Вы здесь

Общая патофизиология клетки

Различные болезнетворные влияния нарушают структуру и функции клеток. Повреждения поверхностных и глубоких протоплазматических структур клетки, ее органелл и ядра вызывают изменения их строения и функций. Изменяются процессы взаимодействия клетки и межклеточного вещества в органах, нарушаются функции органов и систем, развивается болезнь. Повреждение клетки любой степени и сложности немедленно сопровождается развитием в ней защитно-компенсаторных процессов. Например, угнетение окислительных процессов в поврежденной клетке обычно сопровождается активацией другого источника энергии — гликолиза. Процессы повреждения и защиты против него, компенсации нарушенных функций неразрывно связаны между собой в любой болезненно измененной клетке.

Важнейшей особенностью повреждения живых клеток является способность поврежденной клетки активировать ферментативные механизмы, с помощью которых повреждение в конечном счете,устраняется. Например, при механическом повреждении тканей и кровеносных сосудов вступают во взаимодействие тромбокиназа и протромбин. Происходит свертывание крови и образовавшийся сгусток закрывает дефект. В поврежденных клетках активируются протеазы лизосом, которые переваривают поврежденные клетки и этим способствуют их удалению из организма. Повреждение кожи ультрафиолетовыми лучами освобождает фермент тирозиназу, под влиянием которой образуются пигменты, защищающие кожу от воздействия этих лучей.

Давно известны изменения строения клеток при различных заболеваниях. Они назывались ранее перерождениями, дегенерациями, а в настоящее время именуются клеточными дистрофиями. В протоплазме клеток при дистрофиях наблюдаются вакуолизация, помутнение протоплазмы (мутное набухание), появление различных грубодисперсных осадков (гиалицоз), мукоидоз, восковидные дистрофии и др.



Омертвение клеток и тканей называется некрозом (от греч. necros — мертвый). В умирающих клетках и тканях жизнь протекает при участии процессов компенсации нарушенных функций. Эти формы жизни называются некробиозом. Обратимые изменения в протоплазме поврежденной клетки именуются паранекрозом (Д. Н. Насонов). При паранекрозе наблюдается уменьшение дисперсности коллоидов протоплазмы клетки и увеличение ее вязкости. Увеличиваются сорбционные свойства клетки по отношению к красителям. Наблюдается диффузное окрашивание протоплазмы (например, нейтральным красным). Эти изменения свойств протоплазмы указывают на ее денатурацию.

Патофизиологические изменения в поврежденной клетке изучаются сейчас электронномикроскопическими методами, методами контрастной микроскопии, гистохимическими методами, микрокинематографическими методами, а также всеми современными физико-химическими методами исследования живых клеток (электропроводность, редокспотенциал, потенциал повреждения и др.).

ПАТОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ВЫРАЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК

Специфические выражения повреждения клеток

Каждое повреждение выражается специфическим нарушением структуры и функции клетки; Для механического повреждения таким специфическим нарушением будет нарушение целости структуры ткани, клеток, субклеточных и межклеточных структур. Для термического повреждения специфическим его выражением будет коагуляция и денатурация белково-липоидных структур клеток. При радиационной травме специфическим повреждением будет образование свободных радикалов в поврежденных клетках с последующим нарушением окислительных и других процессов в поврежденной клетке. Специфическим выражением повреждения тканей кожи является резкое снижение содержания гидроксипролина и кислых полисахаридов и накопление мукогликопротеида, а также гексозамина. Исчезает также нерастворимый коллаген. При заживлении раны кожи наблюдается обратный процесс.

При специфическом химическом (токсическом) повреждении специфическим выражением будет торможение (ингибиция) отдельных клеточных ферментов или их групп, например подавление активности цитохромоксидазы цианидами, торможение сукцинатдегидрогеназы солями малоновой кислоты, Торможение холинэстеразы диизопропилфторфосфатом (нервным ядом) и другими фосфорорганическими ингибиторами. В соответствующих концентрациях эти вещества вызывают необратимые повреждения клеток и их гибель.

Известны также многочисленные виды специфического повреждения клеток, вызванного ингибицией отдельных ферментов или их групп, которые не сопровождаются гибелью клетки, но существенно изменяют характер ее обмена веществ. К таковым относится, например, торможение гликолиза монойодацетатом, торможение процессов фосфорилирования глюкозы в эпителии канальцев почек флоридзином. Специфическое подавление пируватоксидазной системы лежит в основе повреждающего действия боевых отравляющих веществ, содержащих мышьяк, например люизита.

Некоторые токсины животного и бактериального происхождения, проникая в клетку, вызывают избирательное угнетение активности ряда ферментов. Причина повреждающего действия многих ядов заключается в их способности растворяться в липоидах (змеиные яды, токсины микробов группы газовой гангрены). Липоцдные оболочки окружают некоторые субклеточные образования внутри протоплазмы клетки, в которых содержатся ферменты, часто противоположного действия. Ингибиция ферментов одного вида действия, например синтетаз, вызывает активацию гидролитических ферментов в лизосомах. Это приводит к протеолизу и расплавлению клетки (цитолиз, кариолиз и т. д.).

Специфическим выражениям повреждения клетки обычно сопутствуют (или следуют за ними) и общие неспецифические проявления повреждения, наблюдаемые независимо от вида болезнетворных причин. Часто специфические выражения повреждения клеток предшествуют неспецифическим. В некоторых случаях, однако, неспецифические выражения повреждения клеток могут предшествовать проявлению специфических для повреждающего агента изменений строения и функции. Так, например, при специфическом гемолизе, вызванном системой гемолизин — комплемент, выхождение калия из эритроцитов (неспецифическое выражение повреждения, так как оно имеет место и при других формах повреждений эритроцитов и других клеток) предшествует выхождению гемоглобина — специфическому выражению повреждения при гемолизе.

Неспецифические выражения повреждения клеток

К неспецифическим (или общим) проявлениям повреждения клетки относятся: денатурация белков, ряд нарушений обмена веществ на клеточном уровне, внутриклеточный ацидоз, отек, освобождение из клеток ионов калия и другие изменения.

Повреждение и денатурация белков. При денатурации белков изменяются многие их свойства: растворимость, размеры молекул, оптическая активность; выявляются отдельные скрытые в нативном белке функциональные группы (SH-группы цистеина, имидазольные группы, ОН-группы тирозина и др.). Эти процессы возникают под влиянием различных повреждающих агентов — высоких температур (45—50°), резких сдвигов рН (ниже 4 или выше 10), действия солей тяжелых металлов, при обезвоживании, под влиянием веществ, оказывающих мылоподобное действие. Поэтому явление денатурации белков клеток следует считать неспецифическим выражением их повреждения на молекулярном уровне.

Нарушение проницаемости мембран и обмена веществ. Поступление в клетку воды, электролитов и питательных веществ не является процессом простой диффузии, а управляется специальными аппаратами — «клеточными насосами». Клеточные насосы обеспечивают поступление воды, электролитов, Сахаров и других веществ против градиента их концентрации на границах клетка — среда в количествах, значительно превышающих таковые при диффузии. Так происходит поступление этих  веществ в эритроциты, мышечные и нервные клетки, клетки эпителия почечных канальцев, кишечника и др. Например, поступление воды в клетку примерно в 20 раз превосходит количество, которое может поступить в нее путем диффузии. Соответственно количество поступающей глюкозы в 10 раз превышает таковое, проходящее путем диффузии. Клеточные насосы управляют поступлением и выходом электролитов. Особое значение имеет «калий-натриевый насос». Его работа обеспечивается энергией макроэргических фосфорных соединений (АТФ). Результатом работы этого насоса является превышение концентрации ионов калия внутри клетки примерно в 20—30 раз по сравнению с таковой в окружающей клетку жидкости. Соответственно концентрация ионов натрия внутри клетки примерно в 10 раз меньше таковой в окружающей клетку среде.

В табл. 1 приведены данные о содержании ионов натрия и калия в некоторых клетках.

Распределение ионов калия и натрия внутри и снаружи некоторых клеток

Любое повреждение сопровождается изменением проницаемости клеточных мембран и состояния протоплазмы поврежденной клетки. При повреждении чаще всего наблюдается увеличение проницаемости поврежденной клетки как к макромолекулам (белки, коллоидные краски), так и к веществам с низким молекулярным весом (аминокислоты, глюкоза), а также к ионам. Наблюдается усиление окрашиваемости поврежденных клеток различными красками (нейтральный красный и др.). Последний процесс связан также с усилением сорбционных свойств поврежденной клетки.

Увеличение проницаемости при повреждении наблюдается и в субклеточных структурах (митохондрии, лизосомы и др.). Соответственно сказанному при повреждении из клеток и субклеточных структур освобождаются свободные аминокислоты, ферменты лизосом и митохондрий. Увеличение проницаемости клетки и субклеточных структур по отношению к ионам связано с нарушением деятельности клеточных насосов (К+ - Na+, Н+ - ОН- и др.).

Нарушается строение поверхностных протоплазматических структур и деятельность «насосов», обеспечивающих обмен ионов К+, Na+, OH-, Сl- и многих неэлектролитов (сахаров и др.). Нарушаются как диффузионно-осмотические, чисто физико-химические механизмы проницаемости, так и физиологические механизмы проницаемости или клеточные «насосы», работающие против осмотических сил (К+ — Na+-нacoc, всасывание глюкозы в кишечнике, в почках и других органах за счет энергии, освобождающейся при распаде АТФ и других веществ.

Обмен воды в тканях при повреждениях. Одним из важнейших неспецифических выражений повреждения тканей и клеток является нарушение обмена воды в поврежденных клетках. Оно заключается в том, что в поврежденной клетке вода освобождается из ее протоплазмы и выходит в среду, окружающую клетку. Соответственно увеличивается содержание внеклеточной (экстрацеллюлярной) воды в поврежденной ткани. Этот процесс создает так называемый травматический отек. Характерными примерами травматического отека могут служить отек мозга при травмах мягких тканей головы и черепа, при сотрясении мозга, отек мышечной и соединительной тканей при травмах конечностей, переломах костей. Чем сильнее повреждение, тем больше поврежденная ткань отдает воды в межклеточную жидкость, кровь и лимфу. Например, при переломе бедра за 5 дней отдается от 2 до 8 л жидкости. В поврежденной ткани соответственно падает отношение: внутриклеточная вода/общая вода.

Освобождение калия. Одним из показателей нарушения обмена веществ в поврежденной клетке является выход из нее калия. Процесс освобождения калия возникает в связи с повреждением калиевого и натриевого «насосов», управляемых ферментами — «переносчиками» ионов в клетку и из клетки (пермеазы и др.).

Освобождение калия из тканей в кровь происходит при механической травме, различных интоксикациях, аллергических состояниях и многих других повреждениях органов и тканей. Увеличение содержания калия в окружающей клетку среде Наблюдается и при гипоксии тканей (например, инфаркт миокарда); понижение содержания его в клетке происходит также под влиянием больших доз минералокортикоидного гормона  (см. главу «Патофизиология эндокринной системы»).

Изменения активности внутриклеточных ферментов. Эти изменения возникают вследствие повреждения митохондрий, разрушения лизосом и эндоплазматического ретикулума, рибосом и других внутриклеточных органелл.

Для повреждения клетки характерна активация внутриклеточных протеаз (катепсинов, триптаз). Это возникает отчасти вследствие понижения активности ингибиторов клеточных протеаз поврежденной Клетки. Активация клеточных протеаз вызывает усиление распада белково-липоидных комплексов протоплазмы. Продукты протеолиза как более низкомолекулярные вещества вызывают изменения протоплазмы поврежденной клетки. Нарушается коллоидное состояние белково-липоидных комплексов протоплазмы в форме различной степени ее разжижения или коагуляции. Возникает также накопление кислых продуктов протеолиза (полипептидов, некоторых аминокислот) и снижение рН поврежденной клетки. Эти процессы лежат в основе аутолиза поврежденных клеток.

В митохондриях поврежденной клетки возникают различные нарушения активности внутриклеточных окислительных ферментов (сукцинатдегидрогеназа и др.). Вследствие этого дыхание (поглощение кислорода) поврежденных клеток понижается. Одновременно увеличивается аэробный гликолиз, так как деятельность ферментов, тормозящих этот процесс в присутствии кислорода (эффект Пастера), угнетается. В некоторых случаях повреждения угнетению дыхания и пастеровского эффекта предшествует период (фаза) активации этих процессов. На рис. 1 показаны изменения дыхания и гликолиза клетки печени крысы при изучении в аппарате Варбурга под влиянием хинина.

Нарушения дыхания и гликолиза при повреждении

Важным показателем состояния повреждения тканей является уменьшение окислительного фосфорилирования, о чем судят по коэффициенту



Окислительное фосфорилирования

Процесс этот обеспечивается энергией фосфорилирования макроэргов (АТФ и др.). Повреждение тканей сопровождается резким уменьшением коэффициента окислительного фосфорилирования. Так, например, Р/О для тканей изолированной почки через 3 часа нахождения ее в условиях гипоксии уменьшается вдвое. Этот коэффициент является важным критерием не только для оценки степени повреждения переживающего органа (например, почки), но и при решении вопроса о жизнеспособности, пригодности его для трансплантации.

Ацидоз повреждения. Любое повреждение клетки сопровождается ацидозом ее протоплазмы (рН падает до 6 и ниже).

Первичный ацидоз повреждения клеток следует отличать от вторичного ацидоза в воспаленной ткани, который возникает значительно позднее (через несколько часов) после нанесения повреждения.

Первичный ацидоз повреждения — следствие активации протеолиза, липолиза, гликогенолиза и гликолиза в поврежденной клетке. Большое значение в этом процессе имеет повреждение лизосом, освобождающих катепсины и другие ферменты.

Первичный ацидоз в поврежденной ткани возникает независимо от вида повреждающего агента — механического, химического (аллиловое, горчичное масло), бактериального (дизентерийная палочка, гемолитический стафилококк) повреждения. Ацидоз повреждения возникает в тканях также при гипоксии и других повреждениях. Ацидоз повреждения является поэтому весьма важным неспецифическим выражением повреждения клеток и тканей.

Медиаторы повреждения. Во многих случаях болезнетворный агент вызывает повреждение клеток и тканей не непосредственно, а через промежуточные продукты первичного воздействия болезнетворного агента на клетки. Эти продукты можно обозначить как «медиаторы повреждения». Всасываясь в кровь, они разносятся по организму и могут вторично вызывать как местные (воспаление), так и общие (шок) реакции. Давно известны такие токсические продукты повреждения скелетных мышц, как гистамин, аденозин, различные полипептиды. Повреждение лизосом сопровождается освобождением многих гидролитических ферментов (катепсины и др.), которые активируются и вызывают дальнейшее разрушение, аутолиз, поврежденных клеток. Многие медиаторы повреждения (гистамин, кинины, серотонин и др.), вызывающие воспалительные и аллергические реакции, описываются также под названием «медиаторы воспаления» и «медиаторы аллергии». Повреждение нервной ткани сопровождается освобождением медиаторов: ацетилхолина, норадреналина и других промежуточных продуктов обмена нервной ткани.

Медиаторы повреждения являются важным промежуточным звеном в развитии процессов повреждения клеток и тканей.

Сорбционные свойства клеток. Одним из важных выражений повреждения клеток неспецифического характера является увеличение их сорбционных свойств, о чем можно судить по интенсивности поглощения красок и других веществ. Например, лейкоциты, поврежденные вследствие пребывания в физиологическом растворе NaCl — среде, не адекватной по своему составу крови, диффузно и весьма интенсивно окрашиваются нейтральной красной краской. Неповрежденные лейкоциты поглощают эту краску, но окрашиваются у них только пищеварительные вакуоли.

Подобное увеличение поглощения красок и других веществ наблюдается при повреждении мышечных, эпителиальных и нервных клеток. В случаях неглубокого повреждения клеток их сорбционные свойства изменяются обратимо. Увеличение сорбционных свойств поврежденных клеток легло в основу учения Д. Н. Насонова о паранекрозе — обратимом повреждения клеток. При паранекрозе уменьшается дисперсность коллоидов протоплазмы и увеличивается ее вязкость.

Повреждение и кальцификация. Различные повреждения клеток сопровождаются отложением в них фосфорных солей кальция [Са10(РО4)6(ОН)2] с последующим отложением карбонатов магния и натрия. Эти процессы называются кальцификацией. Она наблюдается при некрозе тканей, туберкулезной инфекции, артериосклерозе, инфарктах и других повреждениях органов. Гипоксия тканей также способствует отложению в них солей кальция.

Сопротивление тканей электрическому току (электропроводность). Снижение сопротивления живых тканей и клеток переменному электрическому току относительно низкой частоты (1—10 килоциклов в секунду) является важным показателем повреждения тканей.

Известно, что живые клетки обладают не только омическим, но и емкостным сопротивлением. Средняя величина омического сопротивления клеточных мембран около 1000 ом/см2, а величина емкостного сопротивления около 1 микрофарады/см2. Суммарная величина полного сопротивления переменному электрическому току живых клеток называется «импеданс» (от лат. impedio — препятствие). Это сопротивление:

импеданс

где R0 — омическое сопротивление клетки; С — емкость клетки; W = 2πn, где n — частота переменного тока, к которому измеряется сопротивление исследуемой ткани. В зависимости от частоты перемен величина сопротивления электрическому току живых тканей понижается. При большой частоте перемен (1000 килоциклов в секунду) емкостное сопротивление практически исчезает, так как конденсаторные свойства тканевых мембран практически не действуют.

В табл. 2 приведены данные омического и емкостного сопротивления некоторых тканей.

Некоторые данные о сопротивлении тканей животных и человека электрическому току

Замечено, что различные повреждения вызывают снижение главным образом омического сопротивления. Определяют и общее сопротивление к переменному электрическому току (импеданс) тела человека в целом. Установлено, что импеданс уменьшается при различных состояниях возбуждения центральной нервной системы, при вегетативных неврозах. Увеличение потоотделения резко снижает (в 1000 раз) сопротивление кожи человека электрическому току разных частот.

Потенциал повреждения. Уменьшение потенциала повреждения (или так называемого мембранного потенциала) является одним из характерных выражений повреждения клеток.



Потенциалом повреждения (синоним — мембранный потенциал) называют разность потенциалов между неповрежденной поверхностью клетки и ее протоплазмой. Для определения потенциала повреждения один электрод устанавливают на поверхности клетки, а другой вводя внутрь ее, в ее протоплазму.

Все исследования внутриклеточных потенциалов начинаются с того, что в исследуемую клетку вводят микроэлектрод. Появление потенциала повреждения и свидетельствует о том, что экспериментатор попал именно внутрь исследуемой клетки.

В табл. 3 приведены данные о величине мембранного потенциала некоторых клеток.

Потенциалы повреждения некоторых тканей

При повреждении клеток нарушается работа натрий-калиевого насоса и ионы калия выходят на поверхность клетки. Вслед за ними выходят ионы хлора. Большая подвижность ионов калия относительно ионов хлора вызывает задержку последних у поврежденной поверхности. Вследствие этого поврежденная поверхность становится заряженной отрицательно.

Падения потенциала повреждения в клетках печени при асфиксии

Отсюда разность потенциалов между поврежденной поверхностью и и протоплазмой клетки уменьшается. Снижается потенциал повреждения. Другими словами, если в неповрежденной клетке протоплазма оказывается заряженной отрицательно относительно поверхности клетки за счет содержания в протоплазме отрицательно заряженных ионов белков и липоидов, то при повреждении клеток отрицательно заряженные ионы хлора, а иногда и белковые молекулы выходят на поверхность клетки и этим снижают разность концентраций отрицательно заряженных ионов на поверхности клетки и в ее протоплазме. Результатом является снижение потенциала повреждения или мембранного потенциала. На рис. 2 представлено снижение мембранного потенциала печени крысы при асфиксии от — 60 до — 10 мв. Снижение мембранного потенциала наблюдается также при холодовой, радиационной, аллергической и других травмах клеток, лизосом и прочих субклеточных структур.