Казанский государственный медицинский университет Кафедра общей патологии Лекция: Патология клетки Причины повреждения клеток Внешние повреждающие факторы • Физические - Механическое повреждение, - температура, - радиация, - электрический ток • Химические вещества - токсины, лекарства, никотин, алкоголь • Патогенные микроорганизмы - вирусы, бактерии, грибы, гельминты Причины повреждения клеток • Дефицит факторов, необходимых обновления структур клетки - Субстраты для окисления (глюкоза) - Структурные элементы (аминокислоты, жирные кислоты) - Витамины Причины повреждения клеток Внутренние повреждающие факторы • Генетические факторы - дефекты структурных или функционально значимых белков, ферментов • Имунологические факторы, повреждающие мембрану клетки - Антитела, белки комплемента → повреждение собственных клеток (аутоиммунные заболевания) • Дефицит кислорода - нарушения оксигенации крови, гемодинамики Механизмы повреждения клеток 1) Электролитно-осмотический механизм 2) Ацидотический механизм 3) Кальциевый механизм 4) Повреждение свободными радикалами (оксидативный стресс) Наиболее ярко эти механизмы проявляются при остром дефиците кислорода в клетке Механизмы повреждения клеток Причины острого дефицита кислорода в клетке • Гемическая гипоксия, обусловленная патологией гемоглобина • Циркуляторная гипоксия, препятствующая доставке кислорода и субстратов к клеткам • Дыхательная гипоксия, нарушающая оксигенацию артериальной крови • Тканевая гипоксия: химические вещества (в том числе бактериальные токсины), ингибирующие дыхательные ферменты митохондрий Механизмы повреждения клеток Острый дефицит О2 → нарушение синтеза АТФ → Энергодефицит в клетке Последствия: 1) Электролитно-осмотический механизм повреждения Нарушается работа Na+-K+ насоса мембраны клетки ↓ в цитоплазме клетки накапливается Na+, повышается осмотическое давление ↓ вода идет в клетку по градиенту концентрации Na+ ↓ Набухание клетки и ее органелл → разрывы мембран Ионы K+ выходят из клетки → нарушается мембранный потенциал Механизмы повреждения клеток Острый дефицит О2 → нарушение синтеза АТФ → Энергодефицит в клетке Последствия: 2) Ацидотический механизм повреждения в клетке активируется бескислородный путь синтеза АТФ (анаэробный гликолиз) ↓ снижается количество гликогена ↓ Пируват перестает поступать в митохондрии (т.к. нет О2) и превращается в в цитоплазме в молочную кислоту (лактат) ↓ внутриклеточный ацидоз ↓ внутриклеточный ацидоз: Повышается проницаемость мембраны лизосом ↓ в условиях ацидоза активируются лизосомальные гидролитические ферменты протеазы-катепсины рибонуклеазы фосфолипазы и др. ↓ повреждение всех структур клетки (аутолиз) Механизмы повреждения клеток Острый дефицит О2 → нарушение синтеза АТФ → Энергодефицит в клетке Последствия: Нарушается синтез белка в клетке Рибосомы отсоединяются от гранулярной эндоплазматической сети ↓ • Синтез белка прекращается • Вновь синтезируемые и уже присутствующие белки теряют пространственную структуру (распаковываются) → патологические белковые агрегаты Механизмы повреждения клеток Острый дефицит О2 → нарушение синтеза АТФ → Энергодефицит в клетке Последствия: 3) Кальциевый механизм повреждения Нарушается работа Ca2+ насоса мембраны клетки ↓ в цитоплазме клетки накапливается Ca2+ в цитоплазме клетки накапливается Ca2+ : ↓ • активация Ca2+ зависимых гидролитических ферментов: эндонуклеаз → разрушение нуклеотидных последовательностей ДНК фосфолипаз → повреждение мембран, мобилизация из фосфолипидов арахидоновой кислоты ↓ медиаторы воспаления - Эйкозаноиды простагландины, лейкотриены и тромбоксаны нейтральных протеаз (кальпаинов) → повреждение мембранных белков и белков цитоскелета • увеличение Ca2+ в митохондриях: - повреждение митохондрий из-за отложение преципитатов фосфата кальция инактивация дыхательных ферментов → снижение синтеза АТФ разобщение окисления и фосфорилирования увеличение продукции свободных радикалов кислород (т.к. нарушаете процесс восстановления О2 до воды) - запуск гибели клетки по механизму апоптоза Механизмы повреждения клеток Острый дефицит О2 → нарушение синтеза АТФ → Энергодефицит в клетке Последствия: 4) Повреждение свободными радикалами (оксидативный стресс) В норме в клетке 95-98% О2 – восстанавливается полностью до воды, присоединяя электроны и Н+ в процессе окислительного-фосфорилирования в митохондриях 2-5% О2 – восстанавливается не полностью с образованием активных форм О2 (свободных радикалы О2 ) Общая схема восстановления кислорода до воды Активные формы О2 = АФК = Свободные радикалы О2 имеют неспаренный электрон на внешней орбите ↓ Захватывают электрон для образования стабильной структуры повреждая органеллы клетки Первичные радикалы образуются в клетках ферментативным путем • Супероксид О2 . – • Пероксид водорода Н2О2 При неполном восстановлении О2 в митохондриях • Оксид азота NO (с участием фермента NO-синтазы) Вторичные радикалы образуются при неферментных реакциях с металлами переменной валентности (ионами железа, меди…) • гидроксил-радикал ОН. • радикалы липидов L. Образующиеся в физиологических условиях в небольшом количестве свободные радикалы выполняют ряд важных функций: • Участие в фагоцитозе: супероксид и пероксид → уничтожению патогенных микроорганизмов • Оксид азота = эндотелиальный релаксирующий фактор локальное расширение сосудов • Образование метаболитов арахидоновой кислоты (эйкозаноидов): простагландинов, лейкотриенов и тромбоксанов ↓ участие в воспалении, иммунном ответе, местных регуляторных процессах – изменении проницаемости и тонуса микрососудов • Изменение проницаемости мембраны клетки для разных ионов за счет изменения ее вязкости и активности белков-транспортеров. Существуют факторы, способные инактивировать радикалы ↓ Антиоксидантная система (греч. аnti – против, oxys – кислый) (т.е. антиокислители, ингибиторы окисления) 1. Ферменты клетки, разрушающие радикалы Супероксиддисмутаза → супероксид Глутатионпероксидаза → (коферментом является селен) Каталаза → пероксид водорода пероксид водорода + гидроксил Антиоксидантная система 2. Неферментные антиоксиданты - вещества с сильными восстановительными свойствами (доноры электронов) Жирорастворимые витамины А, Е, К Аскорбиновая кислота (витамин С) Сульфгидрильные соединения (цистеин, глутатион) 3. Внеклеточные антиоксиданты Белки плазмы, связывающие металлы Церулоплазмин → медь Ферритин, Трансферрин → железо Повреждение клетки свободными радикалами = оксидативный стресс 1) При избытке образования радикалов - радиация - сильные окислители (соединения хлора) - в очаге воспаления нейтрофилы и макрофаги высвобождают радикалы О2 в процессе фагоцитоза патогенов 2) При недостаточности антиоксидантных систем - нарушение образования антиоксидантных ферментов при повреждении клетки различными факторами (гипоксия, микроорганизмы и пр.) - дефицит неферментных антиоксидантов (витамины А, Е, К, С) - генетические дефекты антиоксидантных ферментов - Повреждение клетки свободными радикалами = оксидативный стресс 1) Перекисное окисление липидов мембран (ПОЛ) Гидроксил-радикал ОН. → окисление полиненасыщеных жирных кислот липидов клеточной мембраны и мембран органелл ↓ повышение проницаемости мембраны и нарушение функции ее белков, в первую очередь ионных каналов ↓ бесконтрольный вход Nа+, воды и Са2+ в клетку Отек клетки, растяжение мембраны, усугубляющее ее повреждение высвобождение лизосомальных ферментов ↓ повреждение структур клетки 2) Повреждение белков Нарушается конформация белков. Активность ферментов снижается или патологически повышается Наиболее чувствительны к окислению радикалами: • Дыхательные ферменты митохондрий ↓ нарушение синтеза АТФ • Шапероны • Протеосомы и убиквитины Шапероны в норме осуществляют фолдинг белков: (англ. folding – сворачивание) • сворачивают полипептидную цепочку в компактную трехмерную глобулу • разрушают неправильно сложенные белковые структуры ↓ При повреждении шаперонов образуются аномальные белковые агрегаты Протеасомы – это белковый комплекс, который отбирает поврежденные белки и уничтожают их Убиквитины – белки, которые при помощи ферментов присоединяются к дефектным белкам. Только после этого протеасомы распознают белок-мишень, который затем подвергается протеолизу ↓ протеосомная деградация белка При повреждении протеосом и убиквитинов Нарушается утилизации дефектных и токсичных белков 3) Повреждение ДНК • одно- и двунитевых разрывы цепи ДНК • поперечные сшивки между основаниями одной цепи или разных цепей ДНК • Митохондриальная ДНК более чувствительна к оксидативному повреждению ↓ Мутации Последствия повреждения ДНК • канцерогенный эффект, если мутации затрагивают протоонкогены - кодируют факторы роста, рецепторы для факторов роста, факторы транскрипциии гены онкосупрессоры - кодируют белки, подавляющие пролиферацию клеток • запуск гибели клетки по механизму апоптоза системой репарации ДНК клетки, когда она не может исправить генетические повреждения • нарушение структуры и активности белков клетки → развитие наследственных заболеваний или заболеваний с наследственной предрасположенностью Механизмы гибели клеток • Некроз • Апоптоз • Аутофагия Некроз (греч. nekrosis – умирание) гибель клетки под действием резко выраженных повреждающих факторов «Смерть клетки от несчастного случая»: • Высокая и низкая температура • Нарушение кровоснабжения (ишемия) • Механическое повреждение • Токсичные химические вещества Апоптоз (греч. apoptosis – листопад) • активный, генетически контролируемый процесс клеточной гибели • энергозависимый (необходима АТФ) «Смерь клетки в результате самоуничтожения» Сигналы, запускающие апоптоз 1) Внешний путь апоптоза активации рецепторов смерти на мембране клетки Рецепторы семейства фактора некроза опухолей (ФНО, TNF): TNFR 1, Fas-R (CD95) и др. С рецепторами связываются их лиганды, т.е. молекулы-активаторы апоптоза: • Fas-лиганд (Fas-L) присутствует на мембране цитотоксических CD8+Т-лимфоцитов • ФНО-альфа, интерферон-гамма – вырабатывается цитотоксическими CD8+Т-лимфоцитами • Гранзим В – проникает в клетку, запуская апоптоз, вырабатывается NK-клетками и цитотоксическими CD8+Т-лимфоцитами • Вирусные белки и бактериальные токсины также могут активировать рецепторы смерти! 2) Внутренний путь апоптоза (митохондриальный) • Запускается белком р53, который активируется при повреждении ДНК клетки, т.е. генотоксическом стрессе: гипоксия, температура, токсины, радиация, хим. вещества, радикалы • Белок р53 останавливает клетку в G1-фазе клеточного цикла (т.е. до репликации ДНК) G1-фаза: рост клетки, синтез белка и РНК S-фаза: репликация ДНК • Белок р53 активирует белки репарации ДНК. • Если репарация ДНК невозможна, то белок р53 запускает апоптоз клетки Внутренний путь апоптоза активируется также • при недостаточности факторов роста ↓ В клетке снижается экспрессия антиапоптотических белков семейства BCL-2 • При повреждения митохондрий (например, свободными радикалами) Изменения в клетке при некрозе Запускаются механизмы повреждения клетки: Электролитно-осмотический Ацидотический, Кальциевый Оксидативный стресс ↓ Ядро сморщивается (кариопикноз), распадается на глыбки (кариорексис) и растворяется (кариолизис) В цитоплазме - денатурация и коагуляция белка Выпячивание мембраны и ее повреждение ↓ Переваривание клетки лизосомальными ферментами (аутолиз) При некрозе повреждается мембрана клетки ↓ В плазму крови высвобождаются ферменты клеток – маркеры повреждения Повреждение гепатоцитов → Аланинаминтрансфераза (АЛТ) Аспартатаминотрансфераза (АСТ) Повреждение миокарда → Креатинкиназа, Тропонины Повреждение поджелудочной железы → Амилаза Изменения в клетке при апоптозе Внешний путь апоптоза Рецептор смерти связывается с лигандом ↓ активация домена смерти клетки (FADD-Fas-associated death domain) ↓ активация индукторной каспазы-8 ↓ активация эффекторных каспаз-3,6,7: • разрушение клеточных структур • порообразование в лизосомах → активация лизосомальных протеаз и катепсинов • порообразование в митохондриях → присоединение внутреннего пути апоптоза Внутренний путь апоптоза Белок р53 ↓ активация проапоптотических белков (Bax, Bim и др.). ↓ поступают в митохондрии: • инактивация белков-блокаторов апоптоза (например, BCL-2) • порообразование → вход Ca2+ → выход цитохрома «С» в цитоплазму ↓ цитохром «С» связывается с белком APAF-1 ↓ Апоптосома ↓ активируется индукторная каспаза-9 ↓ активация эффекторных каспаз-3,6,7 ↓ разрушение клетки Реакция тканей при некрозе • Погибает группа клеток или целый участок ткани • В очаг мигрируют тканевые макрофаги, нейтрофилы и моноциты из кровотока Влажная гангрена • Нейтрофилы и макрофаги фагоцитируют некротизированную ткань ↓ возникает очаг острого воспаления! Сухая гангрена Реакция тканей при апоптозе • Возможна гибель одной клетки (например, опухолевой) • Клетка распадается на апоптозные тельца, которые фагоцитирует тканевой макрофаг • Воспаления нет Эпителиальные клетки Кардиомиоцит Сканирующая электронная микроскопия - Образование апоптозных телец Физиологическая роль апоптоза 1) Эмбриональный период За счет апоптоза изменяется форма органов, формируется просвет в трубчатых органах Подавление апоптоза → врожденные пороки развития 2) Цитотоксические CD8+T-лимфоциты (Т-киллеры) ↓ апоптоз опухолевых клеток и вирус-инфицированных клеток Подавление апоптоза → злокачественные новообразования, тяжелые вирусные инфекции Физиологическая роль апоптоза 3) В вилочковой железе по механизму апоптоза погибают предшественники Т-лимфоцитов (тимоциты), обладающие аутоагрессивными свойствами (т.е. способные атаковать нормальные клетки) Подавление апоптоза → аутоиммунные заболевания Заболевания, связанные с усилением апоптоза Гибель клеток функционирующей ткани • аплазии и дегенеративные процессы (болезни Альцгеймера, Паркинсона, рассеянный склероз…) Расширение зоны поражения ткани при инфаркте миокарда или инсульте апоптоз клеток вокруг очага ишемии Заболевания, связанные с усилением апоптоза Апоптоз клеток хозяина непосредственно инициируют: • бактериальные токсины • внутриклеточные бактерии (Mycobacterium tuberculosis…) • вирусные белки • паразиты • грибки Аутофагия • Лизосомальное переваривание собственных компонентов клетки. • Аутофагия характеризуется изолированием участка цитоплазмы или органоида в аутофагосомах. • При слиянии аутофагосом и лизосом образуются аутофаголизосомы, в которых их содержимое разрушается лизосомальными кислыми гидролазами. • Микроаутофагия – адаптивная реакция При длительном энергодефиците клетка разрушает некоторые свои органеллы и макромолекулы - для удаления поврежденных структур, - для получения необходимых субстратов с целью обновления компонентов клетки и синтеза АТФ - для снижения энергетических затрат и сохранения жизнеспособности • Макроутофагия – вариант гибели клетки при длительном энергодефиците Характеристикой аутофагической смерти являются: • отсутствие конденсации хроматина, • массивная вакуолизация цитоплазмы • накопление аутофагических вакуолей БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!
