Uszkodzenie i śmierć komórki

Najistotniejsze w uszkodzeniu komórek dla ich przeżycia jest:

  • zachowanie integralności błon komórkowych,
  • utrzymanie oddychania tkankowego (produkcja ATP),
  • utrzymanie syntezy białek,
  • zachowanie integralności aparatu genetycznego komórki.

Niezależnie od pierwotnego punktu działania czynnika uszkadzającego prowadzi to do licznych i wzajemnie od siebie zależnych efektów wtórnych. W niedokrwieniu bardzo szybko spada produkcja ATP. Jest ono potrzebne zarówno do zachowania integralności błon komórkowych (pompa sodowa), jak i do energozależnej produkcji białek, itd.

Morfologiczne zmiany w odwracalnym uszkodzeniu komórek występują stosunkowo szybko, natomiast w uszkodzeniu nieodwracalnym wymagają więcej czasu na pełne ujawnienie się. W zawale mięśnia sercowego utrata kurczliwości niedokrwionego odcinka występuje po 1-2 min. Obrzmienie komórek widoczne jest po kilku minutach. Uszkodzenie nieodwracalne następuje po 20-40 min. Natomiast gołym okiem widoczny zawał serca widoczny jest dopiero po 10-12 godz., a pełny, klasyczny obraz rozwija się w 12-24 godziny. Najwcześniej oczywiście widoczne są zmiany ultrastrukturalne, najpóźniej makroskopowe.


Ogólne mechanizmy biochemiczne uszkodzenia komórek

Niektóre z czynników uszkadzających mają bardzo ściśle określony punkt działania. Np. Clostridium perfringens, bakteria beztlenowa, produkuje fosfolipazy atakujące fosfolipidy błon komórkowych. W licznych innych przypadkach dokładny początek działania uszkadzającego pozostaje nieznany. Istnieją jednak ogólne mechanizmy istotne niezależnie od typu czynnika uszkadzającego.

Błony komórkowe. Uszkodzenie błon komórkowych i utrata ich selektywnej pracy jest wczesnym i stałym, i chyba najważniejszym elementem uszkodzenia komórki. Niektóre bakterie i toksyny wprost uszkadzają zewnętrzne błony zewnętrzne komórek. Do uszkodzenia błony komórkowej prowadzi też aktywność cytotoksyczna limfocytów (perforyny).

Nieodwracalne uszkodzenie mitochondriów. Sprawne mitochondria są konieczne dla przeżycia komórek ssaków. Tymczasem niemal wszystkie czynniki uszkadzają mitochondria. Uszkodzenie mitochondriów i zwiększenie przepuszczalności wewnętrznej błony mitochondrialnej ujawnia się jako tzw. nadprzewodzący kanał lub mitochondrial permeability transition w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Uniemożliwia to utrzymanie potencjału błonowego dla efektywnego procesu fosforylacji oksydatywnej i syntezy ATP. Zmiana początkowo jest odwracalna, potem jednak utrwala się i jest prawdziwym powiewem śmierci dla komórki. Ponadto zwiększenie przepuszczalności zewnętrznej błony mitochondrialnej i ucieczka cytochromu c z mitochondrium do cytosolu jest sygnałem dla rozpoczęcia apoptozy komórki.

Niedobór ATP. Niemal wszystkie czynności komórek wymagają nakładu energii. ATP produkowane jest w mitochondriach na drodze fosforylacji oksydacyjnej. Drugim sposobem mniej efektywnym zachodzącym w warunkach beztlenowych jest glikoliza beztlenowa. Glukoza pochodzi z płynu tkankowego lub z glikogenu. Tkanki bogate w glikogen (wątroba) mają więc większe szanse przeżycia w razie uszkodzenia. Niedobór ATP jest bardzo pospolity w uszkodzeniu niedokrwiennym i uszkodzeniu toksycznym.

Reaktywne formy tlenu. W czasie spalania (utleniania tkankowego) tworzy się niewielka ilość wolnych rodników tlenowych i innych reaktywnych form tlenu. Jest to mała ilość, nieporównywalna np. z liczbą wolnych rodników powstających w toku napromieniania promieniami jonizującymi, a na dodatek kontrolowana poprzez układ wymiataczy wolnych rodników. Zaburzenia równowagi w tym zakresie (choroba popromienna, zapalenia, szkoda tlenowa, metabolity chemikaliów, niedokrwienie i reperfuzja) mogą prowadzić do uszkodzenia komórek, np. poprzez uszkodzenie przez reaktywne formy tlenu (tworzenie w miejscu wiązań podwójnych kwasów tłuszczowych cyklicznych, nietrwałych nadtlenków). Przykłady takich uszkodzeń przez wolne rodniki będziemy przytaczać w tym i w dalszych rozdziałach podręcznika.

Wapń naszym ostatecznym zabójcą? Wapń jest nam konieczny do życia. Większość jednak zjonizowanego wapnia znajduje się w płynie pozakomórkowym (10-3 M, a niewiele w cytosolu (10-7 M). I tak, większość wapnia wewnątrzkomórkowego jest sekwestrowana w mitochondriach i siateczce śródplazmatycznej. Utrzymywanie tej różnicy stężeń to zadanie dla ATPazy zależnej od wapnia i magnezu. Uszkodzenie błon komórkowych i szereg toksyn powodują zarówno wyrzut wapnia z wewnątrzkomórkowych magazynów (mitochondria, siateczka), jak i zwiększenie napływu wapnia z przestrzeni pozakomórkowej. Początkowo dobrze funkcjonujące błony powodują sekwestrację nadmiaru wapnia. Równocześnie jednak nadmiar wapnia w cytosolu aktywuje szereg enzymów. Najgroźniejsza jest aktywacja fosfolipaz (dalsze uszkodzenie błon), proteaz (destrukcja cytoszkieletu), ATPazy (zmniejszenie puli ATP) i endonukleaz (fragmentacja chromatyny). W uszkodzeniu nieodwracalnym to właśnie zwiększenie poziomu wapnia w cytosolu i niemożność jego sekwestracji doprowadza do uaktywnienia enzymów i destrukcji komórki.

 

Uszkodzenie komórek w niedokrwieniu i niedotlenieniu

W praktyce klinicznej jest to najczęstszy typ uszkodzenia komórek i tkanek. Jak wspomniano powyżej, hipoksja polega na niedoborze tlenu, natomiast nadal dostarczane są z krwią czynniki odżywcze i możliwa jest przez pewien czas glikoliza beztlenowa, a kwas mlekowy odprowadzany jest z krwią. W przeciwieństwie do tego niedokrwienie (ischaemia) prowadzi nie tylko do niedoboru tlenu, ale też substancji odżywczych, zgromadzony w procesie glikolizy beztlenowej kwas mlekowy szybko zakwasza środowisko. Zmiany w niedokrwieniu występują więc szybciej niż w samym niedotlenieniu.

Uszkodzenie początkowo jest odwracalne, potem jednak staje się nieodwracalne. Jeśli przywrócony jest dopływ krwi, to paradoksalnie, w pierwszym etapie reperfuzji, narasta uszkodzenie i liczba komórek uszkodzonych nieodwracalnie, a dopiero potem polepsza się stan tkanki. Kolejno omówimy mechanizmy uszkodzenia komórki.

A. Uszkodzenie odwracalne

Zasadniczym i pierwszym punktem w mechanizmie uszkodzenia komórki w toku niedotlenienia jest zahamowanie produkcji ATP w procesie fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach. Niedobór ATP wywołuje szereg dalszych zmian:

Pompa sodowa. Niedobór ATP prowadzi do utraty sprawności aktywnego transportu i akumulacji sodu wraz z wodą w komórce, a ucieczki potasu do przestrzeni pozakomórkowej. Dodatkowo na gromadzenie się wody wpływa wzrost ciśnienia osmotycznego w komórce w związku ze zwiększeniem katabolizmu, nasilonego w celu dostarczenia intedrmediatów do produkcji ATP. Komórka jest obrzmiała, obrzmiałe są mitochondria, poszerzone kanały siateczki śródplazmatycznej.

Metabolizm energetyczny. Zahamowanie fosforylacji oksydatywnej zmusza komórkę do podjęcia glikolizy beztlenowej i produkowania ATP tą mniej efektywną drogą. Narasta ona tym bardziej, że wzrasta glikogenoliza. Ubywa szybko glikogenu, a gromadzący się kwas mlekowy doprowadza do zakwaszenia.

Obniżenie syntezy białek. Synteza białek ulega zahamowaniu nie tylko z powodu samego niedoboru energii, ale też dochodzi do oddzielania rybosomów od szorstkiej siateczki śródplazmatycznej i do dysocjacji polisomów do monosomów.

Zmiany czynnościowe. Opisany niedobór ATP i zmiany wtórne prowadzą do zaburzeń czynnościowych. Jak już wspomniano, po zatkaniu naczynia wieńcowego w ciągu 1-2 minut dochodzi do utraty kurczliwości niedotlenionego mięśnia. Nie jest to jednak równoznaczne ze śmiercią kardiomiocytów (o czym poniżej).

Dalsze zmiany. Utrzymywanie się niedotlenienia prowadzi do dalszych zmian, np. dezorganizacji cytoszkieletu (utrata mikrokosmków, powstawanie uwypukleń błony komórkowej porównywalne do pęcherzy odleżynowych, degradacja fosfolipidów błon komórkowych z tworzeniem widocznych ultrastrukturalnie tzw. figur mielinowych. Postępuje uszkodzenie komórki i coraz bardziej widoczne są zmiany, ale zmiany te są nadal odwracalne i mogą się cofnąć wraz z ponowieniem podaży tlenu.

B. Uszkodzenie nieodwracalne

Komórki narażone na znaczne i przedłużające się niedotlenienie lub zupełny brak tlenu nie mogą powrócić do stanu pierwotnego i obumierają. Stąd termin uszkodzenie nieodwracalne. Morfologicznie uszkodzenie nieodwracalne może być rozpoznane po typowych zmianach w jądrze komórkowym, utracie integralności komórki i poprzerywaniu błony komórkowej. Testy czynnościowe wykazują, że czynność jądra komórkowego została przerwana, produkcja energii w mitochondriach spadła poniżej minimum niezbędnego do życia i nie może powrócić do normalnego poziomu, a czynność błony komórkowej została bezpowrotnie utracona. Nieodwracalne uszkodzenie komórek może być rozpoznane przez charakterystyczne zmiany ultrastrukturalne, a część zmian widoczna jest też w mikroskopie świetlnym. Najbardziej charakterystyczne są zmiany w jądrze komórkowym. Bez sprawnie funkcjonującego jądra komórkowego komórka nie może przeżyć.

Uszkodzenie jądra może mieć trzy formy morfologiczne:

  1. Pyknosis, jest to znaczne zagęszczenie chromatyny jądrowej (pyknos – po grecku gęsty)
  2. Karyorrhexis, jest to fragmentacja jądra komórkowego na małe zagęszczone fragmenty (karyon – jądro i rrhexis – pęknięcie)
  3. Karyolysis, jest to rozpuszczenie struktury jądra i chromatyny przez enzymy takie jak DNAaza i RNAaza.

W mitochondriach ultrastrukturalnie widoczne są duże zagęszczenia macierzy. Cytoplazma ulega fragmentacji. Zawartość obumarłych komórek dostaje się do płynu pozakomórkowego i jest wypłukiwana przez krążenie. Enzymy cytoplazmatyczne, takie jak aminotransferaza asparaginianowa, dehydrogenaza mleczanowa, kinaza kreatynowa czy troponiny (z mięśnia sercowego), dostając się do krążenia, mogą być mierzone we krwi jako wskaźnik uszkodzenia komórek. Poziom tych enzymów i białek we krwi jest podniesiony w zawale serca.

Obrzmiałe są lizosomy i poszerzone kanały siateczki śródplazmatycznej. Z uszkodzonych lizosomów wydostają się hydrolazy, które ulegają aktywacji. Po pierwotnym zakwaszeniu cytoplazmy dochodzi do neutralizacji, a nawet jej alkalizacji. W warunkach doświadczalnych kwasica w pewnej mierze nawet chroni przed śmiertelnym uszkodzeniem komórek (wpływ na aktywność fosfolipazy i wystąpienie zwiększonej przepuszczalności mitochondriów). Szerokie spektrum enzymów lizosomalnych może doprowadzić do destrukcji wszystkie składniki komórki.

Komórka wreszcie ulega całkowitej degradacji, zamienia się w homogenną masę, która może też zwapnieć (wapnienie dystroficzne).

Mówiliśmy wiele o sekwencji zdarzeń w uszkodzeniu odwracalnym, a potem nieodwracalnym. Ale, w którym momencie właściwie komórka umiera? Trzeba szczerze powiedzieć, że tego nie wiemy, a w dodatku mityczny punkt bez powrotu, po minięciu którego komórka umiera, wydaje się być zmienny zarówno w czasie jak przestrzeni. Generalnie musimy się zgodzić, że najistotniejsze dla nieodwracalności uszkodzenia komórki jest trwałe uszkodzenie błon komórkowych, co związane jest z dysfunkcją mitochondriów, spadkiem poziomu ATP, influksem wapnia, itd. Ogólnie, zdrowa komórka wykazuje w pewnej mierze samodzielność funkcji niezależnie od środowiska. Komórka nieodwracalnie uszkodzona utraciła tą ograniczoną suwerenność i przestała o nią walczyć.

Podsumujmy, co przyczynia się do tego mającego węzłowe znaczenie nieodwracalnego uszkodzenia błon komórkowych:

Dysfunkcja mitochondriów. Wzrost poziomu wapnia w cytosolu przy spadku poziomu ATP powoduje większą sekwestrację wapnia w mitochondriach, co aktywuje fosfolipazy i przyczynia się przez to do akumulacji wolnych kwasów tłuszczowych. Wszystko to powoduje zwiększenie przepuszczalności wewnętrznej błony mitochondrialnej i niemożność utrzymania potencjału (a więc niemożność produkcji ATP – mitochondrial permeability transition). Przepuszczalność zewnętrznej błony mitochondrialnej również wzrasta.

Utrata fosfolipidów błon. Dzieje się tak za przyczyną aktywacji fosfolipaz, aktywowanych chociażby zwiększonym poziomem wapnia w cytosolu. Zmniejszona jest zarówno produkcja, jak i reutylizacja fosfolipidów.

Destrukcja cytoszkieletu. Zaktywowane proteazy mogą nadtrawiać nie tylko sam cytoszkielet, ale i jego zamocowanie do błon komórkowych. Czyni to komórkę podatną na odkształcenia, ale także zwiększa podatność na uszkodzenia, tym bardziej, że komórka jest obrzmiała.

Reaktywne formy tlenu. Wolne rodniki i inne reaktywne formy tlenu reagują (szczególnie w miejscu wiązań podwójnych) z fosfolipidami błon tworząc nietrwałe cykliczne nadtlenki. Znaczenie tego typu uszkodzenia jest jeszcze większe w okresie reperfuzji (patrz niżej).

Produkty rozpadu fosfolipidów. Niezestryfikowane wolne kwasy tłuszczowe i inne produkty rozpadu fosfolipidów działają na błony jak detergenty. Ponadto mogą one wbudowywać się do błon, potencjalnie zwiększając ich przepuszczalność.

Utrata aminokwasów. Doświadczalnie stwierdzono, że glicyna chroni komórki przed nieodwracalnym uszkodzeniem błon i zapobiega wapnio-zależnej śmierci komórek przy braku ATP.

Stale więc wracamy do jednego ciągu zdarzeń. W niedotlenieniu mamy do czynienia z zahamowaniem fosforylacji oksydacyjnej, brakiem ATP i uszkodzeniem (zwiększeniem przepuszczalności) błon komórkowych. Przez uszkodzone błony napływa wapń z płynu pozakomórkowego. Ten wapń (napływający jeszcze bardziej przy reperfuzji) śmiertelnie uszkadza mitochondria i aktywuje szereg enzymów dokańczających dzieła martwicy skrzepowej.

Tags: , ,

Ostatnia edycja przez

One Response to “Uszkodzenie i śmierć komórki”

  1. Aleksandra Cichy 22-06-2017 at 09:18 #

    Witam,
    Chciałabym wykorzystać powyższe informacje w pisaniu pracy magisterskiej. Czy byłaby możliwość podania nazwiska twórcy tego artykułu?
    Pozdrawiam
    Aleksandra Cichy

Dodaj komentarz