Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
 Скачать 14.51 Mb.
|
|
=> дві дочірні клітини Цей потік інформації забезпечує відтворення і тривале існування популяцій клітин. Таким чином, життя клітин підтримується зав- дяки постійним потокам речовин, енергії й інформації. 1 . 2 . 1 . 5 Спеціалізація та інте- грація клітин багатоклі- тинних організмів 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя Рис. 1.18 Основні типи клітин людини: а клітини жирової тканини; б клітини хрящової тканини; в клітини кісткової тканини; г клітини крові (лей- коцити і еритроцити); д волокна (симпласти) м'язової тканини; є клітини нервової тканини; ж циліндричний епітелій; к війчастий епітелій. 43 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини цесів заміщення ушкоджених клітин здоровими клітинами у дорослому організмі інтенсивно роз- вивалося за останні 20 років минулого сторіччя. В основі цього необхідного напрямку є дослідження стовбурових клітин. Стовбуровими клітинами (СК) вважають неди ференційовані клітини, здатні до самовідновлення та продукування хоча б одного типу високодиферен ційованих нащадків. Розрізняють два типи СК плюрипотентні емб- ріональні стовбурові клітини (ЕСК), які одержують із бластоцисти, і дорослі стовбурові клітини об- межені ними (мультипотентні та уніпотентні), які виявлені в різних тканинах. Ці групи СК відрізня- ються одна від одної і від їх нащадків за багатьма морфологічними ознаками, локалізацією, рецепторами поверхні, факторами транскрипції. Всі СК, незалежно від їх походження, мають спільні властивості: здатні до поділу та самовіднов- лення впродовж тривалого часу, вони не спеціалізо- вані, можуть давати початок спеціалізованим типам клітин. На відміну від нервових клітин, які зазвичай не розмножуються, СК можуть відновлюватися бага- то разів. Процес багаторазового відновлення клітин називають проліферацією. Початкова популяція СК, що проліферують упродовж багатьох місяців у лабораторії, може утворити мільйони клітин. Якщо кінцеві клітини продовжують бути неспеціалізова ними, подібно до батьківських СК, то вони вважа- ються здатними до тривалого самовідновлення. Одна з основних властивостей СК те, що вони не мають жодних тканинноспецифічних структур, які дозволили б їм виконувати спеціалізовані функції. СК не може, як клітина серцевого м'яза, взаємо- діяти з іншими клітинами, щоб постачати кров до судин; вона не може переносити молекули кисню, як еритроцити; і вона не проводить електрохімічні сигнали до інших клітин (подібно до нервових клітин). Вчені шукають фактори, які дозволяють СК за- лишатися недиференційованими. Потрібно було ба- гато років і помилок, щоб навчитися культивувати СК в умовах лабораторії, перешкоджати їх спонтанному диференціюванню у визначені клітини. Тільки через 20 років після створення лабораторних умов 44 для вирощування СК миші, навчилися вирощувати зародкові СК людини. Важливою ділянкою науко- вих досліджень є вивчення сигналів у тканинах та органах дорослого організму, які призводять до про- ліферації популяції СК і залишають їх недиферен- ційованими доти, доки вони не стануть потрібні для регенерації визначеної тканини. Це необхідно для того, щоб виростити велику кількість неспеціалізованих СК у лабораторіях для проведення експериментів. Процеси, під час яких неспеціалізовані СК дають початок спеціальним клітинам, називаються дифе- ренціацією. Тільки зараз починається вивчення сиг- налів, які запускають цей процес. їх поділяють на внутрішні та зовнішні. Внутрішні сигнали контролю- ються генами клітини, які несуть закодовані інструкції для всіх структур і функцій клітин. Зовнішні сигнали включають хімічні речовини з інших клітин, фізичний контакт із сусідніми клітинами, деякі молекули позак- літинного середовища. Дослідження сигналів диферен- ціювання СК необхідне, оскільки за їх допомогою вчені можуть виростити клітини або тканини, які можна ви- користати для лікування багатьох захворювань. Зрілі СК продукують клітини визначеної ткани- нив яких вони знаходяться. Наприклад, зрілі СК в кістковому мозку дають початок багатьом типам клітин крові. Донедавна вважалося, що гемопое тичні СК не можуть давати початок диференційо- ваним клітинам інших тканин, наприклад, нерво- вих. За останні роки численними експериментами показано, що СК походять із однієї тканини, ада- ють початок клітинам зовсім іншої тканини. Та- кий феномен одержав назву пластичності. Так, кровотворні клітини дають початок нейронам або клітинам серцевого м'яза, клітини печінки транс- формуються в клітини, що продукують інсулін. Активно вивчається можливість використання зрілих СК у клінічній практиці. Існує велика різноманітність напрямків, у яких СК людини можуть використовуватися в експерименталь- ному та клінічному дослідженнях. Але є багато тех- нічних перешкод між потенціалом стовбурових клітин і реалізацією його використання, які будуть подолані тільки тривалим, інтенсивним вивченням. Вивчення СК людських зародків може дати інформацію про складні процеси, що відбуваються впродовж розвитку людини. Мета цієї роботи поля- гає в тому, щоб з'ясувати, як недиференційовані 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя стовбурові клітини стають диференційованими. Пере- творення генів на активні і неактивні є важливим у цьому процесі. Деякі з найбільш серйозних медич- них станів, таких, як рак і вади розвитку, є наслідком патологічного поділу і диференціювання клітин. Ро- зуміння генетичних і молекулярних регуляторів цих процесів може дати інформацію про те, як виника- ють такі захворювання, і запропонувати нові стра- тегії для терапії. Суттєвою перешкодою викорис- тання СК є те, що не до кінця з'ясовано сигнали, які сприяють переходу визначених генів у активний і неактивний стана також ті, що впливають на ди- ференціювання стовбурових клітин. СК людини також можуть використовуватися для перевірки нових лікарських препаратів. Наприклад, нові медикаментозні препарати могли б бути пе- ревірені на безпечність за допомогою диференційо- ваних клітин, що одержані від людських плюрипо тентних ліній клітин. Інші види ліній клітин уже за- стосовуються в клініці. Ракова клітина формує, на- приклад, звикання до лікарських антипухлинних пре- паратів. Але наявність плюрипотентних СК дозволило б здійснити перевірку препаратів у більш широкому діапазоні типів клітин. Для ефективної пере- вірки препаратів необхідно створити ідентичні умо- ви при порівнянні різних ліків. Зважаючи на це, вчені повинні будуть точно вміти керувати диференцію- ванням СК у визначений тип клітин, на яких будуть перевірені ліки. Знання сигналів, що контролюють диференціювання, недостатньо для того, щоб зумі- ти точно їх зімітувати з метою отримання послідов- ного ідентичного диференціювання клітин для кожного лікарського засобу, що перевіряється. Можливо, найбільш важливим потенціальним застосуванням людських СК є відновлення клітин та тканин, які могли б використовуватися для те- рапії, що базується на клітинах. На сьогодні до- норські органи і тканини часто використовуються, щоб змінити хвору або зруйновану тканину, але потреба у тканинах та органах для трансплантації перевищує їх доступне постачання. СК, що спря- мовані на диференціювання у визначені типи клітин, дозволяють відновлювати джерела заміни клітин і тканин з метою лікування захворювань, зокрема хвороб Паркінсона та Альцгеймера, ушкодження спинного мозку, синців, опіків, захворювання серця, діабету, остеоартриту та ревматоїдного артриту. Наприклад, можливе створення здорових клітин сер- цевого м'яза в лабораторії з наступною транспланта- цією їх пацієнтам із хронічною серцевою недостатні- стю. Попередні дослідження на мишах та інших твари- нах вказують нате, що СК кісткового мозку, які були трансплантовані в ушкоджене серце, можуть створю- вати клітини серцевого м'яза і успішно повторно засе- ляти серцеву тканину. Інші недавні дослідження в системах клітинних культур вказують на можливе спря- мування диференційованих зародкових СК або зрілих клітин кісткового мозку до клітин серцевого м'яза. У людей, хворих на діабет першого типу, клітини підшлункової залози, які зазвичай продукують інсулін, зруйновані власною імунною системою паці- єнта. Нові дослідження вказують, що можна спря- мовувати диференціювання людських зародкових СК в клітинній структурі з метою формування інсулін продукуючих клітин, які могли б використовуватися у трансплантаційній терапії хворих на діабет. Для реалізації багатообіцяючих нових методів лікування, що базуються на клітинах, з метою ліку- вання розповсюджених та виснажуючих захворю- вань, фахівці повинні володіти здатністю легко і продуктивно керувати стовбуровими клітинами так, щоб вони мали необхідні характеристики для успіш- ного диференціювання, трансплантації і приживлен- ня. Надалі потрібні послідовні етапи успішного ви- користання, що базуються на клітинах, щоб конт- ролювати запровадження такого лікування у клініці. Для трансплантації стовбурові клітини повинні мати такі властивості: • екстенсивно проліферувати і продукувати до- статню кількість тканин; • диференціюватися у бажані типи клітин; • зберігати життєздатність після трансплантації; об' єднуватися з оточуючими тканинами після трансплантації; • функціонувати для продовження життя реци- пієнта; • незавдаватишкодиреципієнтубудь якимчином. Крім того, щоб уникнути проблеми імунного відторгнення, експериментують з різними страте- гіями створення тканин. Таким чином, лікування стовбуровими клітина- ми перспективне. їх застосування обмежене тех- нічними причинами та дорожнечею, але накопичені результати дають можливість вважати, що ці об- меження будуть подолані. 45 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Питання для самоконтролю та обговорення 1. Біохімічна гіпотеза виникнення життя на Землі належить: а) В. І. Вернадському; б) О. І. Опаріну; в) Л. С. Бергу; г) С Арреніусу; д) О.Ю.Шмідту. 1. Які механізми були вирішальними в появі перших прокаріотів? 2. В чому полягає суть симбіотичної теорії? 3. Яке значення виникнення мітозу та мейозу в ево- люції клітин? 4. Яке значення робіт М. Шлейдена в обґрунтуванні клітинної теорії? 5. Які основні положення клітинної теорії Т. Шванна? 6. Роль Р. Вірхова в розвитку клітинної теорії. 7. Значення "Целюлярної патології" Р. Вірхова для те- оретичної і практичної медицини. 8. Які основні положення клітинної теорії на сучас- ному етапі біології? 9. У чому полягає значення клітинної теорії у фор- муванні клінічного мислення лікаря? 10. Які організми відносяться до прокаріотів? 11. Перелічіть основні риси будови прокаріотів. 12. Вкажіть основні відмінності між прокаріотами і еукаріотами, використовуючи табл. 1.1. 13. Які функціональні властивості клітини характери- зують її як відкриту систему 14. Дайте характеристику потоку речовин у клітині. 15. Поясніть суть явищ потоку енергії: середовище —> організм; організм —> середовище. 16. В чому полягає суть обміну інформації в системі "середовище організм"? 17. Дайте визначення процесам спеціалізації та інтег- рації клітин в організмі. 18. Які клітини вважають стовбуровими? 19. Чим відрізняються ембріональні і зрілі стовбурові клітини? 20. Для чого використовуються стовбурові клітини в експериментальній і клінічній медицині? 2. У ході еволюції життя первинно виникло у водах світо- вого океану у зв'язку з тим, що: а) майже вся поверхня Землі була вкрита водою б) вода забезпечила можливість репродукції жи- вих форм в) шари води затримували ультрафіолетове вип- ромінювання Сонця; г) водне середовище сприяло фотосинтезу д) воді властива висока температура кипіння. 3. Першими на Землі з'явились живі істоти: а) аеробні гетеротрофи; б) анаеробні гетеротрофи; в) автотрофи; г) організми паразити; д) міксотрофи. 4. Основи клітинної теорії були закладені у праці: а) Р. Гука б) А. Левенгука; в) Р. Вірхова; г) Т. Шванна; д) Р. Броуна. 5. Яке твердження є одним із положень клітинної теорії: а) форма ядра подібна до форми клітини; б) кілька різних триплетів кодують одну аміно- кислоту; в) на клітинному рівні повністю проявляються всі основні риси життя; г) кожна клітина утворюється виключно внаслідок розмноження материнської шляхом поділу; д) кожному типові клітин властиве постійне ядерно цитоплазматичне співвідношення. 6. Яке з зазначених положень, що доповнило клітинну теорію, належить Р. Вірхову? а) ядро обов 'язкова структура клітини; 46 Контрольно навчальні завдання 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя б) кожна клітина обмежена оболонкою; в) кожна клітина з клітини; г) цитоплазма головна структура клітини; д) оболонка клітини є її основною структурою. 7. Клітини всіх живих організмів подібні за будовою та хімічним складом, що свідчить про а) здатність живих істот утворювати собі подібних; б) єдине походження всього живого в) походження живого від неживої природи; г) подібність процесів обміну речовин; д) здатність усіх клітин до фотосинтезу. 8. Які з зазначених організмів належать до клітинних доядерних? а) бактерії; б) фаги в) синьозелені водорості; г) віруси; д) мікоплазми. 9. Під світловим мікроскопом у клітин синьозеленої во- дорості не було виявлено структурно оформленого ядра. До якого типу організації клітин їх можна віднести? а) еукаріоти; б) віруси; в) бактерії; г) прокаріоти; д) бактеріофаги. Ю. При вивченні електронної мікрофотографії клітини видно мембрани і вільні рибосоми. Ніяких інших внут- рішніх структуру ній немає. До яких клітинних форм їх можна віднести: а) найпростіші; б) клітини сполучної тканини; в) еритроцити; г) еукаріоти; д) прокаріоти. 11. Які з наведених організмів належать до еукаріотів: а) актиноміцети; б) хламідії; в) бактерії; г) гриби; д) лишайники. 12. Для тварин, на відміну від рослин, характерними є процеси: а) дихання; б) росту в) обміну речовин; г) живлення готовими органічними речовинами; д) розмноження. 13. На одному мікропрепараті розміщено кілька різних клітин. При вивченні під мікроскопом у них виявили певні структурні особливості. За якою з особливостей клітину можна віднести до тваринних клітин? а) є жорстка целюлозна оболонка; б) відсутні центросоми; в) є багато мітохондрій; г) є пластиди; д) присутня одна велика вакуоля. 14. Життєдіяльність клітини вимагає енергії. Обмін енер- гією забезпечується різними процесами. Який з них є ос- новним для тварин? а) хемосинтез б) транскрипція; в) фотосинтез г) асиміляція; д) дихання. 15. До типів тканин тварин не належить: а) твірна; б) м'язова; в) нервова; г) сполучна; д) епітеліальна. 16. Недиференційованими, здатними до трансформації у визначені типи клітин є а) остеоцити; б) хондроцити; в) міоцити; г) епітеліоцити; д) стовбурові клітини. 17. Стовбурові клітини мають властивість відновлювати- ся багато разів. Як називається цей процес? а) диференціація; б) трансляція; в) проліферація; г) дисиміляція; д) дозрівання. 47 Сучасні досягнення цитології значно допов- нили знання про клітину та клітинну теорію. Зокрема встановлено: 1) усі клітини дуже маленькі об'єкти розміром О, И 0 0 мкм 2) ма- ють єдиний принцип структурної організації: а) генетичний матеріал; б) цитоплазму, наси- чену ферментами в) цитоплазматичну мембрану, що оточує клітину; 3) клітини еукаріотів мають принципово однаковий молекулярний склад (Н 0, аніони і катіони, білки, нуклеїнові кислоти, жири, вуглеводи); 4) усі клітини розді- лені мембранами на компартменти; 5) спеці- алізація й активність клітини залежить від спе- цифіки структурної організації (специфіки упо- рядкованості макромолекул 6) кожна клітина організму поліпотентна, тобто містить усю генетичну інформацію, необхідну для відтво- рення цілого організму (властивість, що лежить в основі /тонування); 7) усім клітинам власти- вий принципово однаковий молекулярний ме- ханізм запису і реалізації спадкової інформації; 8) кожній клітині, щоб вижити, необхідно: а) одержувати енергію з навколишнього простору і трансформувати в необхідну їй форму б) вибірково пропускати і виводити речовини; в) зберігати і використовувати генетичну інфор- мацію; г) постійно підтримувати хімічні реакції, необхідні для гомеостазу д) розпізнавати сиг- нали внутрішнього та зовнішнього середовища і реагувати на них. За фізико хімічними властивостями еукаріо тична клітина це складна гідрофільна колоїд- на система, основу якої складають різні мак ромолекулярні сполуки. За цих обставин цитоплазма клітини є гетерогенною і може зміню- вати фізичні властивості залежно від умов пе- реходити із золю в гель і навпаки. Структурно хімічна і функціональна організація еукаріотичних клітин 1 . 2 . 2 . 1 . Методи вивчення структури та функціону- вання клітин. 1.2.2.2. Макро та мікроелементи, значення води та водневих зв'язків у процесах життєдіяльності клітин. 1.2.2.3. Органічні сполуки вуглецевмісні речови- ни живих організмів. 1.2.2.4. Клітинні мембрани, принцип компартмен тації. 1.2.2.5. Рецептори клітин. 1.2.2.6. Цитоплазма і цитоскелет. Циклоз. 1.2.2.7. Органели цитоплазми мембранні та не мембранні, призначення і принципи функціонування. 1.2.2.8. Організація потоків речовин і енергії у кліти- ні. Енергетичне забезпечення клітини, АТФ, окис нювальне фосфорилування, розподіл енергії. 1.2.2.9. Ядро центральний інформаційний апарат клітини. Структура інтерфазного ядра. 1.2.2.10. Хроматин структурна організація, еухро- матин та гетерохроматин. Статевий хроматин. 1 . 2 . 2 . 1 1 . Хромосомний рівень організації спадко- вого матеріалу. Аутосоми та гетерохромосоми. 1.2.2.12. Морфофункціональна характеристика та класифікація хромосом людини. Каріотип людини. 1.2.2.13. Хромосомний аналіз. 1.2.2.14. Ядерце як похідне хромосом, його роль в утворенні рибосом. 48 1.2.2 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя Передумовою відкриття клітини був винахід мікроскопа й використання його для дослідження біологічних об'єктів. У 1665 р. англійський фізик Р. Гук (1635 1703), розглядаючи під мікроскопом зріз корка, виявив, що він складається з комірок, які нагадують бджолині стільники і назвав їх клітина- ми (від лат cellula комірка, клітина). Таку ж будову Р. Гук відзначив у серцевині бузини, очерету та де- яких інших рослин. У другій половині XVII ст. з'я- вилися роботи італійського вченого М. Мальпігі (1628 1694) та англійського вченого М. Грю (1641 1712), які підтвердили клітинну будову ба- гатьох рослинних об'єктів. Голландський вчений А. Левенгук (1632 1723) вперше виявив у воді од- ноклітинні організми (рис. 1.19). Увагу мікроскопістів привертала насамперед клітинна оболонка. Лише у другому десятиріччі XIX ст. дослідники звернули увагу на напіврідкий, драглистий вміст, що заповнює клітину. Чеський вче- ний Я. Пуркіньє (1787 1869) назвав цю речовину протоплазмою (від грец. πρώτος первісний, πλάσμα утворення). Однак продовжувало існувати переко |