АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Молекулярні механізми пошкодження клітин.

Виділяють шість груп молекулярних механізмів, які мають важливе значення у патогенезі ушкодження клітини: ліпідні, кальцієві, електролітно-осмотичні, ацидотичні, протеїнові та нуклеїнові.

І. Ліпідні механізми охоплюють пероксидне окиснення ліпідів, активацію мембранних фосфоліпаз та детергентну дію надлишку вільних жирних кислот.

1. Пероксидне окиснення ліпідів (ПОЛ) – це вільнорадикальне окиснення ненасичених жирних кислот, що входять до складу фосфоліпідів клітинних мембран. За участю цих процесів відбувається: транспорт електронів у дихальному ланцюгу, синтез простагландинів і лейкотрієнів, проліферація і дозрівання клітин, фагоцитоз, метаболізм катехоламінів, регуляція ліпідного складу біомембран і активності ферментів. Інтенсивність ПОЛ регулюється співвідношенням прооксидантів (вільні радикали, нафтохінони, вітаміни А і D, НАДФН₂, НАДН₂, ліпоєва кислота, продукти метаболізму простагландинів і катехоламінів) та антиоксидантів (глютатіон, вітамін Е, сечова кислота, α-токоферол, церулоплазмін, гемоглобін, супероксиддисмутаза, глютатіонпероксидаза).

Одним з важливих механізмів ушкодження мембран і ферментів є надмірна активація вільнорадикальних реакцій та пероксидного окиснення ліпідів. Вільні радикали спричинюють надмірну активацію ПОЛ. Найбільше значення мають:

- О₂^- – супероксидний аніон-радикал (у водному середовищі перебуває у вигляді НО), фермент супероксиддисмутаза перетворює його у пероксид водню, використовуючи протони НАДФН;

- ÓН^-- – гідроксильний радикал;

- Н⁺ – водневий радикал;

- О₂ ^· – синглетний (збуджений) кисень – кисень, у якого один з електронів перейшов на більш високий енергетичний рівень.

Вільні радикали – це фізіологічні метаболіти, що утворюються в клітині при нормальному обміні речовин. Вони виробляються в ендоплазматичному ретикулумі в процесі мікросомального окиснення цитохромів при функціонуванні мітохондрій, в лізосомах і пероксисомах під дією мембранних НАДФН-залежних оксидаз. У фізіологічних умовах адренергічна стимуляція призводить до посилення, а холінергічна до послаблення продукції ендогенних вільних радикалів. Активні кисневмісні радикали здійснюють бактерицидний ефект у фаголізосомах, так як активні форми кисню здатні руйнувати непошкоджені клітинні стінки бактерій та інтактні мембрани клітин. Крім цього, мієлопероксидаза фагоцитів перетворює пероксид водню і іони хлору у високобактерицидний гіпохлорит-аніон:

H₂O₂ + Cl^- = ClO^- + H₂O

Через активні кисневмісні радикали опосередковано діє фактор некрозу пухлин і інші агенти, що здійснюють цитотоксичні ефекти.

При значному збільшенні продукції вільних радикалів відбувається самоушкодження клітин.

У патогенезі ушкодження клітини є два механізми активації ПОЛ.

1-й механізм – надмірне утворення вільних радикалів в організмі (іонізуюче і ультрафіолетове випромінювання, ультразвук, оксид азоту, гіпероксія, реперфузія тканин після ішемії, отруєння чотирихлористим вуглецем, стрес, гіпервітаміноз D). Тоді в клітині антиоксидантні системи не можуть нейтралізувати реакції ПОЛ.

Основними об’єктами ушкоджувальної дії вільних кисневмісних радикалів є:

· ліпіди плазматичних і внутрішньоклітинних мембран, що призводить до вивільнення і активації медіаторів запалення і токсинів (епоксиди, ендоперекиси, малоновий діальдегід);

· зшивка мембранних, позаклітинних і клітинних ліпідів і білків через сульфгідрильні групи з інактивацією ферментів і рецепторів та утворенням сульфіл-радикалів, дисульфідів і сульфонових кислот. Цей процес веде до формування білкових агрегатів;

· ДНК – зупиняється її реплікації і мутагенез, що може викликати тератогенний або канцерогенний та цитостатичний ефекти.

2-й механізм – порушення функціонування антиоксидантних систем клітини. Причини антиоксидантної недостатності:

· спадкові чи набуті порушення синтезу антиоксидантних ферментів (супероксиддисмутази, каталази, глутатіонпероксидази, глутатіонредуктази);

· дефіцит заліза, міді чи селену, необхідних для функціонування цих ферментів;

· гіповітамінози Е, С;

· порушення пентозного циклу і циклу Кребса (у цих реакціях утворюються НАДФН і НАДН, що забезпечують відновлення справжніх і допоміжних антиоксидантів);

· дія детергентів – порушується будова ліпідного бішару мембран і відкривається доступ вільних радикалів до прихованих, у гідрофобному шарі ненасичених жирних кислот.

Механізми антиоксидантного захисту:

- попередження проникнення активних форм кисню та інших вільних радикалів з клітин до позаклітинного простору;

- нейтралізація вільних радикалів та зменшення їх активності, відновлення ушкоджених біомолекул або прискорення їх деградації.

До антиоксидантів, які зменшують утворення та активність вільних радикалів або нейтралізують їх, належать неферментні та ферментні антиоксиданти.

Неферментні антиоксиданти:

Глютатіон- поліпептид усіх клітин що містить SH-групи. Гальмує дію вільних радикалів, забезпечуючи глютатіон-пероксидазу протонами. Інші сульфгідрильні сполуки – цистеїн та метіонін зв’язують вільні радикали та викликають деградацію пероксидних продуктів.

Вітамін Е (α-токоферол), каротин пригнічують утворення вільних радикалів у процесі пероксидного окиснення ліпідів та захищають від їх дії мембрани клітин.

Сечова кислота, таурин реагують з гідроксильними радикалами (ОН) та НОСІ у плазмі крові, перетворюючи їх у сечовину, оксалат та гліоксилат.

Хелатуючі агенти (церулоплазмін, гемоглобін)вилучають залізо та мідь з каталітичних реакцій окиснення.

Ферментні антиоксиданти:

1-а група – нейтралізують вільні радикали:

Матричну функцію ліпідного бішару мембран забезпечують вмонтовані в нього мембранні ферменти та деякі спеціалізовані білки. У процесі ПОЛ порушується активність мембранних ферментів у зв’язку зі зміною їх ліпідного мікрооточення, яке, багато в чому, визначає властивості білкових молекул. Крім того, в ході реакцій ПОЛ утворюються зшивки між молекулами білків і фосфоліпідів, окиснюються сульфгідрильні групи активних центрів, зумовлюючи незворотну інактивацію ферментів.

2. Активація мембранних фосфоліпаз. Цей механізм відіграє важливу роль у розладах життєдіяльності клітини, а також при переході зворотніх змін у клітині у незворотні. Це зумовлено тим, що основні властивості клітини суттєво залежать від стану її мембрани та ензимів.Важливе значення має надмірна активація фосфоліпази А₂ – ферменту, який здійснює гідролітичне відщеплення ненасиченої жирної кислоти (відщеплюється один з двох гідрофобних кінців молекули фосфоліпіду). Звільнені під впливом фосфоліпази А₂ ненасичені жирні кислоти (арахідонова, пентаноєва та ін.) використовуються на утворення фізіологічно активних сполук – простагландинів і лейкотрієнів. Решта молекули фосфоліпіду (лізофосфоліпід) має лише один гідрофобний кінець, тому виявляє здатність до міцелоутворення і є дуже сильним детергентом. Основним фактором, що зумовлює таку активацію, є висока концентрація іонів кальцію в цитоплазмі.

3. Детергентна дія надлишку вільних жирних кислот. Вільні жирні кислоти у великих концентраціях так само, як і лізофосфоліпіди, виявляють детергентну дію і спричинюють порушення ліпідного бішару мембран.

Основні причини підвищення вмісту вільних жирних кислот у клітині:

1) гіперліпацидемія – підвищення концентрації вільних жирних кислот у крові за умов посиленого їх надходження у клітину, що спостерігається при активації ліполізу в жирній тканині, зокрема у разі стресу, цукрового діабету;

2) посилене звільнення вільних жирних кислот у лізосомах з тригліцеридної частини ліпопротеїдів, які надходять у клітину, що відбувається за умов гіперліпопротеїдемії (при атеросклерозі);

3) посилене звільнення вільних жирних кислот з фосфоліпідів мембран під впливом мембранних фосфоліпаз;

4) порушене використання клітиною вільних жирних кислот як джерела енергії, що спостерігається у разі зменшення активності ферментів β-окиснення і циклу Кребса, а також при гіпоксії.

ІІ. Кальцієві механізми.

Більшість механізмів ушкодження клітини зумовлені підвищенням концентрації іонів кальцію в цитоплазмі. В основі такого підвищення можуть лежати два механізми: надмірне надходження іонів кальцію в цитоплазму і порушене видалення їх з цитоплазми.

Збільшене поступлення Ca²⁺ в клітину може відбуватися як через неушкоджену мембрану, так і через ушкоджену. Крізь неушкоджену клітинну мембрану надмірне надходження Ca²⁺ в цитоплазму можливе у разі підвищеного градієнта його концентрації, наприклад, при гіперкальціємії. У цьому випадку Ca²⁺ потрапляє трьома шляхами:

– через хемочутливі кальцієві канали (під впливом фармакологічних препаратів);

– через швидкі потенціал-залежні кальцієві канали (відкриваються на момент перезарядження мембрани);

– через повільні потенціал-залежні кальцієві канали (відкриті постійно за рахунок підпорогової деполяризації клітинної мембрани).

Однак, значно частіше надходження Ca²⁺ у цитоплазму зростає внаслідок порушення бар’єрної функції мембран, що відбувається за умов активації, вже розглянутих, ліпідних механізмів ушкодження клітини.

Видалення Ca²⁺ з цитоплазми порушується через пошкодження енергозалежних мембранних насосів:

– пошкодження Са²⁺-помп, пов’язане з відсутністю ферменту Са²⁺-АТФ-ази і/або недостатністю АТФ (гіпоксія, голодування, порушення активності ферментів циклу Кребса, роз`єднання процесів окиснення і фосфорилювання, порушення транспортування АТФ з мітохондрій);

– порушення в роботі Na⁺- Са²⁺ обмінного механізму;

– порушення Са²⁺-акумулюючої функції мітохондрій (підвищене використання АТФ, тканинна гіпоксія, зменшення осмотичного тиску в клітині, вплив солей важких металів)

Наслідки ушкодження клітини при підвищеному вмісті іонів Са²⁺ у цитоплазмі:

1. Порушення специфічних функцій клітини (під час здійснення робочого циклу Са²⁺ повинен своєчасно виводитися з клітини) – клітина стає не здатною відповісти на черговий стимул, оскільки перебуває у рефрактерному стані.

2. Активація мембранних фосфоліпаз, особливо фосфоліпази А₂. Вона відщеплює від фосфоліпідів мембрани ненасичені жирні кислоти, а фосфоліпіди, що залишилися мають детергентну дію, внаслідок якої руйнуються мембрани.

3. Роз’єднання процесів окиснення і фосфорилювання. Цей ефект виникає за умов підвищеної концентрації іонів Са²⁺ у цитоплазмі, коли енергія клітинного дихання використовується не на синтез АТФ, а на транспорт Ca²⁺з цитоплазми у мітохондрії.

4. Зміна властивостей важливих білкових комплексів клітини, до складу яких входить Са²⁺ (кальмодулін, тропонін-С, Са-зв’язуючий білок ентероцитів та ін.).

5. Закриття Cl^- каналів, що суттєво порушує мембранний електрогенез.

ІІІ. Електролітно-осмотичні механізми ушкодження клітини розвиваються внаслідок або одночасно із розладами енергозабезпечення і проявляються пошкодженням мембран та ферментів клітини. Як правило, вони зумовлені змінами вмісту основних клітинних катіонів Na⁺ і К⁺ – збільшується внутрішньоклітинна концентрації іонів Na⁺ і зменшується концентрації іонів К⁺.

В основі зазначених зрушень можуть бути два механізми:

1) посилена дифузія іонів крізь плазматичну мембрану;

2) порушення механізмів активного транспорту Na⁺ і К ⁺, що забезпечують підтримання концентраційних градієнтів цих іонів.

Посилена дифузії іонів Na⁺ у клітину і вихід іонів К⁺ з клітини може відбуватися як крізь неушкоджену плазматичну мембрану (загальні порушення обміну води й електролітів: гіпернатріємія, гіпокаліємія), так і при порушенні бар’єрної функції плазматичної мембрани. Переміщення іонів Na⁺ і К⁺ в цих випадках відбувається через існуючі та новоутворені канали іонної провідності за рахунок концентраційного й електричного градієнтів.

Порушення активного транспорту іонів Na⁺ і К⁺ крізь плазматичну мембрану спричинене:

Причини недостатності Na⁺-К⁺-помпи:

1) дефіцит АТФ (в нормі АТФ забезпечує переміщення іонів Na⁺ і К⁺ проти електрохімічного градієнта);

2) порушення гліколізу внаслідок недостатнього надходження глюкози у клітину або зменшенні активності відповідних ферментів (основна кількість АТФ для Na⁺-К⁺-помпи утворюється у процесі гліколізу);

3) зміна властивостей ліпідного бішару плазматичної мембрани, зокрема збільшення в ньому вмісту холестерину;

4) дія специфічних інгібіторів Na⁺-K⁺-АТФ-ази (строфантин, уабаїн та ін.).

Наслідки зрушення електролітного складу клітини при її ушкодженні:

1) втрата клітиною електричного мембранного потенціалу (потенціалу спокою);

2) набряк клітини;

3) розтягнення мембран, спричинене підвищенням осмотичного тиску, що призводить до порушення бар’єрної функції.

ІV. Ацидотичні механізми – збільшення концентрації іонів водню у клітині, тобто розвиток внутрішньоклітинного ацидозу.

Причини внутрішньоклітинного ацидозу:

1) надмірне надходженням іонів водню у клітину з позаклітинного середовища, що спостерігається за умов загальних порушень кислотно-основного стану (газовий та негазовий ацидоз);

2) надмірне утворення кислих продуктів у самій клітині, що спостерігається при активації гліколізу (молочна кислота), порушеннях циклу Кребса (трикарбонові кислоти), гідролітичному розщепленні фосфоліпідів клітинних мембран (жирні кислоти, фосфорна кислота), посиленому розпаді вільних аденінових нуклеотидів (фосфорна кислота);

3) порушення зв’язування іонів водню внаслідок недостатності буферних систем клітини;

4) порушення виведення іонів водню з клітини у разі недостатності Na⁺-Н⁺-обмінного механізму плазматичної мембрани.

Наслідки підвищеної внутрішньоклітинної концентрації іонів водню:

1) порушення функціональних властивостей білків (ферментів, скорочувальних білків та ін.) внаслідок змін конформації їх молекул;

2) активація лізосомних гідролітичних ферментів;

3) підвищення проникності клітинних мембран внаслідок зміни рідинного стану мембранних ліпідів.

V. Протеїнові механізми характеризуються порушенням зчеплення між поліпептидами в білках цитоплазми і порушенні їх просторової конфігурації (третинної і четвертинної структури): порушується впорядкованість пептидної структури білка. При цьому виникають розриви сульфідних зв’язків і вивільняються сульфгідрильні групи у молекулах білків цитоплазми. Визначення вільних сульфгідрильних груп у розчинах білків є одним з методів оцінки ступеню ушкодження.

1) пригнічення активності ферментів (зворотне і незворотне) – ціанід інактивує цитохромоксидазу, шляхом зв’язування з карбонільною групою білкової частини ферменту, а не лише зв’язування з іонами Fe³⁺ і Cu²⁺;

2) денатурація – порушення нативної будови білкових молекул внаслідок змін вторинної і третинної структури білка, зумовлених розривом нековалентних зв’язків (денатурація білків сироватки крові при дії етанолу, сечовини, меркаптоетанолу, вплив іонізуючого випромінювання, підвищеної температури);

3) протеоліз – відбувається під дією лізосомних гідролітичних ферментів (катепсинів), наприклад, при запаленні і Са-активованих протеаз.

Наслідки:

1) порушення функціональних властивостей білків (ферментів, скорочувальних білків та ін.) внаслідок змін конформації їх молекул;

2) зниження активності або руйнування ферментів, каналів, помп;

3) розвиток внутрішньоклітинного ацидозу;

4) порушення внутрішньоклітинного дихання та окисно-відновних процесів;

5) порушення функції клітинних помп та інгібування процесів регуляції обміну речовин між клітиною та навколишнім середовищем.

VI. Основу нуклеїнових механізмів ушкодження клітин становлять порушення трьох процесів: реплікація ДНК, транскрипція і трансляція.

Причини порушень:

1) реплікації ДНК: денатурація ДНК, ушкодження ДНК-реплікаторної ферментної системи, дефіцит трифосфонуклеотидів (АТФ, ГТФ, ТТФ і ЦТФ);

2) транскрипції: мутаційні дефекти генної матриці, інгібування ДНК-залежної РНК-полімерази антибіотиками та токсинами, розлади сплайсингу;

3) трансляції: дефіцит та якісні зміни інформаційної, рибосомальної або транспортної РНК, рибосом них ферментів та неферментних білків, дефіцит вільних амінокислот і АТФ, інгібування процесу антибіотиками чи токсинами.

Підсумовуючи вище викладене, можна виділити шість загальних патогенетичних механізмів реагування клітин на пошкодження:

1. Порушення енергетичного забезпечення процесів у клітині (цей механізм часто є ініціальним і ведучим в ушкодженні клітини).

2. Пряме ушкодження мембранного апарату і ферментних систем клітини.

3. Дисбаланс іонів і рідини, зміна електрофізіологічних властивостей клітини.

4. Порушення генетичної програми клітини і (або) механізмів її реалізації.

5. Розлади рецепції клітин.

6. Активація автокаталітичних процесів (дестабілізації лізосом).

Реалізація розглянутих вище молекулярних механізмів ушкодження клітини призводить до порушення будови і функції окремих її органоїдів. Оскільки більшість з них належить до мембранних утворень, то універсальним механізмом ушкодження субклітинних структур є порушення проникності і цілісності клітинних мембран.

Дата добавления: 2015-09-27 | Просмотры: 2240 | Нарушение авторских прав