Этиология повреждения клетки

Цепное окисление липидов включает инициирование цепи, продолжение цепи, разветвление цепи, обрыв цепи.

В норме процесс перекисного окисления липидов находится под строгим контролем ферментативных систем клетки, скорость его невелика. Химические соединения и физические воздействия, влияющие на скорость перекисного окисления липидов, делятся на прооксиданты (усиливают процессы пероксидации) и антиоксиданты (тормозят ее). К прооксидантам в живой клетке относятся высокие концентрации кислорода (например, при длительной оксигенации больного), ферментные системы, генерирующие супероксидные радикалы (ксантиноксидаза, ферменты плазматической мембраны фагоцитов) и ионы двухвалентного железа. Хотя сам процесс перекисного окисления развивается в виде цепной реакции в липидной фазе мембран и липопротеинов, начальные стадии этой сложной системы реакций протекают водной фазе. Часть защитных систем клетки также локализуется в липидной, а часть в водной фазах.

а) Антиоксиданты водной фазы. 9

Непосредственными предшественниками гидроксильного радикала, инициирующего цепное окисление липидов, служат ионы двухвалентного железа и перекись водорода. По этой причине образование радикала гидроксила и пероксидация липидов тормозятся веществами, снижающими концентрацию одного из этих двух соединений. К ним относятся:

- супероксиддисмутаза - снижает концентрацию супероксидных радикалов и тем самым препятствует восстановлению ими ионов трехвалентного железа до двухвалентного. В клетке трехвалентное железо хранится в специальном депо, образованном белком ферритином;

- каталаза и глутатионпероксидаза - удаляют перекись водорода. Эффективность работы глутатионпероксидазы зависит от концентрации свободного глутатиона, при снижении которой может возрастать концентрация токсических гидроксильных радикалов;

- регенерация восстановленного глутатиона из окисленного осуществляется за счет НАДФН. Этот процесс катализируется глутатионредуктазой. Недостаток глутатиона в клетках (эритроциты) который может быть обусловлен действием токсических веществ (тяжелые металлы) или наследственным недостатком глутатионредуктазы, приводит к активации перекисного окисления липидов, это наблюдается при некоторых видах гемолитических анемий;

- комплексоны (соединения, связывающие  ионы железа). К ним принадлежит  дипептид карнозин, который содержится в больших количествах в цитоплазме мышечных и других клеток.

б) Антиоксиданты липидной фазы.

Цепные реакции осуществляют свободные радикалы липидов (L* и LOO*), разветвление цепей происходит при взаимодействии гидроперекиси липидов (LOOH) с ионами двухвалентного железа. Все соединения, снижающие концентрацию этих веществ, выполняют функцию антиоксидантов липидной фазы. Это:

- фосфолипаза и глутатионпероксидаза, разрушающие гидроперекиси липидов и предотвращающие тем самым разветвление цепей окисления липидов. При этом действие фосфолипазы заключается в том, что она отщепляет от фосфолипидов окисленную жирную кислоту с гидроперекисной группой (LOOH), a глутатион-пероксидаза восстанавливает эту группу до спиртовой с одновременным окислением глута¬тиона (GSH) до дисульфида (GSSG):

LOOH + 2GSH -» LOH + GSSG + Н2О.

- ловушки радикалов или липидные  антиоксиданты. По своей природе  они производные фенола: а-токоферол (витамин Е), убихинон (кофермент Q), тироксин, эстрогены и синтетические соединения (ионол).

- соединения, связывающие железо. Большинство из них, в том числе  дипептид карнозин, связывая железо, не дают ему проникнуть в липидную фазу мембран, поскольку образованные комплексы в силу своей полярности не проникают в гидрофобную зону. Для детоксикации двухвалентного железа в организме существует целая система окисления и связывания ионов. В плазме крови эта система представлена церрулоплазмином (феррооксидазой), который окисляет Fe3+ в Fe2+ кислородом без образования свободных радикалов, и белком трансферрином, который связывает и переносит в кровяном русле ионы трехвалентного железа, а затем захватывается клетками. В клетках железо может восстанавливаться аскорбиновой кислотой и другими восстановителями, но затем окисляется и депонируется в окисленной форме внутри комплекса ферритина.

6. Причины и  механизмы нарушений структуры  и функции митохондрий. Механизмы  развития гипоксического некробиоза клетки.

10

Нарушение биоэнергетических функций митохондрий одно из наиболее ранних проявлений повреждения клеток. Его изучают после выделения этих органелл из ткани, а один из способов изучения функции - измерение скорости потребления кислорода в различных состояниях. Уменьшение скорости потребления кислорода митохондриями связано с нарушением работы переносчиков электронов. Это наблюдается при действии ионов тяжелых металлов, ряда гидрофобных соединений, производных различных углеводородов, при перекисном окислении липидов. Наиболее частой причиной повреждения функции митохондрий является гипоксия и ишемия.Также может быть следствием набухания митохондрий и разрыва их наружных мембран, в результате чего из митохондрий выходит цитохром С (переносчик электрона по дыхательной цепи). Даже при наличии кислорода и субстратов окисления, но при дефиците или отсутствии АТФ, создается высокий мембранный потенциал, который препятствует переносу протонов через внутреннюю мембрану. А этот перенос связан с работой дыхательной цепи, тем самым останавливает поток электронов. При всем этом происходит процесс разобщения процессов окисления и фосфорилирования при повреждении.

Параллельно с разобщением окислительного фосфорилирования наблюдается потеря способности митохондрий к накоплению ионов Са. В присутствии избытка субстратов дыхания и при наличии кислорода и ортофосфата митохондрии клеток способны накопить в матриксе большое количество Са. Повреждение митохондрий приводит к падению разности потенциалов на мембране. Положительно заряженные ионы кальция, удерживаемые в матриксе электрическим полем, начинают выходить наружу из поврежденных митохондрий.

Снижение уровня АТФ в клетке приводит к выключению ионных насосов, выходу калия и вхождению ионов натрия и кальция в клетку из окружающей среды. Это в свою очередь приводит к активации комплекса ферментных систем (которые активируются кальцием), в том числе и фосфолипазы, протеинкиназы. Метаболизм сначала активируется, а затем дезорганизуется. Именно повреждение митохондрий является переломным моментом, после которого изменения в клетке становятся необратимыми и она гибнет.

Весьма важным морфологическим признаком повреждения является набухание митохондрий. Оно выявляется в миокарде при сердечной недостаточности, инфекциях, гипоксических и токсических процессах. Это приводит к разрывам наружных мембран, затем растяжению внутренней, нарушению ее барьерных функций и к полному разрушению митохондрии. Выявлены два типа набухания: активное и пассивное. При одновременном увеличении проницаемости для ионов калия и хлора они начинают диффундировать в митохондрии (из-за того, что в норме концентрация ионов внутри митохондрии значительно ниже), что приводит к повышению внутри осмотического давления, входу воды и набуханию, которое называется пассивным, так как не зависит от дыхания и энергизации. Такой процесс вызывают ионы тяжелых металлов и перекисное окисление липидов в далеко зашедшей стадии. Чаще же в клетке отмечается активное набухание, связанное с работой цепи переноса электронов. Повреждение митохондрии сопровождается, прежде всего, повышением проницаемости внутренней мембраны для катионов. В присутствии источников энергии (субстраты, кислород, АТФ) на мембранах генерируется разность потенциалов со знаком «минус» в матриксе, под действием которой ионы калия поступают внутрь поврежденных органелл. Вместе с калием поступает ортофосфат, который в электронейтральной форме (в связи с переносчиком) входит внутрь. Такое активное, связанное с затратой энергии накопление фосфата калия сопровождается набуханием.

7. Причины, механизмы  и последствия повреждения эндоплазматического  ретикулума клетки.

11

Эндоплазматический ретикулум повреждается под действием алкоголя, ДДТ, инфекции, ионизирующей радиации, гипоксии. Все эти факторы вызывают набухание ретикулума, изменение его конфигурации, появления крупных вакуолей и петель или распад на мелкие гранулы. При повреждении клеток в результате действия многих факторов наступает такое типовое повреждение, как отсоединение рибосом от мембран шероховатого эндоплазматического ретикулума. В аварийной ситуации клетка со-кращает экспорт белка и стремится направить максимум белка на внутренние нужды. Это является одним из проявлений формирующегося в клетке энергодефицита: фиксация рибосом к мембранам шероховатого эндоплазматического ретикулума, происходящая при участии белка рибофорина, является энергозависимым процессом. Поэтому дезорганизация шероховатого эндоплазматического ретикулума оборачивается для клетки серьезными нарушениями.

Транспорт вновь образованных белков нарушается и избыток их оказывается в цитоплазме, где они накапливаются, денатурируются по мере нарастания клеточной гипоксии и ацидоза и формируют картину «мутного набухания» или начальные стадии так называемой «зернистой дистрофии». При повреждении клетки не остается в стороне от процесса и гладкий эндоплазматический ретикулум. Мембраны его являются отсеком клетки, содержащим систему мощных оксидаз со смешанными функциями. Эти ферменты содержат цитохром Р450 и являются железозависимыми. Они представляют собой дезинток-сикационную систему клетки. Оксидазы со смешанными функциями принимают участие в биотрансформации эндогенных соединений, в частности, инактивации сигнальных молекул (стероидные гормоны, обезвреживание билирубина). Трудно переоценить роль в детоксикации многих лекарств. При интоксикации гладкий эндоплазматический ретикулум претерпевает гипертрофию. Функционально это явление сопровождается усилением антитоксической резистентности клеток и повышение скорости биотрансформации ксенобиотиков. Реакция имеет неспецифический характер - это явление учитывается в клинической фармаколгии при совместном назначении лекарств.

Активация оксидаз гладкого эндоплазматического ретикулума приводит к повышению продукции клеткой NO. Избыток NO ведет к ряду неблагоприятных результатов (блокировка цикла Кребса). При образовании N0 формируются в качестве сопутствующих продуктов свободные кислородные радикалы. Они способны причинять вторичные повреждения клеточным мембранам, нуклеиновым кислотам и другим компонентам клетки.

8. Причины, механизмы  и последствия изменений активности  мембранных ферментов и рецепторов  клетки.

Все клеточные программы включаются в ответ на определенные входные сигналы. Эти сигналы представляют из себя пять групп: гормоны, медиаторы, антитела, субстраты (антигены), ионы. Недостаток или отсутствие того или иного сигнала может препятствовать включению программ, что приводит к патологическим последствиям (например дефицит инсулина приводит к нарушению утилизации глюкозы клеткой). Избыток того или иного сигнала заставляет адаптивные программы, включаемые данным регулятором, функционировать излишне интенсивно или ненормально долго (избыток глюкокортикоидов при синдроме Иценко-Кушинга включает в клетке усиление липогенеза и глюконеогенеза). особый случай представляет достаточно распространенная ситуация, когда клетка ошибочно принимает один сигнал за другой (при печеночной коме, вследствие нарушения метаболизма, образуется ложный нейромедиатор октопамин, дезорганизующий, в качестве ложного сигнала, работу клеток мозга). Но, даже при адекватной сигнализации клетка не в состоянии ответить должным образом, если она «слепа и глуха» по отношению к данному сигналу. Именно такая ситуация создается при отсутствии или дефиците рецепторов, соответствующих 12

биорегуляторам. Избыточная активность (чувствительность) тех или иных рецепторов также способна привести к патологическим последствиям. Возможен как наследственный дефицит, так и приобретенная аномалия. Даже при адекватной сигнализации и правильном распознавании сигналов клеточными рецепторами клетки не могут запустить программу функционирования, если отсутствует возможность передачи информации через транспортную ферментативную систему внутрь клетки. Генетические программы, определяющие диапазон и характер реагирования, находятся в ядре (геном) и цитоплазме. Некоторые вещества через рецепторный аппарат способны самостоятельно проникать внутрь клетки и выполнять свои функции. Большая же часть химических сигналов опосредована поверхностными рецепторами и пострецепторными передаточными механизмами. дефекты в функционировании этих внутриклеточных посредников приводят к разнообразным повреждениям клеток. По современным представлениям, механизмы внутриклеточной передачи представляют собой единую сложную ферментативную сеть с несколькими всегда взаимодействующими звеньями. большинство сигналов передается с участием особых G-белков. Они могут интегрировать сигналы от раных рецепторов и в зависимости от ситуации включать множество различных эффекторных программ. При наследственной мутации G-белка (например, при гипопаратиреозе) имеется нарушение в работе этого механизма, и клетки становятся невосприимчивы к сигналу извне (паратгормону). Приобретенные состояния поломки G-белка возможны при действии различных токсинов (холерный, коклюшный) или ядов (канцерогенов). В поврежденных клетках выходят в цитоплазму и активизируются гидролитические ферменты, заключенные в фосфолипидные везикулы (лизосомы). Они содержат катепсины, рибонуклеазу, кислую фосфатазу, дезоксирибонуклеазу, гиалуронидазу и другие ферменты. Различные повреждающие агенты (эндотоксины бактерий, мелкие неорганические частицы) попадая в лизосомы разрушают их. Активация лизосомальных ферментов может происходить не только под действием факторов, но и в результате ацидоза, характерного для неспецифической реакции на то или иное повреждающее воздействие.

Нарушение рецепторного аппарата вызывает изменение ответа на регуляторные сигналы, нарушение передачи сигнала внутрь клетки, что отражается на уровне циклофосфатов и ведет к нарушению обмена и функций клетки. Нарушение рецепторного аппарата ведет и к изменению межклеточных взаимодействий (при опухолевом росте теряется торможение пролиферации).

9. Причины, механизмы  и последствия повреждения генетического  аппарата клетки.

Ядро важнейший элемент клетки, обеспечивающий координацию работы клетки в интерфазу, хранение генетической информации, передачу генного материала при делении, в нем же происходит репликация ДНК, транскрипция РНК. Различные воздействия способны повреждать молекулы ДНК. Эти повреждения вызывают технические ошибки в записи клеточных программ или другими словами мутации (стабильное наследуемое повреждение ДНК). Мутации лежат в основе общей этиологии наследственных болезней. Генеративные мутации (половых клеток) передаются из поколения в поколение. Соматические мутации искажают запись генетической программы в неполовых клетках, и в результате митоза (бесполое размножение клеток организма, предусматривающее идентичное копирование дочерними клетками материнского генома) передаются всему потомству данной клетки – ее клону. Соматические мутации хотя и не передаются потомству организма, имеют большое значение, так как порождают клональные заболевания (доброкачественные и злокачественные опухоли, а так же болезни тех тканей и органов, где клетки быстро обновляются – кровь, иммунная система). Наследственные дефекты – результат повреждения мутагенами ДНК. Наиболее важные мутагены химические (пестициды, 13