Основные механизмы повреждения клеток: учебное пособие по патофизиологии

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
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
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 аудитории и во внеаудиторное время и направлено на теоретическое изучение
вопросов патогенеза повреждения организма на клеточном уровне, современных представлений об условиях возникновения, особенностях развития, проявлениях, взаимодействии основных выработанных эволюционно
механизмов повреждения клеток и последствий для организма.
Пособие составлено в соответствии с действующими ФГОС по специальностям «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.
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.
Введение
1.1 Актуальность темы
1.2. Цель и задачи занятия
1.3. Основные вопросы, подлежащие разбору
2. Содержание самостоятельной работы студентов
2.1. Вопросы на проверку исходного уровня знаний
студентов
3.
Информационный материал
3.1. Виды повреждений клетки
3.2. Признаки повреждения клетки
3.3. Механизмы повреждения клетки
3.4. Механизмы повреждения клеточных мембран
3.4.1. Интенсификация перекисного окисления липидов
3.4.2. Активация мембранных фосфолипаз и гидролаз
лизосом
3.4.3. Повреждение мембраны амфифильными соединениями и детергентами
3.4.4. Растяжение и микроскопические разрывы мембран при гипергидратации клеток и их органелл
3.4.5. Повреждающее действие иммунных комплексов и
макромолекул на клеточные мембраны
3.5. Нарушение механизмов энергетического обеспечения клетки
3.6. Реперфузионное повреждение клетки
3.7. Роль ионов кальция в механизмах повреждения
клетки
3.8. Роль внутриклеточного ацидоза в повреждении
клетки
3.9. Нарушение механизмов, контролирующих деятельность ядра и пластическое обеспечение клетки
3.10. Повреждение рецепторного аппарата клетки и
внутриклеточных механизмов регуляции её функций
3.11. Виды гибели клетки
4.
Контрольные вопросы и задания
5.
Список рекомендуемой литературы
4
6
6
7
8
9
9
9
10
11
13
13
15
19
21
23
24
25
30
31
33
34
38
45
48
53
Список обозначений и принятых сокращений
Ca2+-АТФаза
Na+/K+-АТФаза
АДФ
АМФ
АТФ
АФК
ГАМК
ГТФ
ДАГ
ИФ3
КоА
МХ
НАД
НАДН
НАДФ
НАДФН
ПОЛ
СЖК
ФИ
ФНО
ФС
ФХ
ФЭА
цАМФ
цГМФ
ЦПМ
ЭР
Ca2+-зависимая АТФаза
Na+/K+-зависимая АТФаза
аденозиндифосфорная кислота
аденозин- 5’-монофосфат
аденозинтрифосфорная кислота
активные формы кислорода
гамма-аминомасляная кислота
Гуанозинтрифосфат
Диацилглицерин
инозит-1,4,5-трифосфат
коферментная форма витамина пантотеновой кислоты
Митохондрия
Никотинамидадениндинуклеотид
восстановленная форма НАД
Никотинамидадениндинуклеотидфосфат
восстановленная форма НАДФ
перекисное окисление липидов
свободные жирные кислоты
Фосфатидилинозит
фактор некроза опухолей
Фосфатидилсерин
Фосфатидилхолин
Фосфатидилэтаноламин
циклический аденозинмонофосфат
циклический гуанозинмонофосфат
цитоплазматическая мембрана
эндоплазматический ретикулум
5
1. Введение
1.1. Актуальность темы
В процессе эволюции были сформированы основные механизмы повреждения клеток, в том числе типовые механизмы повреждения клеточных мембран, характерные особенности которых не зависят от природы
патогенного агента и вида клеток. Эти механизмы обусловливают неспецифические показатели повреждения клеток, используемые в целях диагностики, оценки функционального состояния поврежденных тканей и органов. Клеточные механизмы повреждения являются центральным звеном
в возникновении и развитии болезней. Знание особенностей этих механизмов, 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 обучения). 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 учебной дисциплине патофизиология и клиническая патофизиология будут использованы на последующих дисциплинах: пропедевтика внутренних болезней, лучевая диагностика, факультетская терапия, профессиональные
болезни, фтизиатрия, стоматология, онкология, лучевая терапия, госпитальная терапия, эндокринология, общая хирургия, лучевая диагностика,
факультетская хирургия, урология; госпитальная хирургия, детская хирургия, акушерство и гинекология, неврология, медицинская генетика, нейрохирургия, педиатрия, психиатрия, медицинская психология, анестезиология, реанимация, интенсивная терапия, травматология, ортопедия, а
также все другие специальности, связанные с диагностикой и лечением
больных
6
1.3. Модуль дисциплины относится к разделу I «Общее учение о болезни» и представляет дополнительные, углубленные знания к практическому 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 повреждений клетки.
2. Специфические и неспецифические (морфологические, функциональные, 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 механизмов 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 токсических продуктов перекисного окисления липидов.
5. Составить схему патогенеза ишемического и реперфузионного повреждения 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 аппарата клетки и внутриклеточной регуляции её функций.
9. Рассказать о клеточных защитно-приспособительных и компенсаторных реакциях, включающихся при повреждении клетки.
7
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 неспецифические признаки её повреждения.
4. Механизмы повреждения клеточных мембран, условия возникновения и последствия для клетки.
5. Взаимосвязь различных типовых механизмов повреждения клеточных мембран.
6. Механизмы повреждения клетки и её органелл, возможные функциональные последствия.
7. Роль перекисного окисления липидов в повреждении клетки. Факторы, способствующие интенсификации этого механизма, патогенез, 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, способствующие и препятствующие активации этих ферментов, характерные
последствия для клетки.
10. Повреждение мембран клеток активированным комплементом. Механизмы активации системы комплемента, последствия для клетки.
11. Механизмы повреждения клеточных мембран детергентами.
12. Повреждение рецепторного аппарата клетки и внутриклеточной регуляции её функций. Возможные механизмы. Последствия для
клетки.
13. Механизмы нарушения энергетического обеспечения клетки. Патогенетические факторы, последствия.
14. Механизмы ишемического повреждения клетки. Особенности метаболизма 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 обеспечения клетки.
19. Механизмы гибели клеток. Причины, особенности развития, последствия для организма.
8
2. Содержание самостоятельной работы студентов
2.1. Вопросы на проверку исходного уровня знаний студентов:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Структура и функции плазматической мембраны.
Способы транспорта веществ через плазматическую мембрану.
Факторы, влияющие на проницаемость плазматической мембраны.
Роль биологического насоса.
Строение основных органелл клетки и их функции.
Классификация белков клетки по функциональному признаку.
Роль углеводов и липидов в жизнедеятельности клетки.
Элементарный химический состав живых клеток.
Изучите информационный материал и рекомендуемую литературу, ориентируясь на основные вопросы по данной теме.
Для проверки и самоконтроля знаний, полученных при подготовке, оцените 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 сформированы: общекультурные компетенции (ОК-3, ОК-5), обще- профессиональные компетенции (ОПК-1, ОПК-4), профессиональные компетенции
(ПК-6, ПК-21)
3. Информационный материал
Любая болезнь человека включает в себя повреждение клеток, характеризующееся таким нарушением внутриклеточного гомеостаза, которое ограничивает функциональные возможности клеток, угрожает их жизни 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 вышеприведенных параметров не является абсолютным. Эти показатели постоянно
меняются, но в условиях «нормы» эти изменения ограничены сравнительно узкими пределами, обеспечивающими наиболее оптимальные условия
для жизнедеятельности.
9
3.1. Виды повреждений клетки
По этиологии повреждение клеток можно классифицировать на механическое, электрическое, термическое, химическое, радиационное, инфекционное и др. По времени развития повреждение клеток классифицируют на острое и хроническое. При механической травме возникает острое повреждение клеток. При длительной гипергликемии развивается хроническое повреждение макрофагов, которые, поглощая в избытке гликозилированные 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 защитных механизмов, повреждение клеток носит обратимый характер. Например, обратимыми могут быть повреждения кардиомиоцитов при рефлекторной ишемии миокарда, эритроцитов при кратковременных изменениях
осмотического давления крови, клеток кожи при эритеме, вызванной ультрафиолетовыми лучами, эпителия слизистой носа при воздействии пыльцы злаковых трав у больных поллинозами. Если повреждающие агенты
вызывают стойкие изменения внутриклеточного гомеостаза, неустранимые при вовлечении внеклеточных и внутриклеточных защитных и компенсаторных механизмов, развиваются необратимые повреждения клеток,
приводящие, как правило, к их гибели или значительному сокращению
сроков их жизни. Например, повреждения кардиомиоцитов при длительной ишемии миокарда, клеток кожи при действии больших доз ультрафиолетовых лучей, эритроцитов при действии активированного комплемента или гемолитических ядов, эпителия слизистой носа при действии
вирусов гриппа. К необратимому повреждению клеток приводят: выход
интегральных и высокомолекулярных белков из цитоплазматической мембраны (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 липофусцина, продукта взаимодействия перекисных радикалов жирных кислот
с токоферолом при недостаточности лизосомальных ферментов, приводит
к окрашиванию жировых клеток в желтый цвет. Отложение в клетках про10
дуктов конденсации гликогена при гликогенозах, мукополисахаридов при
муковисцидозе, холестерина при атеросклерозе также не приводят к немедленной гибели клеток, но значительно снижают их функциональную
активность и продолжительность жизни. Немедленную смерть клетки может вызвать повреждение ЦПМ и мембран лизосом.
3.2. Признаки повреждения клетки
Проявления повреждения могут быть как специфическими, характерными только для какого-то болезнетворного агента, так и неспецифическими, стереотипными, характерными для самых разнообразных повреждающих агентов. Примерами специфических признаков повреждения
клетки могут служить образование радиотоксинов при радиационном повреждении; кавитация при повреждении ультразвуком; подавление активности цитохромоксидазы и стабилизация её Fe3+ при отравлении цианидами; угнетение ацетилхолинэстеразы фосфорорганическими соединениями;
расширение синаптической щели, сглаживание складок постсинаптической мембраны нервно-мышечных синапсов вследствие аутоиммунного
повреждения при тяжелой миастении. Различают морфологические, функциональные и биохимические неспецифические признаки повреждения
клетки, характерные для всех видов повреждения.
Морфологические признаки повреждения клетки
При повреждении наблюдается набухание клетки, нарушаются контакты с соседними клетками и поддерживающими структурами, нарушается целостность ЦПМ, и происходит её фрагментация. Повреждение митохондрий (МХ) проявляется в стойком их набухании, вакуолизации, разрывах мембран, гомогенизации крист, просветлении матрикса. Повреждение эндоплазматического ретикулума (ЭР) сопровождается разрывами и
фрагментацией мембран, расширением канальцев и цистерн, образованием
вакуолей. Полисомы разрушаются, уменьшается число рибосом и нарушается их связь с мембранами. Изменяется размер и форма ядра, происходит
фрагментация ядерных мембран, наблюдается гиперхроматоз ядра. Нарушение 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-
11
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 мембран: увеличивается их проницаемость для ионов, белков, коллоидных
красителей, аминокислот, нуклеотидов. Например, при цитолизе из кардиомиоцитов выходят в кровь миоглобин, тропонин, креатинфосфокиназа
и другие маркеры инфаркта миокарда. При повреждении гепатоцитов происходит освобождение в кровь аминотрансфераз.
Снижается функциональная активность клеток, что проявляется, прежде всего, в нарушении специализированных функций клеток. Так,
снижается сократительная функция кардиомиоцитов, подвижность и фагоцитарная активность нейтрофилов, антитоксическая функция гепатоцитов и биосинтез альбуминов гепатоцитами; нарушается энергетическая
функция клетки (снижается синтез АТФ) и секреторная функция, например, снижается синтез и секреция стероидных гормонов клетками коры
надпочечников.
Нарушается возбудимость клетки: первоначально повышается
возбудимость и снижается мембранный потенциал, затем снижается возбудимость при прогрессировании повреждения.
Повреждение клетки сопровождается активацией синтеза медиаторов воспаления и ответа острой фазы. Например, тучные клетки,
макрофаги и нейтрофилы при аллергической реакции высвобождают лейкотриены, вызывающие сокращение гладкой мускулатуры бронхов и увеличение сосудистой проницаемости. Лейкоциты под воздействием бактериальных 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 фосфора, но уменьшается внутриклеточное содержание АТФ. Повышается
внеклеточное содержание K+ и содержание в крови внутриклеточных белков, ферментов и пуриновых оснований. Происходит денатурация молекул
белков.
12
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 структур;
 механизмы повреждения энергетического обеспечения клетки;
 механизмы повреждения процессов, контролирующих пластическое
обеспечение клетки и деятельность ядра;
 механизмы повреждения рецепторного аппарата клетки и внутриклеточных механизмов регуляции её функций.
3.4. Механизмы повреждения клеточных мембран
В жизнедеятельности клетки важнейшая роль принадлежит плазматической мембране и мембранам органелл клетки. Они отвечают за ограничение и обособление клеток и органелл, сохранение разности концентраций метаболитов и неорганических ионов, а также других физиологических параметров между органеллами, цитоплазмой и внешней средой.
Биологические мембраны контролируют транспорт метаболитов и ионов,
восприятие внеклеточных сигналов и реакцию на них, межклеточные контакты 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. Основными компонентами мембран являются липиды и белки. Внешний
слой некоторых мембран содержит углеводы, ковалентно связанные с липидами и белками. Гликолипиды и гликопротеины плазматических мембран осуществляют рецепторную и иммунную функции, участвуют в межклеточных взаимодействиях. Липидный состав мембран обусловливает её
текучесть. Наиболее подвижными являются жидкие липиды бислоя. Не
закрепленные в мембране белки могут диффундировать в пределах бислоя. С увеличением содержания ненасыщенных жирных кислот текучесть
возрастает, так как наличие двойных связей способствует нарушению полукристаллической мембранной структуры. Аннулярные липиды, фиксированные к белку, менее подвижны и входят в состав липопротеинового
комплекса, включающего на одну молекулу белка более 20 молекул липидов.
13
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, холестеринацилтрансфераза, 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 конформационные свойства, подвижность, доступность активных центров для субстрата, возможность образования специализированных полиферментных
комплексов связанных с ними белков. Таким липидом для Na+/K+-АТФазы
является фосфатидилсерин (ФС), для Са2+-АТФазы – лизофосфатидилхолин (лизо-ФХ), для аденилатциклазы – фосфатидилинозит (ФИ), для ферментов дыхательной цепи митохондрий – кардиолипин и фосфатидилэтаноламин (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 мембраны может быть обусловлено повреждением как липидных, так и белковых её компонентов. Липидные компоненты клеточных и субклеточных
мембран повреждаются по эволюционно сформированным типовым ме14
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 детергентами;
 выраженный внутриклеточный ацидоз;
 растяжение и микроскопические разрывы мембран при набухании
клеток и их органелл;
 повреждение мембран макромолекулами и иммунными комплексами.
3.4.1. Интенсификация перекисного окисления липидов
Постоянный приток молекулярного кислорода необходим большинству тканей для поддержания их окислительного потенциала. Однако даже
в нормальных условиях О2 является источником токсичных веществ, в небольших количествах образуются активные формы кислорода (АФК).
АФК – это сильные окислители или крайне реакционноспособные свободные радикалы, являющиеся молекулярными частицами, имеющими неспаренные электроны. Свободные радикалы с их прооксидантным действием
необходимы для таких процессов как клеточная сигнализация, рост и
дифференцировка клеток, разрушение инфицированных и злокачественных клеток, гибель болезнетворных организмов. В физиологических условиях процесс образования свободных радикалов сбалансирован с их утилизацией (восстановлением), также как содержание факторов, активирующих (прооксидантов) и подавляющих (антиоксидантов) этот процесс,
поскольку как избыток свободных радикалов, так и их недостаток приводят к нарушению структуры и функции клеток. Молекула кислорода является бирадикалом, поскольку содержит два неспаренных электрона. Однако они расположены так, что молекула О2 остается относительно стабильной. Образование АФК является следствием неполного восстановления
кислорода. При присоединении к О2 одного электрона образуется высоко
реакционноспособный супероксидный анион-радикал (.О2-). При присоединении двух электронов образуется пероксид-анион (.О22-), который связы15
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- . О2присоединяет протоны с образованием воды. О- присоединяет протон и
образуется гидроксильный радикал (.ОН). Процесс полного, четырехэлектронного 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 металлов переменной валентности (Fe2+, Сu2+, Mn2+, Сo2+ и др.). В месте повреждения накапливаются свободные радикалы, поскольку развивается дефицит 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 кислоты (например, арахидоновая кислота). Кислородные радикалы отнимают водород из групп –СН2– полиненасыщенной жирной кислоты, находящихся рядом с двойной связью. Это для них энергетически более выгодно, поскольку происходит делокализация неспаренного электрона между тремя атомами углерода. Образуется радикал жирной кислоты, который легко присоединяет O2 и превращается в пероксидный радикал жирной кислоты. Этот радикал может отнимать водород от другой молекулы
жирной кислоты. Возникает цепная реакция. Пероксиды легко распадаются с образованием альдегидов путем разрыва в жирной кислоте углеродуглеродной связи, соседствующей с пероксидной группой. Это энергетически более выгодно, поскольку эти альдегиды имеют систему сопряженных двойных связей (C=C, C=O).
16
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 веществ (эндоперекиси простагландинов, продукты метаболизма лейкотриенов, адреналина), НАДФН и НАДН, липоевая кислота. Аскорбиновая кислота в концентрации 10-3М в присутствии Fe3+ и Cu2+ действует как прооксидант. Ионы Са2+ в концентрации около 10-5 М активируют ПОЛ путем
высвобождения ионов Fe2+, связанных с отрицательно заряженными группами липидов, и тем самым увеличивая концентрацию каталитически активного Fe2+ в системе.
Антиоксидантные факторы бывают двух видов – ферментные и
неферментные. К неферментным факторам антиоксидантной защиты
клеток относятся витамин E (токоферолы), провитамины группы А (βкаротин), витамин А (ретинол), убихинон (кофермент Q10), мочевая кислота, глутатион, церулоплазмин, селенсодержащие и цинксодержащие соединения, мелатонин, ионол. Однако установлено, что большинству анти-
17
оксидантов присущи прооксидантные свойства, что зависит от концентрации этих веществ и природы соседних молекул. Витамины A, К, глюкокортикоиды, 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 диспропорционирования двух супероксидных радикалов с образованием пероксида водорода
и молекулярного кислорода в цитоплазме, митохондриях и ядре:
∙
СОД
∙
2
– каталаза катализирует процесс диспропорционирования двух молекул
пероксида водорода с образованием молекулярного кислорода и воды
внутри пероксисом практически во всех тканях:
каталаза
2
– глутатионпероксидаза (локализующаяся в основном в цитоплазме), содержащая селен, восстанавливает перекись водорода до воды, а глутатионпероксидаза, не содержащая селен, разлагает гидроперекиси липидов
нерадикальным способом.
При повреждении клеток активность естественных прооксидантов
усиливается, а активность антиоксидантной системы резко снижается. Повидимому, антиоксиданты активно потребляются, повреждаются продуктами ПОЛ, ацидозом, липидными перекисями. Ионизирующая радиация и
γ-излучение ингибируют антиоксидантные ферменты. Скорость генерации
липидных метаболитов превалирует над скоростью их потребления (выведения). Это обусловливает накопление продуктов ПОЛ в месте повреждения. Следует отметить, что активация ПОЛ может быть не только результатом его прямой интенсификации под влиянием патогенных воздействий,
но и следствием первичного подавления антиоксидантных систем клеток.
Из основных последствий активации ПОЛ для клеточных мембран можно выделить следующие:
– повреждение липидов мембран клетки. В липидном бислое мембран
формируются сквозные полярные каналы (перекисные кластеры), что увеличивает 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
18
внутриклеточное содержание ионов K+. Пробой липидной части мембраны
приводит к её разрыву и гибели клетки. Изменяется количественный и качественный состав мембранных липидов (снижается содержание полиненасыщенных жирных кислот), происходит делипидизация, нарушение
гидрофобной области липидного бислоя, увеличивается доступность липидов для фосфолипаз;
– повреждение белков мембран клетки. Повреждение аннулярных липидов нарушает функцию липидзависимых белков. При ослаблении липидбелковых взаимодействий интегральные белки выходят из мембраны во
внеклеточное пространство, увеличивается неселективная проницаемость
мембраны. Образуются поперечные белковые «сшивки» и ковалентно связанные 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 липидного бислоя мембраны нарушает функциональные свойства гликопротеинов (цАМФ-зависимой протеинкиназы, рецепторов трансферрина).
Установлено, что ПОЛ играет ведущую роль в развитии эритемы
кожи под действием ультрафиолетовых лучей, световых ожогов глаз, радиационных повреждений, отравлений четыреххлористым углеродом. Активация ПОЛ составляет основное звено повреждения кардиомиоцитов
при ишемической болезни сердца и инфаркте миокарда. Процесс активации полиморфноядерных лейкоцитов и макрофагов сопровождается респираторным «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 кислорода, пероксида водорода, гидроксильных радикалов путем медикаментозной стимуляции усвоения кислорода митохондриями и степени сопряжения окислительного фосфорилирования с помощью β-каротина, ретинола,
рибофлавина, антагонистов кальция;
19
– инактивации свободных радикалов с помощью антиоксидантов природного происхождения (α-токоферола, кофермента Q, церулоплазмина, аскорбиновой 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 липидов и других органических и неорганических соединений с помощью глутатионпероксидазы, каталазы, препаратов селена;
– использования препаратов, ингибирующих мембранные фосфолипазы и
метаболизм арахидоновой кислоты (аналоги глюкокортикоидов, ацетилсалициловая 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 (фосфолипиды, 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 мембраны контролируется гормонами, гистамином, цитокинами и другими факторами, действие которых сопровождается повышением уровня внутриклеточного Са2+. Под действием фосфолипазы А2 происходит гидролиз
фосфолипидов ЦПМ, отщепление арахидоновой кислоты и лизо-ФАТ.
При метаболизме арахидоновой кислоты образуются эйкозаноиды, которые через активацию тропных к ним мембранных рецепторов, находящихся в непосредственной близости от места их синтеза, регулируют функциональную активность, как синтезирующих их клеток, так и соседних
клеток. В гидролизе мембранных фосфолипидов важную роль играет также фосфолипаза C, объединяющая группу субстратзависимых ферментов,
каждый из которых гидролизует определенные фосфолипиды. Под действием фосфолипазы C происходит гидролиз фосфатидилинозит-4,5дифосфата, 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 везикул. ДАГ, оставаясь в мембране, активирует протеинкиназу С, которая в
присутствии Са2+ фосфорилирует различные белковые субстраты и модулирует их функциональную активность. При повреждении увеличивается
20
внутриклеточное содержание ионов Са2+ и Н+. Кальций является кофактором большинства внутриклеточных и мембранных (за исключением лизосомальных) ферментов (липаз, фосфолипаз, протеаз, эндонуклеаз). Поэтому при повреждении происходит избыточная активация ферментов и повреждение мембран клетки. Фосфолипазы А1 и А2 лизосом термостабильны и не активируются ионами кальция, однако их действие оптимально
при низких рН (4,0 и 6,5). Поэтому при внутриклеточном ацидозе активируются фосфолипазы мембран лизосом, мембраны повреждаются, гидролазы 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 фосфолипидами мембран. Нарушение биосинтеза фосфолипидов, интенсификация ПОЛ и преобладание процессов аккумуляции продуктов фосфолиполиза (СЖК) повреждают клеточные мембраны, изменяют качественный
и количественный состав мембранных фосфолипидов, вызывают делипидизацию мембран, что резко нарушает физико-химические свойства липидного 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 недоокисленные метаболиты, КоА и карнитинпроизводные) являются водорастворимыми амфифильными соединениями, которые тоже имеют в
своей структуре гидрофильную (полярную функциональную группу типа
СООН или ион небольшого размера) и гидрофобную (длинную неразветвленную углеводородную цепь) части. Однако форма их молекулы напоминает конус, поскольку размер их гидрофильной части в плоскости мембраны превышает размер гидрофобной части. Это объясняется окислением
жирных кислот фосфолипидов при активации ПОЛ или отщеплением от
фосфолипидов под действием фосфолипаз продуктов гидролиза, например, арахидоновой кислоты.
21
В низких концентрациях амфифильные соединения существуют в
водных растворах как мономеры, которые способны встраиваться в гидрофобный слой мембраны, что ведет к стабилизации мембран, уменьшению их проницаемости, изменению функции мембранных липидзависимых белков. Мономеры (ацилкарнитин и лизофосфолипиды) обусловливают изгиб и разрыв мембран с удалением Са2+ из связи с фосфолипидами.
В высокой концентрации амфифильные соединения оказывают повреждающее действие, формируя в водной среде сферические мицеллы (рис. 3),
Рис. 3. Образование мицелл при активации перекисного окисления липидов и фосфолиполиза.
которые внедряются в мембрану, выталкивая ионы Са2+, отдельные фосфолипиды и белки из мембраны. Повышается проницаемость мембраны,
нарушаются функции белков (Na+/K+-АТФазы, Ca2+-АТФазы и АТФ/АДФтранслоказы). Несколько мицелл могут формировать пору, внутренняя
часть которой образована гидрофильными головками. Повышается неселективная 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, лецитин, соли жирных кислот, мочевина. Молекулы детергента разрыхляют
мембрану, расщепляют комплексы между белками и липидами, разрывают
связи между белками. При высокой концентрации детергентов они образуют смешанные мицеллы детергента с липидами и комплексы, включающие белки, липиды и детергенты, которые обладают высокой степе22
нью гидрофильности и вызывают повышение неселективной проницаемости мембран для ионов и воды.
К образованию каналов в мембране способны полиеновые антибиотики, 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 обращены хорошо поляризуемые группы. Длина молекулы позволяет пронизать мембрану насквозь. Находясь в мембране молекула грамицидина А
сворачивается в спиралевидную структуру, стабилизированную гидрофобными связями, и формирует полый цилиндр длиной около 3 нм и диаметром поры около 0,5-0,8 нм. Одиночные каналы образуются при ассоциации двух мономеров и распадаются при диссоциации димера грамицидина. Аламетицин – пептидный антибиотик, способен образовывать водную пору переменного диаметра путем агрегации нескольких молекул.
Амфотерицин В формирует такие каналы в клеточной мембране, через которые выходят внутриклеточные компоненты во внеклеточное пространство, например, адениловые нуклеотиды. Некоторые антибиотики повышают селективную проницаемость и обладают свойствами ионофоров.
Молекула валиномицина представляет собой почти плоское кольцо, по
диаметру соответствующее размерам не гидратированного K+. При связывании валиномицина с ионами калия образуются комплексы, способные
перемещаться через липидно-белковые слои мембраны. Антибиотик грамицидин 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 относительное количество молекул фосфолипидов. Холестерин специфически
взаимодействует с мембранными и цитоплазматическими белками: регулирует активность ионных каналов, рецепторов, основных сигнальных
каскадов клетки (взаимодействие нескольких мембранных белков, передачу 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
23
Барьерная функция является одной из наиболее важных функций
клеточных мембран, благодаря ей происходит разграничение содержимого
цитоплазмы и внеклеточной жидкости, содержимого органелл и цитоплазмы. Одним из основных отличий живой клетки от неживой является
неравновесное состояние живой клетки с окружающей средой. Как известно, содержание электролитов Na+, K+, Cl-, H+, Ca2+, Mg2+ во внеклеточной жидкости, цитоплазме и внутриклеточных органеллах в физиологических 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), происходит постоянная пассивная диффузия ионов по градиенту концентрации внутрь клетки и из неё, из цитоплазмы в органеллы и обратно в цитоплазму через мембранные поры и гидрофильные белковые каналы. Ионная
асимметрия зависит от функционального состояния клетки. Например, повышение содержания ионов Ca2+ в цитоплазме мышечной клетки с 10-7 до
10-5 М вызывает сокращение, а снижение его до исходного уровня – расслабление мышцы. Ионной асимметрии во всех клетках организма способствуют особенности строения клеточных мембран. Гидрофобный слой
липидов клеточных мембран характеризуется исходно низкой проницаемостью для водорастворимых веществ. В мембранах клетки функционируют системы ионных насосов – АТФ-зависимого транспорта против градиента 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 комплексы, обладающие сродством к электролитам и выполняющие роль
внутриклеточных депо.
При действии различных повреждающих факторов повышается неселективная проницаемость ЦПМ и внутриклеточных мембран для электролитов и воды, нарушаются системы пассивного и активного транспорта
электролитов. Снижение активности Na+/K+-АТФазы приводит к увеличению внутриклеточного содержания ионов Na+ и утечке ионов K+. Стехиометрия Na+/K+-АТФазы в оптимальных условиях 3/2/1 (при гидролизе одной молекулы АТФ из клетки выводится три иона Na+ и поступает в клетку два иона K+). Уменьшение содержания калия в клетке ведет к уменьшению этого отношения до 1/1/1, снижается мембранный потенциал и увеличивается внутриклеточное содержание натрия. Гидратное число иона K+
24
равно 10,5, а иона Na+ – 16,6 молекул воды на ион, т.е. Na+ характеризуются большей гидрофильностью по сравнению с K+, поэтому увеличение
внутриклеточного содержания Na+ приводит к гидратации клетки. Увеличение концентрации внутриклеточного Ca2+, связанное со снижением активности Са2+-АТФазы и Na+/Ca2+-ионообменного механизма, приводит к
открытию высокоселективных Са2+-зависимых калиевых каналов и увеличению скорости утечки K+ из клетки, что сопровождается дальнейшим
развитием гидратации клетки. Гипергидратация клетки может вызвать избыточное растяжение ЦПМ и внутриклеточных мембран с последующим
их повреждением (осмотическая гибель клетки).
3.4.5. Повреждающее действие иммунных комплексов и макромолекул на клеточные мембраны
Комплементом называют систему самособирающихся сывороточных белков с каскадным ферментативным действием. Комплемент является частью иммунной системы и защищает организм от бактерий и других
возбудителей болезни, В норме белки комплемента присутствуют в сыворотке, биологических секретах, тканевой жидкости в форме неактивных
предшественников. Взаимодействие их с иммунными комплексами, эндотоксинами, липополисахаридами, микроорганизмами вызывает последовательную активацию этих белков – каскад протеолитических реакций и
Рис. 4. Формирование мембраноатакующего литического комплекса (по Я. Кольман,
К.–Г. Рём, 2011).
25
сборку компонентов. Механизм активации комплемента эволюционно запрограммирован 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 фраменты C3a и C5a вызывают дегрануляцию тучных клеток и освобождение
гистамина; активацию и хемотаксис нейтрофилов и других эффекторных
клеток; повышение проницаемости сосудистых стенок; развитие воспаления. Фрагменты C3b и C4b (опсонины) встраиваются в ЦПМ, усиливают
фагоцитоз и экзоцитоз гранул нейтрофилов. Нарушение структуры мембраны способствует погружению высокомолекулярных иммунных комплексов 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, целостность ЦПМ и мембран МХ и ЭР. Причем развитие дефицита энергии является важным фактором повреждения мембран: нарушается работа АТФзависимых ионных насосов, происходит дефосфорилирование мембранных белков и ослабление пластических процессов по замене поврежденных 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 реализации двигательной и многих других функций клеток. Адениловые нуклеотиды (макроэргические соединения), из которых главная роль принадлежит АТФ, являются универсальными поставщиками энергии в клетках
млекопитающих. В процессе гидролиза АТФ отдает фосфатную или пирофосфатную группу. При этом выделяется химическая энергия, трансформирующаяся в тепловую, механическую и другие виды энергии, необходимые для жизнедеятельности клетки. Другими источниками энергии
могут быть АДФ, АМФ, креатинфосфат и другие фосфорилированные соединения. Энергия может быть депонирована в клетке и в виде субстратов
26
(глюкоза, гликоген, СЖК и др.). Все эти продукты способны трансформироваться в энергию АТФ. Дыхательная АТФ, образующаяся во внутренней
мембране митохондрий путем окислительного фосфорилирования продуктов 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 процессов окислительного фосфорилирования помимо падения рО2 в ткани являются снижение уровня субстратов окисления, способности ткани к экстракции их из крови, рост восстановленности дыхательной цепи и увеличение соотношений НАДН/НАД и НАДФН/НАДФ, вторично развивающееся повреждение структуры мембран МХ и снижение активности их
ферментов. На дефицит кислорода и АТФ клетка реагирует такими компенсаторными реакциями, как уменьшение потребления энергии и мобилизация энергии из внутриклеточных запасов. Ограничение потребления энергии осуществляется за счет уменьшения функциональной активности клетки, ограничения транспорта ионов и химических процессов
синтеза. Мобилизация внутриклеточных запасов энергии осуществляется
путем использования креатинфосфата, гликогена, глюкозы, триацилглицеринов. Активацию гликолиза можно рассматривать как один из механизмов компенсации. Усиление гликолиза обусловлено снятием ингибирующего влияния АТФ, активирующим воздействием продуктов распада
АТФ, локальным выделением катехоламинов, образованием цАМФ, увеличением в цитоплазме ионов Са2+. Регулятором усиления гликолиза является снижение содержания креатинфосфата, вызывающее повышение содержания 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 молочной кислоты. Известно, что при полном окислении одной молекулы
глюкозы образуется 38 молекул АТФ, а при гликолитическом расщеплении – всего лишь две молекулы АТФ (при гидролизе 1 моля АТФ выделяется 40 кДж энергии). Следовательно, этот механизм несовершенен и не
способен устранить дефицит макроэргических соединений в клетках. Постепенное ослабление гликолиза связано со снижением активности полиферментных систем гликолиза (фосфофруктокиназы, фосфоглюкомутазы,
гексокиназы), что обусловлено субстратным торможением конечными
27
продуктами распада, накоплением НАДН, НАДФН, ацидозом и истощением запасов субстратов гликолиза (глюкозы, гликогена). При снижении содержания АТФ до 1-2% от исходного уровня гликолиз полностью прекращается.
Падение внутриклеточного парциального напряжения О2 ниже критического 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 фосфорилированием. Прямым следствием этого является резкое снижение уровня 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 дыхательную цепь митохондрий. В цитоплазме НАДН может окисляться, восстанавливая 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, вызывающая подавление функции челночных механизмов, ведет к избыточной продукции молочной кислоты. Нарушение метаболизма углеводов,
жиров и белков сопровождается накоплением недоокисленных продуктов, оказывающих повреждающее действие на мембраны:
– СЖК, ацилкарнитина и ацил-КоА, которые, внедряясь в липидный компонент мембран, повреждают мембраны и ферменты, в том числе участвующие в синтезе АТФ, транспорте АТФ от места продукции к эффекторным 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), которые, 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. Накопление НАДН и НАДФН ведет к прекращению переноса электронов по ды-
28
хательной цепи МХ, снижая термостабильность и устойчивость мембран
МХ к литическому действию фосфолипаз и протеаз и способствуя «утечке» электронов и образованию АФК.
Итак, основными причинами нарушения синтеза АТФ являются
дефицит О2 и субстратов метаболизма, рост восстановленности дыхательной цепи и увеличение соотношений НАДH/НАД, НАДФH/НАДФ, нарушение структуры мембран МХ и снижение активности их ферментов, избыточная аккумуляция в МХ ионов Са2+, повреждение ЭР, истощение запасов кофакторов и субстратов гликолиза, снижение активности полиферментных систем гликолиза, снижение содержания АТФ до 1-2% от исходного уровня.
При повреждении клетки нарушение систем транспорта АТФ
часто опережает нарушение систем ее образования. Это вызывает разобщение 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 системой для клеток организма. АТФ-АДФ-транслоказа переносит АТФ в
обмен на АДФ через внутреннюю мембрану МХ, на наружной поверхности которой АТФ вступает в реакцию с креатином, катализируемую изоферментом 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 креатинфосфата катализируется специфическими изоферментами, обеспечивающими строго направленный транспорт дыхательной АТФ и её дифференцированное потребление. Существует и цитоплазматическая креатинкиназа, которая регулирует активность гликолиза в условиях недостатка
О2 и обеспечивает направленный транспорт гликолитической АТФ к местам локализации Na+/K+-АТФазы в ЦПМ, Са2+-АТФазы в мембранах саркоплазматического ретикулума и АТФазы миозина в миофибриллах. Установлено, что при ишемии и гипоксии снижение содержания креатинфосфата происходит значительно раньше, чем АТФ. Это обусловлено быстрым 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-
29
фициту О2. В миокарде снижение активности АТФ-АДФ-транслоказы на
80% наблюдается уже через 15 минут от начала ишемии. При повреждении клетки подавляется активность и ферментов креатинкиназной системы, они выходят через поврежденные мембраны МХ и ЦПМ во внеклеточную жидкость и кровь. Снижается и содержание креатина (повышенное потребление, нарушение или отсутствие доставки из крови, вымывание в кровь), исполняющего челночную роль в транспорте энергии. Существенным 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 утилизироваться полностью. Подавляется активность Na+/K+-АТФазы сарколеммы, АТФазы митохондрий, Mg2+-АТФазы и Ca2+-АТФазы саркоплазматического ретикулума. При повреждении нарушается целостность ЦПМ и
мембран органелл и связь их с ферментами, снижается активность процессов 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 обеспечения клеток на уровне продукции АТФ, транспорта и утилизации его
энергии. Дефицит энергии в клетке обусловливает интенсификацию ПОЛ,
внутриклеточный ацидоз, нарушение работы АТФ-зависимых ионных насосов, угнетение процессов биосинтеза и дефосфорилирование мембранных белков. Дефосфорилирование мембранных белков нарушает структуру 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 клетку, что снижает сосудистую моторику и тонус сосуда.
3.6. Реперфузионное повреждение клетки
30
Развитие состояния дефицита энергии характерно для различных видов 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 метаболизма 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 поврежденных клеток. Однако восстановление кровообращения после длительной ишемии может привести к развитию реперфузионного повреждения.
Восстановление кровоснабжения участка длительной ишемии сопровождается феноменом «no-reflow» – отсроченным неполным восстановлением
кровотока: первоначальной реактивной гиперемией с последующим падением кровотока. По-видимому, феномен можно объяснить отеком и дисфункцией эндотелия, вазоспастическими изменениями тонуса стенки мелких резистивных сосудов, формированием тромбов, сдавлением капилляров отечной жидкостью и другими факторами. Приток О2 в зону повреждения, характеризующуюся дефицитом энергии и антиоксидантов, избытком прооксидантов и инактивированных ферментов, нарушенной связью
ферментов с мембранами приводит к интенсификации образования свободных радикалов и ПОЛ. При восстановлении кровоснабжения после
ишемии в очаг повреждения с кровью поступает большое количество фагоцитов. При длительной ишемии в поврежденных тканях в избытке образуются хемоаттрактанты, активирующие фагоциты, которые накапливаются в поврежденных тканях и продуцируют биологически активные вещества и свободные радикалы. Избыточный приток Са2+ в зону ишемического повреждения активирует Са2+-зависимые фосфолипазы, липазы, протеазы, эндонуклеазы и ПОЛ. Прогрессирует повреждение клеточных мембран, в том числе мембран МХ. Это способствует избыточному поступлению Са2+ в МХ, необратимому нарушению их функции, прогрессированию
дефицита энергии на фоне вымывания из клеток ферментов синтеза и
транспорта АТФ. После длительной ишемии восстановление кровоснабжения органа или группы органов может привести к развитию ишемического шока, проявляющегося нарушением общего и местного кровообращения, циркуляторной гипоксией, синдромом полиорганной недостаточности. Важным патогенетическим звеном ишемического шока является
действие свободных радикалов и токсических продуктов нарушенного ме-
31
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 является внутриклеточным вторичным мессенджером: как положительно заряженный 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 сообщений. Внеклеточный уровень Са2+ приблизительно равен 1,3 ммоль/л, внутриклеточный 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+- антипортеры). Активный транспорт использует энергию гидролиза АТФ. Движущей силой переноса ионов Ca2+ против его концентрационного градиента 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 внутриклеточными депо кальция, регулирующими его концентрацию в цитоплазме, 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 зависимости от трансмембранного потенциала внутренней мембраны МХ и протонного 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 жидкости и внутриклеточных депо различными способами: по градиенту концентрации с помощью белков-переносчиков; через потенциал-зависимые
32
Са2+-каналы при деполяризации мембраны; через рецептор-зависимые каналы, 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 увеличивает 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 концентрация Са2+ в цитоплазме может повыситься до 500-1000 нМ. В цитоплазме 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+ регулирует активность некоторых аденилатциклаз. При повышении внутриклеточного уровня цАМФ и активности протеинкиназы A происходит
фосфорилирование Са2+- каналов, повышается концентрация Са2+ в клетке,
активируется Са2+-зависимая фосфодиэстераза, катализирующая превращение 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 является важнейшим фактором повреждения клетки. При дефиците энергии активируется 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, повышается их проницаемость для Ca2+. Снижение трансмембранного потенциала 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 поступлением в них воды и набуханием органелл, разобщением процессов
дыхания и фосфорилирования, дальнейшим снижением синтеза АТФ.
33
Повышение концентрации Ca2+ в цитоплазме активирует фосфорилазу гликолиза, что усиливает внутриклеточный ацидоз. В определенных
концентрациях Ca2+ стимулирует ПОЛ. Активируя фосфолипазы в очаге
повреждения, Ca2+ повышает содержание полиненасыщенных жирных кислот, являющихся субстратом ПОЛ, а также снижает активность антиоксидантной системы. Повышение осмотического давления в клетке при избыточной кальциевой нагрузке может привести к осмотической гибели
клетки. Са2+-зависимая активация эндонуклеаз повреждает ядерный хроматин.
Для предупреждения повреждения клеток в результате избыточной
внутриклеточной концентрации Са2+ и коррекции нарушений обмена Са2+
в клетках в настоящее время нашли широкое применение кальциевые антагонисты: верапамил, метоксиверапамил (Д-600), нифедипин, дилтиазем
и др. Механизм действия этих препаратов связан с вытеснением Са2+ с поверхности клеток и блокадой медленных кальциевых каналов.
3.8. Роль внутриклеточного ацидоза в повреждении клетки
Нарушениям процессов метаболизма адениловых нуклеотидов всегда сопутствует еще один фактор, повреждающий мембраны – внутриклеточный ацидоз, возникающий при дефиците О2 вследствие активации
гликолиза, накопления недоокисленных продуктов нарушения углеводного 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 повреждения: уменьшает активность аденилатциклазы, стимулируемой катехоламинами, и снижает образование цАМФ; угнетает активность фосфолипаз; увеличивает активность Са2+-АТФазы в плазматической мембране
на фоне высокого внутриклеточного содержания Са2+; активирует окисление сукцината в МХ.
Выраженный ацидоз (снижение до рН 6,8–6,2) и резкий ацидоз
(снижение рН < 6,0) прямо повреждают мембраны клетки: изменяют конформационные свойства и повреждают мембранные белки, угнетают ферменты (креатинкиназную систему, АТФазу миозина), нарушают сократительную функцию миофибрилл, усиливают гидролитический эффект ряда
фосфолипаз. Активация фосфолипаз и протеаз мембран лизосом ионами
34
Н+ нарушает целостность мембран лизосом, гидролитические ферменты
выходят в цитоплазму и повреждают все структуры клетки. Внутриклеточный ацидоз способствует интенсификации ПОЛ и нарушению метаболических процессов в цитоплазме, в том числе ингибирует ферменты гликолиза, 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 гомеостаза 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 цитоплазмы. Внешняя мембрана ядра усыпана рибосомами и переходит в шероховатый 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 ядро. В ядре происходит биосинтез НАД+. Предшественник этого кофермента, никотинамидмононуклеотид, синтезируется в цитоплазме, транспортируется в ядрышко для превращения в НАД+, который после этого возвращается 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 повышенная 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 нарушения хромосом), генетическая нестабильность вследствие нарушенной
репарации ДНК, активация протоонкогенов и превращение их в клеточные
онкогены, инактивация генов-супрессоров роста – антионкогенов. К хромосомным аберрациям относят потерю или избыток хромосом (анеуплоидии), кольцевидные хромосомы, полиплоидию, реципрокные транслокации, делеции и дупликации. Хромосомные мутации характеризуются
35
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 – аномальная хромосома 22 с укороченным длинным плечом. Утраченный участок хромосомы 22 соединяется с хромосомой 9. В свою очередь определенный участок хромосомы 9 соединяется с хромосомой 22. Этот процесс
называется транслокацией. В результате фрагмент гена BCR из хромосомы 22 и ген ABL из хромосомы 9 образуют единую рамку считывания.
Продуктами этого аномального слитого гена могут быть белки с молекулярной 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 происходит непрерывно, ускоряется клеточное деление и подавляется репарация ДНК. Клетка становится более восприимчивой к дальнейшим генетическим аномалиям. Изменения числа хромосом в наборе называются геномными мутациями. Например, одна лишняя 21 хромосома приводит к
синдрому Дауна.
Повреждение генетического аппарата клетки проявляется в виде
генных и хромосомных мутаций. Причиной возникновения мутаций может быть действие ультрафиолетовых лучей, всех видов ионизирующих
излучений, химических повреждающих агентов, чужеродных нуклеиновых кислот, вирусов. Химическое (азотистая кислота, алкилирующие соединения и др.) и радиационное повреждение клеток вызывают серьезные
повреждения молекулы ДНК в виде одно- и двунитевых разрывов, образования 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 снижении парциального напряжения О2 в крови гемоглобин S конденсируется,
происходит деформация, а затем и гибель эритроцита.
При другом виде генных мутаций происходит выпадение или вставка отдельных нуклеотидов (или группы их). Если число недостающих или
избыточных нуклеотидов не кратно трем (триплет – единица генетическо-
36
го кода), то произойдет сдвиг рамки считывания при транскрипции и
трансляции, и, начиная с точки, в которой произошла мутация, вся структура полипептида может измениться, что может привести к полной утрате
его функциональной активности. Могут выпадать не отдельные нуклеотиды, а целые гены (делеция гена). Например, при ретинобластоме происходит делеция в хромосоме 13. В то же время при выпадении части генов
может происходить компенсация за счет сохранившихся парных гомологичных генов. Процесс злокачественной трансформации клетки обеспечивается изменениями не одного, а нескольких групп генов – активаторов и
супрессоров роста. Кроме мутаций ядерного генетического материала
возможны и мутационные изменения цитоплазматических генов (плазмогенов). В клетке человека такие гены представлены в основном ДНК митохондрий. В то же время в процессе эволюции созданы основы надежности генетического аппарата клетки – это дублированность его структурных элементов, механизмы репарации и матричный принцип биосинтеза
ДНК и РНК. Исправление мутационного повреждения генетического материала механизмами репарации восстанавливает значительную часть поврежденных молекул ДНК. Происходит распознавание и эксцизия измененных участков ДНК с помощью рестриктирующих эндонуклеаз. Затем
при участии ДНК-полимеразы синтезируется нормальный участок ДНК и
встраивается в цепь ДНК под действием лигазы. Пострепликативная (рекомбинационная) репарация происходит с участием ДНК-полимераз и лигаз 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 злокачественной трансформации клеток. Возникновение опухолей кожи при
пигментной ксеродерме связано с отсутствием рестриктирующих эндонуклеаз, осуществляющих в норме эксцизию поврежденных ультрафиолетовыми лучами участков ДНК, где образуются тимидиновые димеры. С
возрастом увеличивается частота развития опухолей, что, по-видимому,
обусловлено накоплением мутаций в геноме клеток и нарушением системы репарации ДНК в клетках пожилых людей.
Геном клетки повреждается при опухолевом росте. Канцерогенные
факторы, вызывая мутации, делеции, суперэкспрессии, образование поперечных сшивок, активируют нормальные гены клеток (протоонкогены) и
превращают их в клеточные онкогены, вызывающие развитие неопластической трансформации. При этом важную роль играет соотношение ак-
37
тивности генов-супрессоров и генов-онкосупрессоров. Клеточные онкогены кодируют белки, участвующие в передаче сигнала (внеклеточные лиганды, гомологичные ростовым факторам; мембранные рецепторы; регуляторы синтеза и транспорта белков; ядерные рецепторы, регулирующие
транскрипцию определенных генов; ядерные онкосупрессоры, блокирующие вступление дифференцированных клеток в митотический цикл; факторы транскрипции; протеинкиназы), что позволяет регулировать клеточную 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. Активация типовых механизмов повреждения мембран обусловливает нарушение функций органелл клетки, в том числе участвующих в биосинтезе. Это
угнетает репаративные процессы, восстанавливающие нарушенный гомеостаз 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, поэтому при дефиците энергии они нарушаются. Известно, что в цитоплазме
происходит деградация питательных веществ, синтез структурных компонентов клетки, промежуточный метаболизм (гликолиз, гексозомонофосфатный путь, глюконеогенез, биосинтез жирных кислот). Нарушение активности ферментов и связи их с мембранами нарушает метаболические
процессы. Образующиеся антиметаболиты избирательно блокируют метаболические процессы.
Биосинтез нуклеотидов нарушается большинством важных в клиническом отношении цитостатиков, они подавляют синтез предшественников ДНК. Некоторые из них являются производными нуклеиновых оснований или нуклеотидов, они конкурентно ингибируют соответствующие
ферменты. Цитостатики, взаимодействуя с молекулами ДНК, могут нарушать процессы репликации и транскрипции. При попадании в организм
многие цитостатики активируются в результате метаболической трансформации. Например, из 6-меркаптопурина (аналога аденина) через ряд
промежуточных стадий образуется тдГТФ (серосодержащее производное
дГТФ), который, встраивается в ДНК, формирует поперечные связи и другие аномалии. Гидроксимочевина избирательно ингибирует рибонуклеотид-редук-тазу, нейтрализуя тирозин-радикал, который необходим для
38
функционирования этого фермента. Метотрексат, аналог фолиевой кислоты, является чрезвычайно эффективным конкурентным ингибитором дигидрофолат-редуктазы, как следствие прекращается синтез ДНК.
3.10. Повреждение рецепторного аппарата клетки и внутриклеточных 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) аллостерические ферменты (тирозинкиназа, протеинфосфатаза, гуанилатциклаза),
их активный центр находится на внутренней стороне мембраны. К этому
типу рецепторов относятся рецепторы цитокинов, инсулина и факторов
39
Рис. 5. Механизм действия гидрофильных гормонов (из Я. Кольман, К.–Г. Рём, 2011)
роста; 2) лиганд-активируемые ионные каналы (Н-холинорецепторы и Арецептор ГАМК), 3) рецепторы, сопряженные с ГТФ-связывающими белками. Белки этих рецепторов состоят их 7 трансмембранных α-спиралей.
Каждый из вышеназванных рецепторов содержит высокоаффинный
связывающий центр для своего сигнального вещества. При активации инсулинового рецептора, являющегося рецептором первого типа, происходит его димеризация, активация тирозинкиназы и фосфорилирование остатков 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 стимуляция синтеза гликогена и ряда белков. Посредством митогенного активатора белка осуществляются митогенные эффекты инсулина: стимуляция
экспрессии транспортера глюкозы, эндотелин-синтетазы, стимуляции роста гладкомышечных клеток сосудов. Экзоцитоз гормональнорецепторного комплекса заканчивается протеолизом инсулина и возвращением субъединицы рецептора в мембрану. Период полужизни инсули-
40
нового рецептора составляет 7-12 дней, т.е. рецепторы постоянно синтезируются и распадаются.
При активации рецептора второго типа открывается канал либо для
+
Na , K+, Са2+ либо для CI-. Так, активация Н-холинорецептора ацетилхолином приводит к открыванию канала, проницаемого для положительно
заряженных ионов Na+, К+ и Са2+. Вход ионов Na+ вызывает деполяризацию мембраны. Ионный канал NMDA (N-метил-D-аспартат)-рецептора к
глутаминовой кислоте тоже проницаем для положительно заряженных ионов. ГАМКА-рецепторы содержат Cl- -каналы.
При активации рецептора третьего типа сигнал от первичного мессенджера с помощью ГТФ-связывающих белков (G-белки) передается на
ферменты-эффекторы (аденилатциклазу, цГМФ-фосфодиэстеразу, фосфолипазы А2 и C). Это приводит к высвобождению вторичных мессенджеров
(цАМФ, цГМФ, ИФ3, ДАГ, Са2+, NO и др.), которые через активацию разных видов протеинкиназ, обусловливают фосфорилирование ферментов,
мембранных белков, рецепторов. Протеинкиназы могут быть растворимыми и мембранными белками, катализирующими фосфорилирование
белков и модулирующими их биологическую активность. Установлены
разные механизмы активации протеинкиназ. Протеинкиназы А активируются цАМФ, протеинкиназы G – цГМФ, протеинкиназы С – ДАГ,
Са2+/кальмодулин-зависимые киназы – ионами Са2+. Некоторые протеинкиназы 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 белков. В результате, меняется проницаемость мембран, активность и количество ферментов, открываются Са2+-каналы L-типа в мембранах кардиомиоцитов. Активированные GS-белки способны прямо открывать потенциал-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 Gqбелками и фосфолипазой Сβ. Гидролиз фосфатидилинозит-4,5-дифосфата
приводит к образованию двух вторичных мессенджеров – ИФ3 и ДАГ (механизм их действия описан выше). Повышение внутриклеточного кальция,
41
обусловливает сокращение гладкой мускулатуры артериол, бронхиол, мочевого пузыря и др.
При активации М2-холинорецепторов в миокарде Gi-белки ингибируют аденилатциклазу, снижают уровень цАМФ и приток Са2+ в цитоплазму, проявляются отрицательные хронотропный и дромотропный эффекты на сердце. В тоже время, активация β2-адренорецепторов сальбутамолом увеличивает уровень цАМФ, но снижает внутриклеточное содержание ионов кальция, что обусловливает расширение бронхиол и кровеносных сосудов в скелетных мышцах.
Функции рецепторного аппарата могут быть нарушены при активации типовых механизмов повреждения биологических мембран (дефицит
энергии, интенсификация ПОЛ, активация эндогенных фосфолипаз и протеаз, избыток внутриклеточного Са2+, внутриклеточный ацидоз), поскольку они нарушают как липидный бислой мембран, так и конформационное
строение рецепторов (липидзависимых белков, гликопротеинов), ионообменных систем и каналов; инактивируют ферменты, нарушают связь
ферментов с мембранами, вызывают выход ферментов, вторичных мессенджеров, рецепторов, пуриновых оснований за пределы клетки.
При сахарном диабете 2 типа главным звеном патогенеза является
развитие инсулинорезистентности (снижение всех биологических эффектов инсулина). Этому способствуют первичные генетические нарушения, в
частности, мутации и нарушения экспрессии генов тирозинкиназы инсулинового рецептора, мембранных и внутриклеточных посредников, ферментов, участвующих в передаче сигнала. Кроме того, в мышечные и жировые клетки меньше поступает глюкозы, возникает дефицит энергии. Накапливаются недоокисленные продукты жирового, углеводного и белкового обмена (молочная кислота, СЖК и др.), свободные радикалы, возникает
внутриклеточный ацидоз, увеличивается уровень внутриклеточного кальция, активируются Са2+-зависимые фосфолипазы и другие патогенетические факторы. Они обусловливают нарушение функции и повреждение
инсулиновых рецепторов и рецепторов β-клеток поджелудочной железы.
Наблюдается прогрессивное нарастание инсулинорезистентности и развитие поздних осложнений сахарного диабета.
Возникновение эндотелиальной дисфункции коронарных сосудов
при ишемической болезни сердца предшествует развитию инфаркта миокарда, для которого характерно нарушение регуляции сократительной
функции. Это, по-видимому, свидетельствует о повреждении рецепторов
42
на эндотелиальных клетках коронарных сосудов, так и на клетках миокарда. При атеросклерозе, в механизме которого важная роль принадлежит
активации ПОЛ, уменьшается чувствительность барорецепторов дуги аорты и каротидного синуса.
Одним их примеров влияния состояния липидов клеточных мембран
на функции рецепторного аппарата является механизм действия экзогенного этанола на мембраны клеток. Этанол, растворяясь в липидах клеточных мембран, изменяет их текучесть и структуру, мембранные ионные токи, генерацию потенциалов, активность многих липидзависимых белков.
Однократный прием этанола повышает активность β-адренорецепторов,
дофаминергических и ГАМК-рецепторов, но снижает активность глутаматных NMDA-рецепторов. Длительное избыточное действие этанола и
продуктов его метаболизма через активацию связанной с мембраной фосфолипазы C запускает каскад молекулярных событий адаптации к постоянному присутствию экзогенного этанола в организме. Нарушается генетический аппарат клеток на молекулярном, генном и хромосомном уровне.
Повышается ригидность мембран, содержание в них холестерина, существенно изменяется состав и свойства регуляторных липидзависимых белков. Снижается синтез α-субъединицы Gs-белка, активность аденилатциклазы и синтез цАМФ. Нарушается синтез, экспрессия и сродство рецепторов к опиоидным пептидам. Уменьшается активность ГАМК-ергической
системы, повышается выброс дофамина и снижается содержание ацетилхолина, что приводит к редукции холинергических вставочных нейронов
ствола мозга. Длительное действие экзогенного этанола, нарушая липидный бислой мембран нейронов, существенно изменяет функциональную
активность всех нейрохимических систем мозга, обусловливает формирование новых функциональных систем, устойчивых необратимых связей,
обусловливающих пожизненные формы памяти. Происходит пролиферация 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 нарушением внутриклеточного метаболизма. Взаимодействие ацетальдегида
(продукта окисления этанола) с каталитическими центрами ферментов нарушает их функциональную активность и метаболизм таких эндогенных
аминокислот, как глутаминовая кислота, ГАМК и глицин. Ацетальдегид
связывается и с тубулином, что нарушает структуру и функциональную
43
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 гипергликемия обусловливает активацию гликозилирования – необратимого, без участия ферментов присоединения молекул глюкозы к -аминогруппе молекул белков. Гликозилирование инсулиновых рецепторов или инсулина
снижает сродство между лигандом и рецептором. В условиях постоянной
гиперинсулинемии уменьшается число инсулиновых рецепторов в мембранах клетки (десенситизация). Это можно объяснить как активацией
ПОЛ и другими типовыми механизмами повреждения клетки, так и нарушением процесса синтеза новых рецепторов инсулина на фоне нарушения
внутриклеточной регуляции метаболических и митогенных эффектов инсулина избытком ФНО-α, а также образованием антител к гликозилированным 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. Прекращается 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 патогенезе заболевания участвуют разные типы аутоантител - антитела к каждой из пяти субъединиц Н-холинорецептора, титин-протеину, рианодиновому рецептору саркоплазматического ретикулума, потенциалзависимым 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 титинпротеином или рианодиновым рецептором активирует комплемент и повреждает мышечный субстрат. Н-холинорецепторы могут блокироваться
антителами, превосходящими их по размеру, что приводит к интенсификации ПОЛ и повреждению мембраны. Количество других Нхолинорецепторов резко уменьшается при образовании крупных мембранных кластеров за счет перекрестного реагирования антител с антигенами,
44
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 тормозится продукция ТТГ, однако продолжается стимуляция ТТГ-рецепторов и
прогрессирует гиперфункция щитовидной железы.
Блокада рецепторов конкурентными ингибиторами природного происхождения или лекарственными препаратами нарушает их функцию. Например, 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. Необратимую блокаду Н-холинорецепторов вызывает α-нейротоксин яда кобры.
При отравлении стрихнином, блокирующем глициновые рецепторы спинного мозга и ствола мозга, угнетаются тормозные процессы и возникают
тонические судороги. Кофеин, блокируя А1-аденозиновые рецепторы пресинаптической мембраны, снимает пресинаптическое торможение (повышается активность аденилатциклазы и синтез цАМФ), что обусловливает
повышенный выброс нейромедиаторов и активацию многих медиаторных
систем мозга. Кофеин ингибирует фосфодиэстеразу, что также способствует накоплению цАМФ в клетках. Однако при регулярном введении в организм кофеина число А1-аденозиновых рецепторов пресинаптической
мембраны увеличивается, усиливается пресинаптическое торможение выброса нейромедиаторов, поэтому при отказе от кофеина наблюдается депрессия и сонливость (изменяется толерантность и развивается физическая
зависимость).
Снотворные средства и транквилизаторы – барбитураты (фенобарбитал, люминал) и бензодиазепины (диазепам), активируя различные участки ГАМКА-рецепторов, связанные с Cl--каналами, усиливают ГАМКзависимое торможение в ЦНС: барбитураты – через увеличение продолжительности 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
45
похожи по структуре молекулы на эндогенные аналоги, но более стабильны, действуют продолжительнее и в больших дозах, чем опиоидные пептиды. Экспериментально установлено, что под действием опиатов происходит активация ПОЛ в мембранах клеток неокортекса, среднего мозга,
черной субстанции, миокарда. Наблюдаются существенные структурные
изменения мембран: рецепторы связываются с ионами металлов, изменяется 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 уменьшается число -опиоидных рецепторов, повышается синтез аденилатциклазы, изменяется метаболизм нейронов.
Токсины оказывают повреждающее действие на мембраны и рецепторы, в частности, влияя на субъединицы G-белков, являющихся посредниками 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 ГТФфосфатазной активности αS-субъединицы, не происходит дефосфорилирование 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 кишечника, 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 гомеостаза поврежденной клетки достигают критического уровня и приводят к необратимым нарушениям неравновесного состояния клетки и окружающей её среды, наступает гибель клетки. Смерть клетки характеризуется 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 наступила внезапно, а ткани длительное время находились в условиях
46
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 – фагоцитоз апоптозных телец соседней клеткой; 5 – ранняя стадия некроза, включающая 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 экстремальных факторов достаточной мощности (токсины, тепловые воздействия,
радиация, бактериальная и вирусная инфекция и другие факторы), вызывающих необратимое повреждение ЦПМ с нарушением её барьерной
функции, работы катионных насосов, электролитного баланса. Развивается
дефицит энергии и внутриклеточный ацидоз, обусловливающие нарушение функции ядра и угнетение биосинтеза РНК. Морфологическими признаками некроза клеток являются набухание клеток и митохондрий, фрагментация ЦПМ и мембран митохондрий и лизосом, распад хроматина и
полная деструкция цитоскелета. Выход ферментов из цитоплазмы и орга-
47
нелл обусловливает повреждение соседних клеток, развитие воспаления и
образование некротических зон.
Апоптоз (программированная клеточная гибель) – это форма смерти клеток в результате реализации механизмов самоуничтожения клетки в
ответ на активацию рецепторного аппарата биологически активными веществами (ФНО, ИЛ-I, ИЛ-10, глюкокортикоидами, γ-интерфероном), под
действием повреждающих факторов (цитотоксических Т-клеток, вирусной
инфекции и бактериальных токсинов, свободных радикалов, этанола, оксидантов, β-амилоидного пептида). В результате апоптоза происходит
удаление, гибель отдельных клеток, завершивших свой жизненный цикл,
образующихся в избытке, неправильно развивающихся или имеющих поврежденную ДНК. Таким образом, апоптоз может быть биологически целесообразным процессом, направленным на сохранение гомеостаза организма. Развитие апоптоза имеет морфологические и биохимические отлигачия от некроза. Морфологические признаки апоптоза наблюдаются в
следующей последовательности: конденсация цитоплазмы, как бы «сморщивание» клеток; агрегация хроматина вблизи ядерной оболочки; формирование на поверхности клетки выпячиваний, с последующим их отшнуровыванием; образование ограниченных мембраной апоптозных телец
различного размера, содержащих фрагменты ядра и органеллы; фагоцитоз
апоптозных телец соседними клетками или макрофагами. При этом отсутствует 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 процессов, стимулирующих его, приводит к развитию заболеваний, связанных с
усилением пролиферативных процессов и увеличением клеточной массы
(например, при лейкозах). Напротив, избыточная активация апоптоза обусловливает развитие болезней, связанных с дегенерацией тканей – болезни
Альцгеймера, болезни Паркинсона, остеопороза, апластической анемии и
других.
48
4. Контрольные вопросы и задания
Тесты II уровня для самоконтроля знаний по теме:
1.
2.
3.
4.
5.
Приведите определение понятия «повреждение клетки».
Виды повреждения клеток (4).
Общие механизмы повреждения клетки (4).
Типовые механизмы повреждения клеточных мембран (7).
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 окисления липидов при повреждении клетки (4).
8. Признаки необратимого повреждения клетки (4).
9. Функциональные признаки повреждения клетки (4).
10. Механизмы, обусловливающие нарушение барьерной функции клеточных мембран (4).
11. Механизмы, обусловливающие нарушение функциональной активности клеток (4).
12. Механизмы, обусловливающие биохимические признаки повреждения 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 клеточных мембран (3).
18. Причины избыточной активации а) фосфолипаз мембран лизосом и
б) фосфолипаз плазматической мембраны и мембран других органелл 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).
49
22. Факторы, обусловливающие развитие дефицита энергии при повреждении 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 II уровня:
1. Повреждение клеток – это такое нарушение внутриклеточного гомеостаза, 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. механизмы повреждения рецепторного аппарата клетки и внутриклеточных
механизмов регуляции её функций.
4. 1. интенсификация перекисного окисления липидов; 2. резкий дефицит энергии; 3. активация мембранных фосфолипаз и гидролаз
лизосом; 4. повреждение мембран амфифильными соединениями и
детергентами; 5. выраженный внутриклеточный ацидоз; 6. растяжение и микроскопические разрывы мембран при набухании клеток и их органелл; 7. повреждение мембран макромолекулами и
иммунными комплексами.
5. 1. медикаментозная стимуляция усвоения кислорода митохондриями и степени сопряжения окислительного фосфорилирования; 2.
инактивация свободных радикалов антиоксидантами; 3. Медикаментозное ингибирование мембранных фосфолипаз и метаболизма
арахидоновой кислоты,использование стабилизаторов мембран, хелаторов и восстановителей металлов переменной валентности; 4.
50
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 органелл (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 цитоплазматической мембраны, потеря внутриклеточных белков, ферментов и пуриновых оснований; 2. стойкое набухание митохондрий
и выпадение солей кальция в осадок в их матриксе; 3. гиперхроматоз ядра, микроскопические разрывы ядерных мембран; 4. повреждение мембран лизосом.
9. 1. увеличение проницаемости клеточных мембран для ионов, белков, коллоидных красителей, аминокислот, нуклеотидов; 2. нарушение специализированных функций клеток (сократительной, секреторной, энергетической, двигательной и др.), 3. нарушение возбудимости 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. дефосфорилирование 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. повреждение плазматической мембраны амфифильными соединениями, 4.
повреждение мембран иммунными комплексами и компонентами
системы комплемента.
13. 1. типовые механизмы повреждения мембран клетки, 2. повреждение иммунными комплексами и компонентами системы комплемента, 3. интоксикация, 4. десенситизация, 5. блокада рецепторов
конкурентными ингибиторами природного происхождения или лекарственными препаратами.
51
14. 1. ионы металлов переменной валентности; 2. липоевая кислота; 3.
эндоперекиси простагландинов; 4. продукты метаболизма лейкотриенов и адреналина; 5. НАДФН и НАДН.
15. 1. витамин Е, 2. β-каротин, 3. витамин А, 4. кофермент Q10 , 5. селенсодержащие 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 (простагландинов, 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 образованиемсквозных каналов, 2. выталкивание из мембраны ионов кальция,
отдельных белков и фосфолипидов, 3. нарушение функции липидзави-симых белков.
21. 1. формирование водных пор в мембране, 2. повышение селективной 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. закрытие каналов пассивного транспорта Са2+ в клетку.
25. 1. избыточная продукция молочной кислоты, 2. накопление недоокисленных продуктов обмена, 3. избыток ионов Са2+ в цитоплазме
и митохондриях, 4. чрезмерная активация Са2+-зависимых фермен-
52
тов, 5. нарастание дефицита энергии, 6 прогрессирующее повреждение 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. усугубление 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+ изза уменьшения синтеза АТФ.
28. 1. повреждение мембранных белков, угнетение активности ферментов, 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. инактивация ферментов гликолиза, усугубление дефицита энергии.
29. 1. точечные мутации, 2. хромосомные аберрации, 3. нарушение репарации, 4. активация протоонкогенов, 5. инактивация геновсупрессоров.
53
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, Гольдберга, 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.: ЭЛБИCПб, 2001. С. 110-196.
3. М. В. Биленко. Ишемические и реперфузионные повреждения органов (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.: МЕДпресс-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.: Медицинское 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.
54
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
55