MedBookAide - путеводитель в мире медицинской литературы
Разделы сайта
Поиск
Контакты
Консультации

Степанов - Основы медицинской гомеостатики

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
<<< НазадСодержаниеДальше >>>

Взаимодействие процессов клеточной деструкции и репродукции позволяет обеспечивать высокую адаптивную способность регенерирующей ткани к действию экстремальных факторов. Травма является таким экстремальным фактором, под воздействием которой гибнет часть клеточных элементов, что интерпретируется нами как переход целостного (симметричного) гомеостата в несимметричное состояние. Несимметричность служит стимулом для актива­ции пролиферативных процессов через вышеназванные механизмы. Известно, что в условиях активной клеточной пролиферации может происходить ре­экспрессия эмбриональных генов, изменяться спектр синтеза белков и их изоморфное строение, возникать доминирование восстановительных реакций над окислительными, повышаться уровень сульфгидрильных групп и актив­ность антиоксидантных ферментов. В итоге в стимулированной к регенерации ткани метаболизм клеток перестраивается на низкодифференцированный, свя­занный с обеспечением преимущественно митотического процесса режим рабо­ты, клетки переходят к филогенетически более древнему, простому и устой­чивому функционированию. Таким образом, при воздействии повреждающего фактора усиление одного из компонентов гомеостаза (деструктивных процес­сов) приводит к активации противоположного компонента (пролиферативных процессов). В свою очередь, ускоренная смена клеточных популяций ведет к сдвигу метаболических профилей новообразованных клеток, способствуя их адаптации к изменившимся условиям и детерминируя повышение устойчивости гомеостата в целом.

Описание эксперимента. Исследование эритрона, делящиеся клетки кото­рого отличаются наиболее интенсивной среди других тканей организма мито­тической активностью, а его деструктивные и пролиферативные изменения поддаются регистрации относительно простыми методами.

Эксперимент проведен на белых крысах-самцах, массой 220-280 г. В ка­честве повреждающего фактора использована тяжелая механическая травма в барабане Нобла-Коллипа (летальность более 50%). Исследования перифери­ческой крови и костного мозга выполнены на 1,3,7,14,21 и 35-е сутки с момента травмы. Выяснено, что в результате травмы в периферической крови существенно снижается количество эритроцитов и концентрация гемоглобина с минимальными значениями на протяжении первой посттравматической неде­ли. В эти же сроки отмечается выраженная сферуляция и эхиноцитарная трансформация циркулирующих эритроцитов, а на 1-е и 3-и сутки имеет мес­то достоверное увеличение концентрации свободного гемоглобина в плазме крови травмированных животных. Сказанное свидетельствует, что после травмы создаются условия, способствующие гемолизу и ускоренной элимина­ции эритроцитов из циркуляции, в результате чего формируется анемия. Од­нако, в ответ на убыль зрелых клеточных элементов эритрона уже с первых суток посттравматического периода регистрируется повышение митотической активности эритрокариоцитов, причем преимущественно за счет полихромато­фильных нормобластов, оставаясь без существенных изменений среди базо­фильных нормобластов, параллельно этому в периферической крови растет уровень ретикулоцитов. Увеличивается средний объем циркулирующих эритро­цитов, при этом морфометрия полихроматофильных форм показывает, что бо­лее крупными размерами обладают клетки, новообразованные после травмы. Найдено повышение среднего содержания гемоглобина в одном эритроците. Названные признаки свидетельствуют о запуске в посттравматическом перио­де программы резервного (терминального) эритропоэза. Выявлено также по­вышение уровня фетальных (устойчивых к кислотной элюции в мазке) эритро­цитов, что сигнализирует о реализации после травмы фетального пути диф­ференцировки клеток эритрона.

Известно, что резервный и фетальный пути эритропоэза за счет сокраще­ния времени гемоглобинообразования в эритроцитах и изменения сродства к кислороду гемоглобина способствуют скорейшей нормализации кислородной емкости крови в случае ее резкого снижения. Кроме того, фетальные эрит­роциты обладают повышенной осмотической устойчивостью, а ретикулоциты, имея большое количество восстановленного глутатиона, более высокую ак­тивность глутатион-связанных ферментов каталазы, а также низкий уровень пероксидации липидов, характеризуются высокой резистентностью к "окисли­тельному стрессу". В результате запуска пролиферативных процессов пери­ферическая кровь обогащается новообразованными эритроцитами, обладающими измененной способностью к транспортировке кислорода и большей устойчи­востью к действию цитотоксических факторов, что обеспечивает быструю адаптацию эритрона к изменившимся под действием травмы условиям и, начи­ная с седьмых суток травматической болезни, обратное развитие анемии.

О некоторых условиях, необходимых для существования и эволюции гоме­остатов

Для гомеостатов живых систем требуется стабилизация внешней среды в определенных пределах жизненно важных параметров.

Приведем наиболее общую классификацию жизненно важных параметров внешней среды:

1. Соотношение мощности энтропийных и неэнтропийных процессов; 2. Наличие постоянных векторных сил, действующих на Земле; 3. Наличие потребляемых энергетических ресурсов определенной мощнос­ти; 4. Наличие потребляемых пластических веществ и скорость их "диффузии" при перепаде концентрации.

Скорость энтропийных и негэнтропийных процессов определяет диапазон, в котором может существовать жизнь [17]. Соотношение это определяется начальными условиями возникновения вселенной и величиной фундаментальных физических констант.

Вариации любого физиологического параметра можно оценить через Н-функцию Больцмана для энтропии и Шенона для информации. Автором [17] было введено представление о "зоне жизни" системы. Любая переменная (Х) любой живой системы, пока последняя существует и/или функционирует как целое, может изменяться от некоторого минимального значения Хmin до мак­симального Хmax. Этот диапазон изменений назван "зоной жизни" (Zv) сис­темы по Х. Крайние значения - границы Zv . Существенную переменную в Zv можно всегда нормировать и выразить в относительных единицах:

h = (X-Xmin)/(Xmax-Xmin), (1) где: Х- текущее значение переменной в некоторых единицах измерения; h-текущее нормированное значение Х. При таком рассмотрении качество функционирования системы Q(h) описывается при помощи выражения:

Q(h) = -khlnh. (2) либо: Qs(h) = -(1-k)ln(1-h) (3) где: h-определено (1), 0 " k " .

Качество функционирования системы Q(h) максимально становится только тогда, когда h = h1 = 1/e 0.368, либо в зеркальном случае:

h = h2 = 1- 1/e 0.632. Чтобы не зависеть от от единиц измерения оба выражения (2) и (3) можно разделить на их максимальные значения, равное k/e, тогда получают следующие выражениe:

R(h) = -ehlnh, (4) Rз(h) = -e(1-h)ln(1-h). (5) Если изобразить графически R(h) и Rз(h) в Zv , то получим асимметрич­ные куполообразные кривые с максимумами при h1 и h2, в обе стороны от которых величины R(h) и Rз(h) уменьшаются, и можно выделить "зоны" ка­чества функционирования.

Помимо галактических факторов на эволюцию гомеостатов живых систем действуют самые разнообразные Земные физические факторы, такие как све­товые, тепловые, газовые, радиационные, ионно-солевые и т.д. Но среди этих факторов только три действовали постоянно и упорядоченно с самого начала возникновения Земли: гравитация, геомагнитное поле и силы враще­ния Кориолиса [46]. Биосистемы развиваются под их непрерывным действием и зависят от их изменений все время.

Эти факторы имеют уникальные особенности, которых нет у других - они обладают векторной направленностью, проникающим действием через любые преграды (экраны) и периодическими упорядоченными изменениями (колебани­ями) во времени. Указанные главные геофизические факторы создают опреде­ленную пространственно-временную систему, в которой происходит возникно­вение и развитие биосистем. Поэтому гомеостаты должны отслеживать их, адаптироваться к ним или каким-то образом компенсировать их нарушающее действие. Следует отметить, что еще одной из важных характеристик гоме­остатических систем является ритмичность изменения их структур и функций (показателей), отражающих изменение состояния организма. Именно вектор­ный характер функциональных реакций, обеспечивающих гомеостаз, помогает выяснить фундаментальный принцип составляющий основу гомеостаза, на ко­тором зиждется единство организма со средой, принцип СИММЕТРИИ. Принцип биосимметрии, заложенный в функциональной активности гомеостатов, отра­жается и на их структурной организации.

Известно, что симметрия тесно связана в своей основе с пропорцио­нальностью, т.е. с соотношением целого и составляющих его частей. Эта связь находит свое выражение в так называемом "золотом сечении", являю­щемся основой гармонического построения живых и неживых систем. (По воп­росу золотого сечения и его проявления в Природе смотри [147]).

Энергетический субстрат - температурные границы существования, нали­чие освещенности и ее цикличность, вещества энергоносители (пища), гра­витационные перепады, электрические и магнитные поля. Электронно-заряд­ное равновесие.

Интегративным показателем видов обмена внутри гомеостатов в биохими­ческом аспекте является кислотно-щелочное равновесие - (КЩР). Его откло­нения некомпенсированный алкалоз или ацидоз. КЩР ограничивается атом­но-молекулярным уровнем и является собственно электронно-зарядным равно­весием акцепторных (кислой реакции) и донорных (щелочной реакции) моле­кулярных соединений. О важнейшем значении электронно-зарядного равнове­сия свидетельствует тот факт, что в ходе эволюции выработались специ­альные механизмы его регуляции. В организме человека и высших животных известен гомеостат буферной системы крови, состоящий из подсистем гоме­остатов эритроцитарно-гемоглобиновом, бикарбонатном, фосфатном, белков плазмы. Выход этих гомеостатов за границы рабочих параметров приводит в сторону либо превалирования акцепторных (отнимающих электроны), либо в сторону донорных (отдающих электроны) молекулярных соединений и от­дельных ионов. В связи с их высокой реакционной способностью (разъедаю­щие свойства кислот и щелочей) происходит повреждение структур организма и нарушение его функций. Кроме того, некомпенсированное превалирование акцепторных или донорных молекулярных соединений приводит к расширению и деформации структур (например, эмфизема легкого, дилятация сердца) вплоть до разрыва химических связей с соответствующими последствиями для жизнедеятельности организма.

Все экстремальные энергетические факторы внешней и внутренней среды ведут структуры организма к перегреву и расширению вплоть до разрыва связей и гибели организма. При гипоэнергетическом состоянии организма клетки вынужденно переходят на вспомогательный, менее выгодный энергети­ческий цикл - гликолиз, приводящий к образованию большого количества мо­лочной кислоты, а вследствие этого - к некомпенсированному сдвигу элект­ронно-зарядового равновесия в сторону превалирования акцепторных соеди­нений.

Пластический субстрат - наличие веществ, идущих на постройку физичес­кой структуры гомеостатов, скорость их потребления, ограничиваемая ско­ростью поступления (массопереноса), возобновления (реакреации, синтеза).

Часть III. Гомеостатика биологических систем

Введение

Разнообразие живых организмов на планете Земля формируется из сходных относительно простых структурных форм, приобретающих все более сложные черты по мере появления более мощных механизмов энергопотребления и уве­личения перерабатываемого разнообразия информационных потоков, отличаю­щихся по материальной природе носителей информации. Высшая биологическая форма не исчерпывается суммой низших форм, но сводится к ним в структур­ном отношении, так же как живое сводится к химии и физике, но не исчер­пывается ими в качественном отношении.

Длительный путь исследования живого привел к некоторым аксиоматичес­ким понятиям, на которых строится вся пирамида разнообразия форм живого. Медников Б.М.[78] их сформулировал таким образом:

1. Все живые организмы должны быть единством фенотипа и программы для его построения (генотипа) передающегося по наследству из поколения в по­коление.

2. Наследственные молекулы синтезируются матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения.

3. В процессе передачи из поколения в поколение генетические програм­мы в результате многих причин изменяются случайно и не направлено, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными.

4. Случайные изменения генетических программ при становлении феноти­пов многократно усиливаются и подвергаются отбору условиями внешней сре­ды.

Мы считаем, что необходимо добавить пятую аксиому:

5. Живые организмы есть необходимая часть эволюционирующего Универсу­ма в сторону увеличения скорости и качественно отличных способов перера­ботки информационных потоков.

В этих аксиомах неявно утверждаются следующие принципы:

- носителем информации отдельности (индивида) живого является молеку­лярная форма организации материи; - эта информация (генотип) обладает свойством относительной устойчи­вости и изменчивости; - фенотип есть реализация генотипа в конкретных космофизических усло­виях.

Абсолютизация третьей аксиомы некоторыми исследователями подвергается сомнению; считается, что наряду со случайными мутациями наблюдается нап­равленный мутационный процесс, особенно проявляющийся в период перед глобальными катастрофами, резко изменяющими среду обитания для предшест­вующих видов [153].

Граничной формой между живыми организмами и косной природой можно считать вирусы. Хотя вирусы обладают собственным аппаратом переноса ин­формации о составе субъединиц своего организма, они не имеют собственно­го механизма его поддержания и функционирования. Для активации программы вируса требуется среда, в которой структурные элементы механизма воспро­изводства были бы представлены полностью.

Существует две основные версии возникновения генетического способа поддержания и развития живого на земле. Одна из них постулирует автох­тонное для планеты происхождение программы саморазвивающихся систем, другая - экзогенного происхождения, т.е. привнесения этой программы изв­не (панспермия). В пользу последней приводятся расчеты совершенной не­достаточности времени существования Солнечной системы для случайного возникновения аппарата передачи информации и его реализации. В пользу первой наличие неорганических матриц (кремнистые глиноземы), на которых возможен синтез олигопептидов из отдельных аминокислот, и некоторые дру­гие факторы.

Гомеостатическая модель работы генетического аппарата

Одной из важных характеристик двадцатого века можно считать прорыв в знаниях о структурных механизмах воспроизводства и передачи биологичес­кой информации по наследству.

Ген - рождающий. Ген - это участок молекулы ДНК, ответственный за конкретный признак. В функции гена входит регуляция синтеза белка как структурного элемента признака и регуляция синтеза нуклеиновых кислот, являющихся материальной основой переноса информации. Последнее имеет два сходных, но качественно разных механизма, называемых транскрипция и реп­ликация. Транскрипция - это перезапись информации о признаке на носи­тель, который служит непосредственной матрицей сборки последовательности аминокислот в молекуле белка (иРНК). Репликация - это копирование, разм­ножение точной копии носителя генетической информации (ДНК). Перевод ко­да информационной РНК в линейную последовательность остатков аминокислот (в полипептид) называют трансляцией. Трансляцию обеспечивают транспорт­ные РНК и рибосомы.

Обобщенная гомеостатическая модель работы гена

Кратко изложим известные механизмы функционирования гена и представим их в виде гомеостатической модели, описанной выше.

Обобщенно ген состоит из: 1 - участка, который называется геном регу­лятором, управляющим началом транскрипции и 2 - участка, называемого структурным геном, на котором и происходит собственно транскрипция. Структурный ген обладает пусковым промежутком, расположенным вначале места считывания информации. Этот промежуток получил название "оперон". Если ген регулятор может находиться пространственно на другом месте хро­мосомы и даже на другой хромосоме, то оперон обязательно находится в на­чале участка транскрипции. Ген-регулятор специфичен по отношению к структурному гену. Ген-регулятор считывает информацию о белке, называе­мом репрессор. Синтезированный белок-репрессор может быть активным и сам взаимодействовать с опероном, подавляя транскрипцию, в противном случае он должен предварительно связаться с другим веществом - "эффектором" и уже этот комплекс подавляет транскрипцию. Когда белок-репрессор сам яв­ляется активным по отношению к оперону, его инактивирует эффектор.

Активация работы гена регулятора может происходить либо за счет воз­действия конечного продукта работы всего гена, либо через продукты мета­болизма этого белка.

Рис.7. Схема регуляции активности гена [3].

Итак, у нас есть все предпосылки для того, чтобы вышеуказанную схему, не изменяя сущности материальных процессов, видоизменить в схему инфор­мационных потоков и их взаимодействий на принципах гомеостатического ре­гулирования. Информационные потоки функционально можно представить как два встречно направленных потока. Первый - из внешней среды внутрь об­ласти гена. Внешняя среда воздействует на оперон гена-регулятора и опе­рон структурного гена, включая или выключая его активность. Второй поток это воздействие информации продуцируемой внутри гена на собственные внутренние структуры; опять же на опероны гена регулятора и структурного гена. Эффектор может оказаться веществом, которое синтезируется другими генами или собственной продукцией. Вся продуцируемая информация поступа­ет в окружающую среду и взаимодействует с рецепторами входов на конкурс­ной основе, т.о. при передаче информации необходимо учитывать скорость диффузии и концентрацию вещества переносчика.

I(t) = F(d,k) Накладывая обе функциональные схемы друг на друга мы получим уже из­вестную нам модель гомеостата.

Обозначения: О - оперон, Б - белковая молекула, R - рибосома В этой схеме интересно отметить тот момент, что даже внутри гомеоста­та происходит неоднократная перекодировка информационных потоков с одно­го вида носителя на другой. Продуктом гена-регулятора и структурного ге­на является иРНК, чтобы информация, записанная на ней, достигла своего адресата должна произойти трансляция через рибосому и образоваться бел­ковая форма.

Гомеостатическая модель механизма транскрипции

Транскрипция информационной РНК происходит на одной из нитей двойной ДНК. Для этого нити ДНК в этом месте должны быть расплетены. Синтез иРНК на матрице ДНК осуществляется РНК-полимеразой. Одновременно с одной еди­ницы транскрипции ведут синтез многие молекулы РНК-полимеразы. В узнава­нии знака начала и конца синтеза иРНК участвуют специальные белки. Место начала транскрипции называют промотором. Место окончания транскрипции терминатором. Максимально возможная длина участка, на котором происходит синтез иРНК называют скриптоном. По мере развития организма от одной клетки к эмбриону и далее к взрослому организму спектр иРНК меняется в зависимости от зрелости и специализации клеток. Таким образом имеется надклеточная регуляция, с одной стороны, включения одних и выключения других скриптонов, с другой - размерами синтезированной иРНК, что ес­тественно приводит к изменению величины и свойств транслируемых белков.

О гомеостатической модели репликации генетической информации

Репликация гена происходит почти по аналогичной схеме, но в едином механизме удвоения всей хромосомы. Начало удвоения ДНК происходит всегда с одного и того же места и идет полярно в обе стороны, пока удвоение ДНК не достигает конечной или исходной точки, если ДНК кольцевая, как у бак­терий. Участок, с которого начинается репликация, называется репликато­ром. Фермент, обеспечивающий процесс репликации - ДНК-полимераза. Инфор­мация о строении вещества инициатора репликатора записана на ДНК в его структурном гене. Структурный ген инициатора вместе с локусом начала репликации генетики называют "репликоном". У эукариотов имеется много независимых единиц репликации (репликонов) на хромосоме. Белок-инициатор вызывает репликацию только своего репликона и не действует на другие хромосомы. Скорость синтеза ДНК регулируется наличием и скоростью пос­тупления соответствующих дезоксинуклеотидов. Специфика синтезируемой ДНК определяется самой копируемой матрицей, на которой идет синтез. Фермент ДНК-полимераза неспецифичен для хромосом и является одним и тем же для любых матриц ДНК [131,132].

<<< НазадСодержаниеДальше >>>

medbookaide.ru