Основные механизмы повреждения клетки

Повреждение клетки определяется как типический патологический процесс, суть которого состоит в нарушении внутриклеточного гомеостаза, что выражается в нарушении структурной целостности и функционирования.

Этиологияповреждений клеток.

Различают внешние и внутренние причины повреждения клеток.

Внешние причины:

• физические (механические, осмотические, термические, лучевые);

• химические (яды, канцерогены, соли тяжелых металлов, лекарственные препараты);

• биологические (микроорганизмы, вирусы, внутриклеточные паразиты и др.).

Внутренние причины:

• генетические дефекты клеток;

• мутации на уровне генов и хромосом;

• старение клетки.

По механизмам возникновения повреждения (патогенетическим механизмам) выделяют следующие варианты:

• наследственный: действие повреждающих факторов на исходно здоровую клетку;

• цитопатический: первично нарушается гомеостаз клетки (при гипоксиях, недостаточности антиоксидантной и других защитных систем, генетические нарушения и др.).

Основные механизмы повреждения клетки.

При действии любого причинного фактора, как правило, возникает комплекс механизмов повреждения. Поэтому выделение отдельных механизмов в значительной степени условно. Принято выделять следующие из них в качестве основных:

• мембраногенные;

• митохондриальные и других клеточных органелл;

• ацидотический;

• кальциевые;

• генотоксические;

• нарушения рецепции и вторичных мессенджеров.

І. Мембраногенные механизмы повреждения клеток.

Мембранные структуры клетки:

цитоплазматическая мембрана,

митохондриальная,

мембраны эндоплазматического ретикулума.

Основной функциональный слой – липидный. Причины его нарушения:

• липидная пероксидация (ПОЛ);

• осмотическое растяжение;

• действие фосфолипаз;

• адсорбция полиэлектролитов.

Патогенетическая цепь нарушений

Мембраногенное действие

↓

нарушение молекулярной упорядоченности

липидного слоя мембран, образование ионофоров, облегчающих диффузию ионов через мембрану, а также каналов и пор;

ослабление электроизолирующих свойств гидрофобного слоя и «электрический пробой» мембран

↓

нарушение функции ионных насосов и каналов;

образование лизофосфолипидов с детергентным действием

↓

повышение проницаемости мембран

↓

потеря клеткой ионов К⁺ и накопление ионов Са²⁺

↓

нарушение поляризации, рецепции и осмотических свойств клетки

↓

набухание клетки

↓

нарушение функций

Электрический пробой мембраны – электромеханический разрыв с образованием новых трансмембранных каналов.

Детергентное действие проявляется снижением поверхностного натяжения клеточных мембран.

Перекисное окисление липидов - свободнорадикальное окисление ненасыщенных жирных кислот фосфолипидов клеточных мембран.

Инициаторы ПОЛ – свободные радикалы:

супероксидный радикал, гидроксильный радикал,

(^• О₂^-) (ОН^•)

водородный радикал (Н^•), (^•О₂^--синглетный (возбужденный

кислород).

Особенности ПОЛ:

• цепной характер вследствие вовлечения новых молекул ненасыщенных жирных кислот;

• разветвленный характер, когда промежуточные продукты ПОЛ становятся источниками новых свободных радикалов.

ІІ. Митохондриальные механизмы.

Действие токсических веществ, перекисное окисление

липидов, гипоксия

↓

нарушение работы переносчиков электронов

увеличение проницаемости внутренней мембраны

↓

уменьшение скорости потребления кислорода,

разобщение окислительного фосфорилирования

↓

снижение уровня АТФ в клетке

↓

нарушение функции ионных насосов

↓ ↓

падение разности потенциалов вхождение в клетку

на мембране митохондрии ионов Са²⁺, Nа⁺ и выход ионов К⁺

↓ ↓

выход ионов Са²⁺из митохондрий

набухание митохондрий

↓

активация ферментов

(фосфолипаз,протеаз,

протеинкиназ и др.)

↓

активация, затем

дезорганизация метаболизма

↓

абсорбция ионов Са²⁺ на митохондриях

↓

деструкция митохондрий

ІІІ. «Кальциевые» механизмы повреждения клетки.

При нормальном функциональном состоянии клетки проникновение в нее ионов Са²⁺ происходит через следующие каналы:

• быстрые потенциалзависимые Са²⁺-каналы; открываются на короткий срок при перезарядке мембраны;

• медленные потенциалзависимыеСа²⁺-каналы; они открыты постоянно при подпороговой деполяризации мембраны и через них проникает избыток ионов при гиперкальциемии.

При повреждении мембран и метаболизма клетки концентрация ионов Са²⁺ внутри клетки возрастает, что служит признаком начинающихся необратимых нарушений. Повышение внутриклеточного содержания кальция может быть результатом его повышенного проникновения в цитоплазму или нарушения его удаления.

Увеличение «вход» ионов Са²⁺ в клетку может наблюдаться при:

• повышении проницаемости мембран;

• нарушении Nа⁺ - Са²⁺-обменного механизма, т.е. градиента концентраций ионов Nа⁺ по обе стороны мембраны, необходимого для переноса Са²⁺.

Нарушение удаления ионов Са²⁺ из цитоплазмы

обусловлено повреждением энергозависимых ионных насосов (недостаточный синтез АТФ, снижение активности Са²⁺-зависимой АТФ-азы. В результате нарушаются:

• транспорт кальция в эндоплазматический ретикулум

• Са²⁺-аккумулирующая функция митохондрий.

Внутриклеточный избыток ионов Са²⁺ приводит к формированию «порочных кругов» нарушений, ведущих к необратимому повреждению клетки.

Повышение внутриклеточной концентрации ионов Са²⁺

активация фосфолипазы А₂ нарушение биоэнергетической

↓ функции митохондрий

↓ ↓

расщепление фосфолипидов с разобщение окислительного

выделением ненасыщенных фосфорилирования

жирных кислот ↓

↓ снижение синтеза АТФ

повышение проницаемости ↓

мембран снижение активности ионных

насосов, в том числе кальциевого

↓ ↓

увеличение поступления нарушение удаления

ионов Са²⁺в клетку ионов Са²⁺из клетки

нарастание избытка ионов Са²⁺в клетке

и нарастание нарушений

При избыточном содержании ионов Са²⁺ в клетке происходят:

• нарушение специализированных функций клеток (взаимодействие сократительных белков и сократительных мышечных волокон; генерирование потенциалов действия им др.);

• изменение свойств белков, соединенных с ионами Са²⁺(кальмодулин, тропонин-С и др.);

• разобщение окислительного фосфорилирования;

• повреждение клеточных мембран.

ІV. Ацидотический механизм (физических, токсических, бактериальных воздействий).

Осуществляется при многих повреждениях клетки и развивается вследствие накопления недоокисленных продуктов обмена веществ (например, молочной и других органических кислот). Всегда возникает при гипоксии.

Патогенетическая цепь изменений:

Гипоксия

↓

усиление анаэробного гликолиза

↓

накопление уменьшение синтеза АТФ и активности АТФ-аз

кислых ↓

метаболитов нарушение функции ионных насосов

↓ ↓

угнетение накопление ионов Са²⁺ в клетке

лактатдегидро- ↓

геназы активация фосфолипаз нарушение

↓ ↓ функции

активация гидролиз фосфолипидов митохондрий

кислых ↓ ↓

лизосомальных увеличение проницаемости накопление

гидролаз мембран кислых

↓ продуктов

расщепление белков,

жиров, углеводов,

нуклеиновых кислот

При значительно выраженном внутриклеточном ацидозе формируется «шоковая клетка». Этому способствует, прежде всего, ишемия, так как при этом не удаляются продукты жизнедеятельности клетки. Признаки: выраженное набухание митохондрий, эндоплазматического ретикулума, а также лизосом с выходом лизосомальных ферментов.

V. Повреждение генетического аппарата клетки (генотоксические механизмы).

Первичным является повреждение структуры ДНК с возникновением генных мутаций. Последствия мутаций:

• в половых клетках – наследственная патология;

• в соматических – гибель клетки, трансформация в опухолевую;

• нейтральных исход.

Причины мутаций: вирусные, лучевые и химические воздействия. При этом в ДНК может происходить дезаминирование и гидратация аминокислот, расщепление оснований и спиралей ДНК, изменение синтеза белков. Радиочувствительность клеток наибольшая в фазах пресинтетической и премитотической.

VІ. Повреждение клетки, вызванное нарушениями рецепторов и систем вторичных мессенджеров.

Основные механизмы нарушений рецепторного аппарата клетки – нарушения

• взаимодействие с регуляторными молекулами (гормонами, медиаторами);

• фосфорилирования (активации) протеинкиназ;

• образования и эффектов вторичных мессенджеров.

Общие проявления повреждения клетки:

• специфические и неспецифические проявления;

• морфологические и функциональные нарушения:

- уменьшение дисперсности коллоидов цитоплазмы и ядра и увеличение адгезивных свойств этих клеточных структур к красителям;

- изменение вязкости цитоплазмы;

- изменение биологических процессов;

- повышение проницаемости мембран;

- снижение мембранного потенциала;

- изменение баланса ионов Nа⁺, К⁺, Са²⁺;

- отек и набухание клетки;

- нарушение функций клетки

• дистрофии и дисплазии клетки, паранекроз, некробиоз, некроз, аутолиз.

Механизмы защиты и адаптации клеток при повреждающих воздействиях:

• микросомальные механизмы детоксикации:

- буферные системы и антиоксиданты клетки;

- антимутационные механизмы;

• приспособительные изменения функциональной активности клетки (рецепторного и генетического аппарата, метаболизма);

• клеточная и субклеточная регенерация;

• пути повышения устойчивости клеток к действию патогенных факторов.

В антиоксидантную систему защиты клеток включены следующие
факторы:

• ферменты, инактивирующие свободные радикалы (супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза и др.);

• хелаторы ионов металлов с переменной валентностью (трансферрины, ферритин, церулоплазмин и др.);

• фенольные соединения – «ловушки» свободных радикалов – альфа-токоферол (витамин Е), коэнзимQ и др.;

• аскорбиновая кислота (витамин С);

• каротиноиды – жирорастворимые растительные пигменты;

• тиоловые соединения (SH-содержащие).