مواضيع المحاضرة: Mechanisms of cell injury
background image

 

Lecture 03                                                       Pathology                                                       D.Lamyaa 

Mechanisms of cell injury 

The outcome of the interaction between the injurious agent & the cell depend on:- 

1.  The type of injury, its duration and its severity.  
  Thus low doses of toxins or a brief duration of ischemia may lead to reversible cell 

injury while large toxin doses or longer ischemic intervals may result in irreversible 
injury and cell death. 

2.  The type, adaptability and genetic makeup of the injured cell The same injury has 

vastly outcomes depending on the cell type.  

  Thus striated skeletal muscle in the leg resist complete ischemia for 2-3- hours 

without irreversible injury, whereas cardiac muscle dies after only 20-30 minutes.  

  The nutritional or hormonal status can also be important; clearly a glycogen filled 

hepatocytes will tolerate ischemia much better than one that has just burden its 
last glucose molecules. 

   Genetically determined diversity in metabolic pathways can also be important. 

For instance, when exposed for the same dose of a toxin. Individual who inherit 
variants in genes encoding cytochrom p-450 may cataboliz the toxin at different 
rates leading to different outcomes. 

Mechanisms of cell injury 

The most important targets of injurious stimuli are- 

1.  Mitochondria (the site of ATP generation). 
2.  Cell membrane which influence the ionic and osmotic homeostasis of the cell. 
3.  Protein synthesis (ribosome). 
4.  The cytoskeleton (microtubules and various filaments). 
5.  The genetic apparatus of the cell (nuclear DNA)  

 


background image

 

The principal  cellular  and  biochemical  sites  of  damage  in  cell  injury.  Note that  loss  of  adenosine  
triphosphate  (ATP)  results  first  in  reversible  injury  (not  shown)  and  culminates  in  necrosis. 
Mitochondrial damage may lead to reversible injury and death necrosis or apoptosis. 

 

ATP Depletion: 
ATP the energy fuel of cells, is produced  mainly by the oxidative phosphorylation of ATP of 
the mitochondria. In addition the glycolytic pathway can generate ATP in the absence of 
oxygen using glucose derived either from the circulation or from the hydrolysis of 
intracellular glycogen (anerobic glycolysis). 

The major causes of ATP depletion:- 

1.  Reduce supply of oxygen and nutrients. 
2.  Mitochondrial damage. 
3.  The action of some toxins (e.g. cyadine) 

    High  energy  phosphate  in  the  form  of  ATP  is  required  for  virtually  all  synthetic  and 
degrdatative and processes within the cell, include membrane transport, protein synthesis, 
phospholipids  turnover  etc.  depletion  of  ATP  to  less  than  5%  -10%  of  normal  levels  has 
widespread effect on many cellular systems 

 

ATP depletion 

  The  activity  of  plasma  membrane  energy  dependent  sodium  pump  is  reduce, 

resulting in intracellular accumulation of sodium and efflux of potassium. The net gain 
of solute is accompanied by iso- osmotic gain  of water, causing cell swelling. 

  There is a compensatory increase in anaerobic glycolysis in an attempt to maintain 

the cell energy sources. As a consequence, intracellular glycogen stores are rapidly 
depleted and lactic acid accumulates, leading to decrease activity of many cellular 
enzymes (due to decrease pH level). 

  Failure of the Ca pump lead to influx of Ca with damaging effects on numerous cellular 

components, describe below. 

  Structural disruption of the protein synthetic apparatus manifested as detachment of 

ribosomes  from  the  rough  endoplasmic  reticulum  (RER)  and  polysomes  into 
monosomes, with a consequent reduction in protein synthesis 

  Ultimately,  there  is  irreversible  damage  to  the  mitochonerial  and  lysosomal 

membranes and the cells undergoes necrosis. 


background image

 

 

The initial functional and morphologic consequences of decreased intracellular adenosine  
triphosphate (ATP) during cell injury. ER, Endoplasmic reticulum. 

Mitochondrial Damage
Mitochondria are supplies ATP, but they are also critical players in the cell injury and 
death. Mitochondria can be damaged by increase of cytosolic Ca, reactive oxygen species, 
and oxygen deprivation, and so they are sensitive to virtually all types of injurious stimuli, 
including hypoxia 

1.  The  formation  of  a  channel  in  the  mitochondrial  membrane,  called  the 

permeability  transition  pore.  The  opening  of  this  channel  leads  to  the  loss  of 
mitochondrial  membrane  potential  and  PH  changes,  resulting  in  failure  of 
oxidative  phosphorylation  and  progressive  depletion  of  ATP,  culminating  in 
necrosis of the cells. 

2.  Increase permeability of the mitochondrial  membrane may result in leakage of 

cytochrome c ( the major protein involved in electron transport) that are capable 
for activating apoptotic pathways. Thus cytochrome c play a key dual role in cell 
survival and death in its normal location inside the mitochondria, it's essential for 
energy generation and the life of the cell, but when mitochoneria are damaged so 
severely that cytochrome c leaks out; its signal to die by apoptosis. 


background image

 

 

Consequences  of  mitochondrial  dysfunction,  culminating  in  cell  death  by  necrosis  or 
apoptosis. ATP, Adenosine triphosphate. 

Influx of calcium
Cytoplasmic free calcium is normally maintained by ATP –dependent calcium pump( 
transporter) at concentration that are 10,000 times lower than the concentration of 
extracellular calcium or intracellular mitochondrial and ER calcium. Ischemia and certain 
toxins causes an increase in cytoplasmic calcium concentration , initially because of release 
of Ca from intracellular stores, and later resulting from increased influx across the plasma 
membrane. 

 


background image

 

Sources  and  consequences  of  increased  cytosolic  calcium  in  cell  injury.  ATP,  Adenosine  
triphosphate; ATPase, adenosine  triphosphatase 

Accumulation of oxygen derived free radicals (oxidative stress) 

These  are  designated  as  reactive  oxygen  species  (ROS)  &  these  are  units  with  a  single 
unpaired electron in their outer orbit. When generated in cells they avidly attack the nucleic 
acids,  cellular  protein  and  lipids.  The  molecules  that  react  with  free  radicals  are  in  turn 
converted  into  free  radicals,  thus  propagating  the  chain  of  damage.ROS  are  produced 
normally  in  cells  during  mitochoderial  respiration  and  energy  generation,  but  they  are 
degraded and removed by cellular defense systems. When their production increase or the 
defense  systems  are  ineffective,  the  result  is  excess  of  these  free  radicals,  leading  to  a 
condition called oxidative stress.  

Cell injury in many circumstances involves damage by free radicals; these include: 

1.  Reperfusion injury. 
2.  Chemical and radiation injury. 
3.  Toxicity from oxygen and other gases. 
4.  Cellular aging. 
5.  Inflammatory cells mediated tissue injury 

 


background image

 

Defects in membrane permeability:- 

Biochemical mechanisms contribute to membrane damage include:- 

1.  Decrease  phopholipid  synthesis  due  to  fall  in  ATP  levels.  This  affect  all  cellular 

membrane including mitochondrial, which worsen the loss of ATP. 

2.  Degredation  of  membrane  phospholipids  due  to  activation  of  intracellular 

phospholipase through increased levels of intracellular Ca. 

3.  Injury to cell membranes by oxygen free radicals (ROS) by lipid peroxidation. 
4.  Damaged  to  the  cytoskeleton  through  activation  of  proteases  by  increased 

cytoplasmic Ca. 

5.  They detergent effect  of free fatty acids on  membranes. These products result 

from phospholipid degradation  

 

Mechanisms  of  membrane  damage  in  cell  injury.  Decreased  O

2

  and  increased  cytosolic  Ca

2+

  are 

typically seen in ischemia but may accompany other forms of cell injury. Reactive oxygen species, 
which are often produced on reperfusion of ischemic tissues, also cause membrane damage (not 
shown). 

The most important site of membrane damage during cell injury are: 

1.  Mitochondrial membrane damage:  damage to mitochondrial membranes result 

in decreased production of ATP , culminating in necrosis, alternatively release of 
proteins triggers apoptotic death. 


background image

 

2.  Plasma membrane damage:- lead to loss osmotic balance and influx of fluid and 

ions as well as loss of cellular contents. 

3.  Injury  to  lysosomal  membranes  results  in  leakage  of  their  enzymes  into  the 

cytoplasm and activation of acid hydrolases in the acidic intracellular PH of the 
injured  (e.g.  ischemic)  cell.  Lysosomes  contain  RNases,  DNases,  proteases  and 
components and the cells die b necrosis. 

Damage to DNA& proteins  

Cells have mechanisms that repair damage to DNA, but if this damage is too severe to be 
corrected (e.g. after radiation injury or oxidative stress), the cell initiates its suicidal program 
and  die  by  apoptosis  ,  a  similar  reaction  is  triggered  by  improperly  folded  (configured) 
protein (see unfolded protein response) which may be the result of inherited mutations or 
through free radicals. These mechanisms of cell injury typically cause apoptosis. 

 
Examples of cell injury and necrosis:-
 

1.  Ischemic and hypoxic injury. 
2.  Reperfusion injury 

 

Subcellular response to cell injury 

Certain  agents  and  stresses  induce  distinctive  alterations  involving  only  subcellular 
organelles. Although some of these alterations occur in acute lethal injury, other are seen in 
chronic forms of cell injury and still others are adaptive responses 

  E.g.    Abnormalities  of  the  cytoskeleton  may  be  manifested  as  an  abnormal 

appearance  and  function  of  cells  (e.g.  Mallory  bodies,  which  represent 
intracellular accumulations of fibrillar material in alcoholic liver disease).  

  Autophagy  :-refers  to  lysosomal  digestion  of  the  cells  own  components  it  is  a 

survival mechanism whenever there is nutrient deprivation ; the starved cell lived 
by  eating  its  own  components.  In  this  process,  intracellular  organelles  are  first 
sequestrated from the cytoplasm in an autophagic vacuoles. 

  Induction  (hypertrophy  of  smooth  ER):-  the  smooth  ER  is  involve  in  the 

metabolism  of  various  chemicals  and  cells  exposed  to  these  chemicals  show 
hypertrophy  of  the  ER  as  an  adaptive  response  that  may  have  important 
functional consequences. 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 5 أعضاء و 97 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل