Основные процессы жизнедеятельности клетки. Чем опасен недостаток жиров в организме? Значение липидов в жизнедеятельности человеческого организма и их функции

Калорийность продуктов содержащих жиры очень высокая. И большинство диет распространённых на сегодняшний день исключает употребление такой пищи. Стоит отметить, что по сравнению с белками и углеводами, жиры дают организму человека в 2 раза больше энергии. Но, несмотря на это большинство женщин склонных к полноте стараются не употреблять продукты, содержащие даже незначительное количество этих веществ, в своём составе, считая, что жиры в пище для фигуры очень вредны. Может ли пострадать организм при таком ограничении?

Как отразится на здоровье недостаточное содержание жиров в рационе?

Для организма человека эти вещества выполняют разнообразные функции, необходимые для нормальной жизнедеятельности и хорошего здоровья. Жиры способствуют формированию защитной прослойки внутренних органов, защищают организм от перепадов температурного режима. И таким образом хотя бы незначительное количество употребления этих веществ, для организма очень необходимо. И их умеренное содержание в рационе поможет справиться с лишним весом и не навредит человеку. А если жиры в пище совсем отсутствуют, то это отрицательно скажется на состоянии здоровья.

Сколько нужно употреблять жиров?

Количество жиров в пище должно быть таким, чтобы обеспечить организм человека необходимой энергией и в то же время не привести к ожирению из-за избыточного их употребления. Для взрослого человека необходимое количество жиров составляет 90-115 грамм в суточном рационе, но это в основном зависит от состояния здоровья, работоспособности и физической активности. И в эту норму в первую очередь должны входить полезные жиры, а вредные жиры в пище содержащие холестерин, например жареные пирожки или картофель, лучше исключить.

В состав общего количестваежедневного употребления жиров должны входить

• Растительные масла 20-25%
• Масло сливочное 25%
• Жиры кулинарные и маргарин 15-20%
• Жиры молочных продуктов и мяса 30-35%

Чем опасен недостаток жиров в организме?

Предположим, что женщина садится на диету, которая полностью исключает употребление жиров. Что будет если недостаток этих веществ, продлится в организме пару недель, а то и больше? Ведь даже у вегетарианцев в рационе присутствует 25-30 грамм жира. Ответ очевиден, это очень негативно скажется на состоянии здоровья. По статистике, у людей, которые полностью отказались от употребления жиров в пищу, появляется много проблем со здоровьем.

• Понижается иммунитет.
• Появляется сухость кожи и гнойничковые заболевания на ней.
• Нарушается работа желудочно-кишечного тракта.
• Выпадают волосы.
• Плохо усваиваются витамины: А, Е, С.

Если у человека уже имеются заболевания связанные с желудочно-кишечным трактом, то в таком случае особенно опасно ограничивать организм в получении жиров. Так как если поступление жиров, особенно растительных, организму недостаточно, то нарушается функция липидов, которые входят в состав мембран клеток. А это в свою очередь изменяет проницаемость мембран и наличие прочности связки с ними разнообразных ферментов. Впоследствии, всё это ведёт к нарушению обмена веществ.

Если при занятиях фитнесом и другими различными видами спорта организм человека испытывает незначительный недостаток кислорода, то в данном случае советуют немного сократить употребление в пищу жиров, увеличивая за счёт этого количество углеводов.

Бывают также различные заболевания, когда врачи рекомендуют снизить употребление жиров в пищу. К ним относятся: панкреатит, ожирение, атеросклероз, гепатит, сахарный диабет. А также обострение энтероколитов и желчнокаменной болезни.

В итоге, не стоит специально ограничивать организм в получении жиров. Так как это биологически неоправданно и отрицательно скажется на здоровье человека.

Жиры в пище - к чему приводит их недостаток

Клетка — элементарная единица всех организмов. От ее состояния зависит степень активности, способность приспосабливаться к условиям среды. Процессы жизнедеятельности клетки подчинены определенным закономерностям. Степень активности протекания каждого из них зависит от фазы жизненного цикла. Всего их выделяют две: интерфаза и деление (фаза М). Первая занимает время между образованием клетки и ее гибелью или делением. В период интерфазы активно протекают практически все основные процессы жизнедеятельности , дыхание, рост, раздражимость, движение. Размножение клетки осуществляется только на фазе М.

Периоды интерфазы

Время клеточного роста между делениями разделяется на несколько этапов:

• пресинтетический, или фаза G-1, — начальный период: синтез матричной РНК, белков и некоторых прочих клеточных элементов;
• синтетический, или фаза S: удвоение ДНК;
• постсинтетический, или фаза G-2: подготовка к митозу.

Кроме того, некоторые клетки после дифференциации перестают делиться. В их интерфазе отсутствует период G-1. Они находятся в так называемой фазе покоя (G-0).

Обмен веществ

Как уже было сказано, процессы жизнедеятельности живой клетки по большей части протекают в период интерфазы. Основным из них считается Благодаря ему протекают не только различные внутренние реакции, но и межклеточные процессы, связывающие отдельные структуры в целый организм.

Обмену веществ присуща определенная схема. Процессы жизнедеятельности клетки во многом зависят от ее соблюдения, отсутствия каких бы то ни было нарушений в ней. Вещества, прежде чем повлиять на внутриклеточную среду, должны проникнуть сквозь мембрану. Затем они подвергаются определенной переработке в процессе питания или дыхания. На следующем этапе образовавшиеся продукты переработки используются для синтеза новых элементов или преобразования имеющихся структур. Оставшиеся после всех преобразований продукты обмена, которые вредны для клетки или просто не нужны ей, удаляются во внешнюю среду.

Ассимиляция и диссимиляция

Регуляцией последовательной смены преобразований одних веществ в другие занимаются ферменты. Они способствуют более быстрому протеканию определенных процессов, то есть выступают в качестве катализаторов. Каждый такой «ускоритель» влияет лишь на конкретное преобразование, направляя течение процесса в одну сторону. Вновь образованные вещества далее подвергаются воздействию других ферментов, способствующих дальнейшему их превращению.

При этом все процессы жизнедеятельности клетки так или иначе связаны с двумя противоположными тенденциями: ассимиляцией и диссимиляцией. Для обмена веществ их взаимодействие, баланс или некоторое противостояние являются основой. Разнообразные вещества, поступившие извне, преобразуются под действием ферментов в привычные и необходимые для клетки. Эти синтетические преобразования и называются ассимиляцией. При этом для подобных реакций необходима энергия. Ее источником являются процессы диссимиляции, или разрушения. Распад вещества сопровождается выделением энергии, необходимой для того, чтобы могли протекать основные процессы жизнедеятельности клетки. Диссимиляция также способствует образованию более простых веществ, которые затем используются для нового синтеза. Часть продуктов распада при этом выводится.

Процессы жизнедеятельности клетки связаны часто с балансом синтеза и распада. Так, рост возможен только при преобладании ассимиляции над диссимиляцией. Интересно, что бесконечно расти клетка не может: в ней заложены определенные границы, по достижении которых рост останавливается.

Проникновение

Транспортировка веществ из окружающей среды в клетку осуществляется пассивно и активно. В первом случае перенос становится возможен благодаря диффузии и осмосу. Активная транспортировка сопровождается затратой энергии и часто происходит вопреки указанным процессам. Таким образом, например, проникают ионы калия. Они нагнетаются в клетку, даже если их концентрация в цитоплазме превышает ее уровень во внешней среде.

Характеристики веществ влияют на степень проницаемости для них Так, попадают в цитоплазму легче, чем неорганические. Для проницаемости имеет значение и размер молекул. Также свойства мембраны зависят от физиологического состояния клетки и таких особенностей окружающей среды, как температура и освещенность.

Питание

В поступлении веществ из окружающей среды принимают участие довольно хорошо изученные процессы жизнедеятельности: дыхание клетки и ее питание. Последнее осуществляется с помощью пиноцитоза и фагоцитоза.

Механизм обоих процессов схож, но во время пиноцитоза захватываются менее крупные и плотные частицы. Молекулы поглощаемого вещества адсорбируются мембраной, захватываются специальными выростами и погружаются вместе с ними внутрь клетки. В результате образуется канал, а затем возникают пузырьки из мембраны, содержащие пищевые частички. Постепенно они освобождаются от оболочки. Далее частички подвергаются воздействию очень близких к пищеварению процессов. После ряда преобразований вещества расщепляются на более простые и используются для синтеза элементов, необходимых клетке. При этом часть образовавшихся веществ выводится в окружающую среду, поскольку не подлежит дальнейшей переработке или использованию.

Дыхание

Питание - не единственный процесс, способствующий появлению в клетке необходимых элементов. Дыхание по своей сути с ним очень схоже. Оно представляет собой ряд последовательных преобразований углеводов, липидов и аминокислот, в результате которых возникают новые вещества: углекислый газ и вода. Важнейшая часть процесса заключается в образовании энергии, которая запасается клеткой в виде АТФ и некоторых других соединений.

С участием кислорода

Процессы жизнедеятельности клетки человека, как и многих других организмов, немыслимы без аэробного дыхания. Главным веществом, необходимым для него, является кислород. Освобождение столь необходимой энергии, а также образование новых веществ происходит в результате окисления.

Процесс дыхания делится на две стадии:

гликолиз;

кислородный этап.

Гликолиз — это расщепление глюкозы в под действием ферментов без участия кислорода. Он представляет собой одиннадцать последовательно сменяющих друг друга реакций. В результате из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы АТФ. Продукты распада при этом попадают в митохондрии, где начинается кислородный этап. В результате еще нескольких реакций образуются углекислый газ, дополнительные молекулы АТФ и атомы водорода. В целом клетка получает из одной молекулы глюкозы 38 молекул АТФ. Именно из-за большого количества запасаемой энергии и считается более эффективным.

Анаэробное дыхание

Для бактерий свойственен другой тип дыхания. Они вместо кислорода используют сульфаты, нитраты и прочее. Такой тип дыхания менее эффективен, однако он играет огромную роль в круговороте веществ в природе. Благодаря анаэробным организмам осуществляется биогеохимический цикл серы, азота и натрия. В целом процессы протекают аналогично кислородному дыханию. После окончания гликолиза образовавшиеся вещества вступают в реакцию брожения, результатом которого может стать этиловый спирт или молочная кислота.

Раздражимость

Клетка постоянно взаимодействует с окружающей средой. Ответ на влияние различных внешних факторов называется раздражимостью. Она выражается в переходе клетки в возбудимое состояние и возникновении реакции. Тип ответа на внешнее воздействие отличается в зависимости от функциональных особенностей. Мышечные клетки отвечают сокращением, клетки желез — выделением секрета, а нейроны — генерацией нервного импульса. Именно раздражимость лежит в основе многих физиологических процессов. Благодаря ей, например, осуществляется нервная регуляция: нейроны способны передавать возбуждение не только аналогичным клеткам, но и элементам других тканей.

Деление

Таким образом, существует определенная циклическая схема. Процессы жизнедеятельности клетки в ней повторяются во время всего периода интерфазы и завершаются либо гибелью клетки, либо ее делением. Самовоспроизведение является залогом сохранения жизни в целом после исчезновения конкретного организма. Во время роста клетки ассимиляция превышает диссимиляцию, объем растет быстрее, чем поверхность. В результате процессы жизнедеятельности клетки затормаживаются, начинаются глубокие преобразования, по завершении которых существование клетки становится невозможным, она переходит к делению. По окончании процесса формируются новые клетки с увеличенным потенциалом и обменом веществ.

Нельзя сказать, какие процессы жизнедеятельности клетки играют самую важную роль. Все они взаимосвязаны и бессмысленны в отрыве друг от друга. Тонкий и отлаженный механизм работы, существующей в клетке, очередной раз напоминает о мудрости и грандиозности природы.

Вопрос 1. В чем заключается сходство биологи­ческих систем и объектов неживой природы?

Основное сходство — это родство химиче­ского состава. Подавляющее большинство из­вестных на сегодняшний день химических элементов обнаружено как в живых организ­мах, так и в неживой природе. Атомов, харак­терных только для живых систем, не сущест­вует. Однако содержание конкретных элемен­тов в живой и неживой природе резко различается. Организмы (от бактерий до по­звоночных) способны избирательно накапли­вать элементы, которые необходимы для жиз­недеятельности.

Интересно, что неживые объекты могут проявлять отдельные свойства, более харак­терные для живого. Так, кристаллы минера­лов способны к росту и обмену веществ с окру­жающей средой, а фосфор может «запасать» энергию света. Но всей совокупностью черт, присущих живому организму, не обладает ни одна неорганическая система.

Вопрос 2. Перечислите биоэлементы и объяс­ните, каково их значение в образовании живой ма­терии.

К биоэлементам (органогенам) относят кис­лород, углерод, водород, азот, фосфор и серу. Они составляют основу белков, липидов, угле­водов, нуклеиновых кислот и других органи­ческих веществ. Для всех органических моле­кул особое значение имеют атомы углерода, образующие каркас. К этому каркасу присо­единяются разнообразные химические груп­пы, образованные другими биоэлементами. В зависимости от состава и расположения та­ких групп органические молекулы приобрета­ют индивидуальные свойства и функции. На­пример, аминокислоты в большом количестве содержат азот, а нуклеиновые кислоты — фос­фор.

Вопрос 3. Что такое микроэлементы? Приведи­те примеры и охарактеризуйте биологическое зна­чение этих элементов.

Многие химические элементы содержатся в живых системах в очень малых количествах (доли процента от общей массы). Такие веще­ства называют микроэлементами. В их числе медь, марганец, цинк, молибден, кобальт, иод, бром, фтор и многие другие. Растения, грибы, бактерии получают микроэлементы из почвы и воды; животные — в основном с пи­щей. В большинстве своем микроэлементы входят в состав белков и биологически актив­ных веществ (гормонов, витаминов). Напри­мер, цинк содержится в гормоне поджелудоч­ной железы инсулине, а иод — в тироксине (гормоне щитовидной железы). Кобальт явля­ется важнейшей составной частью витамина В12. Железо входит в состав примерно семиде­сяти белков организма, медь — в состав двад­цати белков и т. д.

Вопрос 4. Как отразится на жизнедеятельности клетки и организма недостаток какого-либо микро­элемента? Приведите примеры таких явлений.

Недостаток какого-либо микроэлемента приводит к уменьшению синтеза того органи­ческого вещества, в состав которого этот мик­роэлемент входит. В результате нарушаются процессы роста, обмена веществ, воспроизве­дения и т. п. Например, дефицит иода в пище приводит к общему падению активности орга­низма и разрастанию щитовидной железы — эндемическому зобу. Недостаток бора вызыва­ет отмирание верхушечных почек у растений. Нехватка селена может привести к возникно­вению раковых заболеваний у человека и жи­вотных. По аналогии с авитаминозами такие заболевания называют микроэлементозами.

Вопрос 5. Расскажите об ультрамикроэлемен­тах. Каково их содержание в организме? Что извест­но об их роли в живых организмах?

Ультрамикроэлементы — это элемен­ты, которые содержатся в клетке в ничтожно малых количествах (концентрация каждого не превышает одной миллионной доли процента). К ним относят уран, радий, золото, серебро, ртуть, бериллий, мышьяк и др. Физиологиче­ская роль большинства из них не установлена. Не исключено, что она вообще отсутствует, и тогда часть ультрамикроэлементов являются просто примесями живых организмов. Вместе с тем, например, известно, что мышьяк входит в состав ферментов, защищающих мембраны наших клеток от окисления, и необходим для их нормальной работы.

Вопрос 6. Приведите примеры известных вам биохимических эндемий. Объясните причины их происхождения.

Биохимические эндемии — это заболева­ния растений, животных и человека, связан­ные с явным недостатком либо избытком какого-либо химического элемента в окру­жающей среде. В результате развиваются микроэлементозы или некоторые другие наруше­ния. Так, во многих районах нашей страны значительно снижено количество иода в воде и почве. Нехватка иода приводит к падению синтеза гормона тироксина, щитовидная же­леза, пытаясь компенсировать его нехватку, разрастается (развивается эндемический зоб). Другими примерами могут служить дефицит селена в почве ряда районов Монголии, а так­же избыток ртути в воде некоторых горных рек Чили и Цейлона.

ПОВРЕЖДЕНИЕ КЛЕТКИ

Повреждение клетки - это типовой патологический процесс, основу которого составляют расстройства внутриклеточного гомеостаза, приводящие к нарушению структурной целостности клетки и ее функциональных способностей.

Классификация.

I. По причине:

Непосредственное (первичное) повреждение клетки возникает в результате прямого действия на клетку факторов: Ф, Б, Х (физические, биологические, химические).

Опосредованное (вторичное) повреждение возникает как следствие первичных нарушений постоянства внутренней среды организма (ги­поксия, ацидоз и алкалоз, гипер- и гипоосмия, гипогликемия и др.).

II. По времени: острое и хроническое. Острое повреждение по форме повреждения делится на преддепрессионную гиперактивность, парциальный некроз и необратимое тотальное повреждение клетки.

III. По степени нарушения внутриклеточного гомеостаза - обратимым и необратимым.

IV. По периоду жизненного цикла, на который приходится повреждение: митотическое и интерфазное.

V. По патогенетическим механизмам:

Насильственное повреждение развивается при прямом действии на исход­но здоровую клетку Ф,Б,Х, интенсивность которых превышает возможности адаптации клетки.

Цитопатический вариант возникает в результате первичного ухудшения, слабости защитно-компенсаторных механизмов клетки, когда она не способна противостоять даже подпороговым воздействиям.

МЕХАНИЗМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ

Условно 7 групп молекулярных механизмов, играющих важную роль в патогенезе повреждения клеток:

энергодефицитные

электролитно-осмотические;

кальциевые;

ацидотические;

протеиновые;

нуклеиновые;

липидные (пероксидное окисление липидов, активация мембранных фосфолипаз, детергентное действие свободных жирных кислот).

Энергодефицитные механизмы повреждения клетки.

Является, как правило, «стартовым» важным механизмом повреждения любой клетки.

Причины развития энергодефицита:

нарушение поступления питательных веществ (субстратная гипоксия например при гипогликемии, голоде);

нарушение транспорта газов крови (циркуляторная, гемическая, респираторная, экзогенные гипоксии);

нарушение синтеза АТФ

нарушение транспорта АТФ

нарушение утилизации АТФ.

Дефицит АТФ в клетке приводит к:

Нарушению механической работы - проявится нарушением сокращения, миграции, экзоцитоза и эндоцитоза, кле­точного деления, движения ресничек, жгутиков.

Нарушению химической работы - биосинтеза веществ. Следст­вием этого является нарушение самообновления и самовоспроизведе­ния клеток, нарушение всех ОСНОВНЫХ форм и направлений синтеза в клетке, активация «запасных» путей метаболизма, например, анаэробного гликолиза, сорбитолового шунта, кетоновых тел.

В клетке избыточно активируется анаэробный гликолиз: дефицит АТФ→увеличение АМФ→активация 6-фосфофруктокиназы и фосфорилазы→анаэробный гликолиз→накопление пирувата и лактата

Нарушению осмотической работы - (см. ниже натрий-калиевый и каль­циевый насосы, натрий-кальциевый и натрий-водородный обменные механизмы.

Электролитно-осмотические механизмы повреждения клетки.

Блок натрий/калиевой АТФазы и повышение проницаемости поврежденной клетки вызывает увеличение содержания Na + и уменьшение содержания К + в цитоплазме, что приводит к:

потере клет­кой потенциала покоя (эктопические очаги при инфаркте, где формируется разница потенциала);

отсутствию возможности формирования потенциала действия;

отеку наружной мембраны клетки (натрий высоко осмотичен и тянет за собой воду;

осмотическому растяжению внутриклеточных мембран, что повышает их проницаемость, в случае митохондрий это усиливает энергодефицит (синтез АТФ становится невозможным из-за нарушенной целостности мембран митохондрий);

нарушению ионообменных механизмов Ca 2+ – Na + и H + – Na + .

Клинический выход:

при инфаркте миокарда – очаговом повреждении (некрозе) – возникает разница потенциалов на границе между здоровым и ишемизированным миокардом, что создает условия для генерации эктопического возбуждения (экстрасистолы);

ишемия миокарда вызывает повышение порога потенциала покоя, при достижении значения более 50мВ быстрые натриевые каналы инактивируются – развивается блокада проведения;

ишемия головного мозга→дефицит АТФ→нарушение работы Na/K АТФазы→повышение внутриклеточного натрия→отек нейронов→отек головного мозга→вклинение продолговатого мозга→нарушение работы дыхательного и сосудистодвигательного центров→смерть;

Обширный ожог или травма (размозжение)→выход калия из поврежденных клеток→гиперкалиемия→остановка сердца в диастолу.

Кальциевая группа молекулярного механизма повреждения клетки.

Может быть отнесена к предыдущей, но из-за важности выделена отдельно. Повреждение клеточных структур всегда сопровождается стой­ким повышением концентрации ионов Са 2+ в цитоплазме клетки. Та­кая ситуация возникает либо в результате избыточного поступления ионов Са 2+ в цитоплазму (гиперкальциемия, повышение проницаемо­сти плазматической мембраны), либо в результате нарушения меха­низмов, обеспечивающих удаление ионов Са 2+ из цитоплазмы (нару­шения Са-насосов, Na-Ca-обменного механизма, Са-аккумулирующей функции митохондрий и саркоплазматического ретикулума).

Повышение концентрации ионов Са 2+ в цитоплазме вызывает: а) контрактуру фибриллярных структур клетки (миофибрилл, элемен­тов цитоскелета); б) активацию фосфолипазы А 2 ; в) разобщение про­цессов окисления и фосфорилирования.

Ацидотический механизм повреждения клетки.

К развитию внутриклеточного ацидоза могут приводить:

избыточное поступление извне ионов Н + в клетку из внеклеточной среды (декомпенсированные газовые или негазовые ацидозы);

избыточное образование кислых продуктов внутри клетки при нарушении синтеза АТФ из-за активация анаэробного гликолиза;

выход из поврежденных митохондрий три- и дикарбоновых кислот, при гидролитическом расщеплении фос­фолипидов свободных жирных кислот, фосфор­ной кислоты и др.;

нарушение связывания свободных ионов Н + в результате не­достаточности буферных систем клетки;

нарушения выведения ионов Н + из клетки при расстройствах Na-H-обменного механизма, а также в условиях нарушенного местного кровообращения в ткани (нарушается венозный отток).

Внутриклеточный ацидоз вызывает:

изменение конформации белковых молекул с нарушением их ферментативных, сократительных и других свойств;

повышение проницаемости клеточных мембран;

активацию лизосомальных гидролитических ферментов.

Липидные механизмы повреждения клетки:

перекисное окисление липидов;

активация мембранных фосфолипаз.

Перекисное окисление липидов (ПОЛ) называет­ся свободнорадикальное окисление ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав фосфолипидов клеточных мембран.

Инициаторами ПОЛ являются свободные радикалы, среди кото­рых наибольшее значение имеют: O 2 ¯ - супероксидный ра­дикал; ОН˙- гидроксильный радикал; Н 2 О 2 – перекись водорода; ˙O 2 - синглетный (возбужденный) кислород.

Появившийся в клетке первичный свободный радикал (А ˙) взаи­модействует с молекулой ненасыщенной жирной кислоты (RH ), в ре­зультате чего образуется свободный радикал этой кислоты (R ˙) и мо­лекулярный продукт реакции:

HO ˙ + RH → R ˙ + Н OH

Образовавшийся свободный радикал жирной кислоты взаимодей­ствует с молекулярным кислородом, всегда содержащимся в клетке, в результате чего появляется пероксидный радикал этой кислоты (RОО˙):

R ˙ + O = O → ROO ˙

Пероксидный радикал, в свою очередь, вступает во взаимодейст­вие с находящейся рядом новой молекулой ненасыщенной жирной ки­слоты. В ходе этой реакции образуется гидропероксид (RООН) и но­вый свободный радикал:

R ОО˙ + R Н → RO ОН + R ˙

Следует отметить две важные особенности ПОЛ. Первая состоит в том, что реакции ПОЛ имеют цепной характер. Это означает, что в ходе реакций ПОЛ не происходит уничтожение свободных радикалов и в процесс вовлекаются все новые и новые молекулы ненасыщенных жирных кислот.

Вторая особенность - это разветвленный характер ПОЛ, т.е. источником радикалов становятся промежуточные продукты ПОЛ. Примером может служить образо­вание свободных радикалов из гидропероксидов липидов при их взаимодействии с имеющимися в клетке металлами переменной ва­лентности:

R ООН + Fe 2+ → RO ˙ + ОН˙ + Fe 3+

Ввиду того, что в ходе многих нормально протекающих биохими­ческих реакций образуется небольшое количество свободных радика­лов, в клетке существует постоянная опасность активации ПОЛ. Од­нако в естественных условиях этого не происходит, поскольку клетка располагает механизмами антиоксидантной защиты, благодаря кото­рым достигается инактивация свободных радикалов, ограничение и торможение ПОЛ.

Антиоксидантные системы клетки.

I. Ферментные антиоксидантные системы:

Супероксиддисмутазная.

Компоненты: супероксиддисмутаза (СОД), каталаза.

Назначение: инактивация супероксидных радикалов (НO 2 ˙):

НО 2 ˙ + НО 2 ˙ →Н 2 О 2 +O 2 ; (реакция проходит за счет СОД)

2 Н 2 О 2 →2Н 2 O +O 2 ; (реакция за счет каталазы).

Нарушения: приобретенные расстройства синтеза ферментов, де­фицит меди и железа.

Глутатионовая.

Компоненты: глутатион (Г), глутатионпероксидаза (ГП), глутатионредуктаза (ГР), НАДФ-Н 2 .

Назначение: инактивация и разрушение гидропероксидов липи­дов:

2ГSН + RООН →Г- S - S - Г + RОН + НOH; (реакция за счет глутатионпероксидзы) НАДФ Н 2 + Г - S - S - Г →НАДФ + 2Г S Н; (реакция за счет глутатионредуктаза) НАДФ + 2Н + + 2е ¯→ НАДФ Н 2 ˙

Нарушения: наследственно обусловленные и приобретенные на­рушения синтеза ферментов, дефицит селена, нарушения пентозного цикла (уменьшение образования НАДФ Н 2 ˙ ).

II. Неферментные антиоксиданты:

"Истинные" антиоксиданты.

Компоненты: токоферолы, убихиноны, нафтохиноны, флавоноиды, стероидные гормоны, биогенные амины.

Назначение: инактивация свободных радикалов жирных кислот:

RO 2 ˙+ In → ROOН + In ˙,

где In - антиоксидант; In ˙ - свободный радикал этого антиоксиданта, обладающий низкой реакционной способностью.

Нарушения: гиповитаминоз Е, нарушение регенерации "истинных" антиоксидантов.

Вспомогательные антиоксиданты.

Компоненты: аскорбиновая кислота, серосодержащие соедине­ния - глутатион, цистин, цистеин.

Назначение: регенерация "истинных" антиоксидантов:

In˙ + In˙ + 2DH →2 In Н + 2D,

где DH - восстановленная, D - окисленная форма вспомогательного антиоксиданта.

Нарушения: гиповитаминоз С, нарушения пентозного цикла, де­фицит серосодержащих соединений.

Избыточная активация ПОЛ происходит:

при избыточном образовании первичных свободных радикалов (ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, гипероксия, отравле­ние четыреххлористым углеродом, гипервитаминоз D и др.);

при нарушении функционирования антиоксидантных систем (недостаточность ферментов - супероксиддисмутазы, каталазы, глутатионпероксидазы, глутатионредуктазы; дефицит меди, железа, селе­на; гиповитаминозы Е, С; нарушения пентозного цикла).

Последствия активации ПОЛ:

Продукты СПОЛ в составе фосфолипидов мембран резко повышают гидрофильность и проницаемость мембраны, что приводит к усугублению электролитно-осмотического механизма.

Механизм электрического пробоя связан с нарушениями электроизолирующих свойств гидрофобного слоя клеточных мембран, что приводит к электрическому пробою мембраны, т.е. к электромеханическому ее разрыву с образованием но­вых трансмембранных каналов ионной проводимости.

Нарушение матричной функции мембран в про­цессе активации ПОЛ. Нарушается активность мембранных ферментов, поскольку изменяется их липидное микроокружение. Кроме того, в ходе реак­ций ПОЛ происходит образование "сшивок" между молекулами бел­ков и фосфолипидов, а также окисление сульфгидрильных групп ак­тивных центров, что приводит к необратимой инактивации ферментов, например ионных АТФаз, что усиливает расстройства ионного обмена и отек клетки.

Повреждение клеточных мембран повышенной активностью фосфолипаз.

Фосфолипаза А2 активируется в результате повышения концентрации ионов кальция, активации СПОЛ и внутриклеточного ацидоза. В результате резко повышается проницаемость мембран, дополнительно из фосфолипидов этим ферментов высвобождается арахидоновая кислота, производные которой создают в клетке функциональный покой через блокаду бета адренорецепторов, с другой стороны оказывают вторичное повреждение окружающих клеток (см. медиаторы воспаления), формирование новых брешей в мембране.

Белковые (протеиновые) механизмы повреждения клетки

Включа­ют в себя:

ингибирование ферментов (обратимое и необратимое) – за счет активации перекисного окисления, нарушения матричной структуры липидного бислоя, дефицита АТФ;

денатурацию ;

протеолиз, осуществляю­щийся под действием лизосомальных протеолитических ферментов (катепсинов) и Са-активируемых протеаз. В результате протеолиза мо­гут появляться пептиды, обладающие свойствами физиологически ак­тивных веществ. С выходом последних из поврежденных клеток мо­жет быть связано развитие как местных, так и общих реакций орга­низма (воспаление, лихорадка).

Нуклеиновые механизмы повреждения клетки.

Основу повреждения клетки могут составлять так называемые нуклеиновые механизмы, обусловленные нарушениями процессов:

репликации ДНК ;

транскрипции ;

трансляции .

Нарушения в клетке в результате по­вреждения отдельных ее органоидов (плазматической мембра­ны, митохондрий, эндоплазматического ретикулума, лизосом).

Нарушение барьерной функции плазматической мембраны приво­дит к выравниванию существующих в норме концентрационных гра­диентов веществ: в клетку поступают ионы Na + , Са 2+ , Сl¯, а выходят ионы К + , Mg 2+ , неорганического фосфата, низко- и высокомолекулярные органические соединения (АМФ, АДФ, промежуточные продукты клеточного обмена, белки-ферменты). С повреждениями белков и гликопротеидных комплексов, встроенных в плазматическую мембрану, связаны нарушения систем активного транспорта веществ (Na-K-, Са-насосов; Na-Ca- и Na-H-обменных механизмов); изменения специ­фических ионных каналов (Na-, К-, Са-каналов); нарушения клеточ­ных рецепторов, воспринимающих внешние регуляторные сигналы (α-и β-адренорецепторов, холинорецепторов и др.); нарушение межклеточных взаимодействий; изменения антигенных свойств клетки.

Повреждение митохонд­рий сопровождается либо уг­нетением процессов клеточ­ного дыхания, либо эффек­том разобщения процессов окисления и фосфорилирования. И в том, и в другом случае результатом рас­стройств митохондриальных функций будет нарушение энергообеспечения клетки.

Повреждение шерохова­того эндоплазматического ретикулума приводит к дезаг­регации полисом, вследствие чего нарушаются реакции биосинтеза белка в клетке. В результате повреждения гладкого эндо­плазматического ретикулума и его ферментных систем страдают про­цессы детоксикации, микросомального окисления и др. В некоторых клетках, например мышечных, нарушается способность эндоплазмати­ческого (саркоплазматического) ретикулума депонировать ионы Са 2+ , что способствует реализации так называемых кальциевых механизмов повреждения клетки.

Повышение проницаемости лизосомальных мембран приводит к вы­ходу в цитоплазму гидролитических ферментов, активация которых в конечном итоге вызывает необратимые изменения клетки - ее аутолиз.

Признаки повреждения клетки:

Структурные. Обнаруживаются с помощью гистологических и электронномикроскопических методов исследования и являются пред­метом изучения патологической анатомии.

Функциональные. К ним относят: нарушения электрофизиоло­гических процессов (деполяризация плазматической мембраны, изме­нения свойств возбудимости и проводимости, развитие парабиоза); на­рушения сократимости, экзо- и эндоцитоза; нарушения клеточного де­ления, межклеточных контактов и взаимодействий; изменения в вос­приятии клеткой нервных и гуморальных регуляторных влияний.

Физико-химические, которые включают нарушения со стороны клеточных коллоидов (уменьшение степени дисперсности коллоидов цитоплазмы и ядра, повышение вязкости цитоплазмы, изменение сорбционных свойств по отношению к витальным красителям) и из­менения водно-электролитного обмена (увеличение концентрации в цитоплазме ионов натрия и кальция и уменьшение концентрации ио­нов калия, отек клетки и отдельных ее органелл, накопление ионов водорода - ацидоз повреждения).

Биохимические: 1) уменьшение концентрации макроэргических соединений - креатинфосфата и АТФ - и увеличение концентрации продуктов их гидролитического расщепления - креатина, АДФ, АМФ, неорганического фосфата; 2) угнетение тканевого дыхания; 3) разоб­щение окисления и фосфорилирования; 4) активация гликолиза; 5) ак­тивация процессов протеолиза; 6) увеличение интенсивности процес­сов дезаминирования.

Термодинамические. Это декомпартментализация, т.е. нарушение относительной обособленности внутриклеточных отсеков; конформационные изменения макромолекул, происходящие в направлении наи­более выгодного термодинамического состояния (денатурация); распад крупных, более сложных молекул на мелкие, менее сложные; вырав­нивание концентрационных градиентов как между клеточными отсе­ками, так и между клеткой и внеклеточной средой.

Защитно-компенсаторные механизмы при повреждении клетки.

Все многообразие защитно-компенсаторных реакций клетки в от­вет на ее повреждение можно условно разделить на две группы.

I. Реакции, направленные на восстановление нарушенного внутриклеточного гомеостаза:

активация механизмов активного транспорта веществ (Na-K-, Са-насосов; Na-Ca-, Na-H-обменных механизмов, микровезикулярного транспорта);

усиление регенерации антиоксидантов;

связывание свободных жирных кислот (синтез триглицеридов);

активация синтеза белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и др.

Непременным условием реализации этих механизмов является достаточное энергообеспечение клетки. Это достигается повышением интенсивности энергетического обмена (активация гликолиза, клеточ­ного дыхания, пентозного цикла) и перераспределением имеющихся в клетке энергетических ресурсов.

II. Реакции, направленные на создание функционального покоя поврежденной клетки.Их цель состоит в том, чтобы свести к минимуму энергетические затраты на выполнение специфических функций клетки.

К таким реакциям можно отнести:

образование клеткой из арахидоновой кислоты простагландинов и блокада ими β-адренорецепторов;

ингибиро­вание синтеза вторичных посредников, усиливающих функциональную активность клетки;

образование аденозина - естественного блокатора Са-каналов и др.

Порочные круги в повреждении клетки.

Апоптоз - клеточная смерть со специфическими морфологическими проявлениями: уменьшение клеточного объема, конденсация хроматина, фрагментация ядра, отсутствием/минимальными изменениями клеточных органелл, образование пузырей из клеточной мембраны (апоптотических телец) с последующим фагоцитозом (in vivo).

Причины: Клетка подверглась внешнему воздействию и больше не может выполнять свои функции или стала опасной для организма.

ФАЗА ИНИЦИАЦИИ – рецепция сигнала смерти и активации инициирующих каспаз, как один из вариантов рецептор смерти на клетке взаимодействует с лигнадом смерти (фактор некроза опухоли), например при сердечной недостаточности и активируется каспаза 8, которая будет активировать эффекторные каспазы. Или второй путь: в результате СПОЛ (см. повреждение клетки) повреждаются мембраны митохондрий, выходит цитохром С, образуется апоптосома (в виде пропеллера), которая активирует эффекторные каспазы.

ЭФФЕКТОРНАЯ ФАЗА В результате инициации активируются эффекторные каспазы 3,6,7, которые разрушают цитоскелет (клетка теряет свою форму и контакт с другими клетками), активируют ДНК-азу, которая будет фрагментировать содержимое ядра, активируют некоторые протеолитические ферменты, которые будут фрагментировать органеллы. Образуется клеточный «винегрет»

ФАЗА ДЕГРАДАЦИИ. Фрагменты органелл и ядра упаковываются в мембрану, формируются апоптотические тела, которые затем поглощаются макрофагами.

Возможность влияния на апоптоз открывает возможности лечения опухолей, ВИЧ, замедление старения.

Некроз – гибель клеток или тканей в живом организме в ответ на повреждение, сопровождающееся активацией гидролитических ферментов и активацией аутолиза (самопериваривания).

Выделяют пять основных этиологических факторов некроза, которые мы дополнительно разделим по механизму на прямые и непрямые:

Прямые: травматическим – д-е различных физических факторов и токсическим – д-е хим. веществ, в том числе микробного происхождения

Непрямые: трофоневротическим- одновременное нарушение иннервации и циркуляции (пролежни), аллергическим- см. механизмы киллинга и сосудистым – абсолютная или относительная недостаточность циркуляции в артериях, венах, лимф. сосудах.

Можно выделить пять наиболее значимых механизмов некроза: 1) связывание клеточных белков с убиквитином, 2) дефицит АТФ, 3) генерация активных форм кислорода, 4) нарушение кальциевого гомеостаза и 5) потеря клеточными мембранами селективной проницаемости.

Главные отличия апоптоза от некроза: 1. Требуется большое количество АТФ; 2. Не повреждаются клетки вокруг из-за того, что целостность мембраны не нарушается; 3. Происходит уменьшение объема клетки.

При недостатке пищевых веществ страдают синтетические процессы в клетке, с одновременной активацией процессов деградации эндогенных белков, липидов и углеводов.

При избытке пищевых веществ возникают нарушения обмена в клетке и целостном организме, что нередко ведет к таким сложным процессам, как диабет, атеросклероз, гипертензия, инфаркт миокарда, отложение солей и т.д.

При недостатке кислорода на первый план выступают нарушения биоэнергетики клетки со всеми вытекающими отсюда последствиями

Нарушением функции клеточных мембран, внутриклеточных орга- нелл и других энергозависимых процессов в клетке - синтеза, сокращения, расслабления, обмена электролитов и воды, размножения.

При избытке кислорода резко активируются в клетке процессы перекисного окисления липидов, что сопровождается расстройствами функции мембран и входящих в ее состав ферментов.

При недостатке воды в клетке (дегидратации) нарушается интенсивность биохимических процессов в клетке. При избытке воды (гипергидратации) возможно набухание внутриклеточных органелл, следствием которого могут быть расстройства энергообразования, синтетических процессов, а в результате выхода из лизосом ферментов и их активации - лизис клетки.

Причиной гибели может быть и ослабление, и нарушение генетически запрограммированных процессов в клетке, определяющих длительность жизни клеток в физиологических условиях. Например, эритроциты функционируют до 120 дней, нейтрофильные лейкоциты

5-9 дней, лимфоциты - от нескольких дней до многих лет (особенно те, которые обладают иммунологической памятью).

В этом случае в результате ослабления активности ферментов, синтеза белка, изменения свойств мембраны клетки разрушаются через более короткий промежуток времени.

В условиях патологии при действии мутагенов может изменяться генетическая программа клетки на уровне генов или хромосом. В зависимости от изменений в ауто- или половых хромосомах возникают расстройства различного уровня. Нарушения генетической информации и повреждение клетки может также быть результатом расстройства мейоза.

Как уже говорилось, повреждение клетки при действии вышеуказанных этиологических факторов может быть следствием механического нарушения ее структуры, однако нередко включаются и другие механизмы, которые, так или иначе, ведут к нарушению структуры и функции клетки. Такими общими механизмами повреждения являются:

1. Нарушения энергетического обмена.

2. Нарушения целостности мембран клетки, ее ферментов и рецепторов.

3. Нарушения водно-электролитного баланса.

4. Нарушения генома клетки.