Реакция клеток на повреждающие воздействия

 
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

Всего 4 нарушения:

1) снижение потребления  кислорода -- связано с уменьшением скорости переноса электронов по дыхательной цепи.

2) увеличение проницаемости  внутренней митохондриальной мембраны может привести к разобщению окислительного фосфорилирования в митохондриях и изменению показателей работы митохондрий. Существует 2 (два) показателя работы митохондрий: коэффициент Р/О и коэффициент дыхательного контроля ДК. Коэффициент Р/О - это отношение количества синтезированной АТФ к количеству поглощенного кислорода. Коэффициент дыхательного контроля -- это отношение скорости дыхания митохондрий в присутствии субстратов окисления, АДФ и ортофосфата к скорости дыхания митохондрий в отсутствии АДФ. Снижение ДК до единицы и Р/О до 0 говорит о разобщении окислительного фосфорилирования в митохондриях.;

3) снижение способности  накапливать кальций -- приводит к увеличению его концентрации в гиалоплазме. Развивается в результате снижения мембранного потенциала и разобщения окислительного фосфорилирования в митохондриях;

4) набухание митохондрий -- связано с поступление воды внутрь митохондрий и приводит к их разрыву. Различают активное и пассивное набухание митохондрий. Пассивное набухание митохондрий - происходит за счет движения молекул воды в митохондрию при увеличении коллоидно осмотического давления внутри нее и не требует затрат энергии. Активное набухание митохондрий -- это движение молекул воды в митохондрию исключительно вслед за фосфатом К+. Фосфат К+ поступает в митохондрии при уменьшении мембранного потенциала ниже 170-180 мВ со знаком «минус».

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.

Изменение активности ферментов и рецепторов

Активация ферментов  лизосом

В поврежденных клетках происходит выход в цитоплазму и активация  ряда гидролитических ферментов, в  нормальных клетках заключенных  в специальные фосфолипидные  везикулы - лизосомы. Последние представляют собой образования диаметром  порядка 0,4 мкм и содержат такие  ферменты как катепсины, рибонуклеазы, кислая фосфатаза, дезоксирибонуклеаза, гиалуронидаза и др. Различные повреждающие агенты, например, эндотоксины бактерий кишечно-тифозной группы, а также мелкие неорганические частицы (двуокись кремния, двуокись титана, алмазная пыль), попадая в лизосомы, разрушают их. Активация лизосомальных ферментов может происходить не только под действием тех или иных специфических факторов, но и в результате ацидоза, характерного для неспецифической реакции клетки на то или иное повреждающее воздействие. Одним из процессов, вызывающих выход лизосомальных ферментов, является также активация пероксидации липидов в лизосомальных мембранах. Пока все еще идет дискуссия о том, является ли активация лизосом механизмом удаления содержимого погибшей клетки или причиной ее повреждения при действии неблагоприятных факторов.

Повреждение генетического  аппарата клетки

Нуклеиновые кислоты весьма чувствительны к прямому действию повреждающих агентов, таких как  облучение ионизирующей радиацией, ультрафиолетом, видимым светом в присутствии некоторых окрашенных соединений - фотосенсибилизаторов. В значительной мере повреждения нуклеиновых кислот исправляются в результате репарации, которая осуществляется по целому ряду механизмов; в противном случае возникают нарушения в геноме (мутации) и работе систем биосинтеза белка. В последнее время многие необратимые изменения в клетках (например, при интоксикациях или в ходе процесса старения) связывают с повреждением генетического аппарата митохондрий.

Повреждение рибосом  и полисом

При токсических воздействиях на клетки наблюдается изменение  конфигурации эндоплазматического ретикулума и связанных с ним рибосом. Например, при отравлении тринитротолуолом в клетках печени мембраны эндоплазматического ретикулума и расположенные на них рибосомы принимают форму различных завитков, не наблюдающихся в нормальных клетках. Синтез белков осуществляется на полисомах. Угнетение синтеза определенных белков, например синтеза гемоглобина при апластической анемии в клетках костного мозга, происходит на фоне уменьшения числа полисом и их распада на отдельные рибосомы.

Состояние покоя  и клеточные виды смерти

Одной из особенностей старения является неспособность клетки адаптироваться к условиям стресса.

В процессе жизнедеятельности, в клетках накапливаются необратимые  повреждения и, как следствие, делящиеся  клетки регенерирующих тканей прибегают  к двум основным механизмам, предотвращающим  деление. Они могут либо навсегда остановить клеточный цикл (войти  в состояние покоя, «сенесценцию»), либо запустить механизм запрограммированной смерти.

Существует несколько  видов клеточной гибели. Апоптоз (самоубийство) является наиболее подробно описанной формой запланированной клеточной смерти. Существует, однако, ещё одна форма гибели клетки - аутофагия (самопоедание), которая осуществляется при помощи лизосомной деградации, имеющей важное значение для поддержания гомеостаза.

В отличие от митотических (делящихся) клеток, постмитотические клетки, такие как нейроны или кардиомиоциты, не могут войти в состояние покоя, поскольку они уже окончательно дифференцированны. Судьба этих клеток, таким образом, полностью зависит от их способности справляться со стрессом.

Аутофагия является одним из основных механизмов для ликвидации поврежденных органелл, долгоживущих и аномальных белков и излишних объёмов цитоплазмы.

Клеточное старение (сенесценция)

Клеточное старение по сути является остановкой в фазе G1 клеточного цикла постоянно пролиферирующих  клеток в ответ на стресс, с целью  избежать опасности трансформации  в злокачественную клетку . Клетки в состоянии покоя принимают уплощенную форму и запускают экспрессию конкретных молекулярных маркеров, связанных с сенесценцией - бета-галактозидазы, связанных с старением гетерохроматиновых локусов и накопления липофусциновых гранул.

Есть много стимулов способствующих переходу клетки в состояние покоя.

Среди них, укорочение теломер, повреждение ДНК и оксидативный стресс являются наиболее хорошо изученными. Несмотря на разнообразие этих сигналов, они сходятся на двух основных эффекторных путях: на пути p53 и pRB пути.

В нормальных условиях, активность белка - супрессора опухоли p53 регулируется белком MDM2. Однако, при митогенном стрессе или повреждении ДНК, активность MDM2 подавляется и функциональный p53 способен активировать ингибитор циклин-зависимых киназ p21, который останавливает клеточный цикл.

Во втором пути, белок  ретинобластомы рRB активируется белком p16 в условиях стресса или повреждений ДНК, который в свою очередь связывается с представителями E2F факторов транскрипции, о которых известно, что они запускают клеточный цикл .

Эти два пути перекрываются  в области контроля клеточного старения, а также могут совпадать с  запуском программ клеточной смерти. Например, вентрикулярные кардиомиоциты активируют митохондриальный апоптоз, когда в этих клетках увеличивается экспрессия E2F.

Несмотря на то, что сенесценция является способом адаптации клетки в ответ на стрессовые условия, этот механизм, однако, может иметь негативное воздействие на выживание организма.

С возрастом, сенесцентные клетки накапливаются в пролиферативных тканях и вырабатывают различные протеазы деградации, факторы роста и цитокины, что оказывает воздействие на функции соседних клеток, не находящихся в состоянии покоя.

После массового накопления стареющих клеток, пролиферативный  потенциал регенерирующих тканей снижается  из-за уменьшения стволовых клеток. В общей сложности, эти последствия  могут создать неблагоприятную  обстановку, которая влияет на развитие неопластичных клеток в опухоли, что в итоге повышает риск заболевания раком.

Апоптоз

Апоптоз является наиболее подробно изученной формой запрограмированной клеточной гибели, которая играет важную роль в эмбриональном развитии и организменном старении . Он включает в себя конторолируемую активацию протеаз и других гидролаз, которые быстро разрушают все клеточные структуры.