Старение и смерть клеток (см. Занятие 2)
Наиболее подходящим объектом для изучения процессов старения на клеточном уровне являются клетки, утратившие способность к делению еще в эмбриональном периоде развития организма. К такому типу клеток относятся клетки нервной системы, скелетных мышц, миокарда. Продолжительность жизни этих клеток равна продолжительности жизни организма.
При сравнении клеток молодого организма с гомологичными клетками организмов более старшего возраста обнаруживается ряд изменений, которые с основанием могут считаться признаками старения. Для удобства изучения эти признаки можно разделить на несколько групп.
I. Морфологические признаки:
· кариопикноз, то есть уменьшение ядра в объеме и его уплотнение;
· стирание границ между клетками;
· вакуолизация цитоплазмы;
· увеличение количества амитозов.
II. Физико-химические признаки:
· уменьшение степени дисперсности коллоидов цитоплазмы и ядра;
· увеличение вязкости цитоплазмы и кариоплазмы;
· более легкая коагуляция внутриклеточных белков при действии на них спирта, растворов солей.
III. Биохимические признаки:
· накопление в цитоплазме оранжево-желтого пигмента липофусцина (это продукт окисления ненасыщенных липидов);
· уменьшение содержания воды в клетке;
· снижение активности ферментов;
· увеличение содержания холестерина;
· уменьшение содержания белка лецитина.
IV. Функциональные признаки:
· понижается интенсивность внутриклеточного дыхания;
· угнетается биосинтез белка;
· увеличивается устойчивость клеток к действию различных повреждающих агентов.
Смерть клетки наступает в результате действия повреждающих факторов, при старении, а также в результате накопления в цитоплазме специализированных продуктов синтеза, как это наблюдается у клеток голокриновых желез.
В некоторых случаях переход клетки от жизни к смерти происходит очень быстро, (например, при действии повреждающих факторов высокой интенсивности). Тогда структурные и метаболические изменения клетки произойти не успевают, и клетка сохраняет почти в неизменном виде свою структуру. Если же процесс умирания затягивается, наблюдается ряд изменений, которые называются некротическими:
1) происходит угнетение функций митохондрий, нарушение окислительного фосфорилирования и активация гликолиза;
2) наблюдается нарушение гомеостатических свойств клетки, т.е. рН сдвигается в кислую сторону, соли, метаболиты освобождаются и переходят из клетки в окружающую среду;
3) в результате подкисления и изменения электролитного состава клетки происходит денатурация внутриклеточных белков;
4) вследствие выше перечисленных процессов разрушаются мембраны лизосом, освобождаются гидролитические ферменты, которые начинают свою разрушительную работу; они вызывают гидролиз белков, углеводов, жиров, ДНК и разрушают внутриклеточные структуры;
5) ядро умирающей клетки распадается на отдельные фрагменты (кариорексис), которые затем растворяются (кариолизис).
Гибель организма, как правило, происходит в результате смерти некоторой небольшой группы жизненно важных клеток, и после смерти организма многие его клетки остаются еще живыми и функционально полноценными.
Выделяют две формы клеточной гибели: апоптоз и некроз, которые отличаются причинами их развития и структурными изменениями в клетках (см. Занятие 2).
Апоптоз (с греч. – опадание листьев) – это генетически запрограммированная форма гибели клетки, необходимая в развитии многоклеточного организма и участвующая в поддержании тканевого гомеостаза. Апоптоз проявляется в уменьшении размера клетки, конденсации и фрагментации хроматина, уплотнении плазматической мембраны без выхода содержимого клетки в окружающую среду. Апоптоз обычно противопоставляется другой форме гибели клеток — некрозу, который развивается при воздействии внешних по отношению к клетке повреждающих агентов и неадекватных условий среды (гипоосмия, крайние значения рН, гипертермия, механические воздействия, действие агентов, повреждающих мембрану). Некроз проявляется набуханием клетки и разрывом мембраны вследствие повышения ее проницаемости с выходом содержимого клетки в среду. Первые морфологические признаки апоптоза (конденсация хроматина) регистрируются в ядре. Позже появляются вдавления ядерной мембраны и происходит фрагментация ядра. Отшнуровавшиеся фрагменты ядра, ограниченные мембраной, обнаруживаются вне клетки, их называют апоптотическими тельцами. В цитоплазме происходят расширение эндоплазматической сети, конденсация и сморщивание гранул. Важнейшим признаком апоптоза является снижение трансмембранного потенциала митохондрий. Клеточная мембрана утрачивает ворсинчатость, образует пузыревидные вздутия. Клетки округляются и отделяются от субстрата. Проницаемость мембраны повышается лишь в отношении небольших молекул, причем это происходит позже изменений в ядре. Одной из наиболее характерных особенностей апоптоза является уменьшение объема клетки в противоположность ее набуханию при некрозе. Апоптоз поражает индивидуальные клетки и практически не отражается на их окружении. В результате фагоцитоза, которому клетки подвергаются уже в процессе развития апоптоза, их содержимое не выделяется в межклеточное пространство. Напротив, при некрозе вокруг гибнущих клеток скапливаются их активные внутриклеточные компоненты, закисляется среда. В свою очередь это способствует гибели других клеток и развитию очага воспаления. Сравнительная характеристика апоптоза и некроза клеток приведена в таблице 1.
Таблица 1. Сравнительная характеристика апоптоза и некроза клеток
| Признак | Апоптоз | Некроз |
| Распространенность | Одиночная клетка | Группа клеток |
| Пусковой фактор | Активируется физиологическими или патологическими стимулами | |
| Скорость развития, часов | 1-12 | В пределах 1 |
| Изменение размера клетки | Уменьшение | Увеличение |
| Изменения клеточной мембраны | Потеря микроворсинок, образование вздутий, целостность не нарушена | Нарушение целостности |
| Изменения ядра | Конденсация хроматина, пикноз, фрагментация | Набухание |
| Изменения в цитоплазме | Конденсация цитоплазмы, уплотнение гранул | Лизис гранул |
| Локализация первичного повреждения | В ядре | В мембране |
| Причины гибели клетки | Деградация ДНК, нарушение энергетики клетки | Нарушение целостности мембраны |
| Состояние ДНК | Разрывы с образованием сначала крупных, затем мелких фрагментов | Неупорядоченная деградация |
| Энергозависимость | Зависит | Не зависит |
| Воспалительный ответ | Нет | Обычно есть |
| Удаление погибших клеток | Фагоцитоз соседними клетками | Фагоцитоз нейтрофилами и макрофагами |
| Примеры проявления | Метаморфоз | Гибель клеток от гипоксии, токсинов |
Апоптоз универсально распространен в мире многоклеточных организмов: аналогичные ему проявления описаны у дрожжей, трипаносом и некоторых других одноклеточных. Апоптоз рассматривается как условие нормального существования организма.
В организме апоптоз выполняет следующие функции:
§ поддержание постоянства численности клеток. Наиболее простой иллюстрацией значимости апоптоза для многоклеточного организма являются данные о роли этого процесса в поддержании постоянной численности клеток нематоды Caenorhabditis elegans.
§ защита организма от возбудителей инфекционных заболеваний, в частности, от вирусов. Многие вирусы вызывают такие глубокие нарушения в обмене веществ зараженной клетки, что она реагирует на эти нарушения запуском программы гибели. Биологический смысл такой реакции заключается в том, что смерть зараженной клетки на ранней стадии, предотвратит распространение инфекции по организму. Правда, у некоторых вирусов выработались специальные приспособления для подавления апоптоза в заражаемых клетках. Так в одних случаях в генетическом материале вируса закодированы вещества, выполняющие роль клеточных антиапоптозных белков-регуляторов. В других случаях вирус стимулирует синтез клеткой ее собственных антиапоптозных белков. Таким образом, создаются предпосылки для беспрепятственного размножения вируса.
§ удаление генетически дефектных клеток. Апоптоз является важнейшим средством естественной профилактики раковых новообразований. Есть специальные гены, контролирующие нарушения в генетическом материале клетки. В случае необходимости эти гены сдвигают равновесие в пользу апоптоза, и потенциально опасная клетка гибнет. Если такие гены мутируют, то в клетках развиваются злокачественные новообразования.
§ определение формы организма и его частей;
§ обеспечение правильного соотношения численности клеток различных типов;
Интенсивность апоптоза выше в начальные периоды онтогенеза, в частности во время эмбриогенеза. Во взрослом организме апоптоз продолжает играть большую роль лишь в быстро обновляющихся тканях.