Патофизиология. Литвицкий. 2013

Действие патогенных факторов

Снижение интенсивности					Расстройства				Нарушения
ресинтеза АТФ					механизмов транспорта			использования энергии
в процессах гликолиза					энергии АТФ от мест			АТФ эффекторными
и тканевого дыхания					ресинтеза			структурами клетки
					к эффекторным
					структурам клетки
			Расстройство жизнедеятельности клетки

Рис. 5–2. Механизмы нарушения энергообеспечения в повреждённой клетке.

Нарушения ресинтеза АТФ. Ресинтез АТФ может расстраиваться в результате дефицита кислорода и/или субстратов метаболизма, снижения активности ферментов тканевого дыхания и гликолиза, повреждения и разрушения митохондрий, в которых осуществляются реакции цикла Кребса и перенос электронов к молекулярному кислороду, сопряжённый с фосфорилированием АДФ.

Расстройства транспорта энергии. Заключённая в макроэргических связях энергия АТФ в норме доставляется от мест ресинтеза – митохондрий и цитозоля – к эффекторным структурам

(миофибриллам, мембранным ионным насосам и др.) с помощью АДФ-АТФ-транслоказы (адениннуклеотидилтрансферазы) и КФК.

Адениннуклеотидилтрансфераза обеспечивает транспорт энергии макроэргической фосфатной связи АТФ из матрикса митохондрий через их внутреннюю мембрану, а КФК переносит её далее на креатин с образованием креатинфосфата, который поступает в цитозоль (рис. 5– 3). КФК эффекторных клеточных структур транспортирует фосфатную

151

группу креатинфосфата на АДФ с образованием АТФ, который и

используется в процессах жизнедеятельности клетки.

Наружная

мембрана

Внутренняя

мембрана

		АдТ
СО2+Н2О	АТФ	Кф						АТФ
		КФК
О2, СМ, ФН	АДФ	Кр						АДФ

Рис. 5–3. Механизм транспорта энергии АТФ в клетке. АдТ –

адениннуклеотидилтрансфераза; Кр – креатин; Кф – креатинфосфат;

СМ – субстраты метаболизма; ФН – фосфат неорганический.

Системы транспорта энергии могут быть повреждены различными патогенными агентами, в связи с чем (даже на фоне высокого общего содержания АТФ в клетке) может развиваться дефицит АТФ в энергорасходующих структурах.

Расстройство утилизации энергии. Нарушения энергообеспечения клеток и расстройства их жизнедеятельности могут развиваться в результате повреждения механизмов утилизации энергии,

главным образом за счёт уменьшения активности АТФаз (АТФаза миозина, Na+,K+-АТФаза плазмолеммы, протонная и калиевая АТФаза,

152

Са2+-АТФаза [Са2+-насос] и др.). Следовательно, расстройство жизнедеятельности клеток может развиваться даже в условиях нормального или повышенного содержания в клетке АТФ.

Нарушение энергообеспечения, в свою очередь, может стать одним из факторов расстройств функции мембранного аппарата клеток,

их ферментных систем, процессов транспорта ионов и воды, а также механизмов регуляции клетки.

ПОВРЕЖДЕНИЕ МЕМБРАН И ФЕРМЕНТОВ КЛЕТКИ

Повреждение клеточных мембран и ферментов играет существенную роль в расстройстве жизнедеятельности клетки, а также – что особенно важно – в переходе обратимых изменений в ней в

необратимые.

Основные механизмы повреждения клеточных мембран приведены на рис. 5–4. Все указанные механизмы прямо или опосредованно ведут к повреждению, изменению конформации и/или кинетических свойств ферментов, многие из которых связаны с мембранами.

153

Действие патогенных факторов

Интенсификация

Активация

Нарушение

Торможение

Растяжение

СРР, СПОЛ

лизосомальных,

конформации

ресинтеза

и разрывы мембран

мембраносвязанных и

молекул белка,

повреждённых

гипергидратированной

солюбилизированных

липопротеидов,

компонентов

клетки

гидролаз

фосфолипидов

мембран и (или)

синтеза их заново

Накопление избытка продуктов СПОЛ,

гидролиза липидов и фосфолипидов

Детергентное действие избытков продуктов

СПОЛ, гидролиза липидов и фосфолипидов

Модификация физико-химических свойств и биохимического

состава мембран клетки, нарушение их структуры

Расстройства жизнедеятельности организма

Рис. 5–4. Механизмы повреждения мембран клеток. СРР –

свободнорадикальная реакция.

СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ

Свободнорадикальные процессы и реакции СПОЛ – необходимое звено таких жизненно важных процессов, как транспорт электронов в цепи дыхательных ферментов, синтез Пг и лейкотриенов,

пролиферация и дифференцировка клеток, фагоцитоз, метаболизм катехоламинов и др. В реакции СПОЛ могут вовлекаться белки,

нуклеиновые кислоты, липиды, в особенности фосфолипиды. СПОЛ важна для регуляции липидного состава биомембран и активности ферментов. Последнее является результатом как прямого действия продуктов липопероксидных реакций на ферменты, так и опосредованного – через изменение состояния мембран, с которыми ассоциированы молекулы многих ферментов.

154

Интенсивность СПОЛ регулируется соотношением факторов,

активирующих (прооксидантов) и подавляющих (антиоксидантов) этот процесс (рис. 5–5). К числу наиболее активных прооксидантов относятся легко окисляющиеся соединения, индуцирующие появление свободных радикалов, в частности нафтохиноны, витамины A и D,

восстановители — НАДФН2, НАДН2, липоевая кислота, продукты метаболизма Пг и катехоламинов.

Прооксиданты	Субстраты	Антиоксиданты

Продукты

липопероксидации

Модификация физико-химических свойств, биохимического состава и структуры мембран клеток

Рис. 4–5. Компоненты системы перекисного окисления

липидов.

Этапы СПОЛ. Процесс липопероксидации можно условно разделить на три этапа (см. рис. 5–6 и рис. 5–7): 1) кислородной инициации («кислородный» этап – образование активных форм кислорода); 2) генерации свободных радикалов органических и неорганических веществ (свободнорадикальный этап); 3) продукции перекисей и гидроперекисей липидов (перекисный этап).

Активные формы кислорода. Начальным звеном СПОЛ при повреждении клетки является, как правило, образование так называемых активных форм кислорода: – синглетного (1O2), –

155

супероксидного радикала (O2–); – перекиси водорода (Н2О2);–

гидроксильного радикала (OH–).

Супероксидный радикал O2– генерируют лейкоциты (особенно интенсивно при фагоцитозе), митохондрии в процессе окислительных реакций, разные ткани при метаболической трансформации катехоламинов, синтезе Пг и других соединений.

Пероксид водорода H2О2 образуется при взаимодействии

(дисмутации) радикалов O2– в цитозоле клеток и матриксе митохондрий. Этот процесс катализирует супероксиддисмутаза (СОД):

O2– + O2– + 2H+ H2O2 + O2

Радикал O2– и H2O2 оказывают прямое повреждающее действие.

Наряду с этим, под влиянием ионов железа, присутствующих как в цитозоле, так и в биологических жидкостях, радикал O2– и H2O2 могут трансформироваться (с участием каталазы) в весьма агрессивный и обладающий высоким патогенным эффектом гидроксильный радикал

OH–.

H2O2 + Fe2 +				Fe3 + + OH + OH–;
O2– + H2O2			O2 + OH + OH–

Гидроксильные радикалы OH– активно вступают в реакции с органическими соединениями, главным образом липидами, а также нуклеиновыми кислотами и белками. В результате образуются другие активные радикалы и перекиси. При этом реакция может приобрести цепной лавинообразный характер (рис. 5–6). Однако, это происходит не всегда. Чрезмерной активации свободнорадикальных и перекисных реакций препятствуют факторы антиоксидантной защиты клеток.

156

		О2·
	Кислородная	O2·- +2H+
	инициация	-
	СПОЛ	О2·
		+2 H+
		H2O2
		Н202
		·ОН
	Образование
	свободных	RH
	радикалов
	липидов	H2O
		R·
		+O2
		ROO·
		+RH
	Образование	R· + O2
	перекисей	ROOH
	липидов	OH-
		RO·

Рис. 5–6. Этапы свободнорадикального перекисного окисления липидов.

Антиоксидантная защита клеток

В клетках протекают процессы и действуют факторы, которые ограничивают или даже прекращают свободнорадикальные и перекисные реакции, т.е. оказывают антиоксидантный эффект. Одним из таких процессов является взаимодействие радикалов и гидроперекисей липидов между собой, что ведёт к образованию

«нерадикальных» соединений. Ведущую роль в системе антиоксидантной защиты клеток играют механизмы ферментной, а

также неферментной природы, главные из которых представлены в табл. 5–2 и на рис. 5–7.

Таблица 5–2. Звенья антиоксидантной системы и её некоторые

факторы

157

Звенья	Факторы	Механизмы действия
Антикислород-	Ретинол,	Уменьшение	содержания O2		в
ное	каротиноид	клетке, например путём его
	ы,	повышенной		утилизации,
	рибофлавин	повышения		сопряжения
		процессов	окисления		и
		фосфорилирования
Антирадикаль	СОД,	Перевод активных		радикалов	в
-ное	токоферолы	«нерадикальные»		соединения;
	, маннитол	«гашение» свободных радикалов
		органическими соединениями
Антиперекис-	Глутатион=	Инактивация	гидроперекисей
ное	пер-	липидов, например, при их
	оксидазы,	восстановлении
	каталаза,
	серотонин

158

Кислородная

инициация

СПОЛ

Образование

свободных

радикалов

липидов

Образование

перекисей

липидов

	О2·	Акцепторы электронов
		(Токоферол, хиноны, витамин К)
	О2·-	Акцепторы О2
		(Метионин, цистеин)
	H2O	Супероксиддисмутаза
		Каталаза, пероксидаза
	Н2O2
		Ловушки гидроксильного радикала
	·ОН	( -Токоферол, убихинон, аскорбиновая кислота)
	RH
	H2O	Ловушки свободных радикалов
		( -Токоферол, убихинон, аскорбиновая кислота)
	R·
	+O2
	ROO·
	+RH	R· + O2
	ROOH
	OH-	Глутатионпероксидаза, фосфолипаза
	RO·	Хелаторы металлов (ЭДТА)

Рис. 5–7. Уровни действия антиоксидантных факторов клетки.

Чрезмерная активация свободнорадикальных и перекисных реакций – это один из главных факторов необратимого повреждения мембран и ферментов клеток. Решающее значение при

этом имеют изменения физико-химических свойств липидов и

появление структурных дефектов мембран.

•Нарушение характеристик липидов мембран ведут к изменениям конформации липопротеиновых и белковых комплексов и в связи с этим — ингибированию активности ферментных систем.

•Образование структурных дефектов в мембранах — так называемых простейших каналов (кластеров) – обусловливает существенное

159

повышение их проницаемости, приводящее к неконтролироемому транспорту через них в клетки и из клеток в интерстиций органических и неорганических веществ.

Указанные процессы, в свою очередь, вызывают нарушения важных для жизнедеятельности клеток процессов — рецепции и передачи гуморальных воздействий, трансмембранного переноса ионов и молекул, возбудимости, генерации и проведения нервных импульсов,

обмена веществ, межклеточных взаимодействий и др.

Накопление в мембране липидных гидроперекисей соровождается их объединением в мицеллы, создающие трансмембранные каналы проницаемости. По этим каналам возможен неконтролируемый ток катионов и других молекул как в клетку так и из неё, что, как правило, фатально для клетки.

Увеличение образования продуктов СПОЛ и параллельно с этим – кластеров сопровождается фрагментацией мембран (этот процесс получил название детергентного действия продуктов СПОЛ) и к гибели клетки.

АКТИВАЦИЯ ГИДРОЛАЗ

Cостав и состояние мембран могут модифицировать не только свободнорадикальные и липопероксидные процессы, но также и мембраносвязанные, свободные (солюбилизированные) и

лизосомальные липазы, фосфолипазы и протеазы.

Под влиянием патогенных факторов активность этих ферментов и/или их содержание в клетке могут значительно повыситься (например,

при развитии ацидоза, способствующего выходу ферментов из лизосом

160