Энергодефицитные механизмы повреждения клетки

Классификация

I. По причине:

Непосредственное (первичное) повреждение клетки возникает в результате прямого действия на клетку факторов: Ф, Б, Х (физические, биологические, химические).

Опосредованное (вторичное) повреждение возникает как следствие первичных нарушений постоянства внутренней среды организма (ги­поксия, ацидоз и алкалоз, гипер- и гипоосмия, гипогликемия и др.).

II. По времени: острое и хроническое. Острое повреждение по форме повреждения делится на преддепрессионную гиперактивность, парциальный некроз и необратимое тотальное повреждение клетки.

III. По степени нарушения внутриклеточного гомеостаза — обратимым и необратимым.

IV. По периоду жизненного цикла, на который приходится повреждение: митотическое и интерфазное.

V. По патогенетическим механизмам:

Насильственное повреждение развивается при прямом действии на исход­но здоровую клетку Ф,Б,Х, интенсивность которых превышает возможности адаптации клетки.

Цитопатический вариант возникает в результате первичного ухудшения, слабости защитно-компенсаторных механизмов клетки, когда она не способна противостоять даже подпороговым воздействиям.

Разделите вещества, приведенные ниже на те которые могут проникать через мембрану клеток путем простой диффузии и те, что требуют активного транспорта

МЕХАНИЗМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ

Условно 7 групп молекулярных механизмов, играющих важную роль в патогенезе повреждения клеток:

1. энергодефицитные

2. электролитно-осмотические;

3. кальциевые;

4. ацидотические;

5. протеиновые;

6. нуклеиновые;

7. липидные (пероксидное окисление липидов, активация мембранных фосфолипаз, детергентное действие свободных жирных кислот).

Энергодефицитные механизмы повреждения клетки

Является, как правило, «стартовым» и очень важным механизмом повреждения любой клетки.

Причины развития энергодефицита:

· нарушение поступления питательных веществ (субстратная гипоксия например при гипогликемии, голоде);

· нарушение транспорта газов крови (циркуляторная, гемическая, респираторная, экзогенные гипоксии);

· нарушение синтеза АТФ

· нарушение транспорта АТФ

· нарушение утилизации АТФ.

Дефицит АТФ в клетке приводит к:

Нарушению механической работы — проявится нарушением сокращения, миграции, экзоцитоза и эндоцитоза, кле­точного деления, движения ресничек, жгутиков.

Нарушению химической работы — биосинтеза веществ. Следст­вием этого является нарушение самообновления и самовоспроизведе­ния клеток, нарушение всех ОСНОВНЫХ форм и направлений синтеза в клетке, активация «запасных» путей метаболизма, например, анаэробного гликолиза, сорбитолового шунта, кетоновых тел.

В клетке избыточно активируется анаэробный гликолиз следующим путём: дефицит АТФ → увеличение АМФ → активация 6-фосфофруктокиназы и фосфорилазы → анаэробный гликолиз → накопление пирувата и лактата → внутриклеточный ацидоз.

Нарушению осмотической работы — (см. ниже натрий-калиевый и каль­циевый насосы, натрий-кальциевый и натрий-водородный обменные механизмы.

 

Электролитно-осмотические механизмы повреждения клетки

Блок натрий/калиевой АТФазы и повышение проницаемости поврежденной клетки вызывает увеличение содержания Na⁺ и уменьшение содержания К⁺ в цитоплазме, что приводит к:

а) потере клет­кой потенциала покоя (эктопические очаги при инфаркте, на границе между здоровым миокардом и поврежденным формируется разница потенциала);

б) отсутствию возможности формирования потенциала действия;

в) отеку клетки (натрий высоко осмотичен и тянет за собой воду);

г) осмотическому растяжению внутриклеточных мембран, что повышает их проницаемость, в случае митохондрий это усиливает энергодефицит (синтез АТФ становится невозможным из-за нарушенной целостности мембран митохондрий);

д) нарушению ионообменных механизмов Ca²⁺/Na⁺ и H⁺/Na⁺.

Связь патофизиологии и клиники (примеры):

1) при инфаркте миокарда – очаговом повреждении (некрозе) – возникает разница потенциалов на границе между здоровым и ишемизированным миокардом, что создает условия для генерации эктопического возбуждения (экстрасистолы);

2) ишемия миокарда вызывает повышение порога потенциала покоя, при достижении значения более 50мВ быстрые натриевые каналы инактивируются – развивается блокада проведения;

3) ишемия головного мозга→дефицит АТФ→нарушение работы Na/K АТФазы→повышение внутриклеточного натрия→отек нейронов→отек головного мозга→вклинение продолговатого мозга→нарушение работы дыхательного и сосудистодвигательного центров→смерть;

4) Обширный ожог или травма (размозжение)→выход калия из поврежденных клеток→гиперкалиемия→остановка сердца в диастолу.

Кальциевая группа молекулярного механизма повреждения клетки

Может быть отнесена к предыдущей, но из-за важности выделена отдельно. Повреждение клеточных структур всегда сопровождается стой­ким повышением концентрации ионов Са²⁺ в цитоплазме клетки. Та­кая ситуация возникает либо в результате избыточного поступления ионов Са²⁺ в цитоплазму (гиперкальциемия, повышение проницаемо­сти плазматической мембраны), либо в результате нарушения меха­низмов, обеспечивающих удаление ионов Са²⁺ из цитоплазмы (нару­шения Са-насосов, Na-Ca-ионообменного механизма, Са-аккумулирующей функции митохондрий и саркоплазматического ретикулума).

Повышение концентрации ионов Са²⁺ в цитоплазме вызывает: а) контрактуру фибриллярных структур клетки (миофибрилл, элемен­тов цитоскелета); б) активацию фосфолипазы А₂; в) разобщение про­цессов окисления и фосфорилирования.

Ацидотический механизм повреждения клетки

К развитию внутриклеточного ацидоза могут приводить:

а) избыточное поступление извне ионов Н⁺ в клетку из внеклеточной среды (декомпенсированные газовые или негазовые ацидозы);

б) избыточное образование кислых продуктов внутри клетки при нарушении синтеза АТФ из-за активация анаэробного гликолиза;

в) выход из поврежденных митохондрий три- и дикарбоновых кислот, при гидролитическом расщеплении фос­фолипидов свободных жирных кислот, фосфор­ной кислоты и др.;

г) нарушение связывания свободных ионов Н⁺ в результате не­достаточности буферных систем клетки;

д) нарушения выведения ионов Н⁺ из клетки при расстройствах Na-H-обменного механизма, а также в условиях нарушенного местного кровообращения в ткани (нарушается венозный отток).

Внутриклеточный ацидоз вызывает:

а) изменение конформации белковых молекул с нарушением их ферментативных, сократительных и других свойств;

б) повышение проницаемости клеточных мембран;

в) активацию лизосомальных гидролитических ферментов и фосфолипаз.

 

Белковые (протеиновые) механизмы повреждения клетки

Включа­ют в себя:

а) ингибирование ферментов (обратимое и необратимое) – за счет активации перекисного окисления, нарушения матричной структуры липидного бислоя мембраны, дефицита АТФ;

б) денатурацию;

в) протеолиз, осуществляю­щийся под действием лизосомальных протеолитических ферментов (катепсинов) и Са-активируемых протеаз. В результате протеолиза мо­гут появляться пептиды, обладающие свойствами биологически ак­тивных веществ. С выходом последних из поврежденных клеток мо­жет быть связано развитие как местных, так и общих реакций орга­низма - воспаление, лихорадка.

 

СМЕРТЬ КЛЕТКИ

В этом разделе будут рассмотрены 2 основных типа смерти: некроз и апоптоз.

Апоптоз

Апоптоз - клеточная смерть со специфическими морфологическими проявлениями: уменьшение клеточного объема, конденсация хроматина, фрагментация ядра, отсутствием/минимальными изменениями клеточных органелл, образование пузырей из клеточной мембраны (апоптотических телец) с последующим фагоцитозом (in vivo).

Фазы апоптоза

Принято выделять 3 фазы апоптоза:

1. фаза инициации (с 2 вариантами начала: митохондриальным и мембранным);

2. эффекторная фаза;

3. фаза деградации.

 

См. видео:

http://www.youtube.com/watch?v=DR80Huxp4y8&feature=youtu.be

http://www.youtube.com/watch?v=LCEVqrkPKlA

Фаза инициации

Существует 2 пути запуска фазы инициации: мембранный и митохондриальный.

Мембранный путь запуск фазы инициации

На поверхности клеток есть так называемые рецепторы смерти (Fas). При появлении лиганда (например, фактор некроза опухоли-α), 3 субъединицы рецептора соединяются в единый комплекс. Этот комплекс в свою очередь активирует инициирующую каспазу-8. На этом мембранный путь фазы инициации заканчивается.

 

Митохондриальный путь запуска фазы инициации

Под влиянием внешних и внутренних увеличивают порозность (проницаемость) мембраны митохондрии, в результате из митохондрий выходит цитохром С. Цитохром С в цитоплазме образует сложный комплекс с белком Apaf-1, АТФ и каспазой 9. Комплекс Цитохром С+Apaf-1+АТФ+каспаза 9 образуют структуру напоминающую 8-лопастной пропеллер – апоптосома. Образование апоптосомы знаменует окончание митохондриального пути мембранного механизма апоптоза.

Активная каспаза-8 (при мембранном пути) и апоптосмома (при митохондриальном пути) далее активируют эффекторные (казнящие) каспазы, что является началом следующей фазы – эффекторой. В этом месте оба пути перекрещиваются и объединяются.

 

Фаза эффекторная

Активная каспаза-8 и апоптосома активируют эффекторные каспазы-3, 6,7 и 9. Активация эффекторных каспаз является т.н. точкой невозврата, т.е. с этого момента остановить развитие апоптоза невозможно и программа будет реализована до конца! Эффекторные (казнящие) каспазы:

1) разрушают цитоскелет (клетка теряет свою форму и контакт с другими клетками);

2) каспазы 6 и 9 разрушает ядро и способствует прониктовению в ядро каспазы 3 и 7, которые будут разрушать генетический материал клетки;

3) как указано в предыдущем пункте каспазы 3 и 7 активируют ДНК-азу, которая будет разрезать ДНК между нуклеосомами.

Образуется клеточный «винегрет» из «нарезанной» ДНК и нетронутых органелл.

 

Фаза деградации

Цитоплазма фрагменты органелл и ядра упаковываются небольшими порциями в клеточную мембрану, так формируются апоптотические тела. На поверхности мембраны апоптотических телец появляется фосфатидилсерин. Его появление крайне важно для завершения фазы деградации, т.к. фосфатидилсерин является своеобразным маркером (сигнальным веществом), которое дает команду фагоциту и окружающим клеткам фагоцитировать апоптосомы, т.о. клетка полностью ликвидируется.

 

Апоптоз процесс необходимый и, что очень важно, регулируемый. Избыточная активация апоптоза в одних случая и недостаточная в других может являться причиной развития патологии (см. таблицу).

Физиологическая роль апоптоза	Изменение активности апоптоза в клетке	Следствие изменения активности апоптоза
Развитие органов и тканей	Недостаток активности апоптоза	Врожденные уродства: перепончатая синдактилия, хвостовидный придаток
Контроль численности нейронов в ЦНС	Избыточная активация апоптоза	Дегенеративные заболевания ЦНС: хорея Гетингтона (избыток гибели GABA-эргичных нейронов, болезнь Паркинсона (избыток гибели дофаминэргичных нейронов)
Самоуничтожение Т-клеток имеющих высокую тропность к собственным МНС	Снижение активности апоптоза	Аутоиммунные заболевания (системная красная волчанка, сахарный диабет 1 типа и др.)
Самоуничтожение клеток с поврежденной ДНК	Снижение активности апоптоза	Трансформация клеток в опухолевые

 

Возможность влияния на апоптоз открывает возможности лечения опухолей, ВИЧ, замедление старения и болезней с ним связанных.

Некроз

Некроз – гибель клеток или тканей в живом организме в ответ на повреждение, сопровождающееся активацией гидролитических ферментов и активацией аутолиза (самопериваривания).

Причины развития некроза

Главная причина по которой клетка избирает некроз, как путь к уничтожению связан с глубоким повреждением ее и резким дефицитом АТФ.

Выделяют пять основных этиологических факторов некроза, которые мы дополнительно разделим по механизму на прямые и непрямые:

1. Прямые: а) травматические – действие различных физических факторов; б) токсические – действие химических веществ, в том числе микробного происхождения

2. Непрямые: трофоневротическим - одновременное нарушение иннервации и циркуляции (пролежни), аллергическим- см. механизмы киллинга и сосудистым – абсолютная или относительная недостаточность циркуляции в артериях, венах, лимфатических сосудах.

Все перечисленные факторы приводят к нарушению синтеза АТФ, долгое время считалась, что некроз может быть результатом только такой «энергетической катастрофы», однако в последние годы были открыты рецепторы (RIP-1) способны запускать каскад реакций (программу), ведущих к тому, что клетка идет по пути некроза в основном через активные формы кислорода. Такой тип некроза назван был программированный некроз.

Механизмы некроза

Некоторые из описанных выше механизмы повреждения клетки: энергодефицитный, кальциевые гиперпродукция активных форм кислорода, повышение мембранной проницаемости - играют ключевую роль в развитии некроза. Эти механизмы подробно описаны выше, и в этом разделе на них останавливаться мы не будем. Рассмотрим некоторые принципиальные механизмы, которые ранее не обсуждались: убиквитирование, повышение активности лизосомальных ферментов.

Убиквитирование

Убиквитирование - связывание клеточных белков с убиквитином, который играет роль своеобразного сигнального флажка для протеасомы. Белки, к которым присоединился убиквитин подвергаются деградации с помощью протеасомы, которая подобно мясорубке превращает содержимое клетки в «фарш» из фрагментов, которые становятся функционально неактивными, клетка погибает.

Повышение проницаемости лизосом

На фоне развывшегося в клетке ацидоза, избытка ионов кальция активируются ферменты цитоплазмы, в частности кальпаин, который разрушает мембраны лизосом высвобождает из них крайне агрессивные ферменты. Среди лизосомальных ферментов, играющих принципиально важную роль в некрозе следует назвать катепсины, которые ферментируют жизненно необходимые белки, разрушают органеллы, цитоскелет и приводят к смерти клетки. Один из субстратов на которые действуют лизосомальные ферменты – сфингомиелин, которые находится в мембранах всех клеток. Под влиянием лизосомальных ферментов сфингомиелин превращается в керамид, последний блокирует окислительное фосфорилирование в митохондриях, активирует свободное перекисное окисление.

Классификация

I. По причине:

Непосредственное (первичное) повреждение клетки возникает в результате прямого действия на клетку факторов: Ф, Б, Х (физические, биологические, химические).

Опосредованное (вторичное) повреждение возникает как следствие первичных нарушений постоянства внутренней среды организма (ги­поксия, ацидоз и алкалоз, гипер- и гипоосмия, гипогликемия и др.).

II. По времени: острое и хроническое. Острое повреждение по форме повреждения делится на преддепрессионную гиперактивность, парциальный некроз и необратимое тотальное повреждение клетки.

III. По степени нарушения внутриклеточного гомеостаза — обратимым и необратимым.

IV. По периоду жизненного цикла, на который приходится повреждение: митотическое и интерфазное.

V. По патогенетическим механизмам:

Насильственное повреждение развивается при прямом действии на исход­но здоровую клетку Ф,Б,Х, интенсивность которых превышает возможности адаптации клетки.

Цитопатический вариант возникает в результате первичного ухудшения, слабости защитно-компенсаторных механизмов клетки, когда она не способна противостоять даже подпороговым воздействиям.

Разделите вещества, приведенные ниже на те которые могут проникать через мембрану клеток путем простой диффузии и те, что требуют активного транспорта

МЕХАНИЗМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ

Условно 7 групп молекулярных механизмов, играющих важную роль в патогенезе повреждения клеток:

1. энергодефицитные

2. электролитно-осмотические;

3. кальциевые;

4. ацидотические;

5. протеиновые;

6. нуклеиновые;

7. липидные (пероксидное окисление липидов, активация мембранных фосфолипаз, детергентное действие свободных жирных кислот).

Энергодефицитные механизмы повреждения клетки

Является, как правило, «стартовым» и очень важным механизмом повреждения любой клетки.

Причины развития энергодефицита:

· нарушение поступления питательных веществ (субстратная гипоксия например при гипогликемии, голоде);

· нарушение транспорта газов крови (циркуляторная, гемическая, респираторная, экзогенные гипоксии);

· нарушение синтеза АТФ

· нарушение транспорта АТФ

· нарушение утилизации АТФ.

Дефицит АТФ в клетке приводит к:

Нарушению механической работы — проявится нарушением сокращения, миграции, экзоцитоза и эндоцитоза, кле­точного деления, движения ресничек, жгутиков.

Нарушению химической работы — биосинтеза веществ. Следст­вием этого является нарушение самообновления и самовоспроизведе­ния клеток, нарушение всех ОСНОВНЫХ форм и направлений синтеза в клетке, активация «запасных» путей метаболизма, например, анаэробного гликолиза, сорбитолового шунта, кетоновых тел.

В клетке избыточно активируется анаэробный гликолиз следующим путём: дефицит АТФ → увеличение АМФ → активация 6-фосфофруктокиназы и фосфорилазы → анаэробный гликолиз → накопление пирувата и лактата → внутриклеточный ацидоз.

Нарушению осмотической работы — (см. ниже натрий-калиевый и каль­циевый насосы, натрий-кальциевый и натрий-водородный обменные механизмы.