Повреждение клетки

Окраска цитоплазмы различными красителями

Большинство красителей плохо  проникает через клеточную мембрану неповрежденных клеток и слабо связывается  внутриклеточными структурами. Увеличение проницаемости клеточной и внутриклеточной  мембран при повреждении клетки приводит к возрастанию количества красителя, вошедшего в клетку и  связавшегося с компонентами цитоплазмы. На этом основаны многие гистохимические  методы определения жизнеспособности клеток.

Снижение мембранного  потенциала

Для живых, нормально функционирующих  клеток характерно неравномерное распределение  ионов между клеткой и окружающей средой, обеспечиваемое постоянной работой  ионных насосов в мембранах клеток (рис.1). Так, внутри клеток содержание Ca²⁺ примерно в 10000 раз ниже, чем в окружающей среде; в клетках гораздо больше K⁺ и меньше Na⁺, чем в плазме крови или межклеточной жидкости (табл. 3).

Таблица 3. Распределение  ионов калия и натрия внутри и  снаружи некоторых клеток

Клетки	Концентрация, моль/л				Отношение внутренней концентрации к наружной
	Внутри		Снаружи
	K+	Na+	K+	Na+	K+	Na+
Эритроциты человека	112	37	5	143	22:1	1:3,88
Одиночное волокно портняжной мышцы лягушки	125	15	2,6	110	48:1	1:7
Гигантский аксон кальмара	410	49	22	440	19:1	1:10

 
Благодаря различию в концентрации ионов в клетке и окружающей среде на цитоплазматической мембране имеется разность потенциалов со знаком "минус" внутри клетки (около -70 мВ для нервных и мышечных клеток). Уменьшение мембранного потенциала происходит как при неспецифическом увеличении ионной проницаемости мембран, так и при выравнивании концентраций ионов вследствие выключения работы клеточных насосов; последнее происходит как при прямом повреждении Na⁺-K⁺-АТФазы, так и при снижении уровня АТФ вследствие нарушения биоэнергетических процессов в митохондриях. Например, установлено снижение мембранного потенциала клеток печени у лабораторных животных при асфиксии. Снижение мембранного потенциала наблюдается также при холодовом, радиационном, аллергическом и других повреждениях клеток, лизосом и прочих субклеточных структур.

Выход ионов калия  из клеток

При активно работающей Na⁺-K⁺-АТФазе на клеточной мембране поддерживается разность потенциалов, со знаком минус внутри клетки, под действием которой ионы калия входят в клетку. Этот постоянный поток K⁺ внутрь компенсирует спонтанный выход калия наружу, который происходит в силу диффузии этих катионов из области с более высокой концентрацией калия в область с более низкой его концентрацией. Повреждение клетки сопровождается снижением содержания АТФ в клетке, падению потенциала на цитоплазматической мембране и выходу калия из клеток. Освобождение калия из тканей в кровь описано при механической травме, различных интоксикациях, аллергических состояниях, гипоксии и многих других повреждениях органов и тканей. Понижение содержания ионов калия в клетке может происходить также под влиянием больших доз минералокортикоидных гормонов, при действии некоторых лекарственных веществ, например сердечных гликозидов. В свою очередь, увеличение концентрации калия во внеклеточной среде приводит к снижению мембранного потенциала соседних клеток, что в случае электровозбудимых тканей может привести к генерации потенциалов действия. Так увеличение концентрации калия в очаге инфаркта миокарда может стать одной из причин возникновения фибрилляции сердца.

Накопление ионов  кальция в гиалоплазме

В нормальных клетках концентрация ионов кальция в клеточном  соке отличается исключительно низкими  значениями: 10^-7 или даже 10^-8 моль/л, тогда как в окружающей клетку среде содержится 10^-3 моль/л ионов кальция. При этом следует иметь в виду, что ионы Ca²⁺ проходят в клетку не только самопроизвольно (процесс «утечки» через мембрану), но и через кальциевые каналы в мембране, которые открываются в ответ на изменение мембранного потенциала (потенциал-зависимые кальциевые каналы, например, в нервных клетках) или в ответ на присоединение гормонов и медиаторов к мембранным рецепторам (например, адреналина к адренорецепторам в клетках сердечной мышцы). Компенсирует вход ионов Ca²⁺ в клетку работа трех типов кальциевых насосов: кальциевая помпа (Ca²⁺-АТФаза) в мембранах саркоплазматического ретикулума и клеточной мембране, система аккумуляции Ca²⁺ в митохондриях, в некоторых клетках Na⁺-Ca²⁺-обменник, встроенный в цитоплазматическую мембрану (см. рис.2). При повреждении клетки нарушается работа митохондрий: снижается мембранный потенциал и прекращается окислительное фосфорилирование. При снижении мембранного потенциала в митохондриях уменьшается накопление Ca²⁺. Снижение уровня АТФ в клетке приводит к выключению работы Ca²⁺-АТФ-азы саркоплазматической. Все это способствует накоплению кальция в цитоплазме ретикулума и клеточной мембране. Увеличение концентрации Na⁺ в клетке, вследствие угнетения Na⁺-насоса при недостатке АТФ приводит к выключению также и системы Na⁺-Ca²⁺ обмена через клеточную мембрану. В результате всего этого происходит увеличение концентрации кальция от 10^-8-10^-7 моль/л (в норме) до 10^-6-10^-5 моль/л. Это приводит к нарушениям в цитоскелете, активации сократительных структур, образованию нерастворимых включений кальция в матриксе митрхондрий, повреждению внутриклеточных мембран и общей дезорганизации метаболизма. Морфологически это проявляется в замедлении броуновского движения различных включений внутри клетки (увеличение «вязкости протоплазмы») и возрастании светорассеяния; красители начинают легче проникать в клетку и связываются в большом количестве с внутриклеточными структурами - все эти признаки типичны для "неспецифической реакции клетки на повреждение" по Насонову и Александрову (см. выше).

Выход метаболитов

Увеличение проницаемости  мембран клеток и ухудшение работы насосов приводит к тому, что компоненты цитоплазмы выходят в окружающую среду. Вышедшие из клеток вещества отнюдь не безразличны для других клеток, тканей и органов. Так, среди веществ, выходящих из клеток, поврежденных в результате ишемии (нарушения кровотока) или ожога, имеются полипептиды, обладающие способностью останавливать  сокращение сердца (ишемический, ожоговый токсины). Обнаружение этих веществ  осуществляется различными методами, включая измерение хемилюминесценции  плазмы крови, интенсивность которой  снижается в присутствии полипептидных  токсинов.

Увеличение объема (набухание) клеток

Увеличение объема клеток - один из наиболее ранних признаков  ее повреждения, который проявляется, например, при недостатке кислорода  в ткани - тканевой гипоксии. Сохранение нормальной формы и объема клеток связано с состоянием цитоскелета и поддержанием определенного соотношения между осмотическим давлением белков и электролитов внутри и вне клетки. При этом форма клетки определяется в значительной мере цитоскелетом, тогда как объем - поддержанием осмотического баланса. Поскольку все биологические мембраны хорошо проницаемы для воды, но плохо проницаемы для растворенных в воде веществ, включая соли, клетки, так же как и внутриклеточные структуры, например митохондрии, обладают свойством осмометра: их объем изменяется при изменении концентрации ионов и молекул внутри и вне клетки или органеллы. При этом строго поддерживается соотношение концентраций всех ионов и молекул внутри и вне клетки. Как только в клетке начинают накапливаться новые ионы и молекулы, ее объем возрастает, так как вода входит внутрь. Выкачивание ионов мембранным насосом сопровождается уменьшением ее объема за счет самопроизвольного выхода избытка воды. В нормальной клетке имеется, как правило, избыточное по сравнению с окружающей средой количество белков, что приводило бы к появлению избыточного осмотического (онкотического) давления и увеличению объема клетки, если бы одновременно не происходило удаление (выкачивание) ионов натрия из клетки за счет работы Na⁺-K⁺-АТФ-азы (рис.1). Вместе с натрием, который выкачивается ионной помпой за счет энергии гидролиза, происходит выход ионов Cl^- за счет электрического поля, создаваемого диффузией ионов K⁺ и переносом Na⁺, так как мембрана клеток хорошо проницаема для ионов Cl^-. Иначе говоря, натриевый насос (Na⁺-K⁺-АТФ-аза) удаляет из клетки NaCl, уменьшает концентрацию ионов в ней, что приводит к уменьшению клеточного объема. Этому процессу противостоит процесс самопроизвольного входа, или утечки натрия внутрь клетки: через дефекты в липидном бислое, через натриевые каналы и через переносчики, сопрягающие вход натрия с транспортом cахаров и аминокислот в клетку. Таким образом, живая клетка находится в состоянии динамического равновесия, при котором «протечка» клеточной мембраны компенсируется постоянной работой ионной помпы (это так называемая leak and pump - гипотеза). В патологии может происходить либо увеличение ионной проницаемости клеточной мембраны (возрастание «протечки»), либо нарушение работы ионных помп (например, при недостатке энергообеспечения, т.е. при снижении уровня АТФ). В опытах с изолированными тканями печени, почек, мозга было показано, что отравление солями ртути или других тяжелых металлов приводит к увеличению ионной проницаемости мембран клеток (увеличению «протечки») и возрастанию объема клеток (т.е. набуханию ткани). Увеличение объема клеток можно вызвать и другим способом: нарушив систему их энергообеспечения. Действительно, было показано, что объем клеток возрастает при гипоксии, а также при действии дыхательных ядов (таких как цианид или окись углерода) или разобщителей окислительного фосфорилирования (таких, как 2,4-динитрофенол). Набухание клеток - процесс, далеко не безразличный для функционирования клеток и ткани в целом. Первым результатом этого оказывается сдавливание кровеносных сосудов и затруднение кровообращения. Так, при ишемии происходит набухание клеток и последующее общее возобновление кровообращения не сразу и не всегда приводит к восстановлению жизнедеятельности, потому что кровь не проникает в мелкие кровеносные сосуды, сдавленные набухшими клетками. То же происходит при трансплантации органов. Иногда применяется предварительное промывание пересаженного органа гипертоническим раствором, который восстанавливает прежний объем клеток и нормализует микроциркуляцию.

Нарушение структуры  и функций митохондрий

Нарушение биоэнергетических  функций митохондрий - одно из наиболее ранних проявлений повреждения клеток. Например, после прекращения кровообращения происходит нарушение окислительного фосфорилирования в митохондриях через 20-30 мин в печени и через 30-60 мин - в почках. Приблизительно в эти же сроки появляются и другие признаки повреждения клеток.

Более подробно об этом будет  сказано в лекции «Нарушение функции митохондрий при тканквой гипоксии».

Ацидоз

Любое повреждение клетки сопровождается ацидозом ее цитоплазмы (рН падает до 6 и ниже). Первичный  ацидоз повреждения клеток следует  отличать от вторичного ацидоза в  воспаленной ткани, который возникает  значительно позднее (через несколько  часов) после нанесения повреждения. Первичный ацидоз повреждения - следствие  накопления в клетке определенных продуктов  метаболизма, таких как продукт  гликолиза - молочная кислота и другие. Первичный ацидоз в поврежденной ткани возникает при действии различных повреждающих агентов: механического  воздействия, действия химических агентов (например такого, как горчичное масло), бактериального (дизентерийная палочка, гемолитический стафилококк). Ацидоз повреждения возникает в тканях также при гипоксии.

Старение клеток

Молекулярные механизмы  старения клеток различных типов  не универсальны.

Нельзя объяснить молекулярные механизмы старения одних клеток данными,

полученными при изучении клеток другого типа; нельзя считать

последовательность изменений  на молекулярном уровне в клетках  одного типа

общей закономерностью старения для всех клеток. Действительно,

последовательность возрастных изменении в первично стареющем нейроне и, к

примеру, в мышечной клетке после деструкции под- ходящего к ней нервного

окончания во многом отличаются друг от друга.

В одних клетках первичные  изменения наступают в регулировании  генома, в

других — в мембранных процессах, в энергетическом обмене и уже вторично в

геноме с последующими нарушениями во всех звеньях жизнедеятельности клеток.

Старение приводит к функциональной неполноценности клеток самого различного

типа. Более того, глубокие возрастные изменения метаболизма  и структуры

заканчиваются не только функциональной дефектностью клетки, но и в конечном

итоге ее гибелью. Однако даже функционально однородные клетки стареют в

неодинаковом темпе. Среди одного и того же класса клеток — нервных, мышечных,

печеночных и др.  можно выделить клеточные образования с грубыми изменениями

структуры и функции и  клетки с выраженными проявлениями гиперфункции, с

комплексом адаптационных  реакций. Так, во многих клетках отмечается

уменьшение ядерно-цитоплазматического  контраста; уменьшение числа

митохондрий, их набухание, разрушение, спирализация; нарушение целостности

эндоплазматического ретикулума, атрофия канальцев эндоплазматического

ретикулума; уменьшение числа рибосом, увеличение числа первичных лизосом,

появление вторичных лизосом, накопление липофусцина, аутофагосом и остаточных

телец; появление вакуолей, ограниченных мембраной, изменение  толщины; разрывы

в плазматической мембране. В мышечных волокнах, кроме того, уменьшается

фракционный объем саркотубулярной сети, нарушается расположение А—1-дисков,

цистерны Т-систем в отдельных  местах расширены и характеризуются  очаговым

утолщением и уплотнением  мембран, наступают серьезные нарушения  в самом

сократительном аппарате мионов. Гистохимические методы позволили установить

определенную корреляцию между степенью структурных, ультраструктурных

изменений в клетке и активностью  ряда ключевых ферментов, содержанием

гликогена, РНК и др.

     Гибель клеток

числа неодинаково выражено в различных органах, в пределах различных клеточных

популяций. Так, в мозгу, к  примеру, в ряде областей коры головного  мозга коры

мозжечка, в скорлупе, в  голубом пятне отмечается убыль  клеток на 30—40%. В то

же время в ряде структур гиппокампа, ствола мозга, гипоталамуса практически не

отмечено потери числа  нейронов. Убыль числа клеток описана  в печени, почках,

эндокринных железах, миокарде, скелетных мышцах.

Уменьшение числа клеток неодинаково сказывается на функции  различных органов

в старости. Особенное значение этот процесс имеет для функции  нервных

центров, ограниченная популяция  клеток которых определяет важные внутри-

центральные взаимоотношения, регуляцию метаболизма и функции  других тканей.

Наряду с этим в старости описываются клетки, находящиеся  в состоянии

гиперфункции и гипертрофии. В них отмечается ряд метаболических, структурных

феноменов, имеющих явно адаптивный характер — гипертрофия  ядра, полиплоидия,

многоядерность, увеличение площади ядерных мембран, гипертрофия митохондрий,

гиперплазия структур Гольджи, появление мощной сети шероховатого ретикулума,

гипертрофия миофибрилл и  др. В одних клетках отмечаются отдельные компоненты

витаукта в условиях возрастной деградации, в других адаптивный сдвиг

характерен для всей клетки в целом. Можно полагать, что при убыли части

клеток на оставшиеся ложится повышенная функциональная нагрузка.

Метаболические сдвиги, происходящие при этом, активируют генетический