Ostecenje celije

[Bred]

O©TEÆENJE ÆELIJE, SMRT i ADAPTACIJA


Æelija i okru¾enje

Adaptivni odgovor: atrofija, hipertrofija, hiperplazija, metaplazija. O¹teæenje æelije: reverzibilno, ireverzibilno. Delovanjem etiolo¹kih faktora - o¹teæenja graðe subcelularnih struktura i poremeæaja njihove funkcije.
Stepen o¹teæenja æelije zavisi od: vrste etiolo¹kog faktora, intenziteta i du¾ine njegovog dejstva, tipa æelije (tj. od njene osetljivosti - vulnerabilnosti na dejstvo etio¬lo¹¬kog agensa), drugih faktora (npr. pro¬krvljenosti i nutricionih karakte¬ris¬tika zahvaæenog tkiva).

O¹teæenja: biohemijska o¹teæenja, morfolo¹ke promene na pojedinim organelama ili u citoplazmi, mogu biti: reverzibilne ili ireverzibilne

Smrt æelije: nekroza, apoptoza
(+ slika slajd 9)


Uzroènici o¹teæenja æelije:

1. Hipoksija; 2. Fizièki agensi (mehanièka trauma, opekotine, smrzotine, iznenadne promene pritiska – barotrauma, zraèenje, elektrièni ¹ok); 3. Hemijski agensi (glukoza, so, voda, otrovi – toksini, lekovi, insekticidi, herbicidi, CO, azbest, alkohol, duvan, narkotici); 4. Infektivni agensi (prioni, virusi, rikecije, bakterije, gljive, paraziti); 5. Imunske reakcije (reakcije preosetljivosti, autoimunske reak¬cije); 6. Abnrmalno nakupljanje metabolièkih produkata (npr. slobodnih radikala kiseonika);
7. Ge¬¬netske promene (kongenitalne malformacije, abnormalni proteini – hemoglobinopatije, abnor¬manost ili nedostatak enzima); 8. Nutricioni disbalans (proteinsko-kalorijske deficijencije, vitaminske deficijencije, prekomerni unos hrane – gojaznost, ateroskleroza)

Najèe¹æa inicijalna o¹teæenja æelija:

1. Integritet æelijske membrane; 2. Aerobno disanje (promene u ATP sintezi utièu na pH, influks Ca++); 3. Sinteza proteina - smanjena sinteza proteina citoskeleta, bubrenje æelijske (membrane);
4. Genetski aparat Npr. o¹teæenje DNK zraèenjem: mo¾e da ostane neprimetno do deobe æelije; prvo se vidi na æelijama koje se br¾e dele). 5. Smanjena sinteza ATP u mitohondrijama - smanjena aktivnost Na+/K+ ATPaze: æelija zadr¾ava Na+ i H2O i bubri; nagomilava se mleèna kiselina, razvija se acidoza; lipidi se nagomilavaju u æeliji (specijalno u æelijama jetre izazivajuæi cirozu).
MEHANIZMI O©TEÆENJA ÆELIJE

Ishemija; Reaktivni oblici kiseonika (O2.-, H2O2, OH.): radiacija; inflamacija; hemijski faktori; reperfuziono o¹teæenje (+slièica, slajd 15)


Ishemija i hipoksija

Reverzibilno o¹teæenje

Smenjena oksidativna fosforilacija:
•   Smanjeno stvaranje ATP-a, a poveæana koncentracija ADP-a, AMP-a i neorganskog fosfata: # AMP/ATP  # aktivnosti fosfofruktokinaze  # razlaganje glukoze do piruvata; Istovremeno se zbog manjka kiseonika # koncentracija NADH (izostaje njegova oksidacija u mitohondrijama) i on # prelazak piruvata u laktat ¹to, $ pH. faza brze glukolize 2min., a zatim faza spore glukolize zbog inhibitornog delovanja niskog pH i NADH;
•   Smanjena aktivnost Na+/K+ pumpe (aku¬mu¬lacija Na+ u æeliji, isoosmotsko zadr¬¾a¬vanje vode (edem), poveæana konc Ca++ u citoso¬lu, difuzija K+ iz æelije);
•   Poveæana c. Ca++ u citosolu - Izvori: mito¬¬hon¬drije, ER, vanæelij¬ski. Posledice: 1. Ca++ ulazi u mitohondrije i uzrokuje stvaranje pora u mitohondrijskoj mem¬bra¬ni (perme¬abi¬litetna tranzicija). Us¬pos¬ta¬vi li se normalna oksigenacija, mito¬hon¬¬drije poèinju da proizvode ATP, pore se zatvaraju i popravlja se funkcija mito¬hon¬drija, a oporavljena proizvodnja ener¬gije oporavlja i druge æelijske funkcije;  2. Aktivacija enzima (ATPaza: ↓ATP, fosfolipaza: ↓ fosfolipidi); aktivacija en¬zi¬ma, fosfolipaze, aktivacija membranskih fosfolipaza A1 i A2: otcepljuju se masne kiseline, medju kojima je i arahidonska kiselina, arahidonska kiselina se metaboli¹e ciklooksigenaznim / lipo¬oksi¬genaznim putem, pri èemu nastaju slobodni radikali kiseonika (*); Aktivira se fosfolipaza C koja pokreæe fosfoinozitolski glasnièki put, pri èemu nastaju diacilglicerol i inozitol-trifosfat koji poveæavaju koncentraciju Ca++ (delujuæi na prenosne mehanizme u membranama æelije i ER), Ca++ koji se u poèetnoj reverzibilnoj fazi nakupio u mitohondrijama sad izlazi napolje dalje poveæavajuæi koncentraciju Ca++; Endonukleaze: o¹teæenje jedarnog hromatina, proteaze: razgradnja proteina membrane i proteina citoskeleta; aktivira se enzim - proteaza koja na odredjenom mestu razla¾e enzim ksantin-dehidrogenazu i prevodi ga u ksantin-oksidazu, ksantin-dehidrogenaza, pri oksidaciji hipoksantina i ksantin, prenosi elektrone i vodonik na NAD, a ksantin-oksidaza prenosi elektrone na molekulski kiseonik i tako nastaje O2-., koji u prisustvu tragova Fe++ prelazi u H2O2, a ovaj u hidroksilni radikal (OH.); u nervnim i endotelnim æelijama: podstièe aktivnost NO sintaze, pa se poveæava stvaranje NO, koji deluje citotoksièno prelaskom u peroksinitritni anjon i dalje stvaranjem OH.)

Biohemijske promene: anaerobnapoveæana glikoliza (deplecija glikogena, akumulacija laktata, akumulacija neorganskih fosfata, ↓ pH intracelularno);

Morfolo¹ke promene
•   Odvajanje ribozoma: smanjena proteina
•   Pogor¹anje funkcije mitohondrija
•   Poveæanje permeabilnost membrane
•   Disperzija citoskeleta: gubitak mikrovila,
   stvaranje evaginacija æelijske membrane
•   Bubrenje mitohondrija, ER i cele æelije.



(*) Slobodni radikali kiseonika koji nastaju tokom hipoksije u reverzibilno o¹teæenim æelijama deluju kao glasnièke molekule i podstièu aktivaciju sistema NF-kB (nuklearni faktor kB). Transkripcioni faktor NF-kB se nalazi u citoplazmi razlièitih æelija vezan za inhibicijski molekul I-kB. Aktivacijske poru¬ke (IL-1, TNF-a, H2O2, virusi, LPS bakterija) podstièu odvajanje I-kB, a nakon toga oslobodjeni NF –kB putuje u jedro i vezuje se za pobudjivaèe gena koje aktivira (kortizol potiskuje aktivnost NF –kB). Geni koje NF–kB aktivira kodiraju sintezu proteina koji neposredno, ili putem posrednika, uèestvuju u lokalnoj inflamatornoj reakciji i op¹toj reakciji organizma na o¹teæenje. [centralni dogadjaj u aktivaciji endotelnih æelija i vodijePobuda NF –kB poveæanoj ekspresiji adhezivnih molekula i adheziji leukocita za endotel (aktivacijom leukocita oslobadja se velika kolièina slobodnih radikala)]


Ireverzibilno o¹teæenje:

Morfolo¹ke promene:
•   Mitohondrijske promene (izra¾ena vakuolizacija; amorfna, kalcijumom-bogata zgusnuæa)
•   Ekstenzivna o¹teæenja plazma membrane
•   Prominentno bubrenje lizozoma koje vodi njihovoj rupturi i ‚‚curenju‚‚ degradativnih enzima (aktivacija kiselih intracelularnog pH, sa degradacijom æhidrolaza zbog elijskih komponenti)
•   Promene u jedru (kondenzacija – piknoza i fragmentacija – karioreksa, ili razgradnja -   karioliza)
•   Kontinualni gubitak æelijskih proteina, enzima, koenzima, RNK i dr. metabolita
•   „Curenje“ enzima merljivo u serumu – dijagnostièki znaèaj (*iz æelija srèanog mi¹iæa oslobadja se CK i troponin,    * iz æelija srèanog mi¹iæa i jetre oslobadja se AST (SGOT), *iz æelija jetre se oslobadja ALT (SGPT), ** AST i ALT - aminotrnsferaze)
•   Influks makromolekula iz intersticijuma


Mehanizam ireverzibilnog o¹teæenja:

Fenomeni koji karakteri¹u ireverzibilnost: nesposobnost reverzije disfunkcije mitohondrija; duboki poremeæaji funkcije plazma membrane (jedan od glavnih faktora).

Mitohondrije: su energetske fabrike eukariotskih æelija; Imaju dve membrane - spolja¹nju i unutra¹nju koja je nabrana tako da formira kriste. Enzimi koji uèestvuju u ciklusu limunske kiseline (Krebsov ciklus ili TCA ciklus) su locirani u mitohondrijama; Ovi enzimi uèestvuju u degradaciji razgradnih produkata proteina, ¹eæera i masti do CO2 i H2O, pri èemu se osobadjaju visoko-energizovani elektroni koji se prenose na proteine respiratornog lanca lokalizovane na unutra¹njoj membrani, gde se njihova energija prenosi na ATP (poslednje 2 fosftne grupe ATP-a su vezane za ostatak molekule specijalnim energijom bogatim hemijskim vezama – energija pohranjena u ovim vezama oslobadja se njihovom razgradnjom za æelijke potrebe, kao ¹to je kretanje, izbacivanje soli, ingestija nutrijenata itd.); Ovaj proces je aeroban – zahteva kiseonik. Kiseonik je potreban da primi elektrone koji su preneti na respiratorni lanac. Elektroni se kombinuju sa kiseonikom (O2) i protonima (H+) stvarajuæi vodu; Ako nema kiseonika æelija stvara ATP iz glukoze anaerobnim putem; Ovaj process je znatno manje efikasan nego aerobna glikoliza i njegov krajnji produkt - mleèna kiselina mo¾e da bude ¹tetan po æelije. (U trkaèa na duge staze mogu da se jave grèevi u mi¹iæima zbog nedovoljnog snabdevanja kiseonikom i stvaranja velikih kolièina mleène kiseline).

Plazma membrana:dvoslojna, izgradjena od fosfolipida – lipida koji èine njen unutra¹nji deo i koji su povezani sa negativno naelektrisanim fosfatnim grupama koje su okrenute ka spolja¹njoj sredini i unutra¹njosti æelije. Okru¾uje i ¹titi æeliju i kontroli¹e njenu unutra¹njost tako ¹to: 1) kontroli¹e ulazak vode, soli i nutritienata i 2) interreaguje sa spolja¹njom sredinom posredstvom æelijskih receptora. Proteini su uronjeni u fosfolipidni dvosloj plazma membrane. Ovi proteini imaju obièno jedan eksterni domen, transmembranski domen, i jedan citoplazmatski domen. Ovi proteini slu¾e kao most izmedju unutra¹njosti æelije i spolja¹nje sredine. Neki od ovih proteina su receptori, koji vezuju specifiène supstance iz spolja¹nje sredine – ligande (receptor i ligand odgovaraju jedan drugom kao brava i kljuè i kada se ligand ve¾e za receptor emituje se signal u unutra¹njost æelije koji mo¾e da uzrokuje nastanak promena u æeliji omoguæavajuæi joj da se adaptira na promene u okru¾enju). Neki od ovih proteina slu¾e kao adhezivni molekuli, posredstvom kojih se medjusobno povezuju æelije (npr., epitelne æelije) ili se æelije vezuju za proteine bazalne membrane (epitelne æelije) ili strome (mezenhimske æelije).

Potencijalni uzroci o¹teæenja membrane:
•   Progresivan gubitak fosfolipida æelijske membrane: aktivacija fosfolipaza; redukovana sinteza fosfolipida
•   citoskeletne abnormalnosti: aktivacija proteaza, bubrenje æelije
•   toksièni kiseonièni radikali (naroèito nakon uspostavljanja protoka krvi)
•   Razgradni produkti lipida (nastali degradacijom fosfolipida) imaju detergentni efekat na membranu
•   Masivni influks Ca++
+ slika slajd 46



Slobodni radikali kao medijatori o¹teæenja æelije

Reaktivni oblici kiseonika (ROS)                                   

•   Molekuli kao H2O2 (5)
•   Joni kao hipohloridni jon (6)
•   Radikali kao hidroksilni radikal (3) – najreaktivniji
•   Superoksidni anjon koji je jon i radikal (2)

Radikali – takodje poznati kao SLOBODNI RADIKALI su atomi/ klasteri atoma od kojih jedan sadr¾i 1 nesparen elektron u spolja¹njoj orbiti, tako da je ovakva konfiguracija izrazito nestabilna, pa brzo reaguje sa drugim molekulima ili radikalima u cilju uspostavljanja stabilne konfiguracije od 4 para elektrona u spolja¹njoj orbiti (1. za vodonik)

Slobodni radikali uèestvuju u: ubijanju mikroba u fagocitima; hemijskom i radijacijskom o¹teæenju; toksiènom delovanju kiseonika i drugih gasova; starenju æelije; inflamatornom o¹teæenju; makrofagnoj destrukciji tumora; drugim

Izvori slobodnih radikala:
•   Neizbe¾ni produkti æelijskog disanja (neki elektroni pri prelasku na respiratorni lanac “iscure” sa glavnog puta (specijalno oni koji se prenose ubikvinonom) i odlaze direktno da redukuju molekule kiseonika u superoksidni anjon
•   Nepotpuna redukcija kiseonika (ovome pogoduju hipoksija i hiperoksija)
•   Reakcije katalizirane: enzimima (ksantin-oksidaza, NADPH oksidaza u neutrofilima i makrofagama i mijeloperoksidaza u neutrofilima);    metalima (Fentonova reakcija)
•   Metabolizam: Egzogenih molekula (CCl4 konverzija u CCl3), Endogenih molekula (sinteza prostaglandina, aktivnost citohroma P-450)
•   Radioloza vode u OH. i H.
Mehanizmi o¹teæenja slobodnim radikalima:

1. Lipidna peroksidacija membrane  (poveæana permeabilnost): Dvostruke veze u polinezasiæenim lipidima. Meðu najznaèajnije efekte slobodnih radikala ubrajaju se oni koji nastaju njihovim delovanjem na masne kiseline boènih lanaca lipida razlièitih membrana æeli¬je, pre svega membrane mito¬hon¬drija (direktno eksponirana O2. nastala prili¬kom æelijskog disanja). Na slici je pri¬ka¬zan najverovatniji sled dogaðaja: hidro¬ksilni radikal uklanja H atom sa jednog od C atoma masne kiseline boènog lanca lipida (prikazan samo deo lanca) formirajuæi jedan molekul vodonik peroksida i ostavljajuæi C atom sa jednim nesparenim elektronom (carbon-centred radical) koji mo¾e da reaguje sa molekulom kiseonika formirajuæi peroksilni radikal, koji sad mo¾e da „ukrade“ jedan H atom iz obli¾njeg lanca stvarajuæi tako jedan novi radikal. Jedna od podmuklih karakteristika slobodnih radikala je ta ¹to oni interreaguju sa drugim molekulima da bi postigli stabilnu konfiguraciju elektrona i tom prilikom konvertuju taj target molekul u radikal. Tako zapoèinje lanèana reakcija koja se propagira sve dok se nesretnu dva radikala, koja dajuæi po jedan elektron oforme kovalentnu vezu kojom se povezuju. Dva èesta primera: Peroksilni radikal mo¾e da interreaguje sa: 1.) drugim peroksilnim radikalom na obli¾njem boènom lancu masnih kiselina lipida unakrsno ih vezujuæi kovalentnim vezama. 2.) Drugim obli¾njim ugljeniènim radikalom (carbon-centred radical) unakrsno ih vezijuæi. U oba sluèaja ovako se zavr¹ava formiranje radikala, ali rezultat je taj da masne kiseline boènog lanca membranskih lipida postaju tako izmenjene da dolazi do o¹teæenja membrane. Lipofuscin pigment karakteristièan za ostarele æelije verovatno nastaje ovim mehanizmom.

2. Lezije DNK (smanjena sintezaproteina). Reakcije sa timinom sa prekidima jednog lanca (proteina).

3. „Cross-linking“ proteina (o¹teæenja jonske pumpe, transportnih mehanizama);    sulfhidrilno posredovana unakrsno vezivanje proteina

*Slobodni radikali - nestabilni, spontano degradiraju. Degradaciju ubrzavaju superoksid dismutaza (konvertuje 2 O2.- → u molekul O2 i H2O2) i katalaza (konvertuje H2O2 → O2 + H2O)


Antioksidansi

   Antioksidansi mogu uklanjati slobodne radikale (vitamin C, E, flavonoidi, fenoli, karotenoid, mokraæna kiselina, koenzim Q, tiolne molekule: cistein, cistamin, metionin, glutation, ubikvinon) ili mogu blokiraju stvaranje slobodnih radikala (ceruloplazmin, feritin). I neke egzogene molekule mogu u æeliji delovati kao antioksidansi (diferioksamin).
   Smatra se da je visok nivo mokraæne kiseline odgovoran za dug ¾ivot nekih reptila i ptica. Èovek takodje izluèuje mokraænu kiselinu (nastaje u peroksizomima kao reziltat metabolizma nukleinskih kiselina, a ne proteina).
   Peroksizomi su velièine lizozoma (0.5–1.5 µm), i slièno lizozomima, obavijeni jednoslojnom membranom. Slièni su lizozomima i jer su bogati enzimima. Za razliku od lizozoma koji nastaju od God¾i aparata, peroksizom ovi nastaju od endoplazmatskog retikuluma. Enzimi i proteini peroksizoma se sinteti¹u u citosolu. Svaki protein sadr¾i jedan peroxisomal targeting signal (PTS) kojim se vezuje za receptorni molekul koji obezbedjuje ulazak proteina u peroksizom, a potom se “vraæa” po novi protein. Dva PTS su identifikovana: 9-amino kiselinska sekvenca na N-terminalnom delu proteina i tripeptid na C-terminalnom delu.    Svaki od ova dva PTS ima svoj receptor. Neke od funkcija peroksizoma u æelijama jetre èoveka su: 1) Razgradnja (oksidacijom) vi¹ka masnih kiselina; 2) Razgradnja H2O2, potencijalno opasnog produkta oksidacije masnih kis; 3) Uloga u sintezi holesterola (jedan od enzima koji je ukljuèen je HMG-CoA reduktaza, target lekova za sni¾avanje nivoa holesterola - statina 3) Uloga u sintezi ¾uènih soli; 4) Uloga u sintezi lipida koji se koriste za sintezu mijelina; 5) Uloga u razgradnji vi¹ka purina (AMP, GMP) do mokraæne kiseline.
Bolesti u èijem nastanku uèestvuju slobodni radikali:

Promene u starenju; Ateroskleroza; Mo¾dani poremeæaji (Alchajmerova bolest); Kancer; Srèana miopatija; Hronièni glomerulonefritis; Dijabetes; Oèni poremeæaji (katarakta); Inflamatorni poremeæaji; Inflamatorne bolesti; Pluæne bolesti (emfizem); Ko¾ne promene (izazvane sunèanjem); Nutricioni deficiti; Radijacione povrede; Reperfuzioni sindrom; Toksièna stanja.

Uloge ROS u æeliji

U æelijama tireoidne ¾lezde H2O2 je neophodan da ve¾e atome joda za tireoglobulin u sklopu sinteze tiroksina. Makrofage i neutrofili stvaraju ROS kako bi ubile neke tipove bakterija koje unose fagocitozom: bakterija uneta u ove æelije fagocitozom nalazi se u fagozomu, fagozom sa bakterijom se spaja sa lizozomom, subjedinice enzima NADPH oksidaze se povezuju u membrani lizozoma èime nastaje aktivni enzim koji katalizuje sintezu O2. (NADPH − 2 e- + 2O2 -> NADP+ + H+ + 2 O2−) Ova aktivnost uzrokuje veliku potro¹nju kiseonika,-“respiratorna eksplozija” (engl. "respiratory burst"), SOD konvertuje O2− . u H2O2, koji ubija bakterije (sem onih koje produkuju dovoljno katalaze da se za¹tite). Neutrofili (ne makrofage) takodje ubijaju fagocitovane bakterije, ali uz uèe¹æe enzima mijeloperoksidaze koji katalizuje reakciju izmedju H2O2 (nastalog iz O2− .) i hlorida kojom nastaje jak antiseptik hipohloritni jon (OCl−).
   H2O2 + Cl− → HOCl (hipohlorna kiselina) + OH−
   HOCl → H+ + OCl−

Hronièna Granulomatozna bolest
Redak genetski poremeæaj (uzrokovan defektom gena na X hromozomu koji kodira jednu subjedinicu NADPH oksidaze, tako da mu¹karci oboljevaju, a ¾ene su uglavnom prenosioci) koji pokazuje znaèaj ROS-a u za¹titi od mnogih tipova bakterijskih infekcija. Osobe sa ovim oboljenjem te¹ko se oslobadjaju bakterijskih infekcija, posebno onih izazvanih bakterijama (Saphylococci, Salmonella, E. coli, Mycobacteria) koje produkuju katalazu, tako da èesto dolazi do formiranja perzistentne nakupine inficiranih æelija - granuloma.
   (In June 2005, two cases of successful gene therapy for CGD were reported. Blood stem cells from the patients were removed, and the active gene for the NADPH subunit inserted into them using a retroviral vector. The transformed cells were returned to the patients, took up residence in their bone marrow, proliferated successfully, and improved their symptoms.)


OBLICI I MORFOLOGIJA ÆELIJSKOG O©TEÆENJA

Detekcija o¹teæenja:    1. histohemijskim ili ultrastrukturnim metodama - min. – sati;
         2. svetlosno-mikroskopski ili makroskopski -sati - dani
Reverzibilno o¹teæenje:   Bubrenje æelije (hidropsne promene, vakuolna degeneracija): najranije promene, bledilo organa, poveæanje te¾ine (makroskopski), male, èiste vakuole u citoplazmi, (mikroskopski).  + 2 mikroskopije slajd 73 i 74.
   Bubrenje æelije (ultrastrukturne promene): evaginacije plasma membrane, gubitak jasnih granica, distorzija mikrovila; bubrenje mitohondrija, pojava amorfnih zgusnuæa bogatih fosfolipidima; dilatacija endoplazminog retikuluma sa disocijacijom polizoma; disagregacija granularnih i fibrilarnih elemenata nukleusa.  + 3 mikroskopije slajd 77, 78 i 79