Взламывая анатомию

Мейоз

Для полового размножения характерен тип деления клетки под названием «мейоз», при котором образуются сперматозоиды и яйцеклетки. Мейоз создает четыре неидентичные дочерние клетки, каждая из которых содержит половину хромосомного набора родителя (гаплоидное число хромосом). Это происходит, потому что клетка делится дважды. В отличие от митоза, дочерние клетки в данном случае генетически отличаются друг от друга и от клеток родителей.

Перед 1-м делением мейоза сперматоцит (будущий сперматозоид) проходит через интерфазу. Затем начинается первая фаза — профаза 1, в ходе которой гомологические пары хромосом обмениваются генетическим материалом. У яйцеклеток 2-е деление мейоза завершается при оплодотворении.

Митоз

В результате митоза образуются две идентичные дочерние клетки, каждая из которых содержит то же диплоидное число хромосом, что и родительская клетка. Клетка делится один раз, но хромосомы исполняют причудливый четырехфазный танец.

Профаза.

На первом этапе деления, называемом профазой, растворяется ядерная оболочка и конденсируются сестринские хроматиды. Хроматиды сходятся на центромере, чтобы затем объединиться с парами хроматид, унаследованных от другого родителя.

Метафаза.

Все хромосомы сходятся на экваторе (в центре). Им помогают канатовидные белки, или микротрубочки, которые связывают между собой центромеры каждой хромосомы. Сами же микротрубочки прикрепляются к лебедкообразной перетяжке — центросоме, которая располагает их в нужном порядке.

Анафаза.

Центросома катализирует следующую фазу — анафазу, в которой сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам клетки.

Телофаза.

Вокруг новообразованных хроматид вновь формируется ядерная оболочка, а цитоплазма разделяется на две части.

Цитокинез.

В процессе цитокинеза клетка окончательно расщепляется на две части и «оборачивается» в клеточную мембрану.

Многообразие клеток

Клетки в организме трудятся на благо своего хозяина, то есть нас. Эта внутренняя рабочая сила с различным опытом, компетенциями и ролями позволяет создавать более крепкую и динамичную структуру. Именно поэтому мы не похожи на гигантскую амебу или пласт однообразных клеток. По последним данным, в нас «живет» порядка 206 различных типов клеток, каждая из которых по-своему выполняет нужные команды. Давайте познакомимся с некоторыми из этих типов.

Фоторецепторы

Фоторецепторы — это клетки сетчатки, расположенной на задней стенке глаза. Они содержат светочувствительные пигменты, которые отвечают за реакцию на входящий свет, благодаря чему мы можем видеть. Эти уникальные клетки созданы для преобразования картинки, попадающей в глаз, в нервный импульс, который наш мозг интерпретирует как визуальный образ. Существует два типа фоторецепторов: палочки улавливают свет, темноту и движение, а колбочки отвечают за восприятие цвета.

Палочки и колбочки заселяют наружные слои тонкой ткани специализированных клеток, которые называются сетчаткой. Палочки более многочисленны, особенно на краях сетчатки. В центре сетчатки больше колбочек.

Вдоль кишечника и дыхательных Микроворсинки путей располагаются бокаловидные клетки. Они содержат множество секреторных пузырьков, которые вырабатывают защитное вещество — слизь.

Красные кровяные тельца

Чтобы выполнять важнейшую функцию в клетке, эритроцитам пришлось пожертвовать своим ядром в обмен на дополнительную рабочую поверхность. Структурная модификация, отличающая эритроциты от остальных клеток организма, позволяет им переносить как можно больше кислорода и доставлять этот жизнеобеспечивающий газ в наши ткани. Это чрезвычайно важная работа, поэтому эритроциты составляют почти треть всей популяции клеток в организме.

Гормоны и создание ферментов

Клетки, расположенные в эндокринной и пищеварительной системах, выполняют свои функции с помощь дополнительных инструментов. В этих клетках содержатся дополнительные рибосомы и комплексы Гольджи. Они нужны для производства и упаковки гормонов и пищеварительных ферментов, которые затем выделяются в кровь (гормоны) или желудок (ферменты).

Остеоцит занимает определенную костную область — лакуну. Его множество отростков (выростов цитоплазмы) соединяются с другими остеоцитами с помощью крошечных каналов, называемых канальцами.

Костные клетки

Самые твердые клетки располагаются в костном отделе, который постоянно обновляется и перестраивается. Эту работу делят три типа клеток. Остеобласты создают основу (матрикс) для формирования кости. Некоторые остеобласты «дорастают» до клеток остеоцитов, которые в буквальном смысле врастают в создаваемую ими субстанцию. Остеоциты — самый распространенный тип костных клеток. Они образуют большую часть кости, а также помогают в ее координации и перестройке, особенно при стрессе. Остеокласты, наоборот, реабсорбируют костный материал для высвобождения необходимых минералов (например, кальция) из матрикса или после периодов бездействия.

Стволовые клетки

Существует особый тип клеток, который выделяется среди других своими скрытыми регенеративными способностями. Стволовые клетки могут самообновляться и создавать клетки любого типа. В нескольких тканях и органах эти клетки терпеливо ждут своей активации.

Стволовые клетки, в отличие от большинства типов, не дифференцированы. Это означает, что они не являются специализированными и не выполняют каких-либо строго обозначенных ролей или функций. Получив зеленый свет для начала деления, стволовая клетка дает потомство — по одной специализированной и недифференцированной клетке.

Эмбриональные стволовые клетки

По источнику происхождения стволовые клетки делятся на два основных типа. Эмбриональные стволовые клетки присутствуют только у очень молодых эмбрионов, называемых бластоцистами. Они могут естественным образом превращаться в клетки любого типа, поэтому их назвали плюрипотентными.

Эмбриональные стволовые клетки образуются из внутренней клеточной массы бластоциста — области, которая развивается в плод. Трофобласт превращается в плаценту.

Зрелые стволовые клетки

Зрелые (или дифференцированные) стволовые клетки присутствуют почти во всех тканях взрослого человека. До недавнего времени считалось, что такие клетки способны создавать лишь ограниченное количество клеточных типов — в зависимости от расположения в ткани. Однако исследования доказали, что эти «многоцелевые» клетки не так ограничены, как нам казалось. И действительно: теперь исследователи научились химически стимулировать стволовые клетки из различных тканей, запуская преобразование в любые клеточные типы. Кроме того, ученые научились перепрограммировать, или индуцировать, «обычные» (не стволовые) взрослые клетки с уже оформленной дифференциацией или специализацией в структуры с плюрипотентными свойствами.

Трансформационный потенциал этих возможностей в регенеративной медицине просто огромен. Он не только позволит обойти этическую дилемму при использовании человеческих эмбрионов для сбора плюрипотентных клеток, но и станет панацеей в борьбе с отторжением трансплантатов со стороны иммунной системы.

На этой растрово-электронной микроскопии (РЭМ) изображена стволовая клетка костного мозга. Такие клетки, известные как зрелые, или соматические, встречаются и у детей, и у взрослых.

Квартет тканей

Наши клетки, как и сам зародыш, проходят через определенные этапы дифференциации, необходимые для того, чтобы в дальнейшем сформировать четыре типа тканей. Эти типы возникли эволюционным путем, когда специализированные клетки «узнали» друг о друге и стали объединяться в четко выраженные колонии эпителиальных, мышечных, соединительных и нервных клеток.

Соединительная ткань

Если стволовые клетки являются по отношению к другим типам мультипотентными, то клетки соединительной ткани считаются убиквитарными — потому что они есть повсюду. Соединительную ткань в организме можно найти везде. Эти клетки образуют костную и жировую ткань, хрящи, сухожилия, связки и даже кровь, поскольку имеют общее эмбриональное происхождение (они происходят из мезодермы, или среднего зародышевого листка). Как следует из названия, клетки данного типа соединяют различные части тела с помощью матрикса определенной консистенции (от жидкой до твердой или волокнистой), который прикрепляется к своим клеткам-создателям. Соединительная, или поддерживающая, ткань связывает различные ткани внутри органов, амортизирует чувствительные структуры, сохраняет энергию и держит форму.

Мышечная ткань

Клеточный компонент мышечной ткани — это мышечное волокно, названное так из-за вытянутой формы клеток. Ядра мышечных клеток располагаются по краю клеточной мембраны, благодаря чему остается больше места для тысяч мышечных нитей (миофиламентов). Миофиламенты располагаются внахлест, как переплетенные пальцы, и скользят по поверхности друг друга, отвечая за сокращение мышц и укорачивание клетки. Подробнее о структуре мышц см. параграф «Архитектура мышц», стр. 96–97.

Нервная ткань

Нервная ткань — основная в нервной системе. Она нужна для выработки и проведения электрических импульсов, благодаря которым осуществляется движение и/или выделение физиологических жидкостей. Основной единицей нервной ткани считается нейрон, или нервная клетка, который связывается с другими с помощью специфических соединений — синапсов. Нейронам помогают глиальные клетки: они поставляют питательные вещества и участвуют в проведении нервных импульсов. Подробнее см. параграф «Нейроны» на стр. 190–191.

Эпителиальная ткань

Эпителиальная ткань встречается в пограничных областях: коже, слизистой оболочке пищеварительной системы и глазах. Она также выстилает поверхность внутренних органов и дыхательных путей, носа, рта и легких. Эта ткань присутствует в различных формах — от однослойных плоских или кубических клеток до сложных многослойных видов. Эпителиальные клетки создают барьер между органами и инвазивными веществами или микроорганизмами. В этом деле им помогает один слой клеток и базальная мембрана, которая прикрепляет эпителий к остальным частям тела и регулирует все, что попадает внутрь. В модифицированной эпителиальной ткани присутствуют специальные секреторные железы, помогающие носу вырабатывать слизь, желудку — выделять пищеварительные ферменты, а коже — производить пот и себум (кожное сало).

Эпителиальные клетки, которые выстилают стенки кишечника, называются слизистой оболочкой, или мукозой.

Подсчет органов

В нашем теле можно насчитать от 78 до 79 различных органов. Эта неточность объясняется тем, что четкое определение понятия «орган» отсутствует. Но однозначно ясно, что орган представляет собой сочетание слаженно работающих тканей, выполняющих определенную функцию в организме.

Говоря об органах, подавляющее большинство людей вспоминает лишь пять известных представителей: мозг, сердце, почки, печень и легкие. Однако в одной только мочевыделительной системе, кроме почек, есть еще три важных органа: мочевой пузырь, мочеточник и мочеиспускательный канал. Самым крупным внутренним, или висцеральным, органом в нашем теле считается печень. Печень среднестатистического человека весит 1,8 кг. Но в номинации «самый тяжелый орган» все-таки побеждает кожа с весом в 2,7 кг.

Мозг, достойный собственного чемпионского звания, является самым энергозатратным органом, потребляющим порядка 20 % от всей генерируемой энергии. Мозг стал домом и для самого маленького органа — шишковидной железы. Она вырабатывает гормон мелатонин, помогающий нам заснуть.

Системы органов

С классификацией систем органов ситуация обстоит так же, как и с подсчетом точного количества органов в организме. Эта книга познакомит вас с 10 системами органов:

• покровной; • опорно-двигательной;

• сердечно-сосудистой; • лимфатической;

• дыхательной; • нервной;

• эндокринной; • пищеварительной;

• половой.

Некоторые эксперты считают, что иммунная система не входит в состав лимфатической, а мышечная относится к скелетной. Другие же объединяют лимфатическую, иммунную и сердечно-сосудистую в одну — кровеносную. Абстрагируясь от подобных вариантов, стоит помнить, что системы органов не работают изолированно: в разных системах есть множество перекликающихся функций, из-за чего точность классификации отходит на второй план.

Внутренний баланс

Наши системы органов отвечают за поддержание двух взаимосвязанных процессов: метаболизма и гомеостаза. Метаболизм не сводится к скорости, с которой мы перерабатываем пищу, чтобы производить энергию. Метаболизм представляет собой сумму всех химических реакций, происходящих внутри организма. Гомеостаз — это способ, которым организм достигает постоянства внутреннего состояния, вне зависимости от внешних условий.

Метаболизм

Метаболизм — это больше, чем деление пищи на составные элементы (белки, углеводы и сахара) в процессе, который называют катаболизмом. К метаболизму относится и обратный процесс — анаболизм. Он описывает, как именно организм использует молекулы меньшего размера (амино- и жирные кислоты) для создания более сложных молекул, способных накапливаться в виде энергии или использоваться для различных целей — от роста до борьбы с инфекциями. Скорость данных процессов зависит от различных факторов, включая возраст, пол и наследственность.

Форма активного участка фермента уникальна (напоминает замок). Реакция может происходить, только когда субстрат (ключ) подходит к ферменту (замку). В результате продукты могут соединяться или расщепляться.

К эффекторам метаболизма иногда относят ферменты, потому что они являются биологическими катализаторами, ускоряющими химические реакции в клетке. Катализировать реакции этим белкам позволяет их особая шаровидная структура. В ферментах присутствуют щели (или активные центры), в которые попадают «правильные» молекулы (субстраты). Затем эти вещества распадаются (разлагаются) на две составляющие либо соединяются, образуя более крупную молекулу. Ферменты легко узнать по названию — все они пишутся с суффиксом «-аза» (например, полимераза, амилаза и дегидрогеназа). Большинство ферментов находится внутри клетки. Наличие ферментов в крови может указывать на возможное повреждение тканей. Например, лактатдегидрогеназа (ЛДГ) обычно присутствует в клетках печени и сердца, поэтому повышение ее уровня в крови говорит о возможных повреждениях данных органов. Объем вырабатываемых ферментов строго ограничен — во избежание любой реакции (слишком быстрой или медленной), способной пошатнуть баланс веществ в организме и в конечном счете повлиять на гомеостаз.

Гомеостаз

Гомеостаз — это динамический и автоматический процесс, направленный на достижение внутреннего физиологического покоя. Гомеостаз во многом зависит от обратной связи со стороны различных систем органов, в частности — от нервной и эндокринной систем. Благодаря циклу отрицательной обратной связи наш организм способен управлять реакциями и минимизировать любые дисбалансы. Ведь иначе подобные реакции могут привести к болезни и, в худшем случае, к смерти.

Гомеостаз в действии

Несколько систем органов отвечает за регуляцию водного обмена в организме. При обезвоживании объем воды в крови падает. Тогда особая мозговая структура — гипоталамус — замечает изменение в состоянии и подает сигнал, который мы воспринимаем как жажду. Далее гипоталамус начинает выделять гормоны, которые заставляют почки экономить воду. Мы пьем воду до тех пор, пока ее уровень в крови не восстановится. После этого гипоталамус регистрирует это новое состояние и начинает постепенно снижать уровень гормонов, посылаемых в почки.

Когда клетки умирают

Главной особенностью всех живых существ, будь то одноклеточные или многоклеточные, является их гарантированная смерть. Это довольно парадоксальная черта, ведь, с одной стороны, она определяет, что такое быть живым, а с другой — лишний раз подчеркивает факт неизбежной гибели. На клеточном уровне смерть — примечательное событие. Сигнальные пути, отвечающие за эту важную процедуру, так же сложны и разнообразны, как и сама жизнь.

Для одноклеточного организма гибель клетки — это рок, обрывающий жизнь. Но у многоклеточных организмов, как мы знаем с начала XX века, смерть клеток играет важную роль в нормальном процессе развития. Исторически мы привыкли рассматривать смерть клетки в зрелом организме как некоего врага жизни, проводя аналогию с часами, замедляющими свой ход из-за пагубных влияний среды. Эта точка зрения потеряла свою актуальность: теперь мы понимаем, что многие травмы, вызванные внешними агентами, способны запускать суицидальную программу и активировать процедуру по избавлению от поврежденных клеток. С адаптационной точки зрения данный процесс является оптимальным решением.

С начала 1990-х годов в понимании механизмов клеточной гибели произошел радикальный сдвиг. В результате было выделено два явных сценария: случайная и запрограммированная гибель.

Недостаток кислорода или питательных веществ (или воздействие токсических веществ) может привести к гибели клеток печени из-за некроза. Обратите внимание на их бледную цитоплазму, потерю ядра, тканевую структуру и очаги воспалительных клеток (черные точки).

При некрозе клетки теряют способность управлять транспортом веществ внутри себя. Клетки и органеллы набухают, а затем лопаются, выбрасывая содержимое во внеклеточную жидкость.

Случайная гибель клетки: некроз

Случайная гибель клеток происходит неожиданно и не имеет четко выраженной цели. Она пагубна для всего организма. Такой сценарий иногда называют патологической гибелью клеток, или некрозом (от греч. nekros — мертвый). Некрозные клетки почти всегда отмирают вследствие острой или тяжелой травмы, вызванной:

• экстремальными изменениями в водно-электролитном балансе (электролиты — это соли и минералы);

• внезапной и продолжительной нехваткой питательных веществ;

• резким недостатком кислорода (аноксия);

• сильнейшими физическими и химическими травмами из-за интенсивного воздействия тепла, токсичных веществ или давления.

Некроз используют для описания всех изменений, через которые клетки и ткани проходят в процессе гибели. Клетки и органеллы не могут контролировать собственный объем и начинают набухать. В результате они лопаются и изливают свое содержимое на близлежащие области. Это очень грязный процесс, вызывающий локальную воспалительную реакцию.

Запрограммированная гибель клетки: апоптоз

В отличие от некроза, запрограммированная гибель клеток (PCD — от англ. programmed cell death) представляет собой планируемый или регулируемый сценарий гибели. PCD — это строго регламентированная процедура, происходящая в развитии организма по плану. Естественная, или «физиологическая», гибель клеток может происходить в определенных тканях на отдельных этапах развития либо затрагивать весь жизненный цикл (например, при обновлении иммунных клеток). PCD удаляет нежелательные и потенциально опасные клетки. Таким образом, PCD может возникать из-за различных стимулов, однако сам механизм гибели клеток подчинен определенному процессу под названием «апоптоз».