При этом отмечается
- разобщение окислительного фосфорилирования,
- нарушение биологического окисления с развитием тканевой гипоксии,
- энергодефицит,
- нарушается кальцийаккумулирующая функция,
- нарушается окисление жирных кислот и синтез стероидов,
- набухание митохондрий (пассивное и активное).
Согласно современным представлениям именно повреждение митохондрий является ключевым моментом, после которого изменения в клетке, вызванные повреждающим агентом, становятся необратимыми и клетка погибает.
Основные этапы повреждения клетки
Проблема изучения последовательности событий при повреждении клетки на молекулярном уровне представляется достаточно сложной. Повреждение клетки может быть вызвано различными причинами, и, вероятно, нет конкретного пути, ведущего к гибели клетки. Многочисленные макромолекулы, ферменты, органеллы внутри клетки настолько тесно взаимодействуют, что невозможно выделить первичный объект повреждения, кроме того, граница, разделяющая обратимые и необратимые изменения, также до сих пор не определена.
Вместе с тем, существуют определенные структуры и процессы, абсолютно необходимые для жизни клетки, нарушение которых приводит к их гибели:
¨ целостность структуры клеточной мембраны и ее рецепторного аппарата, что необходимо для нормального осуществления процессов клеточного обмена и взаимодействия клетки с окружающей средой;
¨ окислительное фосфорилирование и продукция АТФ, происходящие в митохондриях и необходимые для осуществления всех энергозависимых функций;
¨ синтез ферментных и структурных белков;
¨ целостность генетического аппарата клетки.
Подробно разберем механизмы повреждения, возникающего при недостатке кислорода и действии свободных радикалов. Эти механизмы достаточно часто встречаются и являются наиболее важными.
Повреждение клетки, возникающее при недостатке кислорода
Кислород необходим клетке для осуществления процесса клеточного дыхания, в котором он выполняет роль акцептора электронов.
Точкой приложения действия недостатка О2 является клеточное аэробное дыхание, то есть окислительное фосфорилирование в митохондриях.
¯
При этом замедляется или прекращается синтез АТФ.
¯
Снижается работа энергозависимых ионных насосов.
¯
Из-за снижения активности натрий-калиевой АТФ-азы клеточной мембраны нарушается активность мембранного натриевого насоса.
¯
Происходит накопление ионов Nа+ внутри клетки и повышение Р осм.
¯
Вода устремляется внутрь клетки, приводя к острому набуханию клетки.
¯
Кроме того, нарушается функционирование кальциевой АТФ-азы, что вызывает накопление ионов Са2+ внутри клетки.
¯
Увеличение концентрации внутриклеточного Са2+ вызывает активацию клеточных ферментов (фосфолипаз, протеаз), сопровождающуюся нарушением клеточных структур.
С др. стороны дефицит клеточного АТФ и ассоциированное с ним повышение АМФ и АДФ стимулирует фосфофруктокиназу и анаэробный гликолиз необходимые для обеспечения минимального уровня энергии путем синтеза АТФ из гликогена.
¯
Количество гликогена быстро уменьшается.
¯
Накопление молочной кислоты и нерганического фосфата из гидролизированных фосфолипидов приводит к снижению рН клетки.
Кроме того, происходит отделение рибосом от гранулярного эндоплазматического ретикулума (ЭПР) и распад полисом на моносомы, что может быть связано с нарушением энергозависимых взаимоотношений между мембранами ЭПР и рибосомами. Эти нарушения приводят к нарушению синтеза белка в клетке, дефициту структурных компонентов и ферментов. Если дефицит кислорода сохраняется, происходит увеличение проницаемости мембран и усиление нарушений функций митохондрий. Клеточные мембраны деформируются, митохондрии слегка набухают и/или несколько укорачиваются, ЭПР расширяется и вся клетка набухает. Перечисленные нарушений обратимы, если восстанавливается снабжение клетки кислородом (оксигенация). Если же этого не происходит, наступают необратимые изменения.
Необратимые изменения морфологически проявляются:
- острой вакуолизацией митохондрий, включая их кристы,
- повреждением цитоплазматической мембраны,
- набуханием лизосом.
Снижение рн приводит к повышению проницаемости и повреждению лизосомальных мембран, за которым следует выход ферментов в цитоплазму, активация кислых гидролаз и ферментативное переваривание цитоплазмы и ядерных компонентов – аутопереваривание клетки.
Затем наступает гибель клетки: клеточные органеллы прогрессивно распадаются, происходит выход клеточных ферментов во внеклеточное пространство и вход внеклеточных макромолекул из интерстиция в погибшую клетку. В конце концов, разрушенная клетка может быть заменена крупными массами, состоящими из фосфолипидов в виде миелина, затем фагоцитируются другими клетками или превращаются в жирные кислоты. Кальцификация этих кислот приводит к омылению с образованием кальцинированного мыла.
Выход содержимого клетки во внеклеточное пространство приводит к появлению продуктов распада клеток в плазме крови. Это является важным лабораторным показателем клеточной смерти в клинике.
Из описанной выше картины развития гипоксического повреждения клетки 2 момента характеризуют его необратимость:
§ невозможность восстановить функцию митохондрий (окислительное фосфорилирование и синтез АТФ) путем реперфузии или реоксигенации,
§ развитие глубоких нарушений структуры и функции мембран.
Повреждение мембраны рассматривается как центральное звено в патогенезе необратимого повреждения клетки, независимо от того, какой повреждающий фактор вызывает данное повреждение. Разрушается цитоскелет, теряется гибкость и «рыхлость» мембраны, необходимые для функционирования поверхностных мембранных белков (рецепторов и ферментов) и трансмембранных гликопротеидов (формирующих мембранные каналы); нарушается избирательная проницаемость мембраны, изменяется концентрация ионов (особенно натрия и кальция). Однако механизм повреждения мембраны может отличаться в зависимости от характера действующего фактора (например, недостатка кислорода или свободных радикалов).
Независимо от механизма повреждения мембраны, результатом его становится нарушение проницаемости мембраны. Важным «медиатором» биохимических событий, ведущих к гибели клетки является кальций. Увеличение проницаемости мембраны приводит к дальнейшему поступлению кальция в клетку из внеклеточного пространства. Он в больших количествах поглощается митохондриями и необратимо выводит их из строя.
Суммируя, можно сказать, что при дефиците О2 нарушается окислительное фосфорилирование, и, как следствие, синтез АТФ; повреждение мембран является критическим для развития летальных изменений в клетке; значительное повышение уровня кальция в цитоплазме является одним из основных причин биохимических и морфологических нарушений, приводящих к гибели клетки.
Свободно-радикальное повреждение
Важный механизм повреждения клетки – это повреждение, вызванное свободными радикалами. Свободно-радикальное повреждение является основным механизмом повреждения клетки при различных процессах: химическом и радиационном повреждении, отравлении кислородом и другими газами, старении клетки, уничтожении микроорганизмов, поглощенных фагоцитами, повреждении клеток при воспалении, распаде опухоли при участии макрофагов, атеросклерозе.
Активные кислородсодержащие радикалы – это высокотоксичные химически реакционноспособные молекулы с нечетным количеством электронов, способные повреждать клеточные мембраны, хроматин и белки.
Отнимая электроны у различных молекул, они превращают их в перекисные соединения с неспаренными электронами и запускают цепные реакции внутри клетки.
В организме наиболее часто свободные радикалы образуются:
ü в реакциях (чаще окислительных), происходящих во время нормальных метаболических процессов в клетках (например, в цепи переноса электронов митохондрий и микросом, при аутоокислении биомолекул, при работе цитоплазматических и мембрано-ассоциированных ферментов);
ü при действии ионизирующей радиации (в результате радиолиза воды);
ü при ферментативном метаболизме экзогенных химических веществ (например, из ССl4 образуется ССl3*).
Неспаренный электрон может быть связан с любым атомом, но наибольшую биологическую значимость имеют кислородные и углеродные радикалы.
Активные формы кислорода:
- супероксид – О2 -;
- перекись водорода – Н2О2;
- гидроксильный радикал - . ОН.
Супероксид образуется путем одноэлектронного восстановления молекулы кислорода. В норме кислород восстанавливается до воды, но в некоторых реакциях, катализируемых оксидазами (такими как НАДФН-оксидаза, ксантин-оксидаза) на плазматической мембране, в митохондриях, лизосомах, пероксисомах, может образовываться супероксид.
О2 ® О2*
Супероксид нестабилен, он самопроизвольно или при участии фермента супероксиддисмутазы (присутствующего во многих типах клеток) превращается в перекись водорода.
О2* + О2* + 2Н+ ® Н2О2 + О2
Гидроксильный радикал может образовываться (1) при радиолизе воды в результате действия ионизирующей радиации:
Н2О ® Н* + ОН* (1)
или (2) при взаимодействии с металлами, имеющими переменные валентности, например, железом или медью (в реакции Фентона):
Fе++ + Н2О2 ® Fе+++ + ОН* + ОН - (2),
а также (3) при взаимодействии супероксида и пероксида (в реакции Габера-Вейса):
Н2О2 + О2* ® ОН* + ОН - + О2 (3)
Ионы железа играют важную роль в развитии свободно-радикального повреждения. Большинство свободных ионов железа находится в форме Fе+++, и для образования гидроксила в реакции Фентона (2) должны быть окислены до Fе++. Таким окислителем чаще всего является супероксид, поэтому его образование имеет большое значение для появления гидроксила.
Свободные радикалы играют важную роль во многих физиологических процессах, проходящих в клетке:
¨ бактерицидность фагоцитов (уничтожение поглощенных микробов) преимущественно связана с их способностью образовывать кислородные свободные радикалы;
¨ клеточное дыхание в митохондриях включает образование радикалов кислорода в процесс его восстановления до воды;
¨ свободные радикалы участвуют в образовании продуктов метаболизма арахидоновой ксилоты лейкотриенов и простагландинов – важных медиаторов, участвующих в процессах свертывания, воспаления и др.;
¨ для синтеза гормонов коры надпочечников (минерало- и глюкокортикоидов).
Однако часто свободные радикалы вызывают повреждение клетки. Наиболее важными «мишенями» являются липиды клеточных мембран, поверхностные и трансмембранные белки и молекулы ДНК.