Одноклеточные организмы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Колонии одноклеточных организмов

одноклеточный организм молекулярный витамин

Одноклеточные организмы -- внесистематическая категория живых организмов, тело которых состоит из одной (в отличие от многоклеточных) клетки (одноклеточность). К ней могут относиться как прокариоты, так и эукариоты. Термин «одноклеточные» также иногда используется как синоним протист (лат. Protozoa, Protista).

Основные группы одноклеточных:

Инфузории (12 мк -- 3 мм)...

Амебы (до 0,3 мм)

Ресничные

Эвглена

Прокариоты преимущественно одноклеточны, за исключением некоторых цианобактерий и актиномицетов. Среди эукариот одноклеточное строение имеют простейшие, ряд грибов, некоторые водоросли. Одноклеточные могут формировать колонии.

Рис.

Колония (лат. colonia) -- в биологии, это отношение отдельных организмов одного вида живущих вместе, обычно на основе взаимной выгоды, например, для защиты или нападения на большую добычу. Некоторые виды (такие как медоносные пчёлы и муравьи) живут исключительно в колониях. Вид -- португальский кораблик (Physaliaphysalis), один из примеров полиповых форм колонии.Колонии из одноклеточных организмов называется колониальным организмом.

Колониальный организм- термин, который объединяет две группы организмов:

Организмы, состоящие из множества клеток, слабо дифференцированных и не разделенных на ткани; во многих случаях каждая такая клетка сохраняет способность к размножению (вольвоксовые зеленые водоросли Pandorina, Eudorine и др., многие виды сувоек и другие группы протистов).

Многоклеточные организмы, образующие колонии из нескольких особей, более или менее тесно связанных между собой, обычно имеющих одинаковый генотип и общий обмен веществ и системы регуляции. Среди животных к таким организмам относятся многие виды коралловых полипов, мшанок, губок и др. В ботанике для обозначения таких организмов принят термин «модулярные» (в противоположность унитарным) -- это, например, корневищные злаки, ландыш и др.

Яркими представителями колониальных организмов являются колониальные зеленые водоросли (напр., эудорина, пандорина, а также вольвокс, представляющий переходную форму к настоящим многоклеточным организмам). Широко распространены колониальные формы и среди других групп водорослей - диатомовых, золотистых и т.п. Среди гетеротрофных жгутиконосцев и инфузорий также немало колониальных форм. Существуют колониальные радиолярии.

Среди животных к колониальным относятся большинство губок и кишечнополостных (коралловые полипы, гидроидные полипы, сифонофоры), практически все мшанки и камптозои, многие оболочники, некоторые крыложаберные). У многих групп животных временные колонии образуются при бесполом размножении.

От истинно многоклеточных организмов колониальные отличаются прежде всего более низким уровнем целостности (например, на отдельные раздражители часто реагируют отдельные особи, а не вся колония как целое), а колониальные протисты -- также более низким уровнем дифференциации клеток. У многих высокоинтегрированных подвижных колоний (морские перья, сифонофоры и др.) уровень целостности достигает уровня единого организма, а отдельные особи выполняют роль органов колонии. У таких (и многих других) колоний имеется общая часть (стебель, ствол), которая не принадлежит ни одной из особей.

У большинства колониальных организмов в жизненном цикле присутствуют одиночные стадии. Обычно после полового размножения развитие начинается с одной клетки, которая у многоклеточных животных дает начало исходной многоклеточной особи. Она, в свою очередь, дает начало колонии в результате не доведенного до конца бесполого или вегетативного размножения.У некоторых протистов и бактерий сходные с колониями образования (например, плодовые тела миксомицетов или миксобактерий) могут образовываться и другим путем - соединением исходно независимых одиночных особей.

Считается, что одноклеточными были первые живые организмы Земли. Наиболее древними из них считаются бактерии и археи. Одноклеточные животные и прокариоты были открыты А. Левенгуком.

Эукариоты, или Ядерные (лат. Eucaryota от греч. еэ- -- хорошо и кЬсхпн -- ядро) -- домен (надцарство) живых организмов, клетки которых содержат ядра. Все организмы, кроме бактерий и архей, являются ядерными (вирусы и вироиды также не являются эукариотами, но не все биологи считают их живыми организмами).

Животные, растения, грибы, а также группы организмов под общим названием протисты -- все являются эукариотическими организмами. Они могут быть одноклеточными и многоклеточными, но все имеют общий план строения клеток. Считается, что все эти столь несхожие организмы имеют общее происхождение, поэтому группа ядерных рассматривается как монофилетический таксон наивысшего ранга. Согласно наиболее распространённым гипотезам, эукариоты появились 1,5--2 млрд лет назад. Важную роль в эволюции эукариот сыграл симбиогенез -- симбиоз между эукариотической клеткой, видимо, уже имевшей ядро и способной к фагоцитозу, и проглоченными этой клеткой бактериями -- предшественниками митохондрий и хлоропластов.

Рис.

Взаимодействие регуляторных систем в организме

Жизнедеятельность организма находится под постоянным воздействием многочисленных возмущающих факторов. Реакция, которая является ответом на то или иное воздействие, как правило, не ограничивается одной системой. В ней участвуют все системы организма в целом, поскольку эта реакция -- результат целого ряда сложных и взаимосвязанных процессов регулирования, направленных на сохранение устойчивого состояния. В результате этого взаимодействия функциональный уровень организма претерпевает постоянные изменения.

Взаимодействие регуляторных систем легче всего можно проследить, если вывести организм нз состояния равновесия, воздействуя на него сверхфизиологическим стимулом. При этом в организме происходят разнообразные изменения, среди которых часто можно отметить мобилизацию адреналина, АКТГ, кортикостероидов, гипергликемию, усиление белкового и жирового катаболизма, глюконеогенез, появление нефосфорилирующегося окисления и усиление гликолитических процессов, изменение механизмов теплообразования и теплоотдачи, перераспределение кровотока, изменение объема циркулирующей крови, выброс в кровоток недоокисленных продуктов обмена, уменьшение буферной емкости крови, изменение фильтрационной функции почек, усиление сердечно-сосудистой деятельности и дыхания и т. д.

После устранения возмущающего фактора энергетические потребности удовлетворяются новыми значениями объемной и линейной скорости кровотока, частоты и глубины дыхания, увеличенной доставкой клеткам организма энергетических субстратов, витаминов, гормонов, микроэлементов, электролитов и т. д. При этом в случае продолжающегося воздействия равновесное состояние может установиться на новом, более высоком или более низком функциональном уровне.

Разнообразные процессы в организме согласованы между собой, взаимосвязаны и взаимозависимы. Так, усиление теплообразования влечет за собой увеличение эффективной теплоотдачи, дополнительная емкость сосудистой системы заполняется мобилизованной из депо кровью. Режимы кровотока и альвеолярной вентиляции изменяются так, что создаются новые условия газообмена. Увеличенная концентрация калия крови, которая неблагоприятно сказывается на деятельности сердца, снижается .почечной фильтрацией. Увеличение скорости кровотока по капиллярам благоприятствует возросшей интенсивности клеточного окисления и т. д.

Наиболее сложным и интересным является вопрос о том, каким образом после воздействия возмущающего фактора обеспечивается некоторое новое, равновесное состояние системы.

Возмущение может привести к полной дезорганизации организма. Однако регуляторные системы осуществляют непрерывный контроль состояния функций и воздействуют на них, предотвращая недопустимые отклонения переменных. При этом может отмечаться как усиление, так и ослабление некоторой регулируемой функции. Например, механизмы конвекции, радиации и потоотделения усиливают эффективность теплоотдачи. Вентиляция и почечная функция уменьшают концентрацию водородных ионов крови, вымывание из клетки субстрата тормозит скорость взаимодействия фермент-- субстрат (см., например, работу М. Диксон и Э. Уэбб, 1961).

Интенсивность клеточного окисления изменяется в зависимости от ферментативной системы, субстратов, подлежащих окислению, конечных продуктов окисления, температуры клетки, рН, напряжения кислорода (/Юг). Уровень р02 клетки зависит от р02 крови, клеточного орошения, линейной скорости кровотока. Напряжение кислорода в артериальной крови зависит от насыщения крови кислородом рН, рС02, концентрации электролитов и температуры крови. В свою очередь эти показатели зависят от функции сердца, режимов вентиляции и т. д.

Таким образом формируется единый комплекс причинно-следственных отношений многоконтурной, гомео-статической 'системы, где каждая причина одновременно является и следствием, а выходные переменные одних подсистем одновременно служат входными 'Сигналами для других подсистем.

Этот комплекс можно представить как совокупность опосредованных воздействий, когда каждая переменная оказывает прямое или косвенное влияние на любую другую переменную. Естественно, что в различных ситуациях это влияние проявляется по-разному. В условиях физиологического покоя деятельность всех систем организма тонко согласована: одно и то же количество кислорода поступает через альвеолы в артериальную кровь, переносится кровью к тканям. При этом все системы находятся «в равных условиях», ни одна из них не препятствует работе других, они работают как бы звеньями одной цепи, поэтому столь удачен термин «кислородная эстафета» в применении к так называемой системе регулирования кислородного режима (А. 3. Колчинская и др., 1966). Аналогичные «цепи» можно выделить и для других субстратов -- глюкозы, солей, белков и др. Такая же последовательность реакций может быть рассмотрена и для тепловой энергии.

Все эти цепи образуют единый комплекс, в котором они тесно (переплетаются, имеют часто общий материальный переносчик (например, кровь или лимфу), локализуясь пространственно в одних и тех же тканях тела, иногда используя одни и те же структуры. При всем этом в условиях покоя возмущающее влияние одной системы на другую сводится к минимуму. Практически они функционируют, не пересекаясь, независимо друг от друга. Так, в условиях комфорта система терморегуляции не оказывает возмущающего действия на дыхание и кровообращение и в свою очередь не испытывает влияния с их стороны.

Конечно, взаимодействие систем не прекращается ни в каких условиях и небольшое по величине влияние на данную систему со стороны остальных систем как раз и позволяет всем системам, почти не изменяя своего состояния, сохранять согласованность функционирования.

Аналогичная ситуация наблюдается и в теории автоматического регулирования при исследовании сложных (так называемых многосвязных) систем регулирования. Оказывается, что если в таких системах требуется изменить какой-нибудь выходной сигнал на заданную величину, то этого можно достигнуть либо большим, грубым изменением одного из входных сигналов этой системы, либо небольшими изменениями одновременно нескольких входных сигналов (Э. Мишкин и Л. Браун, 1961).

Если в условиях физиологического покоя все системы регуляции выступают на равных правах, действуют независимо, как бы изолированно, то в стрессовых условиях системы регуляции оказываются иногда в очень сложных взаимоотношениях. При этом 'буферные механизмы, изолирующие системы друг от друга, исчерпываются, и возникают эффекты непосредственного возмущающего действия одних систем на другие -- эффекты иерархических влияний, доминирования, конкурентных взаимоотношений. Это иллюстрируется примером взаимодействия систем регулирования артериального давления и терморегуляции. Деятельность первой в экстремальных условиях может быть направлена на сужение сосудов кожи, второй--на расширение. При интенсивной нагрузке в условиях высокой температуры окружающей среды преобладает действие системы терморегуляции, что может иногда приводить к тепловому коллапсу (Г. Хензель, 1960).

Иммунитет -- это физиологическая функция, которая обеспечивает устойчивость организма к действию чужеродных антигенов. Иммунитет человека делает его невосприимчивым ко многим бактериям, вирусам, грибкам, глистам, простейшим, различным ядам животных, обеспечивает защиту организма от раковых клеток. Задачей иммунной системы является распознавать и разрушать все чужеродные структуры.

Рис.

Иммунная система является регулятором гомеостаза. Эта функция осуществляется за счет выработки аутоантител, которые, например, могут связывать избыток гормонов.

Иммунологическая реакция, с одной стороны, является неотъемлемой частью гуморальной, так как большинство физиологических и биохимических процессов осуществляется при непосредственном участии гуморальных посредников. Однако нередко иммунологическая реакция носит прицельный характер и тем самым напоминает нервную регуляцию. Интенсивность иммунного ответа, в свою очередь, регулируется нейрофильным способом. Работа иммунной системы корректируется мозгом и через эндокринную систему. Такая нервная и гуморальная регуляция осуществляется с помощью нейромедиаторов, нейропептидов и гормонов. Промедиаторы и нейропептиды достигают органов иммунной системы по аксонам нервов, а гормоны выделяются эндокринными железами не­родственно в кровь и таким образом доставляются к органам иммунной системы.

Рис.

Физиологические процессы в организме человека согласованно протекают благодаря существованию определенных механизмов их регуляции. Регуляция различных процессов в организме осуществляется с помощью нервного и гуморального механизмов.

Гуморальная регуляция осуществляется с помощью гуморальных факторов (гормонов), которые разносятся кровью и лимфой по всему организму.

Нервная регуляция осуществляется с помощью нервной системы

Нервный и гуморальный способы регуляции функций тесно связаны между собой. На деятельность нервной системы постоянно оказывают влияние приносимые с током крови химические вещества, а образование большинства химических веществ и выделение их в кровь находится под постоянным контролем нервной системы.

Регуляция физиологических функций в организме не может осуществляться с помощью только нервной или только гуморальной регуляции - это единый комплекс нейрогуморалыюй регуляции функций.

В последнее время высказано предположение, что существуют не две системы регуляции (нервная и гуморальная), а три (нервная, гуморальная и иммунная).

Нервная регуляция

Нервная регуляция -- это координирующее влияние нервной системы на клетки, ткани и органы, один из основных механизмов саморегуляции функций целостного организма. Нервная регуляция осуществляется с помощью нервных импульсов. Нервная регуляция является быстрой и локальной, что особенно важно при регуляции движений, и затрагивает все(!) системы организма.

В основе нервной регуляции лежит рефлекторный принцип. Рефлекс является универсальной формой взаимодействия организма с окружающей средой, это ответная реакция организма на раздражение, которая осуществляется через центральную нервную систему и контролируется ею.

Структурно-функциональной основой рефлекса является рефлекторная дуга -- последовательно соединенная цепочка нервных клеток, обеспечивающая осуществление ответа на раздражение. Все рефлексы осуществляются I благодаря деятельности центральной нервной системы -- головного и спинного мозга.

Гуморальная регуляция

Гуморальная регуляция -- это координация физиологических и биохимических процессов, осуществляемая через жидкие среды организма (кровь, лимфу, тканевую жидкость) с помощью биологически активныхвеществ (гормонов), выделяемых клетками, органами и тканями в процессе их жизнедеятельности.

Гуморальная регуляция возникла в процессе эволюции раньше, чем нервная. Она усложнялась в процессе эволюции, в результате чего возникла эндокринная система (железы внутренней секреции).

Гуморальная регуляция подчинена нервной регуляции и составляет совместно с ней единую систему нейрогуморальной регуляции функций организма, которая играет важную роль в поддержании относительного пос­тоянства состава и свойств внутренней среды организма (гомеостаза) и его приспособлении к меняющимся условиям существования.

Роль одноклеточных организмов в природе и жизни человека

Рис.



Простейшие -- источник питания для других животных. В морях и в пресных водах простейшие, прежде всего инфузории и жгутиковые, служат пищей для мелких многоклеточных животных. Черви, моллюски, мелкие ракообразные, а также мальки многих рыб питаются преимущественно одноклеточными. Этими мелкими многоклеточными, в свою очередь, питаются другие, более крупные организмы. Самое большое из когда-либо живших на Земле животных -- голубой кит, как и все другие усатые киты, питается очень мелкими ракообразными, населяющими океаны. А эти рачки питаются одноклеточными организмами. В конечном счете существование китов зависит от одноклеточных животных и растений.

Простейшие -- участники образования горных пород. Рассматривая под микроскопом размельченный кусочек обыкновенного писчего мела, можно видеть, что он состоит преимущественно из мельчайших раковинок каких-то животных. Морские простейшие (корненожки и радиолярии) играют весьма важную роль в образовании морских осадочных горных пород. В течение многих десятков миллионов лет их микроскопически мелкие минеральные скелеты оседали на дно и образовывали мощные отложения. В древние геологические эпохи при горообразовательном процессе морское дно становилось сушей. Известняки, мел и некоторые другие горные породы в значительной мере состоят из остатков скелетов морских простейших. Известняки с давних пор имеют огромное практическое значение как строительный материал.

Изучение ископаемых остатков простейших играет большую роль в определении возраста разных слоев земной коры и нахождении нефтеносных слоев.

Борьба с загрязненностью водоемов -- важнейшая государственная задача. Простейшие -- показатель степени загрязненности пресных водоемов. Каждому виду простейших животных необходимы для существования определенные условия. Одни простейшие живут только в чистой воде, содержащей много растворенного воздуха и не загрязненной отходами фабрик и заводов; другие приспособлены к жизни в водоемах средней загрязненности. Наконец, есть и такие простейшие, которые могут жить в очень загрязненных, сточных водах. Таким образом, нахождение в водоеме определенного вида простейших дает возможность судить о степени его загрязненности.

Простейшие -- возбудители болезней человека и животных. Среди простейших очень многие ведут паразитический образ жизни. Они поселяются в различных органах человека и животных и часто бывают причиной тяжелых заболеваний. К болезням, вызываемым простейшими, относятся, например, малярия и кожный лейшманиоз (см. ст. «Насекомые и клещи -- хранители и переносчики возбудителей болезней»).

Итак, простейшие имеют огромное значение в природе и в жизни человека. Одни из них не только полезны, но и необходимы; другие, напротив, опасны.

Вирусы -- неклеточные формы жизни

Рис.

Наряду с одно- и многоклеточными организмами в природе существуют и другие формы жизни. Таковыми являются вирусы, не имеющие клеточного строения. Они представляют собой переходную форму между неживой и живой материей.

Вирусы (лат. virus -- яд) были открыты в 1892 г. русским ученым Д. И. Ивановским при исследовании мозаичной болезни листьев табака.

Каждая вирусная частица состоит из РНК или ДНК, заключенной в белковую оболочку, которую называют капсидом. Полностью сформированная инфекционная частица называется вирионом. У некоторых вирусов (например, герпеса или гриппа) есть еще и дополнительная липопротеидная оболочка, возникающая из плазматической мембраны клетки хозяина.

Поскольку в составе вирусов присутствует всегда один тип нуклеиновой кислоты -- ДНК или РНК, вирусы делят также на ДНК-содержащие и РНК-содержащие. При этом наряду с двухцепочечными ДНК и одноцепочечными РНК встречаются одноцепочечные ДНК и двухцепочечные РНК. ДНК могутиметь линейную и кольцевую структуры, а РНК, как правило, линейную. Подавляющее большинство вирусов относится к РНК-типу.

Вирусы способны размножаться только в клетках других организмов. Вне клеток организмов они не проявляют никаких признаков жизни. Многие из них во внешней среде имеют форму кристаллов. Размеры вирусов колеблются в пределах от 20 до 300 нм в диаметре.

Хорошо изучен вирус табачной мозаики, имеющий палочковидную форму и представляющий собой полый цилиндр. Стенка цилиндра образована молекулами белка, а в его полости расположена спираль РНК (рис. 5.2). Белковая оболочка защищает нуклеиновую кислоту от неблагоприятных условий внешней среды, а также препятствует проникновению ферментов клеток к РНК и ее расщеплению.



Рис.

Молекулы вирусной РНК могут самовоспроизводиться. Это означает, что вирусная РНК является источником генетической информации и одновременно иРНК. Поэтому в пораженной клетке в соответствии с программой нуклеиновой кислоты вируса на рибосомах клетки хозяина синтезируются специфические вирусные белки и осуществляется процесс самосборки этих белков с нуклеиновой кислотой в новые вирусные частицы. Клетка при этом истощается и погибает. При поражении некоторыми вирусами клетки не разрушаются, а начинают усиленно делиться, часто образуя у животных, в том числе и человека, злокачественные опухоли.

Бактериофаги. Особую группу представляют вирусы бактерий -- бактериофаги, или фаги, которые способны проникать в бактериальную клетку и разрушать ее.

Тело фага кишечной палочки состоит из головки, от которой отходит полый стержень, окруженный чехлом из сократительного белка. Стержень заканчивается базальной пластинкой, на которой закреплены шесть нитей (см. рис. 5.2). Внутри головки находится ДНК. Бактериофаг при помощи отростков прикрепляется к поверхности кишечной палочки и в месте соприкосновения с ней растворяет с помощью фермента клеточную стенку. После этого за счет сокращения головки молекула ДНК фага впрыскивается через канал стержня в клетку. Примерно через 10--15 мин под действием этой ДНК перестраивается весь метаболизм бактериальной клетки, и она начинает синтезировать ДНК бактериофага, а не собственную. При этом синтезируется и фаговый белок. Завершается процесс появлением 200-- 1 000 новых фаговых частиц, в результате чего клетка бактерии погибает.

Бактериофаги, образующие в зараженных клетках новое поколение фаговых частиц, что приводит к лизису (распаду) бактериальной клетки, называются вирулентными фагами.

Некоторые бактериофаги внутри клетки хозяина не реплицируются. Вместо этого их нуклеиновая кислота включается в ДНК хозяина, образуя с ней единую молекулу, способную к репликации. Такие фаги получили название умеренных фагов или профагов.

Вирусные болезни. Поселяясь в клетках живых организмов, вирусы вызывают опасные заболевания многих сельскохозяйственных растений (мозаичную болезнь табака, томатов, огурцов; скручивание листьев, карликовость, желтуху и др.) и домашних животных (ящур, чуму у свиней и птиц, инфекционную анемию у лошадей, рак и др.). Указанные болезни резко снижают урожайность культур, приводят к массовой гибели животных. Вирусы вызывают также многие опасные заболевания человека: грипп, корь, оспу, полиомиелит, свинку, бешенство, желтую лихорадку и др. В последние годы к ним прибавилось еще одно страшное заболевание -- СПИД.

СПИД-- синдром приобретенного иммунодефицита-- эпидемическое заболевание, поражающее преимущественно иммунную систему человека, которая защищает его от различных болезнетворных микроорганизмов. Поражение системы клеточного иммунитета приводит к инфекционным заболеваниям и злокачественным опухолям. Организм становится беззащитным к микробам, которые в обычных условиях не вызывают болезни.

Возбудитель болезни-- вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Геном ВИЧ представлен двумя идентичными молекулами РНК, состоящими примерно из 10 тыс. пар оснований. При этом ВИЧ, выделенные от различных больных СПИДом, отличаются друг от друга по количеству оснований (от 80 до 1 000).

ВИЧ обладает уникальной изменчивостью, которая в пять раз превышает изменчивость вируса гриппа и в сто раз больше, чем у вируса гепатита В. Беспрерывная генетическая и антигенная изменчивость вируса в человеческой популяции приводит к появлению новых вирионов ВИЧ, что резко усложняет проблему получения вакцины и затрудняет проведение специальной профилактики СПИДа. Более того, это свойство ВИЧ, по мнению ряда специалистов, ставит под сомнение саму принципиальную возможность создания эффективной вакцины для защиты от СПИДа.

Одно из проявлений заражения человека вирусом СПИДа -- поражение центральной нервной системы. Типичных симптомов, характерных именно для СПИДа, не выявлено.

Для СПИДа характерен очень длительный инкубационный период (исчисляется с момента поражения до появления первых признаков болезни). У взрослых он составляет в среднем 5 лет. Предполагается, что ВИЧ может сохраняться в организме человека пожизненно. Это значит, что до конца своей жизни инфицированные люди могут заражать других, э при соответствующих условиях могут сами заболеть СПИДом.

Один из главных путей передачи ВИЧ и распространения СПИДа -- половые контакты, поскольку возбудитель болезни наиболее часто находится в крови, сперме и влагалищных выделениях инфицированных людей.

Другой путь инфицирования -- использование нестерильных медицинских инструментов, которыми зачастую пользуются наркоманы. Возможна также передача инфекции через кровь и некоторые лекарственные препараты, при пересадке органов и тканей, использовании донорской спермы и др. Заражение может происходить и при вынашивании плода, во время рождения ребенка или в период его грудного вскармливания матерью, инфицированной ВИЧ или больной СПИДом.

Ведущими факторами риска в распространении этого заболевания являются также проституция и частая смена половых партнеров как при гомо-и бисексуальной, так и при гетеросексуальной передаче инфекции. По различным оценкам, в супружеских парах передача инфекции от одного из зараженных происходит с частотой от 35 до 60%. Последствия распространения инфекции и ее влияние на здоровье непредсказуемы.

Гарантией безопасности от СПИДа является здоровый образ жизни, прочность брачных уз и семьи, негативное отношение к половым извращениям и распущенности, случайным половым связям. В качестве особой меры профилактики следует выделить использование физических контрацептивов -- презервативов.

Происхождение вирусов в процессе эволюции пока неясно. Их зависимость от других организмов, в клетках которых они растут и размножаются, дает основание считать, что они появились не раньше клеточных организмов. Предполагается, что вирусы представляют собой сильно дегенерировавшие клетки или их фрагменты, утратившие в процессе приспособления к паразитизму все, без чего можно обойтись (клеточную стенку, цитоплазму с органеллами), за исключением своего наследственного аппарата в виде нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК) и защитного аппарата в форме белковой капсулы.

Стволовые клетки

Стволовые клетки -- недифференцированные (незрелые) клетки, имеющиеся во всех многоклеточных организмах. Стволовые клетки способны самообновляться, образуя новые стволовые клетки, делиться посредством митоза и дифференцироваться в специализированные клетки, то есть превращаться в клетки различных органов и тканей.

Развитие многоклеточных организмов начинается с одной стволовой клетки -- зиготы. В результате многочисленных циклов деления и процесса дифференцировки образуются все виды клеток, характерные для данного биологического вида. В человеческом организме таких видов клеток более 220. Стволовые клетки сохраняются и функционируют и во взрослом организме, благодаря им может осуществляться обновление и восстановление тканей и органов. Тем не менее, в процессе старения организма их количество уменьшается.

В современной медицине стволовые клетки человека трансплантируют, то есть пересаживают в лечебных целях. Например, трансплантация гемопоэтических стволовых клеток производится для восстановления процесса гемопоэза (кроветворения) при лечении лейкозов и лимфом.

Рис.

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) образуют внутреннюю клеточную массу (ВКМ), или эмбриобласт, на ранней стадии развития эмбриона. Они являются плюрипотентными. Важный плюс ЭСК состоит в том, что они не экспрессируют HLA (humanleucocyteantigens), то есть не вырабатывают антигены тканевой совместимости. Каждый человек обладает уникальным набором этих антигенов, и их несовпадение у донора и реципиента является важнейшей причиной несовместимости при трансплантации. Соответственно, шанс того, что донорские эмбриональные клетки будут отторгнуты организмом реципиента очень невысок. При пересадке иммунодефицитным животным эмбриональные стволовые клетки способны образовывать опухоли сложного (многотканевого) строения -- тератомы, некоторые из них могут стать злокачественными. Достоверных данных, о том как ведут себя эти клетки в иммунокомпетентном организме, например, в организме человека, нет. Вместе с тем, следует отметить, что клинические испытания с применением дифференцированных дериватов (производных клеток) ЭСК уже начаты. Для получения ЭСК в лабораторных условиях приходится разрушать бластоцисту, чтобы выделить ВКМ, то есть разрушать эмбрион. Поэтому исследователи предпочитают работать не с эмбрионами непосредственно, а с готовыми, ранее выделенными линиями ЭСК.

Клинические исследования с использованием ЭСК подвергаются особой этической экспертизе. Во многих странах исследования ЭСК ограничены законодательством.

Одним из главных недостатков ЭСК является невозможность использования аутогенного, то есть собственного материала, при трансплантации, поскольку выделение ЭСК из эмбриона несовместимо с его дальнейшим развитием.

Фетальные стволовые клетки получают из плодного материала после аборта (обычно срок гестации, то есть внутриутробного развития плода, составляет 9--12 недель). Естественно, изучение и использование такого биоматериала также порождает этические проблемы. В некоторых странах, например, на Украине и в Великобритании, продолжаются работы по их изучению и клиническому применению. К примеру, британская компания ReNeuron исследует возможности использования фетальных стволовых клеток для терапии инсульта.

есмотря на то, что стволовые клетки зрелого организма обладают меньшей потентностью в сравнении с эмбриональными и фетальными стволовыми клетками, то есть могут порождать меньшее количество различных типов клеток, этический аспект их исследования и применения не вызывает серьёзной полемики. Кроме того, возможность использования аутогенного материала обеспечивает эффективность и безопасность лечения. Стволовые клетки взрослого организма можно подразделить на три основных группы: гемопоэтические (кроветворные), мультипотентныемезенхимальные (стромальные) и тканеспецифичные клетки-предшественницы. Иногда в отдельную группу выделяют клетки пуповинной крови, поскольку они являются наименее дифференцированными из всех клеток зрелого организма, то есть обладают наибольшей потентностью. Пуповинная кровь в основном содержит гемопоэтические стволовые клетки, а также мультипотентные мезенхимальные, но в ней присутствуют и другие уникальные разновидности стволовых клеток, при определённых условиях способные дифференцироваться в клетки различных органов и тканей.

Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) -- мультипотентные стволовые клетки, дающие начало всем клеткам крови миелоидного (моноциты, макрофаги, нейтрофилы, базофилы, эозинофилы, эритроциты, мегакариоциты и тромбоциты, дендритные клетки) и лимфоидного рядов (Т-лимфоциты, В-лимфоциты и естественные киллеры). Определение гемопоэтических клеток было основательно пересмотрено в течение последних 20 лет. Гемопоэтическая ткань содержит клетки с долгосрочными и краткосрочными возможностями к регенерации, включая мультипотентные, олигопотентные и клетки-предшественники. Миелоидная ткань содержит одну ГСК на 10 000 клеток. ГСК являются неоднородной популяцией. Различают три субпопуляции ГСК, в соответствии с пропорциональным отношением лимфоидного потомства к миелоидному (Л/M). У миелоидно ориентированных ГСК низкое Л/М соотношение (>0, <3), у лимфоидно ориентированных -- высокое (>10). Третья группа состоит из «сбалансированных» ГСК, для которых 3 ? Л/M ? 10. В настоящее время активно исследуются свойства различных групп ГСК, однако промежуточные результаты показывают, что только миелоидно ориентированные и «сбалансированные» ГСК способны к продолжительному самовоспроизведению. Кроме того, эксперименты по трансплантации показали, что каждая группа ГСК преимущественно воссоздаёт свой тип клеток крови, что позволяет предположить наличие наследуемой эпигенетической программы для каждой субпопуляции.

Популяция ГСК формируется во время эмбриогенеза, то есть эмбрионального развития. Доказано, что у млекопитающих первые ГСК обнаруживаются в областях мезодермы, называемых аорта, гонада и мезонефрос, до формирования костного мозга популяция расширяется в фетальной печени. Такие исследования способствуют пониманию механизмов, ответственных за генезис (формирование) и расширение популяции ГСК, и, соответственно, открытию биологических и химических агентов (действующих веществ), которые в конечном счёте могут быть использованы для культивации ГСК invitro.

До начала использования пуповинной крови основным источником ГСК считался костный мозг. Этот источник и сегодня достаточно широко используется в трансплантологии. ГСК располагаются в костном мозге у взрослых, включая бедренные кости, рёбра, мобилизации грудины и другие кости. Клетки могут быть получены непосредственно из бедра при помощи иглы и шприца, или из крови после предварительной обработки цитокинами, включая G-CSF (гранулоцитарныйколониестимулирующий фактор), способствующий высвобождению клеток из костного мозга.

Вторым, наиболее важным и перспективным источником ГСК является пуповинная кровь. Концентрация ГСК в пуповинной крови в десять раз выше, чем в костном мозге. Кроме того, у этого источника есть ряд преимуществ. Важнейшие из них:

Возраст. Пуповинная кровь собирается на самом раннем этапе жизни организма. ГСК пуповинной крови максимально активны, поскольку не подвергались негативному воздействию внешней среды (инфекционные заболевания, нездоровое питание и т. д.). ГСК пуповинной крови способны создать большую клеточную популяцию в короткий срок.

Совместимость. Использование аутологичного материала, то есть собственной пуповинной крови гарантирует 100%-ную совместимость. Совместимость с братьями и сёстрами составляет до 25 %, как правило, возможно также использование пуповинной крови ребёнка для лечения других близких родственников. Для сравнения, вероятность нахождения подходящего донора стволовых клеток -- от 1:1000 до 1:1000 000.

Рис.

Рис.

Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК) -- мультипотентные стволовые клетки, способные дифференцироваться в остеобласты (клетки костной ткани), хондроциты (хрящевые клетки) и адипоциты (жировые клетки).

Предшественниками ММСК в эмбриогенный период развития являются мезенхимальные стволовые клетки (МСК). Они могут быть обнаружены в местах распространения мезенхимы, то есть зародышевой соединительной ткани.

Основным источником ММСК является костный мозг. Кроме того, они обнаружены в жировой ткани и ряде других тканей с хорошим кровоснабжением. Существует ряд доказательств того, что естественная тканевая ниша ММСК расположена периваскулярно -- вокруг кровеносных сосудов. Кроме того, ММСК были обнаружены в пульпе молочных зубов, амниотической (околоплодной) жидкости, пуповинной крови и вартоновом студне. Эти источники исследуются, но редко применяются на практике. Например, выделение молодых ММСК из вартонова студня представляет собой крайне трудоёмкий процесс, поскольку клетки в нём также располагаются периваскулярно. В 2005--2006 годах специалисты по ММСК официально определили ряд параметров, которым должны соответствовать клетки, чтобы отнести их к популяции ММСК. Были опубликованы статьи, в которых представлен иммунофенотип ММСК и направления ортодоксальной дифференцировки. К ним относится дифференцировка в клетки костной, жировой и хрящевой тканей. Был проведён ряд экспериментов по дифференцировке ММСК в нейроноподобные клетки, но исследователи по-прежнему сомневаются, что полученные нейроны являются функциональными. Эксперименты также проводятся в области дифференцировки ММСК в миоциты -- клетки мышечной ткани. Важнейшей и наиболее перспективной областью клинического применения ММСК является котрансплантация совместно с ГСК в целях улучшения приживления образца костного мозга или стволовых клеток пуповинной крови. Многочисленные исследования показали, что ММСК человека могут избегать отторжения при трансплантации, вступать во взаимодействие с дендритными клетками и Т-лимфоцитами и создавать иммуносупрессивную микросреду посредством выработки цитокинов. Было доказано, что иммуномодулирующие функции ММСК человека повышаются, когда их пересаживают в воспалённую среду с повышенным уровнем гамма-интерферона. Другие исследования противоречат этим выводам, что обусловлено гетерогенной природой изолированных МСК и значительными различиями между ними, в зависимости от способа культивирования.

МСК могут быть активированы в случае необходимости. Однако эффективность их использования относительно низка. Так, к примеру, повреждение мышц даже при трансплантации МСК заживает очень медленно. В настоящее время проводятся исследования по активации МСК. Ранее проведённые исследования по внутривенной трансплантации МСК показали, что этот способ трансплантации часто приводит к кризу отторжения и сепсису. Сегодня признано, что заболевания периферических тканей, например, воспаление кишечника лучше лечить не трансплантацией, а методами, повышающими локальную концентрацию МСК.

Канеспецифичныепрогениторные клетки (клетки-предшественницы) -- малодифференцированные клетки, которые располагаются в различных тканях и органах и отвечают за обновление их клеточной популяции, то есть замещают погибшие клетки. К ним, например, относятся миосателлитоциты (предшественники мышечных волокон), клетки-предшественницы лимфо- и миелопоэза. Эти клетки являются олиго- и унипотентными и их главное отличие от других стволовых клеток в том, что клетки-предшественницы могут делиться лишь определённое количество раз, в то время как другие стволовые клетки способны к неограниченному самообновлению. Поэтому их принадлежность к истинно стволовым клеткам подвергается сомнению. Отдельно исследуются нейральные стволовые клетки, которые также относятся к группе тканеспецифичных. Они дифференцируются в процессе развития эмбриона и в плодный период, в результате чего происходит формирование всех нервных структур будущего взрослого организма, включая центральную и периферическую нервные системы. Эти клетки были обнаружены и в ЦНС взрослого организма, в частности, в субэпендимальной зоне, в гиппокампе, обонятельном мозге и т. д. Несмотря на то, что большая часть погибших нейронов не замещается, процесс нейрогенеза во взрослой ЦНС всё-таки возможен за счёт нейральных стволовых клеток, то есть популяция нейронов может «восстанавливаться», однако это происходит в таком объёме, что не сказывается существенно на исходах патологических процессов.

Характеристики эмбриональных стволовых клеток:

Плюрипотентность -- способность образовывать любой из примерно 350 типов клеток взрослого организма (у млекопитающих);

Хоуминг -- способность стволовых клеток, при введении их в организм, находить зону повреждения и фиксироваться там, исполняя утраченную функцию;

Тотипотентность - способность дифференцироваться в целостный организм (11 дней после оплодотворения);

Факторы, которые определяют уникальность стволовых клеток, находятся не в ядре, а в цитоплазме. Это избыток мРНК всех 3 тысяч генов, которые отвечают за раннее развитие зародыша;

Теломеразная активность. При каждой репликации часть теломер утрачивается (см. Предел Хейфлика). В стволовых, половых и опухолевых клетках есть теломеразная активность, концы их хромосом надстраиваются, то есть эти клетки способны проходить потенциально бесконечное количество клеточных делений, они бессмертны.

Молекулярные витамины гормональные факторы роста их роль в жизни человека

В поддержании жизни высших организмов ключевую роль играет контроль пролиферации , дифференцировки и направленного движения клеток . Нормальное протекание этих процессов обеспечивает правильные развитие и защитные реакции организма. Постоянно регенерирующие ткани (например эпителий или клетки крови) также требуют строгой регуляции пролиферации стволовых клеток . Утрата или ослабление контроля могут быть причиной тяжелых заболеваний, включая рак и атеросклероз . Необходимая регуляция клеточной пролиферации, дифференцировки и клеточной подвижности осуществляется с помощью различных механизмов. Одним из них является взаимодействие клетки с ростовыми факторами.

Факторами роста называют группу белковых молекул, индуцирующих синтез ДНК в клетке ( Goustin A.S. ea, 1986 ). Позднее было обнаружено, что спектр воздействий на клетки этих компонентов гораздо шире, чем предполагалось вначале. Так, некоторые белки этой группы в зависимости от типа клеток- респондентов могут индуцировать дифференцировку и подавлять пролиферацию . Кроме того, к ним относят регуляторные полипептиды, модулирующие подвижность клеток , но не обязательно влияющие на деление клеток ( Stoker M. andGherardi E., 1987 ). Главное отличие факторов роста от белковых гормонов - аутокринный механизм действия или паракринный механизм действия ( холокринный механизм действия для гормонов ; Deuel T.F., 1987 ).

Первые публикации о возможности поддержания в живом состоянии фрагментов биологической ткани invitro появились 90 лет назад, но рутинное культивирование отдельных клеток стало возможным менее 50 лет назад. Успешное поддержание процесса деления клеток млекопитающих зависит от компонентов среды культивирования. Традиционно среда для культивирования состоит из питательных веществ и витаминов в забуференном солевом растворе. Ключевым компонентом является сыворотка животных , например, эмбриональная бычья сыворотка. Без такой добавки наибольшая часть культивируемых клеток не будут воспроизводить собственную ДНК и, следовательно, не будут пролиферировать. Позже был изолирован полипептид с молекулярной массой 30 кД, секретируемый тромбоцитами, обладающий митогеннымисвойствами. Он был назван фактором роста произведенным тромбоцитами ( PDGF ).

Как и в случае с гормонами, факторы роста взаимодействуют с соответствующими рецепторами факторов роста с высокой степенью аффинности и могут инициировать множественные эффекты: от процессов регуляции роста , дифференцировки и экспрессии генов до инициирования апоптоза . Эффекты факторов роста, в отличие от гормонов, могут продолжаться в течение нескольких дней.

Факторы роста обычно представляют собой небольшие полипептиды, которые стимулируют или ингибируют пролиферацию определенных типов клеток. Как правило, они секретируются одними клетками и действуют на другие клетки, хотя иногда бывает так, что они действуют на те же клетки, которые их секретируют. Эти факторы важны для процессов развития эмбриона и также для поддержания клеточного баланса у взрослого организма. Например, для уравновешенного обновления клеток кожи, кишечника и кроветворной системы. Во всех этих случаях сравнительно небольшое число плюрипотентных стволовых клеток закладывают основу для образования значительного большего числа прогениторных клеток, которые затем дифференцируются дальше, превращаясь в зрелые постмитотические клетки. Последние заменяют старые клетки, которые погибают, например, за счет апоптоза.

Факторы роста действуют на свои клетки-мишени, которые отличаются от других клеток рецепторами , экспонированными на поверхности клеточных мембран и характерными именно для данного типа клеток.

В конечном счете клетка выходит из фазы отдыха G0 и начинает делиться. Интегральная картина взаимодействий множества факторов с множеством клеток сложна, тем более, что часто даже отдельно взятый ростовой фактор обладает несколькими функциями. Удаление ростовых факторов из среды не всегда приводит просто к остановке клеточного деления, но часто вызывает программируемую клеточную смерть.

Факторы роста не только проимитируют клеточное деление, но и наоборот некоторые из них ингибируют этот процесс. Роль ингибитора, в частности, выполняют члены большого семейства ростовых факторов - TGF-бета . см. рис 5 cs и Табл 2. Факторы роста и их роль в нормальном организме

Несмотря на огромное разнообразие охарактеризованных факторов роста и колоссальную разницу клеточных ответов (обзор Cross M. andDexter T.M., 1991 ), можно сформулировать общие правила регуляции:

1. Для поддержания жизни нормальных клеток высших организмов абсолютно необходимо их взаимодействие с уникальной комбинацией специфических ростовых факторов.

2. Одна и та же клетка может взаимодействовать с несколькими факторами роста; один и тот же фактор роста может оказывать влияние на разные типы клеток.

3. Уровень экспрессии данного ростового фактора, а также восприимчивость и характер ответа являются специфичными для каждого данного типа клеток.

В основе раковых заболеваний лежат нарушения контроля пролиферации, а также взаимодействий клеток друг с другом. Часто неопластическая трансформация затрагивает имеющуюся в клетке собственную программу регуляции - реакции на ростовые факторы. С этим так или иначе связаны функции большинства онкогенов .

Процессы пролиферации клеток и постепенного приобретения ими специализированного характера ( дифференцированного ) происходят в организме высокоупорядоченно и согласованно. Эта упорядоченность основана на том, что в результате межклеточных взааимодействий включаются различные внутриклеточные программы, определяющие поведение клетки в зависимости от поведения ее соседей и от потребностей организма. Ключевую роль в межклеточной сигнализации играют секретируемые полипептиды, которые получили название полипептидных ростовых факторов.

Факторы роста, представляющие собой эндогенные полипептиды, являются идеальными претендентами для лечения инсульта , так как обладают нейропротективными, репаративными и пролиферативными свойствами.

Рис.

Цитотехнологии возможности и перспективы их использования

Разработка принципов управляемого культивирования клеток млекопитающих, основанных на представлениях об околоклеточном массообмене и массопередаче, а так же на предпосылках, положенных в основу адгезии и локомотивности клеток, об использовании моделей кинетики клеточных популяций и позволяющих проводить исследования на культурах клеток в монослое, суспензии и на микроносителях.

Исследование влияния периодических прецизионных температурных воздействий на культуру клеток (клеточный цикл, пролиферация и гибель клеток) и исследование термотолерантности клеток животных при сочетанном действии на культуру клеток гипертермии и некоторых антиоксидантов в целях повышения эффективности методов термотерапии в клинической онкологии.

Исследование гипоксических состояний на клеточном уровне и исследование механизмов действия некоторых антигипоксантов

Моделирование пролиферации, гибели и дифференцировки клеток на основе современных представлений о клеточном цикле.

Исследование функциональных характеристик клеток секреторного эпителия ядовитых желез змей invitro.

Исследование мультислойноготканеподобного роста культуры клеток в условиях прецизионного околоклеточного массообмена.

Прикладные

Разработка технологии получения биологически активных веществ и материалов методами культивирования клеток и тканей. Исследование биосовместимости различных материалов и клеток.

Скрининг противоопухолевых препаратов с использованием органных и клеточных культур.

Разработка методов культивирования стволовых клеток и тканеспецифических фрагментов для решения вопросов тканевой инженерии в заместительной челюстно-лицевой хирургии.

Фундаментальные

Созданы теоретические основы управляемого культивирования клеток млекопитающих.

Показана роль диффузионных ограничений в регуляции монослойного и многослойного роста минимально-трансформированных и нормальных клеток.

Исследована кинетика роста зависимых от прикрепления клеток в многослойных клеточных культурах.

Показано, что возможно увеличение селективности действия температуры на гибель нормальных и опухолевых клеток, так как чувствительность к температурным воздействиям пролиферирующих клеток варьирует по клеточному циклу: при температуре 370 С клетки гибнут только в G2+M фазе цикла, а при температуре 40О С в G1 и в G2+M фазах; гибель клеток в S фазе в диапазоне температур 37-400С не наблюдалась; при выполнении этих исследований использована разработанная в лаборатории Цитотехнологии модель пролиферации и гибели клеток при неспецифических внешних воздействиях. Установлено, что периодическое температурное воздействие позволяет увеличить скорость гибели клеток в расчёте на единицу пребывания их при хронической гипертермии примерно в 1.5 раза.

Получена в виде сфероидов культура ядосекретирующих эпителиальных клеток, способных к пролиферации и синтезу компонентов яда; исследована ультраструктура клеток ядовитой железы invivo и invitro, выяснен механизм резистентности клеток к аутотоксическому действию яда, оценено влияние агонистов и антогонистов на секрецию яда invitro.

Проведены исследования молекулярно-клеточных механизмов противоопухолевого действия кобальторганических соединений.

Разработана феноменологическая многопараметрическая модель жизнедеятельности и регуляции скорости пролиферации соматических клеток животных.

...