Повреждение клетки: характеристика понятия; основные причины и типовые механизмы повреждения клетки. Повреждение Изменение мембранного потенциала
ПОВРЕЖДЕНИЯ. НЕКРОЗ. АПОПТОЗ
Под воздействием избыточных физиологических, а также пато-логических стимулов в клетках развивается процесс адаптации
,
в результате которого они достигают устойчивого состояния, позво-ляющего приспособиться к новым условиям. Если лимиты адапта-ционного ответа клетки исчерпаны, а адаптация невозможна, насту-пает повреждение клетки . До определенного предела повреждение клетки обратимо. Однако, если неблагоприятный фактор действует постоянно или его интенсивность очень велика, наступает необра-тимое повреждение клетки и ее смерть (схема 2.1).
Смерть клетки -конечный результат ее повреждения, наиболее распространенное событие в патологии, сопровождающее существо-вание любого типа клетки, главное следствие ишемии (местного малокровия ткани), инфекции, интоксикации, иммунных реакций. Это естественное событие в процессе нормального эмбриогенеза, развития лимфоидной ткани, инволюции органа под действием гор-монов , а также желанный результат при радиотерапии и химиоте-рапии рака.
| Повреждение и гибель клетки | Схема 2.1. | |||||||||
| Воздействие | ||||||||||
| Повышенная | Обратимое повреждение | |||||||||
| клетки | ||||||||||
| Продолжающееся | ||||||||||
| воздействие | ||||||||||
| Сильное | ||||||||||
| Адаптация | Среднее | |||||||||
| Гипертрофия | Атрофия | Необратимое | |||||||||
| Метаплазия | повреждение | ||||||||||
| Гиперплазия | |||||||||||
| Дисплазия | клетки | ||||||||||
| Прекращение | |||||||||||
| воздействия | |||||||||||
| Нормальная | Некроз | ||||||||||
| клетка | |||||||||||
Ге н е т и ч е с к и е п о в р е ж д е н и я клеток могут быть следст-вием, как правило, врожденных пороков развития, например, болезни Дауна. Многие врожденные нарушения метаболизма связаны с эн-зимопатиями.
Д и с б а л а н с п и т а н и я нередко является основной причи-ной повреждения клеток. Дефицит белковой пищи, специфичес-ких витаминов остаются распространенным явлением во многих странах.
Механизмы повреждения клеток. Молекулярные механизмы повреждения клеток , приводящие к их смерти, очень сложны. Так же, как существует много причин повреждения клеток, так и нет общего единого механизма их смерти.
Хотя точку приложения повреждающего агента не всегда удается определить, известны четыре наиболее чувствительные внутрикле-точные системы. Во-первых, это поддержание целостности клеточ-ных мембран, от чего зависит ионный и осмотический гомеостаз клетки и ее органелл, во-вторых, аэробное дыхание, включающее окислительное фосфорилирование и образование АТФ, в-третьих, синтез ферментов и структурных белков, в-четвертых, сохранение генетического аппарата клетки.
Структурные и биохимические элементы клетки настолько тесно связаны, что повреждение в одном месте приводит к обширным вто-ричным эффектам. Например, нарушение аэробного дыхания повреждает натриевый насос, который поддерживает ионно-жидко-стный баланс, что, в свою очередь, вызывает нарушение внутрикле-точного содержания ионов и воды.
Морфологические изменения выявляются только после того, когда нарушения биологической системы клетки проходят некий критический уровень. Причем, развитие морфологических призна-ков смертельного повреждения клетки занимает больше времени , чем появление обратимых изменений. Например, набухание клетки обратимо и может развиться в течение нескольких минут. Однако достоверные светооптические изменения, свидетельствующие о смерти клетки, обнаруживаются в миокарде лишь через 10-12 ч после тотальной ишемии, хотя и известно, что необратимые повреж-дения наступают уже через 20-60 мин. Естественно, ультраструк-турные повреждения будут видны раньше, чем светооптические.
Реакция клеток на повреждающие воздействия зависит от типа, продолжительности и тяжести последних. Так, малые дозы токсинов или непродолжительная ишемия могут вызвать обратимые измене-ния, тогда как большие дозы того же токсина и продолжительная
ишемия приводят к немедленной гибели клетки или медленному необратимому повреждению, приводящему к клеточной смерти.
Тип, состояние и приспособляемость клетки также влияют на последствия ее повреждения. Для ответа клетки на повреждение важны ее гормональный статус, характер питания и метаболические потребности. Поперечнополосатая мышца голени в покое, напри-мер, может обойтись без кровоснабжения, а сердечная мышца - нет. Одни и те же концентрации токсина , например, четыреххлористого углерода, могут быть безопасными для одного индивидуума, но при-водят к гибели клеток печени у другого, что объясняется содержанием
печени ферментов, расщепляющих четыреххлористый углерод до нетоксичных продуктов.
Механизмы действия многих агентов хорошо известны. Ряд токси-нов вызывает повреждение клеток, воздействуя на эндогенные субст-раты или ферменты. При этом особенно чувствительными являются гликолиз, цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирова-ние на внутренних мембранах митохондрий. Цианид, например, инак-тивирует цитохромоксидазу, а флуороацетат препятствует реализации цикла лимонной кислоты, что приводит к истощению АТФ. Некото-рые анаэробные бактерии, такие как Clostridium perfringens, вырабаты-вают фосфолипазы, атакующие фосфолипиды клеточных мембран.
Наиболее важными для развития повреждения и смерти клетки считают четыре механизма.
Во-первых, в основе повреждения клет-ки при ишемии лежит отсутствие кислорода. При недостаточном поступлении кислорода в ткани образуются его свободные радикалы, вызывающие перекисное окисление липидов, что оказывает разру-шительное действие на клетки.
Во-вторых, особую роль в повреждении клетки имеет нарушение гомеостаза кальция. Свободный кальций присутствует в цитозоле
исключительно низких концентрациях по сравнению с таковым вне клетки. Это состояние поддерживается связанными с клеточной
мембраной энергозависимыми Са 2+ и Мg 2+ - АТФазами. Ишемия и некоторые токсины вызывают увеличение концентрации кальция
В-третьих, потеря митохондриями пиридин-нуклеотидов и после-дующее истощение АТФ, а также снижение синтеза АТФ являются характерными как для ишемического, так и токсического поврежде-ния клеток. Высокоэнергетические фосфаты в форме АТФ необхо-димы для многих процессов синтеза и расщепления, происходящих в клетках. К этим процессам относятся мембранный транспорт, син-тез белка, липогенез и реакции деацилирования-реацилирования, необходимые для фосфолипидного обмена (ацилирование - введе-ние в молекулы остатка карбоновых кислот). Имеется достаточно данных о том, что истощение АТФ играет важную роль в потере целостности плазмолеммы, что характерно для смерти клетки.
В-четвертых, ранняя потеря избирательной проницаемости плазматической мембраной - постоянный признак всех видов по-вреждения клеток. Такие дефекты могут возникать из-за потери АТФ и активации фосфолипаз. Кроме того, плазматическая мембрана мо-жет быть повреждена в результате прямого действия некоторых бак-териальных токсинов, вирусных белков, компонентов комплемента, веществ из лизированных лимфоцитов (перфоринов), а также ряда физических и химических агентов.
Повреждение клетки – типичный патологический процесс, основу которого составляет нарушение внутриклеточного гомеостаза, приводящее к нарушению структурной целостности клетки и ее функциональных способностей.
В зависимости от скорости развития повреждения различают:
Острое повреждение,
Хроническое повреждение.
В зависимости от периода жизненного цикла,
на который приходится повреждение различают:
Митотическое повреждение,
Интерфазное повреждение.
В зависимости от степени нарушений внутриклеточного гомеостаза различают:
Обратимое повреждение,
Необратимое повреждение.
Причинные факторы, вызывающие повреждение клетки, разделяются по природе на:
¨ биологические (вирусы, бактерии, грибы и более высоко развитые организмы, биологические, растительные и животные яды и т.п.);
¨ физические (механические, высокая и низкая температура, излучение, электрический ток, перепады барометрического давления, изменения Росм в клетке);
¨ химические (лекарственные вещества, алкоголь, никотин, химические яды, высокие концентрации кислорода, свободные радикалы и др.).
Выделяют следующие стадии повреждения:
1. Стадия паранекроза – обратимое повреждение клеток. При этом после прекращения действия повреждающего фактора клетка восстанавливает свою функцию. Эта первая обратимая стадия направлена на компенсацию нарушений, вызванных повреждающим фактором.
Она включает:
Увеличение проницаемости клеточной мембраны для ионов Са 2+ ;
Незначительное увеличение проницаемости клеточной мембраны для ионов Na+,
незначительное набухание митохондрий
2. Стадия некробиоза – глубокая, частично необратимая стадия – процесс отмирания клеток, состояние, при котором клетка находится «между жизнью и смертью». Развивается при более сильном или более длительном воздействии повреждающего фактора.
Цитологические признаки некробиоза:
Консолидация ядра (кариопикноз),
Растворение ядра (кариолизис),
Распад ядра на мелкие глыбки (кариорексис),
Митохондрии набухают еще больше, окислительное фосфорилирование разобщаются, клетка переходит на анаэробный гликолиз (в цитоплазме), в результате чего уменьшается образование АТФ и развивается внутриклеточный ацидоз из-за накопления молочной кислоты, образующейся при анаэробном гликолизе.
3. Стадия некроза – посмертные изменения необратимого характера, заключающиеся в постепенном ферментативном разрушении клетки и денатурации белков. Это процесс деструкции клетки после полного прекращения ее жизнедеятельности. Наступает гибель всех органелл.
4. Аутолиз – саморазрушение погибших клеток в результате гидролиза компонентов клетки и межклеточного вещества под влиянием ферментов лизосом.
Механизмы повреждения клеточных мембран.
Повреждение мембраны рассматривается как центральное звено в патогенезе необратимого повреждения клетки, независимо от того, какой повреждающий фактор вызывает данное повреждение. Разрушается цитоскелет, теряется гибкость и «рыхлость» мембраны, необходимые для функционирования поверхностных мембранных белков (рецепторов и ферментов) и трансмембранных гликопротеидов (формирующих мембранные каналы); нарушается избирательная проницаемость мембраны, изменяется концентрация ионов (особенно натрия и кальция).
Повреждение органов начинается на молекулярном или клеточном уровне, поэтому изучение патологии начинается с познания причин и молекулярных механизмов структурных изменений, возникающих в клетках при их повреждении.
Структура нормальной клетки генетически направлена на осуществление определенного метаболизма, дифференцировку и специализацию. В ответ на воздействие различных факторов в клетках развивается процесс адаптации. В результате этого процесса клетки могут достигать нового устойчивого состояния, позволяющего им приспособиться к подобным воздействиям. Если лимиты адаптивного ответа клетки исчерпаны, а адаптация невозможна, то возникает повреждение клетки, до определенного предела обратимое. Однако, если неблагоприятный фактор действует постоянно или его интенсивность очень велика, развивается необратимое повреждение, или смерть, клетки.
Смерть клетки - конечный результат ее повреждения, главное следствие ишемии, инфекции, интоксикации, иммунных реакций. Кроме того, это естественное событие в процессе нормального эмбриогенеза, развития лимфоидной ткани, инволюции органа под действием гормонов, а также желаемый результат радио- и химиотерапии при раке.
Существует два типа клеточной смерти - некроз и апоптоз.
Некроз - наиболее распространенный тип смерти клетки. Он проявляется ее резким набуханием и разрывом клеточной мембраны, денатурацией и коагуляцией цитоплазматических белков, разрушением клеточных органелл.
Апоптоз необходим для нормальной элиминации ненужных клеточных популяций в процессе эмбриогенеза и при различных физиологических процессах. Апоптоз встречается и при патологических процессах; в этом случае он сопровождается некрозом.
ПРИЧИНЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК
Различают следующие причины повреждения клеток.
1. Гипоксия. Она является исключительно важной и распространенной причиной повреждения и смерти клеток. Уменьшение кровотока (ишемия), возникающее при появлении препятствий в артериях, обычно при атеросклерозе или тромбозе, является основной причиной гипоксии. Другой причиной может быть неадекватная оксигенация крови при сердечно-сосудистой недостаточности. Снижение способности крови к транспортировке кислорода, например при анемии и отравлении СО 2 - третья и наиболее редкая причина гипоксии. В зависимости от тяжести гипоксии клетки могут адаптироваться к ней, повреждаться или погибать.
2. Физические агенты. К ним относят механическую травму, чрезмерное снижение или повышение температуры окружающей среды, внезапные колебания атмосферного давления, радиацию и электрический шок.
3. Химические агенты и лекарства. Даже простые химические соединения, такие как глюкоза и поваренная соль, в повышенных концентрациях могут вызвать повреждение клеток непосредственно или путем нарушения их электролитного гомеостаза. Кислород в высоких концентрациях очень токсичен.
Следовые количества веществ, известных как яды (мышьяк, цианиды, соли ртути), могут разрушить достаточно большое количество клеток в течение минут и часов.
Разрушительным действием обладают также многие факторы окружающей среды: пыль, инсектициды и гербициды; промышленные и природные факторы, например уголь и асбест; социальные факторы: алкоголь, курение и наркотики; высокие дозы лекарств.
5. Иммунные реакции. Могут защищать организм, но могут вызвать и его смерть. Хотя иммунная система защищает организм от воздействия биологических агентов, тем не менее иммунные реакции могут привести к повреждению клеток. Развитие некоторых иммунных реакций лежит в основе аутоиммунных болезней.
6. Генетические нарушения. Многие врожденные нарушения метаболизма связаны с энзимопатиями, чаще отсутствием фермента.
7. Дисбаланс питания. Нередко является основной причиной повреждения клеток. Дефицит белковой пищи и витаминов остается распространенным явлением.
МЕХАНИЗМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК
Молекулярные механизмы повреждения клеток, приводящие к их смерти, очень сложны. Существуют четыре наиболее чувствительные внутриклеточные системы:
Поддержание целости клеточных мембр"ан, от
которой зави
сит ионный и осмотический гомеостаз
клетки и ее органелл;
Аэробное дыхание, связанное с окислительным фосфорили-рованием и образованием аденозинтрифосфата (АТФ);
Синтез ферментов и структурных белков;
Сохранение единства генетического аппарата клетки. Структурные и биохимические элементы клетки тесно взаимосвязаны. Например, нарушение аэробного дыхания повреждает натриевый насос мембраны, который поддерживает ионно-жидкостный баланс клетки, что приводит к нарушению внутриклеточного содержания ионов и воды.
Морфологические изменения становятся очевидными только после того, как нарушения биологической системы клетки проходят некий критический уровень, причем развитие морфологических признаков смертельного повреждения клетки занимает больше времени, чем появление обратимых изменений. Например, набухание клетки обратимо и может развиться в течение нескольких минут, а достоверные светооптические признаки смерти клетки в миокарде выявляются лишь спустя 10-12 ч после тотальной ишемии, хотя известно, что необратимые повреждения наступают уже через 20-60 мин. Естественно, ультраструктурные повреждения будут видны раньше, чем светооптические.
Реакция клеток на повреждающие воздействия зависит от типа, продолжительности действия и тяжести повреждающего фактора. Например, малые дозы токсинов или непродолжительная ишемия могут вызвать обратимые изменения, тогда как большие дозы того же токсина и продолжительная ишемия способны привести к немедленной гибели клетки или медленному необратимому повреждению, вызывающему клеточную смерть. Тип, состояние и приспособляемость клетки также определяют последствия ее повреждения. Для ответа клетки на повреждение важны ее гормональный статус, характер питания и метаболические потребности.
Механизмы действия многих повреждающих агентов хорошо известны. Так, многие токсины вызывают повреждение клеток, воздействуя на эндогенные субстраты или ферменты. Особенно чувствительны к действию токсинов гликолиз, цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование на внутренних мембранах митохондрий. Например, цианид инактивирует цито-хромоксидазу, а флуороацетат препятствует реализации цикла лимонной кислоты, что в результате приводит к недостаточности АТФ. Некоторые анаэробные бактерии, например Clostridium perfringens, высвобождают фосфолипиды, которые атакуют фос-фолипиды клеточных мембран, повреждая их.
Наиболее важными для развития повреждения и смерти клетки считают следующие четыре механизма.
1. При недостаточном поступлении кислорода в ткани образуются его свободные радикалы, вызывающие свободнора-дикальное пероксидное окисление липидов (СПОЛ), что оказывает разрушительное действие на клетки.
2. Особую роль в повреждении клетки играет нарушение гомеостаза кальция. Свободный кальций в цитозоле присутствует в исключительно низких концентрациях по сравнению с таковым вне клетки. Это состояние поддерживается связанными с клеточной мембраной энергозависимыми Са 2+ , Mg 2+ -АТФазами. Ишемия и некоторые токсины вызывают увеличение концентрации кальция в цитозоле путем его избыточного поступления через плазматическую мембрану и высвобождения из митохондрий и эндоплазматической сети. Повышенное содержание кальция в клетке ведет к активации ряда ферментов, повреждающих клетку: фосфолипаз (повреждение клеточной мембраны), протеаз (разрушение мембраны и белков цитоскелета), АТФаз (истощение запасов АТФ) и эндонуклеаз (фрагментация хроматина).
3. Потеря митохондриями пиридиннуклеоти-дов и последующая недостаточность АТФ, а также снижение синтеза АТФ являются характерными как для ишемического, так и для токсического повреждения клеток. Высокоэнергетические фосфаты в форме АТФ требуются для многих процессов синтеза и расщепления, происходящих в клетках. К этим процессам относятся мембранный транспорт, синтез белка, липогенез и реакции деацилирования - реа-цилирования, необходимые для фосфолипидного обмена. Имеется много данных о том, что недостаточность АТФ играет роль в потере целости плазматической мембраны, что характерно для смерти клетки.
4. Ранняя потеря плазматической мембраной избирательной проницаемости - постоянный признак всех видов повреждения клеток. Такие дефекты могут возникать вследствие ряда событий, связанных с потерей АТФ и активацией фосфолипаз. Кроме того, плазматическая мембрана может быть повреждена в результате прямого воздействия некоторых бактериальных токсинов, вирусных белков, компонентов комплемента, веществ из лизированных лимфоцитов (перфоринов), а также ряда физических и химических агентов.
Различают следующие основные виды повреждений клеток:
1) острое и хроническое;
2) парциальное, субтотальное, тотальное;
3) обратимое, необратимое;
4) специфическое, неспецифическое;
5) дисплазия;
6) дистрофия;
7) паранекроз;
8) некробиоз;
9) некроз.
Острое повреждение клеток под влиянием патогенных факторов и неблагоприятных внешних и внутренних условий возникает быстро (секунды, минуты, часы, дни), хроническое – медленно (недели, месяцы, годы).
При парциальном повреждении выходит из строя та или иная незначительная часть клетки, которая в целом остается жизнеспособной, а повреждения являются обратимыми. При субтотальном повреждении страдает большая часть клетки, жизнеспособность которой резко снижается, а повреждения нередко являются необратимыми. При тотальном повреждении наступает необратимая гибель всей клетки.
Обратимые повреждения клеток после прекращения действия патогенного агента не сопровождаются их гибелью. Возникающие при них нарушения внутриклеточного гомеостаза являются обычно незначительными и временными. Они устраняются благодаря активизации внутри- и внеклеточных защитно-компенсаторно-приспособительных механизмов. В итоге жизнедеятельность клетки восстанавливается. Например, как при воздействии эритемной дозы ультрафиолетовых лучей (вызывающей покраснение кожи), как и при кратковременном уменьшении кровотока (ишемии) в коже или во внутренних органах возникающие в клетках незначительные, частичные изменения метаболизма, структуры и функций через определенное время восстанавливаются до нормального уровня.
Необратимые повреждения клеток характеризуются выраженными и стойкими нарушениями внутриклеточного гомеостаза. Последние не могут быть устранены даже максимальной активизацией защитно-компенсаторно-приспособительных механизмов в еще оставшихся жизнеспособными поврежденных внутри- и внеклеточных структурах. Например, при длительных или резко выраженных влияниях на организм ультрафиолетовых и инфракрасных лучей, радиоактивных и токсических веществ, ишемии миокарда, головного и спинного мозга в различных клетках, тканях и органах организма возникают грубые расстройства структуры, метаболизма и функций последних, приводящие к снижению их продолжительности жизни и гибели (некрозу). Гибель клеток обычно сопровождается аутолизом (благодаря выходу из лизосом и активизации гидролитических ферментов). Однако в ряде случаев гибель клеток и тканей может возникать без развития аутолиза. Это происходит тогда, когда смерть целого организма наступает быстро (внезапно), например, при действии на организм очень высоких или низких температур окружающей среды.
Специфические повреждения клеток являются характерными для того или иного конкретного патогенного фактора. Например, к специфическим проявлениям повреждения клеток можно отнести: 1) развитие иммунного гемолиза эритроцитов при наличии в организме антиэритроцитарных антител; 2) угнетение активности холинэстеразы фосфорорганическими соединениями; 3) подавление моноаминооксидазы ее ингибиторами и др.
Неспецифические (стереотипные) повреждения клеток возникают под влиянием различных по этиологии и патогенезу патогенных факторов. Например, к неспецифическим проявлениям повреждения клеток относятся:
1) увеличение объема (набухание) клеток;
2) угнетение энергетического и пластического обменов;
3) нарушение метаболизма воды, электролитов, витаминов, липидов, углеводов, белков в результате развития ферментопатий;
4) развитие ацидоза (первичного, вторичного);
5) угнетение Na + , K + , Ca 2+ , АТФ-азных насосов;
6) увеличение внеклеточной концентрации калия и внутриклеточной концентрации кальция;
7) нарушение структуры, метаболизма и функций клеточной и внутриклеточных мембран (прежде всего, повышение проницаемости, сорбционных свойств, изменения электропотенциала клеточных мембран, развития ацидоза и др.
11.4. Морфологические и функциональные проявления
повреждений клеток
К морфологическим признакам повреждения клеток относят:
1) набухание (увеличение) и вакуолизацию клетки и ее органелл (особенно митохондрий, цитоплазма, ядро);
2) изменения мембран клетки и органелл (лизосом, митохондрий, эндоплазматического ретикулюма, рибосом, полисом, аппарата Гольджи, ядра и др.);
3) деструктивные изменения ядра (его размеров, формы, структуры);
4) уменьшение числа функционирующих органелл (рибосом, митохондрий и др.);
5) снижение числа рецепторов мембран клеток;
6) нарушения межклеточных контактов;
7) расстройства контактов клеток с межклеточными структурами;
8) повреждение генетических структур клетки (генов, хромосом, генома).
К функциональным признакам повреждения клеток относят:
1) изменения физико-химических и биоэлектрических свойств мембран (например, увеличение электропроводности ткани, снижение электрического (омического) сопротивления клеточных мембран;
2) повышение проницаемости мембран клеток и органелл для микро- и макромолекул (ионов, моно-, ди- и полимеров белков, липидов, углеводов;
3) появление и увеличение в крови цитоплазматических ферментов (аспартат- и аланинаминотрансфераз, лактатдегидрогеназы, креатинкиназы, кислой фосфатазы и др.) в результате повреждения клеток, особенно их мембран;
4) изменение тинкториальных свойств клеток (увеличение способности клеток окрашиваться витальными красителями в результате повышения сорбционных свойств поврежденной клетки и возрастания проницаемости их мембран;
5) уменьшение подвижности клеток;
6) снижение активности рецепторов клеток;
7) нарушение процесса деления клеток (снижение и извращение функции ядра, митохондрий и других внутриклеточных и внеклеточных структур);
8) нарушение биохимических процессов в клетках и межклеточных структурах, главным образом, снижение потребления кислорода, содержания кальция в митохондриях и процесса окислительного фосфорилирования, приводящих к расстройствам как энергетического, так и пластического обменов);
9) появление новых функций клеток и др.
11.5. Основные типы клеточных реакций в патологии
Среди них наиболее часто выделяют следующие:
Ультраструктурная патология клеток (мембран клеток и органелл);
Реакции пролиферации (воспалительные, иммуногенные) с завершенной и незавершенной дифференцировкой клеток;
Реакции клеточного метаморфоза (образование одного вида клеток, например, эпителия вместо другого);
Реакции гипертрофии и атрофии клеток;
Реакции цитокинеза (кинетики группы или отдельных клеток, миграция макрофагов, диапедез клеток крови, лейкотаксис, лимфотаксис и т.д.);
Реакции межклеточных взаимодействий (иммунного и не иммунного типов, информативные, деструктивные, метаболические, смешанные);
Реакции эндоцитоза (пиноцитоза – поглощение мельчайших капелек жидкости с растворенными в них веществами; фагоцитоза – поглощение твердых частиц), которые могут быть завершенными и незавершенными;
Клеточные дисплазии;
Клеточные дистрофии.
Клетка является структурно-функциональной единицей тканей и органов. В ней протекают процессы , лежащие в основе энергетического и пластического обеспечения структур и функций тканей.
Различные патогенные факторы действующие на клетку могут обусловить повреждение . Под повреждением клетки понимают такие изменения ее структуры, обмена веществ, физико-химических свойств и функций, которые ведут к нарушению жизнедеятельности.
Нередко процесс повреждения обозначают термином альтерация, что не совсем точно, поскольку alteratio переводится как изменение, отклонение и является, таким образом, более широким понятием. Однако в медицинской литературе эти термины применяются обычно как синонимы.
ПРИЧИНЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК
Повреждение клетки может быть результатом действия на нее множества патогенных факторов. Их условно подразделяют на три основные группы: физического, химического и биологического характера.
Среди факторов физического характера
причинами повреждения клеток наиболее часто являются следующие:
механические воздействия. Они обуславливают нарушение структуры плазмолеммы и мембран субклеточных образований;
колебания температуры. Повышенная температура среды, в которой находится клетка, до 45-50С и более, может привести к денатурации белка, нуклеиновых кислот, декомпозиции липопротеидных комплексов, повышению проницаемости клеточных мембран и другим изменениям. Значительное снижение температуры может обусловить существенное замедление или необратимое прекращение метаболических процессов в клетке, кристаллизацию внутриклеточной жидкости и разрыв мембран;
изменения осмотического давления в клетке, в частности, вследствие накопления в ней продуктов неполного окисления органических субстратов, а также избытка ионов. Последнее, как правило, сопровождается током жидкости в клетку по градиенту осмотического давления, набуханием ее и растяжением (вплоть до разрыва) ее плазмолеммы и мембран органелл. Снижение внутриклеточного осмотического давления или повышение его во внеклеточной среде ведет к потере клеткой жидкости, ее сморщиванию (пикнозу) и нередко к гибели;
воздействие ионизирующей радиации, обусловливающей образование свободных радикалов и активацию перекисных свободно-радикальных процессов, продукты которых повреждают мембраны и денатурируют ферменты клеток. Патогенное действие на клетку могут также оказывать гравитационные, электромагнитные и другие факторы физического характера.
Важно, что повреждение клетки может быть обусловлено как избытком, так и дефицитом одного и того же фактора. Например, избыточное содержание кислорода в тканях активирует процесс перекисного свободнорадикального окисления липидов (ПСОЛ), продукты которого повреждают ферменты и мембраны клеток. С другой стороны, снижение содержания кислорода обусловливает нарушение окислительных процессов, понижение образования АТФ и, как следствие, расстройство функций клетки.
Повреждение клеток нередко обусловливается факторами иммунных и аллергических процессов. Они могут быть вызваны, в частности, сходством антигенов, например, микробов и клеток организма.
Повреждение может быть также результатом образования антител или Т-лимфоцитов, действующих против неизменных клеток организма вследствие мутаций в гемоне В- или Т-лимфоцитов иммунной системы.
Важную роль в поддержании метаболических процессов в клетке играют вещества, поступающие в нее из окончаний нейронов, в частности нейромедиаторы, трофогены, нейропептиды. Уменьшение или прекращение их транспорта является причиной расстройства обмена веществ в клетках, нарушения их жизнедеятельности и развития патологических состояний, получивших название нейродистрофий.
Кроме указанных факторов, повреждение клеток нередко бывает обусловлено значительно повышенной функцией органов и тканей. Например, при длительной чрезмерной физической нагрузке возможно развитие сердечной недостаточности в результате нарушения жизнедеятельности кардиомиоцитов.
Повреждение клетки может быть результатом действия не только патогенных факторов, но и следствием генетически запрограммированных процессов. Примером может служить гибель эпидермиса, эпителия кишечника, эритроцитов и других клеток в результате процесса их старения. К механизмам старения и смерти клетки относят постепенное необратимое изменение структуры мембран, ферментов, нуклеиновых кислот, истощение субстратов метаболических реакций, снижение устойчивости клеток к патогенным воздействиям.
По происхождению все причинные факторы повреждения клетки делят на: 1) экзогенные и эндогенные; 2) инфекционного и неинфекционного генеза.
Действие повреждающих факторов на клетку осуществляется прямо или опосредовано . В последнем случае речь идет о формировании цепи вторичных реакций, образовании веществ – посредников, реализующих повреждающее действие. Действие повреждающего агента может опосредоваться через: - изменения нервных или эндокринных воздействий на клетки (например, при стрессе, шоке); - расстройство системного кровообращения (при сердечной недостаточности); - отклонение физико-химических параметров (при состояниях, сопровождающихся ацидозом, алкалозом, образованием свободных радикалов, продуктов ПСОЛ, дисбалансом ионов и жидкости); - иммунно-алллергические реакции при аутоаллергических заболеваниях; - образование избытка или недостатка биологически активных веществ (гистамина, кининов, простакландинов). Многие из этих и других соединений, участвующих в развитии патологических процессов, получили название посредников – медиаторов (например, медиаторы воспаления, аллергии, канцерогенеза и др.).
II. ОБЩИЕ МЕХАНИЗМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК
На уровне клетки повреждающие факторы “включают” несколько патогенетических звеньев. К их числу относят:
расстройство процессов энергетического обеспечения клеток;
повреждение мембран и ферментных систем;
дисбаланс ионов и жидкости;
нарушение генетической программы и/или ее реализации;
расстройство механизмов регуляции функции клеток.
Синтез АТФ может быть нарушен в результате дефицита кислорода и/или субстратов метаболизма, снижения активности ферментов тканевого дыхания и гликолиза, повреждения и разрушения митохондрий, в которых осуществляются реакции цикла Кребса и перенос электронов к молекулярному кислороду, сопряженный с фосфорилированием АДФ.
Известно, что доставка энергии АТФ от мест ее синтеза – из митохондрий и гиалоплазмы – к эффекторным структурам (миофибриллам, мембранным ионным “насосам” и др.) осуществляется с помощью ферментных систем: АДФ – АТФ – транслоказы (адениннуклеотидтрансферазы) и креатинфосфокиназы (КФК). Адениннуклеотидтрансфераза обеспечивает транспорт энергии макроэргической фосфатной связи АТФ из матрикса митохондрий через их внутреннюю мембрану, а КФК переносит ее далее на креатин с образованием креатинфосфата, который поступает в цитозоль. Креатинфосфокиназа эффекторных клеточных структур транспортиует фосфатную группу креатинфосфата на АДФ с образованием АТФ , который и используется в процессе жизнедеятельности клетки. Ферментные системы транспорта энергии могут быть повреждены различными патогенными агентами, в связи с чем даже на фоне высокого общего содержания АТФ в клетке может развиваться его дефицит в энергорасходующих структурах.
Нарушение энергообеспечения клеток и расстройства их жизнедеятельности может развиваться и в условиях достаточной продукции и нормального транспорта энергии АТФ. Это может быть результатом повреждения ферментных механизмов утилизации энергии, главным образом за счет снижения активности АТФазы (АТФазы актомиозина, К + - Na + - зависимой АТФазы плазмолеммы, Mg 2+ - зависимой АТФазы “кальциевой помпы” саркоплазматического ретикулума и др.).
Нарушение процессов энергообеспечения, в свою очередь, может стать одним из факторов расстройств функции мембранного аппарата клеток, их ферментных систем, баланса ионов и жидкости, а также механизмов регуляции клетки.
2. Повреждение мембран и ферментов играет существенную роль в расстройстве жизнедеятельности клетки, а также переходе обратимых изменений в ней в необратимые. Это обусловлено тем, сто основные свойства клетки в существенной мере зависит от состояния ее мембран и связанных с ними или свободных энзимов.
а). Одним из важнейших механизмов повреждения мембран и ферментов является интенсификация свободнорадикальных реакций (СРР) и ПСОЛ. Эти реакции протекают в клетках и в норме, являясь необходимым звеном таких жизненноважных процессов, как транспорт электронов в цепи дыхательных ферментов, синтез простагландинов и лейкотриенов, пролиферация и созревание клеток, фагоцитоз, метаболизм катехоламинов и др. ПСОЛ участвует в процессах регуляции липидного состава биомембран и активности ферментов. Последнее является результатом как прямого действия продуктов липопероксидных реакций на энзимы, так и опосредованного – через изменение состояния мембран, с которыми ассоциированы многие ферменты.
Интенсивность ПСОЛ регулируются соотношением факторов, активирующих (прооксиданты) и подавляющих (антиоксиданты) этот процесс. К числу наиболее активных прооксидантов относятся легко окисляющиеся соединения, индуцирующие свободные радикалы, в частности, нафтохиноны, витамины А и Д, восстановителя – НАДФН 2 , НАДН 2 , липоевая кислота, продукты метаболизма простагландинов и катехоламинов.
Процесс ПСОЛ условно можно разделить на три этапа: 1) кислордной иницикации (“кислородный” этап), 2) образования свободных радикалов органических и неорганических агентов (“свободнорадикальный” этап), 3) продукции перекисей липидов (“перекисный” этап). Инициальным звеном свободнорадикальных перекисных реакций при повреждении клетки является, как правило, образование в процессе оксигеназных реакций так называемых активных форм кислорода: супероксидного радикала кислорода (О 2 - .), гидроксильного радикала (ОН.), перекиси водорода (Н 2 О 2), которые взаимодействуют с компонентами структур клеток, главным образом с липидами, белками и нуклеиновыми кислотами. В результате образуются активные радикалы, в частности, липидов, а также их перекиси. При этом может приобрести цепной “лавинообразный” характер.
Однако это происходит не всегда. В клетках протекают процессы и действуют факторы, которые ограничивают или даже прекращают свободнорадикальные и перекисные реакции, т.е. оказывают антиоксидантный эффект. Одним из таких процессов является взаимодействие радикалов и гидроперекисей липидов между собой, что ведет к образованию “нерадикальных” соединений. Ведущую роль в системе антиоксидантной защите клеток играют механизмы ферментной, а также не ферментной природы.
и ее
некоторые факторы:
|
Звенья антиоксидантной системы |
Факторы |
Механизмы действия |
|
1 |
2 |
3 |
|
I. “Антикислородное” |
Ретинол, каротиноиды, рибофлавин |
Уменьшение содержания О 2 в клетке, например, путем активации его утилизации, повышения сопряжения процессов окисления и фосфорилирования. |
|
1 |
2 |
3 |
|
II. “Антирадикальное” |
супероксиддисмутаза, токоферолы, маннитол |
Перевод активных радикалов в “нерадикальные” соединения, “гашение” свободных радикалов органическими соединениями. |
|
III. “Антиперекисное” |
Глютатионпероксидазы, каталазы, серотинин |
Инактивация гидроперекисей лиидов, например, при их восстановлении. |
Исследование последних лет показали, что чрезмерная активация свободнорадикальных и перекисных реакция является одним из главных факторов повреждения мембран и ферментов клеток. Ведущее значение при этом имеют следующие процессы: 1) изменение физико-химических свойств липидов мембран, что обусловливает нарушение конформации их липопротеидных комплексов и в связи с этим снижение активности белков и ферментных систем, обеспечивающих рецепцию гуморальных воздействий, трансмембранный перенос ионов и молекул, структурную целостность мембран; 2) изменение физико-химических свойств белковых мицелл, выполняющих структурную и ферментные функции в клетке; 3) образование структурных дефектов в мембране – т.н. простейших каналов (кластеров) вследствие внедрения в них продуктов ПСОЛ. Указанные процессы, в сою очередь , обуславливают нарушение важных для жизнедеятельности клеток процессов – возбудимости, генерации и проведения неравного импульса, обмена веществ, восприятия и реализации регулирующих воздействий, межклеточного взаимодействия и др.
б). Активация гидролаз (лизосомальных, мембраносвязанных и свободных).
В норме состав и состояние мембран и ферментов модифицируется не только свободнорадикальными и липоперексидными процессами, но также мембраносвязанными, свободными (солюбилизированными) и лизосомальными ферментами: липазами, фосфолипазами, протеазами. Под влиянием патогенных факторов их активность или содержание в гиалоплазме клетки может повыситься (в частности, вследствие развития ацидоза, способствующего увеличению выхода ферментов из лизосом и их последующей активации). В связи с этим интенсивному гидролизу подвергаются глицерофосфолипиды и белки мембран, а также ферменты клеток. Это сопровождается значительным повышением проницаемости мембран и снижением кинетических свойств ферментов.
в). Внедрение амфифильных соединений в липидную фазу мембран.
В результате действия гидролаз (главным образом липаз и фосфолипаз) в клетке накапливаются свободные жирные кислоты и лизофосфолипиды, в частности, глицерофосфолипиды: фосфотидилхолины, фосфатидилэтаноламины, фосфатидилсерины. Они получили название амфифильных соединений в связи со способностью проникать и фиксироваться в обеих – как в гидрофобной, так и в гидрофильных средах мембран клеток (амфи – означает “оба”, “два”). При сравнительно небольшом уровне в клетке амфифильных соединений они, внедряясь в биомембраны изменяют нормальную последовательность глицерофосфолипидов, нарушают структуру липопротеидных комплексов, увеличивают пронацаемость, а также меняют конфигурацию мембран в связи с “клинообразной” формой липидных мицелл. Накопление в большом количестве амфифилов сопровождается массированным внедрением их в мембраны, что так же, как и избыток гидроперекисей липидов, ведет к формированию кластеров и микроразрывов в них. Повреждение мембран и ферментов клеток является одной из главных причин существенного расстройства жизнедеятельности клеток и нередко приводит к их гибели.
3. Дисбаланс ионов и жидкости в клетке. Как правило, нарушение трансмембранного распределения, а также внутриклеточного содержания и соотношения различных ионов развивается вслед за или одновременно с расстройствами энергетического обеспечения и сочетается с признаками повреждения мембран и ферментов клеток. В результате этого существенно изменяется проницаемость мембран для многих ионов. В наибольшей мере это относится к калию, натрию, кальцию, магнию, хлору, то есть ионам, которые принимают участие в таких жизненноважных процессах, как возбуждение, его проведение, электромеханическое сопряжение и др.
а). Изменение трансмембранного соотношения ионов. Как правило, дисбаланс ионов проявляется накоплением в клетке натрия и потерей калия.
Следствием дисбаланса является изменение мембранного потенциала покоя и действия, а также нарушение проведения импульса возбуждения. Эти изменения имеют важное значение, поскольку они нередко являются одним из важных признаков наличия и характера повреждения клеток. Примером могут служить изменения электрокардиограммы при повреждении клеток миокарда, электроэнфецалограммы при нарушении структуры и функций нейронов головного мозга.
б). Гипер- и дегидратацияклеток.
Нарушения внутриклеточного содержания ионов обусловливают изменение объема клеток вследствие дисбаланса жидкости. Он проявляется либо гипергадратацией (уменьшением содержания жидкости) клетки. Так, например, повышение содержания ионов натрия и кальция в поврежденных клетках сопровождается увеличением в них осмотического давления. В результате этого в клетках накапливается вода. Клетки при этом набухают, объем их увеличивается, что сопровождается увеличением растяжением и нередко микроразрывами цитолеммы и мембран органелл. Напротив, дегидратация клеток (например, при некоторых инфекционных заболеваниях, обусловливающих потерю воды) характеризуется выходом из них жидкости и растворенных в ней белков (в том числе ферментов), а также других органических и неорганических водорастворимых соединений. Внутриклеточная дегидратация нередко сочетается со сморщиванием ядра, распадом митохондрий и других органелл.
4. Одним из существенных механизмов расстройства жизнедеятельности клетки является повреждение генетической программы и /или механизмов ее реализации. Основными процессами, ведущими к изменению генетической информации клетки, являются мутации, депрессия патогенных генов (например, онкогенов), подавление активности жизненноважных генов (например, регулирующих синтез ферментов) или внедрение в геном фрагмента чужеродной ДНК (например, ДНК онкогенного вируса, аномального участка ДНК другой клетки).
Помимо изменений в генетической программе, важным механизмом расстройства жизнедеятельности клеток является нарушение реализации этой программы , главным образом, в процессе клеточного деления при митозе или мейозе.
5. Важным механизмом повреждения клеток является расстройство регуляции внутриклеточных процессов. Это может быть результатом нарушений, развивающихся на одном или нескольких уровнях регуляторных механизмов:
на уровне взаимодействия биологически активных веществ (гормонов, нейромедиаторов и др.) с рецепторами клетки;
на уровне клеточных т.н. “вторых посредников” (мессенджеров) нервных влияний: циклических нуклеотидов-аденозинмонофосфата (цАМФ) и гуанозинмонофосфата (цГМФ), образующих в ответ на действие “первых посредников” – гормонов и нейромедиаторов. Примером может служить нарушение формирования мембранного потенциала в кардиоцитах при накоплении в них цАМФ, что является, в частности, одной из возможных причин развития сердечных аритмий;
на уровне метаболических реакций, регулируемых циклическими нуклеотидами или другими внутриклеточными факторами. Так, нарушение процесса активации клеточных ферментов может существенно изменить интенсивность метаболических реакций и, как следствие, привести к расстройству жизнедеятельности клетки.
III. ОСНОВНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ КЛЕТКИ
1. Дистрофии . Под дистрофиями (dys – нарушение, расстройство, trophe- питаю) понимают нарушения обмена веществ в клетках и тканях, сопровождающиеся расстройствами их функций, пластических проявлений, а также структурными изменениями, ведущими к нарушению их жизнедеятельности.
Основными механизмами дистрофий являются: - синтез аномальных веществ в клетке, например, белково-полисахаридного комплекса амилоида; избуточная трнасформация одних соединений в другие, нарпример, жиров и углеводов в белки, углеводов в жиры; - декомпозиция (фанероз), например, белково-липидных комплексов мембран; - инфильтрация клеток и межклеточного вещества, органическими и неорганическими соединениями, например, холестерином и его эфирами стенок артерий при атеросклерозе.
К числу основных клеточных дистрофий относят белковые (диспротеинозы), жировые (липидозы), углеводные и минеральные.
2. Дисплазии (dys – нарушение, расстройство, plaseo- образую) представляют собой нарушение процесса развития клеток, проявляющееся стойким изменением их структуры и функции, что ведет к расстройству их жизнедеятельности.
Причиной дисплазии является повреждение генома клетки. Именно это обусловливает стойкие и, как правило, наследуемые от клетки к клетке изменения, в отличие от дистрофий, которые нередко носят временный, обратимый характер и могут устраниться при прекращении: действия причинного фактора.
Основным механизмом дисплазий является расстройство процесса дифференцировки, который заключается в формировании структурной и функциональной специализации клетки. Структурными признаками дисплазий являются изменения величины и формы клеток, их ядер и других органелл, числа и строения хромосом. Как правило, клетки увеличены в размерах, имеют неправильную, причудливую форму (“клетки-монстры”), соотношение различных органелл в них диспропорционально. Нередко в таких клетках обнаруживаются различные включения, признаки дистрофических процессов. В качестве примеров дисплазий клеток можно назвать образование мегалобластов в костном мозге при пернициозной анемии, серповидных эритроцитов при патологии гемоглобина, крупных нейронов – “монстров” при поражении коры головного мозга (туберозный склероз), многоядерных гигантских клеток с причудливым расположением хроматина при нейрофиброматозе Реклингхаузена. Клеточные дисплазии являются одним из проявлений атипизма опухолевых клеток.
Изменение структуры и функций клеточных органелл при повреждении клетки.
При действии патогенных факторов отмечается изменение общего числа митохондрий, а также структуры отдельных органелл. Уменьшение числа митохондрий по отношению к общей массе клетки. Стереотипными для действия большинства повреждающих факторов изменениями отдельных митохондрий является уменьшение или увеличение их размеров и формы. Многие патогенные воздействия на клетку (гипоксия, эндо- и экзогенные токсические агенты, в том числе лекарственные препараты при их передозировке, ионизирующая радиация, изменение осмотического давления)сопровождаются набуханием и вакуолизацией митохондрий, что может привести к разрыву их мембраны, фрагментации и гомогенизации крист. Нарушение структуры митохондрий приводит к существенному подавлению процесса дыхания в них и образования АТФ, а также к дисбалансу ионов внутри клетки.
Ядро . Повреждение ядра сочетается с изменением его формы, конденсацией хроматина по периферии ядра (маргинация хроматина), нарушением двуконтурности или разрывами ядерной оболочки, слиянием ее с полоской маргинации хроматина.
Лизосомы . При патогенных воздействиях высвобождения и активация ферментов лизосом может привести к “самоперевариванию” (аутолизу) клетки. Выход лизосомальных гидролаз в цитоплазму может быть обусловлен механическими разрывами их мембраны или значительным повышением проницаемости последних. Это является следствием накопления в клетках ионов водорода (внутриклеточный ацидоз), продуктов ПОЛ, токсинов и других агентов.
Рибосомы . При действии повреждающих факторов наблюдается разрушение группировок субъединиц рибосом (полисом), состоящих обычно из нескольких рибосом – “мономеров”, уменьшение числа рибосом, отрыв органелл от внутриклеточных мембран. Эти изменения сопровождаются снижением интенсивности процесса синтеза белка в клетке.
Эндоплазматическая сеть . При повреждении отмечается расширение канальцев сети, вплоть до образования крупных вакуолей и цистерн вследствие накопления в них жидкости, очаговая деструкция мембран канальцев сети, их фрагментации.
Аппарат Гольджи . Повреждение аппарата Гольджи сопровождается структурными изменениями, сходными с таковыми в эндоплазматической сети . При этом нарушается выведение из клетки продуктов жизнедеятельности, обусловливающее расстройство ее функции в целом.
Цитоплазма представляет собой жидкую, слабовязкую среду, в которой находятся органеллы и включения клети. Действие на клетку повреждающих факторов может обусловливать уменьшение или увеличение содержания в цитоплазме жидкости, протеолиз или коакуляцию белка, образование “включений”, не встречающихся в норме. Изменение состояния цитоплазмы, в свою очередь, существенно влияет на процессы метаболизма, протекающие в ней, в связи с тем, что многие ферменты (например, гликолиза) находятся в клеточном матриксе, на функцию органелл, на процессы восприятия регулирующих и других влияний на клетку.
Некроз и аутолиз .
Основным механизмом аутолиза является гидролиз компонентов клеток и межклеточного вещества под влиянием ферментов лизосом. Этому способствует развитие ацидоза в поврежденных клетках.
Загрузка...
