Молекулярная структура клетки болезни, возникающие при нарушении их функционирование
 Скачать 72.57 Kb.
|
|
Южно-Казахстанская Медицинская Академия  Кафедра ’’Биология и биохимия’’ Презентатция Тема: Молекулярная структура клетки болезни, возникающие при нарушении их функционирование. Выполнил: Саримсаков Шохрух Группа:ФШОА 04-20 Приняла:Жазыкбаева Гульмира Турсынбековна Клетка в современном представлении является целостной биологической системой, со всеми проявлениями жизни сложного организма. При функционировании клетки происходит реализация определенных генетических программ, активность которых зависит от влияния факторов внешней среды и внутренних процессов клетки. Все клетки состоят из одних и тех же структурных компонентов и в них протекают одинаковые основные метаболические процессы, но каждый тип клеток экспрессирует и использует ограниченный, специфичный для данного типа клеток набор белков. Каждая клетка отличается набором белков, уникальной внутренней молекулярной организацией и способами регуляции их активности. Все типы клеток возникают из стволовых клеток, за счёт запуска дифференционно-специфичных программ экспрессии генов. Стволовые клетки митотически активны и дают начало многим отдельным линиям клеток, поэтому они называются плюрипотентными. Любая клетка поддерживает свой оптимальный метаболический уровень, соответствующий условиям среды, такое стабильно-динамическое состояние называется гомеостаз, параметры которого не должны выходить за пределы максимально допустимых значений, а метаболическая активность и функциональные возможности клетки могут значительно повышаться, что приводит к адаптации клетки к условиям среды. При включении защитных механизмов адаптации и развитии приспособительно-компенсаторных реакций, клетка способна определенное время выполнять свои функции в полном объеме, но в уже изменившихся условиях. Слева в овале - границы нормы (Рисунок 1). Существенное свойство типовых патологических процессов - их обратимость. Если степень повреждения выходит за пределы адаптивных возможностей, процесс становится необратимым (примеры - некроз, апоптоз, дисплазия, опухолевый рост). Жизнь клетки в условиях гомеостаза - 9 постоянное взаимодействие с различными сигналами и факторами. Повреждения клеток при действии различных факторов могут быть обратимым или необратимым (Рисунок 2). Рисунок 1- Гомеостаз, адаптация и типовые формы патологии клеток (Красников Е.В., 2008 г) Рисунок 2 - Признаки обратимого и необратимого повреждения (Красников Е.В., 2008 г) Существуют различные классификации факторов: - в зависимости от природы: физические, химические и биологические. - в зависимости от происхождения повреждающие факторы подразделяют на экзогенные и эндогенные. 10 К экзогенным факторам относят: - физические воздействия (механические, термические, лучевые, электрический ток); - химические агенты органической и неорганической природы (кислоты, щёлочи, этанол, сильные окислители и др.); - биологические факторы (вирусы, риккетсии, бактерии, эндо- и экзотоксины микроорганизмов, продукты метаболизма простейших и гельминтов). К эндогенным факторам относят: - избыток свободных радикалов, колебания осмотического давления, накопление или дефицит ионов H+, K+, Ca2 +, кислорода, углекислого газа, перекисных соединений, метаболитов и др.); При действии на клетку негативных факторов происходит изменение ее стабильно-динамического состояния или гомеостаза, что проявляется различными структурными и функциональными нарушениями (Рисунок 3). Рисунок 3 - Ответ клетки на повреждение (Сулаева О.Н. 2014г.) В связи с этим можно наблюдать следующие ситуации: 1. Механизмы адаптации клетки способны нейтрализовать негативные воздействие патогенного факторов, при этом параметры гомеостаза не выходят за предельно допустимые значения и повреждение клетки не происходит. 2. Механизмы адаптации не позволяют устранить действие патогенного фактора, что приводит к формированию различных патологических процессов клетки. 11 Процесс, который предшествует гибели клетки, и представляющий собой начальные, обратимые стадии повреждений, называется паранекроз (от грeч. para – пара, при + nekros – мертвый). 3. При истощении защитно-приспособительных механизмов клетки, возникают вторичные нарушения («эндогенезация патологического процесса», – некробиоз (от греч. nekros – мертвый, bios – жизнь). Это глубокая стадия повреждений клетки, которая предшествует ее смерти. Необходимо отметить, что нарушения в клетках зависят от жизненного цикла клетки, на период которого приходится воздействие повреждающих факторов, поэтому выделяют митотические и интерфазные повреждения, которые имеют различные последствия для клетки. В зависимости от характера нарушений, вызванных определенным патогенным фактором различают две категории повреждений: 1. Специфические повреждения – это нарушения структурномолекулярных компонентов клетки или механизмов информационного обеспечения, вызванные негативными факторами. Для механического фактора специфическим повреждением является нарушение целостности структурных компонентов клеток, а для всех видов ионизирующего излучения, ультрафиолетового излучения характерно разрушение молекул с образованием свободных радикалов, приводящих к нарушению внутриклеточных структур и биохимических процессов. Действие химических факторов проявляется высокой специфичностью, например, цианиды подавляют активность цитохромоксидазы, что приводит к развитию тканевой гипоксии. Атропин блокирует холинрецепторы различных клеток, а снижение пируватоксидазной активности лежит в основе специфичного повреждения клеток при отравлении веществами, содержащими мышьяк. При действии биологических факторов, например, токсинов патогенной флоры, происходит угнетение метаболических процессов, например: - столбнячный токсин блокирует выделение тормозного медиатора из окончаний нейронов в синаптическую щель, что приводит к снижению чувствительности нервных волокон. - дифтерийный токсин инактивирует фермент транслоказу, после чего ингибируется синтез белка в клетках. - холерный экзотоксин способен активировать образование циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) в эпителии тонкого кишечника, после чего энтероциты начинают выделять в просвет кишечника электролиты и воду и формируется диарея. - вирусы, простейшие паразитируют в клетках, снижая их функциональные возможности и продолжительность жизни. Наиболее известным вирусным заболеванием человека является простуда, которая может иметь и бактериальную этиологию), грипп, ветряная оспа и простой герпес. Такие серьёзные и опасные болезни, например, геморрагическая лихорадка Эбола, СПИД, птичий грипп вызываются вирусами. Способность вируса к развитию заболевания определяется вирулентностью. 12 Для вирусов характерны различные механизмы, вызывающие заболевания у хозяина, которые сильно зависят от их видовой принадлежности. Такой механизм на клеточном уровне вызывает, прежде всего, лизис клеток, приводящий к их гибели (Рисунки 4, 5). Рисунок 4 - Реакция клетки на повреждение (Сулаева О.Н. 2014г.) Рисунок 5 - Виды гибели клеток (Сулаева О.Н. 2014г.) У многоклеточных организмов, при гибели большого числа клеток, начинает страдать организм в целом. Вирусы приводят к нарушению нормального гомеостаза, к развитию заболевания, но они также могут существовать внутри организма и относительно безвредно, например, способность вируса простого герпеса находиться в состоянии покоя внутри 13 клеток тела человека. Такое состояние называется латентностью, которое характерно для вирусов герпеса, ветрянки и опоясывающего лишая. Многие вирусы способны вызывать хронические инфекции, при которых вирус продолжает размножаться в клетках тела организма, несмотря на наличие защитных механизмов, например, при инфекциях, вызванных вирусами гепатита B и C. Хронических больных людей называют носителями, так как они служат резервуаром для вирусов. 2. Неспецифические повреждения – это изменения в клетках, возникающие при взaимодействии с множеством этиологических факторов, которые нарушают проницаемость клеточных мембран и приводят к: активации свободно-радикальных и перекисных реакций; внутриклеточному ацидозу; денатурации молекул белков; дисбалансу ионов и воды; изменению интенсивности окислительного фосфорилирования. Изучение специфических и неспецифических повреждений позволит получить необходимую информацию о характере и интенсивности действия фактора, о распространенности патологического процесса, что позволит обеспечить проведение патогенетической профилактики и терапии. Нами была установлена роль гомеостаза в развитии патологии клетки, который изменяется при воздействии патогенного агента на клетку, но нарушения в клетках проявляются и при нарушении информационных механизмов, включающих адаптационную программу. Патологические процессы в клетке начинаются с нарушений, которые возникают при непосредственном воздействии на нее патогенного фактора. Взаимодействие повреждающего фактора с различными структурными компонентами клетки, ведет к нарушению гомеостаза, то есть его метаболической составляющей и, следовательно, к развитию патологии. В современных условиях актуальным является изучение влияния негативных факторов среды и развитие патологии на молекулярно-клеточном уровне в экологически неблагоприятных регионах, что и определило цель нашего исследования воздействия на организм человека тяжелых металлов, прежде всего свинца, пестицидов, пыле-солевых аэрозолей в зонах экологического неблагополучия Приаралья. Свинец попадает в окружающую среду с отработавшими газами автотранспорта, использующего в качестве топлива этилированный бензин, с выбросами предприятий перерабатывающей промышленности, с дренажными водами и с пыле-солевыми выбросами высохшего дна Аральского моря. Ухудшение окружающей среды отразилось на состоянии здоровья населения. Многочисленными исследованиями, проведенными учеными Казахстана показано, что состояние здоровья населения Приаралья в последние десятилетия продолжает ухудшаться. Специфические, неспецифические и конституциональные факторы оказывают влияние на формирование экологически зависимой патологии 14 репродуктивной системы. Эти изменения проявляются в виде клинических, иммунологических и биохимических нарушений, которые имеют сходные результаты при воздействии различных факторов внешней среды. На наш взгляд, установленные по результатом исследования патологические изменения у женщин репродуктивного возраста сопровождаются нарушениями окислительного метаболизма и развитием окислительного стресса, а также увеличением содержания внеклеточных ДНК и РНК, гистоноподобных белков в клетках. Выявленный воспалительный процесс, бактериальный вагиноз и диспластические изменения (онкоцитология) в эпителиальных клетках влагалища, выражающиеся в изменениях соотношения ядра и цитоплазмы, ядерных очертаний, изменения в распределении хроматина, на наш взгляд, приводят к деструкции генетического аппарата клеток (Рисунки 6, 7). Рисунок 6 - Клеточные элементы воспаления в мазке женщины проживающей в регионах Приаралья. Ув.100х. Окраска по Романовскому-Гимзе. Рисунок 7 - Бактериальный вагиноз в мазке женщины проживающей в регинах Приаралья. Ув.100х. Окраска по Романовскому-Гимзе. 15 При оценке опасности действия факторов окружающей среды на репродуктивное здоровье применяют понятие репродуктивной токсичности, под которой понимают развитие неблагоприятных эффектов, сопровождающих процессы оплодотворения. Проблема мужского и женского бесплодия в последнее время приобретает особую медицинскую и социальную значимость в связи с увеличением заболеваемости половых органов, ростом аномалий развития, обусловленных загрязнением окружающей среды, широким и бесконтрольным применением лекарственных средств. Существенное значение может иметь рост социальнопсихологической напряженности среди широких масс населения, находящихся как в зонах экологических катастроф, так и далеко за их пределами. Для сохранения репродуктивной функции необходимо научиться определять степень репродуктивной опасности предприятия или экологически неблагополучной территории в целом, улучшить эффективность оздоровительных программ и медицинской поддержки отдельных групп населения с повышенным уровнем риска, совершенствовать законодательство по охране труда и охране окружающей среды. Для оценки состояния окислительного метаболизма в половых клетках нами использовались молекулярно-клеточные и биохимические методы исследования, проводилось определение первичных, вторичных и конечных продуктов перекисного окисления липидов и ферментов антиоксидантной защиты. По данным результатов исследования, изучены эффекты окислительного стресса на морфологические параметры спермы, отмечено увеличение концентрации свободных радикалов, катаболитов перекисное окисление липидов (ПОЛ) и угнетение антиоксидантной активности клеток, приводящей к торможению экспрессии белков в семени плазмы и сперматозоидов, установлено содержания белков в семенной плазме для оценки состояния окислительного стресса. Патология сперматогенеза. Достаточно часто причиной репродуктивной несостоятельности мужчины являются нарушения сперматогенеза различных видов. В том числе сочетанные нарушения, такие, как олигоастенозооспермия и олигоастенотератозооспермия. Олигоастенозооспермия представляет собой сочетанную патологию, характеризующаяся снижением в спермограмме показателей концентрации, морфологии и подвижности ниже границ, определенных всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ). Все случаи с нарушения морфологии и концентрации, как и выраженные тератозоосперми и олигозоосперми относятся к выраженной патоспермии. Олигоастенотератозооспермия относится к сочетанной патологии, включающей в себя олигозооспермию (уменьшение концентрации сперматозоидов), таратохоспермию (морфологически нормальных сперматозоидов в эякуляте менее 50%) и астенозооспермию (снижение концентрации активных сперматозоидов, движущих по прямолинейным траекториям и снижение скорости перемещения сперматозоидов в эякуляте. 16 По данным Култанова Б.Ж., изучено влияние неблагоприятных факторов Центрального Казахстана на процессы сперматогенеза. По данным натурного и экспериментального исследования обнаружена взаимосвязь между нарушением биохимического статуса, физиологическими характеристиками и интегральными критериями патологии сперматогенеза у лиц, проживающих на территории космодрома «Байконур» и регионах падения ступенчатого ракетоносителя «Протон» Карагандинской области. Анализ клинико-лабораторного исследования показал, что у мужчин, проживающих в экологически неблагоприятных условиях регионов Приаралья (Кызылординской области) наблюдаются стойкие нарушения сперматогенеза. Это документируется данными исследования интегральных, морфофизиологических характеристик эякулята, особо следует отметить, что наиболее выраженные нарушения со стороны морфофизиологических характеристик сперматозоидов выявлены у лиц молодого возраста. Картина данных нарушений проявлялась в виде повышения числа неподвижных сперматозоидов, появления атипичных форм с деформацией головки и удвоением аксонемы. Увеличение числа неподвижных и атипичных сперматозоидов при воздействии пыле-солевых аэрозолей и экотоксикантов (гидразин, тяжелых металлов и повышенного радиационного фона может индуцировать нарушения на клеточном и субклеточном уровнях, приводящих к нарушению межклеточной сигнализации и мембранного транспорта, которые в свою очередь являются пусковым механизмом развития патофизиологических процессов в организме, о чем свидетельствуют полученные нами результаты исследования эндокринного и иммунного статусов у лиц проживающих в экологически неблагоприятных районах (Рисунки 8, 9, 10). Рисунок 8 - Сперматозоид с головкой грушевидной формы. Агглютинация сперматозоидов. Ув.100х. 17 Рисунок 9 – Деформация головки сперматозоидов (сращение и булавковидная головка сперматозоидов.Ув.100х. Рисунок 10 – Деформация аксонемы сперматозоидов (изогнутая и удвоенная аксонема). Ув.100х. Для дополнительной оценки функционального состояния организма целесообразно применять различные методы исследования. Ротовая жидкость отражает состояние динамического постоянства внутренней среды организма или гомеостаза. Известно, что ротовая жидкость может значительно меняться по составу, физико-химическим и биологическим свойствам при действии различных факторов, то есть является индикатором реактивности организма. Авторы метода выделили особенности организации и структуризации биологических жидкостей у практически здоровых людей, которые характеризовались наличием центральной, периферической и переходной зон. При дегидратации сыворотки крови образуется сфероидная фация, основными структурными элементами которой являются трещины (радиальные и поперечные), сектора, отдельности и конкреции. 18 При патологических состояниях наблюдается нарушение симметричности рисунка фации, а также образование дополнительных структур – бляшек, морщин, листовидных образований, различных анизотропных морфотипов и т.д. В настоящее время исследователями изучается свободный и инициированный кристаллогенез таких биологических жидкостей, как сыворотка крови, слюна, моча, слезная жидкость, желчь, желудочный сок, спинномозговая жидкость. Важным аргументом для использования жидкости в диагностике функционального состояния организма является простота выполнения и неинвазивность проводимой процедуры получения данной биологической жидкости. Актуальность расширения диагностических методов в медицине за счет внедрения неинвазивных методов исследования (прежде всего исключающих забор крови) относится к приоритетным направлениям современных наук о человеке. Установлено, что функциональный статус организма является существенным фактором, модулирующим результат свободного и инициированного кристаллогенеза ротовой жидкости человека. По результатам собственного исследования были выявлены особенности кристаллогенеза ротовой жидкости, изучены показатели окислительновосстановительного гомеостаза у лиц с аскаридозом до и после лечения, дана оценка репродуктивной функции женщин с аскаридозной инвазией. У лиц с аскаридозом имеются выраженные изменения кристаллизации ротовой жидкости по сравнению с практически здоровыми лицами. Характерными особенностями кристаллограмм слюны у лиц с аскаридозом являются: отсутствие выраженной переходной зоны у большинства образцов; копьевидная форма кончиков боковых осей кристаллов; наличие нетипичных дендритов в центральной зоне кристаллограммы (папоротникообразных, крестообразных, коралловидных кристаллов); в целом менее разветвленные и более тонкие кристаллы центральной зоны, чем в группе сравнения. Выявленные особенности кристаллограмм ротовой жидкости у лиц с аскаридозной инвазией могут быть использованы для мониторинга эффективности проводимого противоглистного лечения (Рисунки 11, 12, 13, 14, 15). 19 Рисунок 11 – Кристаллограмма слюны практически здоровых лиц: 1 – краевая зона кристаллограммы; 2 – переходная зона; 3 – центральная зона кристаллограммы. Рисунок 12 – Плотное и разреженное расположение дендритов в центральной части капли слюны у практически здоровых лиц 20 а б Рисунок 13 – Нетипичные формы кристаллов в центральной зоне кристаллограмм у больных аскаридозной инвазией: а – крупные крестовидные кристаллы (4 × 10); б – кристаллы с утолщенными боковыми осями – папоротникообразные кристаллы (4 × 10) Рисунок 14 – Коралловидные кристаллы в центральной зоне. Кристаллограмм у больных аскаридозной инвазией 21 Рисунок 15 – Копьевидная форма окончаний боковых ветвей кристаллов слюны у больных с аскаридозной инвазией 1.3 Патологии клеточных биомембран Действие выше перечисленных негативных факторов могут вызывать повреждения биомембран клетки и внутриклеточных органелл: ядра, митохондрий, лизосом и др. Известно, что плазматическая мембрана является барьером, определяющим границы клетки и осуществляющей следующие функции: контролирует состав внутриклеточной среды; обеспечивает межклеточную и внутриклеточную информацию; участвует в образовании межклеточных контактов. Современная жидкостно-мозаичная модель мембраны представляет двойной слой липидов, причем, каждая молекула мембранного липида имеет гидрофильную головку и два гидрофобных хвоста. Бислой образуются в водной среде, в котором гидрофобные части обращены друг к другу, а гидрофильные – наружу. Мембранные липида классифицируются на: фосфолипиды, сфинголипиды, гликолипиды, а также холестерин (Рисунок 16). Мембранные белки делятся в зависимости от расположения в мембране на: глубоко встроены в липидный слой - интегральные белки (например, мембранные рецепторы, белки адгезии); пронизывают всю толщу мембраны и выступают на наружной и внутренней ее поверхности - трансмембранные белки, (например, рецепторы, ионные каналы, переносчики); связанны лишь с одной из поверхностей мембраны - периферические белки, (например, белки цитоскелета, ферменты рецепторы). 22 Рисунок 16 - Жидкостно- мозаичная модель мембраны клетки (Красников Е.В., 2008 г) В клеточной мембране функции белков зависят от липидного компонента. Свойства бислоя липидов: латеральная диффузия, вращение, изгибание, «флип-флоп». Они определяют текучесть плазмолеммы, они в свою очередь способствуют перемещение молекул белков (белков-ферментов) и жиров. В связи с тем, что фосфолипиды сочетают в своём составе гидрофильные головки и гидрофобные хвосты, их взаимодействие с водой определяется как амфифильное. При высоких концентрациях фосфолипиды образуют мицеллы. Гидрофильные головки формируют поверхность этих сфер, а гидрофобные хвосты направлены к их центру. При таком расположении хвосты защищены от контакта с водой и вместо этого способны на энергоёмкие взаимоотношения между собой. При ещё более высоких концентрациях фосфолипиды спонтанно образуют бислой. Холестерин в наибольшей степени влияет на свойства мембран, он имеет жёсткую стерольную структуру, связывающую и иммобилизующую цепи жирных кислот. В небольших количествах холестерин снижает текучесть мембран, а при высоких концентрациях значительно снижает способность фосфолипидов к взаимодействию между собой, увеличивает текучесть и понижает температуру фазового перехода. Понятно, что эти обстоятельства весьма существенны, так как плазматические мембраны животных клеток могут содержать значительное количество холестерина, «флип-флоп» перескоки происходят очень редко (Рисунок 17). 23 Более текучий Менее текучий Латеральная диффузия . Ненасыщенные Насыщенные Изгибание углеводородные прямые углеводородные Вращение цепи цепи Рисунок 17 - Свойства липидов мембраны (подвижность, текучесть) (Красников Е.В., 2008 г.) Как известно на клеточных мембранах встречается углеводы. Углеводы входят в состав гликолипидов и гликопротеидов. Углеводы на поверхности мембраны образуют гликокаликс, которые состоящих из олигосахаридных цепей, они выполняют различные функции: адгезии, фагоцитоз, защищает белков от различных повреждений. С нарушением функции клетки развивается различные патологические процессы, которые разделяется на врожденные и приобретенные. С нарушением липидного состава клетки, именно из класса сфинголипидов – цереброзидов, так как они в большом содержании встречаются в нервных системах и покровных (эпителиальных) клетках. Например к патологическим процессам клетки можно отнести такие заболевания как Ниманна-Пика), данный патологический процесс развивается при нехватке фермента сфингомиелиназы, обеспечивающего обмен липидов. К приобретенным нарушениям биологической мембраны относятся: - активация свободнорадикального окисления; - активации мембранносвязанных фосфолипаз; - механо-осмотическое растяжение и разрывы мембран; - адсорбции на мембране различных полиэлектролитов. Характерными ультраструктурными нарушениями проницаемости плазматической мембраны являются: усиленное везикулообразование, увеличение поверхности плазмолеммы за счет мембран микропиноцитозных везикул, образование цитоплазматических отростков и инвагинаций плазмолеммы, микроклазматоз и клазматоз, утолщение плазмолеммы, образование «крупных» микропор, «брешей» в плазмолемме, «штопка» локально разрушенной плазмолеммы. Усиленное везикулообразование приводит к повышению проницаемости цитолеммы и к дефициту ее поверхности («минус-мембрана»). |