VIII. Структурные основы гомеостаза

Предыдущая: О структурной основе функций организма

После знакомства с материальной основой функции организма рассмотрим, каким образом на этой основе происходят непрерывные приспособительные изменения функциональной активности органов и тканей, обеспечивающие сохранение гомеостаза.

Использование с этой целью электронно-микроскопической авторадиографии показало, что интенсивность биосинтетических процессов неодинакова не только в разных клетках (рис. 44) и в одноименных ультраструктурах каждой клетки, например в ее митохондриях, ядрышках (рис. 45) и др., но даже и в пределах одной и той же ультраструктуры (рис. 46) (Саркисов Д. С. и др., 1975, 1980; Саркисов Д. С., 1977). При возрастании функциональной нагрузки на орган увеличивается число клеток, а также ультраструктур в каждой клетке, с интенсивным биосинтезом. Этот процесс охватывает как ядерные, так и цитоплазматические-структуры. Четким и точным структурным показателем колебаний функциональной активности ядерного аппарата является взаимоотношение эухроматина и гетерохроматина. Последний представляет собой конденсированную, несинтезирующую, другими словами - "покоящуюся" часть ядерного хроматина, в то время как эухроматин - активная, работающая его часть, на матрицах ДНК которой в данный момент интенсивно синтезируется РНК. Следовательно, увеличение объема эухроматина и соответствующее ему уменьшение объема гетерохроматина (общее количество хроматина в клетке стабильно) говорит об усилении функции клетки; противоположные изменения свидетельствуют о ее переходе в состояние относительного покоя. Сегодня с помощью электронно-микроскопической авторадиографии мы можем следить за этими взаимными превращениями эухроматина и гетерохроматина, т. е. по существу видеть тончайший процесс активации или, наоборот, притормаживания функции главного регуляторного аппарата клетки (рис. 47). Таким же путем регистрируется возрастание числа активно функционирующих цитоплазматических структур, например митохондрий, по мере которого их функциональная гетерогенность, отчетливо выраженная в состоянии покоя, делается все менее заметной.

Таким образом, результаты современных исследований не оставляют сомнений, что определенному уровню функциональной активности органа соответствует строго определенное, эквивалентное ему число интенсивно синтезирующих (обновляющихся) клеток и внутриклеточных структур. Этот принцип работы Г. Н. Крыжановский (1973, 1974) обозначает как закон перемежающейся активности функциональных структур и придает ему значение универсальной общебиологической закономерности. Биоэнергетический "смысл" асинхронности рабочих циклов одноименных структур состоит скорее всего в том, что благодаря ему для каждой структуры обеспечивается равномерное чередование периодов функциональной активности и покоя, т. е. оптимальные условия для их физиологической регенерации, а поскольку это чередование происходит в разных структурах в разное время, весь процесс в целом не испытывает частых перепадов функции и может протекать примерно на одном уровне столько времени, сколько необходимо в интересах всего организма.

Сказанное выше раскрывает первый универсальный механизм материального обеспечения приспособительных колебаний функциональной активности органов, который заключается в том, что этим колебаниям соответствует варьирование числа активно работающих структур из имеющихся в норме.

Но функциональная нагрузка на системы, например на клетку, может возрастать или быть длительной, и тогда для сохранения гомеостаза одного только включения в работу имеющихся в наличии ультраструктур уже не хватает, во-первых, в связи с тем, что требуемый от клетки объем функции уже стал превышать предел, которого она может достигнуть при условии даже одновременной работы всех ее органелл. Во-вторых, даже если количество имеющихся ультраструктур формально н можно считать достаточным, но синхронная работа их нарушает упомянутый принцип перемежающейся функциональной активности и тем самым нормальное течение физиологической регенерации, то уже само по себе это должно вести к прогрессирующему дефициту структур, развитию дистрофии, а затем и к некрозу клетки. Чтобы и в этих хронически напряженных условиях работы сохранить принцип попеременного включения ультраструктур в активную функцию, т. е. поддержать уровень их регенерации, обеспечивающий уравновешивание интенсивно текущих процессов распада столь же интенсивными процессами синтеза, в клетке увеличивается число ультраструктур, а также размеры каждой из них (рис. 48).

Гиперплазия цитоплазматических структур (рис. 49), ответственных за выполнение специфической функции данной клетки, сопровождается соответствующей гиперплазией и ядерного аппарата: увеличиваются размеры и число ядрышек, ответственных за синтез РНК (рис. 50), происходит полиплоидизация ядра, т. е. увеличение количества ДНК, ядро гипертрофируется или образуются двухъядерные клетки. Такие гиперпластические процессы развертываются в мышечных клетках усиленно работающего миокарда, в фибробластах грануляционной ткани, в гепатоцитах, в почечном эпителии при компенсаторной гипертрофии оставшейся почки после нефрэктомии (Зуфаров К. А., 1973) и в других органах. В результате этих ядерно-цитоплазматических изменений происходит расширение материальной базы клетки, которая в таких условиях даже напряженную деятельность может осуществлять в соответствии с принципом перемежающейся активности структур, т. е. при сохранении равновесия между диссимиляцией и ассимиляцией. "Внешне" в световом микроскопе эта приспособительная реакция выражается в гипертрофии клетки - феномене, известном морфологам еще с прошлого века. Подобно увеличению числа ультраструктур в рамках клетки возможно и увеличение числа клеток в рамках органов, клетки которых способны размножаться. Отсюда ясно, что гипертрофия печени, почки и других органов обусловливается увеличением числа клеток и гипертрофией последних; утолщение же мышцы сердца происходит преимущественно или только в результате гипертрофии миоцитов, т. е. гиперплазии их ядерных и цитоплазматических структур.

Таким образом, второй универсальный механизм материального обеспечения приспособительной интенсификации функций состоит в увеличении числа структур (органелл в клетках и самих клеток) соответственно уровню требуемого от органа функционального напряжения.

Существует еще и такая форма приспособительной реакции, как адаптационное изменение метаболизма клеток. Когда, например, регенерирует печень после травматического ее повреждения, возродившаяся ткань, по-видимому, существенно не отличается от погибшей. Иной результат имеет место при регенерации органа, происходящей после того или иного токсического воздействия. Хорошо известный факт повышения устойчивости клеток к повторным патогенным воздействиям свидетельствует о том, что при этом возрождается ткань, отличающаяся от погибшей, характеризующаяся, несмотря на морфологическое сходство с ней, новыми физиологическими особенностями. Последние имеют свою структурную основу, локализующуюся на молекулярном уровне, и касаются изменений соответствующих ферментных систем.

Принципиальное значение в плане проблемы приспособительных перестроек метаболизма клеток имеет наблюдение Л. А. Тиунова и соавт. (1970), Л. А. Тиунова (1973), установивших, что интенсификация репаративной регенерации печени в условиях нарастающей частоты действия гепатотоксического агента (фурфурола) сопровождается соответствующей интенсификацией синтеза некоторых адаптивных ферментов, в частности повышением активности ксантиноксидазы, обеспечивающей метаболизм альдегидов. При ежедневном введении препарата активность этого фермента была значительно усилена, в то время как при более редких инъекциях она существенно не отличалась от таковой у контрольных животных. Мы касаемся этого аспекта проблемы гомеостаза, казалось бы находящегося за пределами структурного анализа и соответственно вне компетенции морфолога, потому что и здесь в основе приспособительной реакции организма лежит вполне определенная материальная "подкладка" в виде увеличения числа реагирующих молекул фермента, изменения их пространственной структуры и т. д. Поэтому важно подчеркнуть, что хотя эти изменения пока и недоступны глазу исследователя, но в принципе сходны с развертывающимися на вышестоящих уровнях.

Сегодня категорически отрицать возможность работы одной и той же структуры с разной интенсивностью, может быть, было бы преждевременным. Однако в тех случаях, когда морфологический анализ какой-либо деятельности организма удается довести до обеспечивающей ее элементарной структуры, оказывается, что повышение функциональной активности всегда связано с увеличением числа этих структур. Так, ускоренный синтез ДНК в печеночной ткани связан с увеличением числа синтезирующих ДНК клеток. Но клетка в свою очередь не является элементарной структурой, синтезирующей ДНК; этот синтез осуществляется путем отдельных ДНК-матриц (репликонов). Число их в клетке строго постоянно и соответствует ее плоидности. Следовательно, если справедливо наше предположение, что скорость процесса определяется числом участвующих в нем структур, то скорость синтеза ДНК в отдельных клетках должна быть постоянной. Экспериментальные данные показывают, что скорость синтеза ДНК, действительно, отличается значительной стабильностью: патогенное вмешательство может ее замедлить и соответственно удлинить S-период (Чхолария Н. Д., Хуссар Ю. П., 1976; Schneiderman М. et al., 1977), но пока не найдено способов сократить его (Mazia D., 1974).

Электронно-авторадиографические исследования дают серьезные основания полагать, что и увеличение скорости синтеза РНК является результатом не форсированной работы тех же самых генов, которые транскрибировались до стимулирующего воздействия, а вовлечения в транскрипцию новых генов. В этом нас убеждают приведенные выше данные о взаимоотношении эухроматнна и гетерохроматина.

Наиболее простой работающей единицей в клетке является молекула. Большинство протекающих в клетках процессов осуществляется множеством одинаковых молекул. Может ли каждая из них работать с большей или меньшей скоростью или суммарная скорость биологического процесса определяется числом занятых в нем молекул? Рассмотрим этот вопрос на примере молекул, наиболее специфичных для биологических систем - ферментов. Хотя механизм ферментативного катализа сложен и многие его стороны пока неясны, он в последние годы подвергся чрезвычайно интенсивному изучению, и накопленный материал позволил биохимикам сформулировать некоторые положения, представляющие интерес для затронутой нами темы.

Известно, что скорость биологического катализа регулируется количеством фермента и его активностью (Хочака П., Семеро Д., 1977). Первый фактор, представляющий собой число молекул фермента, имеющихся в исследуемой системе, не противоречит предположению о том, что скорость процесса определяется числом работающих единиц. Что же касается второго фактора, то, по современным представлениям, активность фермента зависит от взаимодействия с низкомолекулярными метаболитами, называемыми модуляторами. Согласно этим представлениям, не все молекулы, имеющиеся в системе, принимают участие в катализе, а лишь те, которые связаны с положительными модуляторами - активаторами. Те же молекулы фермента, которые связываются с отрицательными модуляторами - ингибиторами, претерпевают при этом конформационное изменение, не допускающее соединения фермента с субстратом и, следовательно, участия в катализе. Эта признанная в настоящее время модель ферментной системы исключает возможность промежуточных состояний между активацией и ингибированием (Леви А., Сикевиц Ф., 1971; Koschland D., 1973).

Зависимость действия ферментов от физических параметров среды, например температуры, также объясняется (Хочака П., Сомеро Д., 1977) изменением их сродства к тем или иным видам модуляторов, т. е. опять таки изменением числа участвующих в процессе рабочих единиц.

Итак, сегодня большинство фактических данных молекулярной и субклеточной (ультраструктурной) патологии свидетельствуют в пользу того, что любое изменение интенсивности биологических реакций обязательно сопряжено с эквивалентным изменением числа обеспечивающих их структур. Этот принцип проходит через все уровни организации, начиная от молекулярного и кончая органным, т. е. является одной из всеобщих закономерностей биологических процессов.

Из этого положения вытекает вывод, что феномена гипертрофии как увеличения чего-то однородного, цельного в принципе вообще не существует и что в конечном счете в основе увеличения любой структуры организма всегда лежит только гиперплазия составляющих ее еще более мелких структур. В самом деле, при увеличении размеров органа речь идет об увеличении числа составляющих его клеток; гипертрофия отдельной клетки обусловливается увеличением числа ее органелл - митохондрий, рибосом, протяженности эндоплазматической сети; в основе увеличения размеров (гипертрофии) отдельных митохондрий, пластинчатого комплекса и т. д. лежит опять-таки гиперплазия их субъединиц, т. е. ультраструктур органелл и т. д. (феномен "матрешки"). Конечно, мы можем по-прежнему говорить о гипертрофии миокарда, скелетной мышцы и т. д., но при этом должны помнить, что всегда имеем дело с гиперплазией тех или иных структур, а не просто с увеличением их объема.

Продолжение: Роль биоритмов в поддержании постоянства внутренней среды организма, их структурные основы и регуляция

К оглавлению

Литература [показать]