Морфология повреждения клеток

Схема 1. Механизм ишемического гипоксического повреждения клеток

2. Повреждение клетки, вызванное свободными радикалами кислорода. Чаще всего такое повреждение возникает под воздей­ствием химических веществ, лучистой энергии, кислорода и дру­гих газов, а также при старении клеток, разрушении опухолей макрофагами и в некоторых иных случаях.

Свободные радикалы представляют собой молекулы кисло­рода, имеющие один непарный электрон на внешней орбите. В таком состоянии радикал исключительно активен и нестабилен и вступает в реакции с неорганическими и органическими соедине­ниями — белками, липидами и углеводами.

Для повреждения клетки наибольшее значение имеют три ре­акции, в которые вступают свободные радикалы.

• Свободнорадикальное пероксидное окисление липидов (СПОЛ) мембран. Свободные радикалы в присутствии кислоро­да могут вызывать пероксидное окисление липидов плазматиче­ской мембраны и органелл. Липидно-радикальные взаимодейст­вия приводят к образованию пероксидов, которые сами по себе являются активными соединениями, инициирующими последую­щее повреждение других жирных кислот; возникает цепь аутока-талитических реакций, обусловливающая обширное поврежде­ние мембран, органелл и самих клеток.

• Окислительное превращение белков. Свободные радикалы вызывают перекрестное связывание таких лабильных аминокис­лот, как метионин, гистидин, цистин и лизин, а также фрагмента­цию полипептидных цепей. Окислительное превращение усили­вает разрушение ключевых ферментов посредством нейтраль­ных протеаз, содержащихся в цитозоле.

• Повреждение ДНК. Свободные радикалы вступают в реак­цию с тимином, входящим в состав ДНК, Такое повреждение ДНК ведет к гибели клетки или ее злокачественному превраще­нию. Митохондриальная ДНК также повреждается.

Свободные радикалы могут разрушаться спонтанно. Напри­мер, супероксидный анион-радикал является нестабильным со­единением и спонтанно разрушается с образованием кислорода и пероксида водорода. Однако имеется несколько ферментных и неферментных систем, которые способствуют окончанию или инактивации свободнорадикальных реакций. Эндогенными или экзогенными антиоксидантами являются витамин Е; сульфгид-рилсодержащие соединения — цистеин и глютатион; белки сыво­ротки — альбумин, церулоплазмин и трансферрин. Полагают, что трансферрин действует как антиоксидант, связывая свобод­ное железо, которое, как известно, может играть роль катализа­тора образования свободных радикалов.

Среди ферментов выделяют супероксиддисмутазу, способную превращать супероксидный анион-радикал в пероксид водорода.

Каталаза, сосредоточенная в пероксисомах, разрушает пероксид водорода до кислорода и воды.

При многих патологических процессах конечный результат действия свободных радикалов зависит от баланса между образо­ванием свободных радикалов и их разрушением.

3. Токсическое повреждение. Примером такого повреждения является действие химических веществ, вызывающих поврежде­ние клетки посредством одного из двух механизмов. Во-первых, часть водорастворимых соединений может действовать непо­средственно, связываясь с некоторыми молекулами или органел-лами. Например, при попадании в организм хлорида ртути ртуть связывает сульфгидрильные группы клеточной мембраны и дру­гих белков, вызывая повышение проницаемости клеточной мем­браны и торможение АТФаза-зависимого транспорта. В подоб­ных случаях наиболее выраженные изменения наблюдаются в клетках, которые используют, абсорбируют, выделяют или кон­центрируют эти химические соединения. При попадании в орга­низм хлорида ртути в наибольшей степени страдают клетки же­лудочно-кишечного тракта и почек. Цианид непосредственно воздействует на ферменты митохондрий. Многие противоопухо­левые химиотерапевтические препараты, в том числе антибиоти­ки, также вызывают повреждение клеток посредством цитоток-сического действия.

Во-вторых, некоторые другие химические соединения, осо­бенно жирорастворимые токсины, биологически неактивны и вначале превращаются в токсичные метаболиты, которые затем действуют на клетки-мишени. Хотя эти метаболиты могут вызы­вать повреждение мембран и клеток путем прямого ковалентно-го связывания с мембранными белками и липидами, наиболее важный механизм повреждения мембран включает образование реактивных свободных радикалов и последующее СПОЛ.

В классической морфологии нелетальное повреждение кле­ток называется дистрофией (см. лекции 4—7). В большинстве случаев она относится к обратимым повреждениям.

Некроз наряду с апоптозом является одним из двух морфоло­гических выражений смерти клетки (см. лекцию 8).

Апоптоз ответствен за многочисленные физиологические и патологические процессы, происходящие в организме.

1. В результате апоптоза происходят запрограммированное разрушение клеток в процессе эмбриогенеза (включая импланта­цию, органогенез и инволюцию) и метаморфоз.

2. Посредством апоптоза развивается гормонозависимая ин­волюция тканей у взрослых, например атрезия фолликулов в яичниках во время менопаузы, регрессия лактирующей молоч­ной железы после прекращения кормления ребенка.

3. Происходит уничтожение клеток в пролиферирующих кле­точных популяциях, таких как эпителий крипт тонкой кишки.

4. Наступает смерть клеток в опухолях, как подвергающихся регрессии, так и с активным ростом клеток.

5. Это механизм смерти иммунных клеток — как В-, так и Т-лимфоцитов, после истощения цитокинов, а также уничтожения аутореактивных Т-клеток в развивающейся вилочковой железе.

6. Это механизм патологической атрофии гормонозависимых тканей, например атрофия предстательной железы после кастра­ции и исчезновение лимфоцитов в вилочковой железе после вве­дения глюкопротеидов.

7. Это патологическая атрофия паренхиматозных органов по­сле перекрытия протока, например, поджелудочной железы, околоушной слюнной железы, мочеточника.

8. Смерть клетки, вызванная цитотоксическими Т-клетками, например отторжение трансплантата.

9. Это гибель клеток при некоторых вирусных заболеваниях, например при вирусном гепатите (фрагменты клеток при апопто-зе известны как тельца Каунсильмена).

10. Клеточная смерть, вызванная различными слабыми повре­ждающими воздействиями, которые в больших дозах приводят к гибели клетки (радиация, высокие или низкие температуры, ци-тотоксические противоопухолевые препараты и, возможно, ги­поксия), также представляет собой апоптоз.

Механизмы апоптоза. Апоптоз начинается скорее всего в ре­зультате действия гормонов и других трофических факторов и является регулятором плотности клеточной популяции. Кроме того, апоптоз может быть одним из механизмов удаления ано­мальных клеток или клеток, поврежденных токсинами, радиаци­ей и другими воздействиями.

Механизмы возникновения апоптоза различны и зависят от характера воздействия и типа клеток, однако последователь­ность событий, которые приводят к конечному результату, до конца не выяснена. Вместе с тем ряд механизмов уже установлен (схема 2).

Схема 2. Механизмы апоптоза

1. Конденсация хроматина. Она обусловлена расщеплением ядерной ДНК в участках связей между нуклеосомами и приводит к образованию фрагментов. Такие фрагменты создают характер­ную для апоптоза картину ядра, отличную от таковой при некро­зе, когда ядро выглядит пятнистым. Эта интернуклеосомальная фрагментация ДНК развивается с участием кальцийчувствитель-ной эндонуклеазы. Эндонуклеаза постоянно присутствует в клет­ках некоторых типов, например тимоцитах, где она активируется под влиянием цитозольного кальция, тогда как в других клетках фермент образуется перед началом апоптоза.

2. Нарушения объема и формы клеток. Эти процессы связы­вают с активностью трансглютаминазы, которая вызывает пере­крестное связывание цитоплазматических белков, образующих оболочку под плазматической мембраной.

3. Фагоцитоз апоптозных телец макрофагами и клетками дру­гих типов. Обеспечивается рецепторами этих клеток, которые связывают и поглощают апоптозные клетки. Одним из таких ре­цепторов на макрофаге является витронектиновый рецептор

дельта₃-

интегрин, который обеспечивает фагоцитоз апоптозных нейтро-филов.

4. Зависимость апоптоза в большинстве случаев от активации гена и синтеза белка является одной из важных его особенностей. При этом индукция генов обеспечивается за счет "стимулов", вы­зывающих апоптоз, таких как стрессорные белки и протоонкоге-ны. Однако эти гены не связаны напрямую с началом апоптоза. Выявлены апоптозспецифические гены, которые стимулируют или тормозят смерть клетки.

5. Некоторые гены, участвующие в возникновении и росте злокачественной опухоли (онкогены и супрессорные гены), игра­ют регуляторную роль в индукции апоптоза. Например, онкоген р53 в норме стимулирует апоптоз; р53 необходим для развития апоптоза после повреждения ДНК радиацией, хотя апоптоз, вы­званный глюкокортикоидами или старением, не зависит от р53. ■ Таким образом, апоптоз является разновидностью смерти клетки, для которой характерна конденсация и фрагментация ДНК. Апоптоз обеспечивает уничтожение клеток при нормаль­ном развитии, тканевом росте, органогенезе и в органах иммун­ной системы.

Апоптоз может быть также индуцирован под воздействием патологических стимулов. Некоторые из уже известных эффек-торных механизмов включают активацию эндонуклеазы, вы­званную содержащимся в цитозоле кальцием и приводящую к фрагментации ДНК. Активация трансглютаминазы частично влияет на изменение формы и размеров клеток. Апоптоз закан­чивается рецепторнозависимым фагоцитозом апоптозных телец. В некоторых случаях в индукции апоптоза участвуют транскрип­ция генов и синтез белка, а процесс апоптоза регулируется груп­пой генов, которые участвуют в нормальном росте и дифферен-цировке клеток.