ЛЕКЦИЯ № 15
По медицинской биологии и генетике
Для студентов 1 курса
Лечебного, медико-профилактического и медико-диагностического
Факультетов
Тема: «Онтогенетический гомеостаз».
Время - 90 мин.
Учебные и воспитательные цели:
1. Ознакомить с общими закономерностями гомеостаза.
2. Разобрать генные, клеточные и системные механизмы гомеостаза.
3. Указать на нарушения механизмов гомеостаза при старении.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Бекиш О.-Я. Л. Медицинская биология. Курс лекций для студентов мед. ВУЗов. - Витебск, 2000 с. 255.
2. Биология /Под ред.В.Н. Ярыгина/ 1-я книга - М.: Вш.,1997. с. 181-186, 387-396.
3. О.-Я. Л. Бекиш, Л.А. Храмцова. Практикум по мед. биологии. - Изд. «Белый Ветер», 2000 - с. 121-126.
РАСЧЕТ УЧЕБНОГО ВРЕМЕНИ
| № п/п | Содержание | Расчет рабочего времени |
| 1. | Понятие о гомеостазе. | |
| 2. | Общие (кибернетические) закономерности гомеостаза живых систем. | |
| 3. | Генетические, клеточные и системные механизмы гомеостаза. | |
| 4. | Роль нервной и эндокринной систем в обеспечении гомеостаза. | |
| 5. | Биологические ритмы. Медицинское значение хронобиологии. | |
| 6. | Гомеостатические механизмы организма в разные возрастные периоды. | |
| Всего: |
Вопрос 1
Гомеостаз - свойство живого организма сохранять относительное динамическое постоянство внутренней среды. Гомеостаз выражается в относительном постоянстве химического состава, осмотическом давлении, устойчивости основных физиологических функций. Гомеостаз специфичен и обусловлен генотипом.
Болезнь человека является следствием нарушения гомеостаза и путей его восстановления.
Живой организм - открытая система, имеющая связь с окружающей средой посредством нервной, пищеварительной, дыхательной, выделительной систем и др.
В процессе обмена веществ с пищей, водой, при газообмене в организм поступают разнообразные химические соединения, которые в организме подвергаются изменениям, входят в структуру организма, но не остаются постоянно. Усвоенные вещества распадаются, выделяют энергию, продукты распада удаляются во внешнюю среду. Разрушенная молекула заменяется новой и т.д.
Целостность структуры полипептидов клетками не нарушается. Организм - открытая, динамичная система. В условиях непрерывно меняющейся среды организм поддерживает устойчивое состояние в течение определенного времени.
Греческое homoios - означает, подобный и stasis - состояние - относительное динамическое постоянство состава и внутренней среды организма. Это явление выработано эволюционно, как адаптационное свойство организма к условиям окружающей среды.
Вопрос 2
Сохранение целостности индивидуальных свойств организма один из наиболее общих биологических законов. Этот закон обеспечивается в вертикальном ряду поколений механизмами воспроизведения, а на протяжении жизни индивидуума - механизмами гомеостаза.
Явление гомеостаза представляет собой эволюционно выработанное, наследственно-закрепленное адаптационное свойство организма к обычным условиям окружающей среды. Однако эти условия могут кратковременно или длительно выходить за пределы нормы. В таких случаях явления адаптации характеризуются не только восстановлением обычных свойств внутренней среды, но и кратковременными изменениями функции (например, учащение ритма сердечной деятельности и увеличение частоты дыхательных движений при усиленной мышечной работе). Реакции гомеостаза могут быть направлены на:
1) поддержание известных уровней стационарного состояния;
2) устранение или ограничение действия вредностных факторов;
3) выработку или сохранение оптимальных форм взаимодействия организма и среды в изменившихся условиях его существования. Все эти процессы и определяют адаптацию.
Поэтому понятие гомеостаза означает не только известное постоянство различных физиологических констант организма, но и включает процессы адаптации и координации физиологических процессов, обеспечивающих единство организма не только в норме, но и при изменяющихся условиях его существования.
Основные компоненты гомеостаза были определены К. Бернаром их можно разделить на три группы:
А.. Материалы, обеспечивающие клеточные потребности:
- Вещества, необходимые для образования энергии, для роста и восстановления - глюкоза, белки, жиры.
- Вода.
- NaCl, Ca и другие неорганические вещества.
- Кислород.
- Внутренняя секреция.
Б. Окружающие факторы, влияющие на клеточную активность:
- Осмотическое давление.
- Температура.
- Концентрация водородных ионов (рН).
В. Механизмы, обеспечивающие структурное и функциональное единство:
- Наследственность.
- Регенерация.
- Иммунобиологическая реактивность.
Принцип биологического регулирования обеспечивает внутреннее состояние организма (его содержание), а также взаимосвязь этапов онтогенеза и филогенеза. Этот принцип оказался широкораспространненым. При его изучении возникла кибернетика - наука о целенаправленном и оптимальном управлении сложными процессами в живой природе, в человеческом обществе, промышленности (Берг И. А. 1962).
Живой организм представляет сложную управляемую систему, где происходит взаимодействие многих переменных внешней и внутренней среды. Общим для всех систем является наличие входных переменных, которые в зависимости от свойств и законов поведения системы преобразуются в выходные переменные.
Выходные переменные зависят от входных и законов поведения системы.
Влияние выходного сигнала на управляющую часть системы называется обратной связью, которая имеет большое значение в саморегуляции (гомеостатической реакции). Различают отрицательную и положительную обратную связь.
Отрицательная обратная связь уменьшает влияние входного сигнала на величину выходного по принципу: "чем больше (на выходе), тем меньше (на входе)". Она способствует восстановлению гомеостаза системы.
При положительной обратной связи величина входного сигнала увеличивается по принципу: чем больше (на выходе), тем больше (на входе). Она усиливает возникшее отклонение от исходного состояния, что приводит к нарушению гомеостаза.
Однако все виды саморегуляции действуют по одному принципу: самоотклонение от исходного состояния, что служит стимулом для включения механизмов коррекции. Так в норме рН крови составляет 7,32 - 7,45. Сдвиг рН на 0,1 приводит к нарушению сердечной деятельности. Этот принцип был описан Анохиным П. К. в 1935 г. и назван принципом обратной связи, который служит для осуществления приспособительных реакций.
Общий принцип гомеостатической реакции (Анохин: «Теория функциональных систем»):
отклонение от исходного уровня ──> сигнал ──> включение регуляторных механизмов по принципу обратной связи ──> коррекция изменения (нормализация).
Так, при физической работе СО2 в крови увеличивается ──> рН сдвигается в кислую сторону ──> сигнал в продолговатый мозг в дыхательный центр ──> центробежные нервы импульс и межреберным мышцам дыхание усугубляется ──> снижение СО2 в крови, рН восстанавливается.
Вопрос 3
Регуляторные гомеостатические механизмы функционируют на генном, клеточном и системном уровнях.
Генные механизмы гомеостаза. Все явления гомеостаза организма генетически детерминированы. Уже на уровне первичных генных продуктов существует прямая связь – «один структурный ген - одна полипептидная цепь». Причем между первичной структурной ДНК полипептидной цепи существует колинеарное соответствие. В наследственной программе индивидуального развития организма предусмотрено формирование видоспецифических характеристик не в постоянных, а в меняющихся условиях среды, в пределах наследственно обусловленной нормы реакции. Двуспиральность ДНК имеет существенное значение в процессах ее репликации и репарации. И то и другое имеет непосредственное отношение к обеспечению стабильности стабильности функционирования генетического материала.
С генетической точки зрения можно различать элементарные и системные проявления гомеостаза. Примерами элементарных проявлений гомеостаза могут служить: генный контроль тринадцати факторов свертывание крови, генный контроль гистосовместимости тканей и органов, позволяющий возможность трансплантации (пересадки органов и тканей и их приживление).
Пересаженный участок называется трансплантатом. Организм, у которого берут ткань для пересадки, является донором, которому пересаживают - реципиентом. Успех трансплантации зависит от иммунологических реакций организма. Различают аутотрансплантацию, сингенную, аллотрасплантацию и ксенотрансплантацию.
Аутотрансплантация - пересадка тканей у одного и того же организма. При этом белки (антигены) трансплантата не отличаются от белков реципиента. Иммунологическая реакция не возникает.
Сингенная трансплантация проводится у однояйцовых близнецов, имеющих один генотип.
Аллотрансплантация пересадка тканей от одной особи к другой, относящихся к одному виду. Донор и реципиент отличаются по антигенам, поэтому у высших животных наблюдается длительное приживление.
Ксенотрансплантация - донор и реципиент относятся к разным видам. Этот вид трансплантации удается у некоторых беспозвоночных, но у высших животных такие трансплантанты рассыпаются.
При трансплантации большое значение имеет явление иммунологической талерантности (терпимости) к чужеродным клеткам вследствие реакции отторжения. Подавление иммунитета в случае пересадки тканей (иммунодепрессия) достигается: подавлением активности иммунной системы, облучением, введением антилимфотической сыворотки, гормонов коры надпочечников, химических препаратов - антидепрессантов (имуран). Основная задача подавить не просто иммунитет, а трансплантационный иммунитет.
Трансплантационный иммунитет определяется генетической конституцией донора и реципиента. Гены, ответственные за синтез антигенов, вызывающих реакцию на пересаженную ткань, называются генами тканевой несовместимости.
У человека главной генетической системой гистосовместимости является система HLA (Human Leucocyte лейкоцит человека, система А). Антигены достаточно полно представлены на поверхности лейкоцитов и определяются с помощью антисывороток. План строения системы у человека и животных одинаков. Принята единая терминология для описания генетических локусов и аллелей системы HLA. Антигены обозначаются: HLA - A1; HLA - A2 и т.д. Новые антигены, окончательно не идентифицированные обозначают - W (Work). Антигены системы HLA делят на 2 группы: SD и LD.
Антигены группы SD определяются серологическими методами и детерминируются генами 3-х сублокусов системы HLA: HLA - A; HLA - B; HLA -C.
LD - антигены контролируются сублокусом HLA -D шестой хромосомы, и определяются методом смешанных культур лейкоцитов.
Каждый из генов, контролирующих HLA - антигены человека, имеет большое число аллелей. Так сублокус HLA - A - контролирует 19 антигенов; HLB - 20; HLC - 5 «рабочих» антигенов; HLA - D - 6. Таким образом, у человека уже обнаружено около 50 антигенов.
HLA главная генетическая система гистосовместимости человека.
 |
Антигенный полиморфизм системы HLA является результатом происхождения одних от других и тесной генетической связи между ними. Идентичность донора и реципиента по антигенам системы НLA необходима при трансплантации. Пересадка почки, идентичной по 4 антигенам системы, обеспечивает приживаемость на 70%; по 3 - 60%; по 2 - 45%; по 1 - 25%.
Имеются специальные центры, ведущие подбор донора и реципиента при трансплантации, например в Голландии - "Евротрансплантант". Начато типирование по антигенам системы в РБ.
Клеточные механизмы гомеостаза направлены на восстановление клеток тканей, органов в случае нарушения их целостности. Совокупность процессов, направленных на восстановление разрушаемых биологических структур называется регенерацией. Такой процесс характерен для всех уровней: обновление белков, составных частей органелл клетки, целых органелл и самих клеток. Восстановление функций органов после травмы или разрыва нерва, заживление ран имеет значение для медицины с точки зрения овладения этими процессами.
Проявление регенерации классифицируется в зависимости от пролиферативной активности тканей на 3 группы:
1. Ткани и органы, для которых характерны клеточная регенерация (кости, рыхлая соединительная ткань, кроветворная система, эндотелий, мезотелий, слизистые оболочки кишечного тракта, дыхательных путей и мочеполовой системы.
2. Ткани и органы, для которых характерна клеточная и внутриклеточная регенерация (печень, почки, легкие, гладкие и скелетные мышцы, вегетативная нервная система, эндокринная, поджелудочная железа).
3. Ткани, для которых характерна преимущественно внутриклеточная регенерация (миокард) или исключительно (клетки ганглии центральной нервной системы). Она охватывает процессы восстановления макромолекул и клеточных органелл путем сборки элементарных структур или путем их деления (митохондрии).
В процессе эволюции сформировалось 2 типа регенерации физиологическая и репаративная.
Физиологическая регенерация - это естественный процесс восстановления элементов организма в течении жизни. Например, восстановление эритроцитов и лейкоцитов, смена эпителия кожи, волос, замена молочных зубов на постоянные. На эти процессы влияют внешние и внутренние факторы.
Репаративная регенерация - это развитие органов и тканей, утраченных при повреждении или ранении. Процесс происходит после механических травм, ожогов, химических или лучевых поражениях, поражениях в результате болезней, хирургических операций.
Репаративная регенерация подразделяется на типичную (гомоморфоз) и атипичную (гетероморфоз). В первом случае регенерирует орган, который был удален или разрушен, во втором - на месте удаленного органа развивается другой.
Атипичная регенерация чаще встречается у беспозвоночных.
Регенерацию стимулируют гормоны гипофиза и щитовидной железы. Различают несколько способов регенерации:
1) Эпиморфоз - или полная регенерация - восстановление раненой поверхности, достраивание части до целого (хвост у ящерицы, конечности у тритона).
2) Морфоллаксис - перестройка оставшейся части органа до целого, только меньших размеров. Для этого способа характерно не дополнение до целого, а перестройка нового из остатков старого (конечности у таракана).
3) Эндоморфоз - восстановление за счет клеточной внутриклеточной перестройки ткани и органа. Благодаря увеличению числа клеток и их размеров масса органа приближается к исходному.
У позвоночных репаративная регенерация осуществляется в следующей форме:
1) Полная регенерация - восстановление исходной ткани после ее повреждения.
2) Регенерационная гипертрофия, характерная для внутренних органов. При этом раневая поверхность заживает рубцом, удаленный участок не отрастает и форма органа не восстанавливается. Масса оставшейся части органа увеличивается за счет увеличения числа клеток и их размеров и приближается до исходной величины. Так у млекопитающих регенерирует печень, легкие, почки, надпочечники, поджелудочная, слюнные, щитовидная железа.
3) Внутриклеточная компенсаторная гиперплазия ультраструктур клетки. При этом на месте повреждения образуется рубец, а восстановление исходной массы происходит за счет увеличения объема клеток, а не их числа на основе разрастания (гиперплазии) внутриклеточных структур (нервная ткань).
Вопрос 4
Системные механизмы обеспечиваются взаимодействием регуляторных систем: нервной, эндокринной и иммунной.
Нервная регуляция осуществляется и координируется центральной нервной системой. Нервные импульсы, поступая в клетки и ткани, вызывают не только возбуждение, но и регулируют химические процессы, обмен биологически активных веществ. В настоящее время известно более 50 нейрогормонов. Так в гипоталамусе вырабатывается вазопрессин, окситоцин, либерины и статины, регулирующие функцию гипофиза. Примерами системных проявлений гомеостаза являются сохранение постоянства температуры, артериального давления.
С позиций гомеостаза и адаптации нервная система является главным организатором всех процессов организма. В основе приспособления, уравновешивания организмов с окружающими условиями, по Н. П. Павлову, лежат рефлекторные процессы. Между разными уровнями гомеостатического регулирования существует частная иерархическая соподчиненность в системе регуляции внутренних процессов организма.
 |
Самый первичный уровень составляют гомеостатические системы клеточного и тканевого уровня. Над ними представлены периферические нервные регуляторные процессы типа местных рефлексов. Далее в этой иерархии располагаются системы саморегуляции определенных физиологических функций с разнообразными каналами "обратной связи". Вершину этой пирамиды занимает кора больших полушарий и головной мозг.
В сложном многоклеточном организме как прямые, так и обратные связи осуществляются не только нервными, но и гормональными (эндокринными) механизмами. Каждая из желез, входящая в эндокринную систему, оказывает влияние на прочие органы этой системы и в свою очередь испытывает влияние со стороны последних.
Эндокринные механизмы гомеостаза по Б. М. Завадскому - механизм плюс-минус взаимодействия, т.е. уравновешивание функциональной активности железы с концентрацией гормона. При высокой концентрации гормона (выше нормы) деятельность железы ослабляется и наоборот. Такое влияние осуществляется путем действия гормона на продуцирующую его железу. У ряда желез регуляция устанавливается через гипоталамус и переднюю долю гипофиза, особенно при стресс-реакции.
Эндокринные железы можно разделить на две группы по отношению их к передней доле гипофиза. Последняя, считается центральной, а прочие эндокринные железы - периферические. Это разделение основано на том, что передняя доля гипофиза продуцирует так называемые тропные гормоны, которые активируют некоторые периферические эндокринные железы. В свою очередь, гормоны периферических эндокринных желез действуют на переднюю долю гипофиза, угнетая секрецию тропных гормонов.
Реакции, обеспечивающие гомеостаз, не могут ограничиваться какой-либо одной эндокринной железой, а захватывает в той или иной степени все железы. Возникающая реакция приобретает цепное течение и распространяется на другие эффекторы. Физиологическое значение гормонов заключается в регуляции других функций организма, а потому цепной характер должен быть выражен максимально.
Постоянные нарушения среды организма способствуют сохранению ее гомеостаза в течение длительной жизни. Если создать такие условия жизни, при которых ничто не вызывает существенных сдвигов внутренней среды, то организм окажется полностью безоружен при встрече с окружающей средой и вскоре погибает.
Объединение в гипоталамусе нервных и эндокринных механизмов регуляции позволяет осуществлять сложные гомеостатические реакции, связанные с регуляцией висцеральной функции организма. Нервная и эндокринная системы являются объединяющим механизмом гомеостаза.
Примером общей ответной реакции нервных и гуморальных механихмов является состояние стресса, которое развивается при неблагоприятных жизненных условиях и возникает угроза нарушения гомеостаза. При стрессе наблюдается изменение состояния большинства систем: мышечной, дыхательной, сердечно-сосудистой, пищеварительной, органов чувств, кровяное давление, состав крови. Все эти изменения являются проявлением отдельных гомеостатических реакций, направленных на повышение сопротивляемости организма к неблагоприятным факторам. Быстрая мобилизация сил организма выступает как защитная реакция на состояние стресса.
При "соматическом стрессе" решается задача повышения общей сопротивляемости организма по схеме:
 |
В случае "психического стресса" при болевом и эмоциональном воздействии включается дополнительно функциональные изменения состояния коры больших полушарий, лимбической системы головного мозга, симпатической нервной системы, клеток мозгового слоя надпочечников и завершается выбросом в кровь адреналина.
Гомеостатические механизмы активные в состояние стресса, способны противостоять неблагоприятным условиям до определенного предела.
В развитии стресс-реакции различают три стадии:
1) Мобилизация защитных механизмов или тревоги.
2) Повышение сопротивляемости организма.
3) Истощение защитных механизмов.
Первые две - соответствуют сохранению гомеостаза, третья наступает при чрезмерных воздействиях и приводит к срыву механизмов гомеостаза.
Вопрос 5
Все жизненные процессы организма подчинены строгой ритмичности: суточной, месячной, годовой и т.д. Установлено, что проблемы влияния геофизических факторов на процессы адаптации человека тесно соприкасаются с проблемами биоритмологии. Главный признак ритмических процессов - их повторяемость, под ритмами понимают периодически повторяющиеся явление природы (А. М. Эмме, 1967). Ритмические колебания функций организма называют биологическими ритмами. Их можно охарактеризовать, как регуляторные количественные и связанные с ними качественные изменения некоторых особенностей биологических процессов, происходящих на разных уровнях организации живого: клеточном, тканевом, организменном и популяционном.
Ритм нервной системы определяет ритм возбуждения и торможения. Эндокринные железы имеют суточную ритмическую деятельность и, в то же время, определяют ритмы некоторых функций организма. Всем клеткам организма свойственен самостоятельный суточный ритм, не зависящий от гормонов.
Биологические ритмы, совпадающие по длительности с соответствующими геофизическими циклами, называют "экологическими" или "адаптационными". Это многолетние, годовые, сезонные, лунные, приливно-отливные и суточные изменения жизнедеятельности.
По степени зависимости от внешних условий биологические ритмы разделяют на экзогенные и эндогенные.
Экзогенные ритмы зависят от ритмики геофизических и космических факторов (фотопериодизация, температура, атмосферное давление, гравитация и т.д.).
Эндогенные ритмы совершаются при постоянных внешних условиях. Чаще всего - это суточные ритмы жизненных функций организма (митотическое деление клеток, секреция гормонов и т.д.).
Анализ хронобиологических закономерностей в общебиологическом эволюционном плане способствует глубокому изучению биологических механизмов гомеостаза человека и целенаправленному использованию эффективных средств, повышающих устойчивость к экстремальным факторам.
Вопрос 6
Оценивая гомеостаз организма в старости, следует иметь ввиду два важных обстоятельства.
1. Все гомеостатические величины сложнорегулируемы. Один и тот же уровень обмена и функции имеет в разные возрастные периоды неодинаковое внутреннее обеспечение. Так, артериальное давление у старых и молодых людей существенно не различается. Однако у молодых оно поддерживается за счет увеличения работы сердца, а у старых - за счет высокого тонуса сосудов.
2. Исходный уровень ряда функций в разные возрастные периоды различаются несущественно. Вместе с тем, надежность, потенциальные возможности, диапазон приспособления функций при старении существенно падают. Если использовать функциональные нагрузки, то отчетливо выявляются возрастные различия в уровне деятельности организма. Так, после физической нагрузки у пожилых людей уровень артериального давления, ритм сердечных сокращений, работа сердца, потребление кислорода медленнее возвращаются к исходной величине.
Следовательно, приспособительные механизмы, возникающие в ходе старения, оказываются уже недостаточными, чтобы сохранить уровень обмена и функции при различных нагрузках.
Итак, гомеостаз - большая проблема современной биологии и медицины потому, что явление гомеостаза означает не только сохранение постоянства, а оптимальное восстановление и приспособление организма в онтогенезе к условиям окружающей среды. С механизмами гомеостаза в онтогенезе связано качественное изменение свойств организма и его реактивность. Сама болезнь по своей биологической сущности также представляет собой проблему гомеостаза, нарушение его механизмов и путей восстановления. На основе закономерностей гомеостаза проводится разработка эффективных методов гигиены и рациональной терапии.
Зав. кафедрой,
Доцент Л.П. Гаврилова
«___» ___________________ 20__ г.