Проявление гомеостаза на разных уровнях организации биологических систем
 Скачать 310.23 Kb.
|
|
2.1 Гомеостаз кровеносной системы Одним из важнейших физико-химических параметров внутренней среды организма является кислотно-щелочное равновесие. Соотношение водородных и гидроксильных ионов во внутренней среде зависит от содержания в жидкостях организма (в крови, плазме, тканевой жидкости) кислот - донаторов протонов и буферных оснований - акцепторов протонов. Обычно активную реакцию среды оценивают по иону Н+. Величина рН (концентрация водородных ионов в крови) является одним из самых стабильных физиологических показателей и колеблется у человека в узких пределах - от 7,32 до 7,45. Сдвиг рН на 0,1 за эти пределы приводит к значительным нарушениям деятельности сердца, а более существенное отклонение (0,3) может быть опасным для жизни. От соотношения водородных и гидроксильных ионов в значительной мере зависит активность ряда ферментов, проницаемость мембран, процессы синтеза белка и т. д. В организме имеются различные механизмы, обеспечивающие поддержание кислотно-щелочного равновесия. Во-первых, это буферные системы крови и тканей (карбонатный, фосфатные буферы, тканевые белки). Буферными свойствами обладает и гемоглобин, он связывает углекислоту и противодействует ее накоплению в крови. Сохранению нормальной концентрации водородных ионов способствует и деятельность почек, поскольку значительное количество метаболитов, имеющих кислую реакцию, выводится с мочой. 12 Представим ситуацию, при которой перечисленные механизмы оказываются недостаточными (например, при усиленной физической работе). Концентрация углекислоты в крови увеличивается, происходит некоторый сдвиг рН в кислую сторону. Сигналы об этом поступают в продолговатый мозг, где находится дыхательный центр, а оттуда по центробежным нервам передаются импульсы к межреберным мышцам, дыхание углубляется и учащается, усиливается легочная вентиляция, что приводит к понижению содержания углекислоты и нормализации концентрации водородных ионов. На этом примере отчетливо проявляется общий принцип гомеостатических реакций: отклонение от исходного уровня - сигнал - включение регуляторных механизмов по принципу обратной связи - коррекция изменения (нормализация). 2.2 Гомеостаз эндокринной системы Эндокринная система играет важную регуляторную роль в организме. Гормоны, выделяемые железами внутренней секреции, оказывают влияние на различные стороны обменных процессов, обеспечивающих гомеостаз. Активность этих желез определяется внутренними и внешними факторами. При изменении условий среды (температура, свет, физическая нагрузка и др.) их активность может изменяться в соответствии с потребностями организма. Для сохранения гомеостаза необходимо уравновешивание функциональной активности железы с концентрацией гормона, находящегося в циркулирующей крови. В случае возрастания концентрации гормона выше нормы для данного организма деятельность железы, в которой он образуется, ослабляется. Если же уровень гормона ниже, чем необходимо организму в данных условиях, активность железы усиливается. Такое влияние может осуществляться путем непосредственного действия гормона на продуцирующую его железу. У ряда желез регуляция устанавливается не прямо, а через гипоталамус и переднюю долю гипофиза. Так, при повышении в крови уровня тиреоидного гормона угнетается тиреотропная (возбуждающая щитовидную железу) функция 13 гипофиза и уменьшается активность щитовидной железы. Бывают случаи, когда в организме усиливается активность щитовидной железы (гиперфункция), повышается основной обмен, усиливаются окислительные процессы, но отрицательная обратная связь не возникает, гипофиз перестает реагировать на избыток гормона щитовидной железы и не тормозит ее активность. В результате развивается отклонение от нормы - тиреотоксикоз. При уменьшении продукции тиреоидных гормонов уровень их в крови становится ниже потребностей организма, возбуждается деятельность гипофиза, усиливается продукция тиреотропного гормона и выделение тиреоидного гормона возрастает. По такому же принципу осуществляется регуляция коры надпочечников гипофизарным адренокортикотропным гормоном, половых желез - гонадотропными гормонами гипофиза. Взаимоотношения гипофиза и зависимых от него желез основаны на принципе отрицательной обратной связи, восстанавливающей гомеостаз. В свою очередь, гипофиз находится под контролем гипоталамической области, где выделяются особые активирующие гипофиз факторы. Высшим центром регуляции эндокринных функций является подбугорная область (гипоталамус), которая располагается в основании мозга. Именно здесь происходит интеграция нервных и эндокринных элементов в общую нейроэндокринную систему. В этом небольшом участке мозга насчитывается около 40 ядер - скоплений нервных клеток. С одной стороны, гипоталамус - высший центр вегетативной нервной системы, контролирующей вегетативные функции по типу нервной регуляции: здесь находятся центры поддержания температуры тела, голода, жажды, водно-солевого обмена и половой активности. Вместе с тем, есть особые клетки в некоторых ядрах гипоталамуса, которые, имея характерные особенности нейронов, обладают и железистыми функциями, продуцируя нейрогормоны. Нейрогормоны, попадая с кровью в переднюю долю гипофиза, регулируют выделение тропных гормонов гипофиза. Особенно большую активность проявляет область гипоталамуса при стресс-реакции, когда мобилизуются все силы для отражения нападения, бегства или другого выхода из трудно преодолимой ситуации. Подбугровая область образует с гипофизом единый структурный и функциональный комплекс. При экспериментальном разъединении этой связи путем перерезки гипофизарной ножки 14 у животных почти полностью прекращается продукция гипофизом тройных гормонов. В результате развиваются тяжелые расстройства эндокринной системы. Особенность нервной регуляции состоит в быстроте наступления ответной реакции, причем эффект ее проявляется непосредственно в том месте, куда поступает по соответствующей иннервации этот сигнал; реакция кратковременна. В эндокринной системе регуляторные влияния связаны с действием гормонов, разносимых с кровью по всему организму; эффект действия длительный и не имеет локального характера. Например, гормоны щитовидной железы стимулируют окислительные процессы во всех тканях. Объединение в гипоталамусе нервных и эндокринных механизмов регуляции позволяет осуществлять сложные гомеостатические реакции, связанные с регуляцией висцеральных функций организма. Понятно, что управление такими функциями должно обеспечиваться гормонами, обеспечивающими длительное и распространенное воздействие. Отдельные группы нейросекреторных клеток продуцируют гормоны, не регулирующие активность других желез, а непосредственно влияющие на определенные органы. Например, антидиуретический гормон стимулирует процесс обратного всасывания воды в почечных канальцах, что приводит к образованию вторичной мочи. При недостатке питьевой воды секреция этого гормона увеличивается, способствуя задержке воды в организме. При длительной жажде этого оказывается недостаточным. Концентрация воды в клетках и осмотическое давление изменяются. Включаются нервные механизмы регуляции: через хеморецепторы в центральную нервную систему поступают импульсы о начинающемся нарушении водно-солевого гомеостаза. На основании этого возникает очаг возбуждения в коре головного мозга (мотивационное возбуждение), и действия животного начинают направляться на устранение отрицательной эмоции, возникает поведенческая реакция, при этом активизируются слуховые, обонятельные, зрительные рецепторы в комплексе с двигательными центрами, направляющими движения животного. Некоторые периферические эндокринные железы не испытывают прямой зависимости от гипофиза, и после его удаления их активность практически не изменяется. Это панкреатические островки, продуцирующие инсулин и глюкагон, 15 мозговая часть надпочечников, эпифиз, вилочковая железа (тимус), околощитовидные железы. Особое положение в эндокринной системе занимает зобная железа (тимус). В ней вырабатываются гормоноподобные вещества, которые стимулируют образование особой группы лимфоцитов, и устанавливается взаимосвязь между иммунными и эндокринными механизмами. 3.Иммунитет Иммунитет - способ защиты организма от живых тел и веществ, несущих на себе признаки генетически чужеродной информации. Свойство иммунной защиты возникло как функция живой системы, обеспечивающей сохранение биологической индивидуальности, сохранение гомеостаза. 3.1Образование макрофагов и лимфоцитов В анатомическом отношении иммунная система кажется разобщенной. Ее органы и клетки рассеяны по всему телу, хотя на самом деле все они связаны в единую систему кровеносными и лимфатическими сосудами. Органы иммунной системы принято делить на центральные и периферические. К центральным органам относят костный мозг и тимус, к периферическим органам - лимфоузлы, селезенку, лимфоидные скопления , расположенные вдоль кишечника, легких и т.д. Костный мозг содержит стволовые (или зародышевые) клетки - родоначальницы всех кроветворных клеток (эритроцитов, тромбоцитов, лейкоцитов, макрофагов и лимфоцитов). Макрофаги и лимфоциты - основные клетки иммунной системы. Обобщенно и кратко их принято называть иммуноцитами. Первые стадии развития иммуноциты проходят в костном мозге. Это их колыбель. Макрофаги, они же фагоциты, - пожиратели инородных тел и самые древние клетки иммунной системы. Пройдя несколько стадий развития, они 16 покидают костный мозг в виде моноцитов (округлых клеток) и определенное время циркулируют в крови. Из кровяного русла они проникают во все органы и ткани, где меняют свою круглую форму на отороченную. В таком виде они становятся более подвижными и способными прилипать к любым потенциальным “чужеродцам”. Лимфоциты сегодня считаются главными фигурами в иммунологическом надзоре. Это система клеток с различным функциональным предназначением. Уже в костном мозге предшественники лимфоцитов разделяются на две крупные ветви. Одна из них -у млекопитающих - завершает свое развитие в костном мозге, а у птиц в специализированном лимфоидном органе - бурсе (сумке) . Отсюда эти лимфоциты получили название бурса-зависимые, или В -лимфоциты. Другая крупная ветвь предшественников из костного мозга переселяется в другой центральный орган лимфоидной системы - тимус. Эта ветвь лимфоцитов получила название тимус-зависимые, или Т -лимфоциты. 3.2. Развитие клеток иммунной системы В - лимфоциты, как и моноциты, проходят созревание в костном мозге, откуда зрелые клетки выходят в кровяное русло. В -лимфоциты также могут покидать кровяное русло, оседая в селезенке и лимфоузлах, и превращаться в плазматические клетки. Важнейшее событие в развитии В-лимфоцитов -перекомбинация и мутирование генов, имеющих отношение к синтезу антител (белков из класса иммуноглобулинов, направленных против антигенов). В результате такой генной перекомбинации каждый В -лимфоцит становится носителем индивидуального гена, способного синтезировать отдельные антитела против одного антигена. И поскольку В -популяция состоит из множества отдельных клонов (потомства этих антителопродуцентов), то в совокупности они 17 способны распознать и уничтожить весь набор возможных антигенов. После того как гены сформировались и молекулы антител появились на клеточной поверхности в виде рецепторов, В-лимфоциты покидают костный мозг. Короткое время они циркулируют в кровяном русле, а затем внедряются в периферические органы, как бы торопясь выполнить свое жизненное предназначение, поскольку срок жизни этих лимфоцитов невелик, всего 7- 10 дней. Т-лимфоциты в период развития в тимусе именуются тимоцитами. Тимус расположен в грудной полости непосредственно за грудиной и состоит из трех отделов. В них тимоциты проходят три стадии развития и обучения на иммунокомпетентность . В наружном слое (субкапсулярной зоне) пришельцы из костного мозга содержатся как предшественники, проходят здесь как бы адаптацию и еще лишены рецепторов для распознания антигенов. Во втором отделе (корковом слое) они под действием тимусных ( ростовых и дифференцирующих) факторов приобретают необходимые Т - клеточной популяции рецепторы для антигенов. После перехода в третий отдел тимуса (мозговой слой) тимоциты дифференцируются по функциональному признаку и становятся зрелыми Т -клетками. Приобретенные рецепторы, в зависимости от биохимической структуры белковых макромолекул, определяют их функциональный статус. Большая часть Т -лимфоцитов становится эффекторными клетками, которые называются Т -киллерами. Меньшая часть выполняет регуляторную функцию: Т -хелперы усиливают иммунологическую реактивность, а Т-супрессоры, напротив, ослабляют ее. В отличие от В-лимфоцитов, Т -лимфоциты ( преимущественно Т -хелперы) с помощью своих рецепторов способны распознавать не просто чужое, а измененное “свое”, т.е. чужеродный антиген должен быть представлен (обычно макрофагами) в комплексе с собственными белками организма. После завершения развития в тимусе 18 часть зрелых Т-лимфоцитов остается в мозговом слое, а большая часть покидает его и расселяется в селезенку и лимфоузлы. Долгое время оставалось непонятным, почему в тимусе гибнут более 90% поступающих из костного мозга ранних предшественников Т-клеток. Известный австралийский иммунолог Ф. Бернет предполагает, что в тимусе происходит гибель тех лимфоцитов, которые способны к аутоиммунной агрессии. Основная причина столь массовой гибели связана с отбором клеток, которые способны реагировать со своими собственными антигенами. Все лимфоциты, не прошедшие контроля на специфичность, погибают. 3.3 Барьеры против инфекций Простейший путь избежать инфицирования - это предотвратить проникновение возбудителя в организм. Главной линией обороны служит, конечно, кожа. Будучи неповрежденной, она непроницаема для большинства инфекционных агентов. Вдобавок, большинство бактерий не способны долго существовать на поверхности кожи из-за прямого губительного воздействия молочной кислоты и жирных кислот, содержащихся в поте и секрете сальных желез. Слизь, выделяемая стенками внутренних органов, действует как защитный барьер, препятствующий прикреплению бактерий к эпителиальным клеткам. Микробы и другие чужеродные частицы, захваченные слизью, удаляются механическим путем - за счет движения ресничек эпителия, с кашлем и чиханием. К другим механическим факторам, способствующим защите поверхности эпителия, можно отнести вымывающее действие слез, слюны и мочи. Во многих жидкостях, секретируемых организмом, содержатся бактерицидные компоненты - кислота в желудочном соке, лактопероксидаза в молоке и лизоцим в слезах, носовых выделениях и слюне. На определенном этапе эволюции в многоклеточном организме появились клетки, призванные защищать организм от микробов - паразитов. Постепенно сформировалась особая система органов и клеток, 19 обеспечивающих защиту (иммунитет) организма. Она получила название иммунной системы. Клетки, входящие в состав иммунной системы, были названы иммунокомпетентными Иммунитетом называют способность иммунной системы к отторжению чужеродных тел. Защита организма осуществляется с помощью двух систем - неспецифического (врожденного, естественного) и специфического ( приобретенного, искусственного) иммунитета. Эти две системы могут рассматриваться и как две стадии единого процесса защиты организма. Неспецифический иммунитет выступает как первая линия защиты и как заключительная ее стадия. Система приобретенного иммунитета выполняет промежуточные функции специфического распознавания и запоминания болезнетворного агента (или чужеродного вещества) и подключения мощных средств врожденного иммунитета на заключительном этапе процесса. Система врожденного иммунитета действует на основе воспаления и фагоцитоза. В этом случае распознаются и удаляются инородные тела без учета их индивидуальной специфики. Поэтому такой иммунитет называют неспецифическим. Фактором неспецифического иммунитета могут быть бактериолизин, лизоцим, фагоцитоз - пожирание и разрушение инородных тел макрофагами и лейкоцитами и т. д. Эта система реагирует только на корпускулярные агенты (микроорганизмы, занозы) и на токсические вещества, разрушающие клетки и ткани. Вторая и наиболее сложная система - приобретенного иммунитета. Она основана на специфических функциях лимфоцитов. Эти клетки крови распознают чужеродные макромолекулы и реагируют на них либо непосредственно, либо выработкой защитных белковых молекул. Специфический иммунитет - более совершенный механизм защиты организма от биологической агрессии. Он возник в эволюции позже и означает распознавание самых тонких различий между чужеродными агентами. Для удобства такие чужеродные молекулы назвали антигенами. 20 Современное представление о структуре и функциях иммунной системы, в первую очередь, связано со специфическим иммунитетом. 3.4. Механизмы иммунологической защиты организма Изучение совокупности процессов и механизмов, направленных на сохранение постоянства внутренней среды организма от инфекций и других чужеродных агентов - иммунитета, лежит в основе иммунологической науки . Одним из важнейших достижений последних лет явилось открытие двух независимых эффекторных механизмов в специфическом иммунном ответе. Один из них связан с так называемыми В-лимфоцитами, осуществляющими гуморальный ответ (синтез иммуноглобулинов), другой - с системой Т-лимфоцитов ( тимус-зависимых клеток), следствием деятельности которых является клеточный ответ ( накопление сенсибилизированных лимфоцитов). Особенно важным является получение доказательств существования взаимодействия этих двух видов лимфоцитов в иммунном ответе. Результаты исследований позволяют утверждать, что иммунологическая система - важное звено в сложном механизме адаптации человеческого организма, а его действие в первую очередь направленно на сохранение антигенного гомеостаза, нарушение которого может быть обусловлено проникновением в организм чужеродных антигенов ( инфекция, трансплантация) или спонтанной мутации. Но, как показали исследования последних лет, деление иммунитета на гумморальный и клеточный весьма условно. Действительно, влияние антигена на лимфоцит и ретикулярную клетку осуществляется с помощью микро- и макрофагов, перерабатывающих иммунологическую информацию. В то же время реакция фагоцитоза, как правило, участвуют гуморальные факторы, а основу гуморального иммунитета составляют клетки, продуцирующие специфические иммуноглобулины. Механизмы, направленные на элиминацию чужеродного агента, чрезвычайно разнообразны. При этом можно выделить два понятия 21 - “ иммунологическая реактивность” и “неспецифические факторы защиты”. Под первым понимаются специфические реакции на антигены, обусловленные высокоспецифической способностью организма реагировать на чужеродные молекулы. Однако защищенность организма от инфекций зависит еще и от степени проницаемости для патогенных микроорганизмов кожных и слизистых покровов, и наличия в их секретах бактерицидных субстанций, кислотности желудочного содержимого, присутствия в биологических жидкостях организма таких ферментных систем, как лизоцим. Все эти механизмы относятся к неспецифическим факторам защиты, так как нет никакого специального реагирования и все они существуют вне зависимости от присутствия или отсутствия возбудителя. Некоторое особое положение занимают фагоциты и система комплемента. Это обусловлено тем, что, несмотря на неспецифичность фагоцитоза, макрофаги участвуют в переработке антигена и в кооперации Т- и В- лимфоцитов при иммунном ответе, то есть участвуют в специфических формах реагирования на чужеродные субстанции. Аналогично выработка комплемента не является специфической реакцией на антиген, но сама система комплемента участвует в специфических реакциях антиген-антител. |