Механизмы повреждения клеточных структур

Липидный механизм

1. Свободнорадикальное и перикисное окисление липидов

Свободные радикалы – это атомы (или молекулы) с неспаренными электронами на внешних атомных или молекулярных орбитах, отличающиеся высокой реакционной способностью.

Два электрона одной орбитали (спаренные) имеют противоположные спины (направление вращения электрона вокруг собственной оси, которое создает магнитное поле с параллельным, или антипараллельным вектором относительно магнитного поля Земли), а отсюда и нулевой общий магнитный момент.

Неспаренный электрон придает атому (или содержащей его молекуле) магнитный момент, который предопределяет его химическую реакционную способность.

Неспаренные электроны стремятся ликвидировать феномен неспаренности двумя путями.

· Взаимодействием с другими свободнорадикальными атомами (или молекулами) с образованием химически инертного продукта;

· «Выдергиванием» неспаренного электрона с противоположным спином из внешней оболочки свободных или связанных атомов. Объектом такого воздействия являются переходные металлы, богатые неспаренными электронами, в результате взаимодействия радикал становится химически инертным (тушится), а металл изменяет заряд. Но свободные радикалы способны «выдергивать» электроны и из биоорганических соединений, которые превращаются в свободнорадикальные (перикисные) соединения с патологическим нарушением биохимических процессов.

 

Свободные радикалы постоянно образуются в организме и попадают в него из окружающей среды (все виды излучения).

Свободные радикалы не бывают «хорошими» или «плохими». Они необходимы организму для выполнения ряда функции, например в дыхательной цепочке, но оказывают повреждающее действие при увеличении их количества.

В процессе биологического окисления образуются супероксидный радикал О₂^Ÿ и гидроксидный радикал ^ŸОН (свободные радикалы), о ксид азота NО^Ÿ (преимущественно участвует в регуляции сосудистого тонуса) и перекись водорода Н₂О₂ (последняя не является свободным радикалом, но в результате менталлокатализа превращается в гидроксильный радикал). Н₂О₂ легко разрушается каталазой.

супероксидный радикал О₂^Ÿ генерируется лейкоцитами при фагоцитозе, образуется в митохондриях в процессе окислительных реакций, в тканях при метаболической трансформации катехоламинов, синтезе простогландинов. Некоторые реакции сопровождаются образованием гидроксильного радикала ^ŸОН и пероксида водорода Н₂О₂ (необходимых киллерам и фагоцитам).

Кислородные радикалы обеспечивают свободнорадикальное окисление субстратов, основными из которых являются полиненасыщенные жирные кислоты клеточных мембран. Это влияет на полярность гидрофобных углеводородных хвостов жирных кислот, которые образуют липидный бислой мембраны. В результате изменяется структура мембраны, ее проницаемость и ионный транспорт. В физиологических условиях это один из способов регуляции функции клетки.

Оксид азота NO^· легко проходит через мембранные структуры и в качестве посредника обуславливает расслабление гладких мышц стенки сосудов, ЖКТ, бронхов и других полых органов, выполняет роль нейротрансмиттера, а также антигрегантную и адгезивную функцию. Особое внимание заслуживает противомикробное и противопаразитарное действие NO^·. Именно этим объяс­няется генерация больших количеств оксида азота клетка­ми эпителия бронхов, а также иммунной системы (лейкоци­ты, макрофаги). Чужерод­ные липополисахариды в указанных клетках часто одно­временно активируют и мембранную НАДФН-оксидазу, генерирующую супероксид O₂^·¾, который нейтрализует NO^· с образованием пероксинитрита (ONOO^-). При физиологическом рН превращается в слабую пероксинитрокислоту.

Цитотоксическое действие пероксинитрита объясняется возможностью его распада на NO₂^- и OH^·. Гидроксильный радикал способен запускать окисление липидов, белков и нуклеиновых кислот.

 

Физиологическое значение свободных радикалов заключается в регуляции генетической программы и апоптоза, образовании катехоламинов, стероидных гормонов и др., детоксикации ксенобиотиков, медиаторов и гормонов, разрушении фагоцитированных структур в фагоцитах.

ПОЛ – физиологический процесс регуляции клеточной активности, однако при избытке свободных радикалов приводит к гибели клетки.

Патологический эффект в организме возникает при избыточной продукции свободных радикалов, или при дефиците антиоксидантных факторов.

При избытке образования свободных радикалов структуры клетки разрушаются, и она гибнет.

Антиоксидантная система подразделяется на неэнзимную и энзимную.

a) Неэнзимные антиоксиданты являются донорами электронов для радикальных молекул, превращают их в инертные молекулы, но являются «двуликими» и сами становятся свободнорадикальными. Выполняют лишь буферную роль в антиоксидантной защите организма.

· водорастворимые соединения (аскорбиновая кислота, мочевая кислота, глютатион);

· жирорастворимые соединения (a-токоферол, ретинол).

· спирты и тиолы (цистеин, дитиотретиол, маннитол, тиомочевина, этанол и др.)

b) Ферментные антиоксиданты способны выступать в качестве доноров или акцепторов свободных электронов, являются основной защитой организма от оксидативного стресса.

· супероксиддисмутаза нейтрализует свободнорадикальный кислород с образованием перекиси водорода и атомарного кислорода;

· каталаза разлагает перекись водорода;

· глутатионпероксидаза в цитозоле клеток разлагает перекись водорода.

c) Липидные антиоксидантные «ловушки» (перехват свободных радикалов) – это холестерол клеточных мембран, гидрофильные головки фосфолипидов клеточных мембран.

 

1. Активация фосфолипаз ионами Са⁺⁺, что приводит к расщеплению структурных элементов мембран и образованию лизофосфолипидов (детергентов).

 

1. Накопление свободных жирных кислот, обладающих детергентными свойствами.

 

Кальциевые механизмы

Существует 2 вида Ca⁺⁺ насосов: Са⁺⁺ АТФаза и Na⁺/Ca⁺⁺ АТФаза.

Если Са⁺⁺ появляется в цитоплазме, то начинается активация ферментов. В зависимости от происхождения клетки, Са⁺⁺ может активировать разные функции: в мышечных – сокращение, в нервных – возбуждение, в тучных клетках – выброс гистамина и т. д.

Накопление Са⁺⁺ в цитоплазме мышечной клетки приводит к активации ферментов: кальмодулина (сокращение мышечного волокна), протеинкиназ (синтез белка и, следовательно гипертрофия мышц).

Но, если Са⁺⁺ чуть больше, начинается активация фосфолипаз (расщепление фосфолипидов мембран, причем мембран как клеточной, происходит аутолиз клетки, так и мембран органелл, например, лизосом, лизосомальный аутолиз клетки, повреждение мембран митохондрий с последующим выходом из них Са⁺⁺ (митохондрии – аккумулируют Са⁺⁺).

Активации лизосомальных ферментов способствует изменение pH в кислую сторону (аналогично перевариванию в ЖКТ).

5. – Апоптоз. Отличия апоптоза и некроза. Биологическое и патологическое значение апоптоза.

 

Апоптоз – запрограммированная, активная (энергозатратная) форма гибели клеток, проявляющаяся уменьшением ее размеров, конденсацией и фрагментацией хроматина, уплотнением мембраны без выхода содержимого в окружающую среду.

Считается, что термин апоптоз предложил древне­римский врач Гален. В процессе наблюдения за при­родой он заметил, что если надломить ветку дерева, с которой уже начали опадать листья, то листопад пре­кращается, а листья, хотя и меняют цвет, остаются на ветке. То есть опадание листьев, в отличие от их омертвения на сломанной ветке, - физиологический процесс, преднамеренное самоубийство листьев.

Се­годня термин апоптоз, буквально означающий «опадание листьев», применяется к физиологическому явлению - самоубийству клеток, т.е. генетически за­программированной гибели клеток. Другими словами существует особая генетическая программа, реализа­ция которой при определенных условиях приводит клетку к гибели. В современную науку использование термина апоптоз введено Керром (J.F.R. Kerr) в 1972 году.

Апоптозом управляют особые гены: стимулирует апоптоз ген р53 (ему принадлежит важнейшая роль в противоопухолевой защите), ингибирует апоптоз – ген bcl2 (относится к протоонкогенам из-за его способности предотвращать апоптоз и сохранять клетки с мутациями).

Апоптоз противопоставляется другой распространенной форме гибели клеток – некрозу.

 

Рис. 2.2. Сравнительное изображение развития некроза и апоптоза клеток.

 

Апоптоз проявляется уменьшением объема клетки в противоположность ее набуханию при некрозе; конденсацией и фрагментацией хроматина; снижением трансмембранного потенциала митохондрий; уплотнением цитоплазматической мембраны без выхода содержимого в окружающую среду. В результате фагоцитоза, которому клетки подвергаются уже в процессе апоптоза, их содержимое не выделяется в окружающую среду, как это бывает при некрозе, когда вокруг гибнущих клеток скапливаются активные внутриклеточные компоненты, включая энзимы, закисляется среда, что способствует гибели других клеток и развитию очага воспаления. Апоптоз поражает индивидуальные клетки и практически не отражается на их окружении.

Стадии апоптоза:

I. Индукторная. Сигналами к развитию апоптоза (индукторами апоптоза) являются внеклеточные (антигены, гормоны (например, кортикостероиды), цитокины, УФ- и g-излучение, нагревание) и внутриклеточные (повреждение хромосом и дефицит сигналов) факторы. К универсальным индукторам относятся также нарушение осмотического равновесия, высокое содержание Ca⁺⁺ и NO. Индукторы апоптоза в свою очередь запускают ферменты (каспазы), которые регулируют весь процесс апоптоза. Эта стадия подразумевает прохождение неких контрольных точек, в которых клетке предоставляется выбор между индукцией и блокадой апоптоза, т. е. данная стадия еще является обратимой. После их прохождения клетка вступает в следующую необратимую фазу апоптоза.

II. Эффекторная – в клетке происходит снижение трансмембранного потенциала митохондрий, развивается массовый протеолиз и расщепление ядерной ДНК с формированием крупных фрагментов (олигонуклеосом и нуклеосом. Такая фрагментация считается биохимическим маркером апоптоза, а на ее выявлении основаны современные методы диагностики апоптоза.

III. Деградация клетки.

Роль апоптоза:

· Поддержание постоянства численности клеток (своего рода контроль перенаселения.

· Определение формы организма и его частей (например, наблюдается интенсивный апоптоз нервных клеток в процессе формирования коры у зародыша на 12-23-й неделях беременности).

· Обеспечение правильного соотношения численности клеток различных типов (быстрая атрофия гормон-зависимых тканей при снижении концентрации соответствующих гормонов, например, в женских половых органах в течение менструального цикла, или в простате при снижении концентрации андрогенов).

· Удаление генетически дефектных клеток.

· Селекция лимфоцитов и регуляция иммунных процессов.

 

 

Рис. 2.3. Схема клеточного цикла.

 

Ингибиторы апоптоза:

• мутация Р53;
• теломераза;
• интерферон j.

 

Воздействие радиации вызывает (через свободно-радикальное повреждение) мутации и изменение в структуре ДНК. В результате – клетка остается в G1-фазе митоза (если она входит в S - фазу, то происходит апоптоз). Мутационная форма белка Р53 не обладает способностью останавливать клеточный цикл, это явление наблюдается у опухолевых клеток

Теломераза – фермент, обеспечивающий восстановление длины теломерного (концевого) участка хромосомной ДНК. Каждое деление делает хромосому короче на 10-20 теломерных фрагментов. Что дает возможность произвести только 50 делении (лимит Хайфлика).

У человека теломераза функционирует только в эмбриональных клетках и семенниках, вырабатывающих сперматозоиды в течение всей жизни. В опухолевых клетках теломераза активна.

Патология, обусловленная нарушением апоптоза:

a) Ослабление апоптоза

· аутоиммунные процессы (семейный аутоиммунный лимфопролиферативный синдром, системная красная волчанка, ревматоидный артрит);

· злокачественные опухоли (лимфома Беркитта, лейкозы, солидные опухоли).

b) Ускорение апоптоза

· врожденные уродства (волчья пасть, заячья губа и др.);

· болезни крови (миелодисплазии, анемии (железо- фолио- В12 – дефицитные), тромбоцитопения, нейтропения).

· инфекционные заболевания (СПИД, бактериальный сепсис и др.);

· дистрофические заболевания нервной системы (боковой амиотрофический склероз, болезнь Альцгеймера, спинальная мышечная атрофия);

· другие заболевания (инфаркт миокарда, токсические гепатиты).

6. – Реактивность и резистентность. Виды. Взаимосвязь резистентности и реактивности. Методы измерения реактивности и резистентности.

 

Реактивность - свойство организма как целого отвечать изменениями жизнедеятельности на воздействие окружающей среды. Реактивность - один из важнейших факторов патогенеза болезней.

 

Течение болезни может быть:

· Гиперэргическое (гиперэргия) - быстрое, яркое, выраженное.

· Гипоэргическое (гипоэргия) - затяжное, вялое со стертыми симптомами, низким уровнем фагоцитоза и образования антител.

• Дисэргическое (дизэргия) - извращенная реактивность.

Виды реактивности:

1. Биологическая (видовая, первичная) – изменения жизнедеятельности, возникающие под влиянием обычных для каждого животного воздействий окружающей среды. Например, невосприимчивость человека к чумке собак, к гонорее и сифилису крупного рогатого скота и т. д. Зимняя спячка - видовой вариант изменения реактивности (суслики не болеют в период спячки чумой и туберкулезом).

2. Групповая – формируется у групп индивидуумов, находящихся под влиянием общего фактора чаще всего внутренней среды. Например, чувствительность к психо-эмоциональному стрессу у гипер- и астеников. Реактивность мужчин и женщин. Возрастные изменения реактивности. Группы крови.

3. Индивидуальная – формируется в зависимости от совокупности конкретных факторов, в которых обитает и формируется организм (наследственность, возраст, пол, питание, температура, содержание кислорода).

• физиологическая - адекватная реакция в физиологических условиях без нарушения гомеостаза. Иммунитет (специфическая), ФН (неспецифическая).
• патологическая - при воздействии болезнетворных факторов или неадекватных реакций на физиологические воздействия. Аллергия, иммунодефицитные состояния (специфическая), шок, наркоз (неспецифическая).

· специфическая – характерна для одного конкретного фактора (иммунная, реакция зрачка на свет).

· неспецифическая - характерна для различных факторов (стресс-реакция, парабиоз, фагоцитоз, биологические барьеры).

 

Резистентность (устойчивость) – это свойство организма противостоять различным воздействиям или невосприимчивость к воздействиям повреждающих факторов внешней среды.

 

Формы резистентности

· Абсолютная – реализуется всегда. · Относительная – реализуется при определенных условиях.

· Пассивная, связанная с анатомо-физиологическими особенностями организма. · Активная, связанная с одной стороны с устойчивостью биологической системы, с другой - способностью перестраиваться при изменении внешних условий (лабильностью) и которая осуществляется благодаря механизмам активной адаптации.

· Первичная или наследственная форма. · Вторичная, приобретенная или измененная форма.

· Специфическая - устойчивость к действию какого-то одного агента. · Неспецифическая - устойчивость к действию многих факторов.

· Общая - устойчивость всего организма. · Местная - устойчивость отдельных участков органов или систем тела.

Резистентность организма фармакологически в большинстве случаев стремятся повысить. Например, стимуляторы иммунной системы повышают устойчивость, сопротивляемость организма к микроорганизмам и опухолям.

 

Реактивность и резистентность организма не всегда изменяются однонаправлено. В некоторых случаях, повышенная иммунная реактивность организма может спровоцировать так называемые аллергические заболевания, вызывающие или повреждение структур организма (аутоиммунные заболевания), или иногда - даже летальный исход (анафилактический шок). В подобных случаях, требуется фармакологическая коррекция данного вида реактивности препаратами, угнетающими иммунный ответ.