Свободно-радикальный некробиоз

Активные кислородсодержащие радикалы (АКР) – это высокотоксичные химически реакционноспособные молекулы с нечетным количеством электронов. Отнимая электроны у различных органических молекул, свободные кислородные радикалы могут превратить их в перекисные соединения и запустить своего рода цепные реакции внутри клетки.

АКР - физиологические метаболиты, образующиеся в клетке при нормальном обмене веществ. Они вырабатываются в клеточных органеллах в ходе работы микросомальной окислительной системы цитохрома Р₄₅₀. Многие процессы, например образование конечных продуктов пуринового обмена и распад дофамина, обязательно сопровождаются выработкой АКР. Некоторые паракринные регуляторы (окись азота) являются свободными радикалами и усиливают образование АКР.Адренэргическая стимуляция приводит к усилению, а холинэргическая - к ослаблению продукции эндогенных АКP.

АКР способны взаимодействовать с сульфгидрильными группами в составе белков, изменяя биологические функции фер­ментов и рецепторов. Благодаря этому АКР, изменяя активность протеинкиназ, способ­ны модулировать клеточные ответы на раз­личные сигналы.

Осуществляя защитные реакции, клетки (особенно специализированные мезенхимальные элементы — макрофаги и гранулоциты) могут многократно усиливать продукцию АКР. В фагоцитирующей клетке происходит так называемый «метаболический взрыв», то есть многократное усиление потребления энергии. Значительная часть этой энергии расхо­дуется на образование супероксидного радикала:

О₂ + ē = О₂

АКР осуществляют бактерицидный эффект в фаголизосомах. Миелопероксидаза фагоцитов превра­щает перекись водорода и ионы хлора в вы­соко бактерицидный гипохлорит-анион:

Н₂О₂ + Cl^- = ClО^-+ Н₂О

АКР также секретируются в процес­се экзоцитоза, разрушают причинные агенты первичной аль­терации и, путем перекисного окисления мем­бран соседних клеток, осуществляют вторич­ное самоповреждение.

Под влиянием активных радикалов кислорода: 1) возрастает перекисное окисление липидов клеточных мембран, приводящее к освобождению медиаторов воспаления и токсинов; 2) нарушается сшивка мембранных, внеклеточных и внутриклеточных липидов и белков через сульфгидрильные группы с инактивацией ферментов и рецепторов; 3) повреждается ДНК, происходит остановка ее репликации и мутагенез (тератогенный или канцерогенный, а также цитостатический эффект).

Разрушающее действие АКР является ранним и мощным. Оно выходит на первый план, прежде всего,втех случаях, когда резко ускоряется собственная продукция АКР – воспаление, инфекционное повреждение клеток, иммунопатологический цитолиз, разрушение опухолевых, микробных и зараженных вирусами клеток иммунной системы, травматический шок и синдром длительного раздавливания.К таким случаям относятся и те, когда повреждающий агент сам превращает воду и органические молекулы в свободные радикалы (радиацион­ное поражение клеток, отравление кислородом и озоном, включая гипербарическую оксигенацию, отравление двухвалентным железом).

Наконец, это могут быть химические повреждения клеток, при котором свободные радикалы формируются из молекул токсина или лекарства при их метаболизме (например, отравление четыреххлористым углеродом).

Высоким концентрациям АКР препятствуют механизмы антиоксидантной системы. Антиоксидаты— это молекулы, с общим лабильным водородным атомом с неспаренным электроном.Имеются три класса антиоксидантов.

В первую очередь, это каталаза и глютатионпероксидаза. Данные энзимы являются ферментами предупредительного действия, поскольку они восстанавливают пepекись водорода, провоцирующую цепной свободно-радикальный процесс, до неактивного состояния. Ферментом, прерывающим цепную реакцию перексидации, является супероксиддисмутаза. Она превращает супероксидный анион в менее активную перекись водорода, разрушаемую каталазой. И наконец, развовидностью антиоксидантов,связывающих железо и другие металлы, являются хелатирующие агенты.

Главными антиоксидантными субстратами клеток являются тиоловые соединения (глютатион, цистеин, Д-пенициламин). Протективное действие от АКР оказывают также витамины (Е, РР, С, В₂), микроэлементы (селен), биофлавоноиды и др.

Апоптоз

Апоптоз — это программированная форма гибели клетки, проявляющаяся уменьшением ее размера, конденсации и фрагментации хроматина, уплотнении наружной и цитоплазматических мембран без выхода содержимого клетки в окружающую среду.

Структурно-функциональные изменения клеток при апоптозе.На ранних этапах развития апоптоза (до возникновения структурных изменений) происходит синтез ферментов, необходимых для осуществления гибели клетки.

Наиболее ранним морфологическим проявлением апоптоза, выявляемым на электронно-микроскопическом уровне, служит утрата клетками специализированных структур на их поверхности (например, микроворсинок и межклеточных соединений), а также уплотнение ядра (в котором накапливаются крупные глыбки хроматина) и конденсация цитоплазмы. Изменения в ядре при апоптозе обусловлены активацией эндогенной Ca²⁺/Mg²⁺-зависимой эндонуклеазы, что приводит к упорядоченному расщеплению геномной ДНК на отдельные нуклеосомные сегменты. Хроматин укладывается в ядре в виде крупных полулуний, после чего ядро распадается на фрагменты, окруженные мембраной. Таким образом, в отличие от некроза, изменения ядра при апоптозе включают только кариопикноз и кариорексис (без разрушения кариолеммы).

Образование и удаление апоптозных тел. Выпячивания, содержащие жизнеспособные органеллы, а также фрагменты ядра, отшнуровываются, формируя крупные окруженные мембраной фрагменты округлой или овальной формы - апоптозные тела. Апоптозные тела быстро захватываются соседними клетками посредством фагоцитоза и перевариваются ими(Рис.2.3).

Процесс апоптоза развивается сравнительно быстро и обычно длится от нескольких минут до нескольких часов.

Причины апоптоза. Феномен апоптоза является результатом действия различных факторов, приводящих к гибели клетки. К ним относятся неспецифические факторы, такие как температура, токсические агенты, свободные радикалы, гамма- и УФ- излучение, бактериальные токсины и др. Во всех этих случаях происходит индукция апоптоза, но при увеличении дозы соответствующего агента развивается некроз клетки. К настоящему времени известно, что апоптоз могут вызывать как внутриклеточные сигналы, так и внешние, опосредующие свое действие через рецепторные системы, которые сами по себе не являются токсическими или деструктивными.

Важным фактором регуляции апоптоза клеток являются гормоны. В эндокринологии давно известно, что удаление эндокринной железы приводит к массовой инволюции клеток-мишеней. Механизм этого явления долго не был известен, и только открытие явления апоптоза дало толчок к изучению процессов, лежащих в основе действия гормонов на жизнеспособность клеток. Так, кастрация приводит к атрофии железистых клеток простаты. Введение андрогенов предотвращает этот процесс. т.е. андрогены являются ингибиторами апоптоза для клеток простаты. В тоже время они являются индукторами апоптоза для фолликулярных клеток яичника. На данном примере можно видеть, как одни и те же гормоны являются ингибиторами апоптоза для одних клеток и индукторами апоптоза для других.

Другими важными физиологическими регуляторами апоптоза являются цитокины. В отличие от гормонов, цитокины действуют, в основном, на пара- и аутокринном уровне. К апоптогенным цитокинам относятся ростовые факторы (колониестимулирующие факторы, эпидермальный фактор роста, инсулиноподобный фактор роста и т.д.), семейство фактора некроза опухоли (ФНО) и спиральные цитокины (интерлейкины, интерфероны). Эффект цитокинов на клетки также неоднозначен: для одних клеток они выступают в роли индуктора апоптоза, для других - в роли ингибитора апоптоза. Это зависит от типа клетки, от стадии ее дифференцировки, от функционального состояния клетки.

Таким образом, апоптоз является механизмом, обуславливающим элиминацию клеток с определенной специфичностью рецепторов. Реализация программы гибели клетки зависит от соотношения факторов, вызывающих апоптоз и предотвращающих его, а также от регуляторных внутриклеточных механизмов.

Роль протеолиза в развитии апоптоза.При апоптозе действуют свои, характерные только для программированной гибели, специализированные необратимые реакции протеолиза, катализируемые специфическими протеазами. Эта группа протеаз, названная каспазы (caspases), существует обособленно и функционирует как медиатор сигнала смерти. Каспазы образуют ферментативную систему, подобно ферментативному каскаду свертывающей системы крови или системы комплемента.

Среди каспаз различают ферменты эффекторы, непосредственно гидролизующие структурные белки клетки, и индукторы, принимающие апоптотический сигнал и передающие его на эффекторы. Среди молекулярных мишеней каспаз-эффекторов известны многие белки, деградация которых вызывает развитие необратимых процессов, характерных для апоптоза. Каспазы присутствуют в клетке изначально, что позволяет индуцировать апоптоз быстро Рис.2.4.

Механизмы индукции апоптоза при повреждении ДНК.В индукции запрограммированной гибели клеток(при наличии повреждений в ДНК клетки) важная роль принадлежит белку р53(с молекулярной массой 53 кД), локализованному в ядре клетки.При действии генотоксических агентов р53 не только увеличивает время репарации ДНК, но и защищает организм от клеток с опасными мутациями. Блокирование процесса апоптоза на разных стадиях канцерогенеза приводит к снижению способности трансформированных клеток активировать программу клеточной гибели, что способствует прогрессирования опухолевого процесса.

Роль белков семейства Вс1-2 в регуляции апоптоза клетки. Процесс регулированной клеточной гибели условно может быть разделен на несколько различных фаз: инициации апоптоза, проведение сигнала, активация каспаз, активация эндонуклеаз и специфическая деградация ДНК, в результате чего наступает гибель клетки. Последняя фаза универсальна для большинства клеток и является переходом к необратимой - терминальной стадии апоптоза, которую контролируют белки семейства Вс1-2, производные одноименных генов. Белки этого семейства относятся либо к индукторам апоптоза (Bad, Bax, Bcl-X_s, Bik, Bid, Bak), либо к ингибиторам (Bcl-2, Bcl-X_L). Эти белки являются перспективной мишенью для различных манипуляций с целью воздействия на желаемую судьбу клетки.

Апоптоз – один из фундаментальных и универсальных биологических механизмов тканевого гомеостаза, поэтому он в той или иной степени связан со всеми проявлениями жизнедеятельности тканей в норме и патологии. Особенно значима роль апоптоза в следующих процессах: (1) эмбриональном развитии; (2) удалении стареющих клеток в зрелых тканях; (3) инволюции зрелых тканей; (4) иммунных реакциях; (5) реакциях тканей на действие повреждающих факторов;(6) развитии ряда дегенеративных и инфекционных заболеваний; (7) опухолевом росте.

Индукцию апоптоза возможно использовать, как метод лечения опухолей. Установлено, что лечебный эффект при химиотерапии и радиотерапии новообразований обусловлен не развитием тяжелых необратимых нарушений генома опухолевых клеток (как полагали ранее), а относительно небольшими повреждениями ДНК, которые, однако, достаточны для запуска программы апоптоза в опухолевых клетках. Одним из перспективных направлений генной терапии опухолей может служить внесение в их клетки неизмененного гена р53 с целью индукции апоптоза.Многообещающими являются также подходы, связанные с регуляцией апоптоз- специфических генов и реализующиеся, в частности, в генной терапии - одной из самых перспективных областей современной медицины - при лечении заболеваний, вызванных нарушением функционирования отдельных генов. Идентификация морфологических и биохимических маркеров апоптоза должна в перспективе способствовать более глубокому пониманию механизмов патогенеза заболеваний, улучшению дифференциальной диагностики и созданию принципиально новых направлений терапии.

Аутофагия – это эволюционно консервативный механизм самопереваривания повреждённых белков и органелл и высвобождения энергии и аминокислот, при помощи которого поддерживается клеточный гомеостаз. При повреждении клеток активируются лизосомальные гидролазы, которые осуществляют локализованный в аутофагосомах процесс расщепления разрушающихся органоидов клетки (по образному определению К. де Дюве – «мешок самоубийства»).

Система аутофагии не только сама устраняет патогенные микроорганизмы, она также принимает участие в иммунном ответе на них. Аутофагия участвует в предотвращении превращения нормальной клетки в раковую клетку. Оксиданты могут индуцировать повреждения ДНК ядерного аппарата клетки. Система аутофагии способна расщеплять токсические продукты метаболизмаи удалять поврежденные митохондрии.

Количественное (медленное или быстрое развитие) или качественное нарушение аутофагии способствует повреждению клеток. Аутофагия может приводить к гибели клеток двумя путями. Первый из них состоит в неограниченном «переваривании» содержимого цитоплазмы вплоть до гибели клетки, второй заключается в стимулировании апоптоза. Аутофагия является механизмомвыживания опухолевых клеток после лучевой терапии или при воздействии химиопрепаратов, инициирующих апоптоз, путем экспрессии гена р53. Правильное представление о работе системы аутофагии не только поможет понять, как функционирует клетка, но и послужит основой в поиске лекарственных веществ, способных стимулировать или подавлять ее.

Некроптоз

Одним из альтернативных путей гибели клетокявляется некроптоз.При некроптозе механизмы разрушения клетки запускаются с «рецепторов домена смерти», но по морфологическим признакам этот процесс не отличается от классического некроза. Установлено, что важной морфофункциональной характеристикой некроптоза является аутофагия. Наиболее отчетливо некроптоз проявляется в нервной ткани при отсроченном ишемическом повреждении нейронов. Понимание того, что при определенных условиях клетки могут гибнуть путем некроптоза, очень важно, поскольку применение в этом случае препаратов, направленных на торможение апоптоза, может не даватьожидаемых лечебных эффектов (нейродегенеративные заболевания, инфаркт миокарда и др.).

Достижения последних десятилетий в области цитологии и патологии клетки свидетельствуют, что механизмы гибели клеток в организме очень разнообразные и они, скорее всего, не ограничиваются видами, перечисленными выше. В настоящее время создан специальный Номенклатурный комитет по гибели клеток (TheNomenclatureCommitteeonCellDeath – NCCD), одной из задач которого является унификация критериев для определения клеточной гибели и ее видов (2009 г.).