Патология составных элементов клетки

Патология некоторых составных элементов клетки





Хотя клетка представляет собой динамическую систему, все составные элементы которой тесно связаны между собой, целесообразно вначале рассмотреть нарушения функции клетки, возникающие при повреждении ее отдельных составляющих: клеточных мембран, ядра, митохондрий, лизосом, эндоплазматического ретикулума и др.

Ваша оценка: Нет Средняя: 2.6 (5 votes)

Патология клеточных мембран





Рассмотрение типовых патологических реакций поврежденной клетки целесообразнее всего начать с биомембран прежде всего потому, что мембраны обладают чрезвычайно разнообразными функциями, а кроме того, клетка в целом и ее отдельные органеллы окружены биомембранами.

Ваша оценка: Нет Средняя: 1.7 (19 votes)

Функции и строение биомембран





Если говорить о роли биомембран в клетке, то следует подчеркнуть, что коацерваты (белковые капли), которые плавали в первичном мировом океане на заре зарождения жизни, только тогда стали живыми организмами, когда они окутались мембраной, отделившей эти капли белка от окружающей среды. Именно в этот момент эволюции сформировалась внутренняя среда организма, которая могла существовать самостоятельно, независимо от изменения внешних условий. Формально жизнь возникла с образованием белка, фактически - с образованием биомембран. Биополимеры, то есть крупномолекулярные соединения, включающие в себя белки, оживают лишь тогда, когда они в необходимом порядке располагаются в пространстве и определенным образом взаимодействуют друг с другом. Основными биологическими структурами, обеспечивающими такое взаимодействие, и являются биомембраны.

В функции мембран также входят: контакты клеток друг с другом, транспорт в клетку кислорода, воды и питатетьных веществ, а из клетки - продуктов целлюлярного метаболизма, воды и углекислоты; ионный транспорт и выработка энергии; регуляция внутриклеточных метаболических процессов за счет действия локализованных в мембранах ферментов; генерация и передача электрических импульсов. Если свести воедино все эти многочисленные и многообразные функции биомембран, то можно сказать, что их главной задачей является поддержание гомеостаза клетки. Таким образом, биомембраны действительно являются основой жизни клетки, а их повреждение неизбежно вызовет целую цепь нарушений основных процессов жизнедеятельности клетки и приведет к развитию глубокой патологии.

Согласно современным представлениям, биомембраны состоят из бимолекулярного липидного слоя (в котором молекулы липидов ориентированы кнаружи полярными гидрофильными головками, а кнутри - неполярными гидрофобными хвостами) и белков, разбросанных по мембране без определенной ориентации.  Некоторые из этих белков погружены в липидный стой лишь незначительной частью, другие белки «прошивают» мембрану насквозь. По образному выражению, биомембраны представляют собой «белковые айсберги, плавающие в липидном море». Это сравнение верно в первом приближении, поскольку только часть белковых «айсбергов» свободно «плавает» в липидном субстрате. Другие белки фиксированы к липидной части мембраны. Характер связей отдельных белков с липидной частью биомембраны также является различным для разных белковых молекул. Молекулы, составляющие липидиый бислой, находятся в постоянном движении, осуществляя как обмен липидными молекулами между слоями (так называемый «флип-флоп»), так и перемещение их внутри одного слоя («чехарда»). Последняя протекает во много раз быстрее, чем «флип-флоп». Меняют свои места и белковые молекулы. Таким образом, биомембрана представляет собой подвижную биологическую систему. Однако подробное ознакомление со структурой и функциями биомембран относится к области биофизики и биохимии, поэтому, заканчивая экскурс в так называемую мозаичную теорию строения биомембран, перейдем к вопросам, связанным с их патологией.

Можно выделить, по крайней мере, пять «точек приложения» действия патогенного агента к биомембранам.

Липидиый бислой. Поскольку значительную часть мембран составляют липиды, воздействие патогенного агента именно на этот компонент может привести к развитию глубокой патологии биомембран.

Некоторые липиды обладают способностью «встраиваться» в биомембраны и от химической структуры этих «встроенных» липидов может зависеть дальнейшая судьба биомембраны. Липиды, входящие в мембрану, имеют два неполярных «хвоста», то есть две молекулярные цепочки. Одноцепочечные липиды обычно не синтезируются клеткой в большом количестве, так как они, подобно детергентам, разрушают мембраны. Яд некоторых змей содержит одноцепочечный липид лизолицетин. В его присутствии происходит распад клеточных мембран, что является одной из причин смерти при змеином укусе.

Исключительно важным регулятором состояния клеточных мембран является холестерин, который «уплотняет» жидкие мембраны и «разжижает» более плотные. Кроме того, он может выполнять роль своеобразного мембранного амортизатора: одна молекула холестерина, вклиниваясь между двумя липидными молекулами мембраны, блокирует передачу двигательного импульса от одной липидной цепи к другой. При атеросклерозе в крови резко возрастает содержание холестерина и интенсивность его проникновения в клетки сосудистой стенки. «Встраиваясь» в мембраны клетки, холестерин, в случае его присутствия в избыточном количестве, может нарушить нормальную функцию клеточных мембран.

Воздействуя малыми количествами жирорастворимых витаминов А и E на лизосомные мембраны, можно резко повышать их проницаемость, так как эти витамины также «встраиваются» в оболочки лизосом. Аналогичным действием обладают и свободные жирные кислоты. При избыточном накоплении в клетках этих продуктов может произойти выраженное повышение проницаемости лизосомных мембран, выход ферментов лизосом в цитоплазму с последующим аутолизом и гибелью клеток.

Приведенные три примера четко показывают, что воздействие чрезвычайного раздражителя на липидный компонент биомембран может привести к их глубокому повреждению и гибели клеток.

Мембранные белки. Белковые молекулы мембран, как уже отмечалось, не занимают постоянного положения в липидном бислое, хотя часть из них в этом слое фиксирована. При изменении функционального состояния клетки белковые молекулы могут менять свое местоположение, соединяться вместе или, наоборот, более равномерно распределяться по поверхности клетки. Этот механизм, в частности, играет важную роль в процессе фагоцитоза, когда под влиянием веществ, к которым у лейкоцитов имеется положительный хемотаксис, на одном из его полюсов образуются белковые «шапочки», состоящие из «сплывшихся» и соединившихся друг с другом молекул белка, причем эти «шапочки» во многом определяют дальнейшую динамику фагоцитарного процесса. Некоторые микробы выделяют вещества, соединяющиеся с белковыми молекулами биомембраны лейкоцитов, препятствуя тем самым образованию «шапочки» и тормозя процесс фагоцитоза. Именно белковые образования входят в состав так называемых рецепторов клетки, способных фиксировать на себе ряд необходимых для нее молекул. Повреждение этих рецепторов будет препятствовать проникновению в клетку веществ, необходимых для ее метаболизма, или же эти вещества, если они образуются внутри клетки, будут из нее усиленно вымываться, вследствие чего также может возникнуть патологическое перерождение клетки. Так, например, считают, что в результате повреждения мембранных рецепторов из клетки будут усиленно вымываться кейлоны - вещества, необходимые для торможения процесса клеточного деления. Такое вымывание кейлонов. по мнению ряда авторов, может способствовать появлению у клетки способности к безудержному росту и делению, то есть к ее озлокачествлению.

Плотность биомембран. Для того, чтобы клетка могла нормально функционировать, входящие в состав ее биомембраны липиды обязательно должны представлять собой жидкую пленку. Только в этом случае может быть обеспечено правильное функционирование мембранных белков и нормальное прохождение веществ через мембрану. Это также необходимо для нормальной работы ферментов, фиксированных на биомембранах. Если липиды становятся более плотными, то в момент их «затвердевания» активность ферментов начинает быстро падать.

Вязкость биомембран. Нормальная функция биомембран в значительной степени определяется их вязкостыо. По данным Л. Д. Бергельсона, в среднем вязкость нормальной мембраны должна соответствовать этому же показателю оливкового масла. Даже небольшие отклонения в данном параметре, например, приобретение биомембранами степени вязкости, соответствующей льняному маслу, уже означают патологию. Тем же автором и его сотрудниками было показано, что вязкость мембран клеток злокачественных опухолей меньше, чем в нормальных клетках.

Целостность биомембран. Целый ряд ферментов фиксирован на биомембранах и, соответственно, может выполнять свою функцию только в том случае, если наблюдается структурная целостность этих мембран. Другие ферменты, напротив, начинают проявлять свое действие только в том случае, если целостность мембран нарушена и ферменты перешли в свободное состояние. Таким образом, сохранность биомембран в весьма значительной степени определяет состояние их ферментной активности. Важность целостности мембраны для нормального течения процессов в клетке можно пояснить на следующем примере.

В мембранах клеток содержится фермент аденилатциклаза, играющий исключительно важную роль в нормальном течении внутриклеточного метаболизма. При активации аденилатциклазы происходит усиление образования в клетке циклических нуклеотидов, в частности цАМФ, который образуется из АТФ. Циклический АМФ катализирует ряд внутриклеточных реакций, переводя многие ферменты из неактивной формы в активную, в результате чего начинают интенсивно идти те или иные биохимические процессы. Циклические нуклеотиды тесно связаны в своем метаболизме и с таким мощным регулятором деятельности клетки, каким являются простагландины. В связи с этим можно сказать, что повреждение клеточных мембран неизбежно сказывается на нормальном функционировании аденилатциклазы, вследствие чего нарушается выработка циклических нуклеотидов и простагландинов. Другими словами, повреждение клеточной мембраны может привести к резкому нарушению функции и даже к гибели клетки.

Ваша оценка: Нет Средняя: 2.6 (41 голос)

Патология клеточного ядра

«Мозгом» клетки является клеточное ядро. В нем располагаются макромолекулы ДНК, в которых закодирована внутриклеточная информация. Все процессы, протекающие в клетке, регулируются и направляются ядром. Несмотря на то, что роль ядра в жизни клетки стала ясна уже давно, и изучению этой органеллы посвящено очень большое количество работ, механизмы функционирования ядра еще далеко не выяснены, в частности, особенности транспорта различных веществ через нуклеолемму, роль последней в передаче информации от ядра к остальной части клетки и т.д.

Что касается патологии ядра, то можно сказать следующее: если гибнет ядро, то гибнет и клетка. Ядро может подвергаться патологическим изменениям, связанным с изменением коллоидно-осмотических взаимоотношений внутри клетки. При набухании ядра может произойти его разрыв (кариорексис), а при повышении осмотического и онкотического давления в цитоплазме - его сморщивание (пикноз), что также может вызвать в клетке ряд глубоких патологических изменений.

При электронной микроскопии патологически измененной клетки (или клетки, находящейся в состоянии повышенной функциональной активности) нередко отмечается следующая особенность: в ней происходит уменьшение количества хроматина, причем он начинает располагаться по периферии ядра в виде узкой темной полосы вдоль нуклеолеммы.  Это так называемая маргинация хроматина, свидетельствующая об интенсификации внутринуклеарных процессов. Ряд последовательных изменений происходит в ядре при апоптозе.

Ваша оценка: Нет Средняя: 2.7 (11 votes)

Патология митохондрий

Клетки животных организмов содержат внутриклеточные органеллы - митохондрии, в которых происходит выработка энергии (у растений аналогами митохондрий являются хлоропласты). Поскольку энергия требуется для подавляющего большинства процессов, происходящих в клетке, любая перегрузка последней должна приводить к усилению выработки энергии вследствие гиперфункции митохондрий и, наоборот, повреждение митохондриального аппарата, сопровождающееся снижением уровня энергообразования, вызывает развитие глубокого повреждения клетки, нередко заканчивающегося ее гибелью.

Типовой реакцией митохондрий на перегрузку клетки является их набухание,  то есть увеличение в объеме (на трансмиссионных электронограммах, где изображение является одноплоскостным. этот феномен проявляется увеличением площади митохондрий). Набухание этих органелл связано с уменьшением в них количества АТФ, которая усиленно тратится при их гиперфункции, и с увеличением количества АДФ. которая образуется в результате отщепления от АТФ одной фосфатной группы. При этом мембранные и осмотические характеристики митохондрий меняются так, что в них начинает поступать больше воды, и они набухают. Эта типовая реакция является приспособительной, что связано со следующими закономерностями функционирования митохондрий. В них имеются перегородки (кристы), представляющие собой складки внутренней митохондриальной мембраны.  На поверхности этих крист располагаются элементы дыхательной цепи, по которой передаются электроны и атомы водорода (протоны). Этот процесс транспорта электронов и протонов по дыхательной цепи, идущий только при наличии кислорода, называется дыханием (окислением).

Параллельно с ним идет второй процесс - перенос неорганического фосфата на молекулу АДФ, вследствие чего образуется основной донатор энергии - АТФ. Этот процесс носит название фосфорилирования. Поскольку окисление и фосфорилирование связаны (сопряжены) друг с другом, весь процесс в целом носит название окислительное фосфорилирование. в динамике которого электроны и протоны не только транспортируются вдоль (по поверхности) митохондриальной мембраны, но происходит и их переход с одной поверхности мембраны на другую. Таким образом, процесс окислительного фосфорилирования зависит как от площади мембранной поверхности митохондрий, так и от ее целостности, а также от расстояния между энергообразующими комплексами. При набухании митохондрий кристы развертываются, вследствие чего энергообразующая поверхность митохондрий увеличивается, и выработка энергии возрастает. Поэтому набухание митохондрий и является адаптационно-приспособительной реакцией клетки, на которую возросла нагрузка и которая вынуждена гиперфункционировать.

Есть вещества (например, гиреоидные гормоны, свободные жирные кислоты и др.), которые нарушают связь между процессами дыхания и фосфорилирования, разобщают их, вследствие чего выработка энергии в митохондриях уменьшается и в них накапливается большое количество АДФ, что приводит к усилению поступления воды в митохондрии; они набухают, и выход энергии из них возрастает.

Однако любой приспособительный процесс при некоторых условиях может перейти в патологический. Если набухание митохондрий переходит определенные границы, выработка энергии в них уменьшается, поскольку при перерастяжении крист увеличивается расстояние между соседними молекулярными комплексами, передающими друг другу электроны и протоны, транспорт которых в дыхательной цепи нарушается, что ведет к снижению выработки энергии. Кроме того, для оптимального протекания процессов окислительного фосфорилирования необходимо сохранение нормальной структуры мембраны митохондрий, а следовательно, и митохондриальных крист. Электронно-микроскопические наблюдения показывают, что набухание митохондрий, как правило, сопровождается и деструкцией их крист, причем последние повреждаются тем сильнее, чем резче выражено набухание. В связи с этим чрезмерное набухание митохондрий также ведет к снижению выработки энергии.

Аналогичные рассуждения можно провести и относительно наружной митохондриальной мембраны, которая, как и кристы, принимает участие в выработке энергии. При умеренном набухании митохондрий их поверхность также увеличивается, а при чрезмерном - повреждается.  Таким образом, роль реакции набухания митохондрий нужно трактовать в зависимости от степени ее выраженности. Умеренное набухание митохондрий способствует усилению энергообразования и является адаптационным процессом, а чрезмерное набухание приводит к снижению выработки энергии в митохондриальном аппарате и представляет собой патогенетическую реакцию.

Хотя набухание митохондрий представляет собой типовую реакцию клетки на повреждение, тем не менее имеются патологические состояния, при которых набухание митохондрий представляет собой специфический процесс, характерный именно для данной конкретной болезни. Речь идет о заболеваниях, при которых в организме возрастает содержание веществ, способных разобщать дыхание и фосфорилирование. Наиболее ярким примером является гиперфункция щитовидной железы, приводящая к накоплению в организме избытка тиреоидных гормонов, которые разобщают дыхание и фосфорилирование. При гипертиреозе набухание митохондрий вследствие разобщающего действия тиреоидных гормонов достигает очень высоких степеней.

Другим признаком повреждения митохондрий являются изменения, наступающие в их матриксе. Матриксом называют заполненное водой и коллоидами пространство внутри митохондрии между кристами. В матриксе митохондрий сосредоточены ферменты цикла Кребса и ферменты, которые участвуют в расщеплении жирных кислот. Другими словами, в матриксе происходит «подготовительная работа» по выработке энергии, которая завершается на митохондриальных кристах в динамике процесса окислительного фосфорилирования. Электронно-микроскопические исследования показали, что при патологических процессах самой различной этиологии в матриксе митохондрий может происходить ряд изменений.  Сначала, как правило, появляется пятнистое просветление матрикса, что свидетельствует об уменьшении его количества в данном участке митохондрии. Пятнистое просветление может смениться вакуолизацией, то есть образованием в митохондриях полостей, полностью свободных от матрикса. Такие митохондрии на электронограмме будут выглядеть очень светлыми, их кристы как бы покоятся в пустоте. И, наконец, может произойти полное вымывание матрикса из митохондрий. Указанные изменения матрикса свидетельствуют о резко возросшей интенсификации протекающих в нем процессов. Естественно, что с уменьшением количества матрикса произойдет ослабление интенсивности «подготовительной» стадии выработки энергии, и процесс энергообразования в целом нарушится.

Об интенсивном функционировании митохондрий также свидетельствует гомогенизация их внутренней структуры.

И, наконец, проявлением гиперфункции клетки является уменьшение в ней количества митохондрий. Любая структура при гиперфункции разрушается, и если нагрузка. падающая на клетку, чрезвычайно высока, вся энергия, вырабатывающаяся даже в гиперфункционирующих митохондриях, идет на преодоление этой нагрузки, а на пластические процессы, в том числе и на обеспечение ресинтеза самих митохондрий, энергии не хватает. Митохондрии разрушаются и не восстанавливаются, а энергообеспечение клетки начинает снижаться.

В настоящее время электронная микроскопия достаточно глубоко внедрена в клиническую практику (электронно-микроскопические биопсии). При этом следует помнить, что клетка - это динамическая система, отдельные элементы которой могут работать даже в норме в неравноценных условиях. Поэтому в нормальной клетке наблюдается очень высокая гетерогенность. В связи с этим к оценке ее состояния следует подходить очень осторожно, учитывая в числе других признаков и степень распространенности наблюдаемых изменений в различных отделах клетки.

Ваша оценка: Нет Средняя: 4.4 (17 votes)

Патология лизосом

Лизосомы представляют собой внутриклеточные включения, содержащие ферменты, относящиеся в основном к классу кислых гидролаз. Установлено, что одна лизосома может содержать около 70 ферментов. Если мембрана лизосом полностью разрушится и все содержащиеся в них ферменты выйдут в цитоплазму, клетка подвергнется самоперевариванию и погибнет. По выражению бельгийского биохимика Де Дюва, «одна лизосома содержит в себе полный набор ферментов, необходимый для самоубийства клетки».

В 1892 г. И. И. Мечников чисто умозрительно предположил наличие в клетке органелл, содержащих ферменты, в 1949 г. К. Де Дюв доказал наличие таких органелл биохимическими методами и в 1955 г. К. Де Дюв и А. Новиков идентифицировали лизосомы под электронным микроскопом.

За десятилетия, прошедшие с момента окончательной идентификации лизосом, их роль в физиологии и патологии клетки была изучена достаточно подробно. Лизосомы стоят у истоков жизни, так как в головке сперматозоида имеются лизосомоподобные тельца, которые при контакте сперматозоида с яйцеклеткой выделяют ферменты, растворяющие в данном участке оболочку последней. Именно здесь в яйцеклетку проникает сперматозоид. После оплодотворения яйцеклетки ферменты лизосом воздействуют на оболочку яйцеклетки и так меняют ее структуру, что она не пропускает другие сперматозоиды.

Лизосомы играют важную роль во внутриутробном развитии организма. В эксперименте при применении в процессе эмбриогенеза веществ, угнетающих лизосомный аппарат или меняющих проницаемость лизосомных мембран, развитие плода резко нарушалось, что приводило к развитию врожденных уродств. Лизосомы участвуют в синтезе ряда гормонов, осуществляют процессы внутриклеточного пищеварения, представляют собой «пусковой фактор» внутриклеточной регенерации, очищают клетки от балластных веществ и, наконец, «включают» процессы посмертного аутолиза, являясь таким образом не только «повивальными бабками», но и «могильщиками» организма.

Не менее важную роль лизосомы играют в динамике патологических процессов. При воспалении ферменты лизосом дают толчок целому ряду реакций, лежащих в основе развития альтерации, экссудации и пролиферации.

Повреждение лизосом является важным звеном в процессе развития шока. При резком повышении проницаемости их мембран происходит выход ферментов лизосом в цитоплазму, аутопереваривание клеток (в том числе и гладкомышечных элементов сосудистой стенки), что вызывает катастрофическое падение артериального давления и смерть (так называемые необратимые формы шока).

Установлена важная роль лизосом в процессах канцерогенеза. Показано, что лизосомы могут накапливать в себе канцерогенные вещества, а затем выпускать их в клетку, создавая там очень высокую концентрацию этих веществ и начиная тем самым процесс малигнизации.

Особую группу составляют так называемые лизосомные болезни, связанные с генетически обусловленными дефектами ферментных систем этих органелл.

Ваша оценка: Нет Средняя: 2.6 (10 votes)

Патология эндоплазматического ретикулума

Эндоилазматический (в мышечных клетках саркоплазматический) ретикулум  представляет собой систему трубочек и их расширений (цистерн), через которую осуществляется транспорт в клетку питательных веществ, а из клетки - продуктов ее метаболизма. В мышечных клетках на мембранах саркоплазматического ретикулума осуществляется сопряжение процессов возбуждения и сокращения. В сердечной мышце в начале диастолы происходит процесс извлечения эндоплазматическим ретикулумом ионов Са++, что является важным этапом процесса диастолического расслабления миокарда.

Патология эндоплазматической сети на электронных микрофотографиях находит свое выражение в виде ее «заболачивания», то есть заполнения либо аморфной массой слабой или средней электронной плотности, либо даже обрывками мембран, миелиновыми фигурами и другими структурными образованиями.  Это свидетельствует о нарушении дренажной функции эндоплазматического ретикулума и, соответственно, клеточного метаболизма.

Обнаружение на электронных микрофотографиях сердечной мышцы резкого утолщения (огрубления) мембран саркоплазматического ретикулума может говорить о нарушении сопряжения процессов возбуждения и сокращения в миокарде, то есть о значительном ослаблении сократительной силы сердца.

Наряду с рассмотренными, в клетке имеется и ряд других органелл и внутриклеточных включений, но патология указанных выше элементов имеет наиболее существенное значение.

Ваша оценка: Нет Средняя: 1.7 (3 голосов)