Феноменологические (внешние) проявления повреждения клеток

Главный вывод из всех исследований, относящихся к изучению неспецифической реакции клеток на повреждение, заключается в том, что в основе "неспецифической реакции" лежит нарушение барьерной функции клеточной и внутриклеточных мембран, а также выключение ионных насосов. Это, в свою очередь, сопровождается нарушением распределения веществ (компартментализации) внутри клетки и между клеткой и окружающей средой, дезорганизацией внутриклеточного метаболизма и нарушением системы энергообеспечения. Все другие проявления неспецифической реакции есть следствие этих первичных изменений.

Наиболее известны такие проявления неспецифической реакции, как изменение физического состояния внутриклеточных белков и активности ферментов, набухание органелл и увеличение объема клетки в целом (набухание клетки и отек ткани), выход ионов калия из клетки и вход ионов кальция и, натрия внутрь. Рассмотрим подробнее эти явления и их возможные причины.

Изменение состояния белков и активности ферментов. В неспецифической реакции клеток на повреждение значительную роль играет необратимая инактивация (денатурация) белков, связанная с нарушением нативной структуры (конформации) белковой молекулы. Действительно, такие явления, как увеличение вязкости, мутности и уменьшение растворимости белков, которые наблюдаются в поврежденных клетках, характерны и для растворов белков, подвергнутых денатурирующим воздействиям: нагреванию, изменению рН или действию некоторых химических и физических агентов.

Следует помнить, что в водных растворах белки подвергаются денатурации при нагревании обычно не ниже чем до 45-50* или при изменении рН ниже 3,5 или выше 10.

Такие жесткие условия в живом организме возникают редко, и не они являются причиной наблюдаемых изменений свойств цитоплазмы и клетки в целом. Широкое внедрение методов электронной микроскопии в биохимию и биофизику внутриклеточных структур во многом изменило понятия "мутность", "вязкость", "нерастворимые структуры", "связывание красителей", заимствованные из арсенала коллоидной химии белковых растворов и сделало их неприменимыми к такой сложной системе, как содержимое живой клетки, которое нельзя рассматривать в качестве простого раствора ни в условиях нормального функционирования, ни в условиях клеточной патологии.

Одним из первых результатов всякого повреждения клетки является увеличение проницаемости цитоплазматической мембраны и нарушение клеточной энергетики. Ионы кальция начинают просачиваться внутрь клетки, в результате чего происходит увеличение концентрации кальция от 10^-8-10^-7 моль/л (в норме) до 10^-6-10^-5 моль/л. Это приводит к нарушениям в цитоскелете, активации сократительных структур, образованию нерастворимых включений кальция в матриксе митохондрий, повреждению внутриклеточных мембран и общей дезорганизации метаболизма. Внешне это проявляется в замедлении броуновского движения различных включений внутри клетки (увеличение "вязкости протоплазмы"), возрастании светорассеяния, красители начинают легче проникать в клетку и связываются в большом количестве с внутриклеточными структурами и т. д. Однако ни одно из этих явлений не имеет отношения к денатурации клеточных белков.

И все же функционирование белковых систем в клетке нарушается при ее повреждении, в частности, одни ферменты начинают "работать" лучше, а другие - хуже, чем в интактной (неповрежденной) клетке. Например, ферменты гидролитические, в частности фосфолипазы, активируются в поврежденной клетке из-за увеличения концентрации ионов кальция или снижения рН, тогда как активность ферментов, участвующих в биосинтетических процессах, из-за недостатка АТФ обычно снижается. Следовательно, в результате изменений ионного состава цитоплазмы, рН, концентрации субстратов, кофакторов и регуляторов нарушаются внутриклеточные барьеры, что ведет к изменению активности ферментов и в конечном счете - к дальнейшему развитию нарушений, полной дезорганизации обмена веществ.

Наибольшее влияние на активность клеточных ферментов оказывают нарушения внутриклеточного содержания молекул с небольшой молекулярной массой, которые изменяют активность разных ферментов, характерную для неповрежденной клетки. Изменение состояния белков и активности ферментов в клетке - важный, но не единственный фактор, определяющий нарушение функционирования поврежденной клетки. Большую роль в развитии повреждения играет нарушение мембранных структур клетки, ответственных за неспецифическую (т. е. характерную для всех клеток) реакцию на повреждающее воздействие.

Увеличение проницаемости клеточных мембран. Прямым методом измерения проницаемости мембран может служить изменение электрического сопротивления ткани (импеданс). Электрический импеданс ткани состоит из омической и емкостной составляющих, поскольку каждая клетка представляет собой как бы систему из двух конденсаторов (клеточные мембраны) и омического сопротивления мембраны и цитоплазмы. Установлено, что импеданс ткани уменьшается при различных состояниях возбуждения центральной нервной системы, при вегетативных неврозах. Уменьшение омического сопротивления тканей обусловлено в большинстве случаев возрастанием ионной проницаемости клеточных мембран.

А. Выход ионов калия из клеток. Для живых, нормально функционирующих клеток характерно неравномерное распределение ионов между клеткой и окружающей средой, обеспечиваемое постоянной работой ионных насосов в мембранах клеток (рис. 1). Так, внутри клеток содержание Ca²⁺ примерно в 10000 раз ниже, чем в окружающей среде. Внутри клетки во много раз больше К⁺ и меньше Na⁺, чем в окружающей среде - плазме крови или межклеточной жидкости (табл. 6). Любое повреждение клетки сопровождается изменением проницаемости клеточных мембран и нарушением работы ионных насосов. Следствием этого оказывается выход К⁺ из клетки и вход Ca²⁺ и Na⁺ в клетку.

Таблица 6. Распределение ионов калия и натрия внутри и снаружи некоторых клеток

Одним из широко известных показателей нарушения обмена веществ в поврежденной клетке является выход из нее калия. Потеря клетками калия является следствием нарушения работы Na⁺- K⁺-АТФ-азы, что, в свою очередь, обусловлено обычно снижением уровня АТФ в клетке. Таким образом, выход К⁺ - результат нарушения биоэнергетических процессов в клетке чаще из-за угнетения окислительного фосфорилирования в митохондриях. Причина этого явления будет рассмотрена ниже, но оно является одним из наиболее характерных признаков неспецифической реакции клеток на повреждение.

При активно работающей Na⁺-К⁺-АТФ-азе калий накачивается внутрь клетки, и этот постоянный поток К⁺ внутрь компенсирует спонтанный выход калия наружу, который происходит в силу диффузии этих катионов из области с более высокой концентрацией калия в область с более низкой его концентрацией. При уменьшении содержания АТФ в клетке активность насоса снижается, нарушение поступления ионов калия приводит к уменьшению концентрации ионов в цитоплазме и увеличению проницаемости мембраны для этих ионов при повреждении ее липидного слоя.

Освобождение калия из тканей в кровь происходит при механической травме, различных интоксикациях, аллергических состояниях, гипоксии и многих других повреждениях органов и тканей. Понижение содержания ионов калия в клетке может происходить под влиянием больших доз минералокортикоидных гормонов, при действии некоторых лекарственных веществ, например сердечных гликозидов.

Б. Вы ход метаболитов. Увеличение проницаемости мембран клеток и ухудшение работы насосов приводит к тому, что компоненты цитоплазмы выходят в окружающую среду. Вышедшие из клеток вещества отнюдь не безразличны для других клеток, тканей и органов. Так, среди веществ, выходящих из клеток, поврежденных в результате ишемии (нарушения кровотока) или ожога, имеются полипептиды, обладающие способностью останавливать сокращение сердца (ишемический, ожоговый токсины). Обнаружение этих веществ осуществляется различными методами, включая измерение хемилюминесценции плазмы крови, интенсивность которой снижается в присутствии полипептидных токсинов.

В. Окраска цитоплазмы различными красителями. Большинство красителей плохо проникает через клеточную мембрану неповрежденных клеток и слабо связывается внутриклеточными структурами. Увеличение проницаемости клеточной и внутриклеточной мембран приводит к возрастанию количества красителя, вошедшего в клетку и связавшегося с компонентами цитоплазмы. Следовательно, окрашивание клетки красителями усиливается при ее повреждении. На этом основаны многие гистохимические методы определения жизнеспособности клеток. Например, поврежденные лейкоциты диффузно и весьма интенсивно окрашиваются нейтральной красной краской, неповрежденные - поглощают эту краску, но окрашиваются в них только пищеварительные вакуоли. Выявление числа поврежденных лейкоцитов проводят так же, подсчитывая количество клеток, окрашиваемых бромтимоловым синим.

Снижение мембранного потенциала. Уменьшение мембранного потенциала является одним из характерных неспецифических выражений повреждения клеток. Оно может быть обусловлено прямым повреждением цитоплазматической мембраны либо нарушением деятельности мембранных ионных насосов, поддерживающих разность концентрации ионов по обеим сторонам мембраны и связанную с этим трансмембранную разность потенциалов. Последнее происходит при снижении уровня АТФ в клетке. Например, установлено снижение мембранного потенциала клеток печени у лабораторных животных при асфиксии. Снижение мембранного потенциала наблюдается также при холодовом, радиационном, аллергическом и других повреждениях клеток, лизосом и прочих субклеточных структур.

Ацидоз. Любое повреждение клетки сопровождается ацидозом ее цитоплазмы (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 накопления недоокисленных продуктов метаболизма, в частности продуктов гликолиза в поврежденной клетке. Большое значение в этом процессе имеет нарушение целостности лизосом, освобождающих катепсины и другие ферменты. Первичный ацидоз в поврежденной ткани возникает независимо от вида повреждающего агента - механического, химического (например, горчичное масло), бактериального (дизентерийная палочка, гемолитический стафилококк). Ацидоз повреждения возникает в тканях также при гипоксии.

Увеличение объема (набухание) клеток. Увеличение объема клеток - один из наиболее ранних признаков ее повреждения, который проявляется, например, при недостатке кислорода в ткани - тканевой гипоксии. Сохранение нормальной формы и объема клеток связано с состоянием цитоскелета и поддержанием определенного соотношения между осмотическим давлением белков и электролитов внутри и вне клетки.

При этом форма клетки определяется в значительной мере цитоскелетом, тогда как объем - поддержанием осмотического баланса. Поскольку все биологические мембраны хорошо проницаемы для воды, но плохо проницаемы для растворенных в воде веществ, включая соли, клетки, так же как и внутриклеточные структуры, например митохондрии, обладают свойством осмометра: их объем изменяется при изменении концентрации ионов и молекул внутри и вне клетки или органеллы. При этом строго поддерживается соотношение концентраций всех ионов и молекул внутри и вне клетки. Как только в клетке начинают накапливаться новые ионы и молекулы, ее объем возрастает, так как вода входит внутрь. Выкачивание ионов мембранным насосом сопровождается уменьшением ее объема за счет самопроизвольного выхода избытка воды.

В нормальной клетке имеется, как правило, избыточное по сравнению с окружающей средой количество белков, что приводило бы к появлению избыточного осмотического (онкотического) давления и увеличению объема клетки, если бы одновременно не происходило удаление (выкачивание) ионов натрия из клетки за счет работы Na⁺-К⁺-АТФ-азы (рис. 1,4). Вместе с натрием, который выкачивается ионной помпой за счет энергии гидролиза, происходит выход ионов Сl^- за счет электрического поля, создаваемого диффузией ионов К⁺ и переносом Na⁺, так как мембрана клеток хорошо проницаема для ионов Сl^-. Иначе говоря, натриевый насос (Na⁺-К⁺-АТФ-аза) удаляет из клетки NCl, уменьшает концентрацию ионов в ней, что приводит к уменьшению клеточного объема.

Этому процессу противостоит процесс самопроизвольного входа, или утечки натрия внутрь клетки: через дефекты в липидном бислое, через натриевые каналы и через переносчики, сопрягающие вход натрия с транспортом Сахаров и аминокислот в клетку. Таким образом, живая клетка находится в состоянии динамического равновесия, при котором "протечка" клеточной мембраны компенсируется постоянной работой ионной помпы (это так называемая leak and pump - гипотеза).

В патологии может происходить либо увеличение ионной проницаемости клеточной мембраны (возрастание "протечки"), либо нарушение работы ионных помп (например, при недостатке энергообеспечения, т. е. при снижении уровня АТФ). В опытах с изолированными тканями печени, почек, мозга было показано, что отравление солями ртути или других тяжелых металлов приводит к увеличению ионной проницаемости мембран клеток (увеличению "протечки") и возрастанию объема клеток (т. е. набуханию ткани). Увеличение объема клеток можно вызвать и другим способом: нарушив систему их энергообеспечения. Действительно, было показано, что объем клеток возрастает при гипоксии, действии дыхательных ядов - цианида или окиси углерода - и разобщителей окислительного фосфорилирования, таких, как динитрофенол.

Набухание клеток - процесс, далеко не безразличный для функционирования клеток и ткани в целом. Первым результатом этого оказывается сдавливание кровеносных сосудов и затруднение кровообращения. Так, при ишемии происходит набухание клеток и последующее общее возобновление кровообращения не сразу и не всегда приводит к восстановлению жизнедеятельности, потому что кровь не проникает в мелкие кровеносные сосуды, сдавленные набухшими клетками. То же происходит при трансплантации органов. Иногда применяется предварительное промывание пересаженного органа гипертоническим раствором, который восстанавливает прежний объем клеток и нормализует микроциркуляцию.

Медиаторы повреждения. Как уже упоминалось, во многих случаях болезнетворный агент вызывает повреждение клеток и тканей не непосредственно, а через промежуточные продукты его первичного воздействия 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 мочевина, различные полипептиды. Повреждение лизосом сопровождается освобождением многих гидролитических ферментов, 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 названиями "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.