Субклеточные изменения при повреждении клеток

Лизосомы содержат различные гидролитические фермен­ты — кислую фосфатазу, глюкуронидазу, сульфатазу, рибонуклеазу, коллагеназу и др. Эти ферменты синтезируются в грану­лярной (шероховатой) эндоплазматической сети и затем "упако­вываются" в пластинчатом комплексе (аппарат Гольджи). На этой стадии их называют первичными лизосомами; они сливают­ся с окруженными мембраной вакуолями, которые содержат про­дукты переваривания, и образуют фаголизосомы. Лизосомы уча­ствуют в утилизации фагоцитированного материала посредством гетеро- и аутофагии.

Гетерофагия — феномен, посредством которого мате­риал извне захватывается клеткой с помощью эндоцитоза. По­глощение частиц называется фагоцитозом, а растворенных мел­ких макромолекул — пиноцитозом. Гетерофагия характерна для фагоцитирующих клеток, таких как нейтрофилы и макрофаги. В качестве примеров гетерофагоцитоза можно привести поглоще­ние бактерий нейтрофильными лейкоцитами и удаление апоптозных клеток и телец макрофагами. Слияние фагоцитозной ва­куоли с лизосомой заканчивается растворением захваченного ма­териала.

Аутофагия характеризуется тем, что при ней внутрикле­точные органеллы и порции цитозоля вначале отделяются от ци­топлазмы в аутофагические вакуоли, образованные из свобод­ных от рибосом мембран гранулярной эндоплазматической сети, которые затем сливаются с первичными лизосомами или элемен­тами пластинчатого комплекса, образуя аутофаголизосому. Ау­тофагия — распространенный феномен, направленный на удале­ние разрушенных органелл поврежденной клетки. Он особенно выражен в клетках, атрофирующихся в результате недостаточ­ного питания или гормональной инволюции.

Ферменты лизосом способны разрушать большинство белков и углеводов, но некоторые липиды все равно остаются непереваренными. Лизосомы с непереваренными остатками встречаются в клетках в виде остаточных телец. Например, гранулы пигмента липофусцина представляют собой непереваренный ма­териал, который образовался после внутриклеточного СПОЛ. Некоторые нерастворимые пигменты, такие как частицы угля, попадающие из атмосферы, или пигмент, вводимый при татуи­ровке, могут находиться в фаголизосомах макрофагов десятиле­тиями.

В лизосомах накапливаются также вещества, которые клетки не могут адекватно метаболизировать. При врожденных лизосомных болезнях накопления, для которых характерен дефицит ферментов, разрушающих различные макромолекулы, происхо­дит ненормальное накопление этих веществ в лизосомах клеток всего тела, особенно в нейронах, приводя к тяжелым аномалиям.

Дисфункция митохондрий играет важную роль при остром повреждении клетки. Различные изменения количе­ства, размеров и формы митохондрий отмечаются в патологиче­ских условиях. Например, при гипертрофии и атрофии наблюда­ется соответственно увеличение и уменьшение количества мито­хондрий в клетках. Митохондрии могут быть очень крупными и принимать различную форму (мегамитохондрии), например, в случае алкогольной болезни печени. При некоторых врожден­ных метаболических заболеваниях скелетных мышц — митохондриальных миопатиях — дефекты метаболизма митохондрий сочетаются с увеличением их количества, причем митохондрии ча­сто бывают необычно крупными, имеют аномальные кристы и содержат кристаллоиды. Кроме того, некоторые опухоли (слюн­ных желез, щитовидной и околощитовидных желез, почки) со­стоят из клеток с множеством вытянутых митохондрий.

Аномалии цитоскелета встречаются при различ­ных патологических состояниях. Эти аномалии делятся на дефе­кты функций клетки (локомоторная и движение внутриклеточ­ных органелл) и накопление фибриллярного материала внутри клетки.

Функционирующие миофиламенты и микротрубочки необхо­димы для различных стадий миграции лейкоцитов и фагоцитоза. Поэтому именно недостаточностью цитоскелета обусловлены некоторые дефекты движения лейкоцитов в ответ на поврежда­ющие стимулы или неспособность таких клеток осуществлять адекватный фагоцитоз. Например, дефект полимеризации мик­ротрубочек при синдроме Чедиака — Хигаси вызывает замед­ленное слияние лизосом с фагосомами в лейкоцитах, нарушая та­ким образом фагоцитоз бактерий; в цитоплазме лейкоцитов поя­вляются крупные аномальные лизосомы. Некоторые лекарст­венные препараты, такие как цитохалазин В, тормозят функцию миофиламентов и таким образом нарушают фагоцитоз. Дефек­ты в организации микротрубочек могут тормозить подвижность сперматозоидов, вызывая стерильность у мужчин, а также приво­дить к неподвижности ресничек дыхательного эпителия, что пре­пятствует очищению дыхательных путей от бактерий и способст­вует развитию бронхоэктазов.

При некоторых типах повреждений клеток наблюдается на­копление промежуточных филаментов. Например, тельца Маллори, или алкогольный гиалин, представляют собой эозинофильные интрацитоплазматические включения в клетках печени, ко­торые характерны для алкогольной болезни. Эти включения со­стоят главным образом из промежуточных филаментов. Нейрофибриллярные включения в мозге при болезни Альцгеймера со­держат белки и нейрофиламенты из микротрубочек и отражают повреждение цитоскелета нейронов.

СТАРЕНИЕ КЛЕТОК

Несмотря на универсальность, процессу старения трудно дать четкое определение. С возрастом происходят физиологические и структурные изменения почти во всех системах органов. При ста­рении имеют большое значение генетические и социальные фак­торы, характер питания, а также связанные с возрастом болез­ни — атеросклероз, сахарный диабет, остеоартроз. Повреждения клеток, обусловленные возрастом, также являются важным ком­понентом старения организма.

С возрастом прогрессивно страдает ряд функций клеток. Сни­жается активность окислительного фосфорилирования в мито­хондриях, синтеза ферментов и рецепторов клеток. Стареющие клетки обладают сниженной способностью к поглощению пита­тельных веществ и восстановлению хромосомных повреждений. К морфологическим изменениям в стареющих клетках относятся неправильные и дольчатые ядра, полиморфные вакуолизированные митохондрии, уменьшение эндоплазматической сети и де­формация пластинчатого комплекса. Одновременно происходит накопление пигмента липофусцина.

Старение клеток является многофакторным процессом. Он включает эндогенные молекулярные программы клеточного старения, а также экзогенные влияния, приводящие к прогресси­рующему вторжению в процессы выживаемости клеток.

Феномен клеточного старения интенсивно изучается в опытах in vitro. Показано, что в стареющих клетках происходит актива­ция специфических для старения генов, повреждаются гены — регуляторы роста, стимулируются ингибиторы роста, а также включаются и другие генетические механизмы.

Предполагают, что генные дефекты могут быть обусловлены телометрическим укорочением хромосом. Теломеры играют важную роль в стабилизации терминальных порций хромосом и прикреплении их к ядерному матриксу. Например, длина теломеров уменьшается в последних пассажах культуры клеток и в культуре клеток людей старческого возраста. Обнаружена связь между длиной теломера и активностью теломеразы.

Приобретенные повреждения клеток при старении возника­ют под действием свободных радикалов. Причинами этих повре­ждений может быть воздействие ионизирующей радиации или прогрессирующее снижение активности антиоксидантных меха­низмов защиты, например витамина Е, пероксидазы глютатиона. Повреждение клетки свободными радикалами сопровождается накоплением липофусцина, однако сам по себе пигмент не токси­чен для клетки. Кроме того, СПОЛ и свободные радикалы вызы­вают повреждение нуклеиновых кислот как в ядре, так и мито­хондриях. Мутации и уничтожение митохондриальной ДНК с воз­растом становятся просто драматическими. Свободные радикалы кислорода катализируют также образование модификаций бел­ков, включая ферменты, делая их чувствительными к поврежда­ющему действию нейтральных и щелочных протеаз, содержа­щихся в цитозоле, что ведет к дальнейшему нарушению функций клетки.

Посттрансляционные изменения внутриклеточных и внекле­точных белков также возникают с возрастом. Одна из разновидностей таких изменений — неферментное гликозилирование белков. Например, связанное с возрастом гликозилирование бел­ков хрусталика лежит в основе старческой катаракты.

Наконец, имеются данные о нарушении образования стрессорных белков in vitro у экспериментальных животных при ста­рении. Образование стрессорных белков — важнейший меха­низм защиты от различных стрессов.

Лекция 4