушениями пентозного цикла и цикла Кребса, в реакциях которых образуются НАДФН и НАДН, обеспечивающие восстановление истинных и вспомогательных антиоксидантов. Действие детергентов также может приводить к антиоксидантной недостаточности, вследствие чего нарушается строение липидного бислоя мембраны и открывается доступ свободных радикалов к обычно структурным в гидрофобном слое ненасыщенным жирным кислотам. Независимо от механизмов активации ПОЛ в клетке развиваются тяжелые изменения, связанные с нарушением барьерной и матричной функций клеточных мембран.

Активация мембранных фосфолипаз. В патогенезе повреждения клетки большое значение имеет чрезмерная активация фосфолипазы вг - фермента, осуществляющего гидролитическое отщепление ненасыщенной жирной кислоты - одного из двух гидрофобных хвостов молекулы фосфолипида.

Освободившееся под действием фосфолипазы вг ненасыщенные жирные' кислоты (арахидоновая, пектиновая) расходуются на образование физиологически активных соединений - простагландинов и лейкотриенов. Оставшаяся часть молекулы фосфолипида (лизофосфолипид) имеет лишь один жирнокислотный «хвост», вследствие чего обладает способностью к мицеллообразованию и является очень сильным детергентом.

¹ С детергентнЫМ действием лизофосфолипидов связано повреждение клеточных мембран в условиях чрезмерной активации фосфолипазы Аг. Основным фактором, вызывающим такую активацию, является высокая концентрация ионов Са в цитоплазме "клетки.

Свободные жирные кислоты в больших концентрациях, так же как и лизофосфолипиды, оказывают детергентное действие и вызывают нарушение липидного бислоя мембраны. Можно выделить 4 основных механизма повышения содержания , свободных жирных кислот в клетке:

• усиленное поступление свободных жирных кислот в клетку при гиперлипидемии, что ("Наблюдается при активации липолиза жировой ткани, в частности, при стрессе, сахарном диабете;

• усиленное освобождение свободных жирных кислот в лизосомах из триглицеридной части липопротеидов, поступающих в клетку, что имеет место в условиях Чиперлипопротеинемий, сопровождающих развитие атеросклероза;

• усиленное освобождение свободных жирных кислот из фосфолипидов мембраны под действием уже упоминавшихся мембранных фосфолипаз;

4) нарушение использования клеткой свободных жирных кислот в качестве источника энергии, что отмечается при уменьшении активности ферментов в-окисления и цикла Кребса, а также при гипоксии.

Для того, чтобы предотвратить повреждающее действие избытка жирных кйслот, клетка располагает системой ферментов, которые переводят свободные жирные кислоты в Трйглицериды. При этом наблюдается несвойственное в норме отложение последних в клетке в виде жировых капель, т.е. возникает жировая дистрофия клетки.

Описанные липидные механизмы повреждения приводят к нарушению двух основных • функций липидного бислоя клеточных мембран: барьерной и матричной. В основе нарушения барьерной функции мембран лежат два основных механизма: ионофорный и механизм электрического пробоя. Ионофорный механизм обусловлен появлением в клетке веществ, обладающих свойствами йонофоров, т.е. соединений, способных облегчать диффузию ионов через мембрану благодаря образованию комплексов иона и ионофора, проходящих через ее слои.

В процессе активации ПОЛ среди промежуточных продуктов его реакций появляются вещества - ионофоры по отношению к ионам Са²* и Н*. В результате этого повышается проницаемость клеточных мембран к этим ионам.

Механизм электрического пробоя связан с существованием на многих мембранах (плазматической, внутренней митохондриальной) разности потенциалов. В результате появления гидрофильных продуктов ПОЛ нарушаются электроизолирующие свойства клеточных мембран, что приводит к электрическому пробою мембраны, т.е. электро­механическому ее разрыву с образованием новых трансмембранных каналов ионной проводимости. Сущность матричной функции липидного бислоя мембраны состоит в том, что в нем вмонтированы мембранные ферменты и некоторые специализированные белки.

В процессе ПОЛ нарушается активность мембранных ферментов, поскольку изменяется их липидное микроокружение, которое во многом определяет свойства белковых молекул. Кроме того, в ходе реакций ПОЛ происходит образование «сшивок» между молекулами белков и фосфолипидов, а также окисление сульфгидрильных групп активных центров, что приводит к необратимой инактивации ферментов.

Кальций - зависимые меданизмы повреждения

Целый ряд важных патогенетических механизмов повреждения клетки обусловлен повышением концентрации ионов Са²* в ее цитоплазме. В основе такого повышения могут лежать два механизма: избыточное поступление ионов Са²* в цитоплазму и нарушение удаления их из цитоплазмы.

Избыточное поступление ионизированного Са²* в цитоплазму может осуществляться через неповрежденную плазматическую мембрану в случае повышения градиента его концентрации, например при гиперкальциемии. Поступление Са²* в цитоплазму усиливается в результате нарушения барьерной функции мембраны.

Удаление ионов Са²* из цитоплазмы нарушается вследствие недостаточности, трех основных кальцийтрансформирующих систем клетки: 1) Са-насосов плазматической

мембраны и эндоплазматического ретикулума; 2) Na-Ca-обменного механизма; 3) Са - аккумулирующей функции митохондрий!

Нарушение функционирования Са-насосов. может быть связано с наследственно обусловленными и приобретенными дефектами белковых компонентов Са²* насосов, а также с уменьшением в клетке концентрации АТФ, необходимой для осуществления процессов активного транспорта. Дефицит АТФ в клетке закономерно возникает в условиях нарушения энергетического обмена: при недостаточности энергетических источников в клетке, гипоксии, уменьшении активности ферментов гликолиза и цикла Кребса, угнетении ' процессов клеточного дыхания и окислительного фосфорилирования. Na-Ca-обменный Механизм удаления ионизированного С а²* из цитоплазмы обеспечивается энергией градиента концентрации ионов Na* по обе стороны плазматической мембраны. Основной "причиной нарушения Na*-Ca²* обмена является уменьшение указанного градиента, что происходит в условиях нарушения функции Na*-K* насоса, создающего этот градиент. Са- аккумулирующая функция Митохондрйй является одним из альтернативных путей использования энергии транспорта электронов по дыхательной цепи, когда освобождающаяся энергия идёт не на синтез АТФ, а на транспорт ионов Са²* из цитоплазмы в митохондрии против концентрационного градиента. С учетом этого Са- аккумулирующая функция митохондрий угнетается во всех случаях нарушения процессов транспорта элетронов по дыхательной цепи. Стойкое повышение содержания ионов Са²* в цитоплазме вызывает ряд важных последствий:

1) нарушение специфических функций клетки, в осуществлении которых принимают участие ионы Са²*; примером является развитие контрактуры миофибрилл мышечных клеток. При''этом утрачивается способность таких клеток к расслаблению, а Пересокращённые миофибриллы подвергаются разрушению над действием активированных избытком Са²* протеолитических ферментов;

2) активация фосфолипазы А2;

3f разобщение окисления и фосфорилирования.

Роль электролитно-осмотических механизмов в повреждении клеток

' Дисбаланс ионов и воды в клетке, как правило, развивается вслед за или одновременно с расстройствами энергетического обеспечения и повреждением мембран и ферментов. В результате существенно изменяется трансмембранный перенос многих ионов. В наибольшей мере это относится к Na*, К*, Mg²*, Са²*, CI-, т.е. ионам, которые принимают участие в таких жизненно важных процессах, как возбуждение, проведение потенциалов действия, электромеханическое сопряжение.

Ионный дисбаланс характеризуется изменением соотношения отдельных ионов в цитозоле и нарушением трансмембранного соотношения ионов как по обе стороны плазмолеммы, так и внутри клеточных мембран.

'Проявления ионного дисбаланса многообразны. Наиболее существенны для функционирования и самого существования клеток изменения ионного состава, определяемые разными мембранными АТФ-азами и дефектами мембран.

Вследствие нарушения работы Na*, К* -АТФазы плазмолеммы происходит накопление в цитозоле клетки избытка На* , потеря клеткой К*. Вследствие нарушения работы Na*- Са²*-ионообменного механизма плазмолеммы (обмен двух ионов Na*, входящих в клетку, на один Ион Са²*, выходящий из нее), а также Са²* - АТФаз происходит увеличение содержания Са²* в цитозоле.

Нарушения трансмембранного распределения катионов сопровождаются изменением содержания в клетке и анионов СОН-, НСОз^-.

Электролитно-осмотические механизму повреждения клетки обусловлены сдвигами в содержании главных клеточных катионов: Na* и К .Выравнивание концентрации этих ионов по обе стороны плазматической мембраны приводит к увеличению внутриклеточной концентрации ионов Na* и уменьшению концентрации ионов К* в клетке. В основе указанных сдвигов могут лежать два механизма:

• усиленная диффузия ионов через плазматическую мембрану;

• нарушение механизмов активного транспорта Na- и К*, обеспечивающих поддержание концентрационных градиентов указанных ионов.

Усиление диффузии ионов Na* в клетку и выход ионов К* из клетки могут происходить как через неповрежденную плазматическую мембрану в условиях общих нарушений водно- электролитного обмена в организме, так и при нарушении барьерной функции плазматической мембраны. Перемещение ионов Na⁺ и К* в этих случаях осуществляется через имеющиеся и вновь образовавшиеся каналы ионной проводимости за счет существующих концентрационного и электрической? градиентов.

Основу нарушений активного транспорта ионов Na+ и К* через плазматическую мембрану составляет недостаточность Na-K-насоса. Главной причиной нарушений работы этих механизмов является дефицит АТФ, за счет энергии которой достигается перемещение ионов Na* и К* против электрохимического градиента. Поскольку основным источником АТФ для Na-K-насоса является гликолиз, то нарушение этого процесса при недостаточном поступлении глюкозы в клетку или снижением, активности соответствующих ферментов будет приводить, к рассматриваемым здесь электролитным сдвигам. Причиной нарушения функции Na-K-насосов может быть также изменение свойств липидного бислоя наружной клеточной мембраны , в частности,^ увеличение содержания в нем холестерина, что наблюдается при атеросклерозе. Угнетение работы Na-К насосов вызывается и целой группой специфических ингибиторов Na-K-АТФазы.

Сдвиги электролитного состава клетки в процессе, ее повреждения проявляются развитием ряда изменений, среди которых наиболее важными являются:

1. потеря клеткой электрического мембранного потенциала (потенциала покоя);

2. отек клетки; „

3. осмотическое растяжение мембран, приводящее к нарушению их барьерной функции.

Важными последствиями ионного дисбаланса являются изменения объема клеток и клеточных органоидов (гипо-. и гипергидратация), а также нарушения электрогенеза в возбудимых клеточных элементах, Основная причина гипергидратации - повышение содержания Na* и Са²* в поврежденных клетках. Это сопровождается увеличением в них осмотического давления и накоплением воды. Клетки при этом набухают, объем их увеличивается, что сочетается с растяжением и нередко микроразрывами цитолеммы и мембран органелл.

Гипогидратация клеток наблюдается, например, при лихорадке, гипертермии, ' полиурии, инфекционных болезнях (холере, брюшном тифе,- дизентерии), Указанные состояния ведут к потере организмом воды, сопровождающейся выходом из клеток жидкости и растворенных в ней белков (в том числе ферментов), а также других ' органических и неорганических водорастворимых соединений, Внутриклеточная гипогидратация нередко сочетается со сморщиванием ядра, распадом митохондрий и , других органелл.

Нарушения электрогенеза в виде изменений характеристик мембранного потенциала , и потенциала действия имеют существенное значение, поскольку они нередко являются одним из важных признаков наличия и характера повреждения клеток.

Механизмы защиты и адаптации клеток к действию повреждающих агентов

Действие на клетку патогенных факторов сопровождается активацией различных реакций и процессов, направленных на устранение либо уменьшение степени повреждения и его последствий, а также обеспечивающих устойчивость клеток к повреждению. Совокупность этих, реакций обеспечивает приспособление (адаптацию) клетки к изменившимся условиям ее жизнедеятельности. В этой ситуации обязанность врача заключается в стимуляции защитных систем клетки.

Любое повреждение. клетки вызывает в ней разной степени выраженности специфические и неспецифические изменения,

Специфические. изменения клеток при повреждении характерны для данного патогенного фактора при действии его на различные клетки. Так, повышение осмотического давления в клетке, сопровождается ее гипергидратацией, растяжением мембран и нарушением их целостности. Под влиянием разобщителей окисления и фосфорилирования снижается или блокируется сопряжение этих процессов и уменьшается эффективность биологического окисления. Повышенное содержание в крови гормона коры надпочечников- альдостерона - ведет к накоплению в клетке Na⁺.

Неспецифические изменения в клетках находят при альтерации различных видов клеток и действии на них широкого спектра патогенных агентов: при гипоксии, ацидозе, чрезмерной активации свободнорадикальных и перекисных реакций; денатурации молекул _s белка; повышении проницаемости клеточных мембран; дисбалансе ионов и воды. Комплекс адаптивных реакций клеток условно подразделяют на внутриклеточные и межклеточные, или системные.

К внутриклеточным адаптивным механизмам относятся 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 ее реализации; компенсация расстройств механизмов регуляции внутриклеточных процессов; снижение функциональной активности клеток; регенерация; гипертрофия; гиперплазия.

Для межклеточных (системных) механизмов адаптации к повреждению характерно усиление взаимодействия клеток друг с другом. Такое взаимодействие осуществляется следующими путями: обмен метаболитами, местными биологически активными веществами - цитокинами, ионами; изменение лимфо- и. кровообращения; эндокринные влияния; нервные воздействия.

Все многообразные защитно-компенсаторные реакции клетки в ответ на её повреждение делятся на две группы:

1)реакции, направленные на восстановление нарушенного, внутриклеточного гомеостаза: а) активация механизмов активного транспорта веществ (Na-K-Са-насосов, Na- Са-, Na-H-обменных механизмов, микроциркулярного транспорта); б) усиление регенерации антиоксидантов; в) связывания, свободных жирных кислот (синтез триглицеридов); г) адаптация синтеза белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов. Непременными условиями реализации этих механизмов является достаточное энергообеспечение клетки. Это достигается повышением интенсивности энергетического обмена (активация гликолиза, клеточного дыхания, пентозного цикла) и перераспределением имеющихся в клетке энергетических ресурсов

2) реакции, направленные на создание функционального покоя поврежденной клетки. Их цель состоит в том,чтобы устранить возможные дополнительные сдвиги внутриклеточного гомеостаза при действии физиологических возмущающих факторов (стабилизация повреждения) и свести к минимуму энергетические затраты на исполнение специфических функций клетки. К таким реакциям можно отнести:

а) образование клеткой простагландинов и блокада ими в-адренорецепторов;

б) ингибирование аденилатциклазы и повышение активности фосфодиэстеразы, разрушающей цАМФ;

в) образование аденозина - естественного блокатора Са - каналов.

Клеточная и субклеточная регенерация

Регенерация - восстановление утраченной или поврежденной дифференцированной структуры. Различают физиологическую регенерацию и репаративную. Когда говорят о регенерации, тканей, имеют ввиду регенерацию клеток и клеточных типов. Процессы регенерации обеспечивают возмещение клеток и/или их отдельных структурных элементов взамен погибших, поврежденных или закончивших свой жизненный цикл. Дополнительно выделяют регенерацию внутриклеточных структур: она проявляется восстановлением органелл - митохондрий, пероксисом, эндоплазматической сети и других, вместо поврежденных или погибших.

Физиологическая регенерация - естественное обновление структуры. В ходе жизнедеятельности на смену погибшим клеткам приходят новые. В физиологической регенерации участвуют клетки всех обновляющихся популяций и образуемые ими тканевые структуры. Так, на смену закончившим жизненный цикл элителиоцитам слизистой оболочки пищеварительного тракта постоянно приходят новые клетки.

Репаративная регенерация - образование новых структур вместо поврежденных и на месте поврежденных. Принцип репаративной регенерации - появление многочисленных малодифференцированных клеток со свойствами, эмбриональных клеток зачатке регенерирующего органа или ткани. При репаративной регенерации какой-то структуры . реконструируются процессы развития этой структуры в раннем онтогенезе.

21. Реактивность — это свойство организма и его структур отве­чать изменениями жизнедеятельности на действие факторов внешней среды.Реактивность обеспечивает взаимодействие организма с окружаю­щим миром. Она существенно влияет на развитие и течение болезней.

Реактивность бывает:

а) видовой, групповой и индивидуальной.

Видовая реактивность присуща всем особям данного вида, группо­вая — определенной группе особей, индивидуальная — конкретному индивидууму;

б) неспецифической и специфической.

Неспецифическая (первичная, простая) реактивность проявля­ется при действии разнообразных факторов на организм. В ее осно­ве — генетически запрограммированные стандартные варианты от­вета (например, защитно-компенсаторные реакции при действии высокой и низкой температур, при кислородном голодании; фаго­цитоз и др.).

Специфической называется иммунологическая реактивность

в) физиологической и патологической.

Физиологическая реактивность охватывает реакции здорового организма. Патологической называют качественно измененную реактивность при действии патогенных факторов на организм. Ее примером является аллергия (см. разд. 10);  г) повышенной (гиперергия), пониженной (гипо-ергия) и извращенной (дизергия).