ПОВРЕЖДЕНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО АППАРАТА КЛЕТКИ

Все многообразные защитно-компенсаторные реакции клетки в ответ на ее повреждение можно условно разделить на 2 группы:

1) направленные на восстановление нарушенного внутриклеточного гомеостаза;

2) направленные на создание функционального покоя поврежденной клетки. Первая группа включает в себя активацию механизмов активного транспорта ионов, репаративный синтез поврежденных компонентов клетки, усиленную регенерацию антиоксидантных систем и др. Непременным условием реализации этих механизмов является достаточное энергетическое обеспечение клет­ки. Это достигается, с одной стороны, повышением интенсивности энергетического обмена (активация гликолиза, клеточного дыхания, пентозного цикла), а с другой - перераспределением имеющихся в клетке энергетических ресурсов.

Вторая группа реакций направлена на то, чтобы устранить воз­можные дополнительные сдвиги внутриклеточного гомеостаза при действии физиологических нервных и гуморальных возмущающих факторов (стабилизация повреждения) и свести к минимуму энерге­тические траты на выполнение специфических функций клетки, обеспечив таким образом энергетические ресурсы для восстановле­ния нарушенного гомеостаза

Можно выделить 6 групп молекулярных механизмов, имеющих важное значение в патогенезе повреждения клетки: липидные, кальциевые, электролитно-осмотические, ацидотические, протеиновые и нуклеиновые.

1. Липидные механизмы повреждения клетки включают в себя:

- перекисное окисление липидов;

- активацию мембранных фосфолипаз;

- детергентное действие свободных жирных кислот.

Перекисным окислением липидов (ПОЛ ) называется свободнорадикальное окисление ненасыщенных жирных кислот, входящих всостав фосфолипидов клеточных мембран. Инициаторами ПОЛ являются свободные радикалы, среди которых наибольшее значение имеют активные кислородсодержащие радикалы (АКР): супероксидный анион-радикал, гидроксильный радикал, водородный радикал, синглетный (возбужденный) кислород, у которого один из электронов перешел на более высокий энергетический уровень.

В процессе повреждения клетки возможны 2 механизма актива­ции ПОЛ.

Первый механизм — избыточное образование первичных свобод­ных радикалов. В такой ситуации имеющиеся в клетке антиоксидантные системы не в состоянии «потушить» реакции ПОЛ. По дан­ному механизму происходит активация ПОЛ в случае повреждаюшего воздействия на клетку ультрафиолетовых лучей, ионизирующей радиации,гипероксии,четыреххлористого углерода; в условиях сильного стресса (образование свободных радикалов из катехоламинов); при гипервитаминозе Д (образование свободных радикалов в результате процессов аутоокисления эргокальциферола).

Второй механизм активации ПОЛ — нарушение функционирова­ния антиоксидантных систем клетки. В этом случае инициаторами ПОЛ являются первичные свободные радикалы, образующиеся в процессе естественно протекающего обмена вешеств.

Антиоксиднты — это молекулы, обладаю­щие лабильным водородным атомом с неспаренным электроном:

LOO ^. + АН => LOOH + А ^.

А ^. + А ^. => А-А

где АН — антиоксидант, А-А его стабиль­ный несвободнорадикальный продукт.

Множество антиоксидантов, вырабатыва­емых клетками и поглощаемых извне в каче­стве полностью, либо частично незаменимых соединений сдерживают клеточное «атомное оружие», препятствуя длительному существо­ванию высоких концентраций АКР. Антиоксиданты — не просто набор веществ. Они способны восстанавли­вать друг друга и представляют собой антиоксидантные системы клеток.

Обычно выделяют три класса антиоксидантов:

Каталаза и глютатионпероксидаза — это энзимы предупредительного действия по­скольку они восстанавливают АКР (перекись водорода), провоцирующую цепной свобод­но-радикальный процесс, до неактивного со­стояния.

Супероксиддисмутаза — фермент-прерыватель цепной реакции. Она превращает при наличии восстановительных эквивалентов, супероксидный анион, способный, формировать наиболее активные АКР, в менее активную перекись водорода, разрушаемую каталазой. Субстратами — пре­рывателями цепной реакции служат фенолы (например, токоферол) и амины (например, цистамин).

Третья разновидность антиоксидантов — хелатирующие агенты, способные связывать железо и другие металлы-катализаторы и разветвители цепных свободнорадикальных реакций (например, десферол и унитиол)

Все упомянутые энзимы и их изоэнзимы являются металлоферментами. В состав их ак­тивных центров входят микроэлементы.|Глутатионпероксидаза и фосфолипид-глутатионпероксидаза - селеносодержащие ферменты. Различные тканевые изоферменты супероксиддисмутазы содержат цинк, или марганец и медь. Митохондриальная изоформа исполь­зует марганец, а цитозольные — цинк и медь.Калалаза является пероксисомальным железо-зависимым металлоферментом.

Главные антиоксидантные субстраты кле­ток — это тиоловые соединения. К ним относятся глютатион, циствин, Д-пеницилламин. Глютатион — важнейший компонент антиоксидантных систем печени, сердца, мозга, легких и клеток крови.Глютатион обладает радиопротекторными свойствами.

2. Активация мембранных фосфолипаз. В патогенезе повреждения
клетки важное значение имеет чрезмерная активация фосфолипазы А₂ - фермента, осуществляющего гидролитическое отщепление ненасыщенной жирной кислоты - одного из двух гидрофобных хво­стов молекулы фосфолипида.Освободившиеся под действием фосфолипазы А₂ ненасыщен­ные жирные кислоты (арахидоновая, пентаноевая и др.) 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. С детергентным действием лизофосфолипидов и связано повреждение клеточных мембран в услови­ях чрезмерной активации фосфолипазы А₂. Основным фактором, вызывающим такую активацию, является высокая концентрация ионов Са²⁺ в цитоплазме клетки.

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

I) усиленное поступление свободных жирных кислотв клетку при гиперлипоацидемии (повышении концентрации сво­бодных жирных кислот в крови), что наблюдается при активациилиполиза в жировой ткани, в частности, при стрессе, сахарном диа­бете;

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

3) усиленное освобожде­ние свободных жирных кислот из фосфолипидов мембран под дей­ствием уже упоминавшихся мембранных фосфолипаз;

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

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

Описанные выше 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.

Первый из них обусловлен появле­нием в клетке веществ, обладающих свойствами ионофоров, т.е. со­единений, способных облегчать диффузию ионов через мембрану благодаря образованию проходимых через ее слои комплексов иона и ионофора. В процессе активации перскисного окисления липидов среди промежуточных продуктов его реакций появляются вещест­ва - ионофоры по отношению к ионам кальция и водорода, в результате чего повышается проницаемость клеточных мембран для указанных ионов.

Второй механизм («самопробой») реализуется за счет существующей на многих мембранах (плазматической, внутренней митохондриальной) разности потенциалов. В результате появления гидрофильных продуктов перекисного окисления липи­дов, а также вследствие детергентного действия лизофосфолипидов и избытка свободных жирных кислот нарушаются электроизо­лирующие свойства гидрофобного слоя клеточных мембран, умень­шается их электрическая стабильность, что приводит к электричес­кому пробою мембраны, т.е. к электромеханическому ее разрыву с образованием новых трансмембранных каналов ионной проводи­мости.

Сущность матричной функции липидного бислоя мембран состо­ит в том, что в нем вмонтированы мембранные ферменты и неко­торые специализированные белки. В процессе перекисного окисле­ния липидов нарушается активность мембранных ферментов в связи с изменением их липидного микроокружения, во многом определяю­щего свойства белковых молекул. Кроме того, в ходе реакций ПОЛ может произойти образование «сшивок» между молекулами белков и фосфолипидов, а также окисление сульфгидрильных групп актив­ных центров, что приводит к необратимой инактивации ферментов.

Кальциевые механизмы. Целый ряд важных патогенетических ме­ханизмов повреждения клетки обусловлен повышением кон­центрации ионов кальция в ее цитоплазме. В основе такого повыше­ния могут лежать 2 механизма:

- избыточное поступление ионов Са²⁺ в цитоплазму;

- нарушение удаления ионов Са²⁺ из цитоплазмы.

Избыточное поступление ионизированного кальция в цитоплаз­му может осуществляться через неповрежденную плазматическую мембрану в случае повышения градиента его концентрации, например при гиперкальциемии. Однако гораздо чаще поступление кальция в цитоплазму усиливается в результате нарушения барьерной функции мембран, как это имеет место в условиях акти­вации уже рассмотренных липидных механизмов повреждения клет­ки.

Удаление ионов Са²⁺ из цитоплазмы нарушается вследствие недо­статочности трех основных кальцийтранспортируюших систем клет­ки:

1) Са²⁺ -насосов плазматической мембраны и эндоплазматическо-го ретикулума;

2) Nа⁺-Са²⁺ -обменного механизма;

3) Са²⁺ -аккумулируюшей функции митохондрий.

Нарушение функционирования Са²⁺ -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, в свою очередь, 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. Nа⁺-Са²⁺ -обменный механизм удаления иони­зированного кальция из цитоплазмы обеспечивается энергией градиента концентраций ионов Na⁺ по обе стороны плазматической мембраны. Поэтому основной причиной нарушения Na⁺- Са²⁺-обмена является уменьшение указанного градиента, что происходит в усло­виях нарушения функции Nа⁺-К⁺-насоса, создающего этот градиент.

Са²⁺ -аккумулирующая функция митохондрий является одним из альтернативных путей использования энергии транспорта электронов по дыхательной цепи, когда освобождающаяся энергия идет не на синтез АТФ, а на транспорт ионов Са²⁺ из цитоплазмы в ми­тохондрии против концентрационного градиента. С учетом этого Са²⁺ -аккумулирующая функция митохондрий угнетается во всех слу­чаях нарушения процессов транспорта электронов 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 пересокращенные миофибриллы подвергаются разрушению под действием акти­вированных избытком кальция протеолитичсских ферментов;

2) ак­тивация фосфолипазы А₂ (см. выше);

3) разобщение окисления и фосфорилирования.

В условиях повышения концентрации ионов Са²⁺ в цитоплазме данный эффект возникает в результате использования энергии кле­точного дыхания не на синтез АТФ, а на транспорт кальция из цито­плазмы в митохондрии. Кроме того, важное значение имеет повы­шение проницаемости внутренней митохондриальной мембраны под влиянием фосфолипазы А₂, активированной избытком ионов кальция.

Электролитно-осмотические механизмы. Электролитно-осмоти­ческие механизмы повреждения клетки обусловлены сдвигами в со­держании главных клеточных катионов: Na⁺ и К⁺.Выравнивание кон­центраций 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, обеспечивающих поддержание кон­центрационных градиентов указанных ионов:

1) усиленная диффузия ионов через плазматическую мембрану;

2) нарушение механизмов актив­ного транспорта Na⁺ и К⁺.

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 (гипернатриемия, гипокалиемия), 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 электрического градиен­тов.

Основу нарушений активного транспорта ионов Na⁺ и К⁺через плазматическую мембрану составляет недостаточность Na⁺ - К⁺-насосов. 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⁺ — К⁺-насосов является гликолиз, то нарушение этого процесса при недостаточном поступлении глюко­зы в клетку или уменьшении активности соответствующих ферментов будет приводить к рассматриваемым здесь электролитным сдвигам. Причиной нарушения функции Na⁺ — К⁺-насосов может быть также изменение свойств липидного бислоя наружной клеточной мембраны и, в частности, увеличение содержания в нем холестерина, что наблюдается при атеросклерозе. Угнетение работы Na⁺ — К⁺-насосов вызывается и целой группой специфических ингибиторов Na⁺ — К⁺-АТФазы (строфантин, оубаин и др.).

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

I) потеря клеткой электрического мембранного потенциала (потенциала покоя);

2) отек клетки и

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

Ацидотические механизмы. В основе этой группы механизмов повреждения лежит увеличение концентрации ионов водорода в клетке, т.е. внутриклеточный ацидоз.

Развитие внутриклеточного ацидоза может быть обусловлено следующими механизмами:

1) избыточным поступлением ионов во­дорода в клетку из внеклеточной среды, что наблюдается в условиях общих нарушений кислотно-основного гомеостаза в организме — при декомпенсированных газовом и негазовом ацидозе;

2) избыточ­ным образованием кислых продуктов в самой клетке, что отмечает­ся при активации гликолиза (молочная кислота), нарушениях цикла Кребса (три- и дикарбоновые кислоты), гидролитическом расщеп­лении фосфолипидов клеточных мембран (жирные кислоты, фо­сфорная кислота), усиленном распаде свободных нуклеотидов (фосфорная кислота);

3) нарушением связывания ионов водорода в результате недостаточности буферных систем клетки;

4) нарушением выведения ионов водорода из клетки при недостаточности Na⁺ —Н⁺-обменного механизма цитоплазматической мембраны, а также в условиях расстройства местного кровообраще­ния в тканях.

Повышение внутриклеточной концентрации ионов водорода приводит к развитию ряда изменений:

1) нарушению функциональ­ных свойств белков (ферментов, сократительных и др.) в результате изменений конформации их молекул;

2) активации лизосомальных гидролитических ферментов;

3) повышению проницаемости клеточ­ных мембран вследствие изменения жидкостного состояния мембранных липидов.

Протеиновые механизмы включают в себя:

1) ингибирование ферментов (обратимое и необратимое);

2) денатурацию, т.е. наруше­ние нативного строения белковых молекул в результате изменений вторичной и третичной структуры белка, обусловленных разрывом нековалентных связей;

3) протеолиз, осуществляющийся под дей­ствием лизосомальных гидролитических ферментов (катепсинов) и Са²⁺ -активируемых протеаз.

Основу нуклеиновых механизмов повреждения клеток составляют нарушения 3 процессов: репликации ДНК, транскрипции и транс­ляции.

На субклеточном уровне реализация рассмотренных выше моле­кулярных

механизмов повреждения клетки приводит к нарушению строения и функции отдельных ее органелл.

Повреждения клеточного ядра

Повреждение ядерной ДНК вызывает не­сколько типовых защитных реакций.В поврежденных клеточных ядрах проис­ходит включение целого ряда аварийных ге­нетических программ, считывание которых в нормальных условиях отсутствует или минимально.

К ним относятся:

-Гены белков теплового шока (БТШ);

-Немедленные гены предраннего ответа;

-Антионкогены;

-Гены-регуляторы программированой клеточной гибели;

-Ген маркера стареющих и поврежденных клеток (АСК).

Работа каждой из этих генетических сис­тем сочетает защитные и вторичные повреж­дающие эффекты.

Белки теплового шока

Белки теплового шока (БТШ) — многофунк­циональные клеточные регуляторы.

Впервые они были обнаружены в клетках дрозофил, подвергавшихся тепловому воздействию.Экспрессия данных белков специфична не только для тепловой травмы, она может быть индуцирована различными воздействиями (воспаление, инфекция, гипоксия, химические повреждения клеток тяжелыми металлами, мочевиной, перекисью водорода, мышьяком и этиловым спиртом).

Вместе с тем, повышенная экспрессия БТШ увеличивает и термпературную устойчивость клеток.

Считается, что БТШ могут представлять собой систему белковых клеточных детерген­тов и регуляторов ограниченного протеолиза. В этом качестве они способны поддержи­вать нативную конформацию синтезируемых в клетке белков, предохранять их от денату­рации и солюбилизировать белки, которые при клеточном стрессе утрачивают свою раство­римость, либо способствовать протеолизу де­натурированных белков.

БТШ синтезируются в небольших количе­ствах и в норме и могут, в частности, прини­мать участие в регуляции клеточной проли­ферации, обеспечивая конденсацию хромосом при митозе.

БТШ — элементы наибо­лее древних, неспецифических механизмов клеточной реактивности. БТШ способны ока­зывать цитопротекторное действие при по­вреждении, предохраняя клетку и от апопто­за и, в определенной степени, на ранних ста­диях (до развития тяжелой гипоксии)— также и от некроза.

Работа си­стемы БТШ способна как предохранять клет­ки от преждевременной запрограммирован­ной гибели (БТШ-70), так и индуцировать ее (убиквитины). Повреждение способно инду­цировать программы, устраняющие сами по­врежденные клетки.

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: