Патофізіологія клітини

ПАТОФІЗІОЛОГІЯ КЛІТИНИ.

МЕХАНІЗМИ ПОШКОДЖЕННЯ КЛІТИН.

ДІЯ ПРОМЕНЕВОЇ ЕНЕРГІЇ НА ОРГАНІЗМ

 

ПАТОФІЗІОЛОГІЯ КЛІТИНИ.

МЕХАНІЗМИ ПОШКОДЖЕННЯ КЛІТИН

 

         Пошкодження клітини ‑ типовий патологічний процес, в основі якого лежить порушення сталосі внутрішньоклітинного складу клітини (гомеостазу), що зумовлює порушення структурної цілісності клітини та її функціональних властивостей.

         Пошкодження клітини може бути мітотичним і інтерфазним, в залежності від періоду життєвого циклу, у який діє пошкоджуючий чинник. Розрізняють пошкодження зворотне і незворотне, у залежності від ступеня порушення внутрішньоклітинного гомеостазу і можливості організму повернутися до вихідного рівня.

         В залежності від вираженості основних проявів і швидкості розвитку пошкодження клітини може бути гострим і хронічним. Гостре ушкодження розвивається швидко, як результат однократного і інтенсивного впливу пошкоджуючого чинника. Хронічне пошкодження характеризується повільним протіканням і є наслідком менш інтенсивних, але багаторазових патогенних впливів.

 

 

         Виділяють два патогенетичних варіанти пошкодження клітин: цитопатичний і насильницький.

         Цитопатичний варіант.

         Виникає в результаті первинного порушення захисно-компенсаторних гомеостатичних механізмів клітини. У цьому випадку фактором, що запускає патогенетичні механізми пошкодження, є природні для даної клітини стимули, що у цих умовах стають пошкоджуючими. До цього варіанту відносяться усі види ушкодження клітини внаслідок відсутності яких-небудь необхідних їй компонентів (гіпоксичне, при голодуванні, гіповітамінозне, нервовотрофічне, при антиоксидантній недостатності, при генетичних дефектах і ін.). До цитопатичного пошкодження найбільш чутливі ті клітини, функціональна активність яких у природних умовах дуже висока (нейрони, кардіоміоцити)

         Насильницький варіант.

         Розвивається у випадку дії на здорову клітину фізичних, хімічних і біологічних факторів, інтенсивність яких перевищує звичайні впливи, до яких клітка адаптована. Найбільш чутливі до даного варіанту пошкодження функціонально малоактивні клітини, що володіють малою потужністю власних гомеостатических механізмів

         Етіологія.

         Пошкодження клітини можуть виникати як у результаті безпосереднього впливу на клітину патогенного агента, так і опосредковано, внаслідок порушень гомеостазу самого організму.

         Первинне (безпосереднє) пошкодження.

         Усі фактори, які при взаємодії з клітиною можуть викликати її пошкодження, можна розділити на три групи:

 

 

 

 

·       Фактори фізичного походження:

·        Механічний вплив

·        Дія високої і низької температури

·        Ультрафіолетові промені

·        Іонізуюча радіація

·       Фактори хімічного походження:

·        Неорганічні речовини (кислоти, луги, солі важких металів)

·        Низькомолекулярні органічні сполуки (феноли, альдегіди)

·        Високомолекулярні сполуки (гідролітичні ферменти, основні катіонні білки, імуноглобуліни, комплекси антиген-антитіло, комплемент)

·       Фактори біологічної походження:

·        Віруси

·        Бактерії

·        Найпростіші

 

 

 

         Ці фактори чинять безпосередній пошкоджуючий вплив на клітину, зумовлюючи первинне порушення її структури і функції.

         Вторинне (опосередковане) пошкодження виникає внаслідок первинних порушень гомеостазу організму. Так, до ушкодження клітини приводять гіповітамінози, гіпоксія, гіпер- і гіпотермія, алкалоз і ацидоз, гіпер- і гіпоосмія, гіпоглікемія, підвищення вмісту в організмі кінцевих продуктів метаболізму, які мають токсичну дію (білірубін, аміак).

         Патогенез.

         Можна виділити шість груп молекулярних механізмів, які мають важливе значення в патогенезі ушкодження клітини: ліпідні, кальцієві, електролітно-осмотичні, ацидотичні, протеїнові і нуклеїнові.

         1. Ліпідні механізми ушкодження клітини включають в себе кілька груп реакцій:

·                   ативація мембранних фосфоліпаз

         Активація мембранних фосфоліпаз. У патогенезі ушкодження клітини важливе значення має надмірна активація фосфоліпазы А₂ ‑ ферменту, що здійснює гідролітичне відщеплення ненасиченої жирної кислоти ‑ одного з двох гідрофобних хвостів молекули фосфоліпіду. Ненасичені жирні кислоти (арахідонова, пентаноєнова й ін.) витрачаються на утворення фізіологічно активних сполук ‑ простагландинів і лейкотрієнів. Частина молекули фосфоліпіду (лізофосфоліпід) що залишилася, має лише один жирнокислотний “хвіст”, унаслідок чого має здатність до міцеллооутворення і є дуже сильним детергентом. З детергентним впливом лізофосфоліпідів зв’язане ушкодження клітинних мембран в умовах надмірної активації фосфоліпази А₂. Основним фактором, що викликає таку активацію, є висока концентрація іонів Ca у цитоплазмі клітини

·          перекисне окислення ліпідів

 

 

         Перекисним окисленням ліпідів (ПОЛ) називається вільнорадикальне окислення ненасичених жирних кислот, що входять до складу фосфоліпідів клітинних мембран. Ініціаторами ПОЛ є вільні радикали, серед яких найбільше значення мають: О₂^– — супероксидний аніон-радикал (у водному середовищі знаходиться у виді НО₂ ); ОН^• — гідроксильний радикал; Н^• — водневий радикал; О₂ — синглетний (збуджений) кисень, у якого один з електронів перейшов на більш високий енергетичний рівень.

         У процесі ушкодження клітини можливі 2 механізми активації ПОЛ.

Перший механізм — надлишкове утворення первинних вільних радикалів. У такій ситуації наявні в клітині антиоксидантні системи не в змозі “згасити” реакції ПОЛ. При даному механізмі відбувається активація ПОЛ у випадку пошкоджуючого впливу на клітину ультрафіолетових променів, іонізуючої радіації, гІпероксії, в умовах сильного стресу (утворення вільних радикалів з катехоламінов); при гіпервітамінозі Д (утворення вільних радикалів у результаті процесів аутоокисления ергокальциферолу).

Другий механізм активації ПОЛ — порушення функціонування антиоксидантних систем клітини. У цьому випадку ініціаторами ПОЛ є первинні вільні радикали, що утворяться в процесі обміну речовин. Антиоксидантна недостатність може бути обумовлена спадковими і набутими порушеннями синтезу антиоксидантних ферментів (супероксиддисмутази, каталази, глутатіонпероксидази, глутатіонредуктази); дефіцитом заліза, міді, селену, необхідних для функціонування цих ферментів; гіповітамінозом Е, С; порушеннями циклу Кребса, у реакціях яких утворяться НАДФН і НАДН, що забезпечують відновлення справжніх і допоміжних антиоксидантів і, нарешті, дією детергентів, унаслідок чого порушується формування ліпідного бішару мембран. Незалежно від механізму активації ПОЛ у клітині розвиваються тяжкі зміни, пов’язані з порушеннями бар’єрної і матричної функції клітинних мембран.

 

 

·        детергентну дію вільних жирних кислот

Детергентна дія надлишку вільних жирних кислот. Вільні жирні кислоти у великих концентраціях, так само як і лізофосфоліпіди, здійснюють детергентну дія і викликають порушення ліпідного бішару мембран. Можна виділити чотири основних механізми підвищення вмісту вільних жирних кислот у клітині:

·        посилене надходження вільних жирних кислот у клітину при гіперліпоцидемії (підвищенні концентрації вільних жирних кислот у крові), що спостерігається при активації ліполизу в жировій тканині, зокрема, при стресі, цукровому діабеті;

·        посилене звільнення вільних жирних кислот з фосфоліпідів мембран під дією вже згадуваних мембранних фосфоліпаз;

·        посилене вивільнення вільних жирних кислот у лізосомах із тригліцеридної частини ліпопротеїдів, що надходять у клітину, що має місце в умовах гіперліпопротеїнемії, яка супроводжуює розвиток атеросклерозу;

·        порушення використання клітиною вільних жирних кислот як джерела енергії, що відмічається при зменшенні активності циклу Кребса, а також при гіпоксії.

 

         Ліпідні механізми ушкодження приводять до порушення двох основних функцій ліпідного бішару клітинних мембран: матричної і бар’єрної .

         Сутність матричної функції ліпідного бішару мембран полягає в тому, що в ньому вмонтовані мембранні ферменти і деякі спеціалізовані білки. У процесі ПОЛ порушується активність мембранних ферментів у зв’язку зі зміною їхнього ліпідного мікрооточення. Крім того, у ході реакцій ПОЛ може відбутися утворення “зшивок” між молекулами білків і фосфоліпідів, а також окислення сульфгідрильних груп активних центрів, що приводить до необоротної інактивації ферментів

         В основі порушення бар’єрної функції мембран лежать два основних механізми: іонофорний і механізм електричного пробою.

         Перший з них обумовлений появою в клітині речовин, що володіють властивостями сполук, здатних полегшувати дифузію іонів через мембрану завдяки утворенню прохідних через її шари комплексів іона і іонофору. У процесі активації перекисного окислення ліпідів серед проміжних продуктів його реакцій з’являються речовини — іонофори стосовно іонів кальцію і водню, у результаті чого підвищується проникність клітинних мембран для зазначених іонів.

         Другий механізм (“самопробою”) реалізується за рахунок існуючої на багатьох мембранах (плазматичній, внутрішній мітохондріальній) різниці потенціалів. У результаті появи гідрофільних продуктів перекисного окислення ліпідів, а також внаслідок детергентної дії лізофосфоліпідів і надлишку вільних жирних кислот порушуються електроізолюючі властивості гідрофобного шару клітинних мембран, зменшується їх електрична стабільність, що приводить до електричного пробою мембрани, тобто до електромеханічного її розриву з утворенням нових трансмембранних каналів іонної провідності

 

1.     Кальцієві механізми.

         Ряд важливих патогенетических механізмів пошкодження клітини виникає внаслідок підвищення концентрації іонів кальцію в її цитоплазмі. В основі цього можуть лежати 2 механізми:

·       надлишкове надходження іонів кальцію у цитоплазму

         Надлишкове надходження іонізованого кальцію в цитоплазму може здійснюватися через неушкоджену плазматичну мембрану у випадку підвищення градієнта його концентрації, наприклад при гиперкальціємії. Однак набагато частіше надходження кальцію в цитоплазму підсилюється в результаті порушення бар’єрної функції мембран, як це має місце в умовах активації вже розглянутих ліпідних механізмів ушкодження клітини

·       порушення видалення іонів кальцію з цитоплазми.

         Видалення іонів Ca з цитоплазми порушується внаслідок недостатності трьох основних кальційтранспортуючих систем клітини:

·        Ca-насосів плазматичної мембрани і ендоплазматического ретикулуму;

·        Na-Ca-обмінного механізму

·        Ca-акумулюючої функції мітохондрій

 

         Стійке підвищення вмісту іонів Ca у цитоплазмі викликає:

·              порушення специфічних функцій клітини, у здійсненні яких беруть участь іони Ca;

         Наприклад, розвиток контрактури міофибрил м’язових клітин. При цьому втрачається здатність таких клітин до розслаблення, а скорочені міофибрили піддаються руйнуванню під дією активованих надлишком кальцію протеолітичних ферментів

·              активацію фосфоліпази А₂;

·               роз’єднання окислення і фосфорилювання. В умовах підвищення концентрації іонів кальцію ву цитоплазмі цей ефект виникає в результаті використання енергії клітинного дихання не на синтез АТФ, а на транспорт кальцію з цитоплазми в мітохондрії.

        

2.     Електролітно-осмотичні механізми.

         Вони виникають внаслідок дисбалансу головних клітинних катіонів: Na і К. Вирівнювання концентрацій цих іонів по обидві сторони плазматичної мембрани зумовлює збільшення внутрішньоклітинної концентрації іонів Na і зменшенню концентрації іонів К в клітині. В основі зазначених зрушень можуть лежати два механізми:

·       посилена дифузія іонів через плазматичну мембрану

Посилення дифузії іонів Na у клітину і вихід іонів К із клітини можуть відбуватися як через неушкоджену плазматичну мембрану в умовах загальних порушень водно-електролітного обміну в організмі (гіпернатріємія, гіпокаліємія), так і при порушенні бар’єрної функції плазматичної мембрани. Переміщення іонів Na і К в цих випадках здійснюється через канали іонної провідності за рахунок існуючих концентраційних і електричних градієнтів.

·       порушення механізмів активного транспорту Na і К, що забезпечують підтримку концентраційних градієнтів даних іонів.

Основу порушень активного транспорту іонів Na і К через плазматичну мембрану складає недостатність Nа-К-насосів. Головною причиною порушень роботи цих механізмів є дефіцит АТФ, за рахунок енергії якого досягається переміщення іонів Na і К проти електрохімічного градієнта. Оскільки основним джерелом АТФ для Nа-К-насосів є гліколіз, то порушення цього процесу при недостатньому надходженні глюкози в клітину або зменшенні активності відповідних ферментів буде приводити до електролітних зрушень. Причиною порушення функції Nа-К-насосів може бути також зміна властивостей ліпідного шару зовнішньої клітинної мембрани і, зокрема, збільшення змісту в ньому холестерину, що спостерігається при атеросклерозі.

         Зрушення електролітного складу клітини в процесі її пошкодження виявляються розвитком ряду змін, серед яких найбільш важливими є:

·       Втрата клітиною потенціалу спокою

·       Набряк клітини

·       Осмотичне розтягнення мембран, що приводить до порушення їхньої бар’єрної функції.

        

3.     Ацидотичні механізми.

         В основі цієї групи механізмів лежить внутрішньоклітинний ацидоз внаслідок збільшення концентрації іонів водню в клітині. Внутрішньоклітинний ацидоз обумовлений декількома механізмами:

·       надлишковим утворенням кислих продуктів у клітині

Відмічається при активації гліколізу (молочна кислота), порушеннях циклу Кребса, гідролітичному розщепленні фосфоліпідів клітинних мембран (жирні кислоти, фосфорна кислота), посиленому розпаді вільних аденінових нуклеотидів (фосфорна кислота)

·                   надлишковим надходженням іонів водню в клітину з позаклітинного середовища. ане порушення спостерігається в умовах загальних змін кислотно-основного гомеостазу в організмі — при декомпенсованих газовому і негазовому ацидозі

·       порушенням зв’язування іонів водню в результаті недостатності буферних систем клітини

·       порушенням виведення іонів водню з клітки при недостатності Nа-К-обмінного механізму цитоплазматичної мембрани

Підвищення внутрішньоклітинної концентрації іонів водню приводить до розвитку ряду змін:

·        підвищення активності гідролітичних лізосомальних ферментів

·        підвищення проникності клітинних мембран (внаслідок зміни рідинного стану мембранних ліпідів)

·        порушення функціональних властивостей білків (у результаті змін конформації їхніх молекул)

 

    5. Протеїнові механізми включають:

·                   Денатурацію ‑ порушення нативної структури білкових молекул у результаті змін вторинної і третинної структури білка, внаслідок розриву нековалентних зв’язків

·        Пригнічення активності ферментів

·        Протеоліз під дією лізосомальних гідролітичних ферментів (катепсинів) і Ca-активованих протеаз.

 

 

         6. Нуклеїнові механізми пошкодження клітин: складають порушення реплікації ДНК, транскрипції і трансляції.

         Реалізація даних молекулярних механізмів ушкодження клітини на субклітинному рівні приводить до порушення будови і функції окремих її органел. Оскільки більшість з них є мембранними утвореннями, то універсальним механізмом пошкодження субклітинних структур є порушення проникності і цілісності клітинних мембран.

            Для прикладу, гіпоксія, як один з найчастіших факторів пошкодження, здатна запускати каскад таких механізмів пошкодження клітин, як активація перекисного окиснення ліпідів, ацидотичний, згодом до них приєднується електролітно-осмотичний і інші. Однією з найчутливіших до гіпоксії тканин є нервова:

 

 

         У відповідь на пошкодження виникають захисно-компенсаторні реакції, спрямовані на повернення до вихідного структурного і функціонального рівня. Всі різноманітні захисно-компенсаторні реакції клітини у відповідь на її ушкодження можна умовно розділити на дві групи:

·        спрямовані на відновлення порушеного внутрішньоклітинного гомеостазу

         Перша група містить у собі активацію механізмів активного транспорту іонів, репаративний синтез ушкоджених компонентів клітини, посилену регенерацію антиоксидантних систем і ін. Неодмінною умовою реалізації цих механізмів є достатнє енергетичне забезпечення клітини. Це досягається, з одного боку, підвищенням інтенсивності енергетичного обміну, а з іншої, перерозподілом наявних у клітині енергетичних ресурсів

·                    спрямовані на створення функціонального спокою ушкодженої клітини

         Ця група реакцій спрямована на те, щоб усунути можливі додаткові зрушення внутрішньоклітинного гомеостазу при дії фізіологічних нервових і гуморальних пошкоджуючих факторів, (стабілізація ушкодження) і звести до мінімуму енергетичні витрати на виконання специфічних функцій клітини, забезпечивши в такий спосіб енергетичні ресурси для відновлення порушеного гомеостазу. Прикладом може служити утворення в ушкодженій клітині простагландинів, що інгібують аденилатциклазу і тим самим “охороняють” клітину від дії цілого ряду медіаторів і гормонів (катехоламінів, тироксину й ін.). При повному дефосфорилюванні АТФ утвориться аденозин, що, будучи природним блокатором кальцієвих каналів плазматичної мембрани, перешкоджає запускові Ca-опосередкованих клітинних функцій.

         Усі зміни, спрямовані на забезпечення функціонального спокою ушкодженої клітини, мають подвійне значення. З одного боку, вони є захисно-компенсаторними для самої клітини, оскільки допомагають їй вижити в умовах дії пошкоджуючого фактора, а з іншого боку, вони мають несприятливе значення для організму в цілому, у тому випадку, якщо вони відбуваються в клітинах життєво важливих органів.

 

         Наслідками пошкодження клітини можуть бути дистрофія, некроз, апоптоз.

 

МЕХАНІЗМИ ЗАПРОГРАМОВАНОЇ КЛІТИННОЇ ЗАГИБЕЛІ. АПОПТОЗ

 

Апоптоз – це генетично запрограмований шлях клітинної смерті, необхідний у розвитку багатоклітинного організму і бере участь у підтриманні тканинного гомеостазу. Цей механізм, як відомо, викликається різними стимулами: зв’язуванням з рецепторами специфічних кілерних лігандів, браком факторів росту, ушкодженнями ДНК і руйнуваннями цитоскелету клітини, гіпоксією та іншими несприятливими умовами.

 

 

При фенотипічному описі апоптозу було помічено, що цей процес зустрічається в більшості, якщо не у всіх, типах клітин організму. В основі цієї гіпотези лежала морфологічна подібність у клітинах різних тканин, в яких виникає цей стан. Для таких клітин характерні зміни, серед яких одними з перших є зморщення клітини і втрата нею контактів з навколишніми клітинами і міжклітинним матриксом. На ранніх стадіях апоптозу плазматична мембрана вмираючої клітини залишається інтактною. Клітина посилає сигнали, і навколишні клітини дізнаються і фагоцитують її. Одним з таких сигналів є експозиція на поверхні фосфатидилсерину. Це відбувається ще до зниження мітохондріального трансмембранного потенціалу і вивільнення цитохрому С. Для полегшення свого поглинання, апоптотичні клітини зменшують свій обєм, викачуючи іони (К, С1-, органічні осмоліти), і зморщуються, перебудовуючи цитоскелет. Крім того, плазматична мембрана клітини починає утворювати бульбашки, що за відсутності фагоцитозу призводить до формування апоптозних тілець, які містять конденсовані або морфологічно не змінені органели. Також зморщення клітини зазвичай супроводжується ущільненням ядерного вмісту.

 

 

Відбувається агрегація хроматину та фрагментація ядра. В багатьох наукових роботах було показано, що після індукції апоптозу розщеплення ДНК починається з високомолекулярних фрагментів довжиною 50-300 н., що за розміром приблизно відповідає довжині ДНК в петлях хромосом. Потім ці фрагменти зазвичай розпадаються до нуклеосом і їх олігомерів. Більшість з перерахованих вище змін можна легко помітити під мікроскопом. Апоптоз має свої характерні морфологічні ознаки як на світлооптичному, так і на ультраструктурному рівні. При забарвленні гематоксиліном та еозином апоптоз визначається в поодиноких клітинах або невеликих групах клітин. Апоптотичні клітини виглядають як округлі або овальні скупчення інтенсивно еозинофільної цитоплазми зі щільними фрагментами ядерного хроматину. Оскільки зменшення клітини і формування апоптотичних тілець відбувається швидко і також швидко вони фагоцитуються, розпадаються або викидаються в просвіт органа, то на гістологічних препаратах він виявляється у випадках його значної вираженості. До того ж апоптоз, на відміну від некрозу, – ніколи не супроводжується запальною реакцією, що також ускладнює його гістологічне виявлення.

Апоптоз відрізняється від некрозу за кількістю залучених в процес клітин, за основними біохімічними та морфологічними показниками. При апоптозі зберігається цілісність плазматичної мембрани і відсутня запальна відповідь.

На даному рисунку зображено приклад некрозу тканини

 

У даній таблиці наведено дані порівняльної характеристики некрозу і апоптозу :

 

 

Зміна морфологічних ознак більш чітко виявляється з допомогою електронно-мікроскопічних досліджень. Для клітин, які піддаються апоптозу, характерне:

Зморщення клітини.

Клітина зменшується в розмірах; цитоплазма ущільнюється; органели, які виглядають відносно нормальними, розташовуються більш компактно. Очевидно, що порушення форми та обєму клітини відбувається в результаті активації в апоптотичних клітинах трансглютамінази. Цей фермент викликає прогресивне утворення перехресних зв’язків в цитоплазматичних білках, що призводить до формування своєрідної оболонки під клітинною мембраною, подібно зроговілих клітин епітелію.

Конденсація хроматину.

Це найбільш характерний прояв апоптозу. Хроматин конденсується по периферії, під мембраною ядра, при цьому утворюються чітко окреслені щільні маси різної форми і розмірів. Ядро ж може розриватися на два або кілька фрагментів.

Механізм конденсації хроматину вивчений досить добре. Він обумовлений розщепленням ядерної ДНК в місцях, які зв’язують окремі нуклеосоми, що призводить до розвитку великої кількості фрагментів, в яких число пар основ ділиться на 180 – 200. При електрофорезі фрагменти дають характерну картину. Ця картина відрізняється від такої при некрозі клітин, де довжина фрагментів ДНК різна. Фрагментація ДНК в нуклеосомі відбувається під дією кальцій чутливої ​​ендонуклеази. Ендонуклеаза в деяких клітинах знаходиться постійно (наприклад, в тимоцитах), де вона активується появою в цитоплазмі вільного кальцію, а в інших клітинах синтезується перед початком апоптозу. Однак ще не встановлено, яким чином після розщеплення ДНК ендонуклеазою відбувається конденсація хроматину.

Формування апоптотичних тілець.

У апоптотичній клітині спочатку формуються глибокі інвагінації поверхні з утворенням порожнин, що призводить до фрагментації клітини і формування оточених мембраною апоптотичних тілець, які складаються з цитоплазми і щільно розташованих органел, з або без фрагментів ядра.

 

 

Фагоцитоз апоптотичних клітин або тілець здійснюється навколишніми здоровими клітинами або макрофагами. Апоптотичні тільця швидко руйнуються в лізосомах, а навколишні клітини або мігрують, або діляться, щоб заповнити місце, яке звільнилося після загибелі клітини.

Фагоцитоз апоптотичних тілець макрофагами або іншими клітинами активується рецепторами на цих клітинах: вони захоплюють і поглинають апоптичні клітини. Один з таких рецепторів на макрофагах – рецептор вітронектину, який є ?3-інтегрином і активує фагоцитоз апоптичних нейтрофілів.

 

Молекулярно-генетичні аспекти апоптозу.

 Існує декілька шляхів реалізації апоптозу.

1.     Важливе місце займає шлях, опосередкований фізіологічними індукторами, дія яких реалізується через клітинні рецептори, спеціально призначені для включення програми апоптозу. Цей шлях передачі сигналу запрограмованої клітинної смерті схематично виглядає наступним чином:

 

 

Так, рецептор, що позначається Fas, взаємодіючи з відповідним лігандом (лігандом FasL), трансмембранним білком Т-кілера, активується і запускає програму смерті клітини, інфікованої вірусом. Тим же шляхом при взаємодії з лігандом FasL на поверхні Тh-1-лімфоцитів або з антитілом до Fas-рецептору гинуть В-лімфоцити (продуценти антитіл, що несуть Fas-рецептор), які є непотрібними організму після одужання. FasL – ліганд, що відноситься до численної родини фактора некрозу пухлин (TNF – tumor necrosis factor). Це сімейство гомотримерних лігандів, крім FasL і TNFa, включає TNFb (лімфотоксин), TRAIL (Apo 2 L), CD 40 L, CD 27 L, CD 30 L, OX 40 L. Fas – один з представників сімейства рецепторів TNF. Всі вони представлені трансмембранниими білками, які позаклітинними ділянками взаємодіють з тримерами лігандів-індукторів. Взаємодія рецептора і ліганда призводить до утворення кластерів рецепторних молекул і зв’язування їх внутрішньоклітинних ділянок з адаптерами. Адаптер, зв’язавшись з рецептором, вступає у взаємодію з ефекторами, поки ще неактивними попередниками протеаз з сімейства ініціаторів каспаз. Взаємодія адаптера з рецептором і ефекторів здійснюється через гомофільні білок-білкові взаємодії невеликих доменів: DD (death domain – домен смерті), DED (death – effector domain – домен еффектора смерті), CARD (caspase activation and recruitment domain – домен активації та рекрутування каспаз). Всі вони мають схожу структуру, містять по шість a-спіральних ділянок. Домени DD беруть участь у взаємодії рецептора Fas c адаптером FADD (Fas – associated DD – protein) і у взаємодії рецепторів TNFR 1 і DR 3 (death receptor 3) з адаптером TRADD (TNFR 1 – associated DD – protein). Домени DED беруть участь у взаємодії адаптера FADD з прокаспазами 8 і 10. Адаптер RAIDD (RIP-associated Ich-1/CED-3 homologous protein with a death domain, RIP – receptor interacting protein) зв’язується з прокаспазою-2 через CARD-домени. Найбільш вивченою і описаною є прокаспаза-8 (FLICE / MACH / Mch 5), яка рекрутується рецептором Fas через адаптeр FADD. Утворюються агрегати FasL – Fas – FADD – прокаспаза-8. Подібні агрегати, в яких відбувається активація каспаз, називаються апоптосомою, апоптозними шаперонаи, або сигнальними комплексами, що індукують смерть (DISC – death – inducing signaling complex).

Каспази – це сімейство цистеїнових протеїназ, що розщеплюють свої субстрати по залишках аспартатової кислоти. Каспази присутні в цитоплазмі у вигляді проензимів і активуються до повністю функціональних протеаз шляхом розщеплення проензимів на велику і малу субодиницю з подальшим відщепленням від них N-кінцевих доменів. Потім субодиниці збираються в тетрамер з двома активними центрами. Розщеплення прокаспаз можуть здійснювати різні протеази, в тому числі й інші каспази. По функціях, що виконують каспази їх можна розділити на дві основні групи: ініціаторні каспази (8, 9 і10) і друга група – ефекторні каспази (3, 6 і 7). Після того, як каспази з першої групи активують ефекторні каспази, процес, запущений програмою смерті, виявляється незворотнім. Розщеплення каспазами 3, 6 і 7 багатьох ключових субстратів, зокрема DFF 45 / ICAD – інгібітора нуклеази DFF 40 / CAD (здійснюється каспазою 3), ламінів – ядерних цитоскелетних білків (здійснюється каспазою 6) і т.д., призводить до фрагментації ДНК і деструкції клітини.

 

 

Існують інші шляхи активації каспази-8 – за участю рецепторів TNFR 1 і DR 3. Однак ці шляхи, що включаються одним і тим же адаптером TRADD, конкурують з паралельними шляхами активації ядерних факторів транскрипції NF-к B (nuclear factor kappa B) і JNK / AP – 1 (JNK, Jun – N-кінцева кіназа, є компонентом мітоген-активованого кіназного шляху, що веде до активації фактора транскрипції AP -1), залежними від адаптерів RIP і TRAF (TNFR 1 – associated factor), під контролем цих факторів транскрипції знаходиться синтез білкових регуляторів, які блокують TNF – або Apo 3 L – індуковану активацію каспази-8. Існують наступні шляхи передачі про- і антиапоптозних сигналів:

2. Існує шлях передачі сигналу апоптозу за участю ендоплазматичного ретикулуму (ЕР). В ЕР локалізована прокаспаза-12. Порушення внутрішньоклітинного Ca 2 + – гомеостазу додаванням тапсигаргіну або Ca 2 +-іонофорного антибіотика А23187 веде до апоптозу клітин, викликаного перетворенням прокаспази-12 в каспазу-12. ЕР-залежний апоптоз пов’язаний з хворобою Альцгеймера: кортикальні нейрони мишей, в яких є дефіцит каспази-12, стійкі до апоптозу, індукованому І-амілоїдним білком, але не до апоптозу за участю рецепторів плазматичної мембрани або мітохондріального цитохрому С.

3. Цитотоксичні лімфоцити, Т-кілери, можуть викликати апоптоз у інфікованих клітин за допомогою білка перфорину. Полімеризуючись, перфорин утворює в цитоплазматичній мембрані клітини-мішені трансмембранні канали, по яких всередину клітини надходять TNFb, гранзими (фрагментини) – суміш серинових протеаз. Істотним компонентом цієї суміші є гранзим У – протеолітичний фермент, що перетворює прокаспазу-3 в активну каспазу-3.

4. Цитохром С, який вивільняється з мітохондрій разом з цитоплазматичним фактором APAF -1 (apoptosis protease activating factor -1) бере участь в активації каспази-9. APAF -1 – білок з молекулярною масою 130 кДа, що містить CARD-домен (caspase activation and recruitment domain) на N-кінці і 12 повторюваних амінокислотних WD -40 – послідовностей (WD – дипептид з триптофану і аспартату) на С-кінці, утворює комплекс з прокаспазою-9 у присутності цитохрому С і dATP або АТР. До найбільш вивчених WD-білків відноситься ? – субодиниця G-білків. З цих субодиниць збираються жорсткі, симетричні структури, на зразок віяла або пропелера. WD-повтори властиві білкам, які беруть участь у регуляції поділу та диференціювання еукаріотичних клітин, транскрипції генів, модифікації мРНК, трансмембранної передачі сигналів, злиття мембранних везикул. Серед прокаріотів WD-білки виявлені у ціанобактерій.

  APAF -1 грає роль арматури, на якій відбувається аутокаталітичий процесинг каспази-9. Існують дані, що в результаті залежного від гідролізу dATP (або АТР) конформаційної зміни APAF -1 набуває здатність пов’язувати цитохром С. Зв’язавши цитохром С, APAF -1 зазнає подальших конформаційних змін, що сприяють його олігомеризації та відкривають доступ CARD-домену APAF -1 для прокаспази -9, яка теж містить CARD-домен. Так утворюється конструкція (апоптосома) з молекулярною масою > 1300 кДа, у складі якої – не менше 8 субодиниць APAF – 1. Завдяки гомофільній CARD – CARD-взаємодії з APAF -1 в еквімолярних співвідношеннях зв’язується прокаспаза-9, а потім прокаспаза-9 зв’язує прокаспазу-3. Просторове зближення молекул прокаспази-9 на багатотімірній арматурі з APAF-1-цитохром-С-комплексами, швидше за всього, призводить до міжмолекулярного протеолітичного процесингу прокаспази-9 з утворенням активної каспази-9. Схожий механізм існує і для активації прокаспази CED -3 у нематоди Caenorhabditis elegans (аналога прокаспази-9 ссавців). Альтернативний варіант – прокаспаза-9, зв’язавшись з апоптосомою, може стати конформацією, яка призводить до внутрішньомолекулярного процесингу (самоактивації). Зріла каспаза-9 потім розщеплює і активує прокаспазу-3. Мутантний APAF -1, позбавлений WD-40-повторів, активує прокаспазу-9, але не здатний до рекрутування і активації прокаспази-3.

Флавопротеїн AIF, будучи доданим до ізольованих ядер з клітин культури HЕLА, викликає конденсацію хроматину і фрагментацію ДНК, а при додаванні до ізольованим мітохондрій печінки щурів – вивільнення цитохрому С і каспази-9. Мікроін’єкції AIF в інтактні фібробласти щурів призводить до конденсації хроматину по периферії ядра, розриву ДНК на великі фрагменти довжиною 50 н. і більше, зниження мембранного потенціалу в мітохондріях і переходу фосфатидилсерину з внутрішнього шару цитоплазматичної мембрани в зовнішній. Жоден з цих ефектів AIF не запобігає пептидному інгібітору (Z – VAD. Fmk), який запобігає апоптозу, індукованому мікроін’єкціями цитохрому С. Ці дані показують, що AIF є одним з мітохондріальних ефекторів апоптозу у тварин, незалежно від каспаз.

Крім розглянутих компонентів, при порушенні зовнішньої мембрани мітохондрій з міжмембранного простору виділяється термолабільний фактор, що викликає необоротне перетворення ксантиндегідрогенази в ксантиноксидазу. Фактор стійкий до ряду випробуваних інгібіторів протеаз, включаючи каспази, серинові і металопротеази. Ксантиндегідрогеназа каталізує залежне від NAD + окислення ксантину до гіпоксантину і подальше окислення гіпоксантину до сечової кислоти. Ксантиноксидаза каталізує ті ж реакції, але не з NAD +, а з О₂ в якості акцептора електронів. При цьому утворюються О₂^–, Н₂О₂, а з них – й інші активні форми кисню (АФК), які руйнують мітохондрії і є потужними індукторами апоптозу. Механізми утворення АФК, звичайно, не обмежуються ксантиноксидазною реакцією. Головним джерелом АФК у клітинах є мітохондрії. Різке збільшення АФК відбувається при зростанні мембранного потенціалу в мітохондріях, коли знижене споживання ATФ і швидкість дихання лімітується ADP. Частина електронного потоку через дихальну ланцюг мітохондрій, що переноситься до О₂^–, досягає 1-5%. Цитоплазматична мембрана макрофагів і нейтрофілів, як уже зазначалося, містить О₂^– – генеруючу NADPH-оксидазу.

В залежності від шляху, по якому здійснюється активація каспаз, розрізняють декілька типів клітин.

Клітини типу I (зокрема, лінія лімфобластоїдних В-клітин SKW і T-клітини лінії Н9) піддаються програмованій загибелі по шляху, залежному від апоптозних рецепторів плазматичної мембрани без участі мітохондріальних білків.

Клітини типу II (наприклад, лінії Т-клітин Jurkat і СЕМ) гинуть шляхом апоптозу, залежному від мітохондріального цитохрому С. Запрограмована клітинна смерть, викликана хіміотерапевтичними сполуками, УФ- або гамма-опроміненням, очевидно, безпосередньо пов’язана з апоптозною функцією мітохондрій: клітини, позбавлені генів білка APAF -1 або каспаз-9, стійкі до хіміо- та радіаційних впливів, проте гинуть при індукції Fas-рецептора.

Деякі клітини, наприклад, клітини ембріональної нервової системи, включають механізми апоптозу, якщо вони відчувають дефіцит апоптозгальмуючих сигналів (які ще називають факторами виживання) від інших клітин. Фізіологічний сенс процесу – в елімінації надлишкових нервових клітин, конкуруючих за обмежену кількість чинників виживання. Епітеліальні клітини при відділенні від позаклітинного матриксу, який виробляє чинники виживання, теж приречені на загибель. Фактори виживання зв’язуються відповідними цитоплазматичними рецепторами, активуючи синтез гальмуючих апоптоз агентів і блокують стимулятори апоптозу. Деякі речовини (наприклад, стероїдні гормони) мають диференційований ефект на різні типи клітин – запобігають апоптоз одних типів клітин і індукують його у інших.

5. Взаємодія клітин з позаклітинним матриксом здійснюється за допомогою інтегринів. Інтегріни – велике сімейство гетеродимерних мембранних білків, які беруть участь у адгезії клітин, пов’язуючи внутрішньоклітинний цитоскелет з лігандами позаклітинного матриксу. Порушення адгезії клітин індукує апоптоз. Більшість інтегринів специфічно взаємодіє з трипептидним RGD (аргінін-гліцин-аспартат) – мотивом, що входять до складу білків позаклітинного матриксу. Розчинні низькомолекулярні RGD– , що містять пептиди є ефективними індукторами апоптозу: проникаючи в клітини, вони активують латентну каспазу-3. Ряд каспаз, включаючи каспазу-3, містить RGD – послідовність поблизу активного центру ферменту. У молекулі прокаспази ця послідовність, ймовірно, залучена у внутрішньомолекулярну взаємодію, що додає молекулі проферменту таку конформацію, при якій протеазна активність не може проявитися. Імовірно RGD-послідовність взаємодіє з послідовністю DDM (аспартат-аспартат-метіонін), локалізованої поблизу ділянки протеолітичної активації прокаспази-3. Низькомолекулярний RGD-пептид, проникаючи в клітину і вступаючи в конкурентні звязки з RGD-послідовністю прокаспази-3, витісняє її зі взаємодії з DDM-послідовністю молекул проферменту і індукує зміну їх конформації, олігомеризацію та аутопроцессинг прокаспази-3 з утворенням активної каспази-3 .

Характеристика білків В cl -2

Білки групи Bcl -2 відіграють центральну роль у виборі між життям і смертю клітини. Bcl -2 гомолог білка CED -9 у Caenorhabditis еlegans, спочатку був відкритий як протоонкоген, виявлений в результаті хромосомної транслокації t (14; 18) у разі В- клітинної лімфоми. У Bcl -2 білка впере була виявлена ​​здатність запобігати апоптозу, індукованого відсутністю ітерлейкіну-3 в культурі В-лімфоцитів людини.

З тих пір були виявлені численні гомологи Bcl -2. Це сімейство структурно подібних білків включає більше двох десятків найменувань, в тому числі продукти протоонкогенів Bcl -2 і Bcl – x, що володіють здатністю блокувати апоптоз, і пухлинний супресор Bax, що навпаки, індукує апоптоз. Сімейство Bcl -2 білків можна розділити на три основні групи:

1. Антиапоптогенні молекули, такі як Bcl -2, Bcl – xL, Bcl – w, Mcl -1, A 1 (Bfl -1) і Boo. Всі вони володіють противапоптозною активністю і мають чотири групи гомологічних послідовностей BH1, ВН2, ВН3 і ВН4 домени, хоча в деяких із них ВН4 домен відсутній.

2. Проапоптогенні молекули Bax, Bak, Bad, Mtd (Bok) і Diva мають гомологічні послідовності BH1, ВН2 і ВН3, а ВН4 домен у них відсутній.

3. Проапоптогенні білки, що містять тільки ВН3 домен: Bik, Bid, Bim, Hrk (DP 5), Blk і Bnip 3, Bnip 3 L.

Було доведено, що ВН1-3 домени відіграють важливу роль у формуванні гетеро- і гомо- димерів поміж проапоптогенними і антиапоптогенними речовинами, і клітинні рівні цих димерів можуть зіграти визначальну роль у долі клітини. Гетеродимеризація відбувається за допомогою взаємодії BH-3 домену проапоптогенного білка з гідрофобним комплексом, утвореним BH-1, BH-2 і BH-3 доменами антиапоптогенних білків. Важливо те, що домени BH-1 і BH-2, BH-4 необхідні для антиапоптогенної активності білка, в той час як BH-3 домен необхідний і достатній для проапоптогенної активності. Білок Bcl -2 один може зв’язувати, принаймні, п’ять членів вказаного сімейства, і ця його функція може бути, крім того, доповнена можливістю посттрансляційної модифікації за допомогою фосфорилювання. Близький ген, bcl – x, кодує два білки, що розрізняються сплайсингом РНК, Bcl – xL та Bcl – xS. Також як Bcl -2, білок Bcl – xL інгібує апоптоз, в той час як білок Bcl – xS негативно впливає на функцію Bcl -2 і Bcl – xL. Підвищена експресія генів цих білків може приводити до стійкості до більшості апоптичних стимулів, оскільки від цих білків залежить безліч шляхів апоптозу. Більшість антиапоптогенних членів сімейства Bcl -2 містять на С-кінцевій ділянці гідрофобну послідовність, яка необхідна для зв’язування з внутрішньоклітинними мембранами. Таким чином, проапоптогенні і антиапоптогенні члени сімейства Bcl -2, при відсутності сигналів смерті, локалізовані в різних внутрішньоклітинних компартментах. Антиапоптогенні молекули є мембранними білками, які знаходяться в мітохондрії, ЕПР і в ядерній мембрані. Проапоптогенні молекули сімейства Bcl -2 в основному локалізовані в цитозолі або пов’язані з цитоскелетом.

Механізми, за допомогою якого білки сімейства Bcl -2 регулюють мітохондріально-залежний апоптоз, залишається спірними. Нещодавно було встановлено, що VDAC (Voltage – dependent anion channel) є одним з функціональних мішеней цих білків. Білки сімейства Bcl -2, такі як Bax, Bak, Bcl -2 і Bcl – XL можуть взаємодіяти з двома компонентами РТ (permeability transition) пор, з VDAC, локалізованим на зовнішній мітохондріальній мембрані, і з ANT (adenine nucleotide translocator), на внутрішній мембрані. Bcl -2 і Bcl – XL закривають VDAC-канали, через які здійснюється викид цитохрому С і / або AIF. Bax і Bak, що знаходяться в нормі в певних компартментах цитоплазми, при дії апоптогенних сигналів переміщаються в мітохондріальні мембрани, де вони, взаємодіючи з інтегральним білком зовнішньої мітохондріальної мембрани VDAC, стимулюють відкриття каналу. Крім того, Bax утворює гетеромерні комлекси з білками Bcl -2, Bcl – x, що, можливо, відкриває закриті до цього канали. Таким чином, баланс між про- та антиапоптогенними членами сімейства Bcl -2 відіграє вирішальну роль у долі клітини.

 

ЗАГАЛЬНІ КОМПЕНСАТОРНІ МЕХАНІЗМИ ПРИ ПОШКОДЖЕННІ КЛІТИНИ.

         Дія на клітину патогенних факторів закономірно супроводжується активацією (або включенням) реакцій, спрямованих на усунення або зменшення ступеня пошкодження і його наслідків. Комплекс цих реакцій забезпечує пристосування (адаптацію) клітини до змінених умов її життєдіяльності. До числа основних адаптивних механізмів відносять реакції компенсації, відновлення, заміщення втрачених або пошкоджених структур і порушень функцій, захисту клітин від дії патогенних агентів, а також регуляторне зниження їх функціональної активності. Весь комплекс адаптивних реакцій умовно можна розділити на дві групи: внутрішньоклітинні та міжклітинні.

 

Внутрішньоклітинні адаптивні механізми при пошкодженні.

До їх числа можна віднести наступні механізми:

         1. Компенсація порушень енергетичного забезпечення клітин:

                   1) інтенсифікація ресинтезу АТФ в процесі гліколізу, а також тканинного дихання в непошкоджених мітохондріях;

                   2) активація механізмів транспорту енергії АТФ;

                   3) активація механізмів утилізації енергії АТФ.

         2. Захист мембран і ферментів клітини:

                   1) підвищення активності факторів системи антиоксидантного захисту;

                   2) активація буферних систем;

                   3) підвищення активності ферментів детоксикації мікросом;

                   4) активація механізмів репарації компонентів мембран і ферментів.

         3. Зменшення ступеня або усунення дисбалансу іонів і рідини в клітинах:

                   1) зниження ступеня порушення енергозабезпечення;

                   2) зниження ступеня пошкодження мембран і ферментів;

                   3) активація буферних систем.

         4. Усунення порушень генетичної програми клітин:

                   1) усунення розривів у нитках ДНК;

                   2) ліквідація (блокада) змінених ділянок ДНК;

                   3) синтез нормального фрагмента ДНК замість пошкодженого або втраченого.

         5. Компенсація розладів механізмів регуляції внутрішньоклітинних процесів:

                   1) зміна числа «функціонуючих» рецепторів клітини;

                   2) зміна спорідненості рецепторів клітини до регулюючих факторів;

                   3) зміна активності аденілат і (або) гуанілатциклазної систем, інших «посередницьких» систем;

                   4) зміна активності і (або) змісту внутрішньоклітинних регуляторів метаболізму (ферментів, катіонів та ін.)

         6. Зниження функціональної активності клітин.

         7. Регенерація.

         8. Гіпертрофія.

         9. Гіперплазія.

 

Компенсація порушень енергетичного забезпечення клітин.

         При пошкодженні клітини, як правило, в більшій чи меншій мірі страждають мітохондрії і знижується ресинтез АТФ в процесі тканинного дихання. Це служить сигналом для збільшення «продукції» АТФ в системі гліколізу. При слабкій або помірного ступеня пошкодженні, активація ресинтезу АТФ може бути досягнута за рахунок підвищення активності ферментів, що беруть участь у процесах окислення і фосфорилювання.

         Певний внесок у компенсацію порушень енергозабезпечення внутрішньоклітинних процесів при пошкодженні вносить активація ферментів транспорту і утилізації енергії АТФ (адениннуклеотидтрансферази, креатинфосфокінази, АТФази), а також обмеження функціональної активації клітини. Останнє сприяє істотному зменшенню витрати енергії АТФ.

 

Захист мембран і ферментів клітин.

         Одним із значущих механізмів ушкодження мембранного апарату і ензимів клітини є інтенсифікація вільно-радикальних і перекисних реакцій. Інтенсивність цих реакцій обмежується головним чином ферментами антиоксидантного захисту – супероксиддисмутазою (інактивуючою радикали кисню), каталазою і глютатіонпероксидазою, які знешкоджують відповідно перекиси водню і ліпідів.

         Іншим механізмом захисту мембран і ензимів від ушкоджуючої дії, зокрема ферментів лізосом, може бути активація буферних систем клітини. Це зумовлює зменшення ступеня внутрішньоклітинного ацидозу і, як наслідок, надлишкової гідролітичною активності лізосомальних ензимів.

         Важливу роль у захисті мембран і ферментів клітин від пошкодження відіграють ферменти мікросом (насамперед ендоплазматичної сітки), що забезпечують фізико-хімічну трансформацію патогенних агентів шляхом їх окислення, відновлення, диметилювання і т. д. Альтерація клітин може супроводжуватися дерепресією генів і, як наслідок, активацією процесів синтезу та репарації компонентів мембран (білків, ліпідів, вуглеводів) взамін пошкоджених або втрачених.

 

Зменшення ступеня або усунення дисбалансу іонів і рідини в клітинах.

         При пошкодженні клітин усунення дисбалансу іонів і рідини може бути досягнуто шляхом активації механізмів енергетичного забезпечення іонних «насосів», а також захисту мембран і ферментів, які беруть участь у транспорті іонів. Певну роль у зниженні ступеня іонного дизбалансу відіграє зміна інтенсивності характеру метаболізму, а також дія внутрішньоклітинних буферних систем. Так, посилення гліколізу, що сполучається з розпадом глікогену, супроводжується вивільненням з його молекул іонів калію, вміст якого в пошкоджених клітинах знижений у зв’язку з підвищенням проникності їх мембран. Активація внутрішньоклітинних буферних систем (карбонатної, фосфатної, білкової) може сприяти відновленню оптимального співвідношення в гіалоплазмі трансмембранного розподілу іонів калію, натрію, кальцію та ін, зокрема шляхом зменшення вмісту в клітині іонів водню. Зниження ступеня дисбалансу іонів у свою чергу може супроводжуватися нормалізацією вмісту і циркуляції внутрішньоклітинної рідини, об’єму клітин і їх органел, а також електрофізіологічних параметрів.

 

Усунення порушень в генетичній програмі клітин.

         Зміни структури ДНК, що ведуть до пошкодження клітин, можуть бути виявлені і усунені за участю ферментів репаративного синтезу ДНК. Ці ферменти забезпечують виявлення і видалення зміненої ділянки ДНК (вони отримали назву ендонуклеаз або рестриктаз), синтез нормального фрагмента нуклеїнової кислоти замість видаленого (за допомогою ДНК-полімераз) і вбудовування знову синтезованого фрагмента на місце видаленого (за участю лігази). Крім цих складних ферментних систем репарації ДНК у клітині є ензими, що усувають «дрібномасштабні» біохімічні зміни в геномі. До їх числа відносяться демителази, що видаляють метилові групи; лігази, що усувають розриви в ланцюгах ДНК, що виникають під дією іонізуючого вилікування або вільних радикалів, і ін

 

Компенсація розладів механізмів регуляції внутрішньоклітинних процесів.

         До числа реакцій, які ефективно компенсують порушення механізмів сприйняття клітиною регулюючих впливів, відноситься зміна числа рецепторів до гормонів, нейромедіаторів і інших фізіологічно активних речовин на поверхні клітини і її органел, а також чутливості (спорідненості) рецепторів до цих речовин. Кількість рецепторів може змінюватися, зокрема, завдяки тому, що молекули їх здатні занурюватися в мембрану або цитоплазму клітини і підніматися на її поверхню. Від числа і чутливості рецепторів, що сприймають регулюють стимули, значною мірою залежать характер і вираженість відповіді на них.

         Співвідношення цАМФ і цГМФ змінюється в результаті дії не тільки внутрішньоклітинних регуляторних стимулів, але і внутрішньоклітинних факторів, зокрема фосфодіестераз та іонів кальцію. Порушення реалізації регулюючих впливів на клітину може в певній мірі компенсуватися і на рівні внутрішньоклітинних метаболічних процесів, оскільки багато з них протікають на основі регуляції інтенсивності обміну речовин кількістю продукту ферментної реакції (принцип позитивного або негативного зворотного зв’язку).

 

Зниження функціональної активності клітин.

         Важливе значення серед адаптивних механізмів пошкоджених клітин має кероване, регульоване зниження їх функціональної активності. Це зумовлює зменшення витрат енергії АТФ, субстратів метаболізму і кисню, необхідних для здійснення функції і забезпечення пластичних процесів. В результаті цього ступінь і масштаб пошкодження клітин при дії патогенного чинника істотно знижуються, а після припинення його дії відзначається більш інтенсивне і повне відновлення клітинних структур і їх функцій. До числа головних механізмів, що обумовлюють тимчасове зниження функції клітин, можна віднести зменшення ефективних центрів, зниження числа або чутливості рецепторів на поверхні клітини, внутрішньоклітинне регуляторне пригнічення метаболічних реакцій, репресію активності окремих генів.

         Адаптація клітин в умовах пошкодження відбувається не тільки на метаболічному та функціональному рівнях. Тривале повторне або значне пошкодження обумовлює істотні структурні перебудови в клітині та має адаптивне значення. Воно досягаються за рахунок процесів регенерації, гіпертрофії, гіперплазії. Регенерація структур супроводжується відновленням їх функцій. Виділяють так звану клітинну і внутрішньоклітинну (субклітинну) форми регенерації. Перша характеризується розмноженням клітин шляхом мітозу. Внутрішньоклітинна регенерація проявляється відновленням органел: мітохондрій, ядра, ендоплазматичної сітки та інших замість пошкоджених або загиблих. Гіперплазія (від грец. Hyper-надміру, збільшення + грец. Plasis – формування). Характеризується збільшенням числа структурних елементів, зокрема органел у клітині. Нерідко в одній і тій же клітині спостерігаються ознаки і гіперплазії і гіпертрофії. Обидва процеси забезпечують не тільки компенсацію структурного дефекту, але і можливість підвищеного функціонування клітини.

 

Міжклітинні (системні) механізми адаптації клітин при їх пошкодженні.

         У межах тканин і органів клітини не роз’єднані. Вони взаємодіють один з одним шляхом обміну метаболітами, іонами. У свою чергу взаємодія клітин і органів в організмі в цілому забезпечуються функціонуванням систем кровообігу, імунобіологічного нагляду, ендокринними і нервовими впливами. Так, зменшення вмісту кисню в крові (що обумовлює або може зумовити пошкодження клітин, перш за все, мозку) рефлекторно через подразнення хеморецепторів стимулює нейрони дихального центру. Це призводить до збільшення обсягу альвеолярної вентиляції і ліквідує або зменшує ступінь нестачі кисню в крові і тканинах. Пошкодження в результаті збільшення вироблення гормонів, що сприяють підвищенню в крові рівня глюкози та транспорту її в клітини: адреналіну, глюкокортикоїдів, соматотропного гормону та ін..

         Прикладом адаптивної реакції циркуляторного типу може бути збільшення припливу крові по колатеральних (обхідних) судинах при закритті просвіту магістральної артерії органу або тканини.

         Імунні механізми нагляду та захисту включаються при дії патогенного фактора антигенної природи. Імунокомпетентні системи за участю фагоцитів, антитіл і (або) Т-лімфоцитів інактивують ендо- і екзогенні антигени, здатні пошкодити клітини організму. У нормі зазначені вище та інші системи забезпечують адекватне реагування організму в цілому на різні впливи ендо-і екзогенного походження. У патології вони беруть участь у регуляції і реалізації механізмів захисту, компенсації та відновлення пошкоджених структур і порушених функцій клітин і тканин.

         Характерною рисою міжклітинних механізмів адаптації є те, що вони реалізуються в основному за участю клітин, які не піддавалися безпосередньому впливу патогенного фактора (наприклад, гіперфункція кар-діоміоцітов за межами зони некрозу при інфаркті міокарда).

         За рівнем реалізації реакції міжклітинної адаптації при пошкодженні клітин можна розділити на органно-тканинні, внутрішньосистемні, міжсистемні. Прикладом реакції органно-тканинного рівня може служити активація функції пошкоджених клітин печінки або нирки при пошкодженні клітин частині органу. Це знижує навантаження на клітини, які зазнали патогенному впливу, сприяє зменшенню ступеня їх альтерації і реалізації репаративних процесів. До числа внутрішньосистемних реакцій відноситься звуження артеріол при зниженні роботи серця (наприклад, при інфаркті міокарда), що забезпечує підтримку високого рівня перфузійного тиску в тканинах і запобігає (або зменшує ступінь) пошкодження їх клітин.

         Залучення в адаптивні реакції декількох фізіологічних систем спостерігається, наприклад, при загальній гіпоксії. При цьому активується робота систем дихання, кровообігу, крові і тканинного метаболізму, що знижує брак кисню і субстратів метаболізму в тканинах, підвищує їх утилізацію і зменшує завдяки цьому ступінь пошкодження їх клітин.

         Активація внутрішньоклітинних і міжклітинних механізмів адаптації при пошкодженні, як правило, запобігає загибель клітин, забезпечує виконання ними функцій і сприяє ліквідації наслідків дії патогенного чинника. У цьому випадку говорять про оборотні зміни в клітинах. Якщо сила патогенного агента велика і (або) захисно-пристосувальні механізми недостатні, розвивається необоротне ушкодження клітин і вони гинуть.

 

ДІЯ ІОНІЗУЮЧИХ ПРОМЕНІВ НА ОРГАНІЗМ

         Етіологія.

         Основною властивістю іонізуючого випромінювання є здатність проникати в середовище, що опромінюється, і здійснювати іонізацію. Такою здатністю володіють промені високої енергії (рентгенівські і γ -промені); а також α и β – частинки (радіонукліди).

         Розрізняють опромінення зовнішнє, коли джерело променів знаходиться поза організмом, і внутрішнє (інкорпороване), коли радіоактивні речовини потрапляють всередину організму. Інкорпороване опромінення вважається більш небезпечним. Можливе комбіноване опромінення.

         Відомо, що ступінь і характер радіаційного ураження організму перебуває в прямій залежності від дози опромінення. Але така пряма залежність встановлена тільки для великих і середніх доз поглинутої радіації. Дія малих доз випромінювання базується на інших закономірностях.

         Патогенез.

         Результатом впливу енергії іонізуючого випромінювання є іонізація, розриви найменш міцних зв’язків у молекулах, оскільки енергія іонізуючого випромінювання перевищує енергію внутрімолекулярних і внутрішньоатомних зв’язків. Ця дія носить назву прямої дія радіації. Первинною мішенню для її впливу стають високомолекулярні сполуки (білки, ферменти, нуклеїнові кислоти, ліпіди, нуклеопротеїдні комплекси, ліпопротеїди). Якщо мішенню для дії іонізуючих променів виявляється молекула ДНК, то це може спричинити порушення генетичного коду організму.

         З усіх первинних радіохімічних перетворень у відповідь на дію іонізуючої радіації найбільше значення має радіоліз води, під чим розуміють іонізацію молекул води. Вода вважається основним розчинником у біологічних середовищах і складає 67 – 70 % від маси тіла. Дія іонізуючих променів, обумовлена продуктами радіолізу води, називається непрямою дією радіації.

·        У результаті іонізації молекули води утворяться вільні радикали (ОН , Н ), що вступають у взаємодію зі збудженою молекулою води, киснем тканин і утворюють перекис водню, радикал гідропероксиду, атомарний кисень (Н₂О₂ , НО₂^•, О).

·        Далі здійснюється перехоплення енергії вільних радикалів найбільш активними відновниками.

·        Продукти радіолізу води мають дуже високу біохімічну активність.

·        Хімічні і біохімічні реакції швидко наростають, набуваючи характеру ланцюгових реакцій.

         Вільні радикали і перекиси здатні змінювати хімічну будову ДНК.   При опроміненні розчинів нуклеїновых кислот має місце радіаційно-хімічне окислення піримідинових і дезамінування пуринових основ.

         Окисленню піддаються також і ненасичені жирні кислоти, феноли, у результаті чого утворяться ліпідні (ЛРТ) і хінонові радіотоксини (ХРТ). Ймовірними попередниками ХРТ в організмі є тирозин, триптофан, серотонін, катехоламіни. Радіотоксини пригнічують синтез нуклеїнових кислот, діють на молекулу ДНК як хімічні мутагени, змінюють активність ферментів.

         Отже, первинні радіохімічні реакції полягають у прямому й опосередкованому (через продукти радіолізу води і радіотоксини) ушкодженні найважливіших компонентів клітини – нуклеїнових кислот, білків, ферментів. Надалі активно і динамічно змінюються ферментативні реакції ‑ знижується синтез ДНК, підсилюється ферментативний розпад білків і нуклеїнових кислот, порушується біосинтез білків, у тому числі, білків- ферментів.

         Структурні порушення клітини.

         Описані вище біохімічні і фізико-хімічні зміни приводять до порушення проявів життєдіяльності клітини. Ушкоджуються всі органели клітини. Іонізуюче випромінювання пошкоджує внутрішньоклітинні мембрани – мембрани ядра, лізосом, мітохондрій, ендоплазматичного ретикулуму. З ушкоджених лізосом вивільняються ферменти, які пошкоджують нуклеїнові кислоти, цитоплазматичні і ядерні білки. Порушується окисне фосфорилювання у мембранах мітохондрій. Порушення енергетичного обміну клітини вважається однією з найбільш ймовірних причин зупинки синтезу нуклеїнових кислот і ядерних білків, гальмування мітозу. Отже, радіаційне ушкодження ядра пов’язане не тільки з безпосередньою дією іонізуючої радіації на структуру хромосом і молекули ДНК, але і з пошкоджуючими процесами в інших органеллах клітини.

         Ядро клітини володіє особливо високою радіочутливістю в порівнянні з цитоплазмою. Порушення ядерних структур більш істотно позначається на життєздатності і життєдіяльності клітини.

Встановлено, що тканини організму володіють неоднаковою радіочутливістю. Встановлено, що найвищою радіочутливістю володіють ті тканини, у яких процеси розподілу клітин виражені найінтенсивніше і при опроміненні навіть малими дозами спостерігається їхня загибель (тимус, статеві залози, кровотворна і лімфоїдна тканина). Наступна в цьому ряду епітеліальна тканина, особливо залозистий епітелій травних і статевих залоз, а також покривний епітелій шкіри, потім ендотелій судин. Є ряд тканин, які вважаються радіорезистентними (Хрящова тканина, Кісткова тканина, М’язова тканина, Нервова тканина). Найвищу стійкість має нервова тканина. Нервові клітини не мають здатності до поділу і тому гинуть тільки при дії на них радіації у великих дозах (так звана інтерфазна загибель). Виключення з цього правила складають зрілі лімфоцити, що гинуть навіть при опроміненні в дозі 0,01 Гр.

 

Порушення функцій організму під впливом іонізуючого опромінення і основні симптомокомплекси.

         При опроміненні смертельними дозами переважає інтерфазна загибель клітин. Смерть настає в найближчі хвилини (години) після опромінення. При опроміненні середніми дозами життя можливе, але в усіх без винятку функціональних системах розвиваються патологічні зміни, вираженість яких залежить від порівняльної радіочутливості тканин.

         Порушення системи кровотворення і крові найбільш характерні. Відзначається зменшення числа усіх формених елементів крові: лейкоцитів, еритроцитів, тромбоцитів, а також їхня функціональна неповноцінність. У перші години після опромінення відзначається лимфопенія, пізніше – зменшення гранулоцитів, тромбоцитів і ще пізніше – еритроцитів. Можливе повне спустошення кісткового мозку.

         Геморагічний синдром при гострій променевій хворобі. У його патогенезі має значення кілька факторів.

·        Зниження кількості тромбоцитів, що містять біологічні фактори згортання крові

·        Порушення здатності тромбоцитів до агрегації

·        Зниження здатностіь волокон фібрину до скорочення, а кров’яного згустку до ретракції

·        Підвищення активності фібринолізу і протизгортальної системи крові

·        Зниження синтезу білків згортальної системи крові у печінці

·        Порушення структури судинної стінки, підвищення її проникності

          Найбільше значення має зниження кількості тромбоцитів у крові, які містять біологічні фактори згортання крові. Причиною тромбоцитопенії є не стільки руйнування тромбоцитів, скільки порушення дозрівання їх у кістковому мозку. Велике значення має порушення здатності тромбоцитів до склеювання, оскільки при цьому процесі виділяються біологічні фактори згортання крові. Порушення здатності тромбоцитів до агрегації пов’язано зі змінами ультраструктури їхніх мембран. Крім того, тромбоцити відіграють важливу роль у підтримці цілісності судинної стінки, її пружності і механічної резистентності. При електронно-мікроскопічних дослідженнях виявлені зміни молекулярної структури фібриногену і фібрину при гострій променевій хворобі. В результаті цього знижується здатність волокон фібрину до скорочення, а кров’яного згустку ‑ до ретракції. При гострій променевій хворобі підвищується активність протизгортальної системи і фибринолізу. У крові з’являються антикоагулянти (гепарин), який звільняється при дегрануляції тканинних базофілів. У печінці, крім того, знижується синтез синтез білків згортальної системи крові. Клінічно це проявляється кровотечами, появою геморагічного висипу.

 

 

Зміни судинної стінки мають велике значення у патогенезі геморагічного синдрому при променевій хворобі.

 

 

         Головним чином, це ураження дрібних судин. Судинний ендотелій патологічно змінюється, порушується здатність його клітин до продукції полісахаридно-білкових комплексів для побудови базальної мембрани. Периваскулярна сполучна тканина, яка формує механічну опору судини, також, безсумнівно, зазнає деструктивних змін – основна речовина піддається деполімеризації, а сполучнотканинні волокна руйнуються Зазнають змін і судинний тонус, а також резистентність судин. З ушкоджених тканин вивільняються біологічно активині речовини, які, підвищуючи її проникність, збільшують ушкодження судинної стінки:

·                   Протеолітичні ферменти з ушкоджених лізосом

·                   Кініни

·                   Гіалуронідаза

 

         Структурні порушення судинної стінки приводять до порушення кровообігу в тих судинах, де відбувається обмін речовин між кров’ю і клітинами. Паралітичне розширення і переповнення кров’ю системи мікроциркуляторного русла, стаз крові зумовлюють збільшення дистрофічних і дегенеративних змін в тканинах.

         Вище згадувалося також і про ушкодження ДНК і ядерних білків при дії іонізуючого опромінення. Якщо в результаті хромосомних ушкоджень клітина не гине, тоді змінюються її спадкові властивості. Хромосомні аберації в статевих клітинах приводять до розвитку спадкових хвороб. В той самий час соматична клітина може піддатися злоякісному переродженню. Це є основою пухлинного росту.

         Зниження імунної реактивності.

         При гострій променевій хворобі знижується активність фагоцитозу, утворення антитіл. Приєднання вторинної інфекції є найбільш раннім і важким ускладненням опромінення. Часто виникають ангіни, які носять некротический характер. Причиною загибелі хворого з гострою променевою хворобою є пневмонія.

 

 

         Внаслідок того, що бар’єрна функція слизової оболонки кишечнику порушена, бурхливо розвивається інфекція в кишечнику. Це приводить до всмоктування в кров токсинів і бактерій. Порушення функції травних залоз, кишкова аутоінфекція приводять до виснаження організму і нерідко є причиною летального кінця.

         В органах ендокринної системи спочатку відмічається підвищення активності, яке, однак,не є довготривалим і змінюється пригніченням функції ендокринних залоз.

         Патогенез порушень нервової системи.

         Відомо, що нервові клітини є більш радіостійкими. Виражені структурні зміни і загибель нервових клітин виникають при більш високих дозах опромінення. Однак структурні зміни не завжди відповідають функціональним, тому нервова тканина має дуже високу чутливість стосовно будь-яких впливів, у тому числі й до радіаційного. Вже через кілька секунд після опромінення нервові рецептори збуджуються продуктами радіолізу і розпаду тканин. Далі імпульси надходять у вже змінені опроміненням нервові центри, порушуючи при цьому їхній функціональний стан. Зміну біоелектричної активності головного мозку можна зареєструвати в перші ж хвилини після опромінення (електроенцефалографія). Отже, нервово-рефлекторна діяльність порушується ще до появи інших типових симптомів променевої хвороби. З цим зв’язані спочатку функціональні, а потім і більш глибокі структурні порушення функцій органів і систем організму при променевому ураженні.

         Зміни у організмі при інкорпорованому опроміненні.

         Радіоактивні речовини при потраплянні усередину організму включаються в обмін речовин і нерівномірно розподіляються в організмі. Радіонукліди локально створюють високу дозу радіації у місцях їхнього депонування, а також у тканинах, що безпосередньо прилягають до місць їхнього нагромадження. Вважається, що такі ушкодження вкрай слабко відновлюються.

·                    Ізотопи йоду накопичуються в щитовидній залозі і можуть викликати симптоми тиреотоксикозу

·                    Ізотопи стронцію заміщають кальцій у кістках.

         Компенсаторно-пристосувальні реакції при променевому ураженні розвиваються на всіх рівнях організації організму.

         На молекулярному рівні патологічні зміни компенсуються природними антиоксидантними системами. Це перехоплювачі вільних радикалів, донатори сульфгідрильних груп (глутатіон)іна, ктиватори перекисів (каталази). У клітині активно функціонують ферменти репарації пошкодженої ДНК, інгібітори і інактиватори біологічно активних речовин (БАР). Здатність клітин до репарації ушкодженої ДНК вважається одним із основних факторів, що визначають стійкість організму до впливу радіації.

         На рівні фізіологічних систем організму також можливі процеси компенсації і відновлення. Таким чином, перебіг і результат променевого ураження визначаються не тільки дозою опромінення, але і реактивністю організму, зокрема, співвідношенням власне-патологічного і захисно-пристосувального у кінцевому результаті.

 

Гостра променева хвороба

         Описані вище порушення кровотворення, функцій нервової, ендокринної і травної систем, імунного захисту спостерігаються при усіх формах променевого ураження. Однак ступінь зміни, швидкість їхнього розвитку і прогноз залежать від поглинутої дози опромінення.      Виділяють три форми гострої променевої хвороби.

 

Форми гострої променевої хвороби

 

Кістково-мозкова форма (доза – 1 – 10 Гр). У перебігу цієї форми гострої променевої хвороби розрізняють чотири клінічних періоди: період первинних реакцій, латентний період, період розгорнутих клінічних проявів, завершення хвороби.

         Перший період, тривалість якого складає від декількох годин до 1 – 2 днів, являє собою реакцію організму на опромінення: головний біль, запаморочення, нестійкість вегетативних функцій, лабільність артеріального тиску і пульсу. Порушення моторики травного каналу проявляється блювотою і проносом. Може підвищуватися температура тіла в результаті розладів функції центру терморегуляції. З боку периферичної крові відзначається короткочасний перерозподільний лейкоцитоз, що може поєднуватися з лімфоцитопенією. У особливо важких випадках у цьому періоді можливий розвиток променевого шоку.

         Другий період хвороби‑ період уявного благополуччя. Симптоми, пов’язані з порушенням функції нервової системи, диспепсичні розлади зникають, але все ж спостерігаються деякі ознаки хвороби: нестійкість артеріального тиску, лабільність пульсу, З боку периферичної крові – наростає лейкопенія, прогресує лімфоцитопенія, з’являється гранулоцитопенія.

         Третій період характеризується яскравою картиною гострої променевої хвороби. З боку крові відмічається анемія, лейкопенія, тромбоцитопенія. Неминуче виникають тяжкі інфекційні ускладнення (стоматит, некротична ангіна, ентероколіт).

 

 

Частим ускладненням променевої хвороби є пневмонія, що на тлі зниження імунологічної реактивності протікає дуже важко і може стати причиною смерті хворого.

 

 

Зовнішній вигляд хворого характерний – шкіра вкрита численними крововиливами. З’являється кров у калі, сечі, харкотинні. На висоті захворювання хворий може померти.

         Ознаками видужання є покращення загального самопочуття, нормалізація показників периферичної крові крові, поява в крові молодих клітин. Однак довгий час після захворювання можуть зберігатися залишкові явища – астено-невротичний синдром, нестійкість гемопоезу, порушення статевої функції, трофічні розлади, ослаблення імунітету, що ведуть до передчасного старіння організму. До віддалених наслідків відносяться пухлини.

         Кишкова форма (доза 10 — 50 Гр).

         При цій формі відбувається припинення мітотичного поділу клітин кишкового епітелію і їхній масова інтерфазна загибель, втрата електролітів, білків, дегідратація тканин. Оголюється поверхня слизової оболонки кишок. Це сприяє проникненню інфекції. Може розвиватися шок внаслідок дії токсичних речовин мікробного і тканинного походження. Клінічна картина характеризується анорексією, блювотою, млявістю. Можуть з’являтися домішки крові в калі. Підвищується температура тіла, виникають болі по ходу кишок. Розвивається паралітична непрохідність кишок, виникає перитоніт у результаті порушення бар’єрної функції кишкової стінки. Летальність від цієї форми захворювання складає 100%.

         Церебральна форма (доза більш 50 Гр).

         У результаті прямої дії іонізуючої радіації на нервову тканину виникають значні структурні зміни і навіть загибель нервових клітин кори великого мозку і гіпоталамуса, грубі ушкодження ендотелію судин. Важкі і незворотні порушення в центральній нервовій системі приводять до порушення судинного тонусу і терморегуляції, розвитку судомно-паралітичного синдрому. Смертельний наслідок може статися в ході самого опромінення або через кілька хвилин (годин) після нього.

         Хронічна променева хвороба є наслідком повторних опромінень невеликими дозами. Патогенез порушень і клініка не відрізняються від таких при гострому захворюванні, однак динаміка розвитку хвороби і ступінь вираженості окремих ознак мають відмінності.

         Розрізняють три ступені хронічної променевої хвороби. При захворюванні першого ступеня порушення носять характер зворотних функціональних розладів з боку найбільш чутливих систем. Іноді самопочуття хворого може бути навіть задовільним, але при дослідженні крові виявляються ознаки захворювання – помірна лейкопенія і тромбоцитопения.

         Захворювання другого ступеня характеризується більш вираженими змінами з боку кровотворної і нервової систем, а також наявністю геморагічного синдрому і зниженням імунітету. Відзначається стійка лейкопенія і лімфопенія, кількість тромбоцитів також зменшена.

         Захворювання третього ступеня характеризується глибокою дистрофією тканин і розвитком важких необоротних змін в органах. У нервовій системі розвиваються ознаки органічного ураження. Функція гіпофіза і наднирників пригнічена. Відмічається пригнічення кровотворення. Тонус судин знижений, а проникність стінки їх різко підвищена. Слизові оболонки уражені виразково-некротичним процесом.

 

 

         Інфекційні ускладнення і запальні процеси також носять некротичний характер. Хронічна променева хвороба призводить до ранніх дистрофічних змін усіх тканин, передчасному старінню.

         Малі дози випромінювання, що не викликають у ранній термін видимих морфологічних і функціональних порушень, можуть викликати патологічні зміни в організмі у віддалений термін, зокрема, підвищувати частоту злоякісних новоутворів. Кількісно оцінити їх на тлі спонтанної захворюваності раком важко.