Повреждение клеток - Cell damage

Повреждение клеток (также известный как клеточное повреждение) представляет собой множество изменений стресса, которым клетка подвергается из-за внешних, а также внутренних изменений окружающей среды. Среди других причин это может быть связано с физическими, химическими, инфекционными, биологическими, пищевыми или иммунологическими факторами. Повреждение клеток может быть обратимым или необратимым. В зависимости от степени повреждения клеточный ответ может быть адаптивным, и, где это возможно, гомеостаз восстанавливается.[1] Смерть клетки происходит, когда серьезность повреждения превышает способность клетки к самовосстановлению.[2] Гибель клеток зависит как от продолжительности воздействия вредного раздражителя, так и от тяжести нанесенного ущерба.[1] Гибель клеток может происходить в результате некроза или апоптоза.

Причины

  • Физические агенты, такие как тепло или излучение, могут повредить клетку буквально при приготовлении пищи или коагулирующий их содержимое.
  • Нарушение снабжения питательными веществами, например недостаток кислорода или глюкоза, или нарушение производства аденозинтрифосфат (АТФ) может лишить клетку материалов, необходимых для выживания.[3]
  • Метаболический: гипоксия и ишемия.
  • Химические агенты
  • Микробные агенты
  • Иммунологические агенты: аллергия и аутоиммунные заболевания, такие как болезнь Паркинсона и болезнь Альцегимера.
  • Генетические факторы: такие как синдром Дауна и серповидноклеточная анемия.[4]

Цели

Наиболее заметными компонентами клетки, которые являются мишенями повреждения клетки, являются ДНК и клеточная мембрана.

  • Повреждение ДНК: В клетках человека нормальные метаболический деятельность и факторы окружающей среды, такие как ультрафиолетовый свет и прочее излучения может вызвать повреждение ДНК, в результате чего один миллион индивидуальный молекулярные поражения на ячейку в сутки.[5]
  • Повреждение мембраны: повреждение клеточной мембраны нарушает состояние электролиты ячейки, например кальций, который при постоянном увеличении вызывает апоптоз.
  • Повреждение митохондрий: может возникать из-за снижения АТФ или изменения проницаемости митохондрий.
  • Повреждение рибосом: повреждение рибосомных и клеточных белков, таких как неправильная укладка белка, что приводит к активации апоптотического фермента.

Виды повреждений

Некоторое повреждение клеток можно обратить вспять после снятия стресса или возникновения компенсаторных клеточных изменений. Клеткам может вернуться полноценное функционирование, но в некоторых случаях степень повреждения останется.[нужна цитата ]

Сублетальный (обратимый)

Отек клеток

Клеточный отек (или мутный отек) может возникнуть из-за: клеточная гипоксия, что повреждает натрий-калиевый мембранный насос; это обратимо, если устранить причину.[6]Набухание клеток - первое проявление практически всех форм повреждения клеток. Когда он поражает множество клеток в органе, он вызывает некоторую бледность, повышенную тургор, и увеличение веса органа. При микроскопическом исследовании в цитоплазме можно увидеть небольшие прозрачные вакуоли; они представляют собой растянутые и защемленные сегменты эндоплазматический ретикулум. Этот образец несмертельного повреждения иногда называют отечностью или вакуолярной дегенерацией.[7] Водянка - тяжелая форма мутного отека. Возникает при гипокалиемии из-за рвоты или диареи.

Ультраструктурные изменения обратимого клеточного повреждения включают:

  • Блеббинг
  • Притупление
  • искажение микроворсинок
  • ослабление межклеточных прикреплений
  • митохондриальные изменения
  • расширение эндоплазматического ретикулума

Жирное изменение

Клетка повреждена и не может адекватно метаболизировать жир. Небольшие жировые вакуоли накапливаются и рассредоточиваются в цитоплазме. Легкие жировые изменения могут не влиять на функцию клеток; однако более серьезные жировые изменения могут нарушить клеточную функцию. В печени увеличение гепатоциты из-за жировых изменений может сдавить соседние желчные каналы, что приводит к холестаз. В зависимости от причины и степени накопления липидов жировые изменения обычно обратимы. Жировое изменение также известно как жировая дегенерация, жировой метаморфоз или жировой стеатоз.

Смертельный

Некроз

Некроз характеризуется набуханием цитоплазмы, необратимым повреждением плазматической мембраны и распадом органелл, приводящим к гибели клеток.[8] Этапы клеточного некроза включают: пикноз; слипание хромосом и сокращение ядра клетки, кариорексис; фрагментация ядра и распад хроматина на неструктурированные гранулы, и кариолизис; растворение ядра клетки.[9] Цитозольные компоненты, которые просачиваются через поврежденную плазматическую мембрану во внеклеточное пространство, могут вызывать воспалительную реакцию.[10]

Выделяют шесть типов некроза:[11]

  • Коагуляционный некроз
  • Разжижающийся некроз
  • Казеозный некроз
  • Некроз жира
  • Некроз миомы
  • Гангренозный некроз

Апоптоз

Апоптоз это запрограммированная гибель лишних или потенциально вредных клеток в организме. Это энергозависимый процесс, опосредованный протеолитическими ферментами, называемыми каспазами, которые вызывают гибель клеток за счет расщепления определенных белков в цитоплазме и ядре.[12] Умирающие клетки сжимаются и конденсируются в апоптотические тельца. Поверхность клетки изменяется так, чтобы проявлять свойства, которые приводят к быстрому фагоцитозу макрофагами или соседними клетками.[12] В отличие от некротической гибели клеток, соседние клетки не повреждаются апоптозом, так как продукты цитозола безопасно изолируются мембранами до того, как подвергаются фагоцитозу.[10] В среднем от 50 до 70 миллиардов клеток умирают каждый день из-за апоптоза. Подавление апоптоза может привести к ряду рака, аутоиммунных заболеваний, воспалительных заболеваний и вирусных инфекций. Гиперактивный апоптоз может привести к нейродегенеративным заболеваниям, гематологическим заболеваниям и повреждению тканей.

Ремонт

Когда клетка повреждена, организм пытается восстановить или заменить клетку, чтобы продолжить нормальные функции. Если клетка умирает, тело удаляет ее и заменяет другой функционирующей клеткой или заполняет промежуток соединительной тканью, чтобы обеспечить структурную поддержку оставшимся клеткам. Девиз процесса восстановления - заполнить пробел, вызванный поврежденными клетками, чтобы восстановить структурную целостность. Нормальные клетки пытаются регенерировать поврежденные, но это не всегда происходит. Бесполое размножение - это то, что восстанавливает клетки

Регенерация

Регенерация паренхима клетки или функциональные клетки организма. Организм может производить больше клеток, чтобы заменить поврежденные клетки, сохраняя целостность и функциональность органа или ткани.

Замена

Когда клетка не может быть регенерирована, организм заменяет ее стромальной соединительной тканью для поддержания функции ткани / органа. Стромальные клетки являются клетками, которые поддерживают паренхиматозные клетки в любом органе. Фибробласты, иммунные клетки, перициты и воспалительные клетки являются наиболее распространенными типами стромальных клеток.[13]

Биохимические изменения при клеточном повреждении

Истощение запасов АТФ (аденозинтрифосфата) - это обычное биологическое изменение, которое происходит при повреждении клеток. Это изменение может произойти, несмотря на возбудитель повреждения клетки. Снижение внутриклеточного АТФ может иметь ряд функциональных и морфологических последствий во время повреждения клетки. Эти эффекты включают:

  • Выход из строя АТФ-зависимых насосов (Na+
    / К+
     насос и Ca2+
     насос), в результате чего чистый приток Na+
     и Ca2+
     ионы и осмотическое набухание.
  • Клетки с истощенным содержанием АТФ начинают осуществлять анаэробный метаболизм, чтобы получать энергию из гликогена, что известно как «гликогенолиз».
  • Вследствие этого возникает снижение внутриклеточного pH клетки, что опосредует вредные ферментативные процессы.
  • Затем происходит раннее скопление ядерного хроматина, известное как «пикноз», что в конечном итоге приводит к гибели клеток.[14]

Повреждение и восстановление ДНК

Повреждение ДНК

Повреждение ДНК (или повреждение РНК в случае геномов некоторых вирусов) представляется фундаментальной проблемой для жизни. Как отмечает Хейнс,[15] субъединицы ДНК не наделены какой-либо особой квантово-механической стабильностью, и поэтому ДНК уязвима для всех «химических ужасов», 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. Повреждение ДНК (естественное). Повреждения ДНК отличаются от мутаций, хотя обе ошибки в ДНК. В то время как повреждения ДНК представляют собой аномальные химические и структурные изменения, мутации обычно вовлекают четыре нормальных основания в новые структуры. Мутации могут реплицироваться и, таким образом, унаследоваться при репликации ДНК. Напротив, повреждения ДНК представляют собой измененные структуры, которые сами по себе не могут быть воспроизведены.

Несколько различных процессов восстановления могут удалить повреждения ДНК (см. Диаграмму в Ремонт ДНК ). Однако те повреждения ДНК, которые не восстанавливаются, могут иметь пагубные последствия. Повреждения ДНК могут блокировать репликацию или транскрипцию гена. Эти блокировки могут привести к гибели клеток. В многоклеточных организмах гибель клеток в ответ на повреждение ДНК может происходить в результате запрограммированного процесса - апоптоза.[16] В качестве альтернативы, когда ДНК-полимераза реплицирует матричную цепь, содержащую поврежденный сайт, она может неточно обходить повреждение и, как следствие, вводить неправильное основание, что приводит к мутации. Экспериментально частота мутаций значительно увеличивается в клетках, дефектных по Ремонт несоответствия ДНК[17][18] или в Гомологичный рекомбинационный ремонт (HRR).[19]

Как у прокариот, так и у эукариот геномы ДНК уязвимы для атак со стороны реактивных химических веществ, естественным образом производимых во внутриклеточной среде, и агентов из внешних источников. Важным внутренним источником повреждения 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 повреждения ДНК (см. Повреждение ДНК (естественное) и Седельникова и др.[20]). У человека на клетку в день происходит около 10 000 окислительных повреждений ДНК.[21] У крыс, у которых скорость метаболизма выше, чем у людей, на клетку в день приходится около 100000 окислительных повреждений ДНК. У аэробно растущих бактерий ROS, по-видимому, являются основным источником повреждения ДНК, о чем свидетельствует наблюдение, что 89% спонтанно возникающих мутаций с заменой оснований вызваны введением индуцированных ROS однонитевых повреждений с последующей подверженной ошибкам репликацией после этих убытки.[22] Окислительные повреждения ДНК обычно затрагивают только одну из цепей ДНК на любом поврежденном участке, но около 1-2% повреждений затрагивают обе цепи.[23] Двухцепочечные повреждения включают двухцепочечные разрывы (DSB) и межцепочечные сшивки. Для людей расчетное среднее количество эндогенных DSB ДНК на клетку, возникающих в каждом поколении клеток, составляет около 50.[24] Этот уровень образования DSB, вероятно, отражает естественный уровень повреждений, вызванных, в основном, АФК, продуцируемыми активным метаболизмом.

Ремонт повреждений ДНК

Для восстановления различных типов повреждений ДНК используются пять основных путей. Эти пять путей включают эксцизионную репарацию нуклеотидов, эксцизионную репарацию оснований, репарацию ошибочного спаривания, негомологичное соединение концов и гомологичную рекомбинационную репарацию (HRR) (см. Диаграмму в Ремонт ДНК ) и ссылку.[16] Только HRR может точно исправить двухнитевые 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 репарации ДНК способствует долголетию (см. Теория повреждений ДНК старения и ссылка.[25]). Кроме того, повышенная частота повреждений ДНК и / или снижение репарации ДНК вызывают повышенный риск рака (см. Рак, Канцерогенез и Новообразование ) и ссылка[25]). Кроме того, способность HRR точно и эффективно восстанавливать повреждения двухцепочечной ДНК, вероятно, сыграла ключевую роль в эволюции полового размножения (см. Эволюция полового размножения и ссылка).[нужна цитата ] У современных эукариот HRR во время мейоза обеспечивает основное преимущество сохранения фертильности.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Вольф, Ронни; и другие. (2011). Экстренная дерматология. Издательство Кембриджского университета. стр.1 –10. ISBN  9780521717335.
  2. ^ Cobb, J. P .; и другие. (1996). «Механизмы повреждения и гибели клеток». Британский журнал анестезии. 77 (1): 3–10. Дои:10.1093 / bja / 77.1.3. PMID  8703628.
  3. ^ Клаассен, К.Д., Ред .: Токсикология Касаретта и Дулла: фундаментальная наука о ядах. Шестое издание, McGraw-Hill, 2007 [2001].
  4. ^ Сильва Соарес К., Карлос. «Причины поражения клеток» (PDF). https://is.muni.cz/. Внешняя ссылка в | сайт = (помощь)
  5. ^ Лодиш Х, Берк А., Мацудаира П., Кайзер К.А., Кригер М., Скотт М.П., ​​Зипурски С.Л., Дарнелл Дж. (2004). Молекулярная биология клетки, WH Freeman: New York, NY. 5-е изд., С. 963
  6. ^ Хейс, A.W., Ред .: Принципы и методы токсикологии, четвертое издание, Raven Press, Нью-Йорк, 2001 и 5-е издание (2008).
  7. ^ «Клеточный отек». Humpath.com - Патология человека. Humpath.com, 30 января 2006 г., Web. 21 марта 2013 г.
  8. ^ Festjens, Nele; Ванден Берге, Том; Ванденабеле, Питер (01.09.2006). «Некроз, хорошо организованная форма гибели клеток: сигнальные каскады, важные медиаторы и сопутствующий иммунный ответ». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоэнергетика. Митохондрии: от молекулярного понимания к физиологии и патологии. 1757 (9–10): 1371–1387. Дои:10.1016 / j.bbabio.2006.06.014. PMID  16950166.
  9. ^ «Медицинское определение ПИКНОЗА». merriam-webster.com. Получено 2016-04-16.
  10. ^ а б Проскуряков Сергей Яковлевич а; Коноплянников, Анатолий Г; Габай, Владимир Л (01.02.2003). «Некроз: особая форма запрограммированной гибели клеток?». Экспериментальные исследования клеток. 283 (1): 1–16. Дои:10.1016 / S0014-4827 (02) 00027-7. PMID  12565815.
  11. ^ «Что такое некроз? - Определение и типы - Видео и стенограмма урока | Study.com». Study.com. Получено 2016-04-16.
  12. ^ а б Альбертс, Брюс; Джонсон, Александр; Льюис, Джулиан; Рафф, Мартин; Робертс, Кейт; Уолтер, Питер (01.01.2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Наука о гирляндах. ISBN  978-0815332183.
  13. ^ Hardman, J. G .; Limburd, L.E .; Гилман А.Г., ред. (2000). Гудман и Гилман: Фармакологические основы терапии (10-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN  978-0-07-135469-1.
  14. ^ Чиен, S; Толедо-Перейра, Л., ред. (2008). 'Метаболический менеджмент - получение и сохранение органов для трансплантации. Нью-Йорк: Landes Bioscience Springer. Получено 11 апреля 2016.
  15. ^ Хейнс Р.Х. (1988). Биологический контекст репарации ДНК. В: Редакторы Friedberg EC и Hanawalt PC, Механизмы и последствия обработки повреждений ДНК, John Wiley & Sons Canada, Limited, 1988, стр. 577-584. ISBN  0471502693, 9780471502692
  16. ^ а б Бернштейн, К; Bernstein, H; Пейн, СМ; Гарвал, H (2002). «Репарация ДНК / проапоптотические белки с двойной ролью в пяти основных путях репарации ДНК: надежная защита от канцерогенеза». Mutat Res. 511 (2): 145–178. Дои:10.1016 / с 1383-5742 (02) 00009-1. PMID  12052432.
  17. ^ Нараянан, L; Fritzell, JA; Бейкер, С. М.; Лискай, РМ; Глейзер, PM (1997). «Повышенные уровни мутаций во многих тканях мышей с дефицитом гена репарации несоответствия ДНК Pms2». Proc Natl Acad Sci U S A. 94 (7): 3122–3127. Дои:10.1073 / пнас.94.7.3122. ЧВК  20332. PMID  9096356.
  18. ^ Хеган, округ Колумбия; Нараянан, L; Джирик, Франция; Эдельманн, Вт; Лискай, РМ; Глейзер, PM (2006). «Различия в паттернах генетической нестабильности у мышей, лишенных генов восстановления несовпадений Pms2, Mlh1, Msh2, Msh3 и Msh6». Канцерогенез. 27 (12): 2402–2408. Дои:10.1093 / carcin / bgl079. ЧВК  2612936. PMID  16728433.
  19. ^ Тутт, АН; ван Остром, Коннектикут; Росс, GM; van Steeg, H; Эшворт, А (2002). «Нарушение Brca2 увеличивает скорость спонтанных мутаций in vivo: синергизм с ионизирующим излучением». EMBO Rep. 3 (3): 255–260. Дои:10.1093 / embo-reports / kvf037. ЧВК  1084010. PMID  11850397.
  20. ^ Седельникова О.А. Редон, CE; Дики, JS; Накамура, AJ; Георгакилас, АГ; Боннер, WM (2010). «Роль окислительно-индуцированных повреждений ДНК в патогенезе человека». Mutat Res. 704 (1–3): 152–159. Дои:10.1016 / j.mrrev.2009.12.005. ЧВК  3074954. PMID  20060490.
  21. ^ Эймс, Б.Н.; Shigenaga, MK; Хаген, TM (сентябрь 1993 г.). «Окислители, антиоксиданты и дегенеративные заболевания старения». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 90 (17): 7915–22. Дои:10.1073 / пнас.90.17.7915. ЧВК  47258. PMID  8367443.
  22. ^ Сакаи, А; Наканиши, М; Ёсияма, К. Маки, H (2006). «Влияние активных форм кислорода на спонтанный мутагенез у Escherichia coli». Гены Клетки. 11 (7): 767–778. Дои:10.1111 / j.1365-2443.2006.00982.x. PMID  16824196.
  23. ^ Мэсси, HR; Самис, HV; Бэрд, МБ (1972). «Кинетика деградации ДНК и РНК H2O2». Biochim Biophys Acta. 272 (4): 539–548. Дои:10.1016/0005-2787(72)90509-6. PMID  5065779.
  24. ^ Виленчик, ММ; Knudson, AG (2003). «Эндогенные двухцепочечные разрывы ДНК: производство, точность восстановления и индукция рака». Proc Natl Acad Sci U S A. 100 (22): 12871–12876. Дои:10.1073 / pnas.2135498100. ЧВК  240711. PMID  14566050.
  25. ^ а б Бернштейн Х, Пейн CM, Бернштейн С, Гарвал Х, Дворак К. (2008). Рак и старение как последствия неремонтированного повреждения ДНК. В: Новое исследование повреждений ДНК (редакторы: Хонока Кимура и Аой Судзуки) Nova Science Publishers, Inc., Нью-Йорк, Глава 1, стр. 1–47. открытый доступ, но только чтение https://www.novapublishers.com/catalog/product_info.php?products_id=43247 В архиве 2014-10-25 на Wayback Machine ISBN  1604565810 ISBN  978-1604565812