Ведение в клиническую физиологию. Клиническая физиология клетки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ведение в клиническую физиологию. Клиническая физиология клетки

План лекции

1. Предмет цель и задачи дисциплины

2. История возникновения

3. Повреждения клеток и клеточные ответные реакции

4. Общие изменения в клетке при повреждении

5. Защитные и адаптивные процессы клеток при повреждающих воздействиях

6. Физиологическая терапия при повреждении клеток

1. Предмет цель и задачи дисциплины

Клиническая физиология - раздел прикладной медицины, с помощью которого физиологические методы исследования и лечения применяются непосредственно больному. Это важнейший раздел современной клинической практики, начинающийся и заканчивающийся функциональным исследованием, и обязательно включающим физиологическую терапию, восстанавливающую ауторегуляцию функций организма.

Задачи:

1. Определение функциональной способности различных систем человеческого организма с точной локализацией дефекта функции и его количественной оценкой.

2. Выявление главного физиологического механизма патологии с учетом всех заинтересованных систем, а также путей и степени компенсации именно у конкретного больного при всем многообразии его индивидуальных особенностей и сопутствующих заболеваний.

3. Рекомендация мер физиологической терапии, т. е. таких методов, при которых нарушенные функции будут корригироваться или искусственно замещаться, чтобы не истощать уже поврежденные механизмы, а управлять ими, пока не восстановится естественная ауторегуляция.

4. Функциональный контроль эффективности терапии.

Может возникнуть вопрос: разве восстановление естественной ауторегуляции организма не есть конечная цель любого раздела клинической медицины? Разумеется, конечные цели клинической медицины и клинической физиологии одинаковы, но пути, по которым они могут их достичь, различны, а в ряде случаев даже противоположны.

Клиническая медицина использует любые средства этиологической, патогенетической и симптоматической терапии для достижения конечной цели - выздоровления. Она может одинаково адресовать свои усилия разным системам и органам по принципу срочного указания «всем, веем, всем», и исчезновение симптомов болезни, восстановление трудоспособности - главный критерий ее успеха.

Клиническая физиология использует этиологические факторы и симптоматическое лечение лишь в той мере, в какой они помогают определению главного физиологического механизма патологии и лечебному воздействию на этот точно локализованный механизм. Клиническая физиология и есть тот переходный этап в медицине, который предоставляет врачу возможность физиологического анализа в повседневной клинической практике уже сегодня.

Многие полагают, что физиологический анализ в клинике следует называть клинической патофизиологией, а не физиологией. Такое мнение достаточно логично, однако мы все же используем термин «клиническая физиология», а не «патофизиология» по двум соображениям. Во-первых, современная клиническая практика имеет три комплекса - профилактику, лечение и реабилитацию. В первом из них основного патологического процесса еще нет, а в последнем уже нет. Таким образом, патофизиологией следовало бы называть физиологический анализ, относящийся лишь к одному из трех главных компонентов клинической практики. Во-вторых, традиционно под патофизиологией привыкли подразумевать изучение экспериментальных моделей животного. Хотя определение «клиническая» подчеркивает приложение физиологического анализа к больному человеку, все же мы предпочитаем термин «клиническая физиология», не считая вместе с тем термин «клиническая патофизиология» совершенно неприемлемым.

Таким образом, мы условно различаем три смежные сферы физиологии и медицины, не имеющие четких границ, а порой, наоборот, причудливо переплетенные: 1) теоретическую (нормальную и патологическую) физиологию моделей - одну из основ получения медицинских знаний и образования врача; 2) клиническую практику, имеющую много основ, в том числе теоретическую физиологию; 3) клиническую физиологию - приложение принципов и методов физиологического анализа непосредственно к больному.

2. История возникновения

Еще раньше в медицинской науке многих стран сформировалась тесная связь клиники с физиологией. И в нашей стране клиницисты и физиологи всегда стремились к взаимодействию. Так, еще в позапрошлом веке начало физиологическому направлению в клинике положил С.П. Боткин, организовав в руководимой им клинике внутренних болезней физиологическую лабораторию, которую возглавил молодой физиолог И.П. Павлов. В свою очередь, клинико-физиологические взгляды И.П. Павлова в дальнейшем составили фундамент клинического направления в физиологии, что нашло свое воплощение в создании клинического отделения в руководимом им Институте экспериментальной медицины, а также в знаменитых Павловских «Клинических средах». Однако каждое из этих направлений имело свои собственные цели, которые не всегда совпадали и не всегда приносили пользу больному человеку. И именно в процессе поиска общих точек соприкосновения интересов физиологов и клиницистов возникло новое направление медицинской науки - клиническая физиология. Ее появление торжественно провозгласил на сессии АМН СССР в 1954 году акад. А.А. Богомолец, определив предмет исследования этой отрасли науки - «клиническая физиология - есть физиология больного человека», а также основную цель - «клиническая физиология призвана осуществлять в области научной медицины ту связь теории и практики, без которой нет передовой науки».

В настоящее время наиболее общепринятая точка зрения состоит в том, что клиническая физиология должна заниматься, прежде всего, больным человеком, осуществляя его комплексное функциональное обследование с целью выявления функциональных расстройств органов и систем человеческого организма и определения их выраженности. При этом к числу клинико-физиологических задач относится определение характера функционирования здоровых органов и систем этого же больного, их роль в обеспечении компенсаторных реакций и резервных возможностей всего организма больного в целом.

Для диагностики функциональных расстройств у человека применяются методы, исходно разработанные для физиологических исследований (спирография, электрокардиография, манометрия и др.). Первоначально в рамках клинического направления в физиологии их внедряли в лечебную практику клиницисты.

В связи с усложнением инструментальных методов исследования, появлением аппаратуры, с которой клиницисты уже не в состоянии были справиться, возникла необходимость подготовки самостоятельных специалистов, владеющих одновременно многими видами исследований и способных осуществлять комплексное функциональное обследование больных. Так появилась новая отрасль клинической медицины - функциональная диагностика. Фундаментальной основой для развития функциональной диагностики послужила клиническая физиология.

3. Повреждения клеток и клеточные ответные реакции

В наиболее общем смысле, повреждение организма на любом уровне (молекулярном, клеточном, органном) представляет собой такое изменение его структуры и функции, вызванное различными причинами, которое не способствует, а мешает жизни и существованию организма в окружающей среде. Серьезное повреждение клетки может сопровождаться процессами, приводящими к ее гибели. Следует различать прямое действие неблагоприятного фактора на данную клетку и косвенное его влияние, опосредованное воздействием на другие клетки, органы, ткани и организм в целом.

Причиной повреждения клетки может стать фактор как экзо-, так и эндогенной природы. К прямому действию относится повреждающее влияние ядов, направленное непосредственно на клетку, например цианистого калия, который угнетает клеточное дыхание, ингибируя фермент цитохромоксидазу. Прямое нарушение жизнедеятельности клетки и ее повреждение могут быть вызваны отсутствием кислорода, чрезмерно низким значением рН, низким осмотическим давлением в окружающей среде, недостатком ионов кальция, действием ультрафиолетовой или ионизирующей радиации и др.

В условиях целостного организма первичное действие повреждающего фактора на клетки-мишени (т.е. клетки, повреждаемые непосредственно) сопровождается изменениями и в других клетках. Эти изменения опосредованы нарушением функционирования клеток-мишеней и поэтому могут быть названы вторичными. Следовательно, обнаружив изменения в функционировании клеток того или иного органа при неблагоприятном воздействии, нельзя еще говорить о том, что данное воздействие само по себе вызвало наблюдаемые изменения в клетках. Повреждение клетки выражается в определенном нарушении ее структуры и функций. При этом различные повреждающие факторы вызывают неодинаковые специфические первичные нарушения в клеточных структурах. При механическом повреждении происходит в первую очередь повреждение клеточных мембран и межклеточных контактов. Термическое повреждение может быть связано с активацией ферментов и индукцией синтеза определенных белков, а также нарушением внутриклеточной регуляции. При действии ионизирующей и ультрафиолетовой радиации первичным является разрушение молекул, поглотивших энергию, с образованием свободных радикалов, что приводит к поражению внутриклеточных структур. При химическом повреждении может происходить ингибирование отдельных ферментов, например подавление активности цитохромоксидазы цианидами. В то же время яды змей, скорпионов, пчел и других жалящих животных содержат ферменты (главным образом различные фосфолипазы), которые гидролизуют фосфолипиды и повреждают мембраны, вызывая гемолиз эритроцитов, поражение нервных клеток и т.д.

Таблица 1. Повреждающие факторы (т.е. воздействия, непосредственно повреждающие клеточные структуры) (по Ю.А. Владимирову)

Повреждающий фактор	Примеры повреждающего действия и повреждаемые структуры
Механическое воздействие	Слущивание клеток эпителия в кишечнике. Нарушение межклеточных контактов.
Высокая температура	Денатурация белков, плавление ДНК, пероксидация липидов.
Охлаждение	Повышение вязкости липидного слоя мембран и нарушение их работы.
Действие ядов и токсинов	Инактивация определенных ферментов и рецепторов.
Ультрафиолетовая радиация	Фотохимическое повреждение нуклеиновых кислот, белков и липидов мембран. Эритема, летальное и мутагенное действие УФ на микроорганизмы.
Видимый свет	Фотосенсибилизированное окисление клеточных структур, например, при гематопорфирии.
Ионизирующая радиация	Повреждение клеточных структур свободными радикалами.
Недостаток кислорода (гипоксия)	Повреждение клеточных структур вследствие недостатка АТФ.
Избыток кислорода или чрезмерное образование кислородных радикалов (оксидативный стресс)	Повреждение клеточных структур свободными радикалами.
Пищевая недостаточность антиоксидантов	Повреждение клеточных структур свободными радикалами.
Изменение ионного состава в окружающей среде	Нарушение возбудимости, спонтанная возбудимость, осмотический дисбаланс, набухание клеток и отек ткани.

Первичное, специфическое воздействие повреждающего фактора направлено на конкретные молекулярные структуры клетки. Химический состав клеточных структур определяется в основном нуклеиновыми кислотами, белками, липидами и полисахаридами; все эти соединения могут быть мишенью для повреждающего действия факторов окружающей клетку среды. Повреждения бывают обратимые и необратимые. Например, обратимым повреждением лизосом в клетках эпителия кишечника является их разрушение под влиянием эндотоксинов микробов кишечной группы. После прекращения интоксикации лизосомы в цитоплазме поврежденной клетки восстанавливаются. Необратимые повреждения клеток может вызвать, к примеру, любая вирусная инфекция.

Повреждение клетки может быть острым и хроническим. Функциональные проявления острого повреждения клетки делятся на преддепрессионную гиперактивность, парциальный некроз (от греч. necrosis - мертвый) и тотальное повреждение. Эти проявления составляют сущность острого повреждения клетки в зависимости от ее строения, исходного функционального состояния, вида этиологического фактора и механизма его действия.

1) Преддепрессионная гиперактивность возникает вследствие обратимого повреждения клетки умеренными действиями патогенных факторов. В результате этого в мембране клетки происходит неспецифическое возбуждение аденилатциклазной системы и активация образования вторичных мессенджеров (посредников) и усиление деятельности органелл, в первую очередь митохондрий. Это приводит к усилению окисления субстратов и синтеза АТФ. Одновременно с этим мобилизуются все энергозависимые процессы, направленные на повышение резистентности клетки к патологическому фактору.

2) В случае парциального некроза поврежденная часть клетки отделяется от функционирующей части вновь образующейся компенсаторной «демаркационной» мембраной и уничтожается фагоцитами. После этого структура и функция клетки восстанавливается за счет гиперплазии субклеточных единиц.

3) Если же повреждающий фактор имеет выраженную интенсивность и время действия, то происходит тотальное повреждение клетки, что приводит к депрессии функции митохондрий, снижению синтеза макроэргов, нарушению энергозависимого клеточного транспорта. Нарастает угроза дисфункции клетки, которая реализуется в случае массивной деструкции лизосом, выхода гидролитических ферментов в цитоплазму и структурной дезорганизации органелл и мембран.

4. Общие изменения в клетке при повреждении

Замечательной особенностью развития патологических изменений в клетках в ответ на самые различные неблагоприятные воздействия является их идентичность, которая позволила Д.Н. Насонову и В.Я. Александрову выдвинуть в 1940 г. теорию о неспецифической реакции клеток на повреждение. Каким бы ни был повреждающий агент и на какие бы клетки он ни действовал, ответ клеток по ряду показателей остается одинаковым. К числу таких показателей относятся:

- уменьшение дисперсности коллоидов цитоплазмы и ядра;

- увеличение вязкости цитоплазмы, которому иногда предшествует некоторое уменьшение вязкости;

- увеличение сродства цитоплазмы и ядра к ряду красителей.

Во многих случаях наблюдаются также увеличение клеточной проницаемости, появление флюоресценции, повышение кислотности цитоплазмы, нарушение многих клеточных функций и т.д. Причины такого стереотипа изменений в морфологии клеток при их повреждении заключаются в том, что сами молекулярно-клеточные механизмы повреждения клеток сходны, даже если причины, вызвавшие повреждение, различны.

В таблице 2 перечислены изменения в свойствах отдельных клеточных структур, которые наблюдаются на ранних стадиях развития неспецифической реакции клеток на повреждение.

клетка защитный адаптивный повреждение Таблица 2. Ранние изменения в функционировании внутриклеточных структур при повреждении клетки (по Ю.А. Владимирову)

Явление	Проявление
Увеличение проницаемости цитоплазматической мембраны	Увеличение электропроводности; Увеличение связывания красителей; Снижение мембранного потенциала; Выход ионов калия из клетки; Выход метаболитов; Увеличение объема (набухание) клеток; Увеличение внутриклеточной концентрации ионов кальция.
Нарушение структуры и функций митохондрий	Снижение потребления кислорода; Увеличение проницаемости внутренней митохондриальной мембраны; Набухание митохондрий; Снижение кальций-аккумулирующей способности.
Повреждение эндоплазматического ретикулума	Снижение белково-синтетических функций клетки; Уменьшение детоксикационной возможности.
Изменение активности ферментов и рецепторов	Активация ферментов лизосом; Активация эндонуклеаз > апоптоз.
Повреждение генетического аппарата клетки	Повреждение рибосом.

Увеличение проницаемости цитоплазматической мембраны

Уменьшение электрического сопротивления ткани

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.

Окраска цитоплазмы различными красителями

Большинство красителей плохо проникает через клеточную мембрану неповрежденных клеток и слабо связывается внутриклеточными структурами. Увеличение проницаемости клеточной и внутриклеточной мембран при повреждении клетки приводит к возрастанию количества красителя, вошедшего в клетку и связавшегося с компонентами цитоплазмы. На этом основаны многие гистохимические методы определения жизнеспособности клеток.

Снижение мембранного потенциала

Для живых, нормально функционирующих клеток характерно неравномерное распределение ионов между клеткой и окружающей средой, обеспечиваемое постоянной работой ионных насосов в мембранах клеток. Так, внутри клеток содержание Ca²⁺ примерно в 10000 раз ниже, чем в окружающей среде; в клетках гораздо больше K⁺ и меньше Na⁺, чем в плазме крови или межклеточной жидкости.

Благодаря различию в концентрации ионов в клетке и окружающей среде на цитоплазматической мембране имеется разность потенциалов со знаком «минус» внутри клетки (около 70 мВ для нервных и мышечных клеток). Уменьшение мембранного потенциала происходит как при неспецифическом увеличении ионной проницаемости мембран, так и при выравнивании концентраций ионов вследствие выключения работы клеточных насосов; последнее происходит как при прямом повреждении Na⁺,K⁺-АТФазы, так и при снижении уровня АТФ вследствие нарушения биоэнергетических процессов в митохондриях. 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.

Выход ионов калия из клеток

При активно работающей Na⁺,K⁺-АТФазе на клеточной мембране поддерживается разность потенциалов, со знаком минус внутри клетки, под действием которой ионы калия входят в клетку. Этот постоянный поток K⁺ 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. Повреждение клетки сопровождается снижением содержания АТФ в клетке, падению потенциала на цитоплазматической мембране и выходу калия из клеток. Освобождение калия из тканей в кровь описано при механической травме, различных интоксикациях, аллергических состояниях, гипоксии и многих других повреждениях органов и тканей. Понижение содержания ионов калия в клетке может происходить также под влиянием больших доз минералокортикоидных гормонов, при действии некоторых лекарственных веществ, например сердечных гликозидов. В свою очередь, увеличение концентрации калия во внеклеточной среде приводит к снижению мембранного потенциала соседних клеток, что в случае электровозбудимых тканей может привести к генерации потенциалов действия. Так увеличение концентрации калия в очаге инфаркта миокарда может стать одной из причин возникновения фибрилляции сердца.

Накопление ионов кальция в гиалоплазме

В нормальных клетках концентрация ионов кальция в клетке отличается исключительно низкими значениями: 10-⁷ или даже 10-⁸ моль/л, тогда как в окружающей клетку среде содержится 10-³ моль/л ионов кальция. При этом следует иметь в виду, что ионы Ca²⁺ проходят в клетку не только самопроизвольно (процесс «утечки» через мембрану), но и через кальциевые каналы в мембране, которые открываются в ответ на изменение мембранного потенциала (потенциал-зависимые кальциевые каналы, например, в нервных клетках) или в ответ на присоединение гормонов и медиаторов к мембранным рецепторам (например, адреналина к адренорецепторам в клетках сердечной мышцы). Компенсирует вход ионов Ca²⁺ в клетку работа трех типов кальциевых насосов: кальциевая помпа (Ca²⁺-АТФаза) в мембранах саркоплазматического ретикулума и клеточной мембране, система аккумуляции Ca²⁺ в митохондриях, в некоторых клетках Na⁺-Ca²⁺-обменник, встроенный в цитоплазматическую мембрану.

При повреждении клетки нарушается работа митохондрий: снижается мембранный потенциал и прекращается окислительное фосфорилирование. При снижении мембранного потенциала в митохондриях уменьшается накопление Ca²⁺. Снижение уровня АТФ в клетке приводит к выключению работы Ca²⁺-АТФазы саркоплазматической. Все это способствует накоплению кальция в цитоплазме ретикулума и клеточной мембране. Увеличение концентрации Na⁺ в клетке, вследствие угнетения Na⁺-насоса при недостатке АТФ приводит к выключению также и системы Na⁺-Ca²⁺ обмена через клеточную мембрану. В результате всего этого 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 митрхондрий, повреждению внутриклеточных мембран и общей дезорганизации метаболизма.

Морфологически это проявляется в замедлении броуновского движения различных включений внутри клетки (увеличение «вязкости протоплазмы») и возрастании светорассеяния; красители начинают легче проникать в клетку и связываются в большом количестве с внутриклеточными структурами - все эти признаки типичны для «неспецифической реакции клетки на повреждение».

Выход 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).

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⁺,K⁺-АТФазы. Вместе с натрием, который выкачивается ионной помпой за счет энергии гидролиза, происходит выход ионов Cl- за счет электрического поля, создаваемого диффузией ионов K⁺ и переносом Na⁺, так как мембрана клеток хорошо проницаема для ионов Cl-. Иначе говоря, натриевый насос (Na⁺,K⁺-АТФаза) удаляет из клетки NaCl, 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 cахаров 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, а также при действии дыхательных ядов (таких как цианид или окись углерода) или разобщителей окислительного фосфорилирования (таких, как 2,4-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.

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 - вследствие активации протеолиза, гликогенолиза и гликолиза в поврежденной клетке (большое значение при этом имеет повреждение лизосом) и накопления в клетке определенных продуктов метаболизма, таких как молочная кислота и другие. Первичный ацидоз в поврежденной ткани возникает при действии различных повреждающих агентов: механического воздействия, действия химических агентов (например, такого, как горчичное масло), бактериального (дизентерийная палочка, гемолитический стафилококк). Ацидоз повреждения возникает в тканях также при гипоксии.

5. Защитные и адаптивные процессы клеток при повреждающих воздействиях

Наряду с ранее описанными механизмами повреждения, в клетке существуют и параллельно протекают защитные и адаптивные процессы, без которых полноценное функционирование клеток просто невозможно. В основе этих процессов лежат такие основополагающие свойства клеток как биосистем:

1) отграниченность от среды за счет биологического барьера - мембраны, позволяющей осуществлять обмен со средой без нарушения целостности системы;

2) открытость системы, заключающаяся в возможности обмена со средой веществом, энергией и информацией, что позволяет поддерживать функциональный гомеостаз;

3) избирательность обмена со средой;

4) способность в процессе обмена создавать функциональные резервы вещества и энергии, необходимой для экстремальных ситуаций;

5) способность изменять свою структуру в зависимости от требований среды. Весь комплекс адаптивных реакций условно можно разделить на две группы: внутриклеточные и межклеточные.

Внутриклеточные механизмы адаптации клеток:

– компенсация нарушений энергетического обеспечения клеток;

– защита мембран и ферментов клеток;

– уменьшение степени или устранение дисбаланса ионов и жидкости в клетках;

– устранение нарушений генетической программы клеток;

– компенсация расстройств механизмов регуляции внутриклеточных процессов;

– снижение функциональной активности клеток;

– резервирование;

– рекомбинация функционирующих структур, реализация взаимодействия между ними, оптимального для осуществления функций;

– регенерация;

– гипертрофия;

– гиперплазия.

В процессе эволюции по мере усложнения своей организации клетки приобрели способность противостоять патогенным воздействиям извне. Решающую роль для такого саморегулирования играет принцип перемещающейся активности функциональных структур. Этот принцип заключается в том, что в нормальных условиях функциональные элементы системы «задействованы» не полностью: из общего числа структур, выполняющих одинаковую функцию активно действуют только часть их, обеспечивающая физическую нагрузку. При увеличении нагрузки повышается число функционирующих структур, при уменьшении снижается. Этот принцип распространяется на все уровни системы: от молекулярного до организменного. Таким образом, на уровне тканей имеются резервные клетки, а на уровне клетки - резервные органеллы и молекулы, которые в нормальных условиях в каждый данный момент могут быть включены в функцию. Так, значительная часть капилляров является неактивной и включается в работу при усилении нагрузок. Не все альвеолы легких функционируют при спокойном дыхании. Из общей массы нейронов коры мозга фоново-активными являются только 5% нейронов, при нормальной активации структур мозга включается в работу около 20% нейронов.

Резервные возможности сохранения функций организма реализуются также за счет функционального дублирования. Дублирование может быть обеспечено и благодаря полифункциональности одной и той же клетки. Например, тучные клетки продуцируют различные биоактивные вещества, а ряд клеток, помимо специфической функции, выполняют общую неспецифическую активную функцию (например, выработку простагландинов). Важным физиологическим механизмом сохранения гомеостаза является механизм саморегуляции, основанный на том, что отклонение резервных возможностей структуры является сигналом к их восстановлению. Например, дефицит макроэргических соединений в мышечной клетке усиливает образование ферментов и митохондрий, что компенсирует энергетический дефицит.

Важным физиологическим механизмом сохранения гомеостаза является механизм динамической компенсации меняющихся резервов систем организма. Надежность компенсаторных реакций обусловлена возможностью рекомбинации участвующих в компенсации структур согласно вероятностно-статистическому принципу. Компенсация может обеспечиваться, как правило, участием или неучастием в данный момент определенных элементов из множества структур. В другой момент времени компенсация реализуется за счет иной конфигурации активных элементов (принцип вероятности), но во всех случаях эффект компенсации должен быть достигнут (статистический принцип). Вероятностно-статистический принцип наиболее ярко проявляется в структурах нервной системы, когда функцию обеспечивают разные группы нейронов одного ядра. В почках этот принцип обеспечивает вовлечение разных нефронов в пределах имеющейся массы функционирующих структур, в сосудистой системе обеспечение кровоснабжения реализуется вероятностным участием капилляров в работе органа и т.д.

Механизм рекомбинации лежит в основе молекулярных преобразований структуры, когда она получает способность не реагировать на патологический агент - токсины, химические вещества и т.д.

Поскольку естественная жизнь клетки конечна, то необходима их замена, т.е. восстановление либо числа клеток, либо их функции. Замена износившихся структур новыми происходит спокойно и ритмично в течении всей жизни человека и носит название физиологической регенерации. При болезнях она может протекать бурно, неравномерно, импульсивно, обеспечивая восстановление того или иного объема погибшей ткани, поэтому она называется репаративной. Различают полную репаративную регенерацию (restitutio ad integrum) и неполную (substitutio). Первая подразумевает восстановление исходной архитектоники тканей после повреждения. Неполная регенерация наблюдается в случае обширных некрозов тканей, сопровождающихся разрушением их соединительнотканного скелета. При этом место повреждения заживает рубцом, а регенерация развертывается в оставшейся части органа. При всем полиморфизме репаративной регенераторной реакции высших животных и человека в основе каждого из ее проявлений всегда лежит один и тот же элементарный процесс - воспроизведение субклеточных структур и их составных частей. Именно это звено регенераторной реакции представляет собой тот универсальный кирпичик, различные комбинации которого составляют структурную основу компенсаторных процессов, по-разному называемых, но имеющих одну сущность и направление - обеспечение постоянства внутренней среды организма и динамического равновесия с внешней средой. По сути своей, регенерация отражает собой главный процесс, лежащий в основе всего разнообразия структурных функциональных изменений клеток - непрерывный распад и синтез веществ. При нарушении равновесия между темпом разрушения структур и их регенерации в пользу первого, развивается дистрофия (т.е. нарушение регенерации на молекулярном и ультраструктурном уровне). Универсальными процессами адаптивного характера являются гипертрофия и гиперплазия клеток и тканей, происходящая по принципу минимизации, т.е. всегда имеет место гиперплазия не «индифферентных», неспецифических структур, а строго ориентированных на нейтрализацию специфического патогенного фактора, который индуцировал гиперплазию в каждом конкретном случае. В качестве примера динамики адаптивно-компенсаторных реакций можно привести воспаление - один из типических патологических процессов. Для клеточных структур преобладающую роль здесь играют компенсаторные реакции ткани, а для ткани - адаптация, протекающая в три этапа:

1) образование барьера, разделяющего пораженный участок ткани от нормального;

2) изменение обмена в очаге поражения, обеспечивающее элиминацию инородных и некротических масс и подготавливающее материальные и энергетические ресурсы для репаративной регенерации;

3) пролиферация клеток, обусловливающая восстановление нарушенных структур и функций. Надо помнить, что слишком сильная компенсаторная реакция, не соответствующая вызвавшей ее причине, сама может явиться причиной патологии, более ярко выраженной, чем повод к ее возникновению. Примером может служить генерализация воспалительного процесса.

Адаптивное взаимодействие физиологических функций реализуется вследствие активирующей и тормозной их нейрогуморальной регуляции. Реципрокность этих видов регуляции позволяет тормозить деятельность активно работающего органа или клетки с целью восстановления их резервов и активировать компенсирующую, ранее менее активно работавшую группу клеток или органов. В целом это создает условия для восстановления резервов и сохранения нормальной деятельности целостного организма.

При действии любого фактора в организме актуализируются две цепи явлений: во-первых, мобилизация функциональной системы, специфически ответственной за адаптацию к данному конкретному фактору, и, во-вторых, совершенно неспецифическая стандартная активация стресс-реализующих систем (например, гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая).

В дальнейшем в клетках функциональной системы, ответственной за адаптацию увеличенная физиологическая функция оказывается сопряженной с активацией генетического аппарата: возникает увеличение синтеза нуклеиновых кислот и белков, образующие ключевые структуры клеток. В итоге избирательного роста этих ключевых структур формируется, так называемый, «системный структурный след», который приводит к увеличению функциональной мощности систем, ответственных за адаптацию, что и делает возможным устойчивую долговременную адаптацию. Например, в результате долговременных низкотемпературных воздействий на организм, в клетках скелетных мышц увеличивается количество митохондрий, отвечающих потребностям биоэнергетики.

В последнее время установлено, что изолированные органы и клеточные элементы (митохондрии), взятые у адаптированных животных (к гипоксии), сами по себе обладают высокой устойчивостью к аноксии, токсическим повреждением, а также к аутолизу при длительном хранении. Это явление обозначено как «феномен адаптационной стабилизации структур» (ФАСС) и установлено, что в молекулярном механизме ФАСС важную роль играет увеличение экспрессии определенных генов и как следствие накопление в клетках специальных так называемых стресс-белков (белков теплового шока) с молекулярной массой 71-72 кДа, которые предотвращают денатурацию белков и защищают клетку от повреждения. Кроме того, эти белки повышают устойчивость клеточного аппарата биосинтеза белка повреждающим фактором. Можно сделать вывод, что эти белки принадлежат к клеточным системам репараций.

Таким образом, защитные и адаптивные процессы обеспечивают полноценное функционирование клеток, обеспечивая их резистентность к повреждающим воздействиям.

6. Физиологическая терапия при повреждении клеток

Для защиты клеток при повреждающих воздействиях в фармацевтическом арсенале имеется большое количество препаратов: олифен, рибоксин, унитиол, цитохром С, милдронат, пирацетам, асписол, солкосерил, актовегин, убихинон, бемитил, триметазидин и др.

В реализации действия данных препаратов имеет значение ряд моментов:

1. Снижение кислородного запроса организма (органа), в основе которого, лежит экономное использование кислорода. Это может быть следствием угнетения нефосфорилирующих видов окисления. Экономизация кислорода может возникнуть и в результате тотального снижения дыхательного контроля во всех клетках.

2. Поддержание гликолиза в условиях его быстрого самоограничения при гипоксии вследствие накопления избытка молочной кислоты, развития ацидоза и исчерпания резерва никотинамиддинуклеотида.

3. Поддержание структуры и функции митохондрий при гипоксии.

4. Защита биологических мембран.

Размещено на Allbest.ru