Характеристика внутриклеточных процессов компенсации и компенсации при нарушении процессов регуляции

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».