Повреждение исполнительного аппарата клетки

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

1) направленные на восстановление нарушенного внутриклеточного гомеостаза;

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

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

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

1. Липидные механизмы повреждения клетки включают в себя:

- перекисное окисление липидов;

- активацию мембранных фосфолипаз;

- детергентное действие свободных жирных кислот.

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

В процессе повреждения клетки возможны 2 механизма актива­ции ПОЛ.

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

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

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

LOO ^. + АН => LOOH + А ^.

А ^. + А ^. => А-А

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

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

Обычно выделяют три класса антиоксидантов:

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

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

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

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

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

Другая группа веществ, используемых клетками нашего организма для защиты от окислительного стресса — это витамины.Особенно тесная взаимозависимость су­ществует между селеном и витамином Е, ко­торые оба служат для инактивации липоперекисей. Витамин Е является сильнейшим антиоксидантом, так как ловит свободный электрон и не участвует в дальнейшей цепи. Протективное действие токоферола особенно выражено в отношении клеточных мембран. Активность токоферолов восстанавливает­ся витамином С, как и активность системы глютатиона.

Таким образом, в системе глутатиона взаи­модействуют витамины, микроэлементы и серосодержащие аминокислоты. Упомянутые витамины и микроэлементы,а также полифенолы (биофлавоноиды),липоевая кислота и каротин действуют в комплексе и состав­ляют антиокислительный резерв клеток, определяющий их резистентность к свободно радикальному повреждению.

Многие пищевые продукты содержат зна­чительные количества этих ингредиентов и способны насыщать ими организм.Поэтому, питание, оптимально обеспечива­ющее потребности клеток в антиоксидантах, является в настоящее время предметом наибо­лее интенсивных разработок в диетологии.

Особую роль в антиоксидантной защите играет трансферрин — отрицательный глобу­лин острой фазы, содержание которого в кро­ви при воспалениях и инфекциях снижается. Он захватывает трехвалентное железо и может переносить его в клетки.

Антиоксидантная недостаточность может быть обусловлена наследственными и приобретенными нарушениями синтеза антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутазы, каталазы, глутатионпероксидазы, глутатионредуктазы); дефицитом железа,меди,селена,необхо­димых для функционирования этих ферментов; гиповитаминозами Е,С; нарушениями пентозного цикла и цикла Кребса,в реакци­ях которых образуются НАДФН и НАДН,обеспечивающие восста­новление истинных и вспомогательных антиоксидантов и, наконец, действием детергентов, вследствие чего нарушается строение липидного бислоя мембран и открывается доступ свободных радикалов к обычно скрытым в гидрофобном слое ненасыщенным жирным кислотам. Независимо от механизма активации ПОЛ в клетке разви­ваются тяжелые изменения, связанные с нарушениями барьерной и матричной функций клеточных мембран.

2. Активация мембранных фосфолипаз. В патогенезе повреждения
клетки важное значение имеет чрезмерная активация фосфолипазы А₂ - фермента, осуществляющего гидролитическое отщепление ненасыщенной жирной кислоты - одного из двух гидрофобных хво­стов молекулы фосфолипида.Освободившиеся под действием фосфолипазы А₂ ненасыщен­ные жирные кислоты (арахидоновая, пентаноевая и др.) расходуют­ся на образование физиологически активных соединений - простагландинов и лейкотриенов.

Оставшаяся часть молекулы фосфолипи­да (лизофосфолипид) имеет лишь один жирнокислотный «хвост», вследствие чего обладает способностью к мицеллообразованию и яв­ляется очень сильным детергентом. С детергентным действием лизофосфолипидов и связано повреждение клеточных мембран в услови­ях чрезмерной активации фосфолипазы А₂. Основным фактором, вызывающим такую активацию, является высокая концентрация ионов Са²⁺ в цитоплазме клетки.

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

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

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

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

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

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

Описанные выше липидные механизмы повреждения приводят к нарушению двух основных функций липидного бислоя клеточных мембран: барьерной и матричной. В основе нарушения барьерной функции мембран лежат два основных механизма: ионофорный и ме­ханизм электрического пробоя.

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

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

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

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

- избыточное поступление ионов Са²⁺ в цитоплазму;

- нарушение удаления ионов Са²⁺ из цитоплазмы.

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

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

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

2) Nа⁺-Са²⁺ -обменного механизма;

3) Са²⁺ -аккумулируюшей функции митохондрий.

Нарушение функционирования Са²⁺ -насосов может быть связано с наследственно обусловленными и приобретенными дефектами белковых компонентов Са²⁺ -насосов, а также с уменьшением в клетке концентрации АТФ, необходимой для осуществления процессов ак­тивного транспорта. Дефицит АТФ в клетке, в свою очередь, законо­мерно возникает в условиях нарушения энергетического обмена: при недостаточности энергетических источников в клетке, гипо­ксии, уменьшении активности ферментов гликолиза и цикла Кребса, угнетении процессов клеточного дыхания и окислительного фосфорилирования. Nа⁺-Са²⁺ -обменный механизм удаления иони­зированного кальция из цитоплазмы обеспечивается энергией градиента концентраций ионов Na⁺ по обе стороны плазматической мембраны. Поэтому основной причиной нарушения Na⁺- Са²⁺-обмена является уменьшение указанного градиента, что происходит в усло­виях нарушения функции Nа⁺-К⁺-насоса, создающего этот градиент.

Са²⁺ -аккумулирующая функция митохондрий является одним из альтернативных путей использования энергии транспорта электронов по дыхательной цепи, когда освобождающаяся энергия идет не на синтез АТФ, а на транспорт ионов Са²⁺ из цитоплазмы в ми­тохондрии против концентрационного градиента. С учетом этого Са²⁺ -аккумулирующая функция митохондрий угнетается во всех слу­чаях нарушения процессов транспорта электронов по дыхательной цепи.

Стойкое повышение содержания ионов Са²⁺ в цитоплазме вызыва­ет ряд важных последствий:

1) нарушение специфических функций клетки, в осуществлении которых принимают участие ионы Са²⁺; примером является развитие контрактуры миофибрилл мышечных клеток. При этом утрачивает­ся способность таких клеток к расслаблению, а пересокращенные миофибриллы подвергаются разрушению под действием акти­вированных избытком кальция протеолитичсских ферментов;

2) ак­тивация фосфолипазы А₂ (см. выше);

3) разобщение окисления и фосфорилирования.

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

Электролитно-осмотические механизмы. Электролитно-осмоти­ческие механизмы повреждения клетки обусловлены сдвигами в со­держании главных клеточных катионов: Na⁺ и К⁺.Выравнивание кон­центраций этих ионов по обе стороны плазматической мембраны приводит к увеличению внутриклеточной концентрации ионов Na⁺ и уменьшению концентрации ионов К⁺ в клетке. В основе указанных сдвигов могут лежать два механизма, обеспечивающих поддержание кон­центрационных градиентов указанных ионов:

1) усиленная диффузия ионов через плазматическую мембрану;

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

Усиление диффузии ионов Na⁺ в клетку и выход ионов К⁺ из клет­ки могут происходить как через неповрежденную плазматическую мембрану в условиях общих нарушений водно-электролитного об­мена в организме (гипернатриемия, гипокалиемия), так и при нарушении барьерной функции плазматической мембраны. Пере­мещение ионов Na⁺ и К⁺ в этих случаях осуществляется через имею­щиеся и вновь образовавшиеся каналы ионной проводимости за счет существующих концентрационного и электрического градиен­тов.

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

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

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

2) отек клетки и

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

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

Развитие внутриклеточного ацидоза может быть обусловлено следующими механизмами:

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

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

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

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

Повышение внутриклеточной концентрации ионов водорода приводит к развитию ряда изменений:

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

2) активации лизосомальных гидролитических ферментов;

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

Протеиновые механизмы включают в себя:

1) ингибирование ферментов (обратимое и необратимое);

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

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

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

На субклеточном уровне реализация рассмотренных выше моле­кулярных

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