(выявляются в различных видах клеток при действии разнообразных агентов)
1. Изменение (увеличение) проницаемости клеточных мембран, нарушение работы ионных насосов (выход К+, вход Са++ и Na+, выход токсинов и метаболитов)
В клетке находится K+, а снаружи ее - Nа+, что создает мембранный потенциал клетки. Са++ тоже много снаружи, а в клетке он находится внутри митохондрий и в эндоплазматическом ретикулуме.
Так как существует разность концентраций ионов внутри и снаружи клетки, то по градиенту концентрации ионы Na+и Ca++устремляются внутрь клетки, а K+ выходит из клетки, как только открываются соответствующие ионные в мембране.
Но клетка поддерживает свой ионный состав очень тщательно, т. к. для нее это вопрос жизни или смерти. Для этого работают. Na+/K+и Ca++ насосы, работа которых требует энергозатрат.
2. Снижение мембранного потенциала вследствие нарушения работы насосов. Нарушение возбудимости и функции клетки.
3. Набухание клеток. В клетке много белков (обеспечивают онкотическое внутриклеточное давление). Отек неповрежденной клетки не возникает, поскольку исправно работает натрий-калиевый насос, удаляя из клетки Na+ и «закачивая в нее K+. Ионы Nа+ выводят за собой из клетки Cl- и удаляют тем самым NaCl. При повреждении в клетке накапливаются белки и NaCl, что приводит к росту осмотического и онкотического давления.
4. Нарушение обменных процессов, активности ферментов и энергообеспечения клетки. В результате этого клетка переходит на анаэробный гликолиз, следствием которого является внутриклеточный ацидоз.
В основном энергия образуется при распаде глюкозы, т. е. путем гликолиза. Если он осуществляется в аэробных условиях (аэробный гликолиз), то образуется 32 молекулы АТФ (процесс образования АТФ называется фосфорилированием). Энергия может рассеиваться и в виде тепла при распаде глюкозы, что имеет место при разобщени окисления и фосфорилирования (типичным «разобщителем» является тироксин).
В условиях уменьшения поступления кислорода (гипоксия) клетка переходит на анаэробный путь гликолиза, в результате которого образуется лактат (накопление его приводит к ацидозу) и всего 2 молекулы АТФ, что естественно, отражается на жизнедеятельности клетки, страдают все, происходящие в ней процессы, но в первую очередь – работа мембранных Nа+/K+ и Ca++ насосов.
Механизмы повреждения клеточных структур
Липидный механизм
1. Свободнорадикальное и перикисное окисление липидов
Свободные радикалы – это атомы (или молекулы) с неспаренными электронами на внешних атомных или молекулярных орбитах, отличающиеся высокой реакционной способностью.
Два электрона одной орбитали (спаренные) имеют противоположные спины (направление вращения электрона вокруг собственной оси, которое создает магнитное поле с параллельным, или антипараллельным вектором относительно магнитного поля Земли), а отсюда и нулевой общий магнитный момент.
Неспаренный электрон придает атому (или содержащей его молекуле) магнитный момент, который предопределяет его химическую реакционную способность.
Неспаренные электроны стремятся ликвидировать феномен неспаренности двумя путями.
· Взаимодействием с другими свободнорадикальными атомами (или молекулами) с образованием химически инертного продукта;
· «Выдергиванием» неспаренного электрона с противоположным спином из внешней оболочки свободных или связанных атомов. Объектом такого воздействия являются переходные металлы, богатые неспаренными электронами, в результате взаимодействия радикал становится химически инертным (тушится), а металл изменяет заряд. Но свободные радикалы способны «выдергивать» электроны и из биоорганических соединений, которые превращаются в свободнорадикальные (перикисные) соединения с патологическим нарушением биохимических процессов.
Свободные радикалы постоянно образуются в организме и попадают в него из окружающей среды (все виды излучения).
Свободные радикалы не бывают «хорошими» или «плохими». Они необходимы организму для выполнения ряда функции, например в дыхательной цепочке, но оказывают повреждающее действие при увеличении их количества.
В процессе биологического окисления образуются супероксидный радикал О2Ÿ и гидроксидный радикал ŸОН (свободные радикалы), о ксид азота NОŸ (преимущественно участвует в регуляции сосудистого тонуса) и перекись водорода Н2О2 (последняя не является свободным радикалом, но в результате менталлокатализа превращается в гидроксильный радикал). Н2О2 легко разрушается каталазой.
супероксидный радикал О2Ÿ генерируется лейкоцитами при фагоцитозе, образуется в митохондриях в процессе окислительных реакций, в тканях при метаболической трансформации катехоламинов, синтезе простогландинов. Некоторые реакции сопровождаются образованием гидроксильного радикала ŸОН и пероксида водорода Н2О2 (необходимых киллерам и фагоцитам).
Кислородные радикалы обеспечивают свободнорадикальное окисление субстратов, основными из которых являются полиненасыщенные жирные кислоты клеточных мембран. Это влияет на полярность гидрофобных углеводородных хвостов жирных кислот, которые образуют липидный бислой мембраны. В результате изменяется структура мембраны, ее проницаемость и ионный транспорт. В физиологических условиях это один из способов регуляции функции клетки.
Оксид азота NO· легко проходит через мембранные структуры и в качестве посредника обуславливает расслабление гладких мышц стенки сосудов, ЖКТ, бронхов и других полых органов, выполняет роль нейротрансмиттера, а также антигрегантную и адгезивную функцию. Особое внимание заслуживает противомикробное и противопаразитарное действие NO·. Именно этим объясняется генерация больших количеств оксида азота клетками эпителия бронхов, а также иммунной системы (лейкоциты, макрофаги). Чужеродные липополисахариды в указанных клетках часто одновременно активируют и мембранную НАДФН-оксидазу, генерирующую супероксид O2·¾, который нейтрализует NO· с образованием пероксинитрита (ONOO-). При физиологическом рН превращается в слабую пероксинитрокислоту.
Цитотоксическое действие пероксинитрита объясняется возможностью его распада на NO2- и OH·. Гидроксильный радикал способен запускать окисление липидов, белков и нуклеиновых кислот.
Физиологическое значение свободных радикалов заключается в регуляции генетической программы и апоптоза, образовании катехоламинов, стероидных гормонов и др., детоксикации ксенобиотиков, медиаторов и гормонов, разрушении фагоцитированных структур в фагоцитах.
ПОЛ – физиологический процесс регуляции клеточной активности, однако при избытке свободных радикалов приводит к гибели клетки.
Патологический эффект в организме возникает при избыточной продукции свободных радикалов, или при дефиците антиоксидантных факторов.
При избытке образования свободных радикалов структуры клетки разрушаются, и она гибнет.
Антиоксидантная система подразделяется на неэнзимную и энзимную.
a) Неэнзимные антиоксиданты являются донорами электронов для радикальных молекул, превращают их в инертные молекулы, но являются «двуликими» и сами становятся свободнорадикальными. Выполняют лишь буферную роль в антиоксидантной защите организма.
· водорастворимые соединения (аскорбиновая кислота, мочевая кислота, глютатион);
· жирорастворимые соединения (a-токоферол, ретинол).
· спирты и тиолы (цистеин, дитиотретиол, маннитол, тиомочевина, этанол и др.)
b) Ферментные антиоксиданты способны выступать в качестве доноров или акцепторов свободных электронов, являются основной защитой организма от оксидативного стресса.
· супероксиддисмутаза нейтрализует свободнорадикальный кислород с образованием перекиси водорода и атомарного кислорода;
· каталаза разлагает перекись водорода;
· глутатионпероксидаза в цитозоле клеток разлагает перекись водорода.
c) Липидные антиоксидантные «ловушки» (перехват свободных радикалов) – это холестерол клеточных мембран, гидрофильные головки фосфолипидов клеточных мембран.
2. Активация фосфолипаз ионами Са++, что приводит к расщеплению структурных элементов мембран и образованию лизофосфолипидов (детергентов).
3. Накопление свободных жирных кислот, обладающих детергентными свойствами.
Кальциевые механизмы
Существует 2 вида Ca++ насосов: Са++ АТФаза и Na+/Ca++ АТФаза.
Если Са++ появляется в цитоплазме, то начинается активация ферментов. В зависимости от происхождения клетки, Са++ может активировать разные функции: в мышечных – сокращение, в нервных – возбуждение, в тучных клетках – выброс гистамина и т. д.
Накопление Са++ в цитоплазме мышечной клетки приводит к активации ферментов: кальмодулина (сокращение мышечного волокна), протеинкиназ (синтез белка и, следовательно гипертрофия мышц).
Но, если Са++ чуть больше, начинается активация фосфолипаз (расщепление фосфолипидов мембран, причем мембран как клеточной, происходит аутолиз клетки, так и мембран органелл, например, лизосом, лизосомальный аутолиз клетки, повреждение мембран митохондрий с последующим выходом из них Са++ (митохондрии – аккумулируют Са++).
Активации лизосомальных ферментов способствует изменение pH в кислую сторону (аналогично перевариванию в ЖКТ).
5. – Апоптоз. Отличия апоптоза и некроза. Биологическое и патологическое значение апоптоза.
Апоптоз – запрограммированная, активная (энергозатратная) форма гибели клеток, проявляющаяся уменьшением ее размеров, конденсацией и фрагментацией хроматина, уплотнением мембраны без выхода содержимого в окружающую среду.
Считается, что термин апоптоз предложил древнеримский врач Гален. В процессе наблюдения за природой он заметил, что если надломить ветку дерева, с которой уже начали опадать листья, то листопад прекращается, а листья, хотя и меняют цвет, остаются на ветке. То есть опадание листьев, в отличие от их омертвения на сломанной ветке, - физиологический процесс, преднамеренное самоубийство листьев.
Сегодня термин апоптоз, буквально означающий «опадание листьев», применяется к физиологическому явлению - самоубийству клеток, т.е. генетически запрограммированной гибели клеток. Другими словами существует особая генетическая программа, реализация которой при определенных условиях приводит клетку к гибели. В современную науку использование термина апоптоз введено Керром (J.F.R. Kerr) в 1972 году.
Апоптозом управляют особые гены: стимулирует апоптоз ген р53 (ему принадлежит важнейшая роль в противоопухолевой защите), ингибирует апоптоз – ген bcl2 (относится к протоонкогенам из-за его способности предотвращать апоптоз и сохранять клетки с мутациями).
Апоптоз противопоставляется другой распространенной форме гибели клеток – некрозу.
Апоптоз проявляется уменьшением объема клетки в противоположность ее набуханию при некрозе; конденсацией и фрагментацией хроматина; снижением трансмембранного потенциала митохондрий; уплотнением цитоплазматической мембраны без выхода содержимого в окружающую среду. В результате фагоцитоза, которому клетки подвергаются уже в процессе апоптоза, их содержимое не выделяется в окружающую среду, как это бывает при некрозе, когда вокруг гибнущих клеток скапливаются активные внутриклеточные компоненты, включая энзимы, закисляется среда, что способствует гибели других клеток и развитию очага воспаления. Апоптоз поражает индивидуальные клетки и практически не отражается на их окружении.
Стадии апоптоза:
I. Индукторная. Сигналами к развитию апоптоза (индукторами апоптоза) являются внеклеточные (антигены, гормоны (например, кортикостероиды), цитокины, УФ- и g-излучение, нагревание) и внутриклеточные (повреждение хромосом и дефицит сигналов) факторы. К универсальным индукторам относятся также нарушение осмотического равновесия, высокое содержание Ca++ и NO. Индукторы апоптоза в свою очередь запускают ферменты (каспазы), которые регулируют весь процесс апоптоза. Эта стадия подразумевает прохождение неких контрольных точек, в которых клетке предоставляется выбор между индукцией и блокадой апоптоза, т. е. данная стадия еще является обратимой. После их прохождения клетка вступает в следующую необратимую фазу апоптоза.
II. Эффекторная – в клетке происходит снижение трансмембранного потенциала митохондрий, развивается массовый протеолиз и расщепление ядерной ДНК с формированием крупных фрагментов (олигонуклеосом и нуклеосом. Такая фрагментация считается биохимическим маркером апоптоза, а на ее выявлении основаны современные методы диагностики апоптоза.
III. Деградация клетки.
Роль апоптоза:
· Поддержание постоянства численности клеток (своего рода контроль перенаселения.
· Определение формы организма и его частей (например, наблюдается интенсивный апоптоз нервных клеток в процессе формирования коры у зародыша на 12-23-й неделях беременности).
· Обеспечение правильного соотношения численности клеток различных типов (быстрая атрофия гормон-зависимых тканей при снижении концентрации соответствующих гормонов, например, в женских половых органах в течение менструального цикла, или в простате при снижении концентрации андрогенов).
· Удаление генетически дефектных клеток.
· Селекция лимфоцитов и регуляция иммунных процессов.
Ингибиторы апоптоза:
· мутация Р53;
· теломераза;
· интерферон j.
Воздействие радиации вызывает (через свободно-радикальное повреждение) мутации и изменение в структуре ДНК. В результате – клетка остается в G1-фазе митоза (если она входит в S - фазу, то происходит апоптоз). Мутационная форма белка Р53 не обладает способностью останавливать клеточный цикл, это явление наблюдается у опухолевых клеток
Теломераза – фермент, обеспечивающий восстановление длины теломерного (концевого) участка хромосомной ДНК. Каждое деление делает хромосому короче на 10-20 теломерных фрагментов. Что дает возможность произвести только 50 делении (лимит Хайфлика).
У человека теломераза функционирует только в эмбриональных клетках и семенниках, вырабатывающих сперматозоиды в течение всей жизни. В опухолевых клетках теломераза активна.
Патология, обусловленная нарушением апоптоза:
A) Ослабление апоптоза
· аутоиммунные процессы (семейный аутоиммунный лимфопролиферативный синдром, системная красная волчанка, ревматоидный артрит);
· злокачественные опухоли (лимфома Беркитта, лейкозы, солидные опухоли).
b) Ускорение апоптоза
· врожденные уродства (волчья пасть, заячья губа и др.);
· болезни крови (миелодисплазии, анемии (железо- фолио- В12 – дефицитные), тромбоцитопения, нейтропения).
· инфекционные заболевания (СПИД, бактериальный сепсис и др.);
· дистрофические заболевания нервной системы (боковой амиотрофический склероз, болезнь Альцгеймера, спинальная мышечная атрофия);
· другие заболевания (инфаркт миокарда, токсические гепатиты).
6. – Реактивность и резистентность. Виды. Взаимосвязь резистентности и реактивности. Методы измерения реактивности и резистентности.
Реактивность - свойство организма как целого отвечать изменениями жизнедеятельности на воздействие окружающей среды. Реактивность - один из важнейших факторов патогенеза болезней.
Течение болезни может быть:
· Гиперэргическое (гиперэргия) - быстрое, яркое, выраженное.
· Гипоэргическое (гипоэргия) - затяжное, вялое со стертыми симптомами, низким уровнем фагоцитоза и образования антител.
· Дисэргическое (дизэргия) - извращенная реактивность.
Виды реактивности:
1. Биологическая (видовая, первичная) – изменения жизнедеятельности, возникающие под влиянием обычных для каждого животного воздействий окружающей среды. Например, невосприимчивость человека к чумке собак, к гонорее и сифилису крупного рогатого скота и т. д. Зимняя спячка - видовой вариант изменения реактивности (суслики не болеют в период спячки чумой и туберкулезом).
2. Групповая – формируется у групп индивидуумов, находящихся под влиянием общего фактора чаще всего внутренней среды. Например, чувствительность к психо-эмоциональному стрессу у гипер- и астеников. Реактивность мужчин и женщин. Возрастные изменения реактивности. Группы крови.
3. Индивидуальная – формируется в зависимости от совокупности конкретных факторов, в которых обитает и формируется организм (наследственность, возраст, пол, питание, температура, содержание кислорода).
· физиологическая - адекватная реакция в физиологических условиях без нарушения гомеостаза. Иммунитет (специфическая), ФН (неспецифическая).
· патологическая - при воздействии болезнетворных факторов или неадекватных реакций на физиологические воздействия. Аллергия, иммунодефицитные состояния (специфическая), шок, наркоз (неспецифическая).
· специфическая – характерна для одного конкретного фактора (иммунная, реакция зрачка на свет).
· неспецифическая - характерна для различных факторов (стресс-реакция, парабиоз, фагоцитоз, биологические барьеры).
Резистентность (устойчивость) – это свойство организма противостоять различным воздействиям или невосприимчивость к воздействиям повреждающих факторов внешней среды.
Формы резистентности
| · Абсолютная – реализуется всегда. · Относительная – реализуется при определенных условиях. |
| · Пассивная, связанная с анатомо-физиологическими особенностями организма. · Активная, связанная с одной стороны с устойчивостью биологической системы, с другой - способностью перестраиваться при изменении внешних условий (лабильностью) и которая осуществляется благодаря механизмам активной адаптации. |
| · Первичная или наследственная форма. · Вторичная, приобретенная или измененная форма. |
| · Специфическая - устойчивость к действию какого-то одного агента. · Неспецифическая - устойчивость к действию многих факторов. |
| · Общая - устойчивость всего организма. · Местная - устойчивость отдельных участков органов или систем тела. |
Резистентность организма фармакологически в большинстве случаев стремятся повысить. Например, стимуляторы иммунной системы повышают устойчивость, сопротивляемость организма к микроорганизмам и опухолям.
Реактивность и резистентность организма не всегда изменяются однонаправлено. В некоторых случаях, повышенная иммунная реактивность организма может спровоцировать так называемые аллергические заболевания, вызывающие или повреждение структур организма (аутоиммунные заболевания), или иногда - даже летальный исход (анафилактический шок). В подобных случаях, требуется фармакологическая коррекция данного вида реактивности препаратами, угнетающими иммунный ответ.
