2 курс / Физиология / Сборники и учебники / Anatomia_i_fiziologia_dlya_chaynikov
.pdf
Как было указано в разделе "Создание и разрушение: метаболизм"
здпомни, (см. выше в этой главе), образование новых клеток и тканей пред ставляет собой анаболический метаболизм, а разложение и устра-
нение старых клеток и тканей представляет собой катаболический метаболизм.
Рост
Человек начинает жизнь в виде одной клетки и с этого уровня наращивает свой организм (на начальной стадии это происходит с помощью материнс кого организма). Тело человека развивается по определенному плану: вы страивается скелет, наверху которого расположена голова, а внизу - хвост (который утрачивается в процессе развития). Взгляните на себя: вы состоите примерно из 100 триллионов клеток, практически каждая из которых обла дает своей собственной, особой структурой и функцией. Довольно сложная конструкция! Подробнее о процессах развития можно прочитать в главе 15.
Замена
Подобно организму, частью которого они являются, многие виды клеток характеризуются определенным жизненным циклом: клетки рождаются, раз виваются, выполняют свои функции, изнашиваются и отмирают. Чтобы тот или иной организм мог продолжать свой жизненный цикл, эти клетки долж ны постоянно заменяться либо путем деления клеток того же типа, либо пу тем дифференциации стволовых клеток. Эти относительно недифференци рованные клетки терпеливо ждут, пока для них не наступит время делиться. Одни из таких дочерних клеток дифференцируются в свой особым образом запрограммированный тип, тогда как другие остаются стволовыми клетками и ждут, пока для них не наступит время делиться. В настоящее время ство ловые клетки являются предметом пристального исследования как в физио логии, так и в области регенеративной медицины.
Ниже перечислены некоторые типы клеток и тканей, которые должны не прерывно заменяться.
» |
Красные кровяные тельца (эритроциты). Жизне н н ы й цикл крас |
|
ных кровян ы х телец составляет п римерно 1 20 дней. Это означает, |
|
что полная замена всех ва ш их красных кровя ных телец происходит |
|
трижды в году. Новые красные кровя ные тел ьца образуются в крас |
|
ном костном мозге, а ста рые красные кровя ные тел ьца перераба |
|
тыва ются в селезенке с целью извлечения из них железа, а затем |
60 ЧАСТЬ 1 |
расщепля ются в печени . |
Основные сведения о физиологии |
»Эпидермис. Клетки эпидермиса, наружного слоя кожи, постоянно
сбрасываются с поверхности кожи и заменяются новыми из нижних слоев. Ваше тело полностью заменяет эпидермис примерно каж дые шесть недель. Этот процесс подробно обсуждается в главе 4.
»Кишечная выстилка. Эпителиальные клетки кишечной выстил ки
заменяются примерно каждую неделю. Вы поймете, что это подвиг, когда подробнее прочитаете о кишечнике в главе 1 1 .
»Дыхательная мембрана. Ваше тело заменяет эпителиальные
клетки, которые устилают альвеолярную стенку и легочные капил лярные сосуды, примерно каждую неделю. Подробное описание дыхательной мембраны приводится в главе 1 О.
»Сперма. Процесс сперматогенеза (выработки спермы) начинает
ся с половозрелого возраста мужчины и происходит непрерывно, заканчиваясь с его смертью. Количество и качество меняется в за висимости от возраста и состояния здоровья. Подробнее об этом можно прочитать в главе 1 4.
»Кости. Как указано в главе 5, кость представляет собой жи вую
ткань, которая является чрезвычайно акти вной во многих отно шениях. Кости выдерживают на себе вес тела и воздействие все возможных нагрузок. В костях все время образуются крошечные трещины, которые приходится постоянно и как можно быстрее уст ранять (этот процесс называется ремоделированием). Кости служат хранилищем ионов металлов, особенно кальция, которые постоян но выходят из костей и вновь поступают в них.
В некоторых других типах тканей клетки заменяются очень редко. Ниже перечислены такие типы тканей.
»Клетки мозга. Многие годы ученые полагал и, что отмирающие
клетки мозга не заменяются и что в мозге взрослого человека но вые клетки вообще не появляются. Однако сейчас доказано, что та кие представления не имеют ничего общего с действительностью. И все же особенность нейронов заключается в том, что они не нуж даются в замене - считается, что они должны служить вам пожиз ненно. Процессы, посредством которых новые клетки рождаются в мозге взрослого человека, привлекают повышенный интерес ис следователей. Подробнее об этом можно прочитать в главе 7.
ГЛАВА 2 Чем занимается ваше тело целый день 61
»Сердечная мышца. До недавнего времени физиологи полагали,
что клетки сердечной мышцы не могут регенерироваться, но сейчас эти представления вызывают большие сомнения. В 2009 г. шведские исследовател и предоставили свидетельства того, что в здоровом сердце происходит деление клеток сердечной мышцы - правда, очень медленное. По оценке исследователей, у двадцатилетнего человека за один год обновляется примерно 1 о/о клеток сердечной мышцы, а за период от рождения человека до достижения им пяти десятилетнего возраста генерируется приблизительно 45% клеток сердечной мышцы. Результаты исследований, опубликованные в на чале 2000-х гг., показывают, что клетки сердечной мышцы в какой-то мере регенерируются после сердечного приступа.
Ремонт отдельных частей организма
Ваш организм при необходимости (например, после травмы) ремонтирует некоторые ткани.
»Скелетная мышца. Взрослые клетки скелетной мышцы, называе
мые волокнами, обычно не делятся и не замещаются. Исключением является ситуация, когда они повреждаются. После образования волокон скелетной мышцы они обычно сохраняются в течение всей жизни человека. Но, возразите вы, за год усиленных физи ческих трени ровок объем моих бицепсов увеличился в два раза! Превосходный результат, ответим мы, но это вовсе не означает, что у вас добавились новые клетки - просто выросли в объеме клет ки, которые у вас уже были.
»Гладкая мышца. Подобно волокнам скелетной мышцы, волокна
гладкой мышцы заменяются лишь после травмы.
»Кожные фибробласты. Они отличаются от эпидермальных клеток.
Эти клетки быстро размножаются, чтобы устранить повреждение в результате пореза или ранения. Они отвечают за образование рубцо вой ткани (подробнее об этом рассказывается в следующем разделе).
»Клетки печени. Обычно деление этих клеток происходит очень
|
редко. Однако если удаляется большое количество клеток печени |
|
(например, в результате хирургического удаления части печени), |
|
оставшиеся клетки быстро размножа ются, чтобы заменить исчез |
|
нувшую ткань. Это позволяет трансплантировать реципиенту часть |
|
печени живого донора или разделить одну печень умершего доно |
|
ра между двумя реципиентами. В таких случаях, когда все проходит |
|
хорошо, обе части печени регенерируются в полноценную и нор |
62 ЧАСТЬ 1 |
мально функционирующую печень. |
Основные сведения о физиологии |
Заживление ран
Когда у вас образуется крошечная поверхностная рана на коже (например, легкая царапина), эпидермис просто замещает поврежденные клетки. За два три дня царапина исчезает. Но когда рана оказывается достаточно глубокой, в результате чего повреждаются кровеносные сосуды, процесс заживления задействуется несколько сильнее. Более подробные сведения о крови и кро веносных сосудах приведены в главе 9.
Немедленный прилив крови к месту ранения вымывает из раны остатки инородных веществ и микробы. Затем сосуды вокруг раны сжимаются, что бы замедлить приток крови. Тип форменного элемента крови, называемый тромбоцитом (или кровяной пластинкой), прикрепляется к коллагеновым волокнам, из которых состоит стенка сосуда, образуя натуральный "лейкоп ластырь", называемый тромбоцитарной пробкой (закупоривающей массой).
После образования тромбоцитарной пробки сложная цепочка событий приводит к формированию сгустка, который полностью останавливает кро вопотерю. Эта цепочка событий называется каскадом свертывания крови (коагуляции). Такой каскад инициируется ферментами, которые называются факторами свертывания крови. Ниже описаны участники этого процесса.
»Протромбин. Этот фактор светрывания крови преобразуется в тромбин. Чтобы эта реакция стала возможной, требуется кальций.
»Тромбин. Этот фактор свертывания крови действует как фермент
изаставляет протеин плазмы фибриноген образовывать длинные нити, называемые фибрином.
»Фибриновые нити. Заворачиваясь вокруг тромбоцитной пробки, эти нити образуют ячеистую матрицу для сгустка.
»Сгусток. Ячеистая структура захватывает красные кровяные тельца
иобразует сгусток. По мере того как красные кровяные тельца, ко
торые захватываются на наружной стороне сгустка, высыхают (т.е. воздух окисляет железо в них, подобно образованию ржавчи ны), они приобретают коричневато-красн ый цвет; в результате ра на покрывается коркой.
Под коркой происходит регенерация и "ремонт" кровеносных сосудов, а в глубоких слоях кожи клетки фибробласты ускоряют формирование бел ков для заполнения пространства в поврежденных слоях. Рубцы формиру ются для придания дополнительной прочности участкам кожи, получившим глубокие ранения. Рубцовая ткань содержит много взаимопереплетающихся коллагеновых волокон, но не содержит волосяных фолликулов, ногтей или желез. Область, покрытая рубцовой тканью, может быть лишена чувстви тельности, если в этой области были повреждены нервы.
ГЛАВА 2 Чем занимается ваше тело целый день 63
Части, имеющие длительный срок службы
Как отмечалось выше в этой главе, почти все ткани и органы нуждаются в "запчастях", которые приходится использовать по истечении определенно го времени. Однако имеется ряд исключений.
»Центральная нервная система. Клетки и ткани центральной не рвной системы большей частью не обладают способностью к само стоятельному "ремонту" и регенерации. Это указывает на неотвра тимость наступления печальных последствий в случаях поврежде ния спинного мозга.
»Периферийные нервы. Речь идет о нервных клетках, которые пе редают ощущения или моторные (двигательные) сообщения меж ду центральной нервной системой, с одной стороны, и кожными
и скелетными мышцами - с другой (см. главу 7). Многие типы пе риферических нейронов в случае нормального функционирования не подвергаются регулярной процедуре замены. В результате они оказываются одними из самых старых клеток в вашем организме. К сожалению, они не регенерируют, даже когда отмирают в резуль тате повреждения (травмы), поэтому некоторые виды повреждений нервов оказываются неустранимыми. Поскольку они не заменяют ся, даже когда отмирают, количество таких нервных клеток сокра щается на протяжении всей жизни человека.
»Яйцеклетки. В яичниках каждой женщины в момент ее рожде
ния есть весь запас яйцеклеток, которыми ее наделила природа. У большинства женщин это количество примерно на полмиллио на больше, чем требуется. Большинство этих яйцеклеток отмирает еще до наступления половой зрелости женщины. Лишь немногие из них достигают стадии зрелости и принимают участие в ежеме сячных событиях, называемых менструальным циклом. И совсем уж немногие принимают участие в событиях репродукции (продол жения рода), описанных в главе 1 4.
Биологи считают, что жизнь существует на пяти уровнях организации. Первым из этих уровней является клеточный уровень (подробнее об этих уровнях организации рассказывается в главе 1 ). Базовый принцип биологии гласит, что все организмы состоят из клеток и что любой объект, содержа щий хотя бы одну клетку, является организмом . Понимание основ клеточ ной биологии необходимо для понимания любого аспекта биологии, включая анатомию и физиологию человека.
64 ЧАСТЬ 1 Основные сведения о физиологии
Гла ва 3
Немного о биологии клетки
ВЭТОЙ ГЛ А В Е ...
»Какие фун кции вы полняют клетки
»Рассмотрим подробнее структуру клетки
»Экспрессия нашего генома
»Из каких видов тка ней состоит наше тело
первое, что вам нужно знать о биологии клетки, это то, что она чрез вычайно сложна. Вы можете достичь детального понимания этой
сложности лишь путем многолетнего упорного труда. В настоящей главе мы стремились дать вам лишь некое начальное представление о том, насколько сложна биология клетки и сформировать базовые знания для по нимания всевозможных интересных сведений в области физиологии, кото рые мы описываем в последующих главах.
Фун кци и клеток__________
Практически все анатомические структуры построены из клеток и почти все физиологические функции реализуются внутри клеток. Невозможно со ставить исчерпывающий перечень функций клеток, но мы можем сгруппи ровать функции клеток в несколько основных категорий, что мы и сделаем в последующих разделах.
Как клетки строят сами себя
Новые клетки возникают из других клеток - и больше ниоткуда. Один раз за все время жизни организма - точнее говоря, в самом начале жизни организма - происходит слияние двух клеток, в результате которого обра зуется новая клетка. После этого на протяжении всей жизни организма две новые клетки образуются в результате деления одной клетки, а все клетки организма в конечном счете возникают из этой первой клетки. Именно таким способом любой организм выстраивает себя из одной-единственной исход ной клетки, называемой зиготой, превращаясь в сложный организм, состо ящий из триллионов высокодифференцированных, высокоспециализирован ных и высокоэффективных клеток, все множество которых функционирует строго координированным образом. Ниже мы попытались кратко объяснить, как из одной клетки образуется множество других клеток.
Слияние: зигота
Первой клеткой организма является зигота, образующаяся в результате слияния половых клеток: яйцеклетки, источником которой является женс кая особь, и сперматозоида, источником которой является мужская особь. (Подробнее о половых клетках можно прочитать в главе 14; подробнее о зи готе можно прочитать в главе 1 5.) Зигота содержит две полные копии ДНК: одну от мужского родительского организма и одну от женского родительско го организма. Эти две копии объединяются в ядре зиготы. Поэтому говорят,
что зигота является диплоидной, т.е. содержит двойной набор хромосом. |
||
66 |
ЧАСТЬ 1 |
Основные сведения о физиологии |
Деление: митоз
В процессе деления клетки, называемом митозом, одна клетка делится на две дочерние клетки, каждая из которых отличается от исходной клет ки лишь своим размером. Подробности этого процесса обсуждаются ниже в данной главе.
ТЕХНИЧЕСКИЕ
ПОДРОБНОСТИ
Митоз происходит лишь в диплоидных клетках, т.е. в клетках, рас полагающих двумя копиями ДНК. Следовательно, во всех клетках, кроме зрелых половых клеток, являющихся гаплоидными, т.е. содер жащими лишь одну копию ДНК соответствующего организма.
Дифференциация
После завершения процесса митоза каждая из дочерних клеток начинает жить своей собственной, отдельной жизнью. Одна из них (или они обе) мо гут пойти по пути дифференциации. Дифференциация - это совокупность процессов, в результате которых клетка приобретает свое особое строение и функции. Клетка, которой предназначено стать нервной клеткой, идет по од ному пути дифференциации; клетка, которой предназначено стать мышечной клеткой, идет по другому пути дифференциации.
Различные пути дифференциации зависят от типа участвующих в этом процессе особых клеток, называемых стволовыми. Стволовая клетка делит ся посредством митоза; при этом одна дочерняя клетка остается стволовой клеткой и делится снова и снова, тогда как другая дифференцируется в ха рактерный для определенной ткани тип клеток. Лишь некоторые ткани (на пример, кожа и кровь) имеют свои собственные, особые стволовые клетки.
У нас нет возможности описывать в этой книге подробности клеточной дифференциации. Это чрезвычайно сложный процесс. Главное, что нужно четко уяснить: все процессы дифференцировки проходят под генетическим контролем.
Построение тканей
Все ткани состоят из клеток, которые формируют их и обеспечивают их функционирование. Клетки любой ткани в той или иной степени дифферен цированы (или специализированы) в соответствии с анатомической или фи зиологической функцией, которую они выполняют в данной ткани.
Кроме клеток, во многих тканях также присутствуют структурные белки, (синтезируемые клетками). Дифференцированные клетки образуют всевозмож ные белки: некоторые синтезируют лишь два-три разных белка, другие же - много разных белков в ответ на сигналы, принимаемые ими от других клеток. Во всех клетках синтез любого белка происходит практически одинаково.
ГЛАВА 3 Немного о биологии клетки 67
Тем, кто изучает анатомию и физиологию, важно помнить, что у всех клеток есть ряд общих для всех них - и очень важных - харак
теристик, но все клетки дифференцируются на широкое множество ЗАПОМНИ! форм и размеров, содержащих различающиеся между собой структу
ры, выполняют разные функции и имеют разные жизненные циклы.
Преобразование энергии
Большинство клеток вырабатывают АТФ для обеспечения собственного метаболизма энергией. В процессе клеточного дыхания происходит окисле ние глюкозы и образование АТФ (чтобы вспомнить, как это происходит, вер нитесь к главе 2).
Некоторые клетки (например, устилающие тонкую кишку) только вса сывают глюкозу с тем, чтобы передать ее наружу другим клеткам, которые смогут использовать этот ценный ресурс. Иногда количество глюкозы, пот ребленной пищеварительной системой, превышает объем, который организм может использовать в данный момент. Некоторые клетки (например, печени) выполняют функцию захвата и запасания избыточной глюкозы, чтобы в слу чае нехватки этого сахара высвободить часть своих запасов и обеспечить другие клетки.
Образование и транспорт продуктов метаболизма
Очень многие типы клеток образуют специфические химические вещес тва, которые встраиваются в ткани и участвуют в метаболических реакциях. К их числу относятся тысячи особых белков и полипептидов, сигнальных химических веществ типа нейромедиаторов и гормонов, мелких молекул и ионов, липидов и всевозможных структурных молекул.
Одни специализированные клетки не делают, по сути, ничего, кроме син теза и экспорта определенных веществ, используемых прочими клетками; другие же клетки не только синтезируют биологически активные вещества, но и выполняют иные функции.
Некоторые клетки специализируются на транспорте по всему организму продуктов, произведенных другими клетками, или на выведении из организ ма метаболических продуктов жизнедеятельности (отходов). Часть этих кле ток, кроме транспортных, выполняют и другие функции. Другая же часть на протяжении всего своего жизненного цикла занимается исключительно транспортом. Примером таких узкоспециализированных транспортных кле ток могут служить красные кровяные тельца (эритроциты). В процессе диф ференцировки они теряют ядра и после этого занимаются лишь транспортом
ЧАСТЬ 1 Основные сведения о физиологии
молекул газа из одного места в другое. Они не делятся и не образуют АТФ. Когда газотранспортная система красных кровяных телец (ККТ) изнашива ется, они остаются без работы. Они удаляются из системы кровообращения
ирасщепляются в печени.
Передача сигналов
Некоторые клетки передают сигналы разных типов, не изменяя при этом своего местоположения в организме. Единственное назначение некоторых не рвных клеток заключается в генерировании и передаче электрических сигна лов. Эти клетки, как правило, остаются в жизнеспособном состоянии долгие годы, зачастую до самой смерти всего организма. Другие клетки образуют те или иные виды сигнальных молекул, таких как гормоны и нейромедиаторы, или воспринимают и реагируют на эти сигнальные молекулы.
Что происходит внутри эукариоти ческих клеток_______
Несмотря на огромное разнообразие клеток, у них есть немало общего. (Это предмет клеточной биологии.) И дело здесь не только в том, что все клетки одного организма или даже одного вида во многом схожи между со бой. Все клетки, по крайней мере все эукариотические клетки, похожи друг на друга. Растения, животные и грибы являются эукариотами (т.е. организ мами, состоящими из эукариотических клеток), а все их клетки - при всей колоссальной сложности и многообразии - по сути похожи друг на друга. Действительно, клетки нашей кожи, почек и костей в главном похожи на клетки листьев и корней моркови; клетки грибов; и отдельно взятую клетку микроорганизмов, называемых простейшими, обитающими в воде и почве.
Здесь мы приводим упрощенное описание эукариотической клетки. Это ограниченный мембраной мешок, в котором расположены мелкие, но уни кальные структуры, называемые органеллами ("маленькими органами"). Органеллы погружены в желеобразный матрикс, называемый цитоплазмой. Органеллы, как следует из их названия, представляют собой функциональные субъединицы клетки точно так же, как органы представляют собой функци ональные отделы организма. Одна из самых больших и значимых органелл клетки - ядро - управляет жизнедеятельностью клетки подобно тому, как нервная система управляет поведением организма в целом. Термин эукариот происходит от греческого слова karyos, что означает "орех" или "ядро". Этот
термин был использован учеными для обозначения ядра. |
|
ГЛАВА 3 |
Немного о биологии клетки 69 |