Под влиянием нарушающих (повреждающих) функции клеток воздействий формируются собственные внутриклеточные компенсаторные процессы, обеспечивающие восстановление или замещение утраченных и поврежденных структурных элементов клетки и макромолекул, реализацию механизмов защиты от повреждающего фактора, восстановление утраченной или нарушенной функции субклеточных структур и клетки в целом. Схематизированно можно выделить следующие общие виды компенсаторных процессов в клетках:
1) компенсация дефектов метаболизма, в том числе дефицита энергии и нарушений энергообеспечения клеток;
2) ослабление функциональной активности клетки;
3) активация и реализация процессов репарации и регенерации поврежденных структур клетки, в том числе устранение нарушений генома клетки;
4) компенсация нарушений механизмов регуляции внутриклеточных процессов;
5) компенсация дисбаланса ионов и воды в клетках;
6) активация и мобилизация механизмов защиты от повреждающих факторов;
|
|
7) гиперплазия субклеточных структур;
8) гипертрофия клетки.
Перечисленные процессы являются не последовательными этапами компенсаторных реакций, а реализуются в разных сочетаниях, как правило, параллельно.
Большинство из этих внутриклеточных процессов являют собой своего рода микрокопии явлений компенсации, протекающих в организме на более сложных уровнях организации — в органах, физиологических системах и в целостном организме. Таким образом, при всем многообразии компенсаторных процессов, формирующихся в организме после повреждения, они, как правило, развертываются на основе ограниченного числа общих стандартных механизмов.
Компенсация нарушений метаболизма. Среди механизмов компенсации дефектов метаболизма и энергообеспечения клеток основную роль играют мобилизация резервных и альтернативных метаболических путей, интенсификация ресинтеза АТФ, активация путей транспорта и утилизации энергии в клетке. Внутриклеточная компенсация нарушений метаболизма, как правило, реализуется за счет механизмов самоорганизации и саморегуляции, обеспечиваемых прямыми и обратными связями в метаболических системах клетки, а также основанных на компенсировании возмущения регулируемых величин.
Один из универсальных механизмов компенсаторных реакций такого рода реализуется путем угнетения активности ферментов конечными продуктами реакции (ретроингибирование). Например, ключевые реакции энергетического метаболизма — гликолиза и окислительного фосфорилирования — угнетаются высокими концентрациями конечного продукта — АТФ; накопление в клетке многих необходимых для жизнедеятельности веществ (углеводов, аминокислот, липидов, нуклеотидов) вызывает угнетение ферментов, обеспечивающих их биосинтез или активный транспорт через мембраны. Так компенсируются внутриклеточные нарушения, приводящие к резкому ограничению использования определенных метаболитов.
|
|
Второй универсальный механизм компенсаторных реакций внутриклеточного метаболизма проявляется в виде повышения активности или синтеза ферментов избытком исходного субстрата метаболических реакций (субстратная активация или субстратная индукция).
Третий универсальный механизм компенсаторных реакций внутриклеточного метаболизма заключается в использовании резервных или альтернативных метаболических путей, в частности, путей получения энергии. Например, глюкоза, как наиболее доступный источник энергии в клетках, может метаболизировать двумя путями — гликолитическим и пентозным. Выбор метаболического пути зависит от типа кофермента и регулируется рН и концентрацией углеводов. Так, в случае блокады гликолитического пути обмена глюкозы она метаболизирует пентозным путем. Наряду с компенсацией энергообеспечения альтернативный путь метаболизма может приводить к нарушениям физиологических процессов в организме.
Характеристика компенсации при нарушении процессов регуляции.
Жизнедеятельность клеток подчинена системе регуляторных взаимосвязей: внеклеточное окружение (микросреда — внеклеточный матрикс) — клеточная мембрана — цитоскелет — цитоплазма и органоиды — ядро. Организация и состав внеклеточного окружения, структурные элементы экстрацеллюлярного матрикса, наличие во внеклеточной микросреде гуморальных факторов регуляции (нейромедиаторов, гормонов, метаболитов, цитокинов) воспринимаются поверхностными рецепторами плазматической мембраны и вызывают перестройку клеточного цитоскелета, изменения метаболизма в клетке, образование вторичных посредников и их эффекты на органоиды, ядро и плазматическую мембрану. Эти эффекты обеспечивают дифференцировку клеток и организацию ткани, пролиферацию, изменение формы, подвижности и адгезивности клеток, изменение их функции, что в совокупности формирует компенсаторный ответ на повреждение. С функциональных позиций, важное место в процессах компенсации занимает способность клеток адаптироваться к измененным (нарушенным) регуляторным влияниям. Эта компенсация расстройств регуляции относится как к внеклеточным, так и к внутриклеточным регулирующим сигналам, воспринимаемым многочисленными мембранными и цитоплазматическими рецепторами. Рецепторы, находятся внутри клеток (в цитоплазме, митохондриях, ядре) и предназначены для взаимодействия с регуляторными молекулами, проникающими внутрь клеток (например, стероидных гормонов).
Нарушение характера и интенсивности регуляторных сигналов ведет к перестройке рецепторных структур клеток за счет специальных механизмов, регулирующих чувствительность клеток к этому сигналу (десенситизация). Десенситизация рецепторов может быть гомологической, то есть проявляющейся в снижении чувствительности только к тому гуморальному регулятору, избыток которого ее вызвал, и гетерологической, то есть заключающейся в снижении чувствительности к другим гуморальным факторам регуляции.
Чувствительность клеток к внешним регуляторным сигналам зависит также и от числа так называемых «свободных» или резервных рецепторов. Увеличивая синтез этих мембранных структур или их «всплывание» на поверхность мембраны, клетка может повышать чувствительность к регуляторному сигналу (сенситизация). Клетки, как правило, используют не один, а несколько путей реализации одного регуляторного сигнала, в связи с чем, для каждого лиганда (например, молекул одного гормона) на мембранах существуют несколько типов рецепторов. Соответственно, меняя чувствительность рецепторов одного типа, клетка изменяет характер функционирования и может компенсировать нарушения в регуляторных влияниях.
|
|
Одним из регуляторных эффектов, реализуемых внутри клетки, является изменение функционального состояния генома клетки и биосинтеза белка. В клетках под контролем генома происходит синтез специальных белков — инверторов, оказывающих различное влияние на функциональное состояние мембраны в зависимости от адаптивно-компенсаторных потребностей клетки — изменение активности рецепторов, состояния ионных каналов и насосов. Эти белки могут вести к гиперполяризации клеточной мембраны, ослаблению функциональной активности клетки, с одновременным повышением синтеза белка и процессов регенерации внутриклеточных структур.
В качестве сигнальных внутриклеточных молекул окислительного повреждения клеток и гуморальных регуляторов, обеспечивающих компенсаторные изменения энергетического обмена клеток при дефиците кислорода и цитотоксических повреждениях, рассматриваются диаденозинолигофосфаты — динуклеотиды, содержание которых в физиологических условиях достаточно высоко лишь в тромбоцитах и хромаффинных клетках надпочечников. Однако при стрессе и экстремальных воздействиях их содержание в клетках кровеносных сосудов, нейронах, гепатоцитах резко возрастает. Диаленозинолигофосфаты стимулируют синтез ДНК и клеточный рост, в связи, с чем их также считают регуляторами дифференцировки клеток. Мембранный метаболит тромбоцит-активирующего фактора накапливается в клетках после повреждения или гипоксии и ведет к активации факторов генной транскрипции, что способствует обеспечению синтетических процессов для восполнения и восстановления клеток после травмы.
Важную роль в реализации внутриклеточных компенсаторных процессов играют лизосомы, участвующие в процессах внутриклеточной регенерации и гиперплазии субклеточных структур. В общем, компенсаторная роль лизосом может быть сведена к следующим механизмам: 1) компенсаторная перестройка метаболизма клетки (активация ферментов, индукция синтеза белка, активация внутриклеточных регуляторов функций), 2) компенсация дефицита энергетического и пластического материала (гидролиз гликогена и липидов, белков), 3) участие в процессах внутриклеточной регенерации (разрушение и элиминация дегенеративных структур, формирование митохондрий и эндоплазматического ретикулума), 4) участие в пролиферативных процессах (дедифференцировка и стимуляция гиперплазии и гипертрофии клеток, репаративной регенерации), 5) стимуляций межклеточных компенсаторных процессов за счёт выделения лизосомальных ферментов и метаболитов в микросреду клеток.
|
|
Активация внутриклеточных механизмов защиты от повреждающих факторов. Внутриклеточные механизмы защиты включают систему антиоксидантов, синтез и активацию лизосомальных ферментов детоксикации, активацию систем энергообеспечения клеток, изменение емкости внутри клеточных буферных систем, активацию синтеза структурных и «защитных» белков. Среди процессов активации и мобилизации внутриклеточных механизмов защиты от повреждающих факторов важную роль играет индукция синтеза в клетках особых белков, получивших название - «белки теплового шока» или «стрессовые белки». Эти белки образуются при действии на клетки многообразных повреждающих факторов и обеспечивают неспецифическое повышение устойчивости клеток к повреждению, в связи, с чем их и называют «стрессовыми».