Повреждения митохондрий

Митохондрии образованы из двух мембран, состоящих из липидного бислоя в ассоциации с белками. Внутренняя мембрана митохондрий имеет многочисленные складки, образующие кристы, с которыми связаны окислительные ферменты. Внутреннее пространство митохондрии образует матрикс, в котором содержатся растворенные ферменты, необходимые для окисления основных питательных веществ. Эти ферменты взаимодействуют с окислительными ферментами на кристах, определяя окисление основных питательных веществ с получением диоксида углерода и воды. Высвобождаемая энергия используется для синтеза макроэргического соединения – аденозинтрифосфата (АТФ). Энергия АТФ транспортируется из митохондрий и распределяется по всей клетке с её высвобождением там, где она необходима для выполнения функций клетки. АТФ используется для обеспечения основных функций клетки - активного транспорта натрия, калия, кальция, магния, фосфора, хлора, водорода через клеточную мембрану, биосинтеза веществ, механической работы.

Митохондрии могут самореплицироваться в зависимости от потребностей клетки в АТФ.

Набухание митохондрий – это качественное изменение, общее для многих повреждений митохондрий, которое ведет к разобщению процессов окисления и фосфорилирования. Набухание митохондрий обусловлено увеличением проницаемости наружной мембраны митохондрий в случае гиперосмолярности цитоплазмы клетки. Это патологическое явление также встречается при голодании, гипоксиях, интоксикациях, лихорадке, при назначении тироксина.

In vitro наблюдаются два типа набухания. Первый тип – набухание низкой амплитуды. В рамках этого типа набухания рост энергогенной активности ведет к обратимому нарушению белковых структур. Набухание низкой амплитуды сопровождается проникновением воды сквозь наружную мембрану митохондрий в пространство между кристами и митохондриальным матриксом. В это же время матрикс сокращается и становится очень плотным. После фазы сокращения митохондрии возвращаются к их первоначальному состоянию.

Второй тип набухания – набухание высокой амплитуды, появляется как результат возрастания проницаемости внутренней мембраны митохондрий. Следствием этого процесса являются сглаживание и фрагментация крист. Набухание высокой амплитуды может быть скорригировано путем увеличения концентрации АТФ и магния. Нарушение наружной мембраны митохондрий является необратимым процессом, сопровождающийся потерей гранул матрикса. Конечный этап характеризуется разрушением внутренней и наружной мембран митохондрий, образованием на внутренней мембране преципитатов фосфата кальция, что способствует необратимой кальцификации митохондрий.

Деформация крист с уменьшением их количества свидетельствует о низкой функциональной активности митохондрий, в то время как рост количества крист отмечается при усилении процессов энергогенеза согласно требованиям клетки.

Параллельно с количественными и качественными изменениями крист, наблюдаются структурные изменения гранул митохондриального матрикса. Эти гранулы с диаметром от 20 до 50 нм накапливают двухвалентные катионы. Основу гранул составляют белки, жиры, ионы калия, магния, фосфора. Увеличение объема гранул наблюдается в клетках, содержащих избыток ионов кальция. Гипертрофия гранул может наблюдаться в случае ишемии миокарда, в гепатоцитах при отравлении четыреххлористым углеродом (ССl₄), в мышечных клетках при столбняке. Уменьшение количества гранул или даже их отсутствие наблюдается в опухолевых клетках, в эпителии кишечника и гепатоцитах в случае ишемии.

Увеличение количества и размеров митохондрий наблюдается в опухолевых клетках, в клетках гипертрофированных либо воспаленных тканей, в гландулоцитах щитовидной железы, паращитовидных, молочных, слюнных и бронхиальных желез.

Функциональным нарушением митохондрий, сходным для всех описанных повреждений, является разобщение окисления и фосфорилирования.

Кристы митохондрий содержат АТФ-синтетазу, которая сопрягает окисление веществ в цикле Кребса и фосфорилирование АДФ до АТФ. Вследствие сопряжения этих процессов высвобождаемая в процессе окисления энергия накапливается в макроэргических связях АТФ. Затем энергия, высвобождаемая из АТФ, может быть использована для обеспечения множества функций клетки.

Процесс окислительного фосфорилирования в митохондриях сопровождается большим выходом энергии, чем анаэробный гликолиз в цитозоле. Так, из одной молекулы глюкозы в первом случае образуется 38 молекул АТФ, а во втором – только 2 молекулы.

Известно множество факторов, таких как 2,4-динитрофенол, дикумарол, билирубин, которые могут разобщить окислительное фосфорилирование с последующим высвобождением энергии в форме тепла. Разобщение этих процессов ведет к уменьшению синтеза АТФ и энергетическому голоду клетки, что нарушает энергозависимые процессы как непосредственно в митохондриях, так и в других клеточных структурах (ионные насосы в плазмолемме и др.). Таким образом, вследствие разобщения окислительного фосфорилирования митохондрии теряют способность накапливать ионы калия и кальция, что уменьшает трансмембранный потенциал, инициирует выход ионов Са²⁺ из митохондрий, вызывает электрический разрыв мембраны митохондрий под действием собственного потенциала. Согласно современным данным, именно повреждение митохондрий является решающим фактором в развитии необратимых патологических процессов в клетке.

Энергетический голод клетки, возникший вследствие повреждения митохондрий нарушает функционирование Na⁺,K⁺ насосов, что устраняет ионный и электрический градиенты с последующей деполяризацией цитоплазматической и митохондриальной мембран. Поддержание градиентов Са²⁺ осуществляется благодаря действию потенциалзависимых каналов Са²⁺ и ионных насосов - Са²⁺-АТФ-азы на цитоплазматической мембране, которая выводит Са²⁺ из клетки наружу и Са²⁺ - АТФ-азы на мембране эндоплазматического ретикулума, которая захватывает ионы Са из цитоплазмы и депонирует их внутри ретикулума. Следствием повреждений митохондрий является устранение градиента Са²⁺ между митохондриями и гиалоплазмой, а также увеличение концентрации этого иона в гиалоплазме. Повышенная концентрация кальция в гиалоплазме имеет множество последствий: длительное сокращение миофибрилл, активация лизосомальных протеаз, АТФ-аз, эндонуклеаз, фосфолипаз.