«К 200 летию НФАУ ФИЗИОЛОГИЯ С ОСНОВАМИ АНАТОМИИ ЧЕЛОВЕКА Учебник для студентов высших учебных заведений Под редакцией профессора Л.Н. Малоштан Харьков Издательство НФАУ Золотые страницы 2002 1 УДК 612:611(075.8) ББК ...»

МИНИСТЕРСТВО ОХРАНЫ ЗДОРОВЬЯ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНАЯ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

К 200 летию НФАУ

ФИЗИОЛОГИЯ С ОСНОВАМИ

АНАТОМИИ ЧЕЛОВЕКА

Учебник для студентов высших учебных заведений

Под редакцией

профессора Л.Н. Малоштан

Харьков

Издательство НФАУ «Золотые страницы»

2002 1 УДК 612:611(075.8) ББК 28.7я73 Ф48 Рекомендовано Министерством образования и науки Украины (письмо № 14/18.2–1622 от 08.11.2001).

Авторы: Л.Н. Малоштан, Е.К. Рядных, Г.П. Жегунова, И.Г. Петренко, А.Г. Сытник.

Рецензенты: В.М. Мороз, доктор медицинских наук, профессор Вин ницкого государственного медицинского университета им. Н.И. Пирогова;

Н.В. Братусь, доктор медицинских наук, профессор Винницкого го сударственного медицинского университета им. Н.И. Пирогова.

Физиология с основами анатомии человека: Учеб. для студен Ф48 тов высш. учеб. заведений / Л.Н. Малоштан, Е.К. Рядных, Г.П. Жегунова и др.; Под ред. Л.Н. Малоштан. — Х.: Изд во НФАУ:

Золотые страницы, 2002. — 454 с.

ISBN 966 615 ISBN 966 8032 В учебнике изложены основные вопросы физиологии с основами гистологии, ци тологии и анатомии согласно программе для фармацевтических вузов. Рассмотрены механизмы регуляции физиологических процессов организма человека.

Для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов.

УДК 612:611(075.8) ББК 28.7я Малоштан Л.Н., Рядных Е.К., Жегунова Г.П., Петренко И.Г., ISBN 966 615 113 8 Сытник А.Г., ISBN 966 8032 17 9 НФАУ,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемый учебник написан в соответствии с программой по биологии, физиологии с основами анатомии для студентов фармацев тических высших учебных заведений и факультетов.

Находясь в тесной связи с патофизиологией, фармакологией, био химией, клинической фармацией, физиология и анатомия имеют не посредственное отношение к различным областям медицины и фарма ции. Физиология как одна из важных фундаментальных дисциплин, которые изучаются в высших фармацевтических учебных заведениях, дает знания не только связанные с функционированием отдельных ор ганов и систем, но и анализирует системные закономерности целого организма.

Учитывая назначение учебника для студентов высших учебных за ведений, в нем представлены различные уровни организации, начиная с клеточного и заканчивая взаимосвязью функциональных систем орга низма. Это важно для профессиональной деятельности фармацевта и клинического провизора.

Учебник состоит из 17 глав, иллюстрированных таблицами, схема ми, рисунками, частично заимствованными из других источников.

Основой написания учебника «Физиология с основами анатомии человека» послужили серия методических разработок по всем разделам дисциплины, руководство к практическим занятиям, а также конспект лекций по физиологии и анатомии.

Учебник отображает результат многолетней работы авторов — со трудников кафедры физиологии Национальной фармацевтической ака демии Украины.

Авторы учебника будут весьма признательны за критические заме чания и пожелания, направленные на его улучшение.

Глава 1. КЛЕТКА 1.1. Основы клеточной теории Открытие клеточного строения организма непосредственно связа но с изобретением микроскопа. Роберт Гук, впервые увидевший клетку в 1665 г. в самодельный микроскоп, заметил пустые ячейки, наподобие пчелиных сот. По сути дела, клеток он не видел, а мог заметить только их оболочки. Так началась история клеточного учения. Роберт Гук ос тавил нам название «клетка» (от греч. «китос» — полость). Позднее Грю и Мальпиги повторили наблюдение Гука на разных растениях и обна ружили в них крошечные полости сред гомогенной массы, которые на звали «пузырьками». Хотя клеточную теорию строения животных и растительных организмов связывают с именем Шлейдена (1838) и Шванна (1839), однако она была предложена еще раньше целым ря дом исследователей. Так, Мирабель (1808–1809) пришел к заключению, что растения образуются из перепончатой клеточной ткани. Ламарк в 1809 г. утверждал, что «ни одно тело не может содержать жизнь, если со ставные его части не представляют собой клеточную ткань». Аналогичные мысли высказывали Дютроше (1824), Тюрпен (1826), Мейен (1830), фон Моль (1831), в которых четко сформулирована клеточная теория.

Несмотря на данные этих ученых, авторы многих учебников био логии считают Шлейдена, профессора ботаники в Йене, основателем клеточной теории. Данные Шлейдена о строении клеток у растений были подтверждены Шванном на животных. Он провел тщательное ис следование тканей животных и развития клеток и впервые применил термин «клеточная теория», утверждая, что «клетки представляют со бой организмы, а животные, как и растения, — это сумма этих орга низмов, расположенных согласно определенным законам». Данные Шванна послужили прочным обоснованием клеточной теории. Шванн высказал вполне определенные взгляды не только относительно мор фологического, но также и физиологического значения клеток. Соглас но Шванну, клеточные явления можно разделить на 2 группы: «пласти ческие явления», т. е. сочетание молекул, образующих клетку, что на современном языке соответствует клеточной морфологии, и физиоло гические явления, которые являются следствием «химических измене ний, либо в частицах, составляющих клетку как таковую, либо в окру жающей цитоплазме». Эти процессы он определил как метаболические явления. Таким образом, Шванн сформулировал наши современные представления. По этой причине его можно считать отцом современной цитологии.

Клеточная теория быстро распространилась и на одноклеточные организмы: простейших стали рассматривать как животных, состоящих из одной клетки (фон Зибольд, 1845), а Геккель разделил животный мир на две важные группы — protozoa и metazoa. Альберт Кельликкер, зна менитый швейцарский анатом, применил данные клеточной теории к эмбриологии. Вирхов распространил эту теорию на патологию.

В начале XIX века исследователи сосредоточили свое внимание на содержимом клетки, которое разные авторы описывали как «студне видный» или слизистый, клейкий сок. В клеточном соке растений Ро берт Броун в 1831 г. открыл ядро, которое является одним из важней ших и постоянных компонентов клетки. Марк Шульце в 1861 г. при шел к выводу о существенном сходстве между протоплазмой животных и растительных клеток, сформулировав тем самым теорию, которую О. Гертвиг позднее, в 1892 г., назвал теорией протоплазмы. Согласно этой теории, более широкой по своей концепции, чем клеточная тео рия, клетка является скоплением живого вещества, или протоплазмы, четко ограниченным в пространстве и содержащим ядро и клеточную оболочку. Таким образом, первоначальная концепция клетки измени лась. С появлением этих основных теорий началось быстрое развитие гистологических исследований. Так были открыты явления прямого де ления клетки — амитоза (Ремак, 1841) и непрямого деления (Шнейдер, Страсбургер). Последняя форма клеточного деления носит также на звание кариокинеза (Шлейхер, 1879), или митоза (Флемминг). Было установлено, что основным в митозе является образование ядерных нитей или хромосом (Вальдейер, 1890). В цитоплазме были открыты:

клеточный центр (Ван Бенеден, Бовери), ретикулярный аппарат (Гольд жи). Одновременно с исследованием ткани внимание все больше со средоточивалось на клетке как основной структурной единице живых организмов. В 1892 г. О. Гертвиг опубликовал свою монографию «Клет ка и ткани», в которой он обобщил биологические явления, исходя из характерных особенностей клетки, ее строения и функции. Автор по казал в этой книге, что решение различных проблем биологии можно найти в процессах, происходящих в клетках, и таким образом была ос нована цитология как современный раздел науки.

Единица живого — клетка. Она содержит все необходимое для со хранения жизни и обеспечения ее непрерывности. Если клетка повреж дена и повреждение не может быть исправлено, то через короткий срок вся ее активность угасает и происходит распад ее компонентов. Клетки сильно различаются своими размерами, формой и характером актив ности. Рассмотрим только тот минимум составных частей, без которых ни одна клетка не может существовать. Такая «минимальная» клетка должна включать:

1 — систему мембран, которые окружают клетку, разделяют ее внут ри на отсеки, управляют химическими процессами и несут на себе ряд важных катализаторов;

2 — «аппарат» для получения точных копий клетки путем копиро вания ее основных структур;

3 — «аппарат», обеспечивающий различные клеточные функции энергией, получаемой в результате окислительных процессов.

Хотя тип оснащения, необходимого для любой клетки, указать лег ко, совсем не так просто определить, что же это за оснащение и как оно располагается внутри клетки. В многоклеточных организмах существует различие функций, основанное на дифференциации структур. Так, в дифференцированных клетках высших организмов наблюдается раз личие в количестве клеточных органелл (иногда и различия в их тонкой структуре, а также в различном их распределении внутри клетки). Клет ки могут быть специализированными: им могут быть присущи, напри мер, сократимость, светочувствительность или секреторная активность.

Некоторые клетки могут отличаться по присутствию в них специали зированных молекул — инструментов для выполнения определенных функций; гемоглобин в эритроцитах служит для переноса кислорода, родопсин в клетках сетчатки — для восприятия света, актин и миозин в клетках мышц — для сокращения. В специализированных клетках плазматическая мембрана обладает теми или иными специфическими особенностями. Так, например, она может нести функции, связанные с пищеварением и всасыванием (микроворсинки кишечного эпителия), с передачей нервных импульсов (нервные клетки) или секрецией, из бирательным поглощением (клетки, выстилающие проксимальные ка нальцы почки).

Для поддержания основных функций клетки в процессе эволюции возникли определенные структуры, названные клеточными органелла ми. Они обеспечивают координированное и регулируемое протекание основных процессов, необходимых для постоянного проявления жиз ненных функций. Для существования живого организма важны следу ющие органеллы: ядро, митохондрии, эндоплазматический ретикулум, рибосомы, комплекс Гольджи, лизосомы, микротельца. Размеры и фор мы органоидов (органелл) сильно варьируют в зависимости от типа клетки. Так, митохондрии клеток печени имеют форму мяча, в клетках почек — цилиндрическую форму, а в фибробластах — нитевидную.

В зависимости от метаболического состояния клетки форма и объем митохондрий могут претерпевать быстрые изменения. Митохондрии час то располагаются в клетке в непосредственной близости от структур, потребляющих энергию. В активно работающих мышечных клетках они располагаются правильными рядами вдоль миофибрилл; в эпителиаль ных клетках, выполняющих секреторную функцию, они часто согласу ются с направлением движения секрета, для образования которого тре буется энергия. Нередко они располагаются вдоль находящихся в ци топлазме жировых капель, используемых в процессах окисления в качестве источника жирнокислотного топлива. В клетках печени ми тохондрии способны свободно перемещаться в цитоплазме, тогда как в мышечной клетке их расположение фиксировано.

1.2. Жизненный цикл клетки С функциональной точки зрения не может быть живых организмов или даже клеток и их органелл с неограниченным временем их суще ствования. Начиная с процесса деления все клетки проходят так назы ваемый «жизненный цикл», в конце которого происходит либо деле ние с появлением новой клетки, либо наступает смерть. Продолжитель ность этого цикла видоспецифична и колеблется от нескольких часов до десятка лет. В течение жизненного цикла клетки проходят опреде ленные фазы, продолжающиеся различное время. Это время зависит от типа клетки и характеризуется строго специфичными метаболичес кими процессами. Эти фазы обозначаются как G1, S, G2 — интерфаза, митоз (рис. 1).

Отдельные стадии жизненного цикла клетки определяются исходя из количества содержащегося в ее ядре ДНК. На протяжении пресин тетического (G1) периода про исходит транскрипция ДНК, обеспечивающая белковый синтез и рост клетки (увели чение ее массы). В периоде S кации ДНК в периоде S про и поступление в ядро белков гистонов, необходимых для обеспечения нуклеосомной ДНК упаковки вновь синтезиро ванной ДНК.

Различные гистоны претерпевают в интерфазе изменения: по мере прохождения клетками отдельных фаз цикла происходит фосфорили рование гистонов. Эти процессы обусловливают изменение свойств ДНК по ходу митотического цикла (доступности ДНК для атаки фер ментов ДНК аз).

Регуляция клеточного цикла 1. Были найдены активные факторы МРF — (факторы созревания, стимулирующие вступление в митоз). Активность этого фактора в те чение цикла варьирует — пропадает в интерфазе и проявляется в мито зе под действием белкового цитоплазматического фактора.

2. Обнаружены гены, отвечающие за происхождение клеточного цикла сdc («cell division cycle» — цикл клеточного деления).

В периоде G2 — дальнейший рост клетки, связанный с синтезом бел ков, необходимых для осуществления митоза. Клетки, которые не де лятся дальше, например, мышечные и глиальные, постоянно находят ся в фазе G1, другие же клетки продолжают делиться в процессе всей жизни, например, клетки кишечного эпителия.

Даже в органах клетки обычно не находятся в тесном контакте. Это происходит вследствие отрицательных зарядов, локализованных на поверхности клетки, которые взаимно отталкиваются. В результате меж ду клетками образуются узкие пространства, сумма которых составляет межклеточное пространство. Сумма внутренних компонентов — внут реннее пространство.

Мембранные структуры клетки представлены поверхностной мем браной (плазматическая мембрана) и внутриклеточными мембранны ми структурами.

Так называемая клеточная стенка присутствует у бактериальных и растительных клеток (толстая оболочка из нескольких слоев). Кле точной стенки нет у эукариотических клеток.

1.3. Строение плазматической мембраны Согласно современным исследованиям мембрана имеет жидкостно мозаичную структуру (С. Сингер и Дж. Никольсон, 1972) (рис. 2).

В основе мембранной матрицы лежит двухслойная липидная струк тура. Большую долю мембранных липидов составляют фосфолипиды, которые способны образовывать бислой, состоящий из внутренней гид рофобной области (алифатическая часть жирных кислот или стероид ного скелета холестерина) и гидрофильных поверхностей (глицерин, остаток фосфорной кислоты, аминоспирта, ОН жирной кислоты).

Поэтому через мембраны могут проникать жирорастворимые вещества, а водорастворимые вещества и гидрофильные ионы не в состоянии пре одолеть гидрофобную область; они попадают внутрь клетки по специ альным каналам проницаемости белковой природы. Основную часть липидов, содержащихся в биомембранах, представляют собой поляр ные липиды (глицерофосфолипиды, сфингофосфолипиды, глицеро гликолипиды, сфингогликолипиды). Отдельные фрагменты молекул фосфолипидов совершают тепловое движение, которое играет важную роль: 1) во взаимодействии липидов с белками; 2) в процессах транс порта веществ через мембрану; 3) в проницаемости.

Рис. 2. Обобщенная модель типичной плазматической мембраны:

1 — липиды; 2 — интегральные белки; 3 — периферические белки; 4 — гликопротеиды Повышению «текучести» мембраны способствует наличие в моле куле липидов короткоцепочечных жирных кислот и разветвленных це пей. Чем выше степень их ненасыщенности, тем сильнее выражена сте пень разжиженности мембраны. Ферментативная активность и пассив ный транспорт тесно связаны с текучестью мембранных липидов.

Белки, в основном, представленные гликопротеидами, разделили на два вида: периферические и интегральные. Периферические белки легко экстрагируются из плазматической мембраны водными, не содержащи ми поверхностно активные вещества (ПАВ) растворителями. Интег ральные — тесно связаны с мембраной и легко могут быть выделены с помощью ПАВ, которые разрушают липидный бислой.

Подобно полярным липидам периферические белки также имеют одну полярную область и одну неполярную (домен). В полярной области белковой глобулы, находящейся в контакте с водой, собраны ионизиро ванные остатки аминокислот и все ковалентно связанные углеводные остатки. В неполярной области отсутствуют ионизированные и углевод ные остатки. Эта область белковой глобулы погружена в гидрофобную внутреннюю часть мембраны. Интегральные белки, пронизывающие мембрану, закреплены таким образом, что их полярные участки обраще ны внутрь и наружу, а область гидрофобного центра располагается меж ду ними. Интегральные мембранные белки при физиологической тем пературе диффундируют за счет обычного теплового движения вдоль слоя.

Насыщенные алифатические цепи и стерины вызывают повышение вяз кости мембраны и ограничивают латеральное движение молекул белка в полости мембраны. Мембранные белки могут также быть ограничены в подвижности в связи с присутствием связанных с внутренней поверх ностью мембраны цитоскелетных структур.

Классификация мембранных белков в зависимости от их функций 1. Ферменты — катализаторы.

2. Транспортные белки: селективные фильтры (каналы в биомем бранах, обладающие избирательностью по отношению к ионам, струк турно соответствующим к наиболее узкой части канала — фильтру);

«ворота» (в возбудимых мембранах при понижении потенциала покоя ниже пороговой величины открываются каналы и ионы Nа+ поступают в клетку, в состоянии покоя в нервном волокне Nа+ каналы закрыты «воротами»); насосы — транспортные АТФ азы (осуществляют пере нос веществ против концентрационного градиента с затратой энергии).

3. Рецепторы — это белки, обычно состоящие из нескольких до менов. Они содержат связывающий участок, специфичный для при родного лиганда (гормона, медиатора антитела и др.), т. е. «узнают»

этот лиганд и взаимодействуют с эффекторными системами, для ко торых они также имеют участок «узнавания». Информация для акти вирования эффекторной системы целиком содержится в рецепторе мембраны. За образованием комплекса рецептор —лиганд следуют спе цифические реакции такие, как регуляция ферментативной актив ности посредством высвобождения вторичных химических посредни ков (цАМФ, цГМФ) — циклических нуклеотидов, открывание или закрывание ионных каналов, метилирование, фосфорилирование и увеличение синтеза ДНК.

4. Поверхностные антигены (антигенные детерминанты), представ ляют собой гликопротеид липидные комплексы (например, групповые антигены АВ0, Rh и др. групповых систем крови, локализованные в мембране эритроцитов; тканевые антигены), обеспечивающие имму нохимические функции.

5. Иммуноглобулины (так, в клеточной мембране В лимфоцитов встроены молекулы иммуноглобулинов, которые служат рецептором для специфических антигенов). Основная функция таких белков — учас тие в иммунологических реакциях, т. е. в создании защитных сил орга низма путем образования антител.

6. Структурные белки (спектрин в мембране эритроцитов) играют важную роль в поддержании совместно с белками цитоскелета формы клеток.

7. Сократительные белки, обладающие АТФ азной активностью, т. е. способность расщеплять АТФ с образованием АДФ и фосфата, участ вуют в процессе экзоцитоза.

Функции плазматической мембраны Мембрана является не только барьером между клеткой и внешней средой, но представляет собой устройство, обеспечивающее относитель ное постоянство состава внутриклеточного объема. Наряду с этим она содержит специфические рецепторы для внешних «сигналов», присут ствием которых могут объясняться такие разнообразные ответы, как ориентированное движение клетки (хемотаксис), стимуляция связан ных с мембраной ферментов (циклаз) или генерации сигналов, кото рые могут быть химическими (цАМФ, цГМФ) или электрическими, как в нервной клетке. Плазматическая мембрана также является местом рас положения специфических для клетки антигенов, которые характерны как для данного типа клеток, так и для вида млекопитающего в целом.

Белки и специфические ферменты, локализованные в мембране, свя заны с транспортом ионов и метаболитов через мембранный барьер. Бла годаря инвагинациям (впячиваниям) плазматическая мембрана может образовывать единое целое с протяженными внутриклеточными кана лами, что позволяет осуществлять поступление веществ извне далеко «внутрь» клетки и участвует в формировании пространства между внут ренней и внешней мембранами ядра.

1.4. Основные механизмы переноса через мембрану Проницаемость мембраны для различных веществ зависит как от свойств молекул этих веществ, так и от характеристики мембран. В за висимости от того требует ли перенос вещества через мембрану затраты энергии, эти процессы могут быть разделены на пассивные (перенос веществ по градиенту концентрации или электрохимическому гради енту без затрат энергии) и активные (против концентрационного и элек трохимического градиента с затратой энергии).

Пассивный транспорт. Наличие трансмембранного градиента кон центрации молекул различных веществ является движущей силой пас сивного транспорта. Различают два типа пассивного транспорта: не опосредованный транспорт и опосредованный транспорт.

Неопосредованный пассивный перенос веществ осуществляется путем: 1) простой физической диффузии молекул. Диффундирующая молекула не модифицируется химически и не соединяется с другими видами молекул (например, диффузия малых молекул: воды, мочеви ны, СО2); 2) диффузия через липидную фазу растворитель для ряда малополярных веществ: простых и сложных эфиров, высших спиртов, жирных кислот. В клетке ускорение свободной диффузии достигается увеличением площади поверхности переноса, например, эпителий тон кого кишечника состоит из большого числа складок, которые образуют на поверхности мембраны микроворсинки.

Для ряда ионов существуют специфические каналы проницаемос ти, обусловливающие их быстрое селективное проникновение через мембрану: селективные каналы для К+, Nа+. Такой перенос зависит от размера молекул, заряда ионов.

Для опосредованных, или облегченных, мембранных транспортных процессов характерны кинетика насыщения (т. е. транспортная система может насыщаться транспортируемым растворенным веществом) и спе цифичность к транспортируемому веществу. Опосредованный транспорт обусловливается белками, способными обратимо связывать специфи ческие субстраты. Эти транспортирующие белки имеют названия:

транспортные системы, переносчики, носители или транслоказы. Но сители облегчают перенос веществ в направлении градиента концент рации и не требуют затраты метаболической энергии. Таким процес сом является вход глюкозы в клетки печени — гепатоциты, эритроциты и мышечные клетки по концентрационному градиенту. В тех случаях, когда переносчик облегчает перенос вещества в одном направлении и одновременно другого — в другом без затрат энергии, этот процесс носит название обменной диффузии.

Активный транспорт. Активным транспортом называются процес сы, в которых молекула должна двигаться через мембрану независимо от направления концентрационного градиента. Энергия, необходи мая для такого процесса, поставляется одним из двух следующих спо собов. Во первых, транспорт данного метаболита может быть сопряжен с одновременным движением второго вещества, которое движется по свое му концентрационному градиенту. Вторая молекула может двигаться в том же направлении, что и первая (симпорт), или в противоположном направлении (антипорт). Во вторых, энергия может поставляться сопря женным гидролизом АТФ (АТФ азная активность) или какого либо дру гого высокоэнергетического соединения на поверхности белка, который служит носителем. Такое «устройство» называется насосом.

В тканях млекопитающих обнаружено несколько основных сис тем активного транспорта таких, как натриевый и кальциевый насо сы (Na+ насос, Са2+ насос), системы транспорта глюкозы и других са харов и системы транспорта аминокислот. Наряду с этим высокоселек тивные транспортные системы, включающие специфические белковые переносчики, могут функционировать при переносе определенных ионов из внеклеточной во внутриклеточную среду.

Процессы активного транспорта, в которых энергия АТФ непосред ственно используется для переноса вещества против градиента, назы ваются первично активным транспортом. Этот процесс отличается от переноса веществ против градиента с помощью переносчиков, исполь зующих при этом энергию уже существующего градиента другого ве щества, чаще всего ионов Nа+. Такой процесс принято называть вто рично активным транспортом.

Nа+ насос. В большинстве клеток животных внутриклеточная концентрация [К+] высока и постоянно составляет 120–160 ммоль/л, в то время как концентрация [Nа+] < 10 ммоль/л. Напротив, внеклеточ ная жидкость содержит много ионов Nа+ ([Nа+] 150 ммоль/л) и гораз до меньше ионов К+ ([К+] < 4 ммоль/л). Поэтому на клеточных мембра нах возникает концентрационный градиент этих двух ионов. Постоян ство высокой внутриклеточной концентрации [К+] поддерживается происходящим с затратой энергии выходом из клетки Nа+ с заменой его на К+. Аналогия с механическим насосом оправдана в том смысле, что энергия используется для движения ионов против препятствующе го движению концентрационного градиента. Источником энергии для этой работы служит АТФ субстрат для мембранной АТФ азы. Так, в мембранах эритроцитов содержится АТФ аза, для активации которой требуется и Nа+, и К+. Nа+К+ АТФ аза участвует в транспорте Nа+ и К+ через плазматическую мембрану клеток всех эукариот.

Аминокислоты и некоторые сахара транспортируются активно, что может сопровождаться метаболическими изменениями транспортиру емых молекул. Описываемый сопряженный обменный перенос осуще ствляется с помощью белков переносчиков, которые связывают одно временно субстрат и ионы Nа+ и переносят вещество против градиента его концентрации за счет движения Nа+ по градиенту. Это сопряжение транспорта Nа+ и транспорта глюкозы позволяет предположить суще ствование белка переносчика с центрами связывания как для глюко зы, так и для Nа+. Когда внутри клетки происходит разрядка этих цен тров, Nа+ насос возвращает Nа+ обратно во внеклеточную среду. Так как последний процесс нуждается в АТФ, то гидролиз АТФ, происхо дящий на одну стадию раньше, опять предоставляет энергию для транс порта глюкозы против ее концентрационного градиента.

Цитоз — особый механизм транспорта, предназначенный для по глощения клеткой или выведения из нее больших молекул с помощью изменения формы мембраны. Пиноцитоз — процесс поглощения клет кой различных субстратов, при котором инвагинация ее мембраны за вершается образованием пиноцитарного пузырька вокруг поглощен ного материала. Явление поглощения субстратов существенно отлича ется от явления проницаемости. Поглощенный материал находится вне клетки, точно так же, как содержащаяся в просвете кишечника пища находится вне тела. Для того чтобы поглощенный субстрат смог вклю читься в обменные процессы клетки, он должен проникнуть через мем брану пузырька. Так как мембрана пузырька образующаяся в процессе цитоза по существу представляет собой фрагмент плазматической мемб раны, то можно предположить, что она сохраняет и ее свойства. При пи ноцитозе образуются пиноцитарные пузырьки диаметром (200–700 нм).

Субстраты, включенные в клетку в процессе пиноцитоза, в большин стве своем подвергаются распаду. Контакт лизосом с содержимым пи ноцитарных пузырьков приводит к тому, что последнее распадается до низкомолекулярных соединений. Вместе с тем некоторые поглощен ные молекулы сохраняются неизмененными и могут оказывать выра женное воздействие на клетку.

Пиноцитоз наблюдается у самых разнообразных клеток. Он особен но развит у клеток эпителия тех органов, где происходит процесс вса сывания.

Фагоцитоз. Во время фагоцитоза клетка охватывает объект расплас тывающейся вокруг него мембраной. Такое обволакивание объекта протекает обычно с участием микрофиламентов. Когда мембрана пол ностью охватит фагоцитируемую частицу происходит слияние ее кра ев. Фагоцитозом поглощаются вещества или твердые частицы диамет ром более 1 мкм. Фагоцитарной активностью обладают лейкоциты (микрофаги — нейтрофилы, эозинофилы, базофилы; макрофаги — мо ноциты, большие лимфоциты); гистиоциты соединительной ткани;

купферовские клетки печени; альвеолярные макрофаги, макрофаги лимфоузлов, селезенки.

Окаймленные пузырьки диаметром 60–70 нм участвуют в сортиров ке белков на плазматической мембране. Участие этих структур в про цессе селективного (т. е. зависимого от рецепторов) эндоцитоза было обнаружено в 1976 году. Рецепторы различных лигандов на клеточной поверхности собираются в структурах, называемых окаймленными ям ками. Эти ямки впячиваются и отрываются, образуя окаймленные пу зырьки, которые доставляются в лизосомы. Большая часть белков плаз матической мембраны исключается из окаймленных ямок. Такой эф фект концентрирования одних белков и исключения других приводит к повышению концентрации рецепторов в 103–104 раз по сравнению с другими белками мембраны. Таким образом, окаймленные пузырьки представляют собой настоящую машину для сортировки.

Основной белок окаймленных пузырьков — клатрин. Окаймленные пузырьки из клатрина, несомненно, являются важнейшими перенос чиками при мембранном транспорте (транспорт холестерола в составе липопротеинов низкой плотности и т. д.).

После эндоцитоза рецепторы многие сотни раз возвращаются на клеточную поверхность для повторного использования, и в то же время лиганды, связанные с ними, эффективно разрушаются. Рецепторам уда ется избежать протеолиза за счет эндосом — компартментов (отсеков), где рецепторы и лиганды диссоциируют из комплекса. Рецепторы за тем возвращаются в плазматическую мембрану, а лиганды доставляют ся в лизосомы.

Экзоцитоз характерен для всех секреторных клеток: клеток, продуци рующих гормоны, ферменты, нейромедиаторы и другие продукты мета болизма. Это единственный вид транспорта при выделении медиаторов (ацетилхолина, адреналина и др.) через пресинаптическую мембрану.

1.5. Гликокаликс Плазматическая мембрана окружена внешней оболочкой — глико каликсом. Гликокаликс — это сложные углеводсодержащие соединения.

Углеводы связаны с мембранными белками, причем их состав и струк тура характерны для каждого типа клеток.

Существенна роль этих углеводных цепочек гликопротеинов в про цессах специфического узнавания клеток, т. к. благодаря большому числу сахарных остатков и разнообразию связей между ними эти макро молекулы способны нести обширную информацию.

1. Остатки сахаров создают гидрофильность на отдельных участках мембраны.

2. Олигосахариды эритроцитов обладают антигенной активностью АВО и MN групп крови.

3. Большинство углеводов содержит сиаловые, уроновые кислоты, благодаря чему клеточная поверхность в нейтральной среде имеет отрицательный электрический заряд. При возникновении межклеточ ных связей, по видимому, важную роль играют ионы Са2+, которые мо гут связывать две отрицательно заряженные группы на поверхности со седних клеток.

Углеводные остатки:

1) способны модифицировать физико химические свойства белков;

2) необходимы для приобретения белками «правильной» конфигу рации;

3) участвуют во взаимодействии субъединиц белка;

4) помогают белку находить нужную ориентацию и закрепиться в липидном бислое;

5) защищают белок от протеолиза (разрушения ферментами);

6) олигосахариды вирусов могут маскировать антигенные участки белка;

7) образуют межклеточные контакты.

1.6. Клеточные органоиды В эукариотических клетках ядро имеет две мембраны — внутрен нюю и наружную. Между мембранами — перинуклеолярное про странство. Ядерные мембраны пронизывают поры, через которые. в результате которого генетическая информация, заключенная в ДНК, переписывается на РНК с последующим переносом РНК к рибосомам;

трансляция — процесс, в результате которого генетическая информа ция переводится на «язык» белковой структуры, в котором использует ся двадцатибуквенный алфавит аминокислот.

Состав нуклеоплазмы. Нуклеоплазма — это жидкая фаза ядра. В нук леоплазме локализованы ферменты гликолиза, есть все аминокисло ты, свободные нуклеотиды, ферменты репликации ДНК.

Функции ядра:

1. Ядро является хранителем генетической информации в виде нук леотидной последовательности молекул ДНК.

2. В ядре происходят следующие этапы синтеза белка:

— репликация (точное воспроизведение) ДНК полуконсервативным способом, т. к. только одна из цепей дочерней ДНК синтезируется заново;

— транскрипция — копирование информации с участков ДНК на матрич ную РНК, синтез транспортных и рибосомальных РНК на матрице ДНК;

— созревание мРНК, тРНК и иРНК;

— сборка субъединиц рибосомы;

— репарация — удаление при помощи комплекса ферментов оши бок цепи ДНК.

3. Участие в процессах деления клетки. Деление клетки начинается с деления ядра, содержащего ДНК, количество которой постоянно для всех клеток данного вида, и у которых содержится одинаковое количе ство хромосом.

4. Транспортная функция.

1.6.2. Ядрышко В клетках, где идет активный синтез белка, в ядре наблюдается не сколько ядрышек. В ядрышке различают фибриллярные структуры — нуклеолонема (нити гетерохроматина — более спирализованная моле кула ДНК) и гранулярные структуры — гранулы РНП (рибонуклеопро теидов). Аморфное вещество, заполняющее пространство между гра нулами и фибриллярными структурами, содержит: 3–5 % РНК; белки фосфопротеиды; ферменты: кислая фосфотаза, нуклеозидфосфорилаза, участвующая в синтезе нуклеотидов и коферментов; ферменты, ката лизирующие образование мРНК.

Функции ядрышка:

1. Синтез компонентов, идущих на сборку рибосомы.

2. Синтез рибосомной и матричной РНК.

3. Сборка субъединиц рибосомы.

1.6.3. Эндоплазматический ретикулум Строение эндоплазматического ретикулума.

В световом микроскопе эндоплазматический ретикулум («эндо» — внутри, «ретикулум» — сеть) выглядит как сеть (рис. 5).

Мембраны эндоплазматического ретикулума состоят в основ ном из липопротеидов.

В клетке эндоплазматический ретикулум состоит из систем, огра ниченных мембраной, каналов, представляющих собой уплощенные «цистерны», трубочки, сообщающиеся друг с другом. При гомогениза ции ткани эндоплазматический ретикулум разрушается, мембраны за мыкаются, образуя мелкие пузырьки — макросомы.

К поверхности эндоплазматического ретикулума могут быть при креплены рибосомы. В этом случае эндоплазматический ретикулум на зывают шероховатым.

На поверхности мембран шероховатого эндоплазматического рети кулума расположены белки рецепторы для рибосом, функция которых заключена в связывании рибосом с эндоплазматическим ретикулумом.

Мембраны эндоплазматического ретикулума, не имеющие рибосом, на зывают гладкими.

Шероховатый эндоплазматический ретикулум состоит из большого числа цистерн, расположенных параллельно друг другу и связанных друг с другом так, что в клетке создается система ком муникаций, по которой синтезируемые на мембранах эндоплазматического ре тикулума белки могут транспортиро ваться либо в другие части клетки, либо наружу.

синтеза полипептидная цепь выходит Рис. 5. Эндоплазматический ретикулум:

А. Ультратонкий срез через канальцы и цистер ны шероховатого эндоплазматического ретику Н лума, усеянного рибосомами; ацинарные клет ки поджелудочной железы летучей мыши.

Б. Препараты клеток Wickerhsmia fluorescens, по лученные методом замораживания — травления.

Видны наружная поверхность (Н) эндоплазма тического ретикулума, покрытая частицами раз мером 5 нм, и внутренняя поверхность (Вн) с небольшим числом частиц размером 10 нм Б из рибосомы через поры, образованные рецепторным белком, попада ет в цистерны эндоплазматического ретикулума. Там самопроизвольно формируются II и III структуры белка. Решение о том, останется ли вновь синтезированный белок в цитоплазме или попадет в систему ЭР — Гольджи, принимается в процессе синтеза белка (трансляции) в зави симости от присутствия или отсутствия в составе этого белка «сигналь ной» последовательности аминокислот.

2. Мембраны гладкого эндоплазматического ретикулума также уча ствуют в синтезе различных веществ: в них протекает синтез гормонов стероидов, триглициридов; метаболизм гликогена; цикл глюкуроновой кислоты, который связан с расщеплением токсинов.

3. В мембране гладкого эндоплазматического ретикулума, напри мер, в клетках печени существует система транспорта электронов, не обходимая для окисления чужеродных веществ. При протекании про цессов детоксикации площадь мембраны гладкого эндоплазматического ретикулума увеличивается в десятки раз. В процессе детоксикации чу жеродные вещества, как правило, плохо растворимые в воде, окисля ются до водорастворимых продуктов, которые легко выводятся из орга низма. Эта система содержит ферменты цитохромы В5, Р45 и флаво протеины.

4. Одной из функций гладкого эндоплазматического ретикулума мы шечной клетки, называемого саркоплазматический ретикулум, является поглощение ионов кальция, которые выбрасываются в цитоплазму (сар коплазму) при сокращении мышечного волокна в ответ на раздражение.

Следует отметить, что гладкий эндоплазматический ретикулум силь но развит в тех клетках, которые транспортируют ионы (например, в железистых клетках слизистой оболочки желудка).

1.6.4. Структура комплекса Гольджи «Стопка» Гольджи состоит из уплощенных, ограниченных мембра ной, структур цистерн, с которыми связаны разного рода пузырьки («стопка блинов») (рис. 6).

Число аппаратов Гольджи на клетку зависит от степени дифферен цировки. Пузырьки формируются на цистернах, отпочковываясь от них.

Так как цистерны имеют изогнутую форму (чаша), то различают две по верхности аппарата Гольджи: 1) вогнутую (внутреннюю — секретирую щий полюс), обращенную к цитоплазме; 2) выпуклую поверхность (формирующий полюс), обращенную к эндоплазматическому ретику луму и ядру.

Рис. 6. Комплекс Гольджи в клетке эпидермиса кролика Функции комплекса Гольджи:

1. На формирующем полюсе происходит поглощение белков и ли пидов, синтезируемых в шероховатом и гладком эндоплазматическом ретикулуме и функционально связанных с пузырьками аппарата Голь джи.

2. Многочисленные исследования различных клеток пищеваритель ной системы показали, что аппарат Гольджи принимает активное учас тие во включении углеводных компонентов в белки с образованием раз личных важных гликопротеидов (тиреоглобулин, иммуноглобулин, му циген), полисахарид белковых комплексов, необходимых для создания новых клеточных структур. Включение терминальных углеводов в бел ковую молекулу является пусковым моментом для процесса экзоцито за продуктов секреции.

3. В аппарате Гольджи накапливаются углеводы в виде растворимых олигомеров и уронидов, полимеры которых способны сильно набухать.

Они входят в состав слизей, выделяемых аппаратом Гольджи.

4. Аппарат Гольджи участвует в завершении формирования липо протеинов путем обволакивания липида мембраной и доставкой их в определенные места плазматической мембраны.

5. Имеются данные о том, что ферменты аппарата Гольджи прини мают активное участие в сульфатировании продуктов секреции (напри мер, образование мукополисахаридов эпителиальных клеток ЖКТ).

6. Аппарат Гольджи участвует в процессах секреции молока (вклю чение галактозы в гликопротеиды, накопление лактозы).

7. По мнению некоторых исследователей, аппарату Гольджи принад лежит важная роль в синтезе и секреции углеводсодержащих компонен тов межклеточного матрикса, а также в процессах преобразования в упо рядоченные структуры таких структурных белков, как коллаген.

1.6.5. Митохондрии Структура митохондрий. Митохондрии — субклеточные органеллы длиной 2 мкм и диаметром 0,5 мкм (рис. 7).

Митохондрии часто находятся в клетке поблизости от структур, нуж дающихся в АТФ, или от источников клеточного «топлива». По разме рам они сходны с бактериями, однако, форма их варьирует. Митохонд рии имеют две мембраны, которые могут быть отделены одна от дру гой. Наружная мембрана содержит моноаминооксидазу и ферменты, активирующие жирные кислоты; она свободно проницаема для боль шинства растворимых низкомолекулярных соединений. Внутренняя мембрана имеет значительно большую поверхность, создаваемую за счет ющих перенос специфических метаболитов через мембрану. Внутренний матрикс митохондрий содержит большое количество белка, часть ко торого составляют различные ферменты цикла Кребса, окисления жирных кислот, цикла мочевины, а также пул (депо) АДФ, АТФ, НАД, НАДН и КоА, отделенный от их цитоплазматического пула внутрен ней мембраной, непроницаемой для этих соединений. В матриксе на ходятся крупные гранулы, характеризующиеся высокой электронной плотностью. В некоторых митохондриях были обнаружены рибосомы.

Митохондрии содержат молекулы ДНК. У митохондриальной ДНК кольцевая структура (как у бактерий), несущая информацию для син теза определенных полипептидных цепей цитохромов и АТФ азы. Та ким образом, в митохондриях синтезируются необычно гидрофобные водонерастворимые белки, и удается избежать необходимости их пере движения на какое либо расстояние через цитоплазму. Информация по синтезу многих других полипептидных цепей заложена, как обычно, в ДНК ядра.

Функции митохондрий:

1. Митохондрии — энергетические станции клетки, в которых син тезируется АТФ — основной источник энергии в живом организме.

Митохондрии существуют во всех эукариотических клетках, кроме зре лых эритроцитов.

2. В митохондриях осуществляется процесс клеточного дыхания — потребляется кислород и выделяется СО2. В этих органеллах мембран ные белки содержат в качестве коферментов (небелковая часть фермен та) витамины, неорганические соединения: железо, серу, медь.

3. В митохондриях происходит превращение энергии, запасенной в пище, в другие виды энергии.

Клетки получают необходимую энергию за счет окисления белков, жиров, углеводов, которые гидролизуются за пределами митохондрии до аминокислот, моносахаридов, глицерина и жирных кислот. Эти низ комолекулярные продукты в результате последовательных реакций пре образуются в производные уксусной кислоты — ацетил КоА. В таком виде ацетильные группы окисляются до СО2 в цикле Кребса. Ферменты этого процесса находятся в матриксе митохондрии. В результате цикла Кребса происходит образование атомов водорода, акцептором которо го является НАД кофермент. Далее электроны с этого соединения по ступают в цепь переноса на внутренней мембране митохондрий, где двигаются от переносчика к переносчику на молекулярный О2, кото рый восстанавливается до Н2О. Этот процесс называется дыханием, а цепь переноса электронов — дыхательной цепью. Дыхание сопряже но с фосфорилированием. В процессе переноса электронов вдоль ды хательной цепи создается градиент концентрации Н+ в направлении, перпендикулярном поверхности мембраны (Митчел, 1966, Химиоос мотическая гипотеза), который используется для синтеза АТФ. Таким образом, в митохондриях происходят важные процессы окислительно го фосфорилирования.

Помимо дыхания, связанного с фосфорилированием, в митохонд риях существует дыхание не связанное с накоплением макроэргов. Это так называемое нефосфорилированное окисление. Освобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Существует ряд соедине ний, способных разрывать сопряженность между дыханием и фосфо рилированием. В частности, к таким разобщителям относятся динит рофенол, дикумарин, тироксин, олигомицин и др.

Митохондрии могут накапливать ионы Са2+ за счет энергии, высвобож даемой в процессе переноса электронов, но процесс аккумуляции Са2+ в ми тохондриях альтернативен процессу окислительного фосфорилирования.

1.6.6. Лизосомы Структура лизосом. Лизосомы — субклеточные структуры диамет ром от 0,5 до 2–3 мкм. Ограничены элементарной мембраной толщи ной 7 мм и содержат гидролитические ферменты (протеазы, нуклеазы, гликозидазы, липазы, фосфолипазы, фосфатазы и т. д.). Лизосомы при сутствуют, за редким исключением (эритроциты млекопитающих), во всех животных клетках.

Лизосомы участвуют в «переваривании» материалов, поступающих извне, и структурных элементов клетки. В случае гибели клетки проис ходит разрыв лизосомальной мембраны и начинается автолиз клетки:

гидролазы расщепляют белки до аминокислот, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов, полисахариды до моносахаридов.

В тканях с высокой скоростью обновления клеток содержание ли зосом в клетках повышено (в клетках эпителия почечных канальцев, остеокластов кости, молочных желез).

Ограниченный элементарной мембраной пузырек с гидролитичес кими ферментами называется первичной лизосомой.

Когда первичная лизосома сливается с вакуолями, фагосомами, окаймленными пузырьками, она уже называется вторичной лизосомой.

Вторичная лизосома способна к фагоцитозу: захватывать, например, дегенерирующую митохондрию и «переваривать» ее (аутофагия), обра зуя аутолизосому. Лизосомы, переваривающие чужеродные вещества, называются гетеролизосомами.

Лизосомы участвуют в процессах экзоцитоза гидролаз.

В шероховатом эндоплазматическом ретикулуме синтезируются гидролитические ферменты, они поступают в аппарат Гольджи, где про исходит упаковка фермента в секреторных гранулах, далее происходит слияние их с 1 ой лизосомой. Образуются зимогенные гранулы (плот ные агрегаты молекулы зимогена — неактивного фермента, окружен ные мембраной). Зимогенные гранулы мигрируют к поверхности клет ки (мембране) и секретируются наружу.

Функции лизосом:

1) структура клеточного «переваривания», которое сопровождают пиноцитоз и фагоцитоз;

2) участие в катаболизме структурных компонентов самой клетки и веществ, поступающих извне;

3) участие в процессе фагоцитоза (лизосомы макрофагов играют роль в защитных механизмах);

4) экзоцитоз;

5) посмертный автолиз.

1.7. Немембранные структуры клетки 1.7.1. Цитоскелет Он представлен микротрубочками и микрофиламентами, которые являются системой, обеспечивающей подвижность цитоплазменных и внутриклеточных мембранных структур (внутриклеточное движение и трансцитоз), регуляцию формы клеток, участвует в процессах митоза.

Микротрубочки — тонкие цилиндры, имеющие 20–30 нм в диамет ре и толщину стенок 4,5–7,0 нм.

Микротрубочки являются линейными полимерами. Они построены из молекул гликопротеина тубулина, представляющих собой диме ры. Молекулы тубулина, уложенные в форме спирали, образуют про дольные параллельные протофиламенты, которые составляют стенку цилиндра. Микротрубочки постоянно формируются и разрушаются.

Формирование их происходит путем самосборки и требует энергии ГТФ (энергии, полученной при гидролизе гуанидинтрифосфата).

Важнейшая функция микротрубочек заключена в регуляции внут риклеточного перемещения компонентов, например, во время пере движения хромосом при делении. В процессе деления нити верете на — пучки микротрубочек — расходятся к противоположным полю сам клетки.

Движение вновь синтезированного материала от шероховатого эндо плазматического ретикулума к комплексу Гольджи определяется микротрубочками, которые необходимы для обеспечения координиро ванности транспорта при процессах секреции.

Движение же снаружи ко внутренним областям клетки при фаго цитозе, пиноцитозе, внутриклеточное движение кортикального типа (аксоток) определяются участием микрофиламентов.

К системе микрофиламентов, помимо тонких филаментов, обра зующихся белком актином и актин связующими белками: миозином, спектрином и денином, относятся и промежуточные филаменты, бел ки которых обладают межтканевыми различиями: эпителиальные клетки содержат цитокератины, нервные клетки содержат белки ней рофиламентов, в мышечных клетках содержится десмин и скелетин, в глиальных клетках — глиальный фибриллярный кислый белок.

Системы микрофиламентов вместе с микротрубочками образуют многочисленные контакты с клеточной мембраной. Цитоскелетные системы в клетке осуществляют направленное движение белков гли копротеидов вдоль мембраны и в то же время ограничивают подвиж ность мембранных белков. При обработке клетки ингибитором ми кротрубочек клеточные рецепторы объединяются в определенном месте на мембране в так называемые «шапки», а если провести допол нительную обработку ингибитором системы микрофиламентов, то «шапки» распадаются, превращаясь в диффузные «кластеры». Подоб ные явления наблюдаются при взаимодействии мембранных глико протеинов с антигенами, что свидетельствует о связи мембранных ре цепторов и системы цитоскелета клетки.

Цитоскелетом определяются форма клетки, ее способность при крепляться к другим клеткам и свобода ее передвижения, а также транспорт различных субстанций в клетку и из нее.

Анализ различных типов движения клеток позволяет понять, ка ким образом форма клетки определяется характером ее движения.

Многие клетки способны плыть. Этот тип движения осуществля ется при помощи жгутиков и ресничек — выступающих наружу при датков клетки, содержащих аксонему из микротрубочек. Движущая сила обеспечивается АТФ азной активностью белка микротрубочек — динеина. Форма плавающих клеток определяется микротрубочками, расположенными подмембранно, расходясь от одной точки, напри мер, от пары базальных телец.

Макрофаги лейкоцитов совершают амебоидное движение. Форма амебоидной клетки — результат локальной сократительной активнос ти микрофиламентов, и ее движение также зависит от микрофила ментов и регулируется клеточной мембраной.

Фибробласты внеклеточного матрикса совершают зависящее от микротрубочек фибробластоидное движение. Цитоскелет фибробла стов обеспечивает постоянство клеточной формы или ее изменение, участвует в распластывании клетки на субстрате, обеспечивает ак тивное движение и поляризацию клетки, генерирует активное на пряжение.

Эритроциты млекопитающих поддерживают свою форму с помо щью цитоскелетной примембранной сети белков актина и спектрина.

Цитоскелет тромбоцитов принимает участие в процессах измене ния их формы в покое и при активации, обеспечивает их прикрепле ние к различным поверхностям.

К настоящему времени накоплено множество данных об участии цитоскелета в процессах митоза и экспрессии генов, трансформации.

1.7.2. Рибосомы Рибосомы представляют собой сложные сферические частицы, со держащие в своем составе рибосомальную РНК и белок. Известно два типа высокомолекулярной рРНК, константы седиментации которых соответственно равны 16–18 S и 22–28 S. Величина этих констант за висит от источника рибосом. Более высокие величины констант свой ственны для рибосом высших организмов. Каждая из указанных ти пов рибосомальных РНК, вступая в комплекс с белком, образует ри босомную субчастицу большего размера. Эти субчастицы в свою очередь, соединяясь между собой в соотношении 1:1, образуют функ ционально активную рибосому с константой седиментации 80 S.

рРНК синтезируются в ядре, ядрышке на матрице ДНК. Различ ные типы рРНК отличаются друг от друга как величиной молекуляр ного веса, так и нуклеотидным составом. Поэтому они образуют ком плексы с различными белками. Белки рибосом синтезируются в ци топлазме и переносятся затем в ядрышки, где и происходит спонтанное образование рибосомных субъединиц путем объединения белков с со ответствующими рРНК. Некоторые рибосомные белки выполняют ка талитические функции. Собранные субъединицы рибосомы транспор тируются в цитоплазму через поры ядерной мембраны. Рибосомы на ходятся в цитоплазме либо в свободном состоянии, либо связаны с мембранами эндоплазматического ретикулума (ЭР). Для рибосом, связанных с мембранами ЭР существуют специфические белки рецеп торы. На мембране ЭР происходит синтез белков, которые далее транс портируются из клетки, а на свободных рибосомах в цитоплазме — белки, которые необходимы самой клетке.

1.8. Регуляция клеточных функций Различают несколько уровней, на которых осуществляется регуля ция клеточных функций.

1. Регуляция за счет изменения свойств цитоплазматической мем браны, т. е. скорости поступления метаболитов в клетку за счет транс портных систем мембран, которые не только обеспечивают посто янство внутриклеточного состава, но и принимают участие в про цессах транспорта веществ через мембраны внутриклеточных органелл.

2. Регуляция процессов метаболизма ядром клетки.

3. Метаболическая регуляция активности ферментных систем клетки.

4. Гуморальный и нервный контроль клеточных функций.

Информация относительно метаболического состояния клеток «по требителей». Обеспечивается химическими первичными «носителями»:

гормонами, нейромедиаторами, медиаторами, R факторами, проста гландинами и др. и поступает в клетки «мишени», где происходит пре образование сигнала 1 го «носителя» информации со специфическим рецептором в клетке «мишени», что вызывает изменение конформа ции рецептора, активацию внутриклеточных или связанных с мембра ной ферментов. При этом изменяется синтез соединений — вторичных носителей информации (цАМФ, цГМФ), что приводит к изменению деятельности клетки (открывание или закрывание ионных каналов, ме тилирование, фосфорилирование, увеличение синтеза ДНК и т. д.).

1.9. Деление клетки Деление клеток — увеличение числа клеток в результате их размно жения путем деления исходной клетки. Согласно одному из положе ний клеточной теории, «клетки образуются только из клеток», что ис ключает «самозарождение» клеток или их образование из неклеточно го «живого вещества». Известны три типа деления клеток: митоз, амитоз, мейоз. Митоз и амитоз характерны для соматических клеток (клетки тела) всех эукариот. Мейоз осуществляется при образовании половых клеток у животных. Одни клетки делятся часто и постоянно (напри мер, клетки эпителия, красного костного мозга, надкостницы). Другие клетки, однажды возникнув, больше не делятся и живут столько же, сколько весь организм (например, клетки нервной системы, мышеч ные клетки). Чем выше специализация клеток, тем ниже их способность делиться.

Митоз — основной способ деления клеток (рис. 8).

Митоз открыт с помощью светового микроскопа в 1874 г. русским ученым И.Д. Чистяковым в растительных клетках. В 1878 г. В. Флемин гом и русским ученым И.П. Перемежко этот процесс обнаружен у жи вотных клеток. У животных клеток митоз длится 30–60 минут. Митоз — это деление ядра, он состоит из четырех фаз: профазы, метафазы, ана фазы и телофазы. Профаза — первая фаза деления, в которой двухро матидные хромосомы спирализуются и становятся заметными. Ядрыш ки и ядерная оболочка распадаются, образуются нити веретена деле ния. Метафаза — фаза скопления хромосом на экваторе клетки; нити веретена деления идут от полюсов и присоединяются к центромерам хромосом: к каждой хромосоме подходят две нити, идущие от двух по люсов. Анафаза — фаза расхождения хромосом, в которой центромеры делятся, а однохроматидные хромосомы «растаскиваются» нитями ве ретена деления к полюсам клетки. Это самая короткая фаза митоза. Те лофаза — фаза окончания деления; движение хромосом заканчивает ся, и происходит их деспирализация (раскручивание в тонкие нити), формируется ядрышко, восстанавливается ядерная оболочка, нити ве ретена деления растворяются. В результате митоза из одной диплоид ной клетки, имеющей двухроматидные хромосомы (2 n) и удвоенное количество ДНК (2 c), образуются две дочерние диплоидные клетки с однохроматидными хромосомами и одинарным количеством ДНК.

Это соматические клетки (клетки тела) организма растения, животно го и человека.

Значение митоза:

1) точная передача наследственной информации дочерним клеткам;

2) увеличение числа клеток в организме, т. е. один из главных меха низмов роста;

3) способ бесполого размножения организмов и регенерации клеток.

Для осуществления митоза в клетке формируется митотический аппарат, в состав которого входят центросомы, центральное веретено, кинетохорные участки хромосомы.

Центросома — совокупность центриолей и окружающих их струк тур, локализованных в клеточном центре.

Центриоли — цилиндрические структуры, стенку которых фор мирует 9 триплетов микротрубочек, соединенных между собой связ ками. У многоклеточных две центриоли — материнская и дочерняя, располагающиеся в интерфазе перпендикулярно друг другу. Состо ят центриоли из протофиламентов, белка тубулина, аморфного ве щества.

Митотическое веретено — микротрубочки: полостные, прикрепля ются к центросомам, кинетохорные, астральные — нити сияния, рас ходятся радиально от клеточных центров по направлению к плазмати ческой мембране. В состав входят марганец, кальций, белки: кальмоду лин, кальнаин и т. д.

Кинетохоры — трехслойные диски диаметром 0,2–2,0 мкм, форми рующиеся в области центромерного участка хромосомы. Состоят из бел ков сходных с гистонами, тубулиноподобных белков, внутренних цен тромерных белков, цитоплазматического динеина и кинезина.

Кинетохора обеспечивает механические процессы: в анафазе — кинетохорные участки хромосомы «шагают» по кинетохорным микротрубочкам, а освобождающиеся концы микротрубочек подвергаются деполимеризации. Полюсные микротрубочки — каркас для перемещения хромосом.

Мейоз — способ деления диплоидных клеток, в результате которого набор хромосом уменьшается вдвое и становится гаплоидным, поэто му мейоз называется еще редуцированным делением. При этом из од ной клетки образуются четыре дочерние (рис. 9).

Особенностью мейоза является также обмен участками хромосом, а следовательно, и ДНК между хроматидами парных хромосом, прежде чем они разойдутся в дочерние клетки. Мейоз состоит из двух последо вательных делений ядра и короткой интерфазы между ними. Первое де ление — наиболее сложный и важный этап. Он подразделяется на фазы:

профаза I, метафаза I, анафа ные хромосомы диплоидной материнской клетки подходят друг к другу, перекрещиваются (кроссинговер), образуя мости ки (хиазмы), затем обменива ются участками, при этом осу ществляется перекомбинация генов, после чего хромосомы эти парные хромосомы распо лагаются по экватору клетки, к каждой из них присоединяется фазе I к полюсам клетки расхо к другому. При этом число хро мосом у полюсов становится вдвое меньше, чем в материнс кой клетке, но они остаются двухроматидными. Затем про ходят телофаза I и интерфаза (эти фазы могут и отсутство вать). В интерфазе между I и II синтетический период, т. к. пос ле I деления хромосомы остались удвоенными (молекулы ДНК также удвоены). Второе деление мейоза отличается от митоза только тем, что его проходят клетки с гаплоидным (одинарным) набором хромосом.

Профаза II иногда отсутствует. В метафазе II двухроматидные хромосо мы располагаются по экватору, при этом деление отмечается сразу в двух дочерних клетках. В анафазе II к полюсам отходят уже однохроматид ные хромосомы. В телофазе II в четырех дочерних клетках формируют ся ядра и перегородки между клетками. Таким образом, в результате мейоза получаются четыре гаплоидные клетки с однохроматидными хромосомами (1n1c). Это половые клетки (гаметы) у животных и чело века.

Значение мейоза:

1) создание гаплоидного набора хромосом;

2) создание наследственной изменчивости за счет кроссинговера и вероятного расхождения хромосом.

Цитокинез — разделение в конце митоза или мейоза тела материнской клетки на две дочерние. Обычно следует за телофазой (или вместе с ней) и ведет к постмитотическому (пресинтетическому) периоду интерфазы.

Как правило, плоскость цитокинеза совпадает с экваториальной плоскостью веретена деления. Цитокинез — типичное, но не обязатель ное завершение митоза. Если цитокинез не происходит, образуются двуядерные клетки, обычные во многих органах, например, в печени и других крупных железах млекопитающих. В клетках поперечно по лосатых мышечных волокон часто множественные митозы не сопро вождаются цитокинезом, и в результате этого возникают гигантские многоядерные клетки.

Амитоз — прямое деление интерфазного ядра путем перетяжки без образования хромосом вне митотического цикла. Амитоз может сопро вождаться делением клетки, а также ограничиваться делением ядра без разделения цитоплазмы, что ведет к образованию дву и многоядерных клеток. Амитоз встречается в различных тканях в специализированных, обреченных на гибель клетках, особенно в клетках зародышевых обо лочек млекопитающих. Клетка, претерпевающая амитоз, в дальнейшем не способна вступить в нормальный митотический цикл.

Половое размножение — воспроизведение себе подобных в резуль тате полового процесса — слияния гамет (яйцеклетки и сперматозои да). Яйцеклетки образуются у особей женского пола (материнский орга низм), сперматозоиды — у особей мужского пола (отцовский организм).

Половое размножение свойственно как растительным, так и животным организмам. У животных яйцеклетки формируются в яичниках, спер матозоиды — в семенниках. У человека и животных образованию по ловых клеток (гамет) предшествует мейоз. Таким образом, у любых орга низмов гаметы обязательно гаплоидны, а зигота диплоидная, из нее формируется диплоидный зародыш, половина хромосом которого от материнского организма, а половина — от отцовского.

Оогенез — процесс развития женских половых клеток и оогенной ткани. Оогенез проходит в яичниках в три периода: 1) размножение, когда клетки диплоидной оогенной ткани делятся путем митоза, обра зуя диплоидные ооциты; 2) рост ооцитов, прохождение ими клеточно го цикла, в ходе которого осуществляется синтез ДНК, удвоение и по строение второй хроматиды хромосом; 3) созревание ооцитов, заклю чающееся в их делении путем мейоза. В результате оогенеза из ооцита образуется одна гаплоидная с однохроматидными хромосомами яйце клетка (1n1c) и три редукционных (или полярных) тельца. В дальней шем яйцеклетка принимает участие в половом процессе, а редукцион ные тельца отмирают.

Сперматогенез — процесс развития половых клеток — сперматозо идов — из сперматогенной ткани. Сперматогенез проходит в три ста дии: 1) размножение в семенниках клеток диплоидной сперматогенной ткани, которые делятся путем митоза и образуют диплоидные сперма тоциты; 2) рост сперматоцитов, прохождение ими клеточного цикла, в ходе которого осуществляются синтез ДНК и достраивание второй хро матиды; 3) созревание сперматоцитов, которые делятся путем мейоза, в результате чего образуются гаплоидные сперматозоиды. Из каждого сперматоцита возникает по четыре гаплоидных однохроматидных спер матозоида (1n1c), готовых к оплодотворению. При этом у каждого спер матозоида (человека и других млекопитающих) хромосомные наборы будут различаться по половым хромосомам: одни будут нести Х хромо сому, другие — Y хромосому, а все хромосомы будут нести разные ком бинации генов, полученные в результате обмена участками в профазе I мейоза.

Онтогенез — индивидуальное развитие организма, включающее весь комплекс последовательных и необратимых изменений, начиная от об разования зиготы и до естественной смерти организма. В ходе онтогене за реализуется наследственная программа развития организма в конк ретных условиях среды. Развитие носит детерминированный (идущий по определенному пути) характер и не может пойти по другому пути. Так, сначала развивается эмбрион (зародыш), проходящий поочередно ста дии зиготы, бластулы, гаструлы, нейрулы, плода. При этом формируют ся все ткани, органы и системы органов и все отделы тела, в результате чего зародыш приобретает черты, характерные для своего вида. После рождения начинается постэмбриональное развитие. Существуют два типа постэмбрионального развития — прямое и непрямое (с превращением).

Примеры прямого развития — развитие человека. Рождающийся орга низм сходен со взрослым.

Оплодотворение — процесс слияния яйцеклетки со сперматозоидом (спермием). Яйцеклетка — женская гамета (половая клетка) — у всех животных образуется в яичниках. Она формируется в результате ооге неза и содержит гаплоидный набор однохроматидных хромосом (1n1c).

Яйцеклетка млекопитающих открыта и описана в 1828 г. русским уче ным К.М. Бэром. Яйцеклетка покрыта наружной клеточной мембра ной и состоит из цитоплазмы с органеллами, ядра и запасных питатель ных веществ в виде желтка. У человека яйцеклетки остаются в яични ках и внутренних половых органах, где они оплодотворяются и проходят дальнейшее развитие. Сперматозоид — мужская гамета (половая клет ка) всех организмов. Сперматозоиды были открыты в 1677 г. голланд ским естествоиспытателем А. Левенгуком. Он же ввел этот термин (от греч. «сперма» — семя, «зоон» — животное, т. е. животное семя, жив чик). Сперматозоиды образуются в результате сперматогенеза в семен никах. Содержат гаплоидный набор однохроматидных хромосом (1n1c), при этом соотношение хромосом материнского и отцовского происхож дения и соотношение признаков случайные. У человека сперматозои ды определяют пол будущего организма, так как половина их несет по ловую Х хромосому, а половина — Y хромосому. Сперматозоиды — очень маленькие подвижные клетки размером 3–10 мкм. Они состоят из головки и жгутикоподобного хвостика. В головке находится ядро, а в передней части цитоплазмы головки — комплекс Гольджи. В пере ходной части между головкой и хвостиком имеются две центриоли и спиралевидные митохондрии. Благодаря волнообразным сокращени ям хвостика сперматозоиды активно передвигаются в семенной жид кости — сперме. В яйцеклетку сперматозоиды проникают через мемб рану. С ядром яйцеклетки сливается только один сперматозоид; цито плазмы половых клеток также сливаются. В результате оплодотворения в зиготе получается набор парных хромосом: половина хромосом от цовского, половина — материнского происхождения. В зиготе заложе ны новые комбинации генов и признаков.

Глава 2. ОСНОВЫ ЭМБРИОЛОГИИ Многоклеточные организмы не возникают полностью сформирован ными. Они формируются в результате сравнительно медленного процесса прогрессивных изменений, который называется развитием. Развитие мно гоклеточного организма начинается с одной клетки — оплодотворенно го яйца, или зиготы, которая митотически делится и дает начало всем клет кам организма. Наука, изучающая развитие, называется эмбриологией, поскольку развивающийся организм на стадиях от оплодотворенного яйца до рождения носит название эмбриона или зародыша.

Однако развитие не останавливается в момент рождения и не оста навливается даже по достижении взрослого состояния. У большинства организмов развитие не прекращается на протяжении всей его жизни (у человека каждый день происходит замена более одного грамма кле ток кожи, и ежеминутно в костном мозге образуются миллионы новых эритроцитов). Поэтому наука биология развития включает изучение не только эмбриогенеза, но и других процессов развития. Она создает основу для интеграции молекулярной биологии, физиологии, цитоло гии, анатомии, онкологии, иммунологии и даже эволюционных и эко логических исследований.

Развитие выполняет две основные функции. Во первых, в процес се развития создается разнообразие клеток и определяется последова тельность событий развития в процессах каждого поколения и, во вто рых, обеспечивается непрерывность жизни при переходе из одного по коления к другому.

Первая функция включает образование в организме всех разнооб разных типов клеток и их организацию. Возникновение клеточного раз нообразия называют дифференцировкой; процессы организации диф ференцированных клеток в ткани и органы называют морфогенезом (соз дание формы и структуры) и ростом (увеличение размеров). Вторая основная функция развития — размножение — последовательное вос произведение новых особей данного вида.

Новый организм возникает в результате слияния генетического ма териала двух гамет — спермия и яйца. Это слияние называется опло дотворением и дает развитие яйца. Совокупность стадий, наступающих вслед за оплодотворением, носит название эмбриогенеза.

Стадии эмбриогенеза — это те или иные вариации четырех основ ных типов.

1. Непосредственно после оплодотворения происходит дробление.

Дробление — это ряд быстро протекающих митотических делений, в результате которых объем цитоплазмы зиготы разделяется на мно гочисленные более мелкие клетки. Эти клетки называются бластоме рами, и к концу дробления они обычно образуют шар, носящий на звание бластулы.

2. После уменьшения скорости митотических делений бластомеры совершают энергичные перемещения, в результате которых их положе ние относительно друг друга изменяется. Эту серию клеточных пере мещений называют гаструляцией. В результате гаструляции у зародыша обычно образуются IIІ клеточных пласта, называемых зародышевыми листками. Из наружного листка — эктодермы возникают эпидермис и нервная система; внутренний листок — энтодерма образует выстилку пищеварительной трубки и принимает участие в образовании связан ных с ней органов (поджелудочной железы, печени и др.) и органов дыхания; средний листок — мезодерма дает начало нескольким орга нам (сердцу, почкам, гонадам), соединительной ткани (костям, сухо жилиям и форменным элементам крови), мышцам.

3. После возникновения трех зародышевых листков клетки, вза имодействуя между собой и перемещаясь, образуют органы. Этот процесс носит название органогенеза. Во многих органах содержат ся клетки, происходящие от разных зародышевых листков, и неред ко наружную часть органа образуют клетки одного зародышевого лист ка, а внутреннюю — другого. При органогенезе некоторые клетки со вершают длительные миграции от места, где они возникли, до места окончательной локализации. К таким мигрирующим клеткам отно сятся предшественники форменных элементов крови и лимфы, пиг ментные клетки и гаметы.

Часть цитоплазмы яйца дает начало клеткам — предшественникам гамет. Эти клетки называют первичными половыми клетками и они обо собляются для осуществления репродуктивной функции. Все остальные клетки называются соматическими. Это разделение на соматические клетки (дающие начало индивидуальному организму) и половые, как пра вило, представляет собой один из первых этапов дифференцировки.

Первичные половые клетки в дальнейшем мигрируют в гонады, где они дифференцируются в гаметы — клетки, участвующие в оплодотво рении. Развитие гамет, называемое гаметогенезом, обычно завершает ся к моменту достижения организмом половой зрелости.

2.1. Дробление: создание многоклеточности Дробление — серия митотических делений, в результате которых объем цитоплазмы яйца разделяется на многочисленные, содержащие ядро, клетки меньшего размера. Такие клетки, образующиеся в период дробления, называются бластомерами. Во время дробления размеры эмбриона не увеличиваются, а бластомеры становятся с каждым разом все меньше. Энергию для процесса дробления доставляет расщепление гликогена и других веществ, запасенных в цитоплазме. Общая масса бластулы (её сухая масса) может даже уменьшиться по сравнению с мас сой неоплодотворенной яйцеклетки.

Дробление является результатом координированных процессов.

Первый из них — кариокинез (митотическое деление ядра). Механи ческим аппаратом этого деления является митотическое веретено с его цитоскелетными структурами — микротрубочками. Второй процесс — цитокинез, или деление клетки. Механическим аппаратом цитокинеза является сократимое кольцо микрофиламентов.

2.1.1. Чередующееся голобластическое дробление Яйца млекопитающих относятся к числу самых мелких в животном царстве. Диаметр зиготы человека, например, составляет 100 мкм.

Ооцит млекопитающих, высвобождаясь из яичника, попадает в яй цевод. Оплодотворение происходит в ампуле яйцевода — отделе, рас положенном вблизи яичника. В это время завершается мейоз, и при мерно через сутки начинается первое деление дробления (рис. 10).

Деление дробления у млекопитающих относится к числу самых медленных. Каждое из них продолжается от 12 до 24 часов. Осо бенностью дробления является своеобразное расположение блас томеров относительно друг друга.

Первое деление представляет со бой нормальное меридианальное деление; однако, при втором деле нии один из двух бластомеров де лится меридианально, а второй эк ваториально. Этот тип дробления был назван чередующимся (Gulyas, 1975). Третьим важным отличием дробления у млекопитающих явля ется выраженная асинхронность Рис. 10. Зародыш человека на ранних раннего дробления. Бластомеры не стадиях развития (по Гертигу делятся все одновременно, поэто му у зародышей не происходит равномерного нарастания числа блас томеров от 2 клеточной к 4 и 8 клеточным стадиям; зародыши часто содержат нечетное число клеток.

2.1.2. Компактизация Самое важное отличие дробления у млекопитающих от всех других типов дробления заключается в явлении компактизации (рис. 11).

Бластомеры млекопитающего на 8 клеточной стадии располагают ся рыхло, между ними остаются большие пространства. После третьего деления поведение бластомеров изменяется. Они внезапно сближают Рис. 11. Бластоциста:

1 — эмбриобласт; 2 — трофо Такая морула состоит из небольшого чис бласт; 3 — полость бластоцисты гочисленными наружными клетками. Большая часть наружных клеток становится клетками трофобласта (трофоэктодермы). Эта группа кле ток не образует эмбриональных структур, а превращается в хорион, уча ствующий в образовании плаценты. Ткани плаценты обеспечивают по лучение плодом кислорода и питательных веществ от матери, секрети руют гормоны, синтезируют регуляторы иммунного ответа, благодаря которым материнский организм не отторгает зародыш.

Клетки трофобласта необходимы для имплантации зародыша в стенку матки.

Зародыш формируется потомками внутренних клеток 16 клеточно го зародыша, к которым иногда добавляется клетка, отделившаяся от тро фобласта при переходе к 32 клеточной стадии. Эти клетки образуют внут реннюю клеточную массу (ВКМ), которая и дает начало зародышу. Клет ки ВКМ отличаются от клеток трофобласта и по виду, и по спектру белков, которые они синтезируют на этой ранней стадии. К стадии 64 х клеток внутренняя клеточная масса и клетки трофобласта превращаются в пол ностью сформированные клеточные слои, ни один из которых не постав ляет клеток другой группе. Таким образом, возникновение различий меж ду бластомерами трофобласта и внутренней клеточной массой является процессом дифференцировки в развитии млекопитающих.

Первоначально морула не имеет внутренней полости. Однако в про цессе кавитации клетки трофобласта секретируют в морулу жидкость, что приводит к образованию полости бластоцисты. (Внутренняя кле точная масса располагается на одной стороне полого шара, образован ного клетками трофобласта. Эта структура называется бластоцистой.) Таким образом, у млекопитающих: 1) в результате своеобразного типа дробления возникают элементы зачатка плаценты, которая будет снабжать зародыш питательными веществами; 2) во всех случаях карио кинез и цитокинез должны быть координированы, и яйцо разделено на клеточные области. В процессе дробления восстанавливается характер ное для соматических клеток ядерно плазменное отношение и важная для развития информация расщепления между разными клеточными областями.

2.2. Гаструляция: перераспределение клеток При гаструляции наблюдается сочетание нескольких основных ти пов движения:

Эпиболия. Движение эктодермальных пластов клеток.

Инвагинация. Впячивание клеточной стенки зародыша.

Инволюция. Вворачивание внутрь зародыша увеличивающегося в размерах наружного пласта клеток, который распространяется по внут ренней поверхности остающихся снаружи клеток.

Ингрессия (иммиграция, выселение). Миграция клеток по отдель ности из поверхностного слоя внутрь зародыша.

Деламинация. Расщепление единого клеточного пласта на два более или менее параллельных.

Первое разделение клеток в пределах внутренней клеточной массы заключается в формировании слоя гипобласта — первичная энтодер ма. Эти клетки, отделяясь от внутренней клеточной массы, внедряются в полость бластоцисты, где из них образуется энтодерма желточного мешка (эти клетки не участвуют в построении какой либо части орга низма новорожденного). Оставшуюся на поверхности часть внутрен ней клеточной массы (над гипобластом) называют эпибластом. Затем он расщепляется посредством мелких трещин, которые далее сливают ся, отделяя зародышевый эпибласт от других клеток эпибласта, образую щих выстилку амниона. Амнион заполняется секретом — амниотичес кой жидкостью («амортизатор», предотвращающий высыхание зароды ша) (рис. 12).

Эмбриональный эпибласт (ЭЭ) содержит все клетки, необходимые для образования самого зародыша.

На заднем крае ЭЭ образуется локальное утолщение, дающее начало первичной полоске, через которую мигрируют клетки предшественники энтодермы и мезодермы. Эти клетки покрыты гиалуроновой кислотой.

Рис. 12. Схема дробления, гаструляции и имплантации зародыша человека:

1 — дробление; 2 — морула; 3 — бластоциста; 4 — полость бластоцисты; 5 — эмбриобласт;

6 — трофобласт; 7 — зародышевый узелок: а — эпибласт; б — гипобласт; 8 — оболочка оплодотворения; 9 — амниотический (эктодермальный) пузырек; 10 — внезародышевая мезодерма; 11 — эктодерма; 12 — энтодерма; 13 — цитотрофобласт; 14 — синцитиотрофо бласт; 15 — зародышевый диск; 16 — лакуны с материнской кровью; 17 — хорион; 18 — амни отическая ножка; 19 — желточный пузырек; 20 — слизистая оболочка матки Из клеток внезародышевых тканей образуются органы, характер ные только для млекопитающих и обеспечивающие выживание пло да в матке.

Часть клеток трофобласта образует слой цитотрофобласта — нор мально делящиеся клетки, а часть — синцитиальный трофобласт. Эта ткань внедряется в слизистую матки. Матка в свою очередь посылает в эту область кровеносные сосуды.

Далее мезодермальная ткань простирается кнаружи от гастру лирующего зародыша (мигрирует через первичную полоску и вхо дит в ворсинки трофобласта). Из внезародышевой мезодермы фор мируются кровеносные сосуды, несущие питательные вещества от матери к зародышу. Узкий соединительный стебелек из внезароды шевой мезодермы соединяет зародыш с трофобластом, а потом фор мирует сосуды пупочного канатика. Полностью развитый орган, со стоящий из ткани трофобласта и внезародышевых кровеносных сосудов, называется хорионом; сливаясь со стенкой матки, хорион образует плаценту.

2.3. Нейруляция В результате гаструляции образуется зародыш, состоящий из внут реннего энтодермального, промежуточного мезодермального и наруж ного эктодермального листков. Непосредственно под дорсальным участ ком эктодермы располагается материал хордомезодермы. Взаимодей ствие этого материала с лежащей над ним эктодермой является одним из наиболее важных во всем развитии; оно побуждает эктодерму фор мировать полую нервную трубку, которая дает начало головному и спин ному мозгу.

Таким образом начинается новая фаза развития — органогенез, т. е.

образование специфических тканей и органов.

Действие, посредством которого хордомезодерма инициирует раз витие нервной трубки из эктодермы, называется первично эмбриональ ной индукцией, а клеточный ответ на индукцию, приводящий к транс формации плоского слоя эктодермальных клеток в полую нервную труб ку, называется нейруляцией.

2.3.1. Дифференцировка эктодермы зародыша в процессе ее преобразования в различные ткани Нейруляция дает начало трем наборам клеток: 1) клеткам нервной трубки, которые в процессе развития превращаются в нейроны, глию и эпиндимные клетки центральной нервной системы; 2) клеткам нерв ного гребня, образующим в дальнейшем периферическую нервную систему, пигментные клетки, мозговое вещество надпочечников, не которые хрящи головы; 3) клеткам эпидермиса кожи, участвующим позднее в формировании таких кожных структур, как волосы, потовые и сальные железы.

2.4. Раннее развитие производных мезодермы и энтодермы Энтодерма образует выстилку органов пищеварения и дыхания, а мезодерма — ткани и органы, расположенные между эктодермальной стенкой тела и энтодермальными органами.

Мезодерма. В мезодерме зародыша на стадии нейрулы можно разли чить пять областей (рис. 13). Первая из них дает начало хорде — органу, основные функции которого состоят в индукции нервной трубки и в Рис. 13. Поперечный схематический разрез туловища зародыша: кулатура, выстилка полости тела n — нервная трубка; cht — хорда;

s — склеротом; m — миотом; an — мезенхим ная закладка дорсальной дуги позвонка;

d — дерматом; cel — целом; int — первич лосатой мускулатуры. Боковые пла в формировании внезародышевых оболочек. Пятая область мезодер мы — мезенхима головы.

Энтодерма. Из энтодермы развиваются органы пищеварения и свя занные с ними железы, а также органы дыхания.

По мере того, как концы энтодермы загибаются в вентральном на правлении и перемещаются к центру зародыша, формируются передняя кишка и задняя кишка, представляющие собой части будущей пищева рительной трубки (рис. 14). На месте будущего ротового отверстия образуется эктодермальное углубление — стомодеум, которое потом приходит в контакт со стенкой передней кишки. Область их объедине ния называется ротовой пластинкой. Эта пластинка позднее (у эмбри она человека в возрасте около 22 суток) разрывается, а стомодеум пре вращается в ротовую полость.

Эктодермальный эпителий крыши ротовой полости образует выс туп (карман Ратке), который растет навстречу выросту дна зачатка про межуточного мозга — воронки. Эти два эктодермальных зачатка взаи модействуют друг с другом и вместе образуют гипофиз.

Из кармана Ратке развивается железистая часть гипофиза, а из во ронки — его нервная часть. Таким образом, гипофиз имеет двойное про исхождение, и эта двойственная природа отражается на его функции во взрослом организме.

А, Б, В, Г — этапы развития; 1 — эктодерма; 2 — энтодерма; 3 — нервная пластинка;

4 — хордальная пластинка; 5 — карманообразное выпячивание стенки первичной киш ки (зачаток мезодермы); 6 — дно первичной кишки; 7 — нервный желобок; 8 — нервная трубка; 9 — хорда; 10 — мезодерма; 11 — кишечная трубка Энтодермальная часть пищеварительной трубки начинается в глот ке. Здесь у зародыша млекопитающих образуются четыре пары глоточ ных карманов. Борозды между этими карманами иногда называют жа берными щелями, потому что они напоминают такие же структуры у зародышей рыб.

Первая пара глоточных карманов преобразуется в слуховые полости среднего уха и связанные с ним евстахиевы трубы. Из второй пары кар манов развиваются стенки миндалин. Тимус образуется из третьей пары глоточных карманов. На более поздних стадиях развития эта железа будет обеспечивать дифференцировку лимфоцитов. Из этой же пары глоточных карманов происходит одна пара паращитовидных желез, а вторая их пара возникает из четвертой пары глоточных карманов.

В дополнение к этим парным карманам между глоточными карма нами второй пары на дне глотки формируется маленький центрально расположенный вырост. Этот энтодермально мезенхимный вырост от почковывается от глотки и мигрирует в область шеи, где дифференци руется в щитовидную железу. Здесь же от стенки глотки отшнуровыва ется зачаток дыхательной трубки — ларинготрахеальная борозда.

2.5. Формирование внезародышевых оболочек Внезародышевые оболочки служат посредником между зародышем и средой обитания. И хотя у млекопитающих вместо скорлупы яиц сфор мировалась плацента, у них сохранились те же самые внезародышевые оболочки.

Внезародышевые оболочки образуются посредством разрастания эктодермального и энтодермального эпителиев, подостланных мезо дермой.

При комбинации эктодермы и мезодермы (соматоплевра) форми руются амнион и хорион; комбинация энтодермы и мезодермы (спланх ноплевра) дает начало желточному мешку и аллантоису.

Клетки эктодермальной и энтодермальной ткани действуют как функционирующие эпителиальные клетки, а мезодерма дает обширную сеть кровеносных сосудов, несущих кровь от зародыша к эпителию и от эпителия к зародышу (рис. 15).

Водную среду для зародыша обеспечивает амнион. Клетки амнио на секретируют амниотическую жидкость, и таким образом эмбриоге Рис. 15. Зародыш человека 9 1/2 недель:

1 — амнион; 2 — хорион; 3 — желточный пептидный гормон, способный по мешок; 4 — пуповина; 5 — формирующа буждать клетки плаценты и яични ка к синтезу прогестерона, а также хорионический соматомаммотропин, стимулирующий развитие молочных желез у матери, способствует вы работке молока); 3) защитная функция (он защищает плод от иммун ного ответа матери путем продуцирования веществ, блокирующих им мунную реакцию матери [клеточные мембраны синцитиального тро фобласта содержат эти вещества]).

Аллантоис накапливает конечные продукты азотистого обмена и участвует в обмене газов. Размеры аллантоиса у млекопитающих за висят от того, насколько хорошо справляется хорионическая плацента с удалением конечных продуктов азотистого обмена из зародыша. У че ловека аллантоис представляет собой рудиментарный мешок.

Глава 3. ФИЗИОЛОГИЯ ТКАНЕЙ В процессе эволюционного развития возникли разнообразные фор мы живых организмов. Это привело к взаимодействию организма с окру жающей средой и адаптации к различным условиям существования, в результате чего возникли клетки с различными функциями. Прогрес сивные изменения в структуре и функциях клетки, в результате кото рых возникают морфологические и химические различия между пер воначально однородными клетками, называют дифференцировкой.

Различают четыре основных фазы дифференцировки.

Оотипическая, связанная с презумптивными участками цитоплаз мы яйцеклетки или зиготы.

Бластомерная, когда материал будущих тканевых зачатков представ лен различными бластомерами в составе дробящегося зародыша.

Зачатковая, связанная с появлением в первоначально однородном клеточном материале зародышевых листков обособленных участков, ха рактеризующихся своеобразной структурой: из эктодермы — зачаток нер вной системы в виде трубки; из мезодермы — расчлененные на отдельные участки спинные сегменты, каждый из которых в дальнейшем делится на склеротом, дерматом, миотом, нефротом и спланхиотом. В этот же период из мезодермы (отдельных ее участков) развивается мезенхима.

Тканевая — превращение тканевых зачатков в ткань. Это фаза, в течение которой клетки и неклеточные образования каждого зачатка, специализируясь в разных направлениях, приобретают характерные для каждой ткани специфическую структуру и соответствующие физиоло гические и химические свойства.

Таким образом, ткань — это исторически (филогенетически) сложив шаяся система клеток и неклеточных структур, обладающая общностью строения, развития, и специализированная на выполнение определен ных функций.

Различные ткани объединяются в органы; органы — в системы органов.

В соответствии с основными функциями, особенностями строения и развития различают четыре типа тканей: эпителиальную, соединитель ную, мышечную и нервную.

3.1. Эпителиальная ткань Эпителиальная ткань, характеризуется тесным объединением кле ток в пласты и отсутствием межклеточного вещества, выполняет за щитную роль, функции всасывания, секреции и экскреции, через ее посредство совершается обмен веществ между организмом и внешней средой.

Эпителий покрывает всю наружную поверхность тела, поверхность пищеварительного тракта, дыхательных и мочеполовых путей, все се розные оболочки полостей тела. Из эпителия построены почки, почти все железы организма.

Эпителиальная ткань развивается из всех трех зародышевых лист ков. Из эктодермы образуется эпителий кожи, ротовой полости, самых нижних отделов мочеполового тракта, роговицы глаза. Из энтодермы развивается эпителий внутренней поверхности пищеварительного трак та, печень и поджелудочная железа. Из мезодермы возникает эндоте лий кровеносных сосудов, весь эпителий серозных оболочек тела и эпи телий мочеполовых путей.

Классификация эпителия по характеру строения зависит от числа клеточных слоев и формы клеток. Однако все виды эпителия имеют об щие черты, характеризующие этот вид ткани:

1. Эпителий представляет собой пласт клеток, в котором отсутству ют кровеносные сосуды.

2. Располагается на границе внешней и внутренней сред организма.

3. Эпителиальные клетки лежат на базальной мембране, состоящей из коллагеновых волокон, которые секретируются нижележащими тканями.

4. Питание клеток осуществляется путем диффузии веществ через базальную мембрану из нижележащей рыхлой соединительной ткани.

5. Эпителий обладает высокой способностью к регенерации.

Виды эпителия представлены на схеме 1.

Покровный эпителий 3.1.1. Покровный эпителий Подразделение эпителия на однослойный и многослойный основано на отношении его клеток к базальной мембране, у однослойного эпителия все клетки связаны с базальной мембраной, у многослойного — только нижний слой, а все остальные слои непосредственной связи не имеют.

Однослойный эпителий. Плоский эпителий — мезотелий, представ ляет собой тонкие, уплощенные клетки, содержащие небольшое коли чество цитоплазмы, одно или два ядра.

Края клеток неровные, так что поверхность напоминает мозаику.

Между клетками имеются протоплазматические связи, благодаря ко торым эти клетки плотно соединяются друг с другом (рис. 16).

Мезотелий выстилает поверхность околосердечной сумки, поверх ности листков плевры, брюшины, выполняя разграничительную Рис. 17. Кубический эпителий ляется наименее специализированным среди различных видов эпители альной ткани. Клетки имеют пяти или шестиугольные очертания. Ку бический эпителий выстилает канальцы почек, выводные протоки же лез: печени, поджелудочной железы, мелкие бронхи. Содержится во мно гих железах (слюнных, слизистых, потовых, щитовидной), где он выпол няет секреторную функцию. В почечных канальцах выполняет также вса сывательную функцию. Развивается из трех зародышевых листков.

Цилиндрический эпителий (призматический) состоит из цилиндрических клеток, высота кото рых больше их ширины и имеющих ядро, распо ложенное у основания (рис. 18). Нередко на сво бодной поверхности этих клеток имеются микро ворсинки, увеличивающие всасывающую и сек реторную поверхности (однослойный цилиндри ческий каемчатый эпителий). В цилиндрическом эпителии желудка, тонкого и толстого кишечни Рис. 18. Цилиндрический ка встречаются бокаловидные клетки, выделяю щие слизь, предохраняющую желудок и кишеч ник от механических и химических повреждений.

Кроме того, этот вид эпителия выстилает внутреннюю поверхность желчного пузыря, выводные протоки печени и поджелудочной железы, стенки канальцев почек.

Развивается из энтодермы и мезодермы.

Мерцательный эпителий (ресничный) представлен клетками цилин дрической формы, имеющими на свободных поверхностях многочис ленные реснички и ассоциирующимися с бокаловидными клетками, секретирующими слизь (рис. 19). Он выстилает яйцеводы, где способ ствует движению половых клеток, желудочки головного мозга, спин номозговой канал и дыхательные пути.

секретирующая Рис. 19. Однослойный мерцательный эпителий, выстилающий яйцеводы Многорядный эпителий (псевдомногослойный). Клетки этого вида эпи телия лежат на базальной мембране, но имеют различную форму и вы соту, вследствие чего их ядра находятся на разном уровне, образуя не сколько рядов (рис. 20). На клетках эпителия имеются ворсинки, и по этому он имеет еще одно название — многорядный мерцательный. Вы стилает мочевые пути (псевдомногослойный цилиндрический), дыха тельные пути (псевдомногослойный цилиндрический мерцательный), входит в состав слизистой обонятельных полостей. Из энтодермы раз вивается эпителий воздухоносных путей, из мезодермы — эпителий выносящих канальцев придатка яичка.

Многослойный эпителий. Многослойный плоский эпителий. Этот вид эпителия очень распространен в организме и покрывает поверхность кожи, выстилает полость рта, пищевода, роговицу глаз, органы выделительной системы: почечные лоханки, мочеточники, мочевой пузырь, мочеиспус кательный канал.

Развивается из всех трех зародышевых листков.

Многослойный плоский эпителий представляет собой толстый эпи телиальный пласт (до 2 мм), состоящий из многих слоев клеток, из ко торых только самый глубокий слой непосредственно связан с базаль ной мембраной. Многослойная структура эпителия соответствует его защитной функции, которую он выполняет в организме.

Клетки многослойного эпителия образуются путем митотического деления стволовых клеток, располагающихся в базальном слое, лежа щем на базальной мембране.

Клетки, возникшие первыми, имеют кубическую форму, но по мере продвижения кнаружи, к свободной поверхности ткани, они уплоща ются. Такие клетки называются чешуйками, которые могут оставаться неороговевшими (пищевод) или ороговевают, превращаясь в неживой роговой слой кератина, который слущивается (кожа).

Существует три вида многослойного эпителия: неороговевающий, ороговевающий и переходный.

Многослойный неороговевающий выстилает поверхность роговицы глаза, полость рта и пищевода.