Нарушение процессов обмена и взаимодействия с окружающей средой

10.08.2016
Обмен веществ, поступающих внутрь клетки или выделяющихся ею наружу, а также обмен разными сигналами с микро- и макроокружением происходит через наружную мембрану клетки. Как известно, клеточная мембрана является липидным бислоем, в который встроены различные белковые молекулы, выполняющие роль специализированных рецепторов, ионных каналов, устройств, которые активно переносят или удаляют различные химические вещества, межклеточных контактов и т. п. В здоровых клетках эукариотов фосфолипиды в мембране распределены асимметрично: наружная поверхность состоит из сфингомиелина и фосфатидилхолина, внутренняя — из фосфатидилсерина и фосфатидилэтаноламина. Поддержание такой асимметрии нуждается в затратах энергии. Поэтому в случае повреждения клетки, ее инфицирования, энергетического голодания происходит обогащение наружной поверхности мембраны несвойственными ей фосфолипидами, что становится сигналом для других клеток и ферментов о повреждении клетки с соответствующей реакцией на это. Наибольшую роль играет растворимая форма фосфолипазы A2, которая расщепляет арахидоновую кислоту и создает лизоформы из вышеназванных фосфолипидов. Арахидоновая кислота является лимитирующим звеном для создания таких медиаторов воспаления, как эйкозаноиды, а к лизоформам в мембране присоединяются защитные молекулы — пентраксины (С-реактивный протеин (СРП), предшественники амилоидных белков) — с последующей активацией системы комплемента по классическому пути и разрушением клетки.

Строение мембраны способствует сохранению особенностей внутренней среды клетки, ее отличий от внешней среды. Это обеспечивается выборочной проницаемостью клеточной мембраны, существованием в ней механизмов активного транспорта. Их нарушение в результате прямого повреждения, например, тетродотоксином, уабаином, тетраэтиламмонием, или в случае недостаточного энергетического обеспечения соответствующих “насосов” приводит к нарушению электролитного состава клетки, изменению в ней метаболизма, нарушению специфических функций — сокращения, проведения импульса возбуждения и т. п. Нарушение клеточных ионных каналов (кальциевых, натриевых, калиевых и хлорных) у человека также может быть генетически обусловлено мутацией генов, отвечающих за структуру этих каналов. Tак называемые каналопатии служат причиной наследственных болезней нервной, мышечной, пищеварительной систем. Избыточное поступление внутрь клетки воды может привести к ее разрыву — цитолизу — вследствие перфорации мембраны при активации комплемента или атаки цитотоксических лимфоцитов и натуральных киллеров.

В клеточную мембрану встроено множество рецепторов — структур, которые в случае объединения с соответствующими специфическими сигнальными молекулами (лигандами) передают сигнал внутрь клетки. Это происходит с помощью различных регуляторных каскадов, состоящих из ферментативно активных молекул, которые последовательно активируются и в конечном итоге способствуют реализации различных клеточных программ, таких как рост и пролиферация, дифференцировка, подвижность, старение, гибель клетки. Регуляторные каскады достаточно многочисленны, но их количество до конца еще не определено. Система рецепторов и объединенных с ними регуляторных каскадов существует и внутри клетки; они создают определенную регуляторную сеть с пунктами концентрации, распределения и выбора дальнейшего пути сигнала в зависимости от функционального состояния клетки, этапа ее развития, одновременного действия сигналов из других рецепторов. Результатом этого может быть торможение или усиление сигнала, направление его по другому регуляторному пути. Как рецепторный аппарат, так и пути передачи сигнала через регуляторные каскады, например к ядру, могут нарушаться в результате генетического дефекта, который возникает как врожденный порок на уровне организма или вследствие соматической мутации в определенном типе клеток. Указанные механизмы могут повреждаться инфекционными агентами, токсинами, а также изменяться в процессе старения. Завершающим этапом этого может быть нарушение функций клетки, процессов ее пролиферации и дифференцировки.

На поверхности клеток также расположены молекулы, играющие важную роль в процессах межклеточного взаимодействия. К ним могут относиться белки клеточной адгезии, антигены тканевой совместимости, тканевоспецифические, дифференцирующие антигены и т. п. Изменения в составе этих молекул обусловливают нарушение межклеточных взаимодействий и могут стать причиной включения соответствующих механизмов элиминации таких клеток, ведь они представляют определенную опасность для целостности организма как резервуар инфекции, особенно вирусной, или как потенциальные инициаторы опухолевого роста.

Нарушение энергетического обеспечения клетки

Источником энергии в клетке служат продукты питания, после расщепления которых до конечных веществ выделяется энергия. Главным местом образования энергии являются митохондрии, в которых вещества окисляются с помощью ферментов дыхательной цепи. Окисление — основной поставщик энергии, поскольку в результате гликолиза из такого же количества субстратов окисления (глюкозы) высвобождается, по сравнению с окислением, не больше 5 % энергии. Около 60 % энергии, высвобождаемой при окислении, аккумулируется путем окислительного фосфорилирования в макроэргических фосфатах (АТФ, креатинфосфат), остальное ее количество рассеивается в виде тепла. В дальнейшем макроэргические фосфаты используются клеткой для таких процессов, как работа насосов, синтез, деление, движение, секреция и др. Выделяют три механизма, повреждение которых может вызвать нарушение обеспечения клетки энергией: первый — механизм синтеза ферментов энергетического обмена, второй — механизм окислительного фосфорилирования, третий — механизм использования энергии.

Нарушение электронного транспорта в дыхательной цепи митохондрий или разобщение окисления и фосфорилирования АДФ при потере протонного потенциала — движущей силы генерации АТФ, приводит к ослаблению окислительного фосфорилирования таким образом, что большая часть энергии рассеивается в виде тепла и уменьшается количество макроэргических соединений. Разобщение окисления и фосфорилирования под влиянием адреналина используется клетками гомойотермных организмов для повышения теплопродукции при поддержании постоянной температуры тела во время охлаждения или ее повышении при лихорадке. Значительные изменения в структуре митохондрий и энергетическом метаболизме наблюдаются при тиреотоксикозе. Эти изменения вначале обратимы, но после определенной черты становятся необратимыми: митохондрии фрагментируются, распадаются или набухают, теряют кристы, превращаясь в вакуоли, и в конце концов накапливают такие вещества, как гиалин, ферритин, кальций, липофусцин. У больных цингой происходит слияние митохондрий с образованием хондриосфер, возможно, вследствие повреждения мембран пероксидными соединениями. Значительные повреждения митохондрий возникают под действием ионизирующего излучения, в ходе преобразования нормальной клетки в злокачественную.

Митохондрии являются мощным депо ионов кальция, где его концентрация на несколько порядков превышает таковую в цитоплазме. При повреждении митохондрий кальций выходит в цитоплазму, обусловливая активизацию протеиназ с повреждением внутриклеточных структур и нарушением функций соответствующей клетки, например, кальциевые контрактуры или даже “кальциевую смерть” в нейронах. В результате нарушения функциональной способности митохондрий резко увеличивается образование свободнорадикальных пероксидных соединений, которые имеют очень высокую реакционную способность и поэтому повреждают важные компоненты клетки — нуклеиновые кислоты, белки и липиды. Это явление наблюдается при так называемом оксидационном стрессе и может иметь отрицательные последствия для существования клетки. Так, повреждение наружной мембраны митохондрии сопровождается выходом в цитоплазму веществ, содержащихся в межмембранном пространстве, прежде всего цитохрома С и некоторых других БАВ, которые запускают цепные реакции, являющиеся причиной запрограммированной гибели клетки — апоптоза. Повреждая ДНК митохондрий, свободнорадикальные реакции искажают генетическую информацию, необходимую для образования некоторых ферментов дыхательной цепи, которые продуцируются именно в митохондриях. Это приводит к еще большему нарушению окислительных процессов. В целом собственный генетический аппарат митохондрий по сравнению с генетическим аппаратом ядра хуже защищен от вредных влияний, способных изменять закодированную в нем генетическую информацию. Как результат — возникает нарушение функций митохондрий на протяжении жизни, например, в процессе старения, при злокачественной трансформации клетки, а также на фоне наследственных митохондриальных болезней, связанных с мутацией ДНК митохондрий в яйцеклетке. В настоящее время описаны свыше 50 митохондриальных мутаций, вызывающих наследственные дегенеративные болезни нервной и мышечной систем. Они передаются ребенку исключительно от матери, так как митохондрии сперматозоида не входят в состав зиготы и, соответственно, нового организма.

Нарушение сохранения и передачи генетической информации

Ядро клетки содержит большую часть генетической информации и тем самым обеспечивает ее нормальное функционирование. С помощью выборочной экспрессии генов оно координирует работу клетки в интерфазе, сохраняет генетическую информацию, воссоздает и передает генетический материал в процессе деления клеток. В ядре происходят репликация ДНК и транскрипция РНК. Различные патогенные факторы, такие как ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, свободнорадикальное окисление, химические вещества, вирусы, способны повреждать ДНК. Подсчитано, что каждая клетка теплокровного животного за 1 сут. теряет более 10 000 оснований. Сюда следует добавить нарушения при копировании во время деления. При сохранении этих повреждений клетка была бы не способна выжить. Защита заключается в существовании мощных систем репарации, таких как ультрафиолетовая эндонуклеаза, система репаративной репликации и рекомбинационного восстановления, которые замещают нарушения ДНК. Генетические дефекты в репаративных системах вызывают развитие болезней, обусловленных повышенной чувствительностью к факторам, повреждающим ДНК. Это пигментная ксеродерма, а также некоторые синдромы ускоренного старения, сопровождающиеся повышенной склонностью к возникновению злокачественных опухолей.

Система регуляции процессов репликации ДНК, транскрипции информационой РНК (иРНК), трансляции генетической информации из нуклеиновых кислот в структуру белков довольно сложная и многоуровневая. Кроме регуляторных каскадов, запускающих действие факгоров транскрипции общим количеством свыше 3000, которые активируют определенные гены, существует еще многоуровневая регуляторная система, опосредованная малыми молекулами РНК (интерферирующие РНК; РНКи). Геном человека, который состоит приблизительно из 3 млрд пуриновых и пиримидиновых оснований, содержит лишь 2 % структурных генов, отвечающих за синтез белков. Остальные обеспечивают синтез регуляторных РНК, которые одновременно с факторами транскрипции активируют или блокируют работу структурных генов на уровне ДНК в хромосомах или влияют на процессы трансляции матричной РНК (мРНК) при образовании молекулы полипептида в цитоплазме. Нарушение генетической информации может происходить как на уровне структурных генов, так и регуляторной части ДНК с соответствующими проявлениями в виде разнообразных наследственных заболеваний.

В последнее время большое внимание привлекают изменения в генетическом материале, которые происходят в процессе индивидуального развития организма и связаны с торможением или активацией определенных участков ДНК и хромосом вследствие их метилирования, ацетилирования и фосфорилирования. Эти изменения сохраняются длительно, иногда — на протяжении всей жизни организма от эмбриогенеза до старости, и получили название эпигеномной наследственности.

Размножению клеток с измененной генетической информацией препятствуют также системы (факторы) контроля митотического цикла. Они взаимодействуют с циклинзависимыми протеинкиназами и их каталитическими субъединицами — циклинами — и блокируют прохождение клеткой полного митотического цикла, останавливая деление на границе между пресинтетической и синтетической фазами (блок G1/S) вплоть до завершения репарации ДНК, а в случае ее невозможности — инициируют запрограммированную смерть клетки. К таким факторам относится ген р53, мутация которого служит причиной потери контроля над пролиферацией трансформированных клеток; она наблюдается почти в 50 % случаев рака у человека. Второй контрольный пункт прохождения митотического цикла находится на границе G2/M. Здесь контролируется правильность распределения хромосомного материала между дочерними клетками в митозе или мейозе с помощью комплекса механизмов, контролирующих клеточное веретено, центр и центромеры (кинетохоры). Неэффективность этих механизмов приводит к нарушению распределения хромосом или их частей, что проявляется отсутствием какой-либо хромосомы в одной из дочерних клеток (анеуплоидия), наличием лишней хромосомы (полиплоидия), отрывом части хромосомы (делеция) и переносом ее на другую хромосому (транслокация). Такие процессы очень часто наблюдаются при размножении злокачественно перерожденных и трансформированных клеток. Если же это происходит во время мейоза с половыми клетками, то приводит или к гибели плода на раннем этапе эмбрионального развития, или к рождению организма с хромосомной болезнью.

Неконтролируемое размножение клеток во время роста опухолей возникает как результат мутации в генах, которые контролируют пролиферацию клеток и получили название онкогенов. Среди более 70 известных в настоящее время онкогенов большая часть относится к компонентам регуляции роста клетки, часть представлена факторами транскрипции, регулирующими активность генов, а также факторами, которые тормозят деление и рост клеток. Еще одним фактором, ограничивающим чрезмерную экспансию (распространение) пролиферирующих клеток, является укорочение концов хромосом — теломер, которые не способны в результате сугубо стерического взаимодействия полностью реплицироваться, поэтому после каждого деления клетки теломеры укорачиваются на определенную часть оснований. Таким образом, пролиферирующие клетки взрослого организма после определенного количества делений (обычно от 20 до 100 в зависимости от вида организма и его возраста) исчерпывают длину теломеры и дальнейшая репликация хромосом прекращается. Это явление не возникает в сперматозогенном эпителии, энтероцитах и эмбриональных клетках благодаря наличию фермента теломеразы, восстанавливающей длину теломер после каждого деления. В большинстве клеток взрослых организмов теломераза заблокирована, но, к сожалению, она активирована в клетках опухолей.

Связь между ядром и цитоплазмой, транспорт веществ в обоих направлениях осуществляются через поры в ядерной мембране при участии специальных транспортных систем с потреблением энергии. Таким образом транспортируются к ядру энергетические и пластические вещества, сигнальные молекулы (факторы транскрипции). Обратный поток выносит в цитоплазму молекулы иРНК и транспортной РНК (тРНК), рибосомы, необходимые для синтеза белка в клетке. Этот же путь транспорта веществ присущ и вирусам, в частности таким, как ВИЧ. Они переносят свой генетический материал в ядро клетки-хозяина с дальнейшим включением его в геном хозяина и переносом новообразованной вирусной РНК в цитоплазму для дальнейшего синтеза белков новых вирусных частичек.

Нарушение процессов синтеза

Процессы синтеза белков происходят в цистернах эндоплазматической сети, тесно связанных с порами в ядерной мембране, через которые в эндоплазматическую сеть поступают рибосомы, тРНК и иРНК. Здесь осуществляется синтез полипептидных цепочек, которые в дальнейшем приобретают свой окончательный вид в агранулярной эндоплазматической сети и пластинчатом комплексе (комплексе Гольджи), где подвергаются пос трансляционной модификации и соединению с молекулами углеводов и липидов. Новообразованные белковые молекулы не остаются на месте синтеза, а с помощью сложного регулируемого процесса, который носит название протеинкинезиса, активно переносятся к той изолированной части клетки, где они будут выполнять предназначенную им функцию. При этом очень важным этапом является структурирование перенесенной молекулы в соответствующую пространственную конфигурацию, способную выполнять присущую ей функцию. Такое структурирование происходит с помощью специальных ферментов или на матрице специализированных белковых молекул — шаперонов, которые помогают белковой молекуле, новообразованной или измененной вследствие внешнего влияния, приобрести правильную трехмерную структуру. В случае неблагоприятного влияния на клетку, когда возникает вероятность нарушения структуры белковых молекул (например, при повышении температуры тела, инфекционном процессе, интоксикации) концентрация шаперонов в клетке резко увеличивается. Поэтому такие молекулы получили еще название стресс-белков, или белков теплового шока. Нарушение структурирования белковой молекулы приводит к образованию химически инертных конгломератов, которые откладываются в клетке или вне ее при амилоидозе, болезни Альцгеймера и др. Иногда матрицей может служить предварительно структурированная аналогичная молекула, и в данном случае, если первичное структурирование произошло неправильно, все последующие молекулы также будут дефектными. Эта ситуация возникает при так называемых прионовых болезнях (скрепи у овец, бешенство коров, куру, болезнь Крейтцфельдта—Якоба у человека), когда дефект одного из мембранных белков нервной клетки обусловливает последующее скопление инертных масс внутри клетки и нарушение ее жизнедеятельности.

Нарушение процессов синтеза в клетке может происходить на различных его этапах: транскрипция РНК в ядре, трансляция полипептидов в рибосомах, посттрансляционная модификация, гиперметилирование и гликозилирование бежовой молекулы, транспорт и распределение белков в клетке и выведение их наружу. При этом можно наблюдать увеличение или уменьшение количества рибосом, распад полирибосом, расширение цистерн гранулярной эндоплазматической сети, потерю ею рибосом, образование везикул и вакуолей. Так, при отравлении бледной поганкой повреждается фермент РНК-полимераза, что нарушает транскрипцию. Дифтерийный токсин, инактивируя фактор элонгации, нарушает процессы трансляции, обусловливая повреждение миокарда. Причиной нарушения синтеза некоторых специфических белковых молекул могут служить инфекционные агенты. Например, герпесвирусы тормозят синтез и экспрессию молекул антигенов ГКГС, что позволяет им частично избежать иммунного контроля, бациллы чумы — синтез медиаторов острого воспаления. Появление необычных белков может приостанавливать их дальнейший распад и приводить к накоплению инертного или даже токсичного материала. Этому в определенной мере может способствовать и нарушение процессов распада.

Нарушение процессов распада

Одновременно с синтезом белка в клетке непрерывно происходит его распад. В нормальных условиях это имеет важное регуляторное и формообразующее значение, например, во время активации неактивных форм ферментов, белковых гормонов, белков митотического цикла. Нормальные рост и развитие клетки нуждаются в тонко контролируемом балансе между синтезом и деградацией белков и органелл. Однако в процессе синтеза белков вследствие ошибок в работе синтезирующего аппарата, аномального структурирования белковой молекулы, ее повреждения химическими и бактериальными агентами постоянно образуется довольно большое количество дефектных молекул. По некоторым оценкам, их доля составляет около трети всех синтезированных белков.

Клетки млекопитающих имеют несколько главных путей разрушения белков: через лизосомальные протеазы (пентидгидролазы), кальцийзависимые протеиназы (эндопептидазы) и систему протеасом. Кроме того, есть еще и специализированные протеиназы, например каспазы. Основной органеллой, в которой происходит деградация веществ в эукариотических клетках, является лизосома, содержащая многочисленные гидролитические ферменты. Вследствие процессов эндоцитоза и различных типов аутофагии в лизосомах и фаголизосомах разрушаются как дефектные белковые молекулы, так и целые органеллы: поврежденные митохондрии, участки плазматической мембраны, некоторые экстрацеллюлярные белки, содержимое секреторных гранул.

Важным механизмом деградации белков является протеасома — мультиката-литическая протеиназная структура сложного строения, локализирующаяся в цитозоле, ядре, эндоплазматической сети и на мембране клетки. Эта ферментная система отвечает за разрушение поврежденных белков, а также здоровых белков, которые должны быть удалены для нормального функционирования клетки. При этом белки, подлежащие разрушению, предварительно соединяются со специфическим полипептидом убиквитином. Однако частично в протеасомах могуг разрушаться и неубиквитированные белки. Распад белковой молекулы в протеасомах до коротких полипептидов (процессинг) с последующей их презентацией совместно с молекулами ГКГС I типа является важным звеном в осуществлении иммунного контроля антигенного гомеостаза организма. При ослаблении функции протеасом происходит аккумуляция поврежденных и ненужных белков, сопровождающая старение клетки. Нарушение деградации циклинзависимых белков приводит к нарушению клеточного деления, деградации секреторных белков — к развитию цистофиброза. И наоборот, повышение функции протеасом сопровождает истощение организма (СПИД, рак).

При генетически обусловленных нарушениях деградации белков организм нежизнеспособен и гибнет на ранних стадиях эмбриогенеза. Если же нарушается распад жиров или углеводов, то возникают болезни накопления (тезаурисмозы). При этом внутри клетки накапливается избыточное количество определенных веществ или продуктов их неполного распада — липидов, полисахаридов, что существенно повреждает функцию клетки. Чаще всего это наблюдается в эпите-лиоцитах печени (гепатоцитах), нейронах, фибробластах и макрофагоцитах.

Приобретенные нарушения процессов распада веществ могут возникать как результат патологических процессов (например, белковой, жировой, углеводной и пигментной дистрофии) и сопровождаться образованием непривычных веществ. Нарушения в системе лизосомного протеолиза приводят к снижению адаптации при голодании или повышенной нагрузке, к возникновению некоторых эндокринных дисфункций — снижению уровня инсулина, тиреоглобулина, цитокинов и их рецепторов. Нарушения деградации белков замедляют скорость заживления ран, обусловливают развитие атеросклероза, влияют на иммунный ответ. При гипоксии, изменении внутриклеточного pH, лучевом поражении, характеризующихся усиленной пероксидацией мембранных липидов, а также под влиянием лизосомотропных веществ — эндотоксинов бактерий, метаболитов токсических грибов (спорофузарин), кристаллов оксида кремния — изменяется стабильность мембраны лизосом, в цитоплазму высвобождаются акгивированные лизосомаль-ные ферменты, что вызывает разрушение структур клетки и ее гибель.