Раздел 1

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

 

1.2. Молекулярно-генетический и клеточный уровни организации жизни

 

1.2.1.5. Специализация и интеграция клеток многоклеточных организмов

 

Многоклеточные организмы состоят из клеток, имеют принципиально одинаковое строение. Однако форма, размеры и структура клеток зависят от функций, которые они выполняют (рис. 1.18). Например, мышечные клетки удлиненные, клетки эпителиальной ткани расположены на базальной мембране, плотно прилегают друг к другу, міжклітинна вещество почти отсутствует. Нервные клетки благодаря большому количества отростков приобрели звездчатой формы. Лейкоциты подвижны, округлой формы, могут приобретать амебоїдної формы и т.д. Причем функционально специализированные клетки разных типов и видов имеют сходные структуру, форму и размеры.

 


Специализированные клетки

 

Рис. 1.18. Основные типы клеток человека:

а — клетки жировой ткани; б — клетки хрящевой ткани; в — клетки костной ткани; г — клетки крови (лейкоциты и эритроциты);

д — волокна (симпласти) мышечной ткани; — клетки нервной ткани; ж — цилиндрический эпителий; е — реснитчатый эпителий.

 

Таким образом, клетки животных очень разнообразные по размерам, структуре и функциям, которые они выполняют. Однако все клетки обязательно должны основные компоненты: цитоплазматическую мембрану, цитоплазму и ядро (за исключением эритроцитов и тромбоцитов, в которых ядро отсутствует).


Основные типы клеток человека. Клетки человека — микроскопических размеров. Диаметр клеток коливаєть ся от 0,01 до 0,1 мм (или от 10 до 100 мкм). Объем большинства клеток человека находится в пределах 20015000 мкм3. Диаметр мельчайших клеток человека (эритроциты, тромбоциты) равна 4-5 мкм (рис. 1.18 г). Однако известны и достаточно большие клетки, которые можно увидеть невооруженным глазом. Величина клеток зависит от функций, которые они выполняют. Так, яйцеклетки благодаря накоплению в них питательных веществ достигают размеров до 150-200 мкм.

Размеры клеток прямо не связанные с размером организма. Так, клетки печени и почек у человека, лошади, большой рогатого скота и мыши имеют примерно одинаковый размер. Размеры органов, как и размеры целого организма животных и растений, зависят от количества клеток. Количество клеток, составляющих организм, различна: от одной (у одноклеточных) или небольшого количества (у коловраток и круглых червей) до многих миллиардов, как у большинства многоклеточных. Новорожденный человек содержит примерно 2 триллионы клеток, взрослый — 60-100 триллионов. Донор, который сдает кровь, теряет 5-6 млрд. клеток. Ежедневно наш организм теряет и восстанавливает один процент своих клеток, то есть примерно 600 миллиардов.

В организме человека есть различные клетки, которые отличаются размерами, структурой и функциями.


добные по структуре и функциями клетки, связанные единством происхождения, образуют ткани. Специализированные клетки образуют четыре типа тканей: эпителиальную, соединительную, м ‘язову, нервную. Клетки сохраняют характерные черты каждого типа ткани, могут в широких пределах изменяться как по структуре, так и за функциями. Причем характер различий меняется в процессе индивидуального развития организма. Важным фактором структурно- функциональных особенностей является взаимодействие клетки с другими клетками, тканями или удаленными клеточными системами через нервную систему или гуморальный связь. В каждой ткани есть клетки, которые сохраняют способность к делению. Часть из них после разделения начинает дифференцироваться и замещает клетки ткани, которые отмирают. Вторая часть клеток остается недифференцированной, способной к следующих разделов (стволовые клетки).

Стволовые клетки и их использование в медицине.

Изучение тонких механизмов эмбрионального развития организма млекопитающих из единственной клетки и процессов замещения поврежденных клеток здоровыми клетками во взрослом организме интенсивно развивалось за последние 20 лет прошлого столетия. В основе этого необходимого направлении исследования стволовых клеток.

Стволовыми клетками (СК) считают недифференцированные клетки, способные к самообновлению и продуцирования хотя бы одного типа высокодифференцированных потомков.

iv>

Различают два типа СК — плюрипотентные эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), которые получают из бластоцисты, и взрослые стволовые клетки — ограничены ими (мультипотентные и уніпотентні), которые обнаружены в различных тканях. Эти группы СК отличаются друг от друга и от их потомков по многим морфологическим признакам, локализации, рецепторами поверхности, факторами транскрипции.

Все СК, независимо от их происхождения, имеют общие свойства: способны к делению и самообновлению на протяжении длительного времени, они не специализированные, могут давать начало специализированным типам клеток.

В отличие от нервных клеток, которые обычно не размножаются, СК могут восстанавливаться много раз. Процесс многократного восстановления клеток называют пролиферацией. Начальная популяция СК, пролиферируют в течение многих месяцев в лаборатории, может образовать миллионы клеток. Если конечные клетки продолжают быть неспециализированными, подобно родительских СК, то они считаются способными к длительному самовосстановлению.

Одно из основных свойств СК — то, что они не имеют никаких тканинноспецифічних структур, которые позволили бы им выполнять специализированные функции. СК не может, как клетка сердечной мышцы, взаимодействовать с другими клетками, чтобы поставлять кровь к сосудам; она не может переносить молекулы кислорода, как эритроциты; и она не проводит электрохимические сигналы других клеток (подобно нервных клеток).


Ученые ищут факторы, которые позволяют СК оставаться недиференційованими. Нужно было много лет и ошибок, чтобы научиться культивировать СК в условиях лаборатории, препятствовать их спонтанной дифференцировке в определенные клетки. Только через 20 лет после создания лабораторных условий для выращивания СК мыши, научились выращивать зародышевые СК человека. Важным участком научных исследований является изучение сигналов в тканях и органах взрослого организма, которые приводят к пролиферации популяции СК и оставляют их недиференційованими до тех пор, пока они не станут нужны для регенерации определенной ткани. Это необходимо для того, чтобы вырастить большое количество СК в неспециализированных лабораториях для проведения экспериментов.

Процессы, во время которых неспециализированные СК дают начало специальным клеткам, называются дифференциацией. Только сейчас начинается изучение сигналов, которые запускают этот процесс. Их разделяют на внутренние и внешние. Внутренние сигналы контролируются генами клетки, несущие закодированные инструкции для всех структур и функций клеток. Внешние сигналы включают химические вещества из других клеток, физический контакт с соседними клетками, некоторые молекулы внеклеточного среды. Исследование сигналов дифференцировки СК необходимо, поскольку с их помощью ученые могут вырастить клетки или ткани, которые можно использовать для лечения многих заболеваний.

>

Зрелые СК продуцируют клетки определенной ткани, в которых они находятся. Например, зрелые СК в костном мозга дают начало многим типам клеток крови. До недавнего времени считалось, что гемопоэтические СК не могут давать начало дифференцированным клеткам других тканей, например, нервных. За последние годы многочисленными экспериментами показано, что СК происходят из одной ткани, а дают начало клеткам совсем другой ткани. Такой феномен получил название пластичности. Так, кроветворные клетки дают начало нейронам или клеткам сердечной мышцы, клетки печени трансформируются в клетки, продуцирующие инсулин. Активно изучается возможность использование зрелых СК в клинической практике.

Существует большое разнообразие направлений, в которых СК человека могут использоваться в экспериментальном и клиническом исследованиях. Но есть много технических препятствий между потенциалом стволовых клеток и реализацией его использования, которые будут преодолены только длительным, интенсивным изучением.


Изучение СК человеческих зародышей может дать информацию о сложные процессы, происходящие на протяжении развития человека. Цель этой работы заключается в том, чтобы выяснить, как недифференцированные стволовые клетки становятся дифференцированными. Преобразования генов на активные и неактивные есть важным в этом процессе. Некоторые из наиболее серьезных медицинских состояний, таких, как рак и пороки развития, является следствием патологического деления и дифференцировки клеток. Понимание генетических и молекулярных регуляторов этих процессов может дать информацию о том, как возникают такие заболевания, и предложить новые стратегии для терапии. Существенным препятствием использования СК является то, что не до конца выяснено сигналы, которые способствуют переходу определенных генов в активный и неактивное состояние, а также те, что влияют на дифференцировку стволовых клеток.

СК также могут использоваться для проверки новых лекарственных препаратов. Например, новые медикаментозные препараты могли бы быть проверены на безопасность с помощью дифференцированных клеток, полученных от человеческих плюрипотентных линий клеток. Другие виды линий клеток уже применяются в клинике. Раковая клетка формирует, например, привыкание к лекарственным антиопухолевых препаратов. Но наличие плюрипотентных СК позволило бы осуществить проверку препаратов в более широком диапазоне типов клеток.


я эффективной проверки препаратов необходимо создать идентичные условия при сравнении различных лекарств. Несмотря на это, ученые должны будут точно уметь управлять дифференцировкой СК в определенный тип клеток, на которых будут проверены лекарства. Знание сигналов, контролирующих дифференцировку, недостаточно для того, чтобы суметь точно их сымитировать с целью получения последовательного идентичного дифференцировка клеток для каждого лекарственного средства, что проверяется.

Возможно, наиболее важным потенциальным применением человеческих СК является восстановление клеток и тканей, которые могли бы использоваться для терапии, основанной на клетках. На сегодня донорские органы и ткани часто используются, чтобы изменить больного или разрушенную ткань, но потребность в тканях и органах для трансплантации превышает их доступное поставки. СК, направленные к дифференцировке в определенные типы клеток, позволяют восстанавливать источники замены клеток и тканей с целью лечение заболеваний, в частности болезней Паркинсона и Альцгеймера, повреждения спинного мозга, синяков, ожогов, заболевания сердца, диабета, остеоартрита и ревматоидного артрита.

Например, возможно создание здоровых клеток сердечной мышцы в лаборатории с последующей трансплантацией их пациентам с хронической сердечной недостаточностью. Предыдущие исследования на мышах и других животных указывают на то, что СК костного мозга, которые были трансплантированы в поврежденное сердце, могут создавать клетки сердечной мышцы и успешно повторно заселять сердечную ткань. Другие недавние исследования в системах клеточных культур указывают на возможное направление дифференцированных зародышевых СК или зрелых клеток костного мозга к клеткам сердечной мышцы.


У людей, больных диабетом первого типа, клетки поджелудочной железы, которые обычно продуцируют инсулин, разрушены собственной иммунной системой пациента. Новые исследования указывают, что можно направлять дифференцировку человеческих зародышевых СК в клеточной структуре с целью формирования инсулин — продуцирующих клеток, которые могли бы использоваться в трансплантаційній терапии больных диабетом.

Для реализации многообещающих новых методов лечения, основанных на клетках, с целью лечения распространенных и истощающих заболеваний, специалисты должны обладать способностью легко и продуктивно управлять стволовыми клетками так, чтобы они имели необходимые характеристики для успешного дифференцирования, трансплантации и приживления. В дальнейшем нужны последовательные этапы успешного использование, основанные на клетках, чтобы контролировать введение такого лечение в клинике. Для трансплантации стволовые клетки должны иметь такие свойства:


• экстенсивно пролиферировать и продуцировать достаточное количество тканей;

• дифференцироваться в желаемые типы клеток;

• сохранять жизнеспособность после трансплантации;

• объединяться с окружающими тканями после трансплантации;

• функционировать для продолжения жизнь реципиента;

• не причинять вреда реципиенту любым образом.

Кроме того, чтобы избежать проблемы иммунного отторжения, экспериментируют с различными стратегиями создания тканей.

Таким образом, лечение стволовыми клетками перспективное. их применение ограничено техническими причинами и дороговизной, но накопленные результаты дают возможность считать, что эти ограничения будут преодолены.

Источник: schooled.ru

Клетка – открытая система, поскольку ее существование возможно только в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой.

Благодаря наличию потока информации клетка приобретает структуру, отвечающую критериям живого, поддерживает ее во времени, передает в ряду поколений. В этом потоке участвуют ядро, макромолекулы, переносящие информацию в цитоплазму (мРНК), цитоплазматический аппарат транскрипции. Позже полипептиды, синтезированные на полисомах, приобретают третичную и четвертичную структуру, и используется в качестве катализаторов или структурных белков. Также функционируют геномы митохондрий, а в зеленых растениях – и хлоропластов.

Поток энергии обеспечивается механизмами энергообеспечения – брожением, фото – или хемосинтезом, дыханием. Дыхательный обмен включает реакции расщепления низкокалорийного органического «топлива» в виде глюкозы, жирных кислот, аминокислот, использование выделяемой энергии для образования высококалорийного клеточного «топлива» в виде АТФ. Энергия АТФ в разнообразных процессах преобразуется в тот или иной вид работы – химическую (синтезы), осмотическую (поддержание перепадов концентрации веществ), электрическую, механическую, регуляторную.

Анаэробный гликолиз – процесс бескилородного расщепления глюкозы.

Фотосинтез – механизм преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ.

Дыхательный обмен одновременно составляет ведущее звено потока веществ, объединяющего метаболические пути расщепления и образования углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот.

Биологически активные вещества – гормоны, ферменты, адреналин, серотонин и т. д.

Происхождение многоклеточных:

По теории Э.Геккеля (1884): В построении своей гипотезы он исходил из эмбриологических исследований, проведенных к тому времени А.О.Ковалевским и другими зоологами преимущественно на ланцетнике и ряде позвоночных. Опираясь и биогенетический закон, Геккель считал, что каждая стадия онтогенеза повторяет какую-то стадию, пройденную предками данного вида во время филогенетического развития. По его представлениям, стадия зиготы соответствует одноклеточным предкам, стадия бластулы — шарообразной – колонии жгутиковых. Далее по этой гипотезе произошло впячивание одной из сторон шарообразной колонии и образовался двухслойный организм, названный Геккелем гастреей, а гипотеза Геккеля получила название теории гастреи. Эта теория сыграла большую роль в истории науки, так как способствовала утверждению монофилитических представлений о происхождении многоклеточных.

По теории И.И. Мечникова (1886): По его представлениям у гипотетического предка многоклеточных – шарообразной колонии жгутиковых – клетки, захватывавшие пищевые частички, временно теряли жгутики и перемещались внутрь колонии. Затем они могли вновь возвращаться на поверхность и восстанавливать жгутик. Постепенно в шарообразной колонии произошло разделение функции между сочленами колонии. Для успешного захвата пищи необходимо активное движение, что привело к поляризации организма. Передние клетки приобретали специализацию в отношении движения, а задние в отношении питания. Возникшее затруднение передачи пищи от задних клеток к передним повлекло за собой иммиграцию фагоцитобластов в полость тела. Этот гипотетический организм схож с личинкой многих губок и кишечнополостных. Первоначально Мечников назвал его перенхимеллой. Затем в связи с тем, что внутренний слой у гипотетического организма формируется из фагоцитобластов, он назвал его фагоцителлой. Данная теория получила название теории фагоцителлы.

Источник: StudFiles.net

Развитие одноклеточной зиготы в многоклеточный организм происходит в результате процессов роста и дифференцировки клеток. Рост представляет собой увеличение массы организма, происходящее в результате ассимиляции вещества. Он может быть связан с увеличением как размеров клетки, так и их числа; при этом исходные клетки извлекают из окружающей среды необходимые им вещества и используют их на увеличение своей массы или на построение новых подобных себе клеток. Так, зигота человека составляет примерно 110 бг, а новорожденный ребенок весит в среднем 3200г, т.е. за время внутриутробного развития происходит увеличение массы в миллиарды раз. С момента рождения и до достижения средних для взрослого человека размеров масса увеличивается еще в 20 раз.[ …]

Дифференцировка представляет собой созидательный процесс направленного изменения, в результате которого из общих черт, присущих всем клеткам, возникают структуры и функции, свойственные тем или иным специализированным клеткам. Процесс дифференцировки сводится к приобретению (или утрате) различными клетками структурных или функциональных особенностей, в результате чего эти клетки становятся специализированными для различных видов активностей, свойственных живым организмам, и формируют соответствующие органы в организме. У человека, например, растущие клетки в результате последовательных изменений в процессе дифференцировки превращаются в различные клетки, из которых состоит человеческий организма клетка нервной, мышечной,пищеварительной, выделительной, сердечно-сосудистой, дыхательной и других систем.[ …]

Установлено, что дифференцировка возникает не в результате утраты или добавления генетической информации. Дифференцировка — это не результат изменения генетической потенции клетки, а дифференциальное выражение этих потенций под влиянием среды, в которой находятся клетка и ее ядро. Дифференцировка клеток — это в сущности изменение состава клеточных белков — набора ферментов, и обусловлена она тем, что в разных клетках из общего количества генов функционируют разные наборы ген, определяющие синтез различных наборов белков. Избирательное выражение информации, закодированной в генах данной клетки, достигается путем активации или репрессии процесса транскрипции (считывания) этих генов, т.е. путем избирательного синтеза первичного продукта генов — РНК, содержащей ту информацию, которую следует передать в цитоплазму.[ …]

У многоклеточных организмов, в отличие от одноклеточных, рост и дифференцировка одной клетки координированы с ростом и развитием других клеток, т.е. между разными клетками происходит обмен информацией. Таким образом, в этих организмах развитие зависит от интегрированного роста и дифференцировки всех клеток и именно такая интеграция обеспечивает гармоничное развитие организма как целого.[ …]

В онтогенезе каждый организм проходит последовательные стадии развития: зародышевый (эмбриональный), послезародышевый и период развития взрослого организма. Каждый период онтогенеза для своего происхождения и завершения требует определенного комплекса условий. Формирование видовых особенностей организма (генотипа) заканчивается к наступлению половой зрелости, а развитие индивидуальных признаков (фенотипа) происходит до конца.[ …]

Размножение клеток продолжается в течение всей жизни организма со скоростями, соответствующими его внутренним потребностям, а также в зависимости от условий его внутренней и внешней среды.[ …]

Для растений характерен практически недетерминированный рост, характеризующийся непрерывным образованием новых клеток в определенных участках, за счет которых происходит рост корней и побегов в длину, а за счет камбия увеличивается толщина. У большинства животных рост детерминирован и после достижения пропорций, присущих взрослому организму, участки активного размножения клеток обеспечивают лишь замещение утраченных или погибших клеток, не увеличивая общего числа клеток, имеющихся в данном организме. В организме одни клетки в результате жизнедеятельности стареют и умирают, другие образуются вновь. Длительность существования различных клеток неодинакова: от нескольких дней для клеток эпидермиса (кожи) до сотен лет для клеток древесины.[ …]

При дифференцировке, несмотря на сохранение всей наследственной информации, клетки утрачивают способность к делению. При этом чем больше специализирована клетка, тем труднее изменить (а иногда невозможно) направление ее дифференцировки, что определяется ограничениями, накладываемыми на нее организмом в целом.[ …]

Вернуться к оглавлению

Источник: ru-ecology.info