ЛЕКЦИЯ № 2 ПАТОФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ ОБЩИЕ МЕХАНИЗМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТКИ. НЕКРОБИОЗ И АПОПТОЗ vastyanov@mail.ru Зав. кафедрой – проф. Вастьянов Р. С. при спонсорской помощи и дружеской поддержке коллег-патофизиологов из Запорожского государственного медицинского университета http://vk.com/pathophysiology_onmedu
УБЕДИТЕЛЬНАЯ ПРОСЬБА!
липиды белки холестерин Клеточная мембрана
ПОВРЕЖДЕНИЕ КЛЕТКИ - это нарушение структуры и функции клетки Причины Мех. воздействия, элек-трический ток, высокая и/или низкая температура, электромагнитные волны, ионизирующая радиация, кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов, лекарства, микробы, вирусы, грибы, психогенные факторы … Экзогенные Эндогенные Избыток или дефицит О 2, ионов Н +, К +, Са 2+, свободные радикалы, колебания осмотичес-кого давления, метабо-литы, продукты распа-да микробов, медиато-ры повреждения, иммунные комплексы и др.
Резистентность клетки к повреждению зависит от Вида клеток: Высокоспециализированные клетки (нервные и мышечные) с высоким уровнем внутриклеточной регенерации устойчивы к повреждению
Клетки с низким внутриклеточным уровнем регене- рации (клетки крови, кожи, кишечный эпителий) легко повреждаются
2. Состояния гликокаликса Нарушение образования гликокаликса уменьшает устойчивость клетки к повреждению
3. Микроокружения клеток (состояния соединительной ткани) Микроокружение регулирует дифференцировку и пролиферацию клеток
4. Состояния нервной и эндокринной регуляции Денервированные клетки легче повреждаются. Нервная система регулирует энергетические и плас- тические процессы в клетке. Клетка, лишенная нервной и эндокринной регуля- ции, подвергается апоптозу. Повреждение клетки может быть связано с поступ- лением по аксонам патотрофогенов – веществ, образующихся в поврежденных нейронах и вызывающих патологические изменения клеток-реципиентов.
5. Состояния макроорганизма Авитаминозы, белковая недостаточность снижают резистентность клетки к повреждению
6. Фазы жизненного цикла клетки К различным воздействиям клетка по-разному чувствительна в разные фазы цикла (ионизирующая радиация повреждает клетку в фазах G 1 и G 2 )
Повреждение клетки - это … нарушение гомеостаза клетки, которое ограничи- вает адаптацию клетки и сокращает нормальную продолжительность ее жизни Гомеостаз клетки (постоянство внутренней среды) – это поддержание на оптимальном уровне: рН, содержания О 2, ионов (К +, Nа +, Са 2 +, Мg 2 +, Cl - и др.), пластических и энергетических резервов (белков, жиров, углеводов)
По течению: - острые - хронические По степени обратимости : - обратимые - необратимые По механизму развития: - специфические - неспецифические По патогенезу : - насильственные - цитопатические Классификация клеточных повреждений
Причины: информационные физические химические биологические адаптация некробиоз апоптоз некроз точка необратимости гипертрофия гиперплазия гиперфункция если достаточно резервов и есть программа
Общепатологические категории ответа клетки на повреждение
ОСТРОЕ этиологический фактор действует непродолжитель-ное время, достаточно интенсивный ХРОНИЧЕСКОЕ этиологический фактор малой интенсивности, действует продолжительно ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТКИ
ПРЯМОЕ (ПЕРВИЧНОЕ) - непосредственное повреждение клетки этиологическим фактором. ОПОСРЕДОВАННОЕ (ВТОРИЧНОЕ) - является следствием первичного, развивается под действием БАВ - медиаторов повреждения, нарушения регуляции и т.д. ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТКИ
ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТКИ 1. Первичное специфическое воздействие повреждаю- щего (альтерирующего) фактора 2. Неспецифическая реакция клетки 3. Паранекроз (обратимое повреждение) 4. Некробиоз («агония» клетки) 5. Некроз
Типы клеточной гибели в организме
Стадии хронического повреждения клетки 1. Аварийная Повышение функций оставшихся структур, активация генетического аппарата клетки → активация синтетических процессов 2. Стадия устойчивой адаптации Гипертрофия и гиперплазия структур клетки, стабилизация синтеза РНК, белков и АТФ 3. Стадия дистрофических изменений и гибели клетки
Обусловлены особенностью (специфическим действием) этиологического фактора: цианиды блокада цитохромоксидазы; механическое воздействие разрыв мембран; высокая температура коагуляция белков; ПРОЯВЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК Специфические Неспецифические Специфические
Сопровождают любое повреждение клеток: Неспецифические повышение проницаемости мембран угнетение активности транспортных ферментов, мембранных насосов нарушение рецепторного аппарата клеток нарушение ионного состава клетки нарушение процессов энергообразования внутриклеточный ацидоз изменение мембранного потенциала
1. изменение размеров (набухание или сморщивание) 2. изменение формы вследствие нарушения контактов со смежными клетками и поддерживающими структурами 3. изменения органоидов (ядра, митохондрий, мембран и др.) 4. изменение окраски вследствие нарушения проницаемости мембран, изменения рН и т.д. Морфологические признаки повреждения клетки
1. Снижение подвижности 2. Нарушение или прекращение деления 3. Изменения проницаемости мембран 4. Появление цитоплазматических ферментов в крови 5. Нарушения обмена веществ увеличение хемолюминесценции 6. Появление новых, необычных функций Функциональные признаки повреждения клетки
АлАТ – аланинаминотрансфераза АсАТ – аспартаминотрансфераза ЛДГ – лактатдегидрогеназа КФК – креатинфосфокиназа при повреждении клеток сердечной мышцы: АсАТ, КФК, ЛДГ при повреждении клеток печени: АлАТ, АСТ, ЛДГ Внутриклеточные ферменты
нарушения сигнализации нарушения восприятии (рецепции) сигналов нарушения функционирования пострецепторных механизмов технические и технологические дефекты клеточных программ Информационные аспекты повреждения клетки
Рецептор: блокада, стимуляция Пострецепторный передатчик: блокада; ложная стимуляция Программа, не соответствующая ситуации мутация исполнительный аппарат ( повреждение ) Клеточные сигналы: гормоны, медиаторы, антитела, субстраты Управляющие агенты: гормоны, медиаторы, антитела, субстраты, ионы ( ↑,↓, мимикрия) (ложная стимуляция)
Механизмы повреждения клеток 1. Нарушение энергетического обеспечения клеток 2. Повреждение клеточных мембран и ферментных систем клеток 3. Нарушение механизмов пластического обеспечения клетки и деятельности ядра (генетической программы) 4. Дисбаланс ионов и жидкости в клетке 5. Расстройство внутриклеточных механизмов регуля- ции функции клеток
Ишемическое повреждение является универсальной типовой формой повреждения клетки. Возникает при системных и местных нарушениях кровообращения. В его основе лежит явление острой гипоксии (кислородного голодания) тканей и клеток. Нарушение энергообеспечения клетки Ишемическое повреждение
О 2 острая гипоксия АТФ АДФ и АМФ программа фосфофруктокиназа ФФК анаэробный гликолиз гликоген лактат ацидоз pH ФФК АТФ энергодефицит калий-натриевый насос K Na в клетке + H 2 O Гипергидратация заряд мембран повреждение цитоскелета возбудимость протеазы Ca фосфолипазы повреждение мембран ферменты нарушение обмена веществ
а) Снижение процессов ресинтеза АТФ
Дефицит кислорода или субстратов метаболизма Повреждение митохондрий Снижение актив - ности ферментов тканевого дыхания
б) Нарушение внутриклеточного транспорта энергии АТФ МИТОХОНДРИЯ АТФ-аза КФ АТФ КФК Кр АДФ КФ КФ КФК Кр Кр в) Нарушение использования энергии АТФ
АТФ функции клетки АНАЭРОБНОГО ГЛИКОЛИЗА ЛАКТАТА АЦИДОЗ АКТИВАЦИЯ ЛИЗОСОМАЛЬНЫХ ФЕРМЕНТОВ АУТОЛИЗ ИОННЫЙ ДИСБАЛАНС КАЛЬЦИЯ АКТИВАЦИЯ ГИДРОЛАЗ
Активация ПОЛ Активация мембранных фосфолипаз и других гидролаз Осмотическое (механическое) повреждение мембран Адсорбция на липидном слое крупномолекулярных комплексов, в том числе иммунное повреждение
Для гибели клетки достаточно одного отверстия в мембране диаметром 10 нм Образование множества отверстий приводит к осмотическому вздутию и взрыву клетки Антитела и активированный комплемент могут проникать внутрь клетки и разрушать внутриклеточные мембраны
Функции плазмолеммы
Недостаточность K/Na насоса Входной ток Ca ++ Активация мембранных фосфолипаз Арахидоновый каскад Появление липидных медиаторов воспаления Входной ток Na + и H 2 O Набухание клетки Повреждение плазматической мембраны Сглаживание ионных градиентов Нарушение клеточной коммуникации и межклеточной среды
В патогенезе повреждения ведущую роль играют активные кислородсодержащие радикалы (АКР). АКР – это высокотоксичные химически активные соединения, способные повреждать клеточные мембраны, хромосомный аппарат и белки. Отнимая электроны у различных молекул, свободные радикалы могут запускать цепные реакции повреждения мембран. Механизмы повреждения клеточных мембран
Процесс ПОЛ можно разделить на три этапа: 1 этап - кислородной инициации. 2 этап - образование свободных радикалов 3 этап - образование перекисей. Механизмы повреждения клеточных мембран Свободнорадикальное (перекисное) окисление липидов (ПОЛ) представляет собой разветвленную цепную реакцию, регулируемую ионами 2-х валентного железа
˚ O 2 ¯ О 2 ē c упероксид- R Н + + 2 H 2 O 2 супероксиддисмутаза Fe +2 ОH ¯ + LH фосфолипид H 2 O L ˚ + радикал липида О 2 + LOO ˚ Липоперекись LH L ˚ + LOO Н гидроперекись гидроксил- R HO˚ Fe +2 LO ˚ + HO˚ LH LH LH цитохром Р 450
А) Образование свободных радикалов Воспаление Радиация Химические агенты Реперфузия Пероксидное окисление мембран Фрагментация ДНК Разрушение белков В) Повреждение клетки свободными радикалами С) Антиоксидантная защита клетки
прооксидантов (ионы Fe 2 +, нафтохиноны, липоевая кислота, продукты метаболизма простагландинов и катехоламинов) антиоксидантов: Ферментативное звено - каталаза, глутатион-пероксидаза, супероксиддисмутаза, церуло-плазмин Неферментативное звено - рибофлавин, рети-нол, витамин Е (токоферол), витамин С.
Прооксидантная система Антиоксидант-ная система ОКСИДАТИВНЫЙ СТРЕСС 1) Супероксидный анион О 2 2) Синглетный кислород 3) Оксигалиды 4) NO и др. активные радикалы 1) Каталаза 2) СОД 3) Глутатионпироксидаза 4) Вит. А, Е, С 5) Биофлавоноиды, липоевая к-та, каротин
ПРООКСИДАНТЫ Вит Д, НАДФН2, НАДН2, продукты метаболизма простагландинов и катехоламинов, металлы с переменной валентностью АНТИОКСИДАНТЫ СОД, каталаза, глутатионперок-сидаза, вит. Е, белки, содержащие SH -группы, глютатион, цистеин, церуллоплазмин, трансферин ПОЛ
Изменение физико-химических свойств, биохимического состава и структуры мембран клеток, разрушение нуклеиновых кислот, инактивация сульфгидрильных групп белков, подавление процессов окислительного фосфорилирования ПОЛ
ишемия яды змей, пауков, укусы пчел увеличение содержания кальция в клетке повышение проницаемости лизосомальных мембран разрушение фосфолипидов мембран, цитоскелета клетки
Осмотическое давление внутри клетки Осмотическое давление внеклеточного сектора Н 2 О Сморщивание клетки
Осмотическое давление внутри клетки Осмотическое давление внеклеточного сектора Н 2 О Разрыв мембран (осмотический гемолиз эритроцитов) Набухание клетки
Причины: взаимодействие антител с рецепторами на поверхности мембран образование иммунных комплексов активация компонентов комплемента активация лимфоцитов-киллеров активация макрофагов комплекс с С5 по С9 компонентов комплемента, белок лимфоцитов-киллеров перфорин образование каналов в мембране лизосомальные ферменты, свободные радикалы кислорода
Повышение проницаемости Нарушение барьерной функции, гиперферментемия, ионный дисбаланс, увеличение сорбционной способности, развитие аутоиммунных процессов Нарушение рецепторной функции Нарушение процессов ионного транспорта и выработки энергии Нарушение мембранного потенциала покоя и потенциала действия нарушение генерации и передачи электрических импульсов Нарушение клеточного метаболизма и развитие внутриклеточного ацидоза
Причины Повреждение мембран Энергетический дефицит К+ Na +, Ca++ Н 2 О P осм. Гиперкалиемия мембранного потенциала отек клетки
Активация мембранных фосфолипаз, кальцийзависимых протеаз разобщение окисления и фосфорилирования в митохондриях стойкое сокращение миофибрилл (контрактуры) снижение адренореактивности
Некроз Апоптоз – генетически запрограммированная гибель клетки
Некроз – генетически не запрограммированная смерть клеток или тканей в живом организме. Отличается от апоптоза – большим объемом и несбалансированностью с синтетическими процессами.
Паранекроз - нарастающая дистрофия обратимого характера. Некробиоз - необратимые дистрофические изменения, при которых характерно преобладание катаболических реакций над анаболическими Смерть клетки - прекращение осуществле-ния ее специфической функции. Определить время наступления данной стадии трудно. Аутолиз - разложение мертвого субстрата под действием гидролитических ферментов погибших клеток, нейтрофилов и макрофагов.
Форма гибели клеток, возникающая под действием вне- и внутриклеточных факторов, осуществляемая путем включения специальных внутриклеточных процессов, регулируемая особыми генетическими программами
макрофаг Fas-лиганд «рецептор смерти» Т-киллер перфорин агрегация и конденсация ядра и цитоплазмы апоптические тельца
Устранении клеток во время эмбриогенеза, Инволюции гормонально-зависимых органов после снижения действия соответствующего гормона (отторжение эндометрия во время менструации), Смерть клеток в опухолях (р53), Смерть иммунных клеток В- и Т- лимфоцитов после прекращения стимулирующего действия на них цитокинов, 5. Атрофия паренхиматозных органов, 6. Клеточные повреждения при некоторых вирусных инфек-циях (тельца Каунсильмена при вирусном гепатите В), 7. Клеточная смерть (при умеренных термических повреждениях, радиации, гипоксии, под действием цитотоксических противоопухолевых препаратов), 8. Роговая дистрофия (кератинизация) – вариант апоптоза. АПОПТОЗ встречается при:
Инициации Программирования Реализации программы Фагоцитоз апоптозных телец
Внешние по отношению к клетке стимулы: свободные радикалы фактор некроза опухолей прекращение поступления к клетке регуляторных сигналов (факторов роста, гормонов) Неразрешимые внутриклеточные конфликты: невозможность репарации ДНК увеличение внутриклеточного кальция Прямая активация эффекторных каспаз и эндонуклеаз (минуя геном клетки) через адапторные белки, гранзимы и цитохром С Активация генов апоптоза « bax » и др., инактивация генов антиапоптоза ( bcl -2 и др.)
активация каспаз и эндонуклеаз фрагментация ДНК образование апоптозных телец фагоцитоз апоптозных телец
Некроз Апоптоз Смерть поврежденной клетки Программированная гибель клетки Отмечается необратимое прекращение жизнедеятель-ности, которому предшествует состояние паранекроза и некробиоза Программа апоптоза запускается информационным сигналом Является завершающим этапом клеточных дистрофий Завершается фагоцитозом фрагментов разрушенной клетки Является следствием действия на клетку высоко патогенных факторов Наступает в ходе многих естественных процессов и при адаптации клетки к повреждающим факторам Различия между некрозом и апоптозом # 1
Некроз Апоптоз Морфологически отмечается кариопикноз или кариолизис, набухание, сморщивание, кальциноз в митохондриях Морфологически отмечает-ся конденсация и фрагмен-тация цитоплазмы, конденсация и рексис ядра При лизисе клетки происходит освобождение содержимого в межклеточное пространство, что сопровождается развитием воспаления Не сопровождается развитием воспаления Лизис некротизированной клет-ки может происходить под влия-нием ферментов лизосом (ауто-лиз) и фагоцитозом (гетероли-зис), без использования энергии Энергозависимый процесс, требует синтеза белка Различия между некрозом и апоптозом #2
Механизмы защиты клеток 1. Компенсация нарушений энергетического обеспечения 2. Защита мембран и ферментов 3. Восстановление баланса ионов 4. Устранение нарушений генетических программ 5. Ликвидация нарушений внутриклеточной регуляции
Ограничение функциональной активности клетки Активация анаэробного гликолиза Интенсификация ресинтеза АТФ в неповрежденных митохондриях Активация ферментов транспорта и утилизации АТФ Повышение синтеза антиоксидантных ферментов Активация механизмов репарации компонентов мембран
Активация микросомального окисления в гепатоцитах Активация буферных систем Активация синтеза ферментов системы детоксикации Активация синтеза цитокинов (интерферонов) Активация синтеза белков «теплового шока» Гиперплазия и гипертрофия субклеточных структур ЗАЩИТНО-КОМПЕНСАТОРНЫЕ РЕАКЦИИ ПРИ ПОВРЕЖДЕНИИ КЛЕТКИ
Благодарю за внимание!
НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В ПРЕДОТВРАЩЕНИИ НЕЙРОДЕГЕНЕРАЦИИ
Торможение начальных стадий патогенетического каскада Обнаружение новых важнейших внутриклеточных мишеней для действия фармакологических препаратов
Патогенетические механизмы нейродегенеративных заболеваний ( Взято с изменениями из K.A Jellinger. What is new in neurodegenerative dementia disorders? Wien. Klin. Wochenschr., 1999, 111/17:682-704)
1. Патология белка или протеинопатии 2. Нейровоспаление ( цитокины ) 3. M итохондрии как «бутылочное горлышко»
А. П атология белка или протеинопатии
Накопление белков или продуктов их метаболизма ( - синуклеин при болезни Паркинсона, белок βA4 при болезни Альцгеймера ) Накопление структурно-неполноценн ы х белков, которые не могут быть подвергнуты ферментативному расщеплению из-за их конформационных изменений (cystic fibrosis, сахарный диабет ) Накопление патологических прионов, напр., болезнь Creutzfeld-Jacobs’a Патология белка или протеинопатии
Патологическое накопление протеинов ( кластеров ) является “ чужеродным ” (неестественным) для клетки. Они не могут быть инактивированы (расщеплены ферментативно ) вследствие своей структурной неполноценности. Клетки реагируют на них как на стрессовые факторы гиперизбыточным синтезом цитокинов и свободных радикалов, накоплением внутриклеточного Ca 2+, ацитодозом, что в совокупности приводит к гибели клеток. Патология белка или протеинопатии
Болезнь Белок Болезнь Альцгеймера Болезнь Крейнцфельд-Якобса Латеральный амиотрофический склероз Болезнь Паркинсона Болезнь Гентингтона A -амилоид ( разновидность кластера белка A 4) Белки прионы Co/Zn супероксид дисмутаза - синуклеин ( представлен в виде телец Леви ) Гентингтин, накопление полиглютамина Патология белка или протеинопатии
Б. НЕЙРОВОСПАЛЕНИЕ
Накопление цитокинов в нейронах. Нейротоксичными являются : интерлейкины 1 и 6 ( ИЛ -1 и ИЛ -6) фактор некроза опухоли- α ( ФНО -α). Другие воспалительные нейротрансмиттеры : простагландины серотонин гистамин брадикинин Cunningham C., Konsman J-P, Cartmell T. Cytokines and the aging brain. TINS, 2002, 25: 546-547
Нестероидные противовоспалительные препараты ( ингибиторы ЦОГ ): a спирин, индометацин, диклофенак. Глюкокортикостероиды ( строиды ), напр., пренизолон ( подавляет выработку цитокинов ) Антималярийные препараты – хлорохин, колхицин. Эти препараты могут оказывать положительные эффекты при болезни Альцгеймера.
В. МИТОХОНДРИИ
Митохондрии накапливают энергию в виде АТФ. Митохондрии человека ежедневно генерируют впечатляющее количество энергии – 65 кг АТФ. Митохондриальная недостаточность проявляется при любом симптоме, при патологии любого органа, в любом возрасте ( напр., деменция, глухота, диабет ). (N.Lane, Powerhouse of disease. Nature, 2006, 30 March, 600-602)
Нарушения митохондрий показаны при : Болезни Паркинсона Болезни Альцгеймера Заболеваниях сердца Синдромах, связанных с утомлением Многочисленных генетических поломках Нуклеозидной терапии при СПИДе
Формирование дефицитарного комплекса І является основным этиопатогенетическим фактором при болезни Паркинсона
Окончательно благодарю за внимание!
