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 >>>

О структурно-функциональной организации хромосомы эукариот пока нет достаточных знаний, чтобы можно было смоделировать схему гомеостатичес­кого управления активности как единого гомеостата. Общее представления о хромосоме даст следующая фраза:

"Хромосома - комплексное, динамическое надмолекулярное образование, выполняющее такие генетические, биохимические и механические функции, как репликация, транскрипция, в определенной степени регуляция генной активности и сегрегация, осуществляемая с помощью митоза и мейоза. Реа­лизация этих функций связана со значительными конформационными перест­ройками молекулярных составляющих хромосом путем обратимых межмолекуляр­ных взаимодействий. Хромосома способна при клеточной дифференцировке ли­бо на разных стадиях клеточного цикла утрачивать (ослаблять) или усили­вать (приобретать) какое-либо из перечисленных структурно-функциональных свойств." [131, с.193].

Гомеостатическая модель трансляции

Трансляция обеспечивает перевод информации, записанной в форме линей­ной последовательности сочетаний четырех нуклеотидов по три на иРНК, в пептидную последовательность аминокислотных остатков, образующих белок.

Белки клетки, имеющие различную структуру и различные "обязанности" в клетке, синтезируются в едином аппарате трансляции. Основные принципы организации этого аппарата одинаковы для всех типов клеток, хотя сущест­вуют некоторые отличия между эукариотами и прокариотами.

Трансляция осуществляется следующими компонентами клетки: рибосома, состоящая из 50S и 30S субъединиц, информационная РНК, транспортные РНК и ряд белковых факторов трансляции.

Информационная РНК несет на себе кодон начала считывания "генетичес­кой фразы" и кодон-терминатор, обозначающий конец трансляции (конец счи­тывания информации о белке). Начало и конец "фразы" опознается специ­альными белками во взаимодействии с рибосомой. Рибосома является главным организующим центром процесса трансляции и обеспечивает инициацию транс­ляции, полимеризацию аминокислотных остатков, транслокацию рибосомы вдоль матрицы иРНК, терминацию и т.д. Транспортные РНК (тРНК) обеспечи­вают опознавание отдельных аминокислот и узнают соответствующие им кодо­ны иРНК на рибосомах, благодаря чему выстраивают аминокислотные остатки в соответствии с чередованием кодонов иРНК.

О клеточном симметричном гомеостате

Все описанные в предыдущей главе механизмы гомеостатической работы генетического аппарата не являются самодостаточными, так как принадлежат к звеньям работы сложного биохимического гомеостата целой клетки и поэ­тому сильно взаимозависимы друг от друга и переносчика веществ - клеточ­ной протоплазмы. Несимметричность этих гомеостатов заключается либо в превышении входов (воздействующих веществ на инициацию активности), либо в превышении выходов над входами (потребность синтезируемых веществ мно­гими другими гомеостатами).

Одноклеточное животное, растение (бактерия) имеют большую свободу во­ли и некоторым образом может пассивно или активно управлять потоками ин­формации из внешней среды (менять проницаемость мембраны или переме­щаться в более благоприятное место). Клеточное строение организмов расп­ространено настолько широко, а свойства клеток имеют столь важное значе­ние для поведения организма и всей экосистемы в целом, что их принято рассматривать как "третий основной уровень биологической организа­ции"[37].

Состав основных структурно-функциональных единиц клетки

Уникальность свойств клетки определяется организацией ее внутреннего строения. В настоящей главе мы будем рассматривать клетку на уровне ее функциональных структур, называемых клеточными органеллами. Клетка отде­лена от окружающей среды клеточной мембраной, которая может снаружи фор­мировать (например, у растений) клеточную стенку. В цитоплазме распола­гаются клеточные органеллы, которые погружены в цитоплазматический рети­кулюм. Самой большой органеллой является ядро, окруженное у эукариотов ядерной мембраной и содержащее внутри основную программу своего развития и размножения хромосомы и ядрышко. К другим органеллам относятся мито­хондрии, цитоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, центриоли, пластиды (у растений), базальные тельца, вакуоли.

Клеточная мембрана обеспечивает селективную проницаемость веществ внутрь и наружу клетки, механическую и химическую защиту, обеспечивает некоторые формы двигательной активности, способы контакта с окружающей средой и другими клетками.

Цитоплазматический ретикулюм состоит из цитоплазмы (10% раствор бел­ка), микронитей и микротрубочек, создающих своеобразный цитоплазматичес­кий скелет клетки и органы ее передвижения. Цитоплазма обеспечивает со­держание всех необходимых клетке веществ, регулирует скорость их перено­са. Цитоплазматическая сеть и комплекс Гольджи организуют внутреннее пространство, потоки массопереноса и оптимальное пространственное распо­ложение биохимических центров активности синтеза и катализа веществ.

Митохондрии являются специализированными органеллами, вырабатывающими в больших количествах вещества-энергоносители. Их число и месторасполо­жение зависят от мощности метаболических процессов той или иной части клетки. В матриксе митохондрий находятся ферменты цикла Кребса. Каждая митохондрия ограничена двойной мембраной; наружный слой образует гладкую поверхность, а от внутреннего слоя отходят многочисленные складки в виде параллельных, направленных к центру митохондрии выступов, которые могут встречаться, а иногда и сливаться со складками, отходящими с противопо­ложной стороны. На внутренней поверхности митохондрий располагаются фер­менты цикла Кребса.

Пластиды, органеллы клеток растений в которых происходит синтез и на­копление органических веществ. Имеется три типа пластид: лейко- и хлоро­и хромопласты. Наиболее важными являются хлоропласты. Они содержат хло­рофилл, который придает растениям зеленый цвет и играет важную роль в фотосинтезе. Лейкопласты служат для накопления крахмала и других ве­ществ.

Лизосомы - группа внутриклеточных органелл, встречающихся в животных клетках, представляют собой ограниченные мембраной тельца, которые со­держат разнообразные ферменты каталитического ряда. Активизация их про­исходит при изменении состояния мембраны, что может приводить к полному перевариванию клеточного содержимого.

Вакуоли - полости, ограниченные мембраной и заполненные водянистой жидкостью; чаще находятся в клетках растительного происхождения и однок­леточных животных. У простейших животных различают пищеварительные и сократительные вакуоли.

Центриоль, базальные тельца ресничек и жгутиков. Эти органеллы объединены здесь как по сходству строения, так и по функции - обеспече­ние внутриклеточного, клеточного движения и перемещения среды относи­тельно клетки. Они имеют вид полого цилиндра длиной 300-500 нм и диамет­ром 150 нм. Стенка этого цилиндра образована девятью группами фибрилл, равномерно расположенных по окружности; их оси параллельны длинной оси центриоли. Каждая фибрилла образована тремя микротрубочками, заключенны­ми в аморфный матрикс. Базальное тельце имеет почти такое же строение; здесь микротрубочки соединены фибриллярными структурами, отходящими под прямым углом, а в дистальном направлении базальное тельце оканчивается базальной пластинкой, от которой отходит основание реснички или жгутика. Если реснички и жгутики обеспечивают относительное движение клетки, то центриоль организует движение хромосом к разным полюсам делящейся клет­ки.

Подходы к построению гомеостатической модели клетки

Такие органеллы, как митохондрии, центриоль, базальные тельца и плас­тиды, имеют собственный механизм наследования и размножения внутри кле­ток, который находится в тесной связи с активностью метаболизма и деле­нием клеток. Носителей нехромосомной наследственности в плазме клеток называют плазмонами [41]. К настоящему времени большинство исследовате­лей считает, что в процессе эволюции клеточных организмов все вышеука­занные органеллы были вначале свободноживущими одноклеточными. Затем пе­решли на внутриклеточное паразитирование, которое в дальнейшей эволюции облигатного паразита и хозяина перешло в партнерские отношения. Посте­пенная специализация привела к разделению функций, повышению их эффек­тивности и утрате других, ставших ненужными во внутренней среде клетки признаков. Клетки, эволюционировавшие по этому пути, получили значи­тельные преимущества в выживании и практически вытеснили другие, менее жизнеспособные формы клеток.

Этот исторически пройденный путь эволюции одноклеточных иллюстрирует взаимодействие вначале независимых целостных гомеостатов и их склеивание на начальном этапе с большим противоречием в целях существования, а в последующем снижение этого противоречия за счет потери целостности (сим­метричности) составляющих гомеостатов, но при этом образования единого симметричного гомеостата иерархически более высокого уровня с большей свободой воли. Практически этот способ Природа использует при объедине­нии одноклеточных в многоклеточные организмы с постепенной специализаци­ей клеток для более эффективного функционирования целого.

Гомеостат клетки, как целого, значительно повышает свободу воли по отношению к бывшим составляющим самостоятельным организмам, ставшим час­тями единого организма. Это выражается в меньшей зависимости от среды обитания, большей скорости и эффективности переработки информации и пластических веществ среды, большей пластичности самих внутренних струк­тур к изменившимся условиям обитания, а следовательно, к потокам инфор­мации из внешней среды. Последнее означает изменчивость и прогресс орга­низационных форм живой материи. Обсуждать здесь пути и способы изменчи­вости мы не будем, так как материальные основы этого феномена достаточно хорошо изложены в генетике и эволюционной биологии.

Причиной специализации клеток может служить экологическое загрязнение среды обитания продуктами выделения самих клеток. При повышении концент­рации продуктов выделения в среде, среда по отношению к клеткам стано­вится агрессивной до такой степени, что клеточная популяция начинает уменьшаться в размерах. Уменьшение (гибель, задержка размножения) идет до тех пор, пока скорость поступления токсичных аутопродуктов не уравно­весится их диффузией из зоны обитания клеток на приемлемом уровне кон­центрации этих веществ. Второй параллельный процесс, который и является собственно двигателем эволюции клеточной популяции,- это повышение мута­генеза под действием высоких доз аутотоксинов с образованием таких био­химических процессов, где аутотоксин становится необходимым продуктом в дальнейшей цепи преобразований веществ внутри клетки. Такие клетки полу­чают преимущество в выживании внутри самоотравленной популяции. При этом происходит качественное структурное изменение самой популяции: 1 - попу­ляция приобретает возможность увеличить плотность особей в одном и том же объеме обитания; 2 - в популяции появляется два подвида родственных клеток; 3 - возникает взаимозависимость одной популяции от другой - сим­биоз. Этот процесс может быть одним из механизмов возникновения многок­леточных организмов, построенных из различно дифференцированных клеток. Другой причиной первоначального объединения однотипных клеток в колонии может служить процесс половой дифференциации у первично вегетативных клеток, как например, у колониальной одноклеточной зеленой водоросли Volvox.

Интегрально гомеостатическая модель работы одной клетки аналогична выше представленным моделям гомеостатов ее составляющих. Тем не менее описание всех первичных (несимметричных) гомеостатов, составляющих клет­ку как единый организм, на данном уровне знаний не представляется воз­можным. По приблизительным оценкам в клетке ежесекундно протекает более 104 биохимических реакций; механизм каждой из них может быть представлен как отдельный гомеостат. Кроме рассмотренных в клетке процессов реплика­ции, транскрипции и трансляции, существуют явления рекомбинации, репара­ции, мутагенез, составляющие материальную основу эволюции живого. Таким образом, такой сложный, динамичный биохимический гомеостат, организован­ный во времени и в пространстве, представляет из себя большую исследова­тельскую проблему.

Гомеостатическая модель функционирования ткани

В ходе онтогенеза происходит изменение морфогенетических потенций клеток. Этому посвящено огромное количество работ, где для многих орга­низмов детально описаны последовательные стадии изменений клеток в эмб­риогенезе. Тем не менее механизм возникновения этих изменений, связанных с детерминацией клеток, во многом не ясен. В ходе эмбриогенеза потенции клетки непрерывно сужаются и, в конце концов, образуются клетки, пол­ностью детерминированные в четко узнаваемые специализированные тканевые клетки. Эти изменения называются эпигенетическими. В отличие от мутаций эпигенетические изменения представляют собой строго определенные измене­ния потенций клеток. Изменение потенции клетки может происходить от раз­личного числа факторов, вызывающих индукцию. Чаще всего индуктором изме­нения являются возникающие на определенных стадиях развития биохимичес­кие вещества (в основном белки), вырабатываемые самими клетками. Еще од­ной особенностью эпигенетической детерминации является то, что направ­ленные изменения происходят одновременно в большом числе клеток и приоб­ретенные новые потенции далее передаются следующим генерациям. По окон­чании эмбриогенеза некоторые ткани сохраняют способность к взаимопревра­щениям клеток, что называется внутритканевой трансдетерминацией клеточ­ных элементов. Эпигенетические изменения определяют изменение выходного параметра гомеостата клетки и избирательность к определенной информации внешней среды.

Гомеостатическая система регуляции роста и развития тканей сформиро­валась в эволюции при возникновении многоклеточных организмов. Объектом регуляции этой гомеостатической сети является ткань - сложное ячеистое образование, состоящее из множества клеток и бесклеточных структур. Яче­истое строение объекта регуляции обеспечивает высокую надежность и высо­кую функциональную подвижность тканей. Такое строение позволяет в широ­ких пределах изменять работоспособность объекта за счет перераспределе­ния функции по ячеистым структурам, а в биологических системах обеспечи­вает выполнение специфических функций одновременно с регенерацией [121].

Исследования последнего времени выявили единые черты пространствен­но-временной организации морфофункциональных комплексов различных эпите­лиальных органов, несмотря на значительные функциональные различия. Поя­вилась возможность создания численной имитационной модели самоорганиза­ции и самообновления морфофункционального комплекса и формализации тех параметров жизни клеточной популяции, которые до сих пор были экспери­ментально недосягаемы [101]: среднее время обращения, среднее число де­лений, проделанных клеткой, относительные размеры пролиферативного пула и др. К настоящему времени известны следующие свойства морфофункцио­нального комплекса ткани, как природного оригинала:

- пространственное расчленение на зону камбия и зону дифференцирован­ных клеток; - перемещение клеток комплекса из зоны камбия в зону дифференцирован­ных клеток; - неравномерное размещение вдоль комплекса (каскадность) величин, ха­рактеризующих клеточное обновление зоны камбия; - присутствие в камбиальной зоне комплекса в определенных местах кле­ток, имеющих длительность клеточного цикла в несколько раз превышающую среднюю; - замедление темпа обновления клеточных элементов в онтогенезе, что может быть вызвано старением; - вымирание клеток комплекса, экспериментально выявляемое как уменьшение радиационной метки, прочно связанной с ДНК ядер и изображае­мое падающей кривой, аппроксимируемой уравнением типа Y = ax2 + bx; - пребывание комплекса в целом в одном из режимов: рост, остановка роста, атрофия, гиперплазия, неограниченный рост и др.

Клетка как элемент построения и развития комплекса имеет следующие функциональные возможности:

- закончить клеточный цикл митозом; - не делиться - перейти в дифференцированное состояние; - погибнуть; - имеет место наличие клеток с разной протяженностью клеточных циклов внутри одного комплекса, несмотря на то, что делящиеся клетки могут дос­таточно четко удерживать стандартное время клеточного цикла (около 12 часов); - делящейся клетке свойственно "запоминание" предшествующего числа делений; - адгезия клеток может варьировать в широких пределах (два, три по­рядка).

Для того, чтобы клетка самостоятельно с ее потомством могла осущест­вить построение морфофункционального комплекса, ей следует приписать не­которые особенности существования, сопрягая отдельные формы клеточных возможностей:

1) образование при делении дочерних клеток с разной продолжи­тельностью цикла, отличной от времени жизни материнской клетки; 2) клетка с большим циклом, обладая большей адгезией, становится на место материнской, сталкивая другую, дочернюю в область меньшей адгезии; 3) гибель в митозе клеток с циклом, меньшим минимального; 4) появление неделящихся (дифференцированных) клеток с тем же време­нем жизни, что и у делящихся клеток после определенного числа делений, причем выход в данное состояние происходит для клеток с меньшим и большим временем жизни равновероятно; 5) дифференцированные клетки обладают меньшей адгезией к окружающим гистологическим структурам по сравнению с делящимися клетками.

Перечисленные свойства достаточны для описания тканеобразования. Мо­дель может быть представлена в одно- и многополюсном вариантах. В пос­леднем случае исходная клетка в начале пролиферации окружает себя по­томством в числе 6-8 клеток, от которых берет начало возникновение труб­чатых образований типа простых и сложных желез. Ниже рассматривается только однополюсный вариант модели, в котором онтогенез комплекса, про­текающий в условных единицах времени, развертывается сверху вниз, начи­ная с одной клетки. В первой колонке модели учитывается суммарное время жизни клеточной популяции t; во второй колонке - шаг времени t, который представляет собой минимальный отрезок времени в условных единицах, не­обходимый для возникновения очередного деления клеток и гибели неделя­щихся клеток, достигших предельного срока жизни; в третьей колонке раз­мещается непосредственно сам клеточный ряд; в четвертой - среднее число делений, проделанных клеткой ряда через каждый шаг времени при том или ином значении Nm, в пятой - среднее время обращения клеточных элементов популяции, представляющее собой отношение суммы времен клеточных циклов ряда к числу клеток ряда to.

При сопоставлении графиков, гистограмм, таблиц выявлено достаточно полное совпадение отдельных черт оригинала и модели, а именно:

1 - клеточная модельная популяция "стареет", увеличивая время своего обращения в зависимости от времени существования и от проделанных деле­ний; 2 - каскадность величин, характеризующих клеточное обновление зоны камбия и набегание пиков этих каскадов с увеличением времени жизни к на­чалу морфофункционального комплекса; 3 - размещение клеток с длинными циклами в начале каждого каскада, имитирующая расположение стволовых клеток; 4 - пространственное расчленение зон делящихся и дифференцированных клеток; 5 - перемещение клеток из зоны камбия в зону дифференцированных кле­ток; 6 - рост и остановка роста, а также неограниченный рост при нарушении правила асимметричного деления; 7 - величина пролиферативного пула в представлении имитационной моде­ли колеблется от 100% до 50%; 8 - продуктивность делящихся клеток соответственно колеблется от двух делящихся клеток до одной; 9 - среднее число делений, проделанных клеткой, обретает в модели смысл контрольного деления, после которого скачкообразно меняется про­дуктивность делящейся клетки, а само контрольное деление определяет ли­нейные размеры комплекса; 10 - динамика клеточной гибели в модели представлена падающей ступе­необразной кривой, где число ступеней соответствует числу клеточных суб­популяций.

<<< НазадСодержаниеДальше >>>

medbookaide.ru