Антиоксидантная защита клеток
В клетках протекают процессы и действуют факторы, которые ограничивают или даже прекращают свободнорадикальные и перекисные реакции, т.е. оказывают антиоксидантный эффект. Один из таких процессов — взаимодействие радикалов и гидроперекисей липидов между собой, что ведет к образованию «нерадикальных» соединений. Ведущую роль в системе АОЗ клеток играют механизмы ферментной, а также неферментной природы, главные из которых представлены в таблице 5-2 и на рисунке 5-7.
Таблица 5–2. Звенья антиоксидантной системы и ее некоторые факторы
| Звенья | Факторы | Механизмы действия |
| Антикислородное | Ретинол, каротиноиды, рибофлавин | Уменьшение содержания O2 в клетке, например путем его повышенной утилизации, повышения сопряжения процессов окисления и фосфорилирования |
| Антирадикальное | СОД, токоферолы, маннитол | Перевод активных радикалов в «нерадикальные» соединения; «гашение» свободных радикалов органическими соединениями |
| Антиперекисное | Глутатионпероксидазы, каталаза, серотонин | Инактивация гидроперекисей липидов, например, при их восстановлении |
Ы верстка! вставить рисунок «рис-5-7» Ы
Рис. 5-7. Уровни действия антиоксидантных факторов клетки.
Чрезмерная активация свободнорадикальных и перекисных реакций — это один из главных факторов необратимого повреждения мембран и ферментов клеток. Решающее значение при этом имеют изменения физико-химических свойств липидов и появление структурных дефектов мембран.
Нарушение характеристик липидов мембран ведет к изменениям конформации липопротеиновых и белковых комплексов и в связи с этим — к ингибированию активности ферментных систем.
Образование структурных дефектов в мембранах — т.н. простейших каналов (кластеров) — обусловливает существенное повышение их проницаемости, приводящее к неконтролироемому транспорту через них в клетки и из клеток в интерстиций органических и неорганических веществ.
Указанные процессы, в свою очередь, вызывают нарушения важных для жизнедеятельности клеток процессов — рецепции и передачи гуморальных воздействий, трансмембранного переноса ионов и молекул, возбудимости, генерации и проведения нервных импульсов, обмена веществ, межклеточных взаимодействий и др.
Накопление в мембране липидных гидроперекисей соровождается их объединением в мицеллы, создающие трансмембранные каналы проницаемости. По этим каналам возможен неконтролируемый ток катионов и других молекул как в клетку, так и из нее, что, как правило, фатально для клетки.
Увеличение образования продуктов СПОЛ и параллельно с этим — кластеров сопровождается фрагментацией мембран (этот процесс получил название детергентного действия продуктов СПОЛ) и приводит к гибели клетки.
Активация гидролаз
Cостав и состояние мембран могут модифицировать не только свободнорадикальные и липопероксидные процессы, но также и мембраносвязанные, свободные (солюбилизированные) и лизосомальные липазы, фосфолипазы и протеазы.
Под влиянием патогенных факторов активность этих ферментов и/или их содержание в клетке могут значительно повыситься (например, при развитии ацидоза, способствующего выходу ферментов из лизосом и их последующей активации). В результате гидролизу подвергаются фосфолипиды и белки мембран, а также ферменты. Это сопровождается значительным повышением проницаемости мембран и снижением кинетических свойств ферментов.
Детергентные эффекты амфифилов
В результате активации липопероксидных реакций и гидролаз (главным образом липаз и фосфолипаз) в клетке накапливаются гидроперекиси липидов, свободные жирные кислоты, фосфолипиды (например глицерофосфолипиды, фосфатидилхолины, фосфатидилэтаноламины, фосфатидилсерины). Эти соединения получили название амфифильных в связи с их способностью проникать и фиксироваться как в гидрофобной, так и в гидрофильной зоне мембран. Накопление в клетке амфифилов в большом количестве сопровождается массированным внедрением их в мембраны, что ведет к формированию обширных кластеров и микроразрывов в них.
Расстройства процесса репарации мембран
При воздействии повреждающих факторов репаративный ресинтез альтерированных или утраченных липидных, белковых, липопротеидных, гликопротеидных и других молекул мембран, а также их синтез de novo существенно подавляются. Эффективность восстановления мембран становится недостаточной. Это потенцирует степень и масштаб повреждения мембранного аппарата клеток.
Нарушения конформации макромолекул
Изменения нормальной конформации (пространственной структуры, формы) макромолекул белка, ЛП, гликопротеинов и других соединений приводят к значительным изменениям физико-химического состояния клеточных мембран и их рецепторов. Причинами этого являются расстройства энергообеспечения клеток; отклонения физико-химических параметров клетки от нормы (например, развитие ацидоза, гипер- или гипоосмии). В результате изменяется третичная и четвертичная структуры макромолекул, что нарушает их конформацию и функцию, в т.ч. снижает активность БАВ (ферментов, гормонов, цитокинов и др.).
Перерастяжение и разрыв мембран
Перерастяжение и разрыв мембран набухших клеток в связи с их гипергидратацией — важный механизм повреждения и гибели как органоидов, так и клетки в целом. Гипергидратация — следствие значительного увеличения осмотического и онкотического давления в клетках. Это, в свою очередь, обусловлено избытком в них гидрофильных молекул органических соединений (молочной и пировиноградной кислот, альбуминов, глюкозы и др.), а также ионов, накопившихся в связи с расстройствами метаболизма.
Дисбаланс ионов и воды
Дисбаланс ионов и воды в клетке, как правило, развивается вслед за или одновременно с расстройствами энергетического обеспечения и повреждением мембран и ферментов. В результате существенно изменяется трансмембранный перенос многих ионов. В наибольшей мере это относится к K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Cl–, т.е. ионам, которые принимают участие в таких жизненно важных процессах, как возбуждение, проведение потенциалов действия (ПД), электромеханическое сопряжение и др.
Ионный дисбаланс характеризуется изменением соотношения отдельных ионов в цитозоле и нарушением трансмембранного соотношения ионов как по обе стороны плазмолеммы, так и внутриклеточных мембран.
Проявления ионного дисбаланса многообразны. Наиболее существенны для функционирования и самого существования клеток изменения ионного состава, определяемые разными мембранными АТФазами и дефектами мембран.
Катионы. Вследствие нарушения работы Na+,K+-АТФазы плазмолеммы в цитозоле клетки накопливается избыток Na+ и уменьшается содержание K+. При расстройстве Na+-Ca2+-ионообменного механизма плазмолеммы (обмен двух Na+, входящих в клетку, на один Ca2+, выходящий из нее), а также Ca2+-АТФаз, в цитозоле существенно увеличивается содержание Ca2+ (рис. 5-8).
Ы верстка! вставить рисунок «рис-5-8» Ы
Рис. 5-8. Направление градиентов и содержание отдельных ионов (на примере кардиомиоцитов).
Анионы. Нарушения трансмембранного распределения катионов сопровождаются изменением содержания в клетке и анионов Cl–, OH–, HCO3– и др. (рис. 5-9).
Ы верстка! вставить рисунок «рис-5-9» Ы
Рис. 5-9. Дисбаланс ионов и воды в клетке при ее повреждении.
Важные последствия ионного дисбаланса— это изменения объема клеток и клеточных органоидов (гипо- и гипергидратация), а также нарушения электрогенеза в возбудимых клеточных элементах [например, в кардиомиоцитах, нейронах, скелетных мышечных волокнах, гладкомышечных клетках (ГМК)].
Гипергидратация клеток. Основная причина гипергидратации — повышение содержания Na+ и Ca2+, а также органических веществ в поврежденных клетках. Это сопровождается увеличением в них осмотического давления и накоплением воды. Клетки при этом набухают, объем их увеличивается, что сочетается с растяжением и нередко микроразрывами цитолеммы и мембран органелл.
Гипогидратация клеток. Гипогидратация клеток наблюдается, например, при лихорадке, гипертермии, полиурии, ИБ (холере, брюшном тифе, дизентерии). Указанные состояния ведут к потере организмом воды, сопровождающейся выходом из клеток жидкости и растворенных в ней белков (в т.ч. ферментов), а также других органических и неорганических водорастворимых соединений.
Нарушения электрогенеза в виде изменений характеристик МП и ПД имеют существенное значение, поскольку они нередко бывают одним из важных признаков наличия и характера повреждения клеток. Примером могут служить изменения ЭКГ при повреждении клеток миокарда, электроэнцефалограммы при нарушении структуры и функций нейронов головного мозга, электромиограммы при изменениях в мышечных клетках. Патогенез такого рода повреждений возбудимых клеток приведен на рисунке 5-10.
Ы верстка! вставить рисунок «рис-5-10» Ы
Рис. 5-10. Изменения электрофизиологических свойств возбудимой клетки при ее повреждении.
Генетические нарушения
Повреждения генома и/или механизмов экспрессии генов, репликации и репарации ДНК, клеточного цикла — значимые механизмы альтерации, имеющие фатальные последствия. Эти повреждения играют существенную роль при малигнизации клеток и процессах онкогенеза. На рисунке 5-11 приведены основные изменения генетической программы клеток, происходящие под влиянием повреждающих факторов.
Ы верстка! вставить рисунок «рис-5-11» Ы
Рис. 5-11. Нарушения генетической программы и/или механизмов ее реализации при повреждении клетки.
Причинами повреждения генома клетки и ее гибели могут стать прямое или опосредованное действие на генетический аппарат патогенных агентов различного характера. Нарушения структуры ДНК и/или ее деградация часто выступают пусковым звеном гибели клетки. К наиболее значимым причинам повреждений ДНК относят:
Ú разрушение фрагментов ДНК при воздействии на нее сверхсильных патогенных агентов, чаще всего химического или физического характера (например, высоких доз ионизирующего излучения, алкилирующих агентов, свободных радикалов, гидроперекисей липидов);
Ú расщепление ДНК при значительной активации нуклеаз (предсуществующих или синтезирующихся de novo);
Ú деградация ДНК активированными трансферазами, что сопровождается разрывами межнуклеотидных связей.
Указанные и другие факторы запускают различные механизмы нарушения генетической информации, механизмов ее реализации или активации программы смерти клетки.
Механизмы нарушений в геноме. К числу наиболее существенных механизмов нарушения генетической информации клетки относят:
Ú мутации;
Ú неконтролируемую дерепрессию генов (например, онкогенов или генов апоптоза);
Ú подавление активности жизненно важных генов (например, программирующих синтез ферментов);
Ú трансфекцию (внедрение в геном чужеродной ДНК, например ДНК вируса герпеса или опухоли);
Ú нарушения репарации ДНК.
Ниже приведены отдельные последствия повреждения генома, имеющие наибольшее значение в патологии человека.
Ферментопатии (нарушения структуры и функции ферментов и ферментативного катализа. Это фатальным образом сказывается на всех сторонах жизнедеятельности клеток (например, многие из тысяч моногенных заболеваний — следствие дефекта генов, кодирующих структуру ферментов).
Нарушения клеточного цикла (дефекты даже одного из сотен факторов, регулирующих клеточный цикл, неизбежно приводят к расстройству пролиферации клеток, в т.ч. к бесконтрольному размножению поврежденной клетки и формированию малигнизированных клонов).
Активация онкогенов— ключевое звено канцерогенеза.
Неконтролируемая активация апоптоза(приводящая, например, к иммунодефицитным состояниям или гипотрофии тканей и органов).
Расстройства регуляции внутриклеточных процессов
Нарушения жизнедеятельности клетки могут быть результатом расстройств одного или нескольких уровней реализации регуляторных механизмов. Основные из них приведены на рисунке 5-12.
Ы верстка! вставить рисунок «рис-5-12» Ы
Рис. 5-12. Механизмы нарушения регуляции клетки при ее повреждении.
Межклеточные сигналы, реализуемые с участием БАВ информационного характера (гормоны, нейромедиаторы, цитокины, хемокины и др.) реализуют регуляторные эффекты после взаимодействия БАВ с клеточными рецепторами.
Причины искажения регуляторного сигнала многообразны. Наибольшее значение имеют изменения:
Ú чувствительности рецепторов;
Ú количества рецепторов;
Ú конформации рецепторных макромолекул;
Ú липидного окружения мембранных рецепторов.
Указанные отклонения могут существенно модифицировать характер клеточного ответа на регулирующий стимул. Так, накопление токсичных продуктов СПОЛ при ишемии миокарда изменяет физико-химические свойства мембран. Это сопровождается нарушением реакций сердца на норадреналин и ацетилхолин, воспринимающихся соответствующими рецепторами плазматической мембраны кардиомиоцитов.
Расстройства на уровне вторых посредников
На уровне внутриклеточных вторых посредников (мессенджеров) — циклических нуклеотидов: аденозинмонофосфата (цАМФ) и гуанозинмонофосфата (цГМФ) и других, образующихся в ответ на действие первых посредников — гормонов и нейромедиаторов, возможны многочисленные расстройства. Примером может служить нарушение формирования МП в кардиомиоцитах при накоплении в них избытка цАМФ. Это одна из возможных причин развития сердечных аритмий.
Нарушения ответа на сигнал
На уровне метаболических процессов, регулируемых вторыми посредниками или другими внутриклеточными факторами, также возможны многочисленные расстройства. Так, нарушение активации клеточных ферментов, например в связи с дефицитом цАМФ или цГМФ, может существенно изменить интенсивность метаболических реакций и как следствие — привести к расстройству жизнедеятельности клетки.
Типовые формы патологии, развивающиеся при повреждении клеток
Повреждение клеток характеризуется развитием разнообразных изменений не только в пораженных клетках, но и в других гистологических элементах, составляющих ткани, органы и их системы.
К типовым формам патологии клеток относят дистрофии, дисплазии, некроз, патологические формы апоптоза, нарушения отдельных субклеточных структур и компонентов.
Дистрофии
Клеточные дистрофии — нарушения обмена веществ, сопровождающиеся расстройством функций клеток, пластических процессов в них, а также структурными изменениями, ведущими к нарушению жизнедеятельности клеток.
Механизмы дистрофий разнообразны. К числу ведущих относят:
Ú синтез аномальных, в норме не встречающихся в клетке, веществ (например, белково-полисахаридного комплекса амилоида);
Ú избыточное превращение одних соединений в другие (например, жиров и углеводов в белки, углеводов в жиры);
Ú декомпозицию (фанероз) — распад субклеточных структур и/или веществ (например, белково-липидных комплексов мембран);
Ú инфильтрацию клеток и межклеточного вещества органическими и неорганическими соединениями (например, ЛПНП и Ca2+ клеток интимы артерий при атеросклерозе).
Виды клеточных дистрофий
Виды клеточных дистрофий приведены на рисунке 5-13.
Ы верстка! вставить рисунок «рис-5-13» Ы
Рис. 5-13. Виды дистрофий в зависимости от преимущественно нарушенного типа обмена веществ.
Основной критерий классификации клеточных дистрофий — преимущественное нарушение метаболизма отдельных классов веществ. Согласно этому, различают диспротеинозы (белковые дистрофии), липидозы (жировые дистрофии), диспигментозы (пигментные дистрофии), углеводные и минеральные дистрофии. Отдельную группу составляют тезаурисмозы (болезни накопления).
Диспротеинозы
Для белковых дистрофий характерно изменение физико-химических свойств клеточных белков и как следствие — нарушение их ферментативной и структурной функций. Различают зернистую, гиалиново-капельную и гидропическую дистрофии. Эти разновидности диспротеинозов — последовательные этапы нарушений обмена белков, приводящие к некрозу клеток.
Чаще диспротеинозы являются приобретенными (вторичными). Реже встречаются первичные (наследуемые и врожденные) их варианты. Обычно эти последние — результат ферментопатий и обусловлены нарушениями обмена аминокислот, например цистеина (цистиноз), фенилпировиноградной кислоты (фенилкетонурия), тирозина (тирозиноз) и некоторых других.
Липидозы
К липидам относят различные по химическому составу гидрофобные вещества (рис. 5-14).
Ы верстка! вставить рисунок «рис-5-14» Ы
Рис. 5-14. Виды липидов.
Для липидозов (жировых дистрофий) характерно увеличение содержания внутриклеточных липидов, появление липидов в клетках, где они в норме отсутствуют, а также образование липидов аномального химического состава.
Различают липидозы первичные (наблюдаются, как правило, при ферментопатиях: ганглиозидлипидоз, цереброзидлипидоз, сфингомиелинлипидоз и др.) и вторичные (вызванные различными патогенными факторами: этанолом, соединениями фосфора, четыреххлористым углеродом, некоторыми ЛС — цитостатиками, антибиотиками, барбитуратами и др.). Вторичные липидозы, подобно диспротеинозам, наиболее часто выявляются в клетках миокарда, печени, почек, мозга и носят соответствующие названия (жировая дистрофия сердца, печени, почек, мозга).
Углеводные дистрофии
Углеводные дистрофии характеризуются нарушениями обмена полисахаридов (гликогена, мукополисахаридов) и гликопротеинов (муцина, мукоидов).
Полисахариды. При нарушениях метаболизма полисахаридов в клетках можно наблюдать уменьшение содержания углеводов (например, гликогена при СД), отсутствие углеводов (агликогенозы) и накопление избытка углеводов (например, гликогенная инфильтрация клеток, гликогенозы).
Причинами этих дистрофий чаще всего являются эндокринопатии (например, инсулиновая недостаточность) и ферментопатии (отсутствие или низкая активность ферментов, принимающих участие в синтезе и распаде углеводов).
Гликопротеины. Углеводные дистрофии, связанные с нарушением метаболизма гликопротеинов, характеризуются, как правило, накоплением муцинов и мукоидов, имеющих слизистую консистенцию (в связи с этим их называют также слизистыми дистрофиями).
Вызывают углеводные дистпофии эндокринные расстройства (например, недостаточная продукция или низкая активность гормонов щитовидной железы) и прямое повреждение клеток различными патогенными факторами.
Диспигментозы
Клеточные пигменты (хромопротеиды) — это соединения, состоящие из белка и хромофора. Выделяют несколько групп хромопротеидов:
Ú гемоглобиногенные, или железозависимые (ферритин, гемосидерин, билирубин, гематоидин, гематин, порфирин);
Ú протеиногенные, или тирозиногенные (меланин, адренохром, пигменты охроноза и энтерохромаффинных клеток);
Ú липидогенные, или липопротеиногенные (липофусцин, гемофусцин, цероид, липохромы).
Виды диспигментозов
Пигментные дистрофии (диспигментозы) классифицируют в зависимости от их происхождения, механизма развития, структуры пигмента, проявлений и распространенности (таблица 5-3).
Ы Верстка Таблица 5-3 Ы
Таблица 5-3. Виды пигментных дистрофий
| По происхождению |
| · Первичные (наследственные, врожденные). · Вторичные, приобретенные (возникающие под действием патогенных агентов в постнатальном периоде). |
| По механизму развития |
| · Обусловленные дефектами ферментов (ферментопатиями) метаболизма пигмента. · Связанные с изменением содержании и/или активности ферментов транспорта пигментов через мембраны клетки. · Вызванные повреждением мембран клеток. · Обусловленные накоплением избытка пигментов в фагоцитирующих клетках. |
| По структуре пигмента |
| · Гемоглобиногенные, железозависимые. · Протеиногенные, тирозиногенные. · Липидогенные, липопротеиногенные. |
| По проявлениям |
| · Появление в клетке пигмента, в норме в ней отсутствующего. · Накопление избытка пигмента, образующегося в клетке в норме. · Уменьшение количества пигмента, образующегося в клетке в норме. |
| По распространенности |
| · Местные (регионарные). · Общие (распространенные, системные). |
Гемоглобиногенные (железозависимые) диспигментозы: гемосидероз, гемохроматоз, гемомеланоз, порфирии, а также накопление избытка прямого билирубина в гепатоцитах. Большинство гемоглобиногенных пигментов относят к продуктам катаболизма Hb. Некоторые из них (ферритин, гемосидерин) образуются с участием железа, всасывающегося в кишечнике. Наиболее частыми из гемоглобиногенных диспигментозов являются: гемохроматоз и порфирия.
Протеиногенные (тирозиногенные) диспигментозы проявляются усилением (например, при меланозе и охронозе) или ослаблением (например, при альбинизме) пигментации тканей локального или общего характера продуктами метаболизма тирозина.
Липидогенные диспигментозы характеризуются увеличением количества в клетках пигментов липидного и липопротеидного характера (липофусцинозы).
Минеральные дистрофии
Из минеральных дистрофий наибольшее значение имеют нарушения обмена кальция, калия, железа, цинка, меди в виде отложения солей этих химических элементов (например, кальцинозы, сидерозы, отложение меди при гепатоцеребральной дистрофии).
Тезаурисмозы
Тезаурисмозы (болезни накопления) — накопление избытка различных веществ в клетках, что сопровождается нарушением их структуры и функции, а также интенсивности и характера метаболических и пластических клеточных процессов. Практически все тезаурисмозы — результат наследственных ферментопатий, передающихся, как правило, по аутосомно-рецессивному типу. В отдельные группы принято выделять болезни накопления: лизосомные и пероксисомные. В зависимости от типа накапливающихся веществ тезаурисмозы подразделяют на липидные (липидозы), гликогеновые (гликогенозы), аминокислотные, нуклеопротеиновые, мукополисахаридные (мукополисахаридозы), муколипидные (муколипидозы). Наиболее распространенные разновидности тезаурисмозов — липидные и гликогеновые.
Дисплазии
| Дисплазии: |
| нарушения дифференцировки клеток, |
| сопровождающиеся стойкими изменениями ее структуры, метаболизма и функции, |
| что ведет к нарушению ее жизнедеятельности |
Дифференцировка клеток определяется генетической программой. Однако реализация этой программы в существенней мере зависит от сложных взаимодействий ядра и цитоплазмы, микроокружения клетки, влияния на клетку БАВ и многих других факторов. Именно поэтому даже при одном и том же отклонении в геноме различных клеток, проявления дисплазий могут носить «разноликий» характер. Важно, что клеточные дисплазии могут лежать в основе опухолевого роста, и в клинической практике их рассматривают как предраковые состояния. Как правило, при дисплазиях клетки увеличены в размерах, имеют неправильную, причудливую форму («клетки-монстры»), соотношение различных органелл в них диспропорционально. Нередко в таких клетках обнаруживаются различные включения и признаки дистрофических процессов. Примерами дисплазий могут быть многоядерные гигантские клетки со своеобразным расположением хроматина при болезни Реклингхаузена, мегалобласты костного мозга при витамин B12-дефицитной анемии, серповидные эритроциты при патологии Hb, «нейроны-монстры» при поражении коры головного мозга (туберозный склероз).
Среди дисплазий выделяют метаплазии, характеризующиеся замещением в органе или ткани специфических для него клеток клетками другого типа. Например, хронические воспалительные заболевания легких, дефицит витамина А, курение приводят к появлению в однослойном мерцательном эпителии бронхов островков многослойного плоского эпителия; при хроническом цервиците возможно замещение цилиндрического эпителия многослойным плоским; в условиях хронического рефлюкса кислого содержимого желудка многослойный плоский эпителий слизистой оболочки пищевода замещается однослойным эпителием, характерным для тонкой кишки (Барретта пищевод); в рубцовой ткани (например, легкого) возможна гетеротопная оссификация.
Гибель клетки
Развитие многоклеточного организма, формирование тканей и их функционирование предполагают наличие баланса между пролиферацией, дифференцировкой и гибелью клеток. Клетки погибают как в физиологических так и патологических условиях. Массовую гибель клеток в раннем онтогенезе называют запрограммированной. Клетки, выполнившие свои функции, погибают в течение всей жизни организма. Они гибнут при повреждении и некрозе ткани, а также при различных заболеваниях, избирательно поражающих отдельные типы клеток (дегенерация).
Известно 2 качественно различных варианта смерти клеток: некроз и апоптоз (рис. 5-15).
Ы верстка! вставить рисунок «рис-5-15» Ы
Рис. 5-15. Виды гибели клеток и механизмы их разрушения.
Некроз
Некроз—смерть существенно поврежденных клеток, сопровождающаяся необратимым прекращением их жизнедеятельности. Некроз является завершающим этапом клеточных дистрофий или следствием прямого действия на клетку повреждающих факторов значительной (разрушающей) силы. Некроз клеток, как правило, сопровождается перифокальной воспалительной реакцией.
Некрозу предшествуют паранекроз (метаболические и структурные изменения еще обратимы) и некробиоз. На этапе некробиоза патогенные изменения приобретают необратимый характер и приводят к некрозу. Основные звенья патогенеза некроза те же, что и при повреждении клеток, но при развитии некроза они максимально интенсифицированы и развиваются на фоне недостаточности адаптивных механизмов (защиты и регенерации поврежденных структур, компенсации нарушенных процессов в клетке).
Лизис и аутолиз
Некротизированные клетки подвергаются деструкции (лизису) при помощи лизосомных ферментов и свободных радикалов. Гидролиз внутриклеточных компонентов и межклеточного вещества происходит под влиянием ферментов лизосом альтерированных клеток. Высвобождению лизосомных ферментов способствует развитие внутриклеточного ацидоза.
Деструкция поврежденных компонентов клеток осуществляется при участии активных форм кислорода и свободных радикалов. Факты интенсификации свободнорадикальных и липопероксидных реакций описаны при остром воспалении, механическом повреждении, на определенных этапах развития инфаркта (частной формы некроза, развивающегося вследствие нарушения кровоснабжения ткани), опухолевого роста (сопровождается гибелью большого числа как злокачественных, так и окружающих нормальных клеток) и других патологических процессах. Эти два механизма обеспечивают саморазрушение структур клетки (аутолиз).
Разрушение поврежденных и некротизированных клеток происходит и при участии других клеток — фагоцитов, а также микроорганизмов. В отличие от аутолитического распада, последний механизм обозначают как гетеролитический.
Апоптоз
Апоптоз — еще один своеобразный вариант гибели отдельных клеток.
Ы ВЕРСТКА. Таблица: НЕ РВАТЬ, НЕ ПЕРЕМЕЩАТЬ Ы
| Апоптоз: |
| форма гибели отдельных клеток, |
| возникающая под действием вне- или внутриклеточных факторов, |
| осуществляемая путем активации специализированных внутриклеточных процессов, регулируемых определенными генами. |
Апоптоз — это общебиологическое явление, заключающееся в программируемой гибели клетки. В этом его принципиальное отличие от некроза.
Другое важное отличие апоптоза от некроза состоит в том, что программу апоптоза запускает информационный сигнал, тогда как некроз клеток развивается под непосредственным влиянием повреждающего агента.
В финале некроза происходит лизис клеток и освобождение их содержимого в межклеточное пространство. В связи с этим, в зоне некроза развивается воспаление. Апоптоз же завершается фагоцитозом фрагментов разрушенной клетки и признаки воспаления, как правило, отсутствуют.
Некроз — всегда результат действия патогенного фактора значительной силы. Апоптоз, в отличие от этого, наблюдается в ходе многих физиологических процессов, а также при адаптации клетки к факторам среды.
Апоптоз, в отличие от некроза, энергозависим. Он требует синтеза РНК и белков.
Проявления апоптоза
При апоптозе цитоплазма клетки уплотняется, конденсируется хроматин, ядро подвергается пикнозу с последующим кариорексисом. Фрагментации ядра предшествует межнуклеосомная упорядоченная деградация ядерной ДНК с образованием последовательно уменьшающихся фрагментов длиной до 180 пар оснований. Распад ДНК на отдельные нуклеосомные фрагменты с разрывами нуклеотидной цепочки приводит к появлению фрагментов ДНК разной длины.
В конечной стадии апоптоза фрагментации подвергаются сами клетки с формированием т.н. апоптозных телец — окруженных мембраной фрагментов клеток, включающих остатки органелл, цитолеммы, цитоплазмы, хроматина.
Клетки, вошедшие в апоптоз, и апоптозные тельца фагоцитируются макрофагами и гранулоцитами.
Примеры апоптоза
Запрограммированная гибель клеток. Это естественный процесс гибели клеток и элиминации целых их клонов в ходе эмбрионального развития, гистогенеза и морфогенеза органов. В данном случае речь идет о гибели клеток, не достигших состояния терминальной дифференцировки. Примером служит запрограммированная гибель нейробластов (от 25 до 75%) на определенных этапах развития мозга.
Дегенерация. При некоторых патологических состояниях наблюдается избирательная гибель клеток, например, в нервной системе при боковом амиотрофическом склерозе (болезни Шарко) и болезни Альцхаймера.
Ликвидации аутоагрессивных T-клеток. Происходит на определенных этапах развития тимуса, после завершеия иммунного ответа или устранения клеток, подвергшихся воздействию цитотоксических T-лимфоцитов.
Трансфекция. Внедрение в клетку нуклеиновой кислоты вируса (например, при вирусном гепатите, миокардите, энцефалите, СПИДе) нередко сопрвождается ее апоптозом.
Повреждение клетки. Воздействие на клетку агентов, повреждающих ее, но не приводящих к некрозу (например, повышенной температуры, радиации, цитостатиков, гипоксии). Увеличение же интенсивности этих воздействий приводит к некрозу.
Опухолевый рост. Апоптоз, как правило, выявляется и при формировании опухолевого узла и при его деструкции.
Механизм апоптоза
В процессе реализации апоптоза условно выделяют 4 стадии (рис. 5-16).
Ы верстка! вставить рисунок «рис-5-16» Ы
Рис. 5-16. Стадии апоптоза.
Стадия инициации
На этой стадии информационные сигналы рецептируются клеткой. Патогенный агент либо сам является сигналом, либо обусловливает генерацию сигнала в клетке и его проведение к внутриклеточным регуляторным структурам и молекулам (рис. 5-17).
Ы верстка! вставить рисунок «рис-5-17» Ы
Рис. 5-17. Апоптоз: стадия инициации.
Инициирующие апоптоз стимулы могут быть трансмембранными или внутриклеточными.Трансмембранные сигналы условно делят на «отрицательные», «положительные» и «смешанные». «Отрицательным» сигналомсчитают отсутствие или прекращение воздействия на клетку биологически необходимого фактора (например, фактора роста или цитокина, регулирующих деление и созревание клетки; гормона, контролирующего развитие клетки).
В норме действие названных выше групп БАВ на мембранные рецепторы обеспечивает подавление программы гибели клеток и нормальную их жизнедеятельность. Напротив, их отсутствие или уменьшение эффектов «освобождает» программу апоптоза. Так, для нормальной жизнедеятельности ряда нейронов необходимо постоянное наличие нейротрофических факторов. Их устранение или снижение эффектов на нервные клетки может привести к включению программы смерти нейрона. «Положительные» непосредственно запускают программу апоптоза. Так, связывание фактора некроза опухолей (ФНО-a) (FasL) с его мембранным рецептором CD95 (Fas) активирует программу смерти клетки. «Смешанные» сигналы являются комбинацией воздействий сигналов первой и второй групп. Так, апоптозу подвергаются лимфоциты, простимулированные митогеном, но не проконтактировавшие с чужеродным АГ. Погибают и те лимфоциты, на которые воздействовал АГ, но не получившие других сигналов, например, митогенного или от HLA.
Среди внутриклеточных стимулов апоптоза наибольшее значение имеют избыток H+, свободных радикалов липидов и других веществ, повышенная температура, внутриклеточные вирусы и гормоны, реализующие свой эффект через ядерные рецепторы (например, глюкокортикоиды).
Стадия программирования
Стадия программирования (контроля и интеграции процессов апоптоза) представлена на рисунке 5-18.
Ы верстка! вставить рисунок «рис-5-18» Ы
Рис. 5-18. Апоптоз: стадия программирования.
На этой стадии специализированные белки либо реализуют сигнал к апоптозу путем активации исполнительной программы (ее эффекторами являются цистеиновые протеазы — каспазы и эндонуклеазы), либо блокируют потенциально летальный сигнал.
Выделяют 2 варианта (не исключающих друг друга) реализации стадии программирования:
Ú путем прямой активации эффекторных каспаз и эндонуклеаз (минуя геном клетки);
Ú опосредованной их активации через экспресию определенных генов.
Прямая передача сигнала осуществляется через адапторные белки, гранзимы и цитохром С. В качестве адапторного белка выступает, например, каспаза-8. Так реализуют свое действие цитокины T-лимфоцитов-киллеров в отношении чужеродных клеток, ФНО и другие лиганды CD95. Цитохром C, выделяясь из митохондрий, вместе с белком Apaf-1 и каспазой-9 формирует комплекс активации (апоптосому) эффекторных каспаз. Каспаза-8 и каспаза-9 активируют эффекторные каспазы (например, каспазу-3), которые участвуют в протеолизе белков. Гранзимы, представляющие собой протеазы, выделяются цитотоксическими T-лимфоцитами. Протеазы могут проникать в клетки-мишени через цитоплазматические поры, предварительно сформированные перфоринами. Гранзимы активируют аспартатспецифические цистеиновые протеазы клетки-мишени, подвергающейся апоптозу. Прямая передача сигнала наблюдается обычно в безъядерных клетках, например, эритроцитах.
Опосредованная передача сигнала подразумевает репрессию генов, кодирующих ингибиторы апоптоза и экспрессию генов, кодирующих промоторы апоптоза. Белки-ингибиторы апоптоза (например, продукты экспрессии антиапоптозных генов Bcl-2, Bcl-XL) блокируют апоптоз (например, путем уменьшения проницаемости мембран митохондрий, тем самым уменьшая вероятность выхода в цитозоль одного из пусковых факторов апоптоза — цитохрома C). Белки-промоторы апоптоза (например, белки, синтез которых контролируется генами Bad, Bax, антионкогенами Rb или p53) активируют эффекторные каспазы и эндонуклеазы.