Внутрішньоклітинні та міжклітинні адаптації

Введення

Клітинна адаптація - це пристосування клітин до умов навколишнього середовища, спрямоване на виживання та відтворення.
Якщо ми не будемо обмежуватись однією дисципліною, а будемо говорити про те, як насправді все це працює(бо клітинні адаптації включають в себе фізіологічні та морфологічні зміни), то бувають два види адаптацій:

• Внутрішньоклітинні механізми
• Зміни метаболічно-функціонального характеру
• Зміни морфологічного характеру
• Міжклітинні механізми
• Зміни на органно-тканинному рівні
• Зміни на внутрішньосистемному рівні(між органами однієї системи)
• Зміни на міжсистемному рівні(між органами декількох систем)

Внутрішньоклітинні механізми

Зміни функціонального характеру

Спочатку потрібно згадати, що ж змінюється в клітині після її пошкодження: зменшується синтез АТФ, внаслідок чого відмовляють іонні помпи - збільшується осмотичний тиск в клітині, що призводить до її гідратації та набухання, внаслідок цього може порушуватись цілісність клітинної мембрани, також це може призводити до порушення цілісності мембрани мітохондрії, а отже збільшується ризик утворення вільних радикалів під час роботи дихального ланцюгу, що сприяє пошкодженню білків(зокрема, ферментів), генетичного апарату клітини, і внаслідок всіх цих подій загальна біохімічна активність клітини падає.
Все це пагубно для клітини, а отже вона намагається всіма можливими способами мінімалізувати наслідки.Що може призводити до таких негативних змін? - чинники зовнішнього середовища, ішемія, надмірний вплив біологічно активних речовин(гормонів).Таким чином, зміни функціонального характеру клітини направлені на:

• Підтримку оптимальної кількості АТФ, яка необхідна для базової життєдіяльності клітини
• Нормалізацію процесів обміну іонів та води
• Підтримку бар'єрної функції клітинної мембрани
• Попередження пошкодження генетичного апарату та білків-ферментних систем
• Зміну чутливості до біологічно активних речовин
• Активацію білків теплового шоку(особливі білки, які допомогають у всіх інших процесах)
• Зниження загальної активності клітини(зменшується метаболізм, потреба в АТФ задля того, аби пережити несприятливі умови)

І тепер пройдемось детально по кожному із цих механізмів.

Підтримка оптимальної кількості АТФ: 1)при цьому максималізується інтенсивність процесів ЦТК та окисного фосфорилювання в мітохондріях(якщо вони не пошкоджені), активується анаеробний гліколіз, 2) збільшується активність крептинфосфокінази та АДФ/АТФ транслокази, 3) збільшується активність АТФ-залежних процесів, які необхідні задля того, аби забезпечити життєдіяльність клітини(наприклад, та ж сама натрій-калієва помпа).Також потрібно згадати про явище зворотнього негативного зв'язку в регуляції активності ферментів: коли зростає кількість АДФ та АМФ, то активуються ферменти, які забезпечують продукцію АТФ(по-суті, активуються ферменти гліколізу, глікогенолізу, бета-окислення)

Нормалізаці процесів обміну води та електролітів: 1)підвищується експресія генів Na/K-АТФази, Na/Ca-АТФази, Na/H-АТФази, що призводить до а)нормалізації осмотичного тиску та б)за рахунок роботи Na/H-АТФази викачуються зайві протони гідрогену(кислі), які утворюються в результаті анаеробного гліколізу, таким чином підтримується сталість pH(критично для роботи білків-ферментів), також 2) може активовуватись Na/HCO₃^--котранспортер та інші буферні системи.Наслідком нормалізації вмісту натрію в клітині є зменшення її набряку, так як натрій тягне за собою воду, а отже, знижується ризик набряку мітохондрій.

Підтримка бар'єрної функції клітинної мембрани: 1)активуються ферменти цитохрому P450, які забезпечують знешкодження хімічних чинників(якщо вони наявні), які обумовили альтерацію клітинної мембрани, 2)активуються ферменти антиоксидатної системи(глутатіон редуктаза, каталаза, глутатіон пероксидаза і т.д, але важливо згадати, що коферментами для цих ензимів є цинк, селен та купрум, відповідно при недостачі цих мінералів цей крок компенсації може порушуватись), 3) активуються процеси синтезу компонентів клітинної мембрани в ЕПР та комплексу Гольджі, зокрема останній грає велику роль в транспорті синтезованих речовин до клітинної мембрани, бо утворює транспортні везикули.

Попередження пошкодження генетичного апарату та білків-ферментних систем: загалом, пошкодження генів спостерігається при дуже тяжких випадках альтерації, тому цей механізм активується напевно одним із останніх, але 1) тут грають роль компоненти антиоксидантної системи(зокрема, вітамін С та глутатіон пероксидаза), так як вони можуть знешкоджувати вільні радикали і попереджувати їх пагубний вплив на ДНК, але якщо вже саме ДНК піддалось пошкодженню, то 2) активуються ендонуклеази, ДНК-полімерази та лігази - всі ці ферменти забезпечують репарацію(вирізання пошкодженних нуклеотидів та заміщення новими) ДНК.
Зміна чутливості до біологічно активних речовин: іноді пошкодження клітини може бути обумовлене через надмірний або знижений вплив біологічно активних речовин на неї(гіпо-, гіпертиреоз), тому 1) знижується(при гіпер) або підвищується(при гіпо) щільність рецепторів на клітинній мембрані, 2)змінюється активність білків-трансдукторів, аденілциклази, фосфоліпази С і т.д, наприклад, ейкозаноїди(простагландини) можуть пригнічувати активність аденілатциклази - ключового ферменту, який потрібен для активації каскаду реакцій при дії адреналіну, глюкагону на клітину.

Активація білків теплового шоку: 1) не дивлячись на свою назву, ці білки-ферменти активуються під дією будь-яких пошкоджуючих чинників(гіпоксія, гіпертермія, радіація), а особливо під дією великої кількості денатурованого білку в цитоплазмі.Білки-теплового шоку це величезний спектр протеїнів, які мають різну молекулярну масу та різні функції.Наприклад, низькомолекулярні(маса до 15 кДа) БТШ являються ферментами, забезпечують реакцію часткового протеолізу(розщеплюють білок на дві частинки, таким чином білок-фермент або активується або пригнічується) по відношенню до різних білків: ендонуклеази, цикліни, p53.В результаті всі ці білки призводять до розщеплення ДНК, заморозку клітинного циклу, а у вкрай тяжких випадках спрацьовує механізм апоптозу.
БТШ з молекулярною масою 70кДа стабілізують структуру мікротрубочок та інших філаментів, таким чином "укріплюють" цитоскелет клітини, тим самим роблячи її більш стійкою до механічного навантаження.Також, вони виконують функцію шаперонів(няньки): забезпечують правильне дозрівання(формування четвертинної структури) білка(бо в клітині велика кількість вільних радикалів, які можуть завадити цьому процесу, БТШ беруть цю турботу на себе).
Високомолекулярні БТШ(90кДа) здатні пригнічувати внутрішньоклітинні рецептори до гормонів стресу(кортизолу).Наприклад, коли організм знаходиться в стані гострого стресу, то в крові так чи інакше підвищується кортизол, який при своїй високій концентрації може активовувати механізми апоптозу в деяких клітинах.Деякі клітини(зокрема, імунокомпетентні) здатні експресувати спеціальні БТШ, які блокують взаємодію кортизолу з внутрішньоклітинним рецептором, відповідно, знижується проапоптотична здатність останнього, що сприяє продовженню життя клітини(макрофага та іншого лейкоцита).Тобто, ці БТШ роблять клітину більш стійкою до стресу, іноді їх ще називають "білками стресу".

Зниження загальної активності клітини:Закон «переміжної активності функціонуючих структур».Сутність цього закону полягає в тому, що склад активних елементів (органа, клітини) під час поточної реакції змінюється, але загальна кількість діючих елементів може залишатися незмінною.Дуже цікаво, але нічого не зрозуміло.
Наприклад, в клітині є 5 мітохондрій - енергетичних станцій.Коли клітина знаходиться в стані спокою, то вона не буде використовувати всі 5 мітохондрій, натомість, вона буде вижимати всі соки із однієї мітохондрії, поки інші будуть відпочивати - це максимально просте переведення цього закону.
І ось це дуже цікаво розглянути з боку патології: наприклад, коли на клітину діє якийсь пошкоджуючий чинник, то альтерації піддасться лише та мітохондрія, яка працює на повну, коли інші "сплячі" мітохондрії зазнають мінімальних змін і вони будуть слугувати основою для відновлення енергетичного стану клітини.Цей приклад стосується не лише мітохондрій, за таким принципом працюють майже всі органели.
Принцип "зниження загальної активності клітини" виходить із всіх вищезазначених пунктів: клітина зупиняє синтезувати те, що їй зараз не є конче необхідним для життя(наприклад, вона зараз не буде синтезувати ДНК для підготовки до поділу), натомість вона переключається на ті процеси, які є необхідними для підтримки її життєдіяльності(синтез іонних помп, захист ДНК, зменшення експресії поверхневих рецепторів, за рахунок останнього клітина майже втрачає зв'язок із зовнішнім середовищем - вона стає егоїстом, так як зараз робить все, аби вижити їй самій), коротше кажучи, метаболізм в клітині максимально пригнічується.
Відповідно, коли людина тяжко хворіє, то буде доволі раціонально обмежити її рухи, аби не створювати зайвого стресу для клітин, так як зараз вони працюють лише для себе.

Зміни морфологічного характеру

Для розвитку цих змін потрібен деякий час, відповідно, такий вид адаптації переважає під час хронічних патогенних станів.
Гіпертрофія - збільшення розміру клітин та внутрішньоклітинних структур(іноді може спостерігатись лише збільшення внутрішньоклітинних структур, наприклад, гіпертрофія гладкого ЕПР).Гіпертрофія, як правило, характерна для тих клітин, які нездатні до поділу(скелетні міоцити).В свою чергу, гіпертрофія буває декількох видів:

• Справжня гіпертрофія характеризується збільшенням органу за рахунок збільшення його структурно-функціональних елементів
• Фізіологічна компенсаторна робоча гіпертрофія - збільшення міокардіоцитів та міоцитів скелетних м'язів у спортсменів внаслідок фізичного навантаження
• Патологічна компенсаторна робоча гіпертрофія - збільшення міокардіоцитів при різних вадах серця
• Вікарна гіпертрофія - збільшення одного парного органу у випадку нефункціональності іншого(наприклад, відмовляє одна нирка - збільшується друга)
• Гіпертрофія внаслідок порушення нервової/ендокринної регуляції
• Фізіологічна - збільшення молочної залози у жінок під час вагітності(обумовлена поєднанням гіпертрофії та гіперплазії)
• Патологічна - збільшення кінцівок, носу та губ внаслідок неконтрольованої секреції СТГ(акромегалія)
• Хибна гіпертрофія характеризується збільшенням органу за рахунок розростання сполучної тканини

Гіперплазія - збільшення кількості клітин та внутрішньоклітинних структур.Доволі часто гіперплазія та гіпертрофія комбінуються.Гіперплазія характерна для тих клітин, які не втратили здатність до поділу, наприклад, адипоцити під час ожиріння піддаються гіперплазії(хоча можуть і гіпертрофії, це залежить від особливостей раціону харчування).

Атрофія - зменшення розміру клітин та внутрішньоклітинних структур, як правило відбувається внаслідок 1)недостатнього живлення(обумовлене порушенням кровообігу внаслідок нейроендокринологічних проблем, емболів) або 2) функціональне невикористання клітин та її структур(наприклад, скелетні м'язи зменшуються, якщо людина припиняє займатись тяжкими фіз. навантаженнями), фізіологічним прикладом є атрофія тимусу з віком.

Метаплазія - зміна одного виду клітин на інший, при цьому зберігається групова належність, наприклад, плоский епітелій в стравоході під дією соляної кислоти може заміщуватись на призматичний епітелій(останній є стійким до дії хімічного чинника).

Дисплазія - поява клітин незрозумілої форми, як правило вони являються потенціально карциногенними.Наприклад, папіломовірус обумовлює дисплазію клітин шийки матки(як правило, змінюються клітини всіх шарів органу).Насправді, це не можна віднести до клітинних адаптацій, бо це більш відноситься до патологічних змін.

Неоплазія - надмірне розростання тканини, що обумовлене інтенсивним, неконтрольованим поділом ракових клітин.Також не являється фізіологічною клітинною адаптацією, але нехай тут буде.

Міжклітинні взаємодії

В межах органів, тканин і систем організму клітини не є ізольованими: вони взаємодіють між собою за допомогою різних сигнальних молекул. Це забезпечує адекватну реакцію нервової, ендокринної, серцево-судинної та інших систем організму як єдиного цілого на екзо- і ендогенні фізіологічні подразники.
Під час захворювань міжклітинні зв'язки беруть участь у реалізації захисно-пристосувальних реакцій клітини. Однак, на відміну від внутрішньоклітинних механізмів адаптації, вони чинять опосередкований вплив на процеси відновлення пошкодженої клітини. Найчастіше це проявляється у вигляді ліквідації або послаблення дії патогенного агента на клітину, або ж у забезпеченні її необхідними поживними речовинами (пошкодженій клітині їх часто потрібно більше, ніж у нормі). При цьому, міжклітинні механізми здійснюються переважно клітинами, які не були безпосередньо під впливом патогенного агента.

• На органно-тканинному рівні, наприклад, підвищення роботи кардіоміоцитів за межами зони некрозу при інфаркті міокарда значно знижує навантаження на пошкоджені клітини, зменшує ступінь їх подальшого ушкодження та активує процеси відновлення.
• На внутрішньосистемному рівні, наприклад, при серцевій недостатності для запобігання зниженню рівня артеріального тиску відбувається звуження периферичних артеріол. Цей механізм сприяє підтриманню перфузії крові в органах і тканинах та зменшує вплив такого патогенного фактора, як гіпоксія.
• На міжсистемному рівні в ліквідації негативного впливу загального ацидозу на клітини беруть участь кілька систем організму. Система зовнішнього дихання виводить надлишок летких кислот (СО2). Сечовидільна система через ацидогенез і аммоніогенез збільшує секрецію Н+ із сечею, підвищує реабсорбцію гідрокарбонатів із первинної сечі. Активуються буферні системи кісткової тканини на основі гідрокарбонатів і гідрофосфатів.

Ми завершили огляд основних механізмів адаптації клітини, завдяки яким вона може повернутися до початкового рівня функціонування.
Однак, коли ці механізми виявляються недостатніми або через їх недосконалість, може розвинутися некроз (ендогенізація патологічного процесу). Приклади цього можна знайти для кожного захисного механізму. Наприклад, надмірна активація антиоксидантних систем, які знижують активність процесів перекисного окислення ліпідів у мембранах, може призвести до зниження стійкості до патогенних бактерій. Це пов'язано з тим, що пригнічується бактерицидна дія активних кисневих радикалів у фаголізосомах, які руйнують клітинні стінки бактерій.
Анаеробний шлях окислення глюкози є важливим джерелом енергії (АТФ) за нестачі кисню, але його тривала активація може викликати внутрішньоклітинний ацидоз, що негативно впливає на клітину. Підвищена активність генів швидкої реакції може також призвести до бластної трансформації клітини. Навіть зниження функціональної активності пошкодженої клітини, що позитивно впливає на її стан, іноді може негативно позначитися на організмі в цілому, як у випадку зі зниженням насосної функції серця, що зменшує перфузію крові органами і тканинами.