Текст книги "Возрастная морфология. Часть I"

Глава 5.
ВОЗРАСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СТРУКТУРЫ КЛЕТОК

Организм человека и его клетки на всех этапах постнатального онтогенеза постоянно подвергается воздействию самых разнообразных физических, химических или биогенных факторов. Эти факторы приводят к постепенному истощению резервов структурных элементов клеток, появлению сначала их функциональных нарушений, а затем и структурных изменений.

В свою очередь, старение клеток изменяет функциональное состояние образуемых ими тканей и органов организма, снижая постепенно уровень его активности и работоспособности. Однако процесс старения в самих клетках различных тканей происходит с различной интенсивностью и выраженностью, в связи с чем выделяют три категории клеток, которые разными способами сохраняют оптимальное соотношение между поддержанием численности своей популяции и выполнением специальных функций.

Первая категория клеток отличается большой продолжительностью жизни, высокой специализацией, однако их деление происходит редко и только при определенных условиях (удаление, гибель части органа), приводя к восстановлению численности популяции. Примером могут служить гепатоциты печени, клетки эндокринных желез и пр.

Вторая категория – высокоспециализированные клетки, не способные делиться, которые после выполнения своей функции погибают – это эпителиоциты тонкой кишки, клетки эпидермиса кожи, крови и соединительной ткани. В этом случае их замещение обеспечивается размножением стволовых клеток той же популяции.

Третья категория – это высокоспециализированные клетки, которые утратили способность к делению и не имеют стволового фонда. В случае их разрушения или отмирания никаких резервов в организме нет: это нейроны и кардиомиоциты. В конце эмбриогенеза они теряют способность размножаться, дифференцируются, живут и функционируют до конца жизни организма.

Таким образом, в организме одновременно, кроме делящихся существует огромное количество уже не делящихся клеток, которые выполняют свою основную функцию, стареют и погибают. Поэтому интимные механизмы старения различных клеток неодинаковы и, в связи с этим, можно выделить несколько их типов:

1. Клетки, которым свойственно первичное старение, в результате собственных возрастных изменений – это нервные и мышечные клетки, многие соединительнотканные элементы. Они формируют стабильные, или статические, популяции, неспособные к размножению. Первичные механизмы старения в них связаны с изменением состояния генома и , как следствие, со снижением интенсивности репликации ДНК, приводящим к изменениям биосинтеза белка.

2. Клетки, старение которых (кроме собственных возрастных изменений) обусловлено влиянием регуляторных, средовых факторов , а также других клеточных элементов – мышечные волокна, клетки желез, печени, почек, лимфоциты крови. Такие клетки образуют растущие популяции, в которых количество размножающихся клеток обеспечивает только рост и, возможно, компенсирует существующую небольшую убыль клеток в органах.

3. Клетки, у которых в обычных условиях старение в основном вторично и обусловлено воздействием всего комплекса внутриорганизменных регуляторных влияний (нейро-гормональное, кровоснабжение и т.д.). Таковы эпидермис кожи, эпителий многих органов. Эти клетки формируют обновляющиеся популяции, в которых количество вновь образующихся клеток соответствует количеству дифференцированных, функционирующих и отмирающих клеточных элементов.

Следовательно, организм по продолжительности жизни составляющих его клеток является гетерогенным, а отмирание клеток является естественным процессом. Поэтому во взрослом организме постоянно происходит структурное обновление клеточных популяций: белков клеток, составных частей органелл и их ядер. Этот процесс восстановления внутриклеточных структур называется внутриклеточной регенерацией.

Внутриклеточная регенерация

Внутриклеточная регенерация включает в себя молекулярную, внутриорганеллную и органеллную формы, происходящие в клетке при ее функционировании. При этом показателем интенсивности этих процессов является ядерно-цитоплазматическое соотношение – стабильный параметр, отражающий уровень метаболичеких процессов в клетках на различных этапах их развития и жизнедеятельности. Клетки, у которых объем ядра больше объема цитоплазмы, выполняют лишь функции, связанные с ростом и делением, синтезом неспецифических веществ. В клетках, где объем ядра меньше объема цитоплазмы, появляются специфические функции. Чем больше объем цитоплазмы превышает объем ядра, тем выше уровень специализации клетки. Внутриклеточные регенераторные процессы представляют собой комплекс изменений, синхронно затрагивающих как ядерный аппарат, так и цитоплазматические структуры.

Репаративные явления в ядрах выражается в восстановлении строения нуклеоплазмы, увеличении числа пор ядерной оболочки и их размера, а также величины и количества ядрышек.

Восстановление митохондрий заключается в регенерации крист из сохраненных участков, прилежащих к внутренней мембране, восстановлении структуры матрикса.

Весьма лабильной структурой является цитоплазматическая сеть: восстановление гранулярной и агранулярной эндоплазматической сети происходит за счет наружной цитоплазматической мембраны, ядерной оболочки и сохранившихся мембран цитоплазматической сети. Протяженность мембран увеличивается при интенсификации работы и подвергается заметной редукции в условиях покоя.

Проявлением подвижности физиологических и репаративных процессов в цитоплазме клеток является быстрое и непрерывно совершающееся изменение числа и локализации рибосом. Регенерируя сами, они обеспечивают восстановление и других органелл, в том числе и специальных (миофибрилл, нейрофибрилл).

Интенсификация внутриклеточной физиологической регенерации сопровождается весьма характерным увеличением числа лизосом с повышением их функциональной активности. Вместе с тем, возрастание числа лизосом может быть и результатом перенапряжения, «усталости» клетки, когда она уже не может перерабатывать большое количество шлаков при декомпенсации ее деятельности.

Высокой способностью к регенераторным процессам обладают мембраны пластинчатого комплекса Гольджи. Они быстро регенерируют после повреждения и увеличивают свою территорию при повышении функциональной активности клетки. В основе этого процесса лежит гиперплазия мембранных систем за счет ранее существовавших мембран и кариолеммы. Репарация клеток бывает полной, когда восстанавливаются все свойства данных клеток, или неполной. В последнем случае после снятия действия повреждающего фактора нормализуется ряд функций клеток, но через некоторое время они уже без всякого воздействия погибают. Особенно часто это наблюдается при поражении клеточного ядра.

Морфология стареющей клетки

В процессе возрастных преобразований клеток различных популяций наблюдаются как общие черты реакций основных компонентов клеток, так и специфические, связанные с тканями и органами, которые они образуют.

Возрастные изменения клеточных мембран

Цитолемма. Существует точка зрения о том, что наружная клеточная мембрана (цитолемма) наиболее устойчива в процессе старения клетки. В динамике возрастных преобразований, действительно, непрерывность цитолеммы сохраняется, поскольку ее нарушение ведет к гибели клетки. Вместе с тем клеточные поверхности выполняют ряд важных функций, таких как транспорт веществ, прием внешних сигналов (рецепция), обеспечивают взаимодействие клеток между собой, их движение, сохранение формы и др. Поэтому в процессе старения в цитолемме обнаруживаются функциональные и структурные преобразования:

• очаговые уплотнения и утолщения;

• уменьшение интенсивности микропиноцитоза;

• изменение количества микроворсинок и микровыростов, что особенно проявляется в условиях повышенной функциональной нагрузки на клетку;

• уменьшение количества и изменение межклеточных контактов.

При активации биосинтеза белка, вызываемой различными факторами, в том числе и гормонами, возникает однотипная реакция клетки – гиперполяризация, которая изменяет возбудимость клетки, транспорт веществ внутрь клетки. Биологический смысл этого феномена состоит в ограждении клетки от высокой активности в условиях интенсивного биосинтеза белка, требующего больших энергетических затрат.

Внутриклеточные мембраны

Изменения, связанные с возрастом, относятся как к основным компонентам, составляющим мембраны, так и к мембранам отдельных органелл (мембранных). Исследования мембран, проводившиеся в этом направлении, касались главным образом изучения степени текучести их билипидного слоя и обусловленных этим возрастных изменений.

Согласно "жидкостно-мозаичной модели", компоненты мембраны обладают способностью к латеральной флотации (текучести) в плоскости мембран, при этом белки распространяются активнее, чем липиды. Текучесть мембран обусловлена воздействием ряда факторов, важнейшими из которых являются температура, ненасыщенные жирные кислоты, избыток холестерина, белки. С возрастом повышается восприимчивость мембран к перекисному окислению липидов, а текучесть мембран заметно изменяется под воздействием аккумуляции свободных радикалов. Изменения в составе жирных кислот приводят к снижению индекса ненасыщенности, причиной чего предположительно является уменьшение текучести.

Изменения в степени текучести мембран могут привести к изменениям в кслеточных реакциях, включая возбудимость, транспорт и связывание сигнальных молекул и лигандов с рецепторами, в результате чего изменяется реакция клетки на эндо– и экзогенную стимуляцию. Мембранные рецепторы, связываясь с лигандами, формируют лиганд-рецепторные комплексы, которые сливаются в кластеры, образуя скопления, бляшки и налеты. У пожилых людей способность к образованию лиганд-рецепторных комплексов и их подвижность снижаются, особенно при преждевременном старении.

Связанные с возрастом изменения мембранных компонентов, особенно липидных, варьируют в зависимости от типа клетки и мембраны, диеты, физической нагрузки, гормонального статуса, антигенов и т. д.

К другим возрастным изменениям мембран относятся:

• накопление липофусцина;

• ферментные модификации;

• перекисное окисление липидов внутриклеточных мембран;

• физико-химические изменения.

Указанные изменения приводят к усилению ригидности мембран, снижению проводимости ионов и снижению количества и качсетва мембранных рецепторов, что повышает риск развития аутоиммунных заболеваний (и других заболеваний иммунной системы), оказывают влияние на максимальную продолжительность жизни, репарацию ДНК, ликвидацию свободных радикалов и на некоторые ферментные процессы.

Взаимосвязь между плазматической мембраной и цитоскелетом играет большую роль в подвижности и перераспределении рецепторных комплексов. Этот процесс существенно замедляется в пожилом возрасте (от 85 лет и старше).

Цитоскелетные элементы, передавая информацию с клеточных мембран внутриклеточным компонентам, играют важную роль в регуляции некоторых клеточных функций, например, включая ответ лимфоидных клеток на митогены, хёмотоксическую реакцию нейтрофилов, содержание липофусцина в лизосомах и деление клеток. Изменения этих функций по мере старения организма свидетельствуют о том, что дезорганизация цитоскелетных структур является, по-видимому, также движущим фактором некоторых возрастных явлений.

Ядро. Ядра клеток наряду с некоторым увеличением их объема в процессе возрастных преобразований изменяют свою форму. Для ядер старых клеток характерны:

• неровная, фестончатая поверхность, образующаяся за счет многочисленных инвагинаций кариолеммы. Происходящее при этом увеличение поверхности ядерных мембран рассматривается как компенсаторный процесс, ведущий к увеличению поверхности соприкосновения между ядром и цитоплазмой и интенсификации их взаимодействия;

• расширение перинуклеарного пространства между наружной и внутренней ядерными мембранами с формированием цистерн, разделенных ядерными порами, при этом нередко отмечается расширение ядерных пор;

• увеличение доли конденсированного хроматина (гетерохроматина) и уменьшение доли диффузного хроматина (эухроматина);

• появление при старении так называемых ядерных включений, в виде фибриллярных пучков, вирусоподобных частиц, мультивезикулярных и электронноплотных частиц. Природа этих включений окончательно не расшифрована, однако полагают, что они уменьшают "эффективный" ядерный объем;

• увеличение количества клеток с полиплоидией ядер, числа двух– и многоядерных, а также многоядрышковых клеток.

Цитоплазматические структуры играют важную роль в жизнедеятельности клетки в норме и при возрастных изменениях.

Матрикс. В процессе возрастных изменений и старения изменяется цитоплазматический матрикс клеток:

• в клетках статических популяций и в других с возрастом появляется резко просветленный цитоплазматический матрикс с явлениями гидратации;

• в других стареющих клетках матрикс, наоборот, уплотнен, в нем часто встречаются очаги некробиоза и деструкции. В цитоплазме иногда отмечается меньшая упорядоченность в расположении органелл.

Митохондрии. Одним из постоянных признаков возрастных преобразований и старения клеток являются морфологические изменения митохондрий:

• часть из них имеет просветленный матрикс, расширенные межкристные промежутки, декомплексированные кристы;

• определенный процент митохондрий становится значительно измененным в виде резкого набухания с разрушением крист и внутренней мембраны или же со спирализацией и миелинизацией ее;

• появляются электронно-плотные митохондриальные включения;

• изменяются форма и размеры митохондрий – наряду с органеллами обычных размеров появляются крупные, иногда гигантские митохондрии, что рассматривается как компенсация редукции количества органелл, вызванной ингибированием их деления;

• наблюдается уменьшение относительного объема митохондрий, что также рассматривается как компенсаторная перестройка в связи с дистрофическими изменениями в части митохондрий и нарушениями их функции.

С возрастом наблюдается уменьшение числа митохондрий, особенно в нейронах, пресинаптических терминалях нейромышечных контактов, в гепатоцитах, кардиомиоцитах, а также фибробластах человека. Вместе с тем в некоторых стареющих клетках митохондрии увеличиваются в размерах. Это в наибольшей степени характерно для нервной системы, где часто встречаются вакуолизация и накопление в клетках "нетипичных" субстанций. Митохондриальные включения и изменения формы могут привести к нарушению метаболизма. Развитие гипоксии ведет к разрушениям, вызванным свободными радикалами. Митохондрии – это "больное место" стареющей клетки.

Эндоплазматическая сеть. Биохимические исследования позволяют обнаружить минимальные возрастные изменения в эндоплазматической сети, в то время как жизнедеятельность организма зависит от точности протекания синтетических процессов, в особенности синтеза белков.

Морфологически между тем установлено, что с возрастом изменяются и структуры белоксинтезирующей системы клеток. Так, в клетках статических популяций наблюдаются:

• расширение цистерн гранулярной и гладкой эндоплазматических сетей;

• заполнение просвета цистерн электронноплотным содержимым, тубулярными структурами;

• уменьшение количества рибосом на мембранах, уменьшение и лизис полисом и рибосом;

• уменьшение относительной площади эндоплазматической сети.

Комплекс Гольджи. Имеющиеся в литературе сведения свидетельствуют о том, что объем комплекса Гольджи в стареющих клетках изменяется. Так, в пластинчатом комплексе Гольджи с возрастом происходит:

• редукция, рексис и уменьшение линейной площади поверхности его мембран;

• расширение пузырьков и накопление в них жидких фракций и электронноплотных гранул.

Последнее рассматривается как результат застойных явлений, связанных со снижением обменных процессов между структурами комплекса Гольджи и цитоплазмой клетки.

Лизосомы. Довольно постоянным признаком старения клеток различных популяций являются следующие изменения лизосом:

• увеличение количества первичных лизосом, появляющихся в больших количествах в области перикариона, между митохондриями, вблизи очагов деструкции и свободно в цитоплазме;

• качественные изменения лизосом – в них нарастает количество трудноперевариваемых веществ, изменяется активность лизосомальных ферментов, наблюдается снижение стабильности лизосомальных мембран, приводящее к высвобождению лизосомальных гидролаз и деструктивным изменениям в цитоплазме клеток статических популяций.

Участие лизосом в возрастных изменениях клеток и в процессах старения может быть обусловлено:

• повреждающей литической активностью внутри клетки – чрезмерной аутофагией, утечкой гидролаз через поврежденную мембрану лизосом;

• экструзией (выделением) ферментов вследствие изменения клеточной мембраны или гибели клетки, что ведет к перерождению соединительной ткани, сосудов, образованию коллагена, продуцированию антител;

• нарушением литической (переваривающей) активности лизосом вследствие блокирования непереваренными продуктами.

Наряду с нарастанием количества первичных лизосом в клетках в процессе старения происходит формирование вторичных лизосом аутофагического типа, а также остаточных телец, которые могут участвовать в процессах переваривания, пока не будут полностью блокированы непереваренными продуктами. Остаточные тельца, нагруженные липофусцином, при старении обнаруживаются в возрастающем количестве в нейронах и глиальных клетках, кардиомиоцитах, гепатоцитах, клетках эндокринных желез, а также в остеобластах, остеоцитах, эндотелиальных клетках.

Липофусцин – побочный продукт перекисного окисления липидов, имеющий как липидный, так и протеиновый компоненты. Накапливается не во всех клетках. В частности, он выявляется в стареющих клетках сетчатой зоны коры надпочечников, перифолликулярных макрофагах яичника, некоторых мышцах, нейронах. В кардиомиоцитах липофусцин содержится в небольших количествах или вообще отсутствует в возрасте до 10 лет, в последующем накапливается независимо от наличия заболеваний сердца. Предполагается, что к возрасту 90 лет его количество в кардиомиоцитах достигает 6-7 % клеточного объема.

Кумуляция липофусцина в клетке с возрастом может быть обусловлена следующими факторами:

• дефицитом лизосомальных ферментов в гидролизе липи-дов и других слабо гидролизующихся веществ;

• генетическими факторами, регулирующими образование лизосомальных ферментов и их деятельность;

• внешними факторами (продукты питания, лекарственные вещества, дефицит витамина Е, гипоксия) и заболеваниями (цирроз,, атеросклероз).

Морфологические характеристики различных типов цитоплазматических включений представлены в табл. 5.1.

Таблица 5.1.

Морфология и функция цитоплазматических включений

Таким образом, основными изменениями в стареющей клетке являются:

• повреждение рецепторного аппарата цитоплазматической мембраны, что ведет к нарушению ответа на сигналы внешней среды;

• снижение текучести мембран;

• появление ядер с неправильной формой;

• изменения межклеточных контактов;

• изменения митохондрий (легкий отек);

• аккумуляция в клетке нормальных и аномальных субстанций;

• увеличение числа лизосом, особенно на фоне образования большого количества аутофагосом и остаточных телец.

Этим изменениям сопутствуют (или их вызывают) изменения метаболизма. Изменения транспортной функции цитоплазматических мембран и клеточного метаболизма приводят к нарушению водного баланса в клетке с последующим развитием в ней отека или дегидратации. При отеке внутриклеточная вода накапливается в эндоплазматическом ретикулуме или в митохондриях. Следствием этого является ингибирование процесса непрерывного выведения из клетки натрия и воды. Отеку часто предшествует замедление процесса синтеза белков в эндоплазматической сети. При дегидратации, которая в определенной степени наблюдается с возрастом, объем воды в организме с 80 % снижается до 50 %.

В процессе старения клеток структурные изменения носят неоднородный (гетерогенный), характер. Наряду с атрофированными клетками, имеющими выраженные возрастные изменения, наблюдаются сохраненные клетки, ничем не отличающиеся от клеток молодых организмов. Такая гетерохронность изменений функции и структуры типична для процесса старения клеток и тканевых систем. При гибели одних клеточных элементов на другие падает повышенная нагрузка, что приводит к их гиперфункции. В старости вследствие гибели многих клеток резерв усиления работы органа ограничен, а в связи со снижением функции отдельных клеток одна и та же работа выполняется в различные возрастные периоды неодинаковым количеством клеточных элементов.

Судьба клетки, нарушение ее функции, гибель определяются не только темпом возрастных изменений, но и процессами адаптации, направленными на поддержание длительной жизнеспособности клеточных структур. К ним можно отнести:

• гиперфункцию и гипертрофию многих клеток при старении;

• увеличение площади клеточной и ядерной мембран, поддерживающей оптимальные ядерно-цитоплазматические и клеточносредовые взаимоотношения;

• гипертрофию саркоплазматической сети в мышечных клетках;

• сохранение величины мембранного потенциала в ряде клеточных популяций;

• повышение чувствительности к ряду гормонов – активацию клеточного деления в условиях ослабления клеточного ответа (селезенка).