МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н. И. ПИРОГОВА»

(ФГБОУ ВО РНИМУ ИМ. Н.И. ПИРОГОВА МИНЗДРАВА РОССИИ)

КАФЕДРА ПАТОФИЗИОЛОГИИ И КЛИНИЧЕСКОЙ ПАТОФИЗИОЛОГИИ

_____________________________________________________________

Л. Н. ОСКОЛОК, Г.В. ПОРЯДИН

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

МОСКВА 2016

2

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н. И. ПИРОГОВА»

(ФГБОУ ВО РНИМУ ИМ. Н.И. ПИРОГОВА МИНЗДРАВА РОССИИ)

КАФЕДРА ПАТОФИЗИОЛОГИИ И КЛИНИЧЕСКОЙ ПАТОФИЗИОЛОГИИ

_____________________________________________________________

Л. Н. ОСКОЛОК, Г.В. ПОРЯДИН

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

МОСКВА 2016

3

ISBN УДК ББК А21

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК: учебное пособие для самостоятельной работы студентов медицинских вузов. // ФГБОУ ВО РНИМУ имени

Н. И. Пирогова Минздрава России, Москва, Издательство …… 2016 г., 55 с.

Учебное пособие предназначается для работы студентов в аудито-рии и во внеаудиторное время и направлено на теоретическое изучение вопросов патогенеза повреждения организма на клеточном уровне, совре-менных представлений об условиях возникновения, особенностях разви-тия, проявлениях, взаимодействии основных выработанных эволюционно механизмов повреждения клеток и последствий для организма. Пособие составлено в соответствии с действующими ФГОС по спе-циальностям «Лечебное дело», «Педиатрия», «Стоматология», рабочими программами по патофизиологии и клинической патофизиологии. Пособие предназначено для студентов III курсов медицинского вуза по специальностям «Лечебное дело», «Педиатрия», «Стоматология» и врачей, проходящих переподготовку.

Составители: доцент Л.Н. Осколок, чл-корр.РАН, профессор Г.В. Порядин Рецензенты: 1. Ю.В. Балякин – зав кафедрой общей патологии МБФ; 2. Г.А. Дроздова – профессор кафедры общей патологии и

патологической физиологии РУДН

Рекомендовано к печати ЦКМС

ББК УДК

© Осколок Л. Н., Порядин Г.В., 2016 г. © ФГБОУ ВО «РНИМУ имени Н. И. Пирогова», 2016 г.

4

ОГЛАВЛЕНИЕ 1 . Введение 6 1 .1 Актуальность темы 6 1 .2 . Цель и задачи занятия 7 1 .3 . Основные вопросы , подлежащие разбору 8 2 . Содержание самостоятельной работы студентов 9 2 .1 . Вопросы на проверку исходного уровня знаний

студентов 9

3 . Информационный материал 9 3 .1 . Виды повреждений клетки 10 3 .2 . Признаки повреждения клетки 11 3 .3 . Механизмы повреждения клетки 13 3 .4 . Механизмы повреждения клеточных мембран 13 3 .4 .1 . Интенсификация перекисного окисления липидов 15 3 .4 .2 . Активация мембранных фосфолипаз и гидролаз

лизосом 19

3 .4 .3 . Повреждение мембраны амфифильными соедине -ниями и детергентами

21

3 .4 .4 . Растяжение и микроскопические разрывы мем -бран при гипергидратации клеток и их органелл

23

3 .4 .5 . Повреждающее действие иммунных комплексов и макромолекул на клеточные мембраны

24

3 .5 . Нарушение механизмов энергетического обеспече -ния клетки

25

3 .6 . Реперфузионное повреждение клетки 30 3 .7 . Роль ионов кальция в механизмах повреждения

клетки 31

3 .8 . Роль внутриклеточного ацидоза в повреждении клетки

33

3 .9 . Нарушение механизмов , контролирующих деятель -ность ядра и пластическое обеспечение клетки

34

3 .10 . Повреждение рецепторного аппарата клетки и внутриклеточных механизмов регуляции её функ -ций

38

3 .11 . Виды гибели клетки 45 4 . Контрольные вопросы и задания 48 5 . Список рекомендуемой литературы 53

 

5

Список обозначений и принятых сокращений

Ca2+-АТФаза Ca2+-зависимая АТФаза Na+/K+-АТФаза Na+/K+-зависимая АТФаза АДФ аденозиндифосфорная кислота АМФ аденозин- 5’-монофосфат АТФ аденозинтрифосфорная кислота АФК активные формы кислорода ГАМК гамма-аминомасляная кислота ГТФ Гуанозинтрифосфат ДАГ Диацилглицерин ИФ3 инозит-1,4,5-трифосфат КоА коферментная форма витамина пантотеновой кислоты МХ Митохондрия НАД Никотинамидадениндинуклеотид НАДН восстановленная форма НАД НАДФ Никотинамидадениндинуклеотидфосфат НАДФН восстановленная форма НАДФ ПОЛ перекисное окисление липидов СЖК свободные жирные кислоты ФИ Фосфатидилинозит ФНО фактор некроза опухолей ФС Фосфатидилсерин ФХ Фосфатидилхолин ФЭА Фосфатидилэтаноламин цАМФ циклический аденозинмонофосфат цГМФ циклический гуанозинмонофосфат ЦПМ цитоплазматическая мембрана ЭР эндоплазматический ретикулум

6

1. Введение

1.1. Актуальность темы

В процессе эволюции были сформированы основные механизмы по-вреждения клеток, в том числе типовые механизмы повреждения клеточ-ных мембран, характерные особенности которых не зависят от природы патогенного агента и вида клеток. Эти механизмы обусловливают неспе-цифические показатели повреждения клеток, используемые в целях диаг-ностики, оценки функционального состояния поврежденных тканей и ор-ганов. Клеточные механизмы повреждения являются центральным звеном в возникновении и развитии болезней. Знание особенностей этих меха-низмов, взаимодействия между ними, а также последствий для организма абсолютно необходимо для выработки тактики лечения и формирования клинического мышления у будущих врачей. 1.2. Место дисциплины в структуре ФГОС ВПО: Учебная дисциплина принадлежит к циклу медико-биологических

дисциплин ООП, изучается в пятом и шестом семестрах (очная форма обучения) и в седьмом и восьмом семестрах (очно-заочная форма обуче-ния). Для изучения дисциплины необходимы знания, умения и навыки, формируемые предшествующими дисциплинами: философия, нормальная анатомия, гистология, цитология, эмбриология, нормальная физиология, биохимия, микробиология, вирусология, иммунология.

В свою очередь, знания, умения и навыки, сформированные, на учеб-ной дисциплине патофизиология и клиническая патофизиология будут ис-пользованы на последующих дисциплинах: пропедевтика внутренних бо-лезней, лучевая диагностика, факультетская терапия, профессиональные болезни, фтизиатрия, стоматология, онкология, лучевая терапия, госпи-тальная терапия, эндокринология, общая хирургия, лучевая диагностика, факультетская хирургия, урология; госпитальная хирургия, детская хирур-гия, акушерство и гинекология, неврология, медицинская генетика, ней-рохирургия, педиатрия, психиатрия, медицинская психология, анестезио-логия, реанимация, интенсивная терапия, травматология, ортопедия, а также все другие специальности, связанные с диагностикой и лечением больных

7

1.3. Модуль дисциплины относится к разделу I «Общее учение о бо-лезни» и представляет дополнительные, углубленные знания к практиче-скому занятию в структуре ООП.

1.4. Цель и задачи занятия

Изучить условия возникновения, особенности развития, проявления основных механизмов повреждения клеток.

После изучения данной темы дисциплины студент должен знать:

1. Определение понятия «повреждение клетки». Возможные виды по-вреждений клетки.

2. Специфические и неспецифические (морфологические, функцио-нальные, биохимические) признаки повреждения клетки.

3. Основные механизмы повреждения клетки. 4. Типовые механизмы повреждения клеточных мембран. 5. Принципы защиты мембран и ферментов клеток от токсических продуктов перекисного окисления липидов.

6. Роль ионов кальция в механизмах повреждения клетки. 7. Механизмы повреждения мембран клеток антибиотиками и другими детергентами.

8. Виды гибели клеток (апоптоз и некроз) и их проявления. После изучения данной темы дисциплины студент должен уметь: 1. Объяснить патогенез отдельных признаков повреждения клетки. 2. Объяснить характерные особенности каждого из типовых механиз-мов повреждения мембран клетки и внутриклеточных структур.

3. Рассказать о механизмах нарушения энергетической функции клетки и их возможных последствиях.

4. Обосновать принципы защиты мембран и ферментов клеток от ток-сических продуктов перекисного окисления липидов.

5. Составить схему патогенеза ишемического и реперфузионного по-вреждения клетки.

6. Объяснить роль ионов кальция в механизмах повреждения клетки. 7. Объяснить возможные механизмы нарушения деятельности ядра и процессов биосинтеза.

8. Объяснить возможные механизмы повреждения рецепторного аппа-рата клетки и внутриклеточной регуляции её функций.

9. Рассказать о клеточных защитно-приспособительных и компенса-торных реакциях, включающихся при повреждении клетки.

8

1.5. Основные вопросы, подлежащие разбору

1. Определение понятия «повреждение клетки». Виды повреждения клетки и критерии классификаций.

2. Признаки повреждения клетки (специфические и неспецифические, морфологические, функциональные, биохимические).

3. Механизмы повреждения клетки, обусловливающие неспецифиче-ские признаки её повреждения.

4. Механизмы повреждения клеточных мембран, условия возникно-вения и последствия для клетки.

5. Взаимосвязь различных типовых механизмов повреждения клеточ-ных мембран.

6. Механизмы повреждения клетки и её органелл, возможные функ-циональные последствия.

7. Роль перекисного окисления липидов в повреждении клетки. Фак-торы, способствующие интенсификации этого механизма, патоге-нез, проявления, последствия для клетки.

8. Основные прооксиданты и антиоксиданты. Виды, механизмы их действия.

9. Роль чрезмерной активации мембранных фосфолипаз и гидролаз лизосом в повреждении клеток. Причины и условия, способствую-щие и препятствующие активации этих ферментов, характерные последствия для клетки.

10. Повреждение мембран клеток активированным комплементом. Ме-ханизмы активации системы комплемента, последствия для клетки.

11. Механизмы повреждения клеточных мембран детергентами. 12. Повреждение рецепторного аппарата клетки и внутриклеточной ре-

гуляции её функций. Возможные механизмы. Последствия для клетки.

13. Механизмы нарушения энергетического обеспечения клетки. Пато-генетические факторы, последствия.

14. Механизмы ишемического повреждения клетки. Особенности ме-таболизма и функциональной активности клетки при нарушении её энергообеспечения.

15. Механизмы реперфузионного повреждения клетки. Последствия для клетки и организма.

16. Роль ионов кальция в механизмах повреждения клетки. Коррекция нарушений обмена ионов кальция в клетке.

17. Роль внутриклеточного ацидоза в повреждении клетки. 18. Механизмы нарушения деятельности ядра и пластического обеспе-

чения клетки. 19. Механизмы гибели клеток. Причины, особенности развития, по-

следствия для организма.

9

2. Содержание самостоятельной работы студентов

2.1. Вопросы на проверку исходного уровня знаний студентов:

1. Структура и функции плазматической мембраны. 2. Способы транспорта веществ через плазматическую мембрану. 3. Факторы, влияющие на проницаемость плазматической мембраны. 4. Роль биологического насоса. 5. Строение основных органелл клетки и их функции. 6. Классификация белков клетки по функциональному признаку. 7. Роль углеводов и липидов в жизнедеятельности клетки. 8. Элементарный химический состав живых клеток.

Изучите информационный материал и рекомендуемую литературу, ориен-тируясь на основные вопросы по данной теме.

Для проверки и самоконтроля знаний, полученных при подготовке, оцени-те свои знания на I уровне усвоения, используя сборник тестовых заданий (часть I, 2016 г.) и на II уровне усвоения, используя контрольные вопросы и задания (стр. 39). После изучения данной темы дисциплины у студента должны быть сфор-мированы: общекультурные компетенции (ОК-3, ОК-5), обще- профессио-нальные компетенции (ОПК-1, ОПК-4), профессиональные компетенции (ПК-6, ПК-21)

3. Информационный материал

Любая болезнь человека включает в себя повреждение клеток, ха-рактеризующееся таким нарушением внутриклеточного гомеостаза, кото-рое ограничивает функциональные возможности клеток, угрожает их жиз-ни или сокращает её продолжительность. В понятие гомеостаза клетки входят постоянство концентрации H+, содержания O2, электролитов, воды, субстратов для энергетического и пластического обеспечения клетки, ферментов, нуклеотидов и других веществ. Однако постоянство вышепри-веденных параметров не является абсолютным. Эти показатели постоянно меняются, но в условиях «нормы» эти изменения ограничены сравнитель-но узкими пределами, обеспечивающими наиболее оптимальные условия для жизнедеятельности.

10

3.1. Виды повреждений клетки

По этиологии повреждение клеток можно классифицировать на ме-ханическое, электрическое, термическое, химическое, радиационное, ин-фекционное и др. По времени развития повреждение клеток классифици-руют на острое и хроническое. При механической травме возникает ост-рое повреждение клеток. При длительной гипергликемии развивается хро-ническое повреждение макрофагов, которые, поглощая в избытке глико-зилированные липопротеины низкой плотности, расщепляя их, накапливая эфиры холестерина, превращаются в пенистые клетки. В зависимости от степени нарушений внутриклеточного гомеостаза различают обратимое и необратимое повреждение клеток. Если последствия повреждения могут быть устранены мобилизацией внеклеточных и внутриклеточных защит-ных механизмов, повреждение клеток носит обратимый характер. Напри-мер, обратимыми могут быть повреждения кардиомиоцитов при рефлек-торной ишемии миокарда, эритроцитов при кратковременных изменениях осмотического давления крови, клеток кожи при эритеме, вызванной ульт-рафиолетовыми лучами, эпителия слизистой носа при воздействии пыль-цы злаковых трав у больных поллинозами. Если повреждающие агенты вызывают стойкие изменения внутриклеточного гомеостаза, неустрани-мые при вовлечении внеклеточных и внутриклеточных защитных и ком-пенсаторных механизмов, развиваются необратимые повреждения клеток, приводящие, как правило, к их гибели или значительному сокращению сроков их жизни. Например, повреждения кардиомиоцитов при длитель-ной ишемии миокарда, клеток кожи при действии больших доз ультра-фиолетовых лучей, эритроцитов при действии активированного компле-мента или гемолитических ядов, эпителия слизистой носа при действии вирусов гриппа. К необратимому повреждению клеток приводят: выход интегральных и высокомолекулярных белков из цитоплазматической мем-браны (ЦПМ); потеря внутриклеточных белков, ферментов и пуриновых оснований; стойкое набухание митохондрий и выпадение солей кальция в осадок в матриксе; гиперхроматоз и сморщивание ядра, микроскопические разрывы ядерных мембран; повреждение мембран лизосом и аутолиз клетки. Необратимые повреждения не всегда приводят к быстрой гибели клеток. В частности, отложение в клетках стареющего организма липо-фусцина, продукта взаимодействия перекисных радикалов жирных кислот с токоферолом при недостаточности лизосомальных ферментов, приводит к окрашиванию жировых клеток в желтый цвет. Отложение в клетках про-

11

дуктов конденсации гликогена при гликогенозах, мукополисахаридов при муковисцидозе, холестерина при атеросклерозе также не приводят к не-медленной гибели клеток, но значительно снижают их функциональную активность и продолжительность жизни. Немедленную смерть клетки мо-жет вызвать повреждение ЦПМ и мембран лизосом.

3.2. Признаки повреждения клетки

Проявления повреждения могут быть как специфическими, харак-терными только для какого-то болезнетворного агента, так и неспецифи-ческими, стереотипными, характерными для самых разнообразных повре-ждающих агентов. Примерами специфических признаков повреждения клетки могут служить образование радиотоксинов при радиационном по-вреждении; кавитация при повреждении ультразвуком; подавление актив-ности цитохромоксидазы и стабилизация её Fe3+ при отравлении цианида-ми; угнетение ацетилхолинэстеразы фосфорорганическими соединениями; расширение синаптической щели, сглаживание складок постсинаптиче-ской мембраны нервно-мышечных синапсов вследствие аутоиммунного повреждения при тяжелой миастении. Различают морфологические, функ-циональные и биохимические неспецифические признаки повреждения клетки, характерные для всех видов повреждения.

Морфологические признаки повреждения клетки

При повреждении наблюдается набухание клетки, нарушаются кон-такты с соседними клетками и поддерживающими структурами, наруша-ется целостность ЦПМ, и происходит её фрагментация. Повреждение ми-тохондрий (МХ) проявляется в стойком их набухании, вакуолизации, раз-рывах мембран, гомогенизации крист, просветлении матрикса. Поврежде-ние эндоплазматического ретикулума (ЭР) сопровождается разрывами и фрагментацией мембран, расширением канальцев и цистерн, образованием вакуолей. Полисомы разрушаются, уменьшается число рибосом и наруша-ется их связь с мембранами. Изменяется размер и форма ядра, происходит фрагментация ядерных мембран, наблюдается гиперхроматоз ядра. Нару-шение целостности мембран лизосом с последующей полной деструкцией клетки. Морфологическим выражением нарушения метаболизма клеток является дистрофия. В зависимости от преобладания нарушений того или иного вида обмена различают белковые, жировые, углеводные и мине-

12

ральные дистрофии. Структурные изменения клеток при различных типах дистрофии подробно описаны в учебниках патологической анатомии.

Функциональные признаки повреждения клетки

При повреждении нарушается барьерная функция клеточных мем-бран: увеличивается их проницаемость для ионов, белков, коллоидных красителей, аминокислот, нуклеотидов. Например, при цитолизе из кар-диомиоцитов выходят в кровь миоглобин, тропонин, креатинфосфокиназа и другие маркеры инфаркта миокарда. При повреждении гепатоцитов про-исходит освобождение в кровь аминотрансфераз.

Снижается функциональная активность клеток, что проявляет-ся, прежде всего, в нарушении специализированных функций клеток. Так, снижается сократительная функция кардиомиоцитов, подвижность и фа-гоцитарная активность нейтрофилов, антитоксическая функция гепатоци-тов и биосинтез альбуминов гепатоцитами; нарушается энергетическая функция клетки (снижается синтез АТФ) и секреторная функция, напри-мер, снижается синтез и секреция стероидных гормонов клетками коры надпочечников.

Нарушается возбудимость клетки: первоначально повышается возбудимость и снижается мембранный потенциал, затем снижается воз-будимость при прогрессировании повреждения.

Повреждение клетки сопровождается активацией синтеза медиа-торов воспаления и ответа острой фазы. Например, тучные клетки, макрофаги и нейтрофилы при аллергической реакции высвобождают лей-котриены, вызывающие сокращение гладкой мускулатуры бронхов и уве-личение сосудистой проницаемости. Лейкоциты под воздействием бакте-риальных эндотоксинов выделяют эндогенные пирогены, вызывающие развитие лихорадки.

Биохимические признаки повреждения клетки

При повреждении увеличивается внутриклеточное содержание Na+, H+ (ацидоз цитоплазмы), Ca2+, H2O, АДФ, АМФ и неорганического фос-фора, но уменьшается внутриклеточное содержание АТФ. Повышается внеклеточное содержание K+ и содержание в крови внутриклеточных бел-ков, ферментов и пуриновых оснований. Происходит денатурация молекул белков.

13

3.3. Механизмы повреждения клетки

При всем разнообразии причин, вызывающих повреждение клеток, можно выделить наиболее общие механизмы их повреждений:

механизмы повреждения мембран клетки и внутриклеточных струк-тур;

механизмы повреждения энергетического обеспечения клетки;

механизмы повреждения процессов, контролирующих пластическое обеспечение клетки и деятельность ядра;

механизмы повреждения рецепторного аппарата клетки и внутри-клеточных механизмов регуляции её функций.

3.4. Механизмы повреждения клеточных мембран

В жизнедеятельности клетки важнейшая роль принадлежит плазма-тической мембране и мембранам органелл клетки. Они отвечают за огра-ничение и обособление клеток и органелл, сохранение разности концен-траций метаболитов и неорганических ионов, а также других физиологи-ческих параметров между органеллами, цитоплазмой и внешней средой. Биологические мембраны контролируют транспорт метаболитов и ионов, восприятие внеклеточных сигналов и реакцию на них, межклеточные кон-такты и инициацию сигналов, поддержание формы клеток и органелл, осуществление двигательной активности, биосинтеза, биоэнергетических и многих других процессов.

Схематическое изображение ЦПМ можно представить по рис. 1. Ос-новными компонентами мембран являются липиды и белки. Внешний слой некоторых мембран содержит углеводы, ковалентно связанные с ли-пидами и белками. Гликолипиды и гликопротеины плазматических мем-бран осуществляют рецепторную и иммунную функции, участвуют в меж-клеточных взаимодействиях. Липидный состав мембран обусловливает её текучесть. Наиболее подвижными являются жидкие липиды бислоя. Не закрепленные в мембране белки могут диффундировать в пределах бис-лоя. С увеличением содержания ненасыщенных жирных кислот текучесть возрастает, так как наличие двойных связей способствует нарушению по-лукристаллической мембранной структуры. Аннулярные липиды, фикси-рованные к белку, менее подвижны и входят в состав липопротеинового комплекса, включающего на одну молекулу белка более 20 молекул липи-дов.

14

Рис. 1. Схема строения плазматической мембраны (по Я. Кольман, К.–Г. Рём, 2011).

К мембранным липидзависимым белкам относятся Na+/K+-АТФаза,

аденилатциклаза, глюкозо-6-фосфатаза, гексокиназа, холестеринацил-трансфераза, цитохром Р-450, ацил-СоА, 5-нуклеотидаза, Ca2+-АТФаза и другие белки, выполняющие транспортные, регуляторные, ферментные, рецепторные и другие функции. Интегральные мембранные белки прочно связаны с липидным окружением. Периферические белки удерживаются в мембране, присоединяясь к липидам (жирные кислоты, изопреноиды, пальмитиновая кислота и др.) или к интегральным мембранным белкам. Физико-химическое состояние аннулярных липидов влияет на конформа-ционные свойства, подвижность, доступность активных центров для суб-страта, возможность образования специализированных полиферментных комплексов связанных с ними белков. Таким липидом для Na+/K+-АТФазы является фосфатидилсерин (ФС), для Са2+-АТФазы – лизофосфатидилхо-лин (лизо-ФХ), для аденилатциклазы – фосфатидилинозит (ФИ), для фер-ментов дыхательной цепи митохондрий – кардиолипин и фосфатидилэта-ноламин (ФЭА). В свою очередь конформационные свойства белков и их состав влияют на состояние мембранных липидов. Экранируя липиды, белки могут снижать действие на них свободных радикалов и фосфолипаз. При повреждении клеток нарушение целостности плазматической мем-браны может быть обусловлено повреждением как липидных, так и белко-вых её компонентов. Липидные компоненты клеточных и субклеточных мембран повреждаются по эволюционно сформированным типовым ме-

15

ханизмам, которые взаимно обусловливают друг друга, не зависят от вида патогенного агента, вызвавшего повреждение, и присущи всем клеткам.

Важнейшими из них являются:

интенсификация перекисного окисления липидов (ПОЛ);

резкий дефицит энергии;

активация мембранных фосфолипаз и гидролаз лизосом;

повреждение мембран амфифильными соединениями и детергента-ми;

выраженный внутриклеточный ацидоз;

растяжение и микроскопические разрывы мембран при набухании клеток и их органелл;

повреждение мембран макромолекулами и иммунными комплекса-ми.

3.4.1. Интенсификация перекисного окисления липидов

Постоянный приток молекулярного кислорода необходим большин-ству тканей для поддержания их окислительного потенциала. Однако даже в нормальных условиях О2 является источником токсичных веществ, в не-больших количествах образуются активные формы кислорода (АФК). АФК – это сильные окислители или крайне реакционноспособные свобод-ные радикалы, являющиеся молекулярными частицами, имеющими неспа-ренные электроны. Свободные радикалы с их прооксидантным действием необходимы для таких процессов как клеточная сигнализация, рост и дифференцировка клеток, разрушение инфицированных и злокачествен-ных клеток, гибель болезнетворных организмов. В физиологических усло-виях процесс образования свободных радикалов сбалансирован с их ути-лизацией (восстановлением), также как содержание факторов, активи-рующих (прооксидантов) и подавляющих (антиоксидантов) этот процесс, поскольку как избыток свободных радикалов, так и их недостаток приво-дят к нарушению структуры и функции клеток. Молекула кислорода явля-ется бирадикалом, поскольку содержит два неспаренных электрона. Одна-ко они расположены так, что молекула О2 остается относительно стабиль-ной. Образование АФК является следствием неполного восстановления кислорода. При присоединении к О2 одного электрона образуется высоко реакционноспособный супероксидный анион-радикал (.О2

-). При присоеди-нении двух электронов образуется пероксид-анион (.О2

2-), который связы-

16

вает протоны с образованием пероксида водорода (Н2О2), не являющегося радикалом, но легко образующего радикалы. При присоединении трех электронов молекула пероксид-аниона расщепляется на ионы О2- и О- . О2- присоединяет протоны с образованием воды. О- присоединяет протон и образуется гидроксильный радикал (.ОН). Процесс полного, четырехэлек-тронного восстановления кислорода приводит к образованию воды. Этот процесс более энергозависим, чем процессы неполного восстановления, и осуществляется цитохром с-оксидазой, конечным ферментом дыхательной цепи митохондрий. АФК это нестабильные соединения. Время их жизни от долей микросекунды до миллисекунды. Возможны реакции перехода одной формы в другую, проходящие спонтанно, с участием ионов метал-лов переменной валентности (Fe2+, Сu2+, Mn2+, Сo2+ и др.). В месте повре-ждения накапливаются свободные радикалы, поскольку развивается дефи-цит энергии, снижается активность цитохром с-оксидазы, содержание прооксидантов увеличивается, а содержание антиоксидантов снижается.

Кислородные радикалы инициируют перекисное окисление липидов (ПОЛ) – цепную реакцию последовательного окисления жирных кислот или их остатков в составе других липидов (рис. 2). Субстратами процессов ПОЛ в клеточных мембранах являются полиненасыщенные жирные ки-слоты (например, арахидоновая кислота). Кислородные радикалы отни-мают водород из групп –СН2– полиненасыщенной жирной кислоты, нахо-дящихся рядом с двойной связью. Это для них энергетически более вы-годно, поскольку происходит делокализация неспаренного электрона ме-жду тремя атомами углерода. Образуется радикал жирной кислоты, кото-рый легко присоединяет O2 и превращается в пероксидный радикал жир-ной кислоты. Этот радикал может отнимать водород от другой молекулы жирной кислоты. Возникает цепная реакция. Пероксиды легко распадают-ся с образованием альдегидов путем разрыва в жирной кислоте углерод-углеродной связи, соседствующей с пероксидной группой. Это энергети-чески более выгодно, поскольку эти альдегиды имеют систему сопряжен-ных двойных связей (C=C, C=O).

17

Рис. 2. Механизм перекисного окисления липидов.

Интенсивность ПОЛ регулируется соотношением прооксидантов и антиоксидантов. К прооксидантам относятся ионы металлов переменной валентности, свободные радикалы, образующиеся в процессе обмена ве-ществ (эндоперекиси простагландинов, продукты метаболизма лейкотрие-нов, адреналина), НАДФН и НАДН, липоевая кислота. Аскорбиновая ки-слота в концентрации 10-3М в присутствии Fe3+ и Cu2+ действует как про-ок- сидант. Ионы Са2+ в концентрации около 10-5 М активируют ПОЛ путем высвобождения ионов Fe2+, связанных с отрицательно заряженными груп-пами липидов, и тем самым увеличивая концентрацию каталитически ак-тивного Fe2+ в системе.

Антиоксидантные факторы бывают двух видов – ферментные и неферментные. К неферментным факторам антиоксидантной защиты клеток относятся витамин E (токоферолы), провитамины группы А (β-каротин), витамин А (ретинол), убихинон (кофермент Q10), мочевая кисло-та, глутатион, церулоплазмин, селенсодержащие и цинксодержащие со-единения, мелатонин, ионол. Однако установлено, что большинству анти-

18

оксидантов присущи прооксидантные свойства, что зависит от концентра-ции этих веществ и природы соседних молекул. Витамины A, К, глюко-кортикоиды, тироксин и эстрогены, холестерин и витамин D оказывают дозозависимый эффект. В высокой концентрации холестерин, увеличивая вязкость и стабилизируя мембраны, оказывает антиоксидантное действие. Са2+ в концентрации около 10-4 М и выше ингибирует активность ПОЛ.

Ферменты антиоксидантного действия: – супероксиддисмутаза (СОД) катализирует процесс диспропорциониро-вания двух супероксидных радикалов с образованием пероксида водорода и молекулярного кислорода в цитоплазме, митохондриях и ядре:

∙ ∙ 2СОД

– каталаза катализирует процесс диспропорционирования двух молекул пероксида водорода с образованием молекулярного кислорода и воды внутри пероксисом практически во всех тканях:

каталаза2

– глутатионпероксидаза (локализующаяся в основном в цитоплазме), со-держащая селен, восстанавливает перекись водорода до воды, а глутати-онпероксидаза, не содержащая селен, разлагает гидроперекиси липидов нерадикальным способом.

При повреждении клеток активность естественных прооксидантов усиливается, а активность антиоксидантной системы резко снижается. По-видимому, антиоксиданты активно потребляются, повреждаются продук-тами ПОЛ, ацидозом, липидными перекисями. Ионизирующая радиация и γ-излучение ингибируют антиоксидантные ферменты. Скорость генерации липидных метаболитов превалирует над скоростью их потребления (выве-дения). Это обусловливает накопление продуктов ПОЛ в месте поврежде-ния. Следует отметить, что активация ПОЛ может быть не только резуль-татом его прямой интенсификации под влиянием патогенных воздействий, но и следствием первичного подавления антиоксидантных систем клеток.

Из основных последствий активации ПОЛ для клеточных мем-бран можно выделить следующие: – повреждение липидов мембран клетки. В липидном бислое мембран формируются сквозные полярные каналы (перекисные кластеры), что уве-личивает пассивную проницаемость мембран для ионов K+, H+, Na+, Ca2+ и воды, снижает электрическую стабильность мембран. Увеличивается внутриклеточное содержание ионов H+, Na+, Ca2+ и воды, но снижается

19

внутриклеточное содержание ионов K+. Пробой липидной части мембраны приводит к её разрыву и гибели клетки. Изменяется количественный и ка-чественный состав мембранных липидов (снижается содержание полине-насыщенных жирных кислот), происходит делипидизация, нарушение гидрофобной области липидного бислоя, увеличивается доступность ли-пидов для фосфолипаз; – повреждение белков мембран клетки. Повреждение аннулярных липи-дов нарушает функцию липидзависимых белков. При ослаблении липид-белковых взаимодействий интегральные белки выходят из мембраны во внеклеточное пространство, увеличивается неселективная проницаемость мембраны. Образуются поперечные белковые «сшивки» и ковалентно свя-занные белковые полимеры, окисляются SH-группы белков и необратимо инактивируются белки (например, Ca2+-АТФаза). Нарушение липидного бислоя мембран увеличивает доступность белков для протеаз; – повреждение гликопротеинов мембран клетки. Изменение состава ли-пидного бислоя мембраны нарушает функциональные свойства гликопро-теинов (цАМФ-зависимой протеинкиназы, рецепторов трансферрина).

Установлено, что ПОЛ играет ведущую роль в развитии эритемы кожи под действием ультрафиолетовых лучей, световых ожогов глаз, ра-диационных повреждений, отравлений четыреххлористым углеродом. Ак-тивация ПОЛ составляет основное звено повреждения кардиомиоцитов при ишемической болезни сердца и инфаркте миокарда. Процесс актива-ции полиморфноядерных лейкоцитов и макрофагов сопровождается рес-пираторным «взрывом», характеризующимся усилением окислительного метаболизма и высвобождением активных радикалов кислорода. АФК в значительной степени обусловливают бактерицидные свойства фагоцитов, но могут быть токсичными для окружающих тканей и самих фагоцитов.

Принципы защиты мембран и ферментов клеток от токсических продуктов ПОЛ

Снижение интенсивности ПОЛ может быть достигнуто за счет: – уменьшения образования инициирующих ПОЛ активных форм кислоро-да, пероксида водорода, гидроксильных радикалов путем медикаментоз-ной стимуляции усвоения кислорода митохондриями и степени сопряже-ния окислительного фосфорилирования с помощью β-каротина, ретинола, рибофлавина, антагонистов кальция;

20

– инактивации свободных радикалов с помощью антиоксидантов природ-ного происхождения (α-токоферола, кофермента Q, церулоплазмина, ас-корбиновой кислоты, β-каротина) и синтетических препаратов (ионола, селен-метионина), а также антиоксидантных ферментов и тушителей АФК (супероксиддисмутазы, церулоплазмина, маннитола, гистидина); – уменьшения концентрации в клетках токсических гидроперекисей липи-дов и других органических и неорганических соединений с помощью глу-татионпероксидазы, каталазы, препаратов селена; – использования препаратов, ингибирующих мембранные фосфолипазы и метаболизм арахидоновой кислоты (аналоги глюкокортикоидов, ацетилса-лициловая кислота и др.), а также стабилизаторов мембран, хелаторов и восстановителей металлов переменной валентности.

3.4.2. Активация мембранных фосфолипаз и гидролаз лизосом

В клеточных мембранах содержатся липиды трех классов (фосфоли-пиды, холестерин и гликолипиды). Главными компонентами мембран клетки являются фосфолипиды (ФХ, ФЭА, ФС, ФИ и сфингомиелин). Биохимический состав липидной фазы мембраны в основном регулируется её фосфолипазами. Активность фосфолипазы А2 плазматической мембра-ны контролируется гормонами, гистамином, цитокинами и другими фак-торами, действие которых сопровождается повышением уровня внутри-клеточного Са2+. Под действием фосфолипазы А2 происходит гидролиз фосфолипидов ЦПМ, отщепление арахидоновой кислоты и лизо-ФАТ. При метаболизме арахидоновой кислоты образуются эйкозаноиды, кото-рые через активацию тропных к ним мембранных рецепторов, находящих-ся в непосредственной близости от места их синтеза, регулируют функ-циональную активность, как синтезирующих их клеток, так и соседних клеток. В гидролизе мембранных фосфолипидов важную роль играет так-же фосфолипаза C, объединяющая группу субстратзависимых ферментов, каждый из которых гидролизует определенные фосфолипиды. Под дейст-вием фосфолипазы C происходит гидролиз фосфатидилинозит-4,5-дифосфата, и образуются два вторичных мессенджера: гидрофильный инозит-1,4,5-трифосфат (ИФ3) и липофильный диацилглицерин (ДАГ). ИФ3 поступает в ЭР и вызывает высвобождение Са2+ из запасающих вези-кул. ДАГ, оставаясь в мембране, активирует протеинкиназу С, которая в присутствии Са2+ фосфорилирует различные белковые субстраты и моду-лирует их функциональную активность. При повреждении увеличивается

21

внутриклеточное содержание ионов Са2+ и Н+. Кальций является кофакто-ром большинства внутриклеточных и мембранных (за исключением лизо-сомальных) ферментов (липаз, фосфолипаз, протеаз, эндонуклеаз). Поэто-му при повреждении происходит избыточная активация ферментов и по-вреждение мембран клетки. Фосфолипазы А1 и А2 лизосом термостабиль-ны и не активируются ионами кальция, однако их действие оптимально при низких рН (4,0 и 6,5). Поэтому при внутриклеточном ацидозе активи-руются фосфолипазы мембран лизосом, мембраны повреждаются, гидро-лазы выходят из лизосом в цитоплазму и обусловливают аутолиз клетки. Это происходит на стадии перехода обратимых изменений в необратимые или даже уже после гибели клетки. Нарушение метаболизма адениловых нуклеотидов и дефицит энергии, вызывая дефосфорилирование мембран, нарушают их структуру и облегчают взаимодействие фосфолипаз с фос-фолипидами мембран. Нарушение биосинтеза фосфолипидов, интенсифи-кация ПОЛ и преобладание процессов аккумуляции продуктов фосфоли-полиза (СЖК) повреждают клеточные мембраны, изменяют качественный и количественный состав мембранных фосфолипидов, вызывают делипи-дизацию мембран, что резко нарушает физико-химические свойства ли-пидного бислоя мембран и прямо повреждает функции липидзависимых белков (рецепторов, ферментов, вторичных мессенджеров).

3.4.3. Повреждение мембраны амфифильными соединениями и детергентами

По своей форме молекулы фосфолипидов похожи на сплющенный цилиндр, ¼ которого по длине приходится на гидрофильную полярную головку (холин, глицерин), а ¾ – на гидрофобные цепи жирных кислот. Продукты гидролиза фосфолипидов и триацилглицеринов (СЖК, их недо-окисленные метаболиты, КоА и карнитинпроизводные) являются водо-растворимыми амфифильными соединениями, которые тоже имеют в своей структуре гидрофильную (полярную функциональную группу типа СООН или ион небольшого размера) и гидрофобную (длинную неразветв-ленную углеводородную цепь) части. Однако форма их молекулы напоми-нает конус, поскольку размер их гидрофильной части в плоскости мем-браны превышает размер гидрофобной части. Это объясняется окислением жирных кислот фосфолипидов при активации ПОЛ или отщеплением от фосфолипидов под действием фосфолипаз продуктов гидролиза, напри-мер, арахидоновой кислоты.

22

В низких концентрациях амфифильные соединения существуют в водных растворах как мономеры, которые способны встраиваться в гид-рофобный слой мембраны, что ведет к стабилизации мембран, уменьше-нию их проницаемости, изменению функции мембранных липидзависи-мых белков. Мономеры (ацилкарнитин и лизофосфолипиды) обусловли-вают изгиб и разрыв мембран с удалением Са2+ из связи с фосфолипидами. В высокой концентрации амфифильные соединения оказывают повреж-дающее действие, формируя в водной среде сферические мицеллы (рис. 3),

Рис. 3. Образование мицелл при активации перекисного окисления липидов и фосфо-

липолиза.

которые внедряются в мембрану, выталкивая ионы Са2+, отдельные фос-фолипиды и белки из мембраны. Повышается проницаемость мембраны, нарушаются функции белков (Na+/K+-АТФазы, Ca2+-АТФазы и АТФ/АДФ-транслоказы). Несколько мицелл могут формировать пору, внутренняя часть которой образована гидрофильными головками. Повышается несе-лективная проницаемость ЦПМ и мембран органелл для электролитов и воды, утрачиваются барьерные свойства мембран. Детергенты – это поверхностно активные вещества, амфифильные соединения, способные связываться с мембранным белком гидрофобными связями, одновременно взаимодействуя полярными группами с водой. Свойствами детергентов обладают додецилсульфат натрия, тритон Х-100, желчные кислоты и их соли, твин-20, твин-80, лизофосфолипиды, леци-тин, соли жирных кислот, мочевина. Молекулы детергента разрыхляют мембрану, расщепляют комплексы между белками и липидами, разрывают связи между белками. При высокой концентрации детергентов они обра-зуют смешанные мицеллы детергента с липидами и комплексы, вклю-чающие белки, липиды и детергенты, которые обладают высокой степе-

23

нью гидрофильности и вызывают повышение неселективной проницаемо-сти мембран для ионов и воды.

К образованию каналов в мембране способны полиеновые антибио-тики, грамицидин A, аламетицин, амфотерицин, моназомицин. Молекулы этих соединений могут встраиваться в мембрану и образовывать водные поры. Внешняя часть молекул в поре гидрофобна, а внутрь канала обра-щены хорошо поляризуемые группы. Длина молекулы позволяет прони-зать мембрану насквозь. Находясь в мембране молекула грамицидина А сворачивается в спиралевидную структуру, стабилизированную гидро-фобными связями, и формирует полый цилиндр длиной около 3 нм и диа-метром поры около 0,5-0,8 нм. Одиночные каналы образуются при ассо-циации двух мономеров и распадаются при диссоциации димера грамици-дина. Аламетицин – пептидный антибиотик, способен образовывать вод-ную пору переменного диаметра путем агрегации нескольких молекул. Амфотерицин В формирует такие каналы в клеточной мембране, через ко-торые выходят внутриклеточные компоненты во внеклеточное простран-ство, например, адениловые нуклеотиды. Некоторые антибиотики повы-шают селективную проницаемость и обладают свойствами ионофоров. Молекула валиномицина представляет собой почти плоское кольцо, по диаметру соответствующее размерам не гидратированного K+. При связы-вании валиномицина с ионами калия образуются комплексы, способные перемещаться через липидно-белковые слои мембраны. Антибиотик гра-мицидин может переносить ионы калия и натрия. Иономицин образует комплекс с Ca2+ в соотношении 1:1 и обменивает их на Н+.

Холестерин входит в состав всех мембран эукариотических клеток животного происхождения кроме внутренней мембраны митохондрий. В ЦПМ холестерин регулирует жесткость липидного бислоя, изменяя отно-сительное количество молекул фосфолипидов. Холестерин специфически взаимодействует с мембранными и цитоплазматическими белками: регу-лирует активность ионных каналов, рецепторов, основных сигнальных каскадов клетки (взаимодействие нескольких мембранных белков, переда-чу сигналов в клеточное ядро). При недостатке или избытке холестерина функции этих белковых структур нарушаются.

3.4.4. Растяжение и микроскопические разрывы мембран при гипергидратации клеток и их органелл

24

Барьерная функция является одной из наиболее важных функций клеточных мембран, благодаря ей происходит разграничение содержимого цитоплазмы и внеклеточной жидкости, содержимого органелл и цито-плазмы. Одним из основных отличий живой клетки от неживой является неравновесное состояние живой клетки с окружающей средой. Как из-вестно, содержание электролитов Na+, K+, Cl-, H+, Ca2+, Mg2+ во внеклеточ-ной жидкости, цитоплазме и внутриклеточных органеллах в физиологиче-ских условиях существенно различается. В частности, в здоровых клетках содержание ионов Ca2+ и Na+ существенно меньше, а содержание ионов K+

и белков больше, чем во внеклеточной жидкости. На поверхности мембран возникает электрохимический градиент (диффузионный потенциал), про-исходит постоянная пассивная диффузия ионов по градиенту концентра-ции внутрь клетки и из неё, из цитоплазмы в органеллы и обратно в цито-плазму через мембранные поры и гидрофильные белковые каналы. Ионная асимметрия зависит от функционального состояния клетки. Например, по-вышение содержания ионов Ca2+ в цитоплазме мышечной клетки с 10-7 до 10-5 М вызывает сокращение, а снижение его до исходного уровня – рас-слабление мышцы. Ионной асимметрии во всех клетках организма спо-собствуют особенности строения клеточных мембран. Гидрофобный слой липидов клеточных мембран характеризуется исходно низкой проницае-мостью для водорастворимых веществ. В мембранах клетки функциони-руют системы ионных насосов – АТФ-зависимого транспорта против гра-диента концентрации с помощью транспортных ферментов (Na+/K+-АТФаза, Ca2+-АТФаза, H+-АТФаза и др.), Na+/Ca2+- и H+/Ca2+-ионообменных механизмов. Существуют липопротеиновые и другие ком-плексы, обладающие сродством к электролитам и выполняющие роль внутриклеточных депо.

При действии различных повреждающих факторов повышается не-селективная проницаемость ЦПМ и внутриклеточных мембран для элек-тролитов и воды, нарушаются системы пассивного и активного транспорта электролитов. Снижение активности Na+/K+-АТФазы приводит к увеличе-нию внутриклеточного содержания ионов Na+ и утечке ионов K+. Стехио-метрия Na+/K+-АТФазы в оптимальных условиях 3/2/1 (при гидролизе од-ной молекулы АТФ из клетки выводится три иона Na+ и поступает в клет-ку два иона K+). Уменьшение содержания калия в клетке ведет к уменьше-нию этого отношения до 1/1/1, снижается мембранный потенциал и увели-чивается внутриклеточное содержание натрия. Гидратное число иона K+

25

равно 10,5, а иона Na+ – 16,6 молекул воды на ион, т.е. Na+ характеризуют-ся большей гидрофильностью по сравнению с K+, поэтому увеличение внутриклеточного содержания Na+ приводит к гидратации клетки. Увели-чение концентрации внутриклеточного Ca2+, связанное со снижением ак-тивности Са2+-АТФазы и Na+/Ca2+-ионообменного механизма, приводит к открытию высокоселективных Са2+-зависимых калиевых каналов и увели-чению скорости утечки K+ из клетки, что сопровождается дальнейшим развитием гидратации клетки. Гипергидратация клетки может вызвать из-быточное растяжение ЦПМ и внутриклеточных мембран с последующим их повреждением (осмотическая гибель клетки).

3.4.5. Повреждающее действие иммунных комплексов и макро-молекул на клеточные мембраны

Комплементом называют систему самособирающихся сывороточ-ных белков с каскадным ферментативным действием. Комплемент являет-ся частью иммунной системы и защищает организм от бактерий и других возбудителей болезни, В норме белки комплемента присутствуют в сыво-ротке, биологических секретах, тканевой жидкости в форме неактивных предшественников. Взаимодействие их с иммунными комплексами, эндо-токсинами, липополисахаридами, микроорганизмами вызывает последова-тельную активацию этих белков – каскад протеолитических реакций и

Рис. 4. Формирование мембраноатакующего литического комплекса (по Я. Кольман,

К.–Г. Рём, 2011).

26

сборку компонентов. Механизм активации комплемента эволюционно за-программирован и не зависит от причины и места активации – это типовой механизм повреждения клеточных мембран.

Активация системы комплемента приводит к формированию в ЦПМ поры (рис. 4) из компонентов комплемента (большой мембраноатакующий литический комплекс – C5b6789), через пору в клетку проникают ионы и вода, что вызывает осмотическую гибель клетки. Водорастворимые фра-менты C3a и C5a вызывают дегрануляцию тучных клеток и освобождение гистамина; активацию и хемотаксис нейтрофилов и других эффекторных клеток; повышение проницаемости сосудистых стенок; развитие воспале-ния. Фрагменты C3b и C4b (опсонины) встраиваются в ЦПМ, усиливают фагоцитоз и экзоцитоз гранул нейтрофилов. Нарушение структуры мем-браны способствует погружению высокомолекулярных иммунных ком-плексов вглубь клетки, необратимому повреждению ЦПМ и клетки.

3.5. Нарушение механизмов энергетического обеспечения клетки

Развитие энергодефицита характерно для любого повреждения клетки, поскольку нарушается гомеостаз, активность ферментов, целост-ность ЦПМ и мембран МХ и ЭР. Причем развитие дефицита энергии явля-ется важным фактором повреждения мембран: нарушается работа АТФ-зависимых ионных насосов, происходит дефосфорилирование мембран-ных белков и ослабление пластических процессов по замене поврежден-ных структурных компонентов мембран. Основой функциональной и структурной полноценности любой клетки является сохранность систем синтеза богатых энергией соединений в клетке, систем их транспорта к месту потребления и систем, обеспечивающих потребление энергии. Энергия необходима для биосинтеза основных компонентов клеток, для поддержания трансмембранного градиента концентраций ионов, для реа-лизации двигательной и многих других функций клеток. Адениловые нук-леотиды (макроэргические соединения), из которых главная роль принад-лежит АТФ, являются универсальными поставщиками энергии в клетках млекопитающих. В процессе гидролиза АТФ отдает фосфатную или пи-рофосфатную группу. При этом выделяется химическая энергия, транс-формирующаяся в тепловую, механическую и другие виды энергии, необ-ходимые для жизнедеятельности клетки. Другими источниками энергии могут быть АДФ, АМФ, креатинфосфат и другие фосфорилированные со-единения. Энергия может быть депонирована в клетке и в виде субстратов

27

(глюкоза, гликоген, СЖК и др.). Все эти продукты способны трансформи-роваться в энергию АТФ. Дыхательная АТФ, образующаяся во внутренней мембране митохондрий путем окислительного фосфорилирования продук-тов распада углеводов, жиров и белков, является наиболее эффективной формой аккумуляции энергии.

Однако путь дыхательного синтеза АТФ наиболее чувствителен к дефициту кислорода и прогрессивно снижается вплоть до прекращения при полной ишемии органов. Основными причинами нарушения процес-сов окислительного фосфорилирования помимо падения рО2 в ткани яв-ляются снижение уровня субстратов окисления, способности ткани к экс-тракции их из крови, рост восстановленности дыхательной цепи и увели-чение соотношений НАДН/НАД и НАДФН/НАДФ, вторично развиваю-щееся повреждение структуры мембран МХ и снижение активности их ферментов. На дефицит кислорода и АТФ клетка реагирует такими ком-пенсаторными реакциями, как уменьшение потребления энергии и мо-билизация энергии из внутриклеточных запасов. Ограничение потребле-ния энергии осуществляется за счет уменьшения функциональной актив-ности клетки, ограничения транспорта ионов и химических процессов синтеза. Мобилизация внутриклеточных запасов энергии осуществляется путем использования креатинфосфата, гликогена, глюкозы, триацилглице-ринов. Активацию гликолиза можно рассматривать как один из механиз-мов компенсации. Усиление гликолиза обусловлено снятием ингибирую-щего влияния АТФ, активирующим воздействием продуктов распада АТФ, локальным выделением катехоламинов, образованием цАМФ, уве-личением в цитоплазме ионов Са2+. Регулятором усиления гликолиза явля-ется снижение содержания креатинфосфата, вызывающее повышение со-держания АДФ, АМФ и рост активности фосфофруктозы. Однако даже в период максимальной активности гликолиз удовлетворяет потребности основного обмена лишь на одну-две трети и приводит к накоплению мо-лочной кислоты. Известно, что при полном окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, а при гликолитическом расщепле-нии – всего лишь две молекулы АТФ (при гидролизе 1 моля АТФ выделя-ется 40 кДж энергии). Следовательно, этот механизм несовершенен и не способен устранить дефицит макроэргических соединений в клетках. По-степенное ослабление гликолиза связано со снижением активности поли-ферментных систем гликолиза (фосфофруктокиназы, фосфоглюкомутазы, гексокиназы), что обусловлено субстратным торможением конечными

28

продуктами распада, накоплением НАДН, НАДФН, ацидозом и истощени-ем запасов субстратов гликолиза (глюкозы, гликогена). При снижении со-держания АТФ до 1-2% от исходного уровня гликолиз полностью прекра-щается.

Падение внутриклеточного парциального напряжения О2 ниже кри-тического уровня (примерно 1-2 мм Hg) ограничивает аэробные процессы образования энергии: окислительное образование ацетил-КоА из жирных кислот, пирувата и аминокислот; метаболизм ацетильных групп в цикле трикарбоновых кислот; транспорт электронов к О2, сопряженный с фосфо-рилированием. Прямым следствием этого является резкое снижение уров-ня АТФ, увеличение содержания АДФ, накопление в цитоплазме НАДН, так как при выключении дыхательной цепи возникает избыток НАДН внутри митохондрий, который тормозит работу челночных механизмов и цитоплазматический НАДН теряет возможность передавать Н+ в дыха-тельную цепь митохондрий. В цитоплазме НАДН может окисляться, вос-станавливая пируват до лактата, именно этот процесс инициируется при недостатке О2. Следствием его является избыточное образование в тканях молочной кислоты. Не только гипоксия, но и любая другая причина, вы-зывающая подавление функции челночных механизмов, ведет к избыточ-ной продукции молочной кислоты. Нарушение метаболизма углеводов, жиров и белков сопровождается накоплением недоокисленных продук-тов, оказывающих повреждающее действие на мембраны: – СЖК, ацилкарнитина и ацил-КоА, которые, внедряясь в липидный ком-понент мембран, повреждают мембраны и ферменты, в том числе участ-вующие в синтезе АТФ, транспорте АТФ от места продукции к эффектор-ным структурам клеток и утилизации энергии АТФ. Ацил-КоА подавляет транспорт адениннуклеотидов в МХ и активность ацил-КоА-синтетазы. СЖК ингибируют Na+/K+-АТФазу. Ацилкарнитин ингибирует Na+/K+-АТФазу и Са2+-АТФазу саркоплазматического ретикулума; – токсичных средне- и низкомолекулярных продуктов деградации белков; – продуктов катаболизма адениловых нуклеотидов (АДФ и АМФ), кото-рые, связываясь с Fe2+, усиливают его прооксидантную роль и активируют ПОЛ. При повреждении ЦПМ эти соединения и ферменты вымываются из клетки, что затрудняет ресинтез АТФ и способствует дефициту энергии; - лактат, пируват, продукты гидролиза АТФ, СЖК и их производные, НАДН, НАДФН, ФАДН обусловливают внутриклеточный ацидоз. Накоп-ление НАДН и НАДФН ведет к прекращению переноса электронов по ды-

29

хательной цепи МХ, снижая термостабильность и устойчивость мембран МХ к литическому действию фосфолипаз и протеаз и способствуя «утеч-ке» электронов и образованию АФК.

Итак, основными причинами нарушения синтеза АТФ являются дефицит О2 и субстратов метаболизма, рост восстановленности дыхатель-ной цепи и увеличение соотношений НАДH/НАД, НАДФH/НАДФ, нару-шение структуры мембран МХ и снижение активности их ферментов, из-быточная аккумуляция в МХ ионов Са2+, повреждение ЭР, истощение за-пасов кофакторов и субстратов гликолиза, снижение активности полифер-ментных систем гликолиза, снижение содержания АТФ до 1-2% от исход-ного уровня.

При повреждении клетки нарушение систем транспорта АТФ часто опережает нарушение систем ее образования. Это вызывает разоб-щение мест синтеза и потребления АТФ и обусловливает возникновение необратимых повреждений клетки на фоне довольно высокого уровня АТФ. Транспорт дыхательной АТФ из МХ к местам ее использования осуществляется главным образом ферментом АТФ-АДФ-транслоказой и креатинкиназной ферментной системой, являющейся универсальной сис-темой для клеток организма. АТФ-АДФ-транслоказа переносит АТФ в обмен на АДФ через внутреннюю мембрану МХ, на наружной поверхно-сти которой АТФ вступает в реакцию с креатином, катализируемую изо-ферментом креатинкиназой. Образуется креатинфосфат, который путем диффузии через наружную мембрану митохондрий попадает в цитоплазму и вблизи мест потребления вступает в реакцию с АДФ, вновь образуя АТФ и освобождая креатин, возвращающийся в МХ. Образование АТФ из креа-тинфосфата катализируется специфическими изоферментами, обеспечи-вающими строго направленный транспорт дыхательной АТФ и её диффе-ренцированное потребление. Существует и цитоплазматическая креатин-киназа, которая регулирует активность гликолиза в условиях недостатка О2 и обеспечивает направленный транспорт гликолитической АТФ к мес-там локализации Na+/K+-АТФазы в ЦПМ, Са2+-АТФазы в мембранах сар-коплазматического ретикулума и АТФазы миозина в миофибриллах. Ус-тановлено, что при ишемии и гипоксии снижение содержания креатин-фосфата происходит значительно раньше, чем АТФ. Это обусловлено бы-стрым расходованием креатинфосфата на образование АТФ и быстрым прекращением дальнейшего транспорта креатинфосфата из МХ к местам его потребления из-за низкой устойчивости АТФ-АДФ-транслоказы к де-

30

фициту О2. В миокарде снижение активности АТФ-АДФ-транслоказы на 80% наблюдается уже через 15 минут от начала ишемии. При поврежде-нии клетки подавляется активность и ферментов креатинкиназной систе-мы, они выходят через поврежденные мембраны МХ и ЦПМ во внекле-точную жидкость и кровь. Снижается и содержание креатина (повышен-ное потребление, нарушение или отсутствие доставки из крови, вымыва-ние в кровь), исполняющего челночную роль в транспорте энергии. Суще-ственным фактором снижения активности ферментов креатинкиназной системы является нарушение ее энергозависимой связи с мембраной.

Установлено прогрессирующее снижение активности АТФазы эффекторных структур поврежденной клетки. В частности, снижается активность АТФазы миозина – фермента, участвующего в обеспечении процесса сокращения миофибрилл за счет гидролиза АТФ. Даже то малое количество АТФ, которое имеется в кардиомиоцитах, не может утилизи-роваться полностью. Подавляется активность Na+/K+-АТФазы сарколем-мы, АТФазы митохондрий, Mg2+-АТФазы и Ca2+-АТФазы саркоплазмати-ческого ретикулума. При повреждении нарушается целостность ЦПМ и мембран органелл и связь их с ферментами, снижается активность процес-сов биосинтеза. Показано, что активность систем потребления энергии во время ишемии всегда снижается позже, а в постишемическом периоде восстанавливается быстрее, чем активность систем, продуцирующих АТФ. Это приводит к раннему снижению запаса депонированных адениловых нуклеотидов в клетке при дефиците О2 и позднему восстановлению или не восстановлению вообще этого депо в постишемическом периоде.

Итак, при повреждении нарушаются процессы энергетического обес-печения клеток на уровне продукции АТФ, транспорта и утилизации его энергии. Дефицит энергии в клетке обусловливает интенсификацию ПОЛ, внутриклеточный ацидоз, нарушение работы АТФ-зависимых ионных на-сосов, угнетение процессов биосинтеза и дефосфорилирование мембран-ных белков. Дефосфорилирование мембранных белков нарушает структу-ру и функции мембран за счет изменения заряда и конформационных свойств белков; белок-липидные взаимоотношения; вызывает локальное обнажение фосфолипидов, что повышает их чувствительность к действию фосфолипаз C и А2; закрывает каналы пассивного транспорта Са2+ в клет-ку, что снижает сосудистую моторику и тонус сосуда.

3.6. Реперфузионное повреждение клетки

31

Развитие состояния дефицита энергии характерно для различных ви-дов повреждения клеток, в том числе для ишемического повреждения. Ишемия – уменьшение кровенаполнения органа или ткани вследствие сниженного притока крови в эту область. Дефицит О2 и субстратов мета-болизма обусловливает подавление окислительных процессов, развитие дефицита энергии и включение типовых механизмов повреждения клетки. Восстановление кровообращения в ткани после кратковременной ишемии может привести к полному восстановлению структуры и функций повре-жденных клеток. Однако восстановление кровообращения после длитель-ной ишемии может привести к развитию реперфузионного повреждения. Восстановление кровоснабжения участка длительной ишемии сопровож-дается феноменом «no-reflow» – отсроченным неполным восстановлением кровотока: первоначальной реактивной гиперемией с последующим паде-нием кровотока. По-видимому, феномен можно объяснить отеком и дис-функцией эндотелия, вазоспастическими изменениями тонуса стенки мел-ких резистивных сосудов, формированием тромбов, сдавлением капилля-ров отечной жидкостью и другими факторами. Приток О2 в зону повреж-дения, характеризующуюся дефицитом энергии и антиоксидантов, избыт-ком прооксидантов и инактивированных ферментов, нарушенной связью ферментов с мембранами приводит к интенсификации образования сво-бодных радикалов и ПОЛ. При восстановлении кровоснабжения после ишемии в очаг повреждения с кровью поступает большое количество фа-гоцитов. При длительной ишемии в поврежденных тканях в избытке обра-зуются хемоаттрактанты, активирующие фагоциты, которые накапливают-ся в поврежденных тканях и продуцируют биологически активные веще-ства и свободные радикалы. Избыточный приток Са2+ в зону ишемическо-го повреждения активирует Са2+-зависимые фосфолипазы, липазы, протеа-зы, эндонуклеазы и ПОЛ. Прогрессирует повреждение клеточных мем-бран, в том числе мембран МХ. Это способствует избыточному поступле-нию Са2+ в МХ, необратимому нарушению их функции, прогрессированию дефицита энергии на фоне вымывания из клеток ферментов синтеза и транспорта АТФ. После длительной ишемии восстановление кровоснаб-жения органа или группы органов может привести к развитию ишемиче-ского шока, проявляющегося нарушением общего и местного кровообра-щения, циркуляторной гипоксией, синдромом полиорганной недостаточ-ности. Важным патогенетическим звеном ишемического шока является действие свободных радикалов и токсических продуктов нарушенного ме-

32

таболизма, поступающих из поврежденного участка в системный кровоток и обусловливающих активацию общих механизмов повреждения клеток всех органов и тканей.

3.7. Роль ионов кальция в механизмах повреждения клетки

В клетках организма кальций регулирует проницаемость ЦПМ и яв-ляется внутриклеточным вторичным мессенджером: как положительно за-ряженный ион деполяризует мембрану и как химический агент влияет на работу ионных каналов, ферментов, рецепторов. В процессе эволюции сформирована сложная система белков, которая через взаимодействие с ионами Са2+ управляет передачей и приемом внутриклеточных сообще-ний. Внеклеточный уровень Са2+ приблизительно равен 1,3 ммоль/л, внут-риклеточный уровень Са2+ составляет от 0,1 до 0,01 мкмоль/л. Низкий уровень цитоплазматического Са2+ в покое поддерживается механизмами активного выведения его из цитоплазмы во внутриклеточные депо (Са2+-АТФазы) или во внеклеточную жидкость (Са2+-АТФазы, Са2+/3Na+- анти-портеры). Активный транспорт использует энергию гидролиза АТФ. Дви-жущей силой переноса ионов Ca2+ против его концентрационного гради-ента является градиент ионов Na+ и трансмембранный потенциал (Са2+/3Na+-обменный механизм имеет электрогенную природу). Однако при повышенном уровне внутриклеточного Na+ внутриклеточные ионы Na+ будут обмениваться на внеклеточные ионы Ca2+. Это может привести к резкому повышению уровня цитоплазматического Ca2+. Главными внут-риклеточными депо кальция, регулирующими его концентрацию в цито-плазме, являются гладкий ЭР и МХ. В саркоплазматическом ретикулуме мышечных клеток высокую концентрацию ионов кальция контролируют Са2+-связывающий белок кальсеквестрин и Са2+-АТФазы. В гладком ЭР эту функцию выполняют Са2+-связывающие белки, управляемые Са2+-каналы и энергозависимые Са2+-насосы. Ионы Са2+ поступают в МХ через Са2+-унипортер, а выходят в цитоплазму в обмен на Н+ или Na+ в зависи-мости от трансмембранного потенциала внутренней мембраны МХ и про-тонного градиента. Ионы Ca2+ регулируют активность многих ферментов, в том числе ферментов дыхательной цепи МХ и ферментов, участвующих в синтезе липидов в ЭР.

Ионы кальция могут поступать в цитоплазму из внеклеточной жид-кости и внутриклеточных депо различными способами: по градиенту кон-центрации с помощью белков-переносчиков; через потенциал-зависимые

33

Са2+-каналы при деполяризации мембраны; через рецептор-зависимые ка-налы, активирующимися биологически активными веществами (например, катехоламинами, глутаматом), внутриклеточными мессенджерами (ИФ3 и цАМФ). При высокой концентрации в цитоплазме ионы Са2+ оказывают на клетку цитотоксическое действие, поэтому в нормальной клетке уровень Ca2+ увеличивается кратковременно в 5-10 раз, а стимуляция клетки уве-личивает лишь частоту этих флуктуаций. Частоту открывания Са2+-каналов ЭР контролирует увеличение уровня ионов Са2+ в цитоплазме при открывании Са2+-каналов ЦПМ и при действии ИФ3. В этом случае кон-центрация Са2+ в цитоплазме может повыситься до 500-1000 нМ. В цито-плазме ионы Са2+ связываются с белками (кальмодулином, тропонином и др.). При связывании четырех ионов Са2+ кальмодулин изменяет свою пространственную конфигурацию, активируется и фосфорилирует белки (протеинкиназы, ферменты, ионные насосы и компоненты цитоскелета). Через систему Са2+-кальмодулин реализуются внутриклеточные эффекты цАМФ, который, в свою очередь, усиливает кальциевый сигнал. Са2+ регу-лирует активность некоторых аденилатциклаз. При повышении внутри-клеточного уровня цАМФ и активности протеинкиназы A происходит фосфорилирование Са2+- каналов, повышается концентрация Са2+ в клетке, активируется Са2+-зависимая фосфодиэстераза, катализирующая превра-щение цАМФ в АМФ.

Нарушение барьерной функции клеточных мембран и повышение их пассивной проницаемости для ионов Na+, К+ и Са2+ сопровождается резким увеличением содержания Са2+ в цитоплазме и в матриксе МХ, что являет-ся важнейшим фактором повреждения клетки. При дефиците энергии ак-тивируется ПОЛ и катехоламинергическая система, ингибируются Са2+-АТФазы, Na+/K+-АТФазы, повышается внутриклеточный уровень Na+, что обусловливает повышение концентрации Ca2+ в цитоплазме, развитие мышечной контрактуры и дальнейшее снижение запасов АТФ в клетке. Активируются Ca2+-зависимые протеазы и фосфолипазы мембран МХ, по-вышается их проницаемость для Ca2+. Снижение трансмембранного по-тенциала внутренней мембраны МХ нарушает обмен Са2+ матрикса МХ на Н+. При перенасыщении митохондрий Ca2+ образуются фосфорные соли кальция, выпадающие в осадок, что необратимо нарушает функцию МХ. Увеличение осмотического давления в матриксе МХ сопровождается по-ступлением в них воды и набуханием органелл, разобщением процессов дыхания и фосфорилирования, дальнейшим снижением синтеза АТФ.

34

Повышение концентрации Ca2+ в цитоплазме активирует фосфори-лазу гликолиза, что усиливает внутриклеточный ацидоз. В определенных концентрациях Ca2+ стимулирует ПОЛ. Активируя фосфолипазы в очаге повреждения, Ca2+ повышает содержание полиненасыщенных жирных ки-слот, являющихся субстратом ПОЛ, а также снижает активность антиок-сидантной системы. Повышение осмотического давления в клетке при из-быточной кальциевой нагрузке может привести к осмотической гибели клетки. Са2+-зависимая активация эндонуклеаз повреждает ядерный хро-матин.

Для предупреждения повреждения клеток в результате избыточной внутриклеточной концентрации Са2+ и коррекции нарушений обмена Са2+ в клетках в настоящее время нашли широкое применение кальциевые ан-тагонисты: верапамил, метоксиверапамил (Д-600), нифедипин, дилтиазем и др. Механизм действия этих препаратов связан с вытеснением Са2+ с по-верхности клеток и блокадой медленных кальциевых каналов.

3.8. Роль внутриклеточного ацидоза в повреждении клетки

Нарушениям процессов метаболизма адениловых нуклеотидов все-гда сопутствует еще один фактор, повреждающий мембраны – внутри-клеточный ацидоз, возникающий при дефиците О2 вследствие активации гликолиза, накопления недоокисленных продуктов нарушения углеводно-го и липидного метаболизма, гидролиза АТФ и других макроэргических соединений, восстановления НАД и НАДФ, снижения утилизации H+ из-за уменьшения синтеза АТФ. Действие ацидоза на мембранные структуры и функцию клетки зависит от степени его выраженности.

Умеренный ацидоз (снижение до pH 7,2–6,8) защищает клетку от по-вреждения: уменьшает активность аденилатциклазы, стимулируемой кате-холаминами, и снижает образование цАМФ; угнетает активность фосфо-липаз; увеличивает активность Са2+-АТФазы в плазматической мембране на фоне высокого внутриклеточного содержания Са2+; активирует окисле-ние сукцината в МХ.

Выраженный ацидоз (снижение до рН 6,8–6,2) и резкий ацидоз (снижение рН < 6,0) прямо повреждают мембраны клетки: изменяют кон-формационные свойства и повреждают мембранные белки, угнетают фер-менты (креатинкиназную систему, АТФазу миозина), нарушают сократи-тельную функцию миофибрилл, усиливают гидролитический эффект ряда фосфолипаз. Активация фосфолипаз и протеаз мембран лизосом ионами

35

Н+ нарушает целостность мембран лизосом, гидролитические ферменты выходят в цитоплазму и повреждают все структуры клетки. Внутрикле-точный ацидоз способствует интенсификации ПОЛ и нарушению метабо-лических процессов в цитоплазме, в том числе ингибирует ферменты гли-колиза, что усугубляет дефицит энергии.

3.9. Нарушение механизмов, контролирующих деятельность ядра и пластическое обеспечение клетки

Важным механизмом повреждения клетки является нарушение функции ядра, рибосом и других структур, ответственных за обеспечение клетки пластическими материалами, поддержание внутриклеточного го-меостаза и процессов клеточного деления.

В ядре клетки содержится большая часть клеточной ДНК, носителя генетической информации, здесь происходит её репликация и экспрессия. Ядерные мембраны отделяют генетический аппарат клетки от цитоплаз-мы. Внешняя мембрана ядра усыпана рибосомами и переходит в шерохо-ватый ЭР. Важнейшей частью ядерной мембраны являются ядерные поры, представляющие собой белковые комплексы, через которые происходит энергозависимый регулируемый транспорт РНК из ядра в цитоплазму для участия в биосинтезе белков, а также ядерных белков из цитоплазмы в яд-ро. В ядре происходит биосинтез НАД+. Предшественник этого кофермен-та, никотинамидмононуклеотид, синтезируется в цитоплазме, транспорти-руется в ядрышко для превращения в НАД+, который после этого возвра-щается в цитоплазму. Установлено, что в клетках опухолей с редукцией ядерных пор нарушается взаимодействие между ядром и цитоплазмой, это изменяет межклеточные взаимодействия. При этом формируется активно функционирующее ядро и «ленивая» цитоплазма. Предполагают, что по-вышенная активность ядра в данной ситуации является компенсаторной реакцией на редукцию ядерных пор. Существенные изменения в ядрах опухолевых клеток происходят на молекулярно-генетическом уровне: хромосомные аберрации (количественные изменения и структурные на-рушения хромосом), генетическая нестабильность вследствие нарушенной репарации ДНК, активация протоонкогенов и превращение их в клеточные онкогены, инактивация генов-супрессоров роста – антионкогенов. К хро-мосомным аберрациям относят потерю или избыток хромосом (анеуплои-дии), кольцевидные хромосомы, полиплоидию, реципрокные транслока-ции, делеции и дупликации. Хромосомные мутации характеризуются

36

структурной перестройкой одной или нескольких хромосом, связанной с утратой или дупликацией их участков, изменением положения участков в той же хромосоме или переносом в другую хромосому.

Например, при хроническом миелоидном лейкозе в опухолевых клетках пациентов обнаруживается Филадельфийская хромосома – ано-мальная хромосома 22 с укороченным длинным плечом. Утраченный уча-сток хромосомы 22 соединяется с хромосомой 9. В свою очередь опреде-ленный участок хромосомы 9 соединяется с хромосомой 22. Этот процесс называется транслокацией. В результате фрагмент гена BCR из хромосо-мы 22 и ген ABL из хромосомы 9 образуют единую рамку считывания. Продуктами этого аномального слитого гена могут быть белки с молеку-лярной массой 210 (р210) или, реже, 125 кДа (р185). Так как в норме белок ABL содержит тирозинкиназный домен, продукт мутантного гена также является тирозинкиназой. Белок BCR-ABL взаимодействует с одной из субъединиц клеточного рецептора к ИЛ-3. Транскрипция этого гена про-исходит непрерывно, ускоряется клеточное деление и подавляется репара-ция ДНК. Клетка становится более восприимчивой к дальнейшим генети-ческим аномалиям. Изменения числа хромосом в наборе называются ге-номными мутациями. Например, одна лишняя 21 хромосома приводит к синдрому Дауна.

Повреждение генетического аппарата клетки проявляется в виде генных и хромосомных мутаций. Причиной возникновения мутаций мо-жет быть действие ультрафиолетовых лучей, всех видов ионизирующих излучений, химических повреждающих агентов, чужеродных нуклеино-вых кислот, вирусов. Химическое (азотистая кислота, алкилирующие со-единения и др.) и радиационное повреждение клеток вызывают серьезные повреждения молекулы ДНК в виде одно- и двунитевых разрывов, образо-вания поперечных сшивок. Следствием мутаций может быть замена одной аминокислоты на другую в полипептидной цепи, контролируемой данным геном. Например, у больных серповидноклеточной анемией синтезируется патологический гемоглобин S, у которого в β-цепи глютаминовая кислота заменена на валин в отличие от нормального гемоглобина А1. При сниже-нии парциального напряжения О2 в крови гемоглобин S конденсируется, происходит деформация, а затем и гибель эритроцита.

При другом виде генных мутаций происходит выпадение или встав-ка отдельных нуклеотидов (или группы их). Если число недостающих или избыточных нуклеотидов не кратно трем (триплет – единица генетическо-

37

го кода), то произойдет сдвиг рамки считывания при транскрипции и трансляции, и, начиная с точки, в которой произошла мутация, вся струк-тура полипептида может измениться, что может привести к полной утрате его функциональной активности. Могут выпадать не отдельные нуклеоти-ды, а целые гены (делеция гена). Например, при ретинобластоме происхо-дит делеция в хромосоме 13. В то же время при выпадении части генов может происходить компенсация за счет сохранившихся парных гомоло-гичных генов. Процесс злокачественной трансформации клетки обеспечи-вается изменениями не одного, а нескольких групп генов – активаторов и супрессоров роста. Кроме мутаций ядерного генетического материала возможны и мутационные изменения цитоплазматических генов (плазмо-генов). В клетке человека такие гены представлены в основном ДНК ми-тохондрий. В то же время в процессе эволюции созданы основы надежно-сти генетического аппарата клетки – это дублированность его структур-ных элементов, механизмы репарации и матричный принцип биосинтеза ДНК и РНК. Исправление мутационного повреждения генетического ма-териала механизмами репарации восстанавливает значительную часть по-врежденных молекул ДНК. Происходит распознавание и эксцизия изме-ненных участков ДНК с помощью рестриктирующих эндонуклеаз. Затем при участии ДНК-полимеразы синтезируется нормальный участок ДНК и встраивается в цепь ДНК под действием лигазы. Пострепликативная (ре-комбинационная) репарация происходит с участием ДНК-полимераз и ли-газ путем встраивания участков ДНК одних молекул в другие молекулы для восполнения отсутствующих участков. Нарушения в репарации ДНК могут служить причиной генетической нестабильности и приводить к зло-качественной трансформации клеток. Возникновение опухолей кожи при пигментной ксеродерме связано с отсутствием рестриктирующих эндо-нуклеаз, осуществляющих в норме эксцизию поврежденных ультрафиоле-товыми лучами участков ДНК, где образуются тимидиновые димеры. С возрастом увеличивается частота развития опухолей, что, по-видимому, обусловлено накоплением мутаций в геноме клеток и нарушением систе-мы репарации ДНК в клетках пожилых людей.

Геном клетки повреждается при опухолевом росте. Канцерогенные факторы, вызывая мутации, делеции, суперэкспрессии, образование попе-речных сшивок, активируют нормальные гены клеток (протоонкогены) и превращают их в клеточные онкогены, вызывающие развитие неопласти-ческой трансформации. При этом важную роль играет соотношение ак-

38

тивности генов-супрессоров и генов-онкосупрессоров. Клеточные онкоге-ны кодируют белки, участвующие в передаче сигнала (внеклеточные ли-ганды, гомологичные ростовым факторам; мембранные рецепторы; регу-ляторы синтеза и транспорта белков; ядерные рецепторы, регулирующие транскрипцию определенных генов; ядерные онкосупрессоры, блокирую-щие вступление дифференцированных клеток в митотический цикл; фак-торы транскрипции; протеинкиназы), что позволяет регулировать клеточ-ную пролиферацию, дифференцировку, процессы роста.

Геномные изменения обусловливают повреждения ЦПМ, органелл и цитоскелета. Вследствие изменения структуры и экспрессии углеводов ЦПМ, входящих в состав гликопротеидов и гликолипидов, формирующих адгезивные молекулы (САМ), нарушается контактное торможение. Акти-вация типовых механизмов повреждения мембран обусловливает наруше-ние функций органелл клетки, в том числе участвующих в биосинтезе. Это угнетает репаративные процессы, восстанавливающие нарушенный гомео-стаз клетки. В шероховатом ЭР синтезируются белки мембран, лизосом и секреторных везикул. Остальные белки синтезируются в цитоплазме на рибосомах, не связанных с ЭР. Процессы биосинтеза энергозависимы, по-этому при дефиците энергии они нарушаются. Известно, что в цитоплазме происходит деградация питательных веществ, синтез структурных компо-нентов клетки, промежуточный метаболизм (гликолиз, гексозомонофос-фатный путь, глюконеогенез, биосинтез жирных кислот). Нарушение ак-тивности ферментов и связи их с мембранами нарушает метаболические процессы. Образующиеся антиметаболиты избирательно блокируют мета-болические процессы.

Биосинтез нуклеотидов нарушается большинством важных в клини-ческом отношении цитостатиков, они подавляют синтез предшественни-ков ДНК. Некоторые из них являются производными нуклеиновых осно-ваний или нуклеотидов, они конкурентно ингибируют соответствующие ферменты. Цитостатики, взаимодействуя с молекулами ДНК, могут нару-шать процессы репликации и транскрипции. При попадании в организм многие цитостатики активируются в результате метаболической транс-формации. Например, из 6-меркаптопурина (аналога аденина) через ряд промежуточных стадий образуется тдГТФ (серосодержащее производное дГТФ), который, встраивается в ДНК, формирует поперечные связи и дру-гие аномалии. Гидроксимочевина избирательно ингибирует рибонуклео-тид-редук-тазу, нейтрализуя тирозин-радикал, который необходим для

39

функционирования этого фермента. Метотрексат, аналог фолиевой кисло-ты, является чрезвычайно эффективным конкурентным ингибитором ди-гидрофолат-редуктазы, как следствие прекращается синтез ДНК.

3.10. Повреждение рецепторного аппарата клетки и внутриклеточ-ных механизмов регуляции её функций

Важную роль в жизнедеятельности клетки играет ее рецепторный аппарат. Он обеспечивает восприятие и передачу информации клетке при воздействии сигнального вещества для формирования адекватной реакции в изменяющихся условиях внеклеточной среды. Рецепторы (белки или гликопротеины) в зависимости от вида сигнального вещества находятся либо в мембране клетки-мишени, либо в цитоплазме, либо в ядре клетки. Липофильные сигнальные вещества (стероидные и тиреоидные гормоны) проникают через ЦПМ и взаимодействуют со специфическим рецептором (цинксодержащим белком) в цитоплазме или в клеточном ядре. Для гидрофильных сигнальных веществ различают три типа рецепторов (рис. 5), являющимися интегральными мембранными белками: 1) аллосте-рические ферменты (тирозинкиназа, протеинфосфатаза, гуанилатциклаза), их активный центр находится на внутренней стороне мембраны. К этому типу рецепторов относятся рецепторы цитокинов, инсулина и факторов

40

Рис. 5. Механизм действия гидрофильных гормонов (из Я. Кольман, К.–Г. Рём, 2011)

роста; 2) лиганд-активируемые ионные каналы (Н-холинорецепторы и А-рецептор ГАМК), 3) рецепторы, сопряженные с ГТФ-связывающими бел-ками. Белки этих рецепторов состоят их 7 трансмембранных α-спиралей.

Каждый из вышеназванных рецепторов содержит высокоаффинный связывающий центр для своего сигнального вещества. При активации ин-сулинового рецептора, являющегося рецептором первого типа, происхо-дит его димеризация, активация тирозинкиназы и фосфорилирование ос-татков тирозина в определенных белках и самого рецептора. При участии PI-3-K (фосфатидилинозитол-3-киназы) и активации протеинкиназы B осуществ- ляются метаболические эффекты инсулина, в частности стиму-ляция синтеза гликогена и ряда белков. Посредством митогенного актива-тора белка осуществляются митогенные эффекты инсулина: стимуляция экспрессии транспортера глюкозы, эндотелин-синтетазы, стимуляции рос-та гладкомышечных клеток сосудов. Экзоцитоз гормонально-рецепторного комплекса заканчивается протеолизом инсулина и возвра-щением субъединицы рецептора в мембрану. Период полужизни инсули-

41

нового рецептора составляет 7-12 дней, т.е. рецепторы постоянно синтези-руются и распадаются.

При активации рецептора второго типа открывается канал либо для Na+, K+, Са2+ либо для CI-. Так, активация Н-холинорецептора ацетилхо-лином приводит к открыванию канала, проницаемого для положительно заряженных ионов Na+, К+ и Са2+. Вход ионов Na+ вызывает деполяриза-цию мембраны. Ионный канал NMDA (N-метил-D-аспартат)-рецептора к глутаминовой кислоте тоже проницаем для положительно заряженных ио-нов. ГАМКА-рецепторы содержат Cl- -каналы.

При активации рецептора третьего типа сигнал от первичного мес-сенджера с помощью ГТФ-связывающих белков (G-белки) передается на ферменты-эффекторы (аденилатциклазу, цГМФ-фосфодиэстеразу, фосфо-липазы А2 и C). Это приводит к высвобождению вторичных мессенджеров (цАМФ, цГМФ, ИФ3, ДАГ, Са2+, NO и др.), которые через активацию раз-ных видов протеинкиназ, обусловливают фосфорилирование ферментов, мембранных белков, рецепторов. Протеинкиназы могут быть раствори-мыми и мембранными белками, катализирующими фосфорилирование белков и модулирующими их биологическую активность. Установлены разные механизмы активации протеинкиназ. Протеинкиназы А активиру-ются цАМФ, протеинкиназы G – цГМФ, протеинкиназы С – ДАГ, Са2+/кальмодулин-зависимые киназы – ионами Са2+. Некоторые протеин-киназы обладают широким спектром действия по субстрату, другие – фосфорилируют только некоторые белки.

При активации адреналином β1-адренорецепторов, сопряженных с GS-белком, их αs-субъединицы высвобождают цАМФ, который активирует протеинкиназу A, происходит фосфорилирование внутриклеточных бел-ков. В результате, меняется проницаемость мембран, активность и количе-ство ферментов, открываются Са2+-каналы L-типа в мембранах кардио-миоцитов. Активированные GS-белки способны прямо открывать потенци-ал-зависимые Са2+-каналы. Увеличивается концентрация ионов кальция в цитоплазме, и реализуются положительные инотропный, хронотропный, дромотропный эффекты.

Активация α1-адренорецепторов катехоламинами тоже увеличивает концентрацию Са2+ в цитоплазме, но по механизму, опосредованному Gq-белками и фосфолипазой Сβ. Гидролиз фосфатидилинозит-4,5-дифосфата приводит к образованию двух вторичных мессенджеров – ИФ3 и ДАГ (ме-ханизм их действия описан выше). Повышение внутриклеточного кальция,

42

обусловливает сокращение гладкой мускулатуры артериол, бронхиол, мо-чевого пузыря и др.

При активации М2-холинорецепторов в миокарде Gi-белки ингиби-руют аденилатциклазу, снижают уровень цАМФ и приток Са2+ в цито-плазму, проявляются отрицательные хронотропный и дромотропный эф-фекты на сердце. В тоже время, активация β2-адренорецепторов сальбута-молом увеличивает уровень цАМФ, но снижает внутриклеточное содер-жание ионов кальция, что обусловливает расширение бронхиол и крове-носных сосудов в скелетных мышцах.

Функции рецепторного аппарата могут быть нарушены при актива-ции типовых механизмов повреждения биологических мембран (дефицит энергии, интенсификация ПОЛ, активация эндогенных фосфолипаз и про-теаз, избыток внутриклеточного Са2+, внутриклеточный ацидоз), посколь-ку они нарушают как липидный бислой мембран, так и конформационное строение рецепторов (липидзависимых белков, гликопротеинов), ионооб-менных систем и каналов; инактивируют ферменты, нарушают связь ферментов с мембранами, вызывают выход ферментов, вторичных мес-сенджеров, рецепторов, пуриновых оснований за пределы клетки.

При сахарном диабете 2 типа главным звеном патогенеза является развитие инсулинорезистентности (снижение всех биологических эффек-тов инсулина). Этому способствуют первичные генетические нарушения, в частности, мутации и нарушения экспрессии генов тирозинкиназы инсу-линового рецептора, мембранных и внутриклеточных посредников, фер-ментов, участвующих в передаче сигнала. Кроме того, в мышечные и жи-ровые клетки меньше поступает глюкозы, возникает дефицит энергии. На-капливаются недоокисленные продукты жирового, углеводного и белково-го обмена (молочная кислота, СЖК и др.), свободные радикалы, возникает внутриклеточный ацидоз, увеличивается уровень внутриклеточного каль-ция, активируются Са2+-зависимые фосфолипазы и другие патогенетиче-ские факторы. Они обусловливают нарушение функции и повреждение инсулиновых рецепторов и рецепторов β-клеток поджелудочной железы. Наблюдается прогрессивное нарастание инсулинорезистентности и разви-тие поздних осложнений сахарного диабета.

Возникновение эндотелиальной дисфункции коронарных сосудов при ишемической болезни сердца предшествует развитию инфаркта мио-карда, для которого характерно нарушение регуляции сократительной функции. Это, по-видимому, свидетельствует о повреждении рецепторов

43

на эндотелиальных клетках коронарных сосудов, так и на клетках миокар-да. При атеросклерозе, в механизме которого важная роль принадлежит активации ПОЛ, уменьшается чувствительность барорецепторов дуги аор-ты и каротидного синуса.

Одним их примеров влияния состояния липидов клеточных мембран на функции рецепторного аппарата является механизм действия экзоген-ного этанола на мембраны клеток. Этанол, растворяясь в липидах клеточ-ных мембран, изменяет их текучесть и структуру, мембранные ионные то-ки, генерацию потенциалов, активность многих липидзависимых белков. Однократный прием этанола повышает активность β-адренорецепторов, дофаминергических и ГАМК-рецепторов, но снижает активность глута-матных NMDA-рецепторов. Длительное избыточное действие этанола и продуктов его метаболизма через активацию связанной с мембраной фос-фолипазы C запускает каскад молекулярных событий адаптации к посто-янному присутствию экзогенного этанола в организме. Нарушается гене-тический аппарат клеток на молекулярном, генном и хромосомном уровне. Повышается ригидность мембран, содержание в них холестерина, сущест-венно изменяется состав и свойства регуляторных липидзависимых бел-ков. Снижается синтез α-субъединицы Gs-белка, активность аденилатцик-лазы и синтез цАМФ. Нарушается синтез, экспрессия и сродство рецепто-ров к опиоидным пептидам. Уменьшается активность ГАМК-ергической системы, повышается выброс дофамина и снижается содержание ацетил-холина, что приводит к редукции холинергических вставочных нейронов ствола мозга. Длительное действие экзогенного этанола, нарушая липид-ный бислой мембран нейронов, существенно изменяет функциональную активность всех нейрохимических систем мозга, обусловливает формиро-вание новых функциональных систем, устойчивых необратимых связей, обусловливающих пожизненные формы памяти. Происходит пролифера-ция участков связывания глутаминовой кислоты и потенциал-зависимых Са2+-каналов NMDA-рецепторов. Увеличение числа NMDA-рецепторов и внутриклеточного уровня ионов кальция сопровождается активацией Са2+-зависимых фосфолипаз и протеаз, повреждением мембран нейронов и на-рушением внутриклеточного метаболизма. Взаимодействие ацетальдегида (продукта окисления этанола) с каталитическими центрами ферментов на-рушает их функциональную активность и метаболизм таких эндогенных аминокислот, как глутаминовая кислота, ГАМК и глицин. Ацетальдегид связывается и с тубулином, что нарушает структуру и функциональную

44

активность микротрубочек нейронов. Нейротоксический эффект этанола проявляется гибелью нейронов и атрофией мозга, расширением мозговых желудочков, дегенерацией коры больших полушарий.

Для сахарного диабета 2 типа характерна гипергликемия натощак и после приема пищи, а также гиперинсулинемия. Постоянная гиперглике-мия обусловливает активацию гликозилирования – необратимого, без уча-

стия ферментов присоединения молекул глюкозы к -аминогруппе моле-кул белков. Гликозилирование инсулиновых рецепторов или инсулина снижает сродство между лигандом и рецептором. В условиях постоянной гиперинсулинемии уменьшается число инсулиновых рецепторов в мем-бранах клетки (десенситизация). Это можно объяснить как активацией ПОЛ и другими типовыми механизмами повреждения клетки, так и нару-шением процесса синтеза новых рецепторов инсулина на фоне нарушения внутриклеточной регуляции метаболических и митогенных эффектов ин-сулина избытком ФНО-α, а также образованием антител к гликозилиро-ванным рецепторам и инсулину, развитием аутоиммунного повреждения рецепторов и клетки.

При болезни Аддисона обнаруживаются антитела к рецепторам АКТГ. Взаимодействие иммуноглобулинов с рецепторами АКТГ приводит к нарушению пролиферативных процессов в коре надпочечников. Пре-кращается синтез и выделение гормонов, развивается первичная атрофия коры надпочечников. При тяжелой миастении аутоиммунное повреждение постсинаптической мембраны нервно-мышечного синапса и мышечных клеток приводит к развитию прогрессирующей мышечной слабости. В па-тогенезе заболевания участвуют разные типы аутоантител - антитела к ка-ждой из пяти субъединиц Н-холинорецептора, титин-протеину, рианоди-новому рецептору саркоплазматического ретикулума, потенциал-зависимым K+-каналам, мышечной специфической тирозинкиназе и др. Установлена структурная гомология антител к ИЛ-12, холинорецептору, α2 -ИНФ. ИЛ-12 стимулирует синтез определенных антител и цитокинов, направляя ответ по Th1-типу. Связывание IgG2α , например, с титин-протеином или рианодиновым рецептором активирует комплемент и по-вреждает мышечный субстрат. Н-холинорецепторы могут блокироваться антителами, превосходящими их по размеру, что приводит к интенсифи-кации ПОЛ и повреждению мембраны. Количество других Н-холинорецепторов резко уменьшается при образовании крупных мембран-ных кластеров за счет перекрестного реагирования антител с антигенами,

45

последующего их эндоцитоза и деградации. При диффузном токсическом зобе в организме синтезируются антитела к рецепторам ТТГ, которые стимулируют эти рецепторы в щитовидной железе и имитируют эффекты ТТГ (повышается синтез тиреоидных гормонов и развивается гиперплазия щитовидной железы). При этом по отрицательной обратной связи тормо-зится продукция ТТГ, однако продолжается стимуляция ТТГ-рецепторов и прогрессирует гиперфункция щитовидной железы.

Блокада рецепторов конкурентными ингибиторами природного про-исхождения или лекарственными препаратами нарушает их функцию. На-пример, яд кураре, алколоид растительного происхождения, избирательно и обратимо блокирует Н-холинорецепторы постсинаптической мембраны, препятствует действию ацетилхолина, как следствие развивается паралич. Синтетические аналоги кураре (атракурия, безилат) вызывают релаксацию произвольной мускулатуры в период хирургической операции. Необрати-мую блокаду Н-холинорецепторов вызывает α-нейротоксин яда кобры. При отравлении стрихнином, блокирующем глициновые рецепторы спин-ного мозга и ствола мозга, угнетаются тормозные процессы и возникают тонические судороги. Кофеин, блокируя А1-аденозиновые рецепторы пре-синаптической мембраны, снимает пресинаптическое торможение (повы-шается активность аденилатциклазы и синтез цАМФ), что обусловливает повышенный выброс нейромедиаторов и активацию многих медиаторных систем мозга. Кофеин ингибирует фосфодиэстеразу, что также способст-вует накоплению цАМФ в клетках. Однако при регулярном введении в ор-ганизм кофеина число А1-аденозиновых рецепторов пресинаптической мембраны увеличивается, усиливается пресинаптическое торможение вы-броса нейромедиаторов, поэтому при отказе от кофеина наблюдается де-прессия и сонливость (изменяется толерантность и развивается физическая зависимость).

Снотворные средства и транквилизаторы – барбитураты (фенобар-битал, люминал) и бензодиазепины (диазепам), активируя различные уча-стки ГАМКА-рецепторов, связанные с Cl--каналами, усиливают ГАМК-зависимое торможение в ЦНС: барбитураты – через увеличение продол-жительности открытия хлорных каналов и увеличение их проницаемости, бензодиазепины – через увеличение числа открытых хлорных каналов в конечном мозге.

Опиаты (природные и синтетические экзогенные морфиноподобные средства) взаимодействуют с опиоидными рецепторами, но опиаты хотя и

46

похожи по структуре молекулы на эндогенные аналоги, но более стабиль-ны, действуют продолжительнее и в больших дозах, чем опиоидные пеп-тиды. Экспериментально установлено, что под действием опиатов проис-ходит активация ПОЛ в мембранах клеток неокортекса, среднего мозга, черной субстанции, миокарда. Наблюдаются существенные структурные изменения мембран: рецепторы связываются с ионами металлов, изменя-ется содержание ГТФ в микроокружении рецепторов, число G-белков и их сопряжение с рецепторами. Снижается сродство рецепторов к опиоидным пептидам и их взаимодействие. Уже после 1-2 введений опиатов уменьша-

ется число -опиоидных рецепторов, повышается синтез аденилатцикла-зы, изменяется метаболизм нейронов.

Токсины оказывают повреждающее действие на мембраны и рецеп-торы, в частности, влияя на субъединицы G-белков, являющихся посред-никами в передаче сигнала от рецептора до эффекторных структур клетки. Одна из субъединиц холерного токсина проникает в клетку и катализирует присоединение АДФ-рибозы к GS-белку, ингибируется проявление ГТФ-фосфатазной активности αS-субъединицы, не происходит дефосфорилиро-вание ГТФ, цикл функционирования GS-белка останавливается на этапе активации аденилатциклазы, повышенная активность которой сохраняется длительное время. В клетках эпителия кишечника накапливается избыток цАМФ, вызывающий секрецию электролитов и воды в просвет кишечни-ка, возникает повреждение клеток кишечника, обезвоживание организма и смерть уже через несколько часов.

3.11. Виды гибели клетки

Гомеостаз многоклеточного организма контролируется механизмами пролиферации, дифференцировки и гибели клеток. Когда нарушения го-меостаза поврежденной клетки достигают критического уровня и приво-дят к необратимым нарушениям неравновесного состояния клетки и ок-ружающей её среды, наступает гибель клетки. Смерть клетки характеризу-ется прекращением всех жизненных процессов в ней: обмена веществ, синтеза белков, активного транспорта электролитов и т.д. Смерть клетки обычно сопровождается саморазрушением – аутолизом (распад клеток и тканей в организме под действием содержащихся в них гидролитических ферментов без помощи бактерий). Однако в некоторых случаях аутолиз при гибели клетки не развивается. Например, когда смерть организма на-ступила внезапно, а ткани длительное время находились в условиях

47

Рис.6. Последовательность ультраструктурных изменений в процессе апоптоза (справа) и некроза (слева): 1 – интактная клетка; 2 – уплотнение и сегрегация хроматина в ядре; 3 – распад ядра на фрагменты и образование апоптозных телец; 4 – фа-гоцитоз апоптозных телец соседней клеткой; 5 – ранняя стадия некроза, вклю-чающая конденсацию хроматина и деградацию цитоплазматических структур; 6 – разрушение мембран и дезинтеграция клетки (по: B.V. Harmon et al., 1990).

низкой температуры (трупы доисторических животных в зоне вечной мерзлоты). Гибель клетки реализуется либо по механизму апоптоза, либо по механизму некроза (Рис.6).

Некроз развивается в результате воздействия на клетки экстремаль-ных факторов достаточной мощности (токсины, тепловые воздействия, радиация, бактериальная и вирусная инфекция и другие факторы), вызы-вающих необратимое повреждение ЦПМ с нарушением её барьерной функции, работы катионных насосов, электролитного баланса. Развивается дефицит энергии и внутриклеточный ацидоз, обусловливающие наруше-ние функции ядра и угнетение биосинтеза РНК. Морфологическими при-знаками некроза клеток являются набухание клеток и митохондрий, фраг-ментация ЦПМ и мембран митохондрий и лизосом, распад хроматина и полная деструкция цитоскелета. Выход ферментов из цитоплазмы и орга-

48

нелл обусловливает повреждение соседних клеток, развитие воспаления и образование некротических зон.

Апоптоз (программированная клеточная гибель) – это форма смер-ти клеток в результате реализации механизмов самоуничтожения клетки в ответ на активацию рецепторного аппарата биологически активными ве-ществами (ФНО, ИЛ-I, ИЛ-10, глюкокортикоидами, γ-интерфероном), под действием повреждающих факторов (цитотоксических Т-клеток, вирусной инфекции и бактериальных токсинов, свободных радикалов, этанола, ок-сидантов, β-амилоидного пептида). В результате апоптоза происходит удаление, гибель отдельных клеток, завершивших свой жизненный цикл, образующихся в избытке, неправильно развивающихся или имеющих по-врежденную ДНК. Таким образом, апоптоз может быть биологически це-лесообразным процессом, направленным на сохранение гомеостаза орга-низма. Развитие апоптоза имеет морфологические и биохимические отли-гачия от некроза. Морфологические признаки апоптоза наблюдаются в следующей последовательности: конденсация цитоплазмы, как бы «смор-щивание» клеток; агрегация хроматина вблизи ядерной оболочки; форми-рование на поверхности клетки выпячиваний, с последующим их отшну-ровыванием; образование ограниченных мембраной апоптозных телец различного размера, содержащих фрагменты ядра и органеллы; фагоцитоз апоптозных телец соседними клетками или макрофагами. При этом отсут-ствует воспалительная реакция, поскольку содержимое клетки не попадает в окружающую ткань.

Апоптоз – это энергозависимый процесс, для которого характерна экспрессия соответствующих генов, синтез белка и РНК на ранней стадии процесса, упорядоченная деградация хроматина под действием Са2+-, Mg2+-зависимой эндонуклеазы на фрагменты по размеру соответствующие нуклеосомам или их олигомерам. Следует отметить, что усиление роли факторов, ингибирующих апоптоз, или снижение удельного веса процес-сов, стимулирующих его, приводит к развитию заболеваний, связанных с усилением пролиферативных процессов и увеличением клеточной массы (например, при лейкозах). Напротив, избыточная активация апоптоза обу-словливает развитие болезней, связанных с дегенерацией тканей – болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, остеопороза, апластической анемии и других.

49

4. Контрольные вопросы и задания

Тесты II уровня для самоконтроля знаний по теме:

1. Приведите определение понятия «повреждение клетки». 2. Виды повреждения клеток (4). 3. Общие механизмы повреждения клетки (4). 4. Типовые механизмы повреждения клеточных мембран (7). 5. Принципы защиты мембран и ферментов клеток от токсических

продуктов перекисного окисления липидов (4). 6. Последствия повышения внутриклеточного содержания кальция

(4). 7. Факторы, обусловливающие интенсификацию перекисного окисле-

ния липидов при повреждении клетки (4). 8. Признаки необратимого повреждения клетки (4). 9. Функциональные признаки повреждения клетки (4). 10. Механизмы, обусловливающие нарушение барьерной функции кле-

точных мембран (4). 11. Механизмы, обусловливающие нарушение функциональной актив-

ности клеток (4). 12. Механизмы, обусловливающие биохимические признаки повреж-

дения клетки (4). 13. Механизмы повреждения рецепторного аппарата клетки (5). 14. Основные прооксиданты (5). 15. Основные неферментные антиоксиданты (6). 16. Основные ферменты антиоксидантного действия (3). 17. Последствия активации перекисного окисления липидов для кле-

точных мембран (3). 18. Причины избыточной активации а) фосфолипаз мембран лизосом и

б) фосфолипаз плазматической мембраны и мембран других орга-нелл клетки (2).

19. Последствия избыточной активации мембранных фосфолипаз и гидролаз лизосом (5).

20. Последствия повреждающего действия амфифильных соединений и детергентов на плазматическую мембрану (5).

21. Механизмы повреждающего действия антибиотиков на клеточные мембраны (2).

50

22. Факторы, обусловливающие развитие дефицита энергии при по-вреждении клетки (5).

23. Патогенетические факторы повреждающего действия дефицита энергии на клетку (5).

24. Последствия дефосфорилирования мембранных белков (5). 25. Патогенетические факторы ишемического повреждения клетки (7). 26. Факторы патогенеза реперфузионного повреждения клеток (7). 27. Факторы, обусловливающие внутриклеточный ацидоз (5). 28. Повреждающее действие внутриклеточного ацидоза (5). 29. Механизмы повреждения генетического аппарата клетки (5).

Правильные ответы на тесты I I уровня :

1. Повреждение клеток – это такое нарушение внутриклеточного го-меостаза, которое ограничивает функциональные возможности клеток, угрожает их жизни или сокращает её продолжительность.

2. 1. острое, 2. хроническое, 3. обратимое, 4. необратимое 3. 1. механизмы повреждения мембран клетки и внутриклеточных

структур; 2. механизмы повреждения энергетического обеспечения клетки; 3. механизмы повреждения процессов, контролирующих пластическое обеспечение клетки и деятельность ядра; 4. механиз-мы повреждения рецепторного аппарата клетки и внутриклеточных механизмов регуляции её функций.

4. 1. интенсификация перекисного окисления липидов; 2. резкий де-фицит энергии; 3. активация мембранных фосфолипаз и гидролаз лизосом; 4. повреждение мембран амфифильными соединениями и детергентами; 5. выраженный внутриклеточный ацидоз; 6. растя-жение и микроскопические разрывы мембран при набухании кле-ток и их органелл; 7. повреждение мембран макромолекулами и иммунными комплексами.

5. 1. медикаментозная стимуляция усвоения кислорода митохондрия-ми и степени сопряжения окислительного фосфорилирования; 2. инактивация свободных радикалов антиоксидантами; 3. Медика-ментозное ингибирование мембранных фосфолипаз и метаболизма арахидоновой кислоты,использование стабилизаторов мембран, хе-латоров и восстановителей металлов переменной валентности; 4.

51

уменьшение концентрации в клетках токсических гидроперекисей липидов и других органических и неорганических соединений.

6. 1. усиление внутриклеточного ацидоза, 2. интенсификация ПОЛ, 3. активация фосфолипаз плазматической мембраны и мембран орга-нелл (кроме лизосомальных), 4. развитие дефицита энергии.

7. 1. дефицит энергии, 2. снижение активности цитохром с-оксидазы, 3. снижение активности антиоксидантов, 4. повышение активности прооксидантов.

8. 1. выход интегральных и высокомолекулярных белков из цито-плазматической мембраны, потеря внутриклеточных белков, фер-ментов и пуриновых оснований; 2. стойкое набухание митохондрий и выпадение солей кальция в осадок в их матриксе; 3. гиперхрома-тоз ядра, микроскопические разрывы ядерных мембран; 4. повреж-дение мембран лизосом.

9. 1. увеличение проницаемости клеточных мембран для ионов, бел-ков, коллоидных красителей, аминокислот, нуклеотидов; 2. нару-шение специализированных функций клеток (сократительной, сек-реторной, энергетической, двигательной и др.), 3. нарушение воз-будимости клетки; 4. активация синтеза медиаторов воспаления и ответа острой фазы.

10. 1. интенсификация перекисного окисления липидов, 2. чрезмерная активация мембранных фосфолипаз и протеаз; 3. повреждение мембран амфифильными соединениями и детергентами, 4. дефос-форилирование мембран при дефиците энергии.

11. 1. развитие дефицита энергии, 2. нарушение процессов биосинтеза, 3. избыточный уровень внутриклеточного кальция, 4. выраженный внутриклеточный ацидоз.

12. 1. интенсификация ПОЛ, 2. развитие дефицита энергии, 3. повреж-дение плазматической мембраны амфифильными соединениями, 4. повреждение мембран иммунными комплексами и компонентами системы комплемента.

13. 1. типовые механизмы повреждения мембран клетки, 2. поврежде-ние иммунными комплексами и компонентами системы компле-мента, 3. интоксикация, 4. десенситизация, 5. блокада рецепторов конкурентными ингибиторами природного происхождения или ле-карственными препаратами.

52

14. 1. ионы металлов переменной валентности; 2. липоевая кислота; 3. эндоперекиси простагландинов; 4. продукты метаболизма лейкот-риенов и адреналина; 5. НАДФН и НАДН.

15. 1. витамин Е, 2. β-каротин, 3. витамин А, 4. кофермент Q10 , 5. се-ленсодержащие и цинксодержащие соединения, 6. Церулоплазмин

16. Супероксиддисмутаза, каталаза, глютатионпероксидаза. 17. 1. формирование сквозных полярных каналов в липидном бислое

мембран, 2. повреждение и нарушение функции липидзависимых белков, 3. нарушение функции глипопротеинов мембран.

18. а) выраженный внутриклеточный ацидоз, б) повышенный уровень внутриклеточного кальция.

19. 1. гидролиз фосфолипидов клеточных мембран, 2. избыточный синтез продуктов метаболизма арахидоновой кислоты (простаглан-динов, лейкотриенов, тромбоксанов) и ФАТ, 3. интенсификация перекисного окисления липидов, 4. повышение проницаемости мембран клетки и её органелл, 5. аутолиз клетки.

20. 1. формирование мицелл в липидном слое мембран с образовани-емсквозных каналов, 2. выталкивание из мембраны ионов кальция, отдельных белков и фосфолипидов, 3. нарушение функции липид-зави-симых белков.

21. 1. формирование водных пор в мембране, 2. повышение селектив-ной проницаемости для ионов.

22. 1. снижение рО2 , 2. снижение уровня субстратов окисления, 3. рост восстановленности дыхательной цепи и увеличение соотношений НАДН/НАД и НАДФН/НАДФ, 4. повреждение структуры мембран митохондрий и снижение активности их ферментов, 5. нарушение связи ферментов с мембранами.

23. 1. интенсификация ПОЛ, 2. развитие внутриклеточного ацидоза, 3. нарушение работы АТФ-зависимых ионных насосов, 4. угнетение процессов биосинтеза, 5. дефосфорилирование мембранных белков.

24. 1. нарушение структуры и функции мембран, 2. изменение заряда и конформационных свойств белков, 3. нарушение белок-липидных взаимоотношений, 4. локальное обнажение фосфолипидов, 5. за-крытие каналов пассивного транспорта Са2+ в клетку.

25. 1. избыточная продукция молочной кислоты, 2. накопление недо-окисленных продуктов обмена, 3. избыток ионов Са2+ в цитоплазме и митохондриях, 4. чрезмерная активация Са2+-зависимых фермен-

53

тов, 5. нарастание дефицита энергии, 6 прогрессирующее повреж-дение плазматической мембраны и мембран органелл, 7. потеря клеткой субстратов окисления, ферментов синтеза и транспорта АТФ из клетки, нуклеотидов.

26. 1. феномен «no-reflow», 2. приток в очаг повреждения О2, ионов Са2+ и фагоцитов, 3. избыточное образование свободных радикалов, интенсификация ПОЛ, 4. активация фосфолипаз, протеаз, липаз, эндонуклеаз, 5. прогрессирование дефицита энергии, 6. усугубле-ние повреждения мембран клетки, 7. потеря клеткой ферментов, субстратов окисления, белков, нуклеотидов.

27. 1. активация гликолиза, 2. накопление недоокисленных продуктов нарушенного углеводного и липидного метаболизма, 3. гидролиз АТФ и других макроэргических соединений, 4. восстановление НАД и НАДФ до НАДН и НАДФН, 5. снижение утилизации H+ из-за уменьшения синтеза АТФ.

28. 1. повреждение мембранных белков, угнетение активности фермен-тов, нарушение сократительной функции миофибрилл, 2. усиление гидролитического эффекта фосфолипаз, 3. активация фосфолипаз и протеаз мембран лизосом, аутолиз клетки, 4. интенсификация ПОЛ, нарушение метаболических процессов в цитоплазме, 5. инактива-ция ферментов гликолиза, усугубление дефицита энергии.

29. 1. точечные мутации, 2. хромосомные аберрации, 3. нарушение ре-парации, 4. активация протоонкогенов, 5. инактивация генов-супрессоров.

54

5. Список рекомендуемой литературы

Основная литература

1. Патофизиология. В 3 т. / Под ред. А. И. Воложина, Г. В. Порядина. Т. 1. М.: «Академия», 2013. С. 56-93.

2. Патофизиология. В 2 т. / Под ред. В. В. Новицкого, Е. Д, Гольдбер-га, О. И. Уразовой. Т. 1. М.: ГЭОТАР-МЕД, 2009. С. 145-196.

Дополнительная литература

1. Патологическая физиология. / Под ред. А. Д. Адо, М. А. Адо, В. И. Пыцкого, Г. В. Порядина, Ю. А. Владимирова. М.: Триада-Х, 2002. С. 16-48.

2. А. Ш. Зайчик, Л. П. Чурилов. Общая патофизиология. СПб.: ЭЛБИ-CПб, 2001. С. 110-196.

3. М. В. Биленко. Ишемические и реперфузионные повреждения орга-нов (молекулярные механизмы, пути предупреждения и лечения). М.: Медицина, 1989. 368 с.

4. Г. А. Рябов. Гипоксия критических состояний. М.: Медицина, 1988. С. 95-116.

5. Метаболический синдром. / Под ред. Г. Е. Ройтберга. М.: МЕД-пресс-информ, 2007. 224 с.

6. Программированная клеточная гибель. / Под ред. В. С. Новикова. СПб.: Наука, 1996. 276 с.

7. М. А. Пальцев, А. А. Иванов. Межклеточные взаимодействия. М.: Медицина, 1995. 224 с.

8. Я. Кольман, К.-Г. Рём. Наглядная биохимия; пер. с нем. 4-е изд. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 469 с.

9. С. Зильбернагль, А. Деспопулос. Наглядная физиология; пер. с англ. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. 408 с.

10. Руководство по наркологии. / Под ред. Н. Н. Иванца. М.: Медицин-ское информационное агентство, 2008. 944 с.

11. П. Д. Шабанов. Основы наркологии. СПб: Лань, 2002. 560 с. 12. B. V. Harmon, A. M. Corder, R. J. Collins et al. Cell death induced in a

murine mastocytoma by 42-47 C heating in vitro: Evidence that the form of death changes from apoptosis to necrosis above a critical heat load // Intern. Radiat. Biol. 1990. Vol. 58. P. 845.

55

Вид издания

Осколок Лариса Николаевна Порядин Геннадий Васильевич

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК

Учебное пособие

Сведения об издательстве

Сведения о типографии, формате и дате издания, тираже и количестве печатных листов