Альтерация наружной цитоплазматической мембраны

ТИПОВЫЕ РЕАКЦИИ КЛЕТКИ НА ДЕЙСТВИЕ

АЛЬТЕРИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ

Развитие патологического процесса в любом органе или ткани неизбежно сопровождается повреждением (альтерацией) различных клеток. Это могут быть специфические тканевые элементы (гепатоциты, миоциты, нейроны и др.), клетки стенок кровеносных и лимфатических сосудов, или клетки соединительной ткани. Изменения, развивающиеся в клетках при их повреждении, могут носить обратимый и необратимый характер.

 

Альтерация наружной цитоплазматической мембраны

В основе многих форм патологии лежит изменение свойств клеточных мембран. Нарушения структуры и функции биомембран могут быть как причиной, так и следствием различных патологических процессов. Благодаря наличию в структуре наружной цитоплазматической мембраны множества разнородных химических составляющих (белков, липидов, углеводов), клеточная мембрана может служить мишенью для действия многих ядов, бактериальных токсинов, лекарственных препаратов, различных физических факторов (температуры, магнитных полей, ионизирующей радиации, лазерного излучения и т. п.).

При грубой альтерации происходит разрыв наружной цитоплазматической мембраны, и содержимое клетки изливается в окружающую среду. При этом клетка перестает существовать как самостоятельная анатомо-функциональная единица, а в среде появляются продукты внутриклеточного происхождения, служащие маркерами повреждения клеток (АТФ, фрагменты ДНК, тканеспецифические ферменты). Так, при разрушении гепатоцитов в межклеточной жидкости и в крови появляются аланин-глутаминовая трансаминаза (АЛТ) и сорбитолдегидрогеназа. При инфаркте миокарда из разрушенных кардиомиоцитов освобождаются аспарагин-глутаминовая трансаминаза (АСТ), креатинфосфокиназа, тропонин. Массивный цитолиз приводит к гиперкалиемии.

При слабой или умеренной альтерации мембраны в ней возникают более тонкие изменения в виде модификации мембранных липидов (изменение соотношения различных фракций, степени насыщенности жирных кислот), белков или структурно-конформационных перестроек сложных гликолипопротеидных комплексов. Как стандартный ответ на любое повреждение в мембране активируются процессы, приводящие к образованию активных форм кислорода (АФК) (синглетный кислород, супероксидный анион-радикал), которые инициируют образование свободных радикалов (например, аниона гидроксила — ОНˉ), свободнорадикальное окисление и образование перекисных соединений (Н₂О₂). Запускаются процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ) в биомембранах. Так, стимуляция ПОЛ наблюдается при воспалении, ишемии, гипоксии, ацидозе, стрессе, действии ионизирующей радиации и т.п. Субстратом окисления являются полиненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав мембранных фосфолипидов. Образующиеся продукты ПОЛ (диеновые, триеновые конъюгаты, малоновый диальдегид и др.) вызывают структурные перестройки белково-липидных компонентов мембран, что приводит к нарушению их основных функций.

Для неповрежденной клеточной мембраны характерна высокая подвижность белковых молекул, являющаяся непременным условием ее полноценного функционирования. В результате действия АФК и накопления продуктов ПОЛ в биомембране окисляются SH-группы белков, образуются кластеры липидов - малоподвижные комплексы, ограничивающие функциональные перестройки мембраны, трансмембранное движение и латеральную диффузию мембранных белков (ферментов, рецепторов, антигенов). Продукты распада гидроперекисей липидов взаимодействуют с аминогруппами белков, образуя сшивки. При этом нарушаются белково-липидные взаимодействия и, в частности, «молекулярная память липидов», заключающаяся в их способности воспринимать и сохранять информацию об изменении состояния мембранных белков.

Для защиты мембран от повреждения свободными радикалами и продуктами ПОЛ в клетке имеются мощные механизмы антиоксидантной защиты, включающие ферментативное (каталаза, супероксиддисмутаза, пероксидазы) и неферментативное (глутатион, цистеин, аскорбиновая кислота, метионин, витамин E) звенья. Повреждение мембраны возникает в том случае, если механизмы антиоксидантной защиты недостаточны, чтобы противостоять механизмам альтерации.

Повышение вязкости липидов мембраны и ограничение подвижности мембранных белков, сходное с выявляемым при усилении процессов ПОЛ, наблюдается и при патологических состояниях, сопровождающихся глубокими нарушениями липидного обмена и приводящих к увеличению уровня холестерина в мембране (наследственная гиперхолестеринемия, атеросклероз).

Одним из механизмов повреждения клеточной мембраны является образование в ней дополнительных ионных каналов. Так, под влиянием стафилококкового α-токсина в мембранах мышечных клеток формируются каналы проводимости для Са²⁺. Антибиотик валиномицин образует в мембране К⁺‑селективные каналы. Существуют полиэфиры, формирующие мембранные каналы с избирательной проводимостью для Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺. Противоположный эффект оказывают местные анестетики, вызывающие угнетение всех типов мембранной проводимости за счет увеличения подвижности ее элементов. Нарушение ионного баланса и, в частности, накопление в клетке Са²⁺ приводит к активации мембранных фосфолипаз, отщеплению жирной (арахидоновой) кислоты от лецитина клеточных мембран и синтезу большого класса биологически активных веществ — простагландинов, тромбоксанов, лейкотриенов, оказывающих выраженное влияние на окружающие клетки и сосуды микроциркуляторного русла.

В клетке происходят непрерывный синтез и сборка мембранных структур (биогенез мембран). Например, в клетках печени теплокровных животных полупериод жизни плазматической мембраны составляет 2–3 дня. Важным условием сохранения структурной целостности мембраны является сопряженная работа генетического аппарата и ряда внутриклеточных органелл — митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи, которые участвуют в синтезе мембранных компонентов и обеспечивают своевременное и полноценное ее восстановление. Нарушение репарации мембранных структур — один из механизмов патологии клетки.

Альтерация наружной цитоплазматической мембраны приводит к нарушению ее специфических функций. Так, изменяется пассивный и активный транспорт веществ через мембрану. Пассивный транспорт страдает вследствие изменения структуры транспортного канала, активный — в результате дефицита энергии (снижается активность мембранной транспортной АТФазы), нарушения структуры канала и снижения активности (подвижности) белков-переносчиков.

Одним из следствий угнетения активного транспорта ионов через мембрану является изменение возбудимости клетки. Характер нарушения возбудимости в значительной мере зависит от силы патогенного агента и времени его действия. Так, при слабой альтерации (или раздражении клетки) наблюдаются недостаточность натрий-калиевого насоса, поступление в клетку натрия, частичная деполяризация мембраны и повышение возбудимости клетки. Более сильный агент вызывает деполяризацию до критического уровня, генерацию потенциала действия (ПД), то есть возбуждение клетки. Наконец, сильный альтерирующий агент, действующий длительно, вызывает стойкую деполяризацию клеточной мембраны (снижение потенциала покоя почти до нуля) и полную потерю возбудимости.

Одной из важных функций клеточной мембраны является эндоцитоз — захват и поглощение клеткой внеклеточного материала, заключенного в везикулу, образованную из фрагментов плазмалеммы. Известны 3 вида эндоцитоза — фагоцитоз, неспецифический эндоцитоз (пиноцитоз) и специфический (рецептор-индуцированный) эндоцитоз. Примером последнего может быть поступление в клетку экзогенного холестерина. Экзоцитоз — процесс секреции, осуществляемый путем слияния с плазмалеммой везикул с секретируемыми веществами. Путем экзоцитоза клетка освобождается от ненужных продуктов или выделяет вещества, имеющие регуляторную функцию (гормоны, медиаторы, цитокины и др.). Результатом повреждения клеточной мембраны является нарушение процессов эндо- и экзоцитоза.

Альтерация мембраны приводит к нарушению ее рецепторной функции. На мембране каждой клетки имеется большое количество рецепторов, через которые реализуются регулирующие воздействия гормонов, медиаторов и других биологически активных веществ. После взаимодействия агониста с рецептором запускается ряд биохимических процессов, обеспечивающих сопряжение регуляторного сигнала с ответной реакцией клетки. При изменении структуры мембранных рецепторов (или их ближайшего окружения) нарушается формирование рецепторного сигнала и, следовательно, страдает регуляция метаболизма и функции клетки.

Наконец, альтерация мембраны приводит к изменению ее антигенной структуры, что нарушает межклеточные взаимодействия, позволяет клетке «ускользнуть» из-под иммунологического надзора и при определенных условиях способствует возникновению аутоиммунных заболеваний.

 

2.2. Стандартные реакции на альтерацию
клеточных органоидов

Эндоплазматическая сеть (ЭПС). ЭПС представляет собой единый комплекс пластинчатых, трубчатых и везикулярных мембранных структур. При альтерации элементы ЭПС подвергаются распаду и фрагментации, в результате чего нарушаются транспорт веществ внутри клетки, а также их компартментализация (распределение вещества и энергии между отдельными отсеками клетки). Нарушаются процессы гликолиза, поскольку некоторые гликолитические ферменты структурно связаны с мембранами ЭПС. Страдает синтез липопротеидов, а также катализируемое гликозилтрансферазами присоединение моносахаридов к пептидным цепям с образованием гликопротеидов. Нарушается синтез холестерина, а также фосфолипидов — основного компонента биомембран. В мышечных клетках нарушается передача потенциала действия вглубь мышечного волокна по мембранам Т-системы, то есть страдает электромеханическое сопряжение. Угнетение Са-насоса пузырьков ретикулума ведет к нарушению секвестрации кальция и патологии мышечного расслабления.

В ЭПС клеток печени, легких, кишечника, коры надпочечников, кожи подвергается метаболическим превращениям ряд эндогенных продуктов (стероиды, жирные кислоты), а также чужеродных веществ — ксенобиотиков (лекарственные препараты, пестициды, канцерогены и др.). Катализируют эти процессы монооксигеназы и ферменты микросомальной фракции, связанные с цитохромом Р450. Патология этих систем ведет к расстройству детоксикационных процессов. Поскольку с мембранами ЭПС связываются рибосомы, альтерация ЭПР приводит к нарушению биосинтеза белка в клетке.

Рибосомы. Это сложные белоксинтезирующие частицы, выполняющие одновременно генетическую (декодирующее устройство), энзиматическую (работающие как фермент пептидилтрансфераза) и механическую (движение по молекуле мРНК) функции.

В процессе биосинтеза белка рибосома принимает кодированную генетическую информацию в виде мРНК и расшифровывает ее, катализирует образование пептидных связей и осуществляет перемещение мРНК и тРНК.

Наиболее эффективно биосинтез белка идет при объединении нескольких рибосом на мембранах ЭПС в полисомы и, следовательно, полноценный белковый синтез требует интактности ЭПС. Образованию полисом способствуют соматотропный гормон и инсулин, и при дефиците этих гормонов угнетаются процессы белкового синтеза.

Биогенез рибосом и их сборка происходят в клеточном ядре (в области ядрышка). Возможны нарушения образования компонентов и сборки рибосом в ядре, а также поступления готовых рибосом в цитоплазму.

Патология может быть связана со структурными аномалиями рибосом. Рибосома построена из большой и малой субъединиц. При дефиците ионов магния рибосома распадается на субъединицы. Однако для инициации трансляции рибосома должна быть диссоциирована. Только в таком состоянии ее малая субъединица связывается с мРНК. Большая субъединица содержит транспептидазный центр, выполняющий каталитическую функцию, а также участвует в гидролизе гуанозинтрифосфата (ГТФ), активируя ГТФазный центр на белке — факторе элонгации. В каждом цикле смыкания-размыкания рибосомы расходуется 1 молекула ГТФ.

Биосинтез белка на рибосомах — сложный многостадийный процесс, и его осуществление возможно только при точном взаимодействии в пространстве и во времени отдельных компонентов белоксинтезирующей системы. Причинами нарушения биосинтеза белка на рибосомах могут быть:

- отсутствие информационной РНК;

- нарушение синтеза и пространственного расположения на рибосоме рибосомальной РНК;

- дефицит аминокислот;

- дефицит энергии: АТФ необходим для активации аминокислот, ГТФ — для образования инициаторного комплекса, движения рибосомы по молекуле мРНК и элонгации;

- ингибиция аминоацил-тРНК-синтетазы — фермента, осуществляющего активацию аминокислот и их присоединение к соответствующим транспортным РНК с образованием комплекса — аминоацил-тРНК;

- недостаток белковых факторов инициации;

- дефицит белковых факторов элонгации;

- дефицит белковых факторов терминации.

Даже незначительные изменения структуры отдельных участников трансляции могут приводить к ингибированию биосинтеза белка. Такой эффект оказывают некоторые антибиотики: тетрациклины препятствуют связыванию аминоацил-тРНК-комплекса с большой субъединицей рибосомы, стрептомицин, неомицин и канамицин блокируют инициацию трансляции. Подавление биосинтеза белка в клетках человека возможно под влиянием бактериальных токсинов. Так, дифтерийный токсин блокирует один из белковых факторов элонгации. Примечательно, что роль тРНК не ограничивается только участием в биосинтезе белка. Она участвует в регуляции экспрессии многих генов, влияя на промоторную специфичность РНК-полимеразы. тРНК стимулирует транскрипцию оперонов, кодирующих ферменты биосинтеза аминокислот, переносимых данной тРНК.

Аппарат Гольджи. Это пластинчатый комплекс в морфологическом и функциональном отношениях тесно связанный с ЭПС. При его повреждении нарушаются процессы упаковки внутриклеточных продуктов, образования секреторных гранул и выделения веществ из клетки. Страдают процессы гликозилирования, фосфорилирования и сульфатирования белков. Это «созревание» белков в аппарате Гольджи необходимо для их сортировки и направленного транспорта. Изменяется и синтез сложных углеводов — полисахаридов, мукополисахаридов. Структуры аппарата Гольджи весьма чувствительны к гипоксии, при которой наблюдается разрыхление, фрагментация и распад его мембран.

Лизосомы. В лизосомах содержится более 60 различных ферментов, гидролизующих белки, жиры, углеводы, комплексные соединения и способные разрушить любую клеточную структуру. Ферменты лизосом обеспечивают расщепление собственных компонентов клетки, а также переработку экзогенных продуктов, поступающих в клетку в процессе активного эндоцитоза. Большинство лизосомальных ферментов проявляют максимальную активность в кислой среде. Патология лизосом может быть связана с повышением проницаемости их мембраны или изменением набора лизосомальных ферментов.

При грубой альтерации мембрана лизосом разрушается и выходящие ферменты вызывают аутолиз клетки. Выход лизосомальных ферментов во внеклеточную среду и альтерация окружающих тканей являются важными патогенетическими моментами, определяющими участие лизосом в реакциях повреждения, в воспалительных, дегенеративных процессах и опухолевом росте. Однако аутолиз может быть и проявлением нормальной функции лизосом, направленной на уничтожение старых, мутировавших клеток, разрушение ненужных структур в ходе развития организма.

При умеренной гипоксии, ацидозе, гипервитаминозе D, воздействии соединений кремния, бактериальных токсинов, УФ-излучения происходит повышение проницаемости мембраны лизосом. Последнее ведет к избыточному, неконтролируемому, не обусловленному потребностями клетки освобождению лизосомальных ферментов и нарушению их специфической функции. Так, страдают процессы внутриклеточного пищеварения, нарушается участие лизосомальных ферментов в репаративной регенерации (восстановлении отдельных внутриклеточных структур при их повреждении), изменяется регуляторная функция лизосом и, в частности, их участие в процессах лимитированного протеолиза — активации биологически активных веществ путем отщепления ингибирующего пептидного фрагмента. Не происходит очистки внутриклеточной среды, осуществляемой обычно лизосомальными ферментами, которые уничтожают макромолекулы и органоиды с измененной структурой. Такие дефектные структуры могут возникать в результате окисления, действия перекисей, активных радикалов, случайных ошибок в ходе синтеза макромолекул (около 15 % всех синтезируемых белков содержат неправильные последовательности аминокислот).

Специфической функцией лизосомальных ферментов железистых клеток и клеток печени является удаление избыточных количеств гормонов и биологически активных веществ. При патологии лизосом в этих клетках нарушаются процессы регуляции биологических функций.

С повышением проницаемости лизосомальных мембран связана способность раковых клеток к инвазивному росту и метастазированию.

Дефицит какого-либо из лизосомальных ферментов обычно связан с генетическим дефектом и относится к категории лизосомальных наследственных болезней (их известно более 30). При этом избыточно накапливаются вещества, разрушение которых должно осуществляться недостающим ферментом («болезни накопления»). Примерами такой патологии могут служить мукополисахаридозы — заболевания, развивающееся вследствие дефицита лизосомальных ферментов, метаболизирующих мукополисахариды, а также гликогенозы — заболевания, обусловленные недостаточностью ферментов, разрушающих гликоген.

Митохондрии. Это «силовые станции» клетки, синтезирующие АТФ и обеспечивающие клетку большей частью необходимой ей энергии. Следовательно, альтерация митохондрий приводит к дефициту энергии в клетке и угнетению всех энергопотребляющих процессов. При повреждении митохондрий нарушаются синтез и распад жирных кислот, страдает цикл Кребса, ферменты которого располагаются на кристах и в митохондриальном матриксе. Цепь переноса электронов представлена системой дегидрогеназ, простетическими группами которых являются НАД и ФАД. Функционирование флавиновых дегидрогеназ нарушается при дефиците рибофлавина (витамина В₂). Конечным акцептором электронов в цепи переноса служит кислород. При окислении молекулы НАДН одним атомом кислорода в митохондриях образуются 3 молекулы АТФ. При любой гипоксии нарушаются конечные этапы дыхания в митохондриях.

В ответ на умеренную альтерацию митохондрии отвечают стандартной реакцией — набуханием. При этом происходит разобщение процессов дыхания и окислительного фосфорилирования, то есть большая часть энергии, извлекаемой из субстрата, не запасается в виде макроэргических соединений, а рассеивается в виде тепла. Набухание митохондрий может происходить под влиянием солей тяжелых металлов, продуктов ПОЛ, динитрофенола, высоких концентраций тироксина, избытка ионов кальция, при действии ионизирующего излучения. Разобщение дыхания и фосфорилирования приводит к уменьшению уровня АТФ в клетке. Поскольку АТФ является аллостерическим ингибитором ключевого фермента гликолиза фосфофруктокиназы, при дефиците АТФ активируются анаэробные процессы, в клетке накапливаются конечные продукты гликолиза (лактат и пируват) и возникает внутриклеточный метаболический ацидоз. В кислой среде повышается проницаемость лизосомальных мембран, растет активность лизосомальных ферментов, что может привести к аутолизу клетки.

При патологии митохондриальных мембран нарушается работа транспортных систем, переносящих ионы, субстраты и низкомолекулярные продукты. АДФ-АТФ-транслоказа импортирует внутрь матриксного пространства АДФ, который фосфорилируется и в виде АТФ переносится обратно из митохондрий. Белки-ионофоры (транслоказы) осуществляют ионный обмен (Na⁺/K⁺, Ca²⁺/Mg²⁺, Ca²⁺/2H⁺), интактность которого является необходимым условием полноценного энергообмена и функционирования ферментных систем.

При изменении активности моноаминоксидазы, локализованной на внешней мембране митохондрий, нарушается обмен биогенных аминов и страдает регуляция функций. В некоторых клетках митохондрии выполняют специфические функции. Так, в печени митохондрии являются поставщиками аминогрупп в цикл мочевины.

При определенных неблагоприятных для клетки условиях в митохондриях синтезируется сигнальный белок, запускающий процесс апоптоза.

Важным моментом в патологии митохондрий является изменение структуры и функции имеющихся здесь ДНК, РНК и рибосом. Под контролем собственного генетического аппарата в митохондриях синтезируется ряд структурных и ферментных белков этого органоида. Мутация митохондриальной ДНК приводит к развитию митохондриальных наследственных болезней. Генетический дефект в этом случае передается по материнской линии. Примером такой патологии может служить ретробульбарный неврит (болезнь Лебера). Есть основания считать, что изменение структуры ДНК митохондрий может играть определенную роль в процессах канцерогенеза.

Клеточный центр. При альтерации структурных элементов клеточного центра — центриолей и астросферы — нарушаются процессы митоза в соматических и мейоза в половых клетках. Дефект контрактильного механизма нитей ахроматинового веретена приводит к нерасхождению хроматид к полюсам делящихся клеток, и в дочерних клетках изменяется набор хромосом.