Загрузил vladislavdanilov0708

Kletka - lektsia

реклама
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!
Скачать