ПАТОФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ Вопросы 1 Причины и механизмы

ПАТОФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

Вопросы: 1. Причины и механизмы повреждения клетки 2. Механизмы клеточной адаптации 3. Механизмы клеточной смерти

Обязательным спутником повреждения является включение механизмов адаптации (приспособления к новым условиям). Если резервы адаптации исчерпаны, а состояние адаптации не достигнуто, клетка погибает. Иными словами, при действии повреждающего фактора клетка либо существует в состоянии адаптации к повреждению, либо погибает. Таким образом, содержанием понятия «патофизиология клетки» являются 3 основные блока информации: 1. Причины и механизмы повреждения клетки 2. Механизмы клеточной адаптации 3. Механизмы клеточной смерти

Повреждение клетки – типовой патологический процесс, характеризующийся нарушениями структуры, функций, метаболизма клетки и ее гомеореза (гомеостаза). Виды повреждения: • Первичное и вторичное • Острое и хроническое • Обратимое и необратимое • Насильственное и цитопатическое

• Причины повреждения клетки – факторы различной природы (физической, химической, биологической). • Не менее значимо в качестве причин повреждения клетки - отсутствие необходимых клетке факторов (кислорода, субстратов окисления, ферментов, витаминов и т. д. ).

Механизмы повреждения клетки. Повреждение клетки включает в себя нарушение ее структуры, функций и метаболизма. Наиболее значимыми для клетки являются следующие повреждения: 1. Повреждение мембранных структур 2. Нарушение структуры и функций органелл 3. Нарушение внутриклеточного метаболизма 4. Повреждение генетического аппарата клетки

1. Повреждение мембранных структур (цитоплазматической мембраны, внутренней мембраны митохондрий, мембраны ЭПР и др. ). Мембраны выполняют 2 основные функции: барьерную и структурную. Нарушение барьерной функции мембран. • Механизмы: • механическое (осмотическое) растяжение • перекисное окисление липидов • активация мембранных фосфолипаз Последствия: • нарушение нормального трансмембранного распределения ионов (потеря клеткой К+, избыток Na+, Ca 2+) • нарушение структуры и функции митохондрий, • эндоплазматического ретикулума (ЭПР) • изменений активности ферментов, рецепторов • набухание клетки (за счет избытка воды) • выход метаболитов из цитоплазмы в окружающую среду (ишемический токсин, ожоговый токсин и др. )

Нарушения структурной (матричной) функции мембран. В норме липидный бислой – жидкая фаза, обеспечивающая нормальное функционирование мембранных белков и ферментов благодаря определенному поверхностному заряду, определенной вязкости и площади. Изменение этих показателей (например, под действием мембранных фосфолипаз и ПОЛ) приводит к нарушению функционирования, например, ионных насосов, рецепторов к холестерину и др.

2. Нарушение структуры и функций органелл – второе значимое проявление повреждения клетки. Наиболее чувствительны к повреждению: митохондрии, лизосомы, ЭПР (рибосомы и полисомы), цитоскелет. • Митохондрии. Повреждение митохондрий, согласно современным представлениям, является ключевым моментом в жизнеспособности клетки, фактором необратимости повреждения. Последствия: нарушается вся система энергетического обеспечения клетки: окисление в цикле Кребса, транспорт электронов, фосфорилирование АТФ, сопряжение окисления и фосфорилирования, ресинтез АТФ. Дефицит энергии может привести к самым трагическим последствиям – гибели клетки

• Лизосомы. Последствия: выход лизосомных ферментов в цитоплазму, их активация и повреждение субклеточных структур и макромолекул. • ЭПР. Повреждение рибосом и полисом ведет к нарушению синтеза белков. • Цитоскелет – система белковых нитей в цитоплазме. В норме постоянно перестраивается, обеспечивая движение клетки, деление, внутриклеточный транспорт, секрецию, аксональный ток, перемещение органелл. Механизмы повреждения цитоскелета: 1) непосредственное повреждение белковых молекул (некоторые цитостатики, колхицин, алкалоид барвинка, токсины бледной поганки) и 2) увеличение концентрации Ca 2+ в цитозоле, что ведет к разрыву связей между отдельными белками цитоскелета или к активации Ca 2+-зависимых ферментов, расщепляющих эти белки. Последствия: нарушение в клетке перечисленных выше процессов (движение, деление и т. д. ).

3. Нарушение внутриклеточного метаболизма третье значимое для клетки повреждение проявляется ацидозом и активацией различных ферментов. • Ацидоз является следствием накопления кислых субстанций (недоокисленных продуктов). Последствия: повышение проницаемости мембран, изменение активности ферментов. • Активация Ca 2+-зависимых протеаз ведет к повреждению цитоскелета клетки вплоть до полного разрушения. • Активация кальцием эндонуклеаз (цитоплазматических и ядерных ДНКаз) ведет к расщеплению хроматина и гибели клетки путем апоптоза.

4. Повреждение генетического аппарата клетки Прямое повреждение нуклеиновых кислот (изменение структуры ДНК) называется генотоксическим эффектом. К генотоксическим факторам относят: ионизирующую радиацию, ультрафиолет, видимый свет в присутствии фотосенсибилизаторов, некоторые химические соединения (иприты, эпоксиды и др. ), вирусы (герпесвирусы, аденовирусы, онкорнавирусы и др. ), некоторые лекарственные средства. Тератогенное действие: противосудорожные, тетрациклины, противоопухолевые, кортикостероиды. Канцерогенное: оральные контрацептивы и анаболические стероиды (гепатоцеллюлярный рак), противоопухолевые (лейкоз, лимфома, карцинома). • Наиболее чувствительны к генотоксическому воздействию активно делящиеся клетки: эмбриональные, герминативные, эпителиальные, клетки кожи, слизистых, костного мозга. Последствия зависят от длительности, времени воздействия и дозы: – Острое воздействие в сверхпороговых дозах на зародышевые ткани на ранних стадиях их дифференцировки оказывает тератогенное действие. – Хроническое, беспороговое воздействие на пролиферирующие клетки на любой стадии митоза или гаметогенеза оказывает мутагенное и канцерогенное действие.

• Механизмы адаптации клетки при ее повреждении делятся на 2 группы: 1. Внутриклеточные 2. Межклеточные

Внутриклеточные механизмы адаптации (реализуются поврежденными клетками): 1. Компенсация энергетических нарушений (за счет усиления митохондриального синтеза энергии, ее транспорта и утилизации, активации гликолиза и др. ) 2. Защита мембран и ферментов (за счет активации ферментов антиоксидантной защиты, буферных систем, ферментов микросом ЭПР, усиления репарации субклеточных структур и др. ) 3. Коррекция ионного дисбаланса (за счет улучшения энергетического обеспечения ионных насосов, повышения активности ферментов транспорта ионов, нормализации p. H благодаря буферам, активации гликолиза с высвобождением К+ и др. ) 4. Устранение генетических дефектов (устранение разрывов молекул ДНК, замена поврежденного участка ДНК нормальным, нормализация процессов транскрипции и трансляции ДНК и др. ) 5. Снижение функциональной активности клетки, что позволяет сэкономить энергетические ресурсы (за счет уменьшения числа или активности рецепторов, снижения эффекторной импульсации от нервных центров, снижения интенсивности метаболизма, подавления активности отдельных генов и др. ) 6. Усиление синтеза белков теплового шока (белков стресса) – heat shock proteins, HSP; предотвращают накопление в клетке белковых агрегатов и предотвращают таким образом ее гибель; 7. Гипертрофия, иногда атрофия (гепатоцитов при хроническом венозном застое) 8. Гиперплазия 9. Регенерация

Межклеточные механизмы адаптации (реализуются неповрежденными клетками): 1. Обмен метаболитами и местными БАВ (цитокинами, ионами) 2. Реакции системы иммунобиологического надзора: АТ, сенсибилизированные Т-лимфоциты, фагоцитоз) 3. Изменения лимфо- и кровообращения (коллатеральное кровообращение при ишемии) 4. Гормональная регуляция (контринсулярные гормоны при гипогликемии: А, ГК, СТГ) 5. Нервная регуляция (раздражение дыхательного центра при гипоксемии через хеморецепторы)

КЛЕТОЧНАЯ СМЕРТЬ Смерть клетки при ее повреждении может происходить путем: – апоптоза – некроза Если клетка подверглась воздействию умеренно сильного повреждающего воздействия, она сама включает программу самоуничтожения – апоптоз. Если на клетку воздействует мощное повреждающее воздействие, клетка не может «позволить себе «роскошь апоптоза, поскольку это энергоемкий, «дорогой проект» и будет погибать путем некроза.

Некроз Смерть клетки путем некроза – это всегда насильственная смерть, т. е. от повреждения. В процессе насильственной гибели клетки выделяют 3 этапа: паранекроз, некробиоз, некроз. Собственно некроз – это лишь последний, заключительный этап процесса умирания, фактически – его результат. Наибольший интерес для патофизиолога представляет 2 этап – некробиоз (механизмы). • Паранекроз (преднекроз) – начальная, обратимая стадия повреждения. Характеризуется: внутриклеточным ацидозом, исчезновением гранул гликогена, потерей К+, набуханием клетки, повышенной проницаемостью мембран лизосом. • Некробиоз – глубокая, частично обратимая стадия повреждения клетки, непосредственно предшествующая моменту ее смерти. Некробиоз иногда отождествляют непосредственно с процессом (механизмом) гибели клетки. Различают 2 вида некробиоза. Фактически это 2 типовых механизма умирания клетки (всего 2, несмотря на многообразие причин): 1. Гипоксический 2. Свободнорадикальный

Антиоксидантные механизмы. • Антиоксиданты – молекулы, обладающие лабильным водородным атомом с неспаренным электроном. Они вырабатываются клетками, а также поступают в организм извне. Виды: 1. каталаза и глутатионпероксидаза. Они восстанавливают перекись водорода до неактивного состояния и таким образом предупреждают запуск цепной реакции. 2. супероксиддисмутаза (СОД). Она превращает при наличии восстановительных эквивалентов супероксидный анион в менее активную перекись, которая разрушается каталазой. Все энзимы являются металлоферментами. В состав глутатионпероксидазы входит селен. Различные изоферменты СОД содержат цинк или марганец и медь. 3. хелаты (унитиол, десферол) связывают железо и другие металлы, играющие роль катализаторов и разветвителей цепной реакции. Ситуации, когда резко усиливается продукция АКР: воспаление, инфекционное повреждение клетки, иммунопатологический цитолиз, разрушение опухолевых, микробных или зараженных вирусами клеток, травматический шок, синдром длительного раздавливания, стресс и др. Кроме того, продукция АКР может резко возрастать непосредственно под действием этиологического фактора (вода + органические молекулы = АКР): ионизирующая радиация, высокие концентрации О 2 и озона, двухвалентного железа, иприт, люизит. АКР могут также образовываться в ходе метаболизма яда или лекарства (четыреххлористый углерод).

Основные повреждающие эффекты АКР: 1. Сшивка мембранных, внутриклеточных и внеклеточных липидов и белков с инактивацией ферментов и рецепторов. 2. Повреждение ДНК и, как следствие, мутагенное, канцерогенное, тератогенное действие. 3. Перекисное окисление липидов плазматической и внутриклеточных мембран и как основное негативное следствие – перегрузка клетки Ca 2+.

Порочный круг клеточной патологии повреждение мембран (по любому механизму) → энергодефицит → увеличение содержания Ca 2+ в клетке → активация мембранных фосфолипаз → повреждение мембран (круг замкнулся).

Третий (заключительный) этап умирания клетки от повреждения – некроз (после паранекроза и некробиоза). • Некроз – цепь посмертных изменений в клетке. Эти посмертные изменения укладываются в категории колликвационного, коагуляционного или казеозного некроза.

Апоптоз – запрограммированная клеточная смерть, смерть по генетической программе. Это своеобразный процесс саморазборки, самоуничтожения клетки. В первую очередь, путем апоптоза происходит: • устранение клеток в раннем онтогенезе, • физиологическая инволюция • уравновешивание митозов в зрелых тканях и клеточных популяциях. • устранение мутантных клеток • клеток, пораженных вирусом (ВИЧ, например); в этих случаях говорят: «альтруистический суицид»

Внеклеточные апоптогенные факторы: • стероидные гормоны (глюкокортикоиды, минералокортикоиды, половые, тиреоидные, кальцитриол) • антигены, антитела • цитокины (ФНО α, интерлейкины 1 и 10, интерферон γ, βтокоферол). Внутриклеточные апоптогенные факторы: • дефицит ростовых факторов (ИЛ-2, 3, 4; интерферона α, эритропоэтина, колониестимулирующих факторов), • накопление нерепарируемых разрывов ДНК, • повреждение клетки вирусами, • ионизирующей радиацией, ультрафиолетом, • токсинами и др.

Апоптогенные факторы взаимодействуют со специализированными мембранными «рецепторами смерти» , в основном из суперсемейства фактора некроза опухолей (TNF RI, TNF RII, Fas, DR 3, DR 5). В результате происходит: • экспрессия генов-индукторов апоптоза: FAS/APO-1, P 53, BAX, PIG, с-myc, max, сed-3 • и/или репрессия генов-блокаторов апоптоза (семейства BCL-2) Как следствие – синтезируются или активируются ферменты (каспазы, кальпаины, эндонуклеазы), запускающие механизмы саморазборки клетки: • образование АКР • накопление Ca 2+ в цитоплазме • расщепление ДНК и деградация хроматина

Некроз: • некрозу подвергается группа клеток • процесс запускается патологическими стимулами • процесс начинается с мембран • мембраны разрыхляются и разрушаются рано (!) • активация лизосомных ферментов • энергозависимость есть • размеры клетки увеличиваются • кариолизис • (лизис гранул) • перифокальное воспаление есть • прекращение синтеза белков • способ элиминации клетки – лизис, фагоцитоз Апоптоз: • апоптозу подвергается отдельная клетка • процесс запускается физиологическими и патологическими стимулами • процесс начинается с ядра • мембраны уплотняются и разрушаются поздно • активация эндонуклеаз, фрагментирующих ДНК • энергозависимости нет • размеры клетки уменьшаются • кариопикноз и кариорексис • (уплотнение гранул) • конденсация и фрагментация цитоплазмы • перифокального воспаления нет • синтез белков теплового шока, АРО-1 и других специальных белков • способ элиминации клетки - образование апоптозных тел с последующим фагоцитозом соседними клетками и фагоцитами