Клетъчно увреждане от физически фактори

Има две категории фактори, способни да индуцират увреждане на клетки и тъкани - ендогенни и екзогенни. Ендогенните фактори включват вредни имунопатологични реакции, както и някои неврологични и генетични заболявания. Екзогенни фактори могат да бъдат разделени на:

• механични (травматично увреждане)
• физически (изключително ниска или висока температура, йонизиращо облъчване, микровълни)
• химични (разяждащи агенти, отрови, отрови, генотоксични съединения)
• хранителни (недостиг на кислород, хранителни вещества, витамини и алкален)
• биологични (вируси, микроорганизми, протозойни паразити и метазоан)

Физическите фактори причиняват дълбоки нарушения във функцията на клетъчната мембрана или на мембраните на важни клетъчни органели. Такива фактори са топлина, студ, електричество, лазер, ултра и инфра лъчения и радиация.

Приема се, че лезията на клетъчната мембрана е главен фактор в патогенезата на необратимо клетъчно увреждане от физически фактори. В най-ранните фази на необратимите клетъчни лезии винаги се доказва покачване на пермеабилитета на клетъчната мембрана спрямо екстрацелуларни молекули като например инулин, както и манифестни дефекти в нейната ултраструктура.

Сред потенциалните причини за клетъчни мембранни увреждания са и свободните радикали.
Радиационно индуцираните йонизации могат да действат директно върху молекулите на клетъчните компоненти или индиректно върху водните молекули, причинявайки радикали, получени от водата. Радикалите реагират с близките молекули за много кратко време, което води до счупване на химичните връзки или окисляване (добавянето на кислородни атоми) на засегнатите молекули. Основният ефект в клетките е прекъсване на ДНК. Тъй като ДНК се състои от двойка допълващи двойни нишки, могат да се случат прекъсвания или на единична нишка, или и на двете нишки. Обаче, последното се смята, че е много по-важно биологично. Повечето единични скъсвания могат да бъдат поправени нормално благодарение на двойноверижната природа на ДНК молекулата (двете нишки се допълват взаимно, така че интактната нишка може да служи като шаблон за поправка на нейната повредена противоположна нишка). В случая на двойни счупвания, обаче, поправката е по-трудна и може да възникне погрешно възстановяване на счупените краища. Тези така наречени погрешни поправки водят до индуциране на мутации, хромозомни аберации или клетъчна смърт.

Прибавянето на електрони към молекулярния кислород води до образуването на серия от реактивни молекули обозначавани общо като реактивни кислородни интермедиерни продукти , които са способни да предизвикат нарушения в клетъчната мембранна функция и увреждане на клетката. Една част от реактивните кислородни интермедиерни продукти са свободни радикали - групировки от два или повече различни атоми, които притежават единични електрони във външната орбита, което ги прави изключително реактивно способни. При повечето атоми електронните орбити са заети от чифтни електрони, които се движат в противоположни посоки и по този начин погасяват взаимно физико - химичната си реактивност. "Свободният радикал", съдържащ делокализиран единичен електрон, е реактивен и нестабилен и влиза веднага в реакция с химическите съединения на клетката - с протеини, липиди, въглехидрати, особено с важни молекули на мембранните структури и с нуклеиновите киселини.

Образуването на реактивни кислородни интермедиерни продукти е непрекъснат процес. Кислород се съдържа във всички живи клетки, доказано е, че изолирани митохондрии, ендоплазматичен ретикулум, цитозол и ядрени мембрани също продуцират реактивни кислородни интермедиерни продукти. Важни молекулни източници представляват агенти, свързани с транспорта и обмяната на кислорода, като хемоглобин, цитохром "Р 450" и митохондриалната верига на електронен транспорт. В клетъчните компоненти на организма обаче уврежданията, които тези агенти биха могли да предизвикат са ограничени чрез мощни протективни механизми. Към тези механизми се отнасят антиоксиданти като алфа - токоферол (компонент на вит. Е), глутатион и ензимни системи като супероксид - дисмутаза, глутатион пероксидаза, глутатион синтетаза и каталаза. Всяко инхибиране на тези протективни механизми води до "оксидативен стрес" на клетката и може да обуслови клетъчно увреждане.

Най-важните кислородни интермедиерни продукти са:

• супероксидният анион /О2-/
• перхидроксилния радикал /НО2/
• пероксиден йон /О2-/
• хидроксилния радикал /ОН /
• хидроксилния анион /ОН -/

Всички те се образуват при редукцията на молекулярния кислород във вода.

Механизмът на увреждане на клетката може да настъпи по един от следните начини:

• Взаимодействие на свободни радикали с липиди - клетъчните мембранни липиди, съдържащи ненаситени С=С връзки се подхвърлят на пероксидация. Образуваните при това липидни хидропероксиди са сами по себе си високо реактивни, поради което процесът на липидна пероксидация се превръща в само продължаваща се реакция, която се разпространява в засегнатата мембрана. Някои от продуктите на липидната пероксидация, напр. малоналдехида, повишават пермеабилитета на мембраните, в който се намират. Особено чувствителни на такъв вид увреждане са митохондриалните мембрани.
• Взаимодействие на свободни радикали с протеини - увреждането им предизвиква нарушения в йонната хомеостаза на клетката, тъй както са - АТФ - аза така и Na - К - АТФ - ази на клетъчната мембрана са тиол - съдържащи протеини.
• Взаимодействие на свободни радикали с ДНК - тази реакция довежда до прекъсване на веригите на ДНК и има като вторичен ефект индуцирането на ензима поли /АДФ - рибоза/-полимераза, което от своя страна има за резултат изчерпване на клетъчния АДФ и редуциране на тоталните клетъчни адеинови нуклеотиди, вкл. АТФ, до критични стойности.

С напредване на възрастта пигментът липофусцин се натрупва прогресивно във все по-голямо количество в клетките на някои органи /главно сърцето, черния дроб и главния мозък/. Този пигмент се състои от комплекс от липиди и протеини, произхождащи от липидна пероксидация на полиненаситените липиди и субклетъчните мембрани. Вероятно с времето свободни радикали получени при физиологичните редокс - реакции или от продължителната експозиция на агенти на околната среда, причиняват кумулативна пероксидация на мембранните липиди, която има за последица натрупването на липофусцин.

Клетките функционират най-добре при нормална физиологична температура, която е 98,6 градуса по Фаренхайт в топлокръвни животни като хората. Ако температурата на тялото се повиши, например при висока температура, клетъчната мембрана може да стане по-течна. Това се случва, когато опашките на мастните киселини на фосфолипидите стават по-малко твърди и позволяват по-голямо движение на протеини и други молекули в и през мембраната. Това може да промени пропускливостта на клетката, което вероятно ще позволи да навлезете някои потенциално вредни молекули. И двете интегрални и периферни протеини в мембраната също могат да бъдат повредени при високи температури и, ако е изключително висока, топлината може да доведе до разпадане или денатуриране на тези протеини.

Намаляването на температурата също може да има отрицателен ефект върху клетъчните мембрани и клетки и представлява вид клетъчно увреждане от физически фактори. При ниска температура, опашките от мастни киселини на фосфолипидите се движат по-малко и стават по-твърди. Това намалява общата течливост на мембраната, също намалява нейната пропускливост и потенциално ограничава влизането на важни молекули като кислород и глюкоза в клетката. Ниската температура може също да забави растежа на клетките, като предотврати увеличаването на размера на клетките. В екстремни ситуации, като продължително излагане на ниски температури, течността в клетката може да започне да замръзва, образувайки кристали, които пробиват мембраната и в крайна сметка може води до унищожаване на клетката.