Повреждение клеток (также известное как клеточное повреждение) представляет собой различные изменения стресса, которым клетка подвергается из-за внешних, а также внутренних изменений окружающей среды. Среди других причин это может быть связано с физическими, химическими, инфекционными, биологическими, алиментарными или иммунологическими факторами. Повреждение клеток может быть обратимым или необратимым. В зависимости от степени повреждения клеточный ответ может быть адаптивным, и, по возможности, гомеостаз восстанавливается. Гибель клеток происходит, когда тяжесть повреждения превышает способность клетки к самовосстановлению. Гибель клеток зависит как от продолжительности воздействия вредного стимула, так и от тяжести причинённого ущерба. Гибель клеток может происходить путём некроза или апоптоза.
Причины
Физические агенты, такие как тепло или радиация, могут повредить клетку, буквально сварив или свернув ее содержимое. Нарушение снабжения питательными веществами, такое как недостаток кислорода или глюкозы, или нарушение выработки аденозинтрифосфата (АТФ) может лишать клетку основных материалов, необходимых для выживанияKlaassen, C.D., Ed.: Casarett and Doull's Toxicology: The Basic Science of Poisons. Sixth Edition, McGraw-Hill, 2007 .. Метаболические: гипоксия и ишемия Химические агенты Микробные агенты: вирусы и бактерии Иммунологические агенты: аллергия и аутоиммунные заболевания, такие как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера . Генетические факторы: такие как синдром Дауна и серповидноклеточная анемия .
Цели Наиболее заметными компонентами клетки, которые являются мишенями клеточного повреждения, являются ДНК и клеточная мембрана .
Повреждение ДНК : в клетках человека как нормальная метаболическая активность, так и факторы окружающей среды, такие как ультрафиолетовое излучение и другие излучения, могут вызывать повреждение ДНК, что приводит к возникновению до миллиона отдельных молекулярных повреждений на клетку в деньLodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipursky SL, Darnell J. (2004). Molecular Biology of the Cell, WH Freeman: New York, NY. 5th ed., p. 963. Повреждение мембраны: Повреждение клеточной мембраны нарушает состояние клеточных электролитов, например кальция, который при постоянном увеличении вызывает апоптоз. Повреждение митохондрий: может произойти из-за снижения АТФ или изменения проницаемости митохондрий. Повреждение рибосом: повреждение рибосомных и клеточных белков, такое как неправильная укладка белков, приводящее к активации апоптотических ферментов.
Виды повреждений Некоторые повреждения клеток могут быть устранены после снятия стресса или при возникновении компенсаторных клеточных изменений. Полная функция может вернуться к клеткам, но в некоторых случаях степень повреждения останется.
Обратимые повреждения
Клеточный отек Отек клеток (или тучный отек) может возникать из-за клеточной гипоксии, которая повреждает натрий-калиевый мембранный насос; оно обратимо при устранении причиныHayes, A.W., Ed.: Principles and Methods of Toxicology Fourth Edition, Raven Press, New York, 2001 and 5th edition (2008).. Отек клеток является первым проявлением почти всех форм повреждения клеток. Когда он поражает многие клетки в органе, он вызывает некоторую бледность, повышение тургора и увеличение веса органа. При микроскопическом исследовании в цитоплазме можно увидеть мелкие прозрачные вакуоли; они представляют собой расширенные и оторванные сегменты эндоплазматического ретикулума. Этот тип несмертельного повреждения иногда называют гидропическими изменениями или вакуолярной дегенерацией"Cellular Swelling." Humpath.com-Human Pathology. Humpath.com, 30 Jan 2006. Web. 21 Mar 2013.. Гидропическая дегенерация — тяжёлая форма тучного отека. Возникает при гипокалиемии вследствие рвоты или диареи.
Ультраструктурные изменения при обратимом повреждении клеток включают:
Блеббинг Блантинг Искривление микроворсинок Ослабление межклеточных связей Митохондриальные изменения Расширение эндоплазматического ретикулума
Изменения в метаболизме жиров Повреждённая клетка не может адекватно метаболизировать жир. Мелкие жировые вакуоли накапливаются и диспергируются в цитоплазме. Умеренные жировые изменения могут не влиять на функцию клеток; однако более серьёзные жировые изменения могут нарушать клеточную функцию. В печени увеличение гепатоцитов из-за жировых изменений может сдавливать соседние желчные канальцы, что приводит к холестазу. В зависимости от причины и степени накопления липидов жировые изменения, как правило, обратимы. Жировые изменения также известны как жировая дистрофия, жировая метаморфоза или жировой стеатоз.
Необратимые повреждения
Некроз Некроз характеризуется набуханием цитоплазмы, необратимым повреждением плазматической мембраны и разрушением органелл, что приводит к гибели клеток. Стадии клеточного некроза включают пикноз ; слипание хромосом и сморщивание ядра клетки, кариорексис; фрагментация ядра и распад хроматина на бесструктурные гранулы, кариолизис; растворение клеточного ядра. Цитозольные компоненты, просачивающиеся через поврежденную плазматическую мембрану во внеклеточное пространство, могут вызвать воспалительную реакцию.
Существует шесть типов некроза:
Коагуляционный некроз Разжижающий некроз Казеозный некроз Жировой некроз Некроз миомы Гангренозный некроз
Апоптоз Апоптоз — это запрограммированная гибель лишних или потенциально вредных клеток в организме. Это энергозависимый процесс, опосредованный протеолитическими ферментами, называемыми каспазами, которые запускают клеточную гибель посредством расщепления специфических белков в цитоплазме и ядре . Отмирающие клетки сжимаются и конденсируются в апоптотические тельца. Поверхность клетки изменяется таким образом, чтобы проявлять свойства, которые приводят к быстрому фагоцитозу макрофагами или соседними клетками. В отличие от некротической гибели клеток, соседние клетки не повреждаются апоптозом, поскольку цитозольные продукты безопасно выделяются мембранами до того, как они подвергнутся фагоцитозуProskuryakov, Sergey Y a; Konoplyannikov, Anatoli G; Gabai, Vladimir L (2003-02-01). "Necrosis: a specific form of programmed cell death?". Experimental Cell Research. 283 (1): 1–16. doi:10.1016/S0014-4827(02)00027-7. PMID 12565815.. Апоптоз считается важным компонентом различных биопроцессов, включая клеточный цикл, гормонозависимую атрофию, правильное развитие и функционирование иммунной и эмбриональной систем, а также способствует химической гибели клеток, которая является генетически опосредованной. Есть некоторые свидетельства того, что некоторые симптомы «апоптоза», такие как активация эндонуклеазы, могут быть ложно индуцированы без вовлечения генетического каскада. Также становится ясно, что митоз и апоптоз каким-то образом переключаются или связаны, и что достигнутый баланс зависит от сигналов, полученных от соответствующих факторов роста или выживания. Проводятся исследования, направленные на выяснение и анализ механизма клеточного цикла и сигнальных путей, которые контролируют остановку клеточного цикла и апоптоз. У среднего взрослого человека от 50 до 70 миллиардов клеток умирают каждый день из-за апоптоза. Ингибирование апоптоза может привести к ряду раковых, аутоиммунных заболеваний, воспалительных заболеваний и вирусных инфекций. Гиперактивный апоптоз может привести к нейродегенеративным заболеваниям, гематологическим заболеваниям и повреждению тканей.
Восстановление При повреждении клетки, организм пытается восстановить или заменить её, чтобы продолжить нормальное функционирование. Если клетка умирает, организм удалит ее и заменит другой функционирующей клеткой или заполнит пробел соединительной тканью, чтобы обеспечить структурную поддержку оставшимся клеткам. Девиз процесса восстановления — заполнить пробел, вызванный повреждёнными клетками, чтобы восстановить структурную непрерывность. Нормальные клетки пытаются регенерировать повреждённые клетки, но это не всегда происходит. Бесполое размножение — это то, что восстанавливает клетки
Регенерация Регенерация клеток паренхимы или функциональных клеток организма. Организм может производить больше клеток для замены повреждённых клеток, сохраняя орган или ткань неповреждёнными и полностью функциональными.
Замещение Когда клетка не может быть регенерирована, организм заменяет её стромальной соединительной тканью для поддержания функции ткани/органа. Стромальные клетки — это клетки, которые поддерживают паренхиматозные клетки в любом органе. Фибробласты, иммунные клетки, перициты и воспалительные клетки являются наиболее распространёнными типами стромальных клеток.
Биохимические изменения при клеточном повреждении Истощение АТФ является распространённым биологическим изменением, которое происходит при повреждении клеток. Это изменение может произойти независимо от провоцирующего агента повреждения клетки. Снижение внутриклеточного АТФ может иметь ряд функциональных и морфологических последствий при повреждении клеток. Эти эффекты включают в себя:
Отказ АТФ-зависимых насосов ( Na+/K+ насос и Ca2+ насос), что приводит к чистому притоку ионов Na+ и Ca2+ и осмотическому набуханию. Клетки с истощённым запасом АТФ начинают осуществлять анаэробный метаболизм для получения энергии из гликогена, что известно как «гликогенолиз». Возникает последующее снижение внутриклеточного рН клетки, что опосредует вредные ферментативные процессы. Затем происходит раннее слипание ядерного хроматина, известное как «пикноз», и в конечном итоге приводит к гибели клеток .
Повреждение и восстановление ДНК
Повреждение ДНК Повреждение ДНК (или повреждение РНК в случае некоторых вирусных геномов) представляется фундаментальной проблемой для жизни. Как отмечает ХейнсHaynes RH (1988). Biological context of DNA repair. In: Friedberg EC & Hanawalt PC editors, Mechanisms and Consequences of DNA Damage Processing, John Wiley & Sons Canada, Limited, 1988 pp. 577-584. , 9780471502692, субъединицы ДНК не наделены какой-либо особой квантово-механической стабильностью, и поэтому ДНК уязвима ко всем «химическим ужасам», которые могут постигнуть любую такую молекулу в тёплой водной среде. Эти химические ужасы представляют собой повреждения ДНК, которые включают различные типы модификации оснований ДНК, одно- и двухцепочечные разрывы и межцепочечные перекрёстные связи (см. Повреждения ДНК (естественные). Повреждения ДНК отличаются от мутаций, хотя и то и другое является ошибками в ДНК. В то время как повреждения ДНК представляют собой аномальные химические и структурные изменения, мутации обычно вовлекают нормальные четыре основания в новые структуры. Мутации могут реплицироваться и, таким образом, наследоваться при репликации ДНК. Напротив, повреждения ДНК представляют собой изменённые структуры, которые сами по себе не могут быть воспроизведены.
Несколько различных процессов репарации могут удалить повреждения ДНК (см. репарация ДНК). Однако те повреждения ДНК, которые остаются невосстановленными, могут иметь пагубные последствия. Повреждения ДНК могут блокировать репликацию или транскрипцию генов. Эти блокировки могут привести к гибели клеток. У многоклеточных организмов гибель клеток в ответ на повреждение ДНК может происходить в результате запрограммированного процесса — апоптоза. В качестве альтернативы, когда ДНК-полимераза реплицирует цепь матрицы, содержащую поврежденный участок, она может неточно обойти повреждение и, как следствие, ввести неправильное основание, что приведёт к мутации. Экспериментально частота мутаций существенно возрастает в клетках, дефектных в репарации несоответствия ДНК или в гомологичной рекомбинационной репарации (HRR).