Лекция ЧелГМА – Гомеостаз

лекция - гомеостаз
1
Лекция ЧелГМА – Гомеостаз.
Важность концепции.
Исторические аспекты учения о гомеостазе. Вопрос о важности постоянства внутренней среды организма впервые поставил французский
физиолог Клод Бернар (1813 – 1878). Он ввел понятия внешняя и внутренняя среда. К внутренней среде относил органическую жидкость (лимфа,
плазма, тканевая жидкость). "Постоянство внутренней среды есть условие свободной, независимой жизни. Постоянство среды предполагает
такое совершенство организма, чтобы внешние перемены в каждое мгновение компенсировались и уравновешивались" (1978).
Уолтер Брэдфорд Кеннон – американский ученый (1871 – 1945). В
тридцатые годы 20 века он ввел само понятие "гомеостаз" и разработал
теорию гомеостаза как принципа саморегуляции постоянства внутренней
среды организма. Важность для физиологии, патофизиологии, предпосылка кибернетики. Кеннон отмечал также большой запас прочности биологических систем (структурный – удаление части печени, селезенки, 1 почки и
т.д. физиологический – ЧСС, АД, ЧД).
Работы И.П. Павлова – роль НС в формировании и поддержании постоянства внутренней среды и реакции на изменения внешней среды.
Академик Горизонтов – расширение списка гомеостатируемых показателей, разработка теории автоматического регулирования. Гомеостаз
при стрессе.
Дадим современное определение.
Гомеостаз – это относительное постоянство внутренней среды организмов и других биосистем в процессе их функционирования и при наличии
внешних или внутренних возмущений.
Это св-во очень важно, т.к. биологические системы являются открытыми, постоянно ощущают воздействия внешней среды, изменяются, и для
поддержания жизни вынуждены постоянно реагировать на разнообразные
воздействия. Вспомним уровни организации живого: молекулярный, субклеточный и клеточный, тканевой, органный, организменный, популяционно-видовой, биоценоз, биосфера.
На каждом уровне используются свои механизмы поддержания гомеостаза.
НО! Для каждого нижележащего уровня вышележащий уровень является внешней средой (примеры – митохондрия (матрикс и цитоплазма),
клетка (цитоплазма и тканевая жидкость).
2 момента: А) нижний уровень, обеспечивая свой гомеостаз, облегча-
лекция - гомеостаз
2
ет работу верхних уровней. А они, в свою очередь, облегчают поддержание гомеостаза на нижних этажах. Кардиомиоцит – сокращение сердца –
транспорт кислорода и питательных веществ – лучше кардиомиоциту. Б)
если говорить об организме, то для клетки организм жизненно важен!, а
для организма – клетка лишь один из элементов, которым при необходимости можно пожертвовать.
Механизмы поддержания гомеостаза.
Организм является самоорганизующейся системой. Организм сам
выбирает и поддерживает значения огромного числа параметров, меняет
их в зависимости от потребностей, что позволяет ему обеспечивать наиболее оптимальный характер функционирования. Так например, при низких
температурах внешней среды организм снижает температуру поверхности
тела (чтобы уменьшить теплоотдачу), повышает скорость окислительных
процессов во внутренних органах и мышечную активность (чтобы увеличить теплообразование).
Основой физиологической регуляции является передача и переработка информации. Под термином "информация" следует понимать все,
что несет в себе отражение фактов или событий, которые произошли, происходят или могут произойти.
Переработка информации осуществляется управляющей системой
или системой регуляции. Она состоит из отдельных элементов, связанных информационными каналами (рис.1). Среди элементов выделяются:
управляющее устройство (центральная нервная система); входные и
выходные каналы связи (нервы, жидкости внутренней среды с информационными молекулами веществ); датчики, воспринимающие информацию на входе системы (сенсорные рецепторы); образования, располагающиеся на исполнительных органах (клетках) и воспринимающие информацию выходных каналов (клеточные рецепторы). Часть управляющего устройства, служащая для хранения информации, называется запоминающим устройством или аппаратом памяти. Характер переработки поступающих сигналов зависит от той информации, которая записана в аппарате памяти системы регуляции.
Регуляция по отклонению (саморегуляция по выходу системы)
обеспечивается сравнением имеющихся параметров реакции физиологических систем с требующимися в конкретных условиях, определением степени рассогласования между ними и включением исполнительных устройств для устранения этого рассогласования. Частным примером регуля-
лекция - гомеостаз
3
ции по отклонению является поддержание физиологических констант внутренней среды. Стоит только отклониться от заданного уровня и повыситься
в крови напряжению углекислого газа из- за недостаточного его удаления
через легкие или повышенного образования в тканях, как начнут реализовываться регуляторные механизмы.
Регуляция по отклонению требует наличия канала связи между выходом системы регуляции и ее центральным аппаратом управления
(рис.3.1) и даже между выходом и входом системы регуляции. Этот канал
получил название обратной связи. По сути, обратная связь есть процесс
влияния результата действия на причину и механизм этого действия.
По конечному эффекту регуляции обратная связь может быть положительной и отрицательной.
Положительная обратная связь означает, что выходной сигнал
системы регуляции усиливает входной, активация какой-либо функции вызывает усиление механизмов регуляции еще больше ее активирующих. Такая обратная связь усиливает процессы жизнедеятельности. Например,
прием пищи и поступление ее 'в желудок усиливают отделение желудочного сока, необходимого для гидролиза веществ. Появляющиеся в желудке и
частично всасывающиеся в кровь продукты гидролиза в свою очередь стимулируют сокоотделение, что ускоряет и усиливает дальнейшее переваривание пищи. Однако положительная обратная связь часто приводит систему в неустойчивое состояние, способствует формированию "порочных кругов", лежащих в основе многих патологических процессов в организме.
Отрицательная обратная связь означает, что выходной сигнал
уменьшает входной, активация какой-либо функции подавляет механизмы
регуляции, усиливающие эту функцию. Отрицательные обратные связи
способствуют сохранению устойчивого, стационарного состояния системы.
Благодаря им, возникающее отклонение регулируемого параметра уменьшается и система возвращается к первоначальному состоянию. Например,
под влиянием паратирина (гормона околощитовидных желез) в крови возрастает содержание ионизированного кальция. Повышенный уровень катиона тормозит секрецию паратирина, усиливает поступление в кровь
кальцитонина (гормона щитовидной железы), под влиянием которого уровень кальция снижается и его содержание в крови нормализуется.
К экзаменам – примеры.
Остановимся более подробно на поддержании гомеостаза на клеточном уровне. Гомеостаз многоклеточного организма поддерживается балан-
лекция - гомеостаз
4
сом между пролиферацией, дифференцировкой и элиминацией клеток.
Все три процесса абсолютно необходимы.
Клеточный цикл представляет собой непрерывную цепь отдельных
этапов, порядок следования которых строго регулируется. Системы обратной связи обеспечивают координацию и определенную длительность всех
событий клеточного цикла, при этом начало каждого этапа зависит от успешного завершения предыдущего.
Нарисовать схему, напомнить значение.
Регуляция клеточного цикла.
Мотором продвижения по клеточному циклу служит активность ряда
последовательно активируемых особых ферментов – протеинкиназ. Эти
ферменты обеспечивают фосфорилирование определенных белков. Они
называются циклинзависимыми протеинкиназами (Cdk), поскольку для
проявления своей ферментативной активности этим ферментам необходимо образование связи с особой активаторной единицей – циклином.
Циклины – это особая группа белков, уровень которых значительно изменяется в различные фазы клеточного цикла.
На сегодняшний день описано следующее (см. рисунок). 1) Начальные этапы фазы G1 запускают следующие комплексы: циклины D1 – D3/
Cdk4 или Cdk6. Конкретный комплекс зависит от характера клетки. 2) Переход клетки из фазы G1 в фазу S контролируется комплексом циклин Е/
Cdk2. 3) Процесс репликации ДНК находится под контролем следующего
комплекса – циклин А/ Cdk2. 4) Переход от фазы G2 к митозу определяется
работой комплекса циклин В/ Cdk1.
Посмотрите - Cdk2 способна соединяться с различными циклинами,
при этом изменяется ферментативная активность комплекса и он определяет прохождение различных этапов.
Как же работает эта система циклин-Cdk? Рассмотрим один из примеров, связанных с белком pRb. Этот белок был впервые обнаружен при
наследственной ретинобластоме – опухоли глаз. В дальнейшем оказалось,
что pRb имеет ряд гомологов (р105 и р130). Сегодня pRb – это один из так
называемых опухолевых супрессоров. pRb постоянно присутствует в клетке в дефосфорилированном состоянии.
Смотри рисунок № 4 и № 2. В этом виде pRb достаточно прочно связывается с транскрипционным коплексом белков E2Fx-DPx (х означает, что
имеется несколько вариантов каждого из этих белков). Важно упомянуть,
что этот комплекс (E2Fx-DPx) регулирует активность целого ряда генов, которые необходимы для начала и успешного прохождения S-фазы. Среди
лекция - гомеостаз
5
продуктов этих генов можно выделить следующие белки: ДНКполимераза, циклин А, циклин Е, Cdk1 и т.д.
При действии различных митогенов формируется комплекс циклин
D1 – D3/ Cdk4 или Cdk6. Этот комплекс проводит фосфорилирование pRb,
в итоге освобождается транскрипционный комплекс E2Fx-DP. Он переходит
в ядро и обеспечивает транскрипцию соответствующих генов. После образования необходимых белков клетка вступает в синтетическую фазу.
Любопытно отметить, что среди синтезирующихся белков есть циклин Е, который вместе с Cdk2 также обеспечивает фосфорилирование pRb,
что обеспечивает дополнительную стимуляцию S фазы. После завершения
S фазы pRb опять дефосфорилируется, опять связывается с комплексом
E2Fx-DP и блокирует вступление в новую S фазу.
Обратите внимание, что здесь также можно увидеть способы + и –
регуляции. Cdk вместе с циклинами вызывают фосфорилирование, а другие ферменты – фосфатазы – вызывают дефосфорилирование (отщепление остатка фосфорной кислоты).
Оказалось, что описанного механизма явно недостаточно. Клетка
должна обеспечить сохранение постоянства своего генома, целостность
органоидов и т.д. Было постулировано наличие особых проверочных точек.
Проверочные (сверочные) точки в клеточном цикле (чекпойнты).
На сегодняшний день описывают минимум 4 таких точки. В них клетка
оценивает свое состояние и может двигаться дальше лишь после успешного завершения предыдущих этапов и отсутствии поломок. Смотри рисунок
3.
1. Точка в G1. Перед S-фазой клетка должна иметь нормальную ДНК.
В противном случае потомство получит генетические аномалии от материнской клетки. Было обнаружено, что клетки, подвергнутые действию
мощных повреждающих факторов (УФО, гамма-облучение, алкилирующие
агенты) или неудачно прошедшие митоз (например, имеется нерасхождение хромосом), останавливаются в клеточном цикле на уровне G1. Эта остановка может быть обратимой (успешная репарация ДНК, восстановление
пула нуклеотидов) или необратимой (большие дозы ионизирующей радиации).
2. В синтетической фазе проходит проверка правильности синтеза
ДНК.
3. В фазе G2 происходит остановка клеточного цикла при наличии
повреждений ДНК. Эти дефекты могут быть вновь возникшими или ранее
не обнаруженными. В то же время оценивается полнота репликации ДНК.
лекция - гомеостаз
6
Клетка не может перейти к митозу без прохождения репликации всей ДНК.
4. Во время митоза проверяется сборка нитей веретена деления. Если говорить точнее, все кинетохоры хромосом должны быть прикреплены к
микротрубочкам веретена деления. В противном случае митоз блокируется. В опыте с помощью лазера разрушали свободные кинетохоры хромосом и это обеспечивало переход к анафазе. Несвязанные хромосомы отстают и из них формируются микроядра. В это время важную роль играют
белки – BUB1, BUBR1, MAD1, MAD2.
Одну из ведущих ролей в защите целостности генома и регуляции
прохождения клеточного цикла играет ген р53 и кодируемый им белок р53.
Этот ген даже называют стражем генома.
Продукт нормального гена р53 постоянно синтезируется во всех нормальных клетках организма. Однако этот белок очень неустойчив, быстро
разрушается и поэтому присутствует в клетке в очень небольшром количестве. При различных воздействиях на клетку р53 стабилизируется и поэтому начинает накапливаться в клетке.
Условия, необходимые для стабилизации р53: ионизирующее облучение, УФО, действие химических мутагенов, уменьшение уровня нуклеотидов в клетке, гипоксия и т.д. Показано, что активацию и стабилизацию
р53 обуславливают повреждения ДНК: одно- и двухцепочечные разрывы
молекулы а также участки неспаренных оснований.
Белок р53 способен специфически активировать транскрипцию целого ряда генов-мишеней. Продуцируемые белки участвуют в контроле клеточного цикла. Можно назвать: а) ген р21 – белок р21-WAF1 ингибирует
Cdk. Он отвечает за остановку в фазе G1. р21-WAF1 в основном связывается с комплексами циклин- Cdk фаз G1 и синтетической. Этот белок также
снижает процессивность ДНК-полимеразы.
б) ряд генов отвечают за остановку в G2. Это GADD45 (связывается с
ядерным антигеном пролиферирующих клеток PCNA и снижает процессивность ДНК-полимеразы), 14-3-3 (предотвращает активацию циклинаВ и
киназы), B99 (локализуется на микротрубочках).
в) гены, участвующие в запуске апоптоза. BAX (кодирует белок, способствующий активации каспаз), APO1 (делает клетки чувствительными к
ФАС-лиганду).
Таким образом, р53 контролирует минимум 2 сверочных точки – Г1/С
и Г2/М. В случае невозможности восстановления клетки р53 вызывает развитие смерти клетки.
Как же организм избавляется от поврежденных или ненужных или по-
лекция - гомеостаз
7
тенциально опасных клеток?
Один из способов – индукция программированной клеточной смерти
или апоптоза. Первые сообщения об этом феномене появились в 1972 году
(Керр и соавторы).
Некроз: разрыв ЦПМ, разрыв внутриклеточных мембран, освобождение гидролитических ферментов лизосом, выделение содержимого клетки
в межклеточное пространство.
Апоптоз: переход фосфатидилсерина на поверхность ЦПМ, снижение
объема клетки, конденсация ядра, расщепление ДНК на небольшие фрагменты, распад ядра на части и формирование отдельных телец (апоптозные тельца). Они окружены мембраной!!. Эти тельца поглощаются окружающими клетками (например, Мф).
Примеры: опадение листьев, опадение плодов, гибель клеток на пути
пыльцевой трубки, уничтожение аутореактивных клонов Т или В лимфоцитов и т.д.
Зачем?
Около 50% опухолей человека демонстрируют наличие мутаций в гене р53. Описано около 100 протоонкогенов и около 20 опухолевых супрессоров (это норм. белки, которые регулируют клеточный цикл).
Литература:
Аббасова С.Г. Факты и перспективы изучения Fas-FasL-системы в
норме и при патологии / Аббасова С.Г., Кушлинский Н.Е. и др. // Успехи современной биологии. – 2000. – т.120, № 3. – С. 303 – 318.
Гомеостаз на различных уровнях организации биосистем / Нефедов
В.П., Ясайтис А.А., Новосельцев В.Н. и др. – Новосибирск: Наука, Сиб. отдние, 1991. – 232 с.
Копнин Б.П. Мишени действия онкогенов и опухолевых супрессоров:
ключ к пониманию базовых механизмов канцерогенеза // Биохимия. – 2000.
– т. 65, № 1. – С. 5 – 33.
Самуилов В.Д., Олескин А.В., Лагунова Е.М. Программируемая клеточная смерть // Биохимия. – 2000. – т. 65, № 8. – С. 1029 – 1046.
Урываева И.В. Повреждение генома, р53 и полиплоидизация клеток в
онтогенезе // Онтогенез. – т.28, № 6. – С. 405 – 411.
Чумаков П.М. Функция гена р53: выбор между жизнью и смертью //
Биохимия. – 2000. – т. 65, № 1. – С. 34 – 47.
лекция - гомеостаз
8
Лекция – гомеостаз
3а
Рис.1. Блок-схема системы регуляции. Двойные рамки и
стрелки — основные элементы, одинарные рамки и стрелки
— звенья регуляции по возмущению и отклонению.
лекция - гомеостаз
Рис. 1. Движение по клеточному циклу определяется
последовательной активацией различных комплексов
циклин - Cdk.
Стр. 4.- 6
9
Это к лекции по гомеостазу
лекция - гомеостаз
10
Центростремительный нерв
Рецептор
Управляю- Блок
щее устпаройст-во
мяти
ЦНС
Рецептор
Эффекторный
орган
Центробежный нерв
Обратная связь
лекция - гомеостаз
11
pRB
E2F
P
D + cdk4-
P
E + cdk2
P
E2F
pRb
P
S-фаза
Экспрессия
генов
1) циклин Е
2) циклин А
3) ДНКполимераза
лекция - гомеостаз
12
Прием пищи
Выработка пищеварительных соков
Расщепление белков
Всасывание продуктов
гидролиза
Гипоталамус
Рилизинг-гормон
Гипофиз
ТТГ
Щитовидная железа
Тироксин, трийодтиронин