Повреждение клеток (также известное как повреждение клеток ) — это различные изменения стресса, которым подвергается клетка из-за внешних, а также внутренних изменений окружающей среды. Помимо других причин, это может быть связано с физическими, химическими, инфекционными, биологическими, пищевыми или иммунологическими факторами. Повреждение клеток может быть обратимым и необратимым. В зависимости от степени повреждения клеточный ответ может быть адаптивным и, где это возможно, восстанавливаться гомеостаз . [1] Гибель клеток происходит, когда тяжесть повреждения превышает способность клетки к самовосстановлению. [2] Гибель клеток зависит как от продолжительности воздействия вредного раздражителя, так и от тяжести причиненного ущерба. [1] Гибель клеток может произойти в результате некроза или апоптоза .
Наиболее заметными компонентами клетки, которые являются мишенями клеточного повреждения, являются ДНК и клеточная мембрана .
Некоторые повреждения клеток можно обратить вспять, если снять стресс или происходят компенсаторные клеточные изменения. К клеткам может вернуться полная функция, но в некоторых случаях степень повреждения сохраняется. [6]
Клеточный отек (или мутный отек) может возникнуть из-за клеточной гипоксии , которая повреждает натрий-калиевый мембранный насос; оно обратимо при устранении причины. [7] Клеточный отек является первым проявлением почти всех форм повреждения клеток. Когда он поражает множество клеток в органе, это вызывает некоторую бледность, повышение тургора и увеличение веса органа. При микроскопическом исследовании в цитоплазме можно увидеть небольшие прозрачные вакуоли; они представляют собой растянутые и отщемленные сегменты эндоплазматической сети . Этот тип несмертельного повреждения иногда называют гидропическими изменениями или вакуолярной дегенерацией. [8] Гидропическая дегенерация — это тяжелая форма мутного отека. Возникает при гипокалиемии вследствие рвоты или диареи.
Ультраструктурные изменения обратимого клеточного повреждения включают:
При жировом изменении клетка повреждается и не может адекватно метаболизировать жир. Маленькие вакуоли жира накапливаются и рассеиваются в цитоплазме. Незначительные жировые изменения могут не влиять на функцию клеток; однако более серьезные жировые изменения могут ухудшить клеточную функцию. В печени увеличение гепатоцитов вследствие жирового изменения может сдавливать соседние желчные канальцы , что приводит к холестазу . В зависимости от причины и тяжести накопления липидов жировые изменения обычно обратимы. Жировые изменения также известны как жировая дегенерация, жировая метаморфоза или жировой стеатоз.
Некроз характеризуется набуханием цитоплазмы, необратимым повреждением плазматической мембраны и разрушением органелл, приводящим к гибели клеток. [9] Стадии клеточного некроза включают пикноз , скопление хромосом и сморщивание ядра клетки ; кариорексис — фрагментация ядра и распад хроматина на неструктурированные гранулы; и кариолиз , растворение ядра клетки. [10] Цитозольные компоненты, которые просачиваются через поврежденную плазматическую мембрану во внеклеточное пространство, могут вызвать воспалительную реакцию. [11]
Различают шесть типов некроза: [12]
Апоптоз — это запрограммированная гибель лишних или потенциально вредных клеток в организме. Это энергозависимый процесс, опосредованный протеолитическими ферментами, называемыми каспазами, которые вызывают гибель клеток путем расщепления специфических белков в цитоплазме и ядре. [13] Умирающие клетки сморщиваются и конденсируются в апоптотические тельца. Поверхность клеток изменяется таким образом, чтобы проявлять свойства, которые приводят к быстрому фагоцитозу макрофагов или соседних клеток. [13] В отличие от некротической гибели клеток, соседние клетки не повреждаются апоптозом, поскольку цитозольные продукты безопасно изолируются мембранами до того, как подвергаются фагоцитозу. [11] Он считается важным компонентом различных биопроцессов, включая клеточный обмен, гормонозависимую атрофию, правильное развитие и функционирование иммунной и эмбриональной системы, а также способствует химической индуцированной гибели клеток, которая является генетически опосредованной. [14] Есть некоторые свидетельства того, что определенные симптомы «апоптоза», такие как активация эндонуклеазы, могут быть ложно индуцированы без участия генетического каскада. Также становится ясно, что митоз и апоптоз каким-то образом переключаются или связаны между собой и что достигнутый баланс зависит от сигналов, полученных от соответствующих факторов роста или выживания. Проводятся исследования, направленные на выяснение и анализ механизма клеточного цикла и сигнальных путей, которые контролируют остановку клеточного цикла и апоптоз. [15] У среднестатистического взрослого человека от 50 до 70 миллиардов клеток умирают каждый день из-за апоптоза. Ингибирование апоптоза может привести к ряду раковых заболеваний, аутоиммунных заболеваний, воспалительных заболеваний и вирусных инфекций. Гиперактивный апоптоз может приводить к нейродегенеративным заболеваниям, гематологическим заболеваниям и повреждению тканей.
Когда клетка повреждена, организм пытается восстановить или заменить клетку, чтобы продолжить нормальное функционирование. Если клетка умирает, организм удалит ее и заменит другой функционирующей клеткой или заполнит пробел соединительной тканью, чтобы обеспечить структурную поддержку оставшимся клеткам. Девиз процесса восстановления — заполнить пробел, образовавшийся из-за поврежденных клеток, и восстановить структурную целостность. Нормальные клетки пытаются регенерировать поврежденные клетки, но это не всегда происходит.
Регенерация клеток паренхимы или функциональных клеток организма. Организм может производить больше клеток для замены поврежденных клеток, сохраняя орган или ткань нетронутыми и полностью функциональными.
Когда клетка не может быть регенерирована, организм заменяет ее стромальной соединительной тканью для поддержания функции ткани или органа. Стромальные клетки — это клетки, которые поддерживают паренхиматозные клетки в любом органе. Фибробласты, иммунные клетки, перициты и воспалительные клетки являются наиболее распространенными типами стромальных клеток. [16]
Истощение АТФ (аденозинтрифосфата) является распространенным биологическим изменением, которое возникает при повреждении клеток. Это изменение может произойти независимо от возбудителя повреждения клеток. Снижение внутриклеточного АТФ может иметь ряд функциональных и морфологических последствий при повреждении клеток. Эти эффекты включают в себя:
Повреждение ДНК (или повреждение РНК в случае геномов некоторых вирусов), по-видимому, является фундаментальной проблемой для жизни. Как отмечает Хейнс [18] , субъединицы ДНК не наделены какой-либо своеобразной квантово-механической стабильностью, и поэтому ДНК уязвима ко всем «химическим ужасам», которые могут случиться с любой такой молекулой в теплой водной среде. Эти химические ужасы представляют собой повреждения ДНК, которые включают различные типы модификаций оснований ДНК, одно- и двухцепочечные разрывы и межцепочечные перекрестные связи (см. Повреждения ДНК (естественные) . Повреждения ДНК отличаются от мутаций, хотя оба они являются ошибки в ДНК. В то время как повреждения ДНК представляют собой аномальные химические и структурные изменения, мутации обычно вовлекают нормальные четыре основания в новые структуры. Мутации могут реплицироваться и, таким образом, наследоваться при репликации ДНК. Напротив, повреждения ДНК представляют собой измененные структуры, которые не могут себя, тиражироваться.
Несколько различных процессов восстановления могут устранить повреждения ДНК (см. таблицу « Репарация ДНК »). Однако те повреждения ДНК, которые остаются невосстановленными, могут иметь пагубные последствия. Повреждения ДНК могут блокировать репликацию или транскрипцию генов. Эти блокировки могут привести к гибели клеток. В многоклеточных организмах гибель клеток в ответ на повреждение ДНК может происходить в результате запрограммированного процесса — апоптоза. [19] Альтернативно, когда ДНК-полимераза реплицирует цепь матрицы, содержащую поврежденный участок, она может неточно обойти повреждение и, как следствие, ввести неправильное основание, приводящее к мутации. Экспериментально частота мутаций существенно увеличивается в клетках, дефектных в репарации несоответствия ДНК [20] [21] или в гомологичной рекомбинационной репарации (HRR). [22]
Как у прокариот, так и у эукариотов геномы ДНК уязвимы для атак реактивных химических веществ, естественным образом вырабатываемых во внутриклеточной среде, а также агентов из внешних источников. Важным внутренним источником повреждений ДНК как у прокариот, так и у эукариот являются активные формы кислорода (АФК), образующиеся как побочные продукты нормального аэробного метаболизма. Для эукариот окислительные реакции являются основным источником повреждений ДНК (см. Повреждения ДНК (естественные) и Седельникова и др. [23] ). У человека в день происходит около 10 000 окислительных повреждений ДНК на клетку. [24] У крыс, у которых скорость метаболизма выше, чем у людей, в одной клетке в день происходит около 100 000 окислительных повреждений ДНК. У аэробно растущих бактерий АФК, по-видимому, являются основным источником повреждений ДНК, о чем свидетельствует наблюдение, что 89% спонтанно возникающих мутаций с заменой оснований вызваны введением АФК-индуцированных одноцепочечных повреждений с последующей склонной к ошибкам репликацией после этих повреждений. убытки. [25] Окислительные повреждения ДНК обычно затрагивают только одну цепь ДНК в любом поврежденном участке, но около 1–2% повреждений затрагивают обе цепи. [26] Двухцепочечные повреждения включают двухцепочечные разрывы (DSB) и межцепочечные сшивки. Для человека оценочное среднее количество эндогенных DSB ДНК на клетку, встречающееся в каждом клеточном поколении, составляет около 50. [27] Этот уровень образования DSB, вероятно, отражает естественный уровень повреждений, вызванных, в значительной степени, АФК, образующимися в результате активного метаболизма. .
Для восстановления различных типов повреждений ДНК используются пять основных путей. Этими пятью путями являются эксцизионная репарация нуклеотидов, эксцизионная репарация оснований, репарация ошибочного спаривания, негомологичное соединение концов и гомологичная рекомбинационная репарация (HRR) (см. таблицу в разделе « Репарация ДНК ») и справочный материал. [19] Только HRR может точно восстановить двухцепочечные повреждения, такие как DSB. Путь HRR требует наличия второй гомологичной хромосомы, чтобы обеспечить восстановление информации, потерянной первой хромосомой из-за двухцепочечного повреждения.
Повреждение ДНК, по-видимому, играет ключевую роль в старении млекопитающих, а адекватный уровень восстановления ДНК способствует долголетию (см. теорию старения, связанную с повреждением ДНК , и ссылки [28] ). Кроме того, повышенная частота повреждений ДНК и/или снижение репарации ДНК вызывают повышенный риск развития рака (см. « Рак , канцерогенез и новообразования ») и ссылку [28] ). Более того, способность HRR точно и эффективно восстанавливать двухцепочечные повреждения ДНК, вероятно, сыграла ключевую роль в эволюции полового размножения (см. « Эволюция полового размножения и ссылки»). [29] У современных эукариот HRR во время мейоза обеспечивает основное преимущество поддержания фертильности. [29]