Регенерация органоидов цитоплазмы

Введение

Регенерация – свойство живых организмов заново образовывать какие-либо структурные части, утраченные или поврежденные в результате разнообразных причин. Данное явление, как и размножение, относится к тем изначальным, основополагающим свойствам всего живого, без которых невозможно сохранение жизни на Земле. Без регенерационной способности любое повреждение или заболевание было бы фатальным для всех существ, независимо от их уровня организации [1, с. 9]. При этом именно отмирание и распад структурных элементов, в основе которых лежат различные причины, играют пусковую роль и являются движущей силой регенерационных процессов в организме [11].
В биологическом смысле данное явление представляет собой приспособительный процесс, выработанный в ходе эволюции и присущий всему живому. В жизнедеятельности организма каждое функциональное отправление требует затрат материального субстрата и его восстановления. Следовательно, при регенерации происходит самовоспроизведение живой материи, причем это самовоспроизведение живого отражает принцип ауторегуляции и автоматизации жизненных отправлений [13].
Установлено, что регенеративное восстановление структуры может происходить на разных уровнях – молекулярном, субклеточном, клеточном и органно-тканевом. При этом речь всегда идет о возмещении структуры, которая способна выполнять специализированную функцию. Таким образом, регенерация – это восстановление как структуры, так и функции структурных элементов. Ее главная задача заключается в материальном обеспечении гомеостаза [13].
Восстановление клеточных органелл – существенный элемент устойчивости клеток. Внутриклеточные структуры подвержены негативному воздействию различных физических, химических и биологических агентов. В результате многочисленных исследований было установлено, что как одномембранные, так и двумембранные органеллы общего значения имеют высокий потенциал к регенерации, которая совершается различными путями и характеризуется неодинаковой скоростью [4].
Стоит отметить, что в последние годы отмечается некоторый спад интереса непосредственно к проблеме регенерации. Однако ее изучение имеет огромное значение для медицины. Оно связано с новой и широко разрабатываемой проблемой проведения клеточной терапии [1], которая включает проведение лечебных мероприятий, направленных на восстановление нарушенных функций клетки за счет усиления естественных регенерационных процессов [6]. Без знания основных закономерностей их регенерации адекватная оценка эффективности этого метода лечения невозможна [1].
Вопрос о механизмах протекания и регуляции процессов восстановления цитоплазматических органелл, несмотря на их чрезвычайную важность, остается наиболее сложным и наименее изученным в современном учении о регенерации. Вместе с этим мало данных о механизмах, контролирующих регенерационные процессы [6]. Все вышеперечисленное определяет актуальность выбранной темы реферата.
Цель данной работы: изучение регенерации цитоплазматических органелл.
В задачи данной работы входит:
изучение понятия регенерации и ее основных видов;
анализ особенностей регенерации клеточных органелл;
изучение основных механизмов регенерации цитоплазматических органелл.


1 Понятие регенерации


Регенерация – морфогенетический процесс замены различных структур (от частей клеток до крупных частей тела) после естественного изнашивания или случайной утраты, результатом которого является сохранение целостности организма и восстановление утраченной функции. Регенерация как биологическое явление привлекла внимание много веков назад.
Людям с древних времен была хорошо известна способность растительных и животных организмов заживлять раны и восстанавливать утраченные части, что нашло свое отражение в фольклоре и мифологии. Так, например, широко известные мифы о Прометее и Лернейской гидре основаны на возможности организмов регенерировать [17, с. 5-7]. Первые письменные упоминания о существовании такого явления относятся к концу I тысячелетия до н.э. В частности, об этом упоминается в трудах Аристотеля, Плиния младшего и Святого Августина.
Планомерное экспериментальное изучение регенерации следует отнести к началу XVIII века. Непосредственным толчком к развитию экспериментального периода изучения данного явления послужили повторяющиеся рассказы нормандских рыбаков и крестьян провинции Смалагу об удивительных находках, свидетельствующих о возможности отрастания новых ножек у раков, лучей у морских звезд и недостающих частей тела у червей. Однако в течение многих лет эти рассказы, вызывая у слушателей неизменный интерес, становились лишь предметом досужих разговоров и сюжетом новых сказок и поверий. Тем не менее, рано или поздно, такие рассказы все же находят нужного слушателя. Им в данном случае оказался Ренэ Антуан Реомюр (1683-1757 гг.), член Французской академии наук (рисунок 1). Именно он стал первым, кто стал изучать регенерационные процессы [1].


Рисунок 1 – Ренэ Антуан Реомюр

Биохимическая основа регенерации – распад и восстановление молекулярного состава, структурно-пространственной организации и функций, характерных для каждой ткани и органа. Для развития регенерационного процесса в клетках и тканях большую роль играют сдвиги в обмене веществ (гипоксия, повышенный гликолиз, ацидоз и другое) в поврежденном органе, стимулирующие регенераторные процессы (понижение поверхностного натяжения мембран клеток, их миграция), включение клеток в митотический цикл [11].


1.1 Виды регенерации


Согласно Д.С. Саркисову, выделяют клеточную и внутриклеточную регенерацию. Первая характеризуется увеличением численности клеток (благодаря делению) при неизменности их размеров. Внутриклеточная регенерация проявляется увеличением размера клеток и их компонентов, повышением активности внутриклеточных структур [15].
Преобладание той или иной формы регенерации в определенных органах и тканях определяется их функциональным назначением, структурно-функциональной специализацией. Необходимость сохранения целостности покровов тела объясняет, например, преобладание клеточной формы регенерации эпителия как кожи, так и слизистых оболочек. Специализированная функция пирамидной клетки головного мозга, как и мышечной клетки сердца, исключает возможность деления этих клеток и позволяет понять необходимость отбора в фило- и онтогенезе внутриклеточной регенерации как единственной формы восстановления данного субстрата [13].
Отметим, что внутриклеточная регенерация включает в себя молекулярную, внутриорганеллную и органеллную формы. При этом показателем интенсивности этих процессов является ядерно-цитоплазматическое соотношение – стабильный параметр, отражающий уровень метаболических процессов в клетках на различных этапах их развития и жизнедеятельности [12]

.
Внутриклеточная и клеточная регенерации регулируются определенными регуляторными механизмами:
Нервные механизмы регенерации определяются трофической функцией нервной системы, регуляцией крово- и лимфообращения.
Гуморальные механизмы регуляции связаны с деятельностью органов и клеток эндокринной системы (гормоны, медиаторы), с внутриклеточными регуляторами (циклические аденозин-3,5-монофосфат и гуанозин-3,5-монофосфат) и деятельностью репаративных ферментов.
Важнейшим механизмом и стимулирующей силой регенерации являются физиологические потребности в обновлении или замещении утраченной ткани или части органа, или функциональный стимул.
Иммунологические механизмы регуляции регенераторного процесса определяются закономерностями поддержания иммунологического гомеостаза, деятельностью иммунокомпетентных клеток.
Внутриклеточными регуляторами являются также тканево-специфические ингибиторы (митозакейлоны) и их антагонисты (антикеплоны), которые оказывают соответствующее влияние на синтез ДНК, РНК и специфических белков.
Приведём классификацию регенерации, в основу которой положена первопричина повреждения или утраты каких-либо структур организма. Различают физиологическую и репаративную регенерацию.
Под физиологической регенерацией в настоящее время понимают восстановление органов, тканей, клеток и субклеточных структур, утраченных в процессе завершения их жизненного цикла или при выполнении своих функций.
До середины ХХ века под физиологической регенерацией понимали только клеточное обновление. Однако под влиянием накопившихся фактов спектр явлений, относимых к физиологической регенерации, был существенно расширен. К данному виду регенерации относят обновление внутриклеточных структур, которое в настоящее время также признается многими авторами [1].
В физиологической регенерации выделяют две фазы: разрушительную и восстановительную. Полагают, что продукты распада части клеток стимулируют пролиферацию других. Большую роль в регуляции клеточного обновления играют гормоны. Физиологическая регенерация присуща организмам всех видов, но особенно интенсивно она протекает у теплокровных позвоночных, так как у них вообще очень высока интенсивность функционирования всех органов по сравнению с другими животными [14].
Под репаративной регенерацией понимают восстановление организмов, органов, тканей и клеток, поврежденных или утративших часть своих структур в результате внешних воздействий: травмы, аутотомии, оперативного вмешательства, физических, химических и болезнетворных влияний, вызванных ишемией, нарушением нервной регуляции, вирусами и микроорганизмами и прочими причинами [1].
В настоящее время доказано, что регенерация, как физиологическая, так и репаративная, всегда развертывается стереотипным комплексом реакций на базе сохранившихся структур. Одним из определяющих моментов полного восстановления элементов является целостность мембранных образований клетки, будь то мембраны митохондрий, системы эндоплазматической сети, ядерные или цитоплазматические мембраны, что объясняет необходимость их защиты или стабилизации [3].


2 Особенности регенерации клеточных органелл


В процессе жизнедеятельности клетки происходит постоянное изнашивание и обновление ее структурных компонентов: в течение нескольких часов или дней постепенно полностью обновляются все молекулы биополимеров, из которых построены мембраны и немембранные компоненты клетки замещаются на новые. Это особенно важно для клеток, которые не способны размножаться и регенерировать на клеточном уровне (нейроны, клетки миокарда) [2].
Благодаря возросшим в XX веке научно-техническим возможностям, в настоящее время известны цитологические основы реакции клеток, их ядра и других внутриклеточных структур. Анализу этого аспекта изучения регенерации большое внимание уделялось в ряде лабораторий, в том числе возглавляемых С. И. Щелкуновым, З. С. Кацнельсоном, Л. Н. Жинкиным, Д. С. Саркисовым, Л. К. Романовой, В. Я. Бродским. Данные, полученные в этих лабораториях, расширили представления не только о ходе посттравматической регенерации, но и внесли существенное изменение в понимание процессов физиологической регенерации.
Д. С. Сакисов и его сотрудники (Б. В. Втюрин, А. А. Пальцын, В. П. Туманов и другие) обнаружили, что для некоторых тканевых систем восстановление обусловлено размножением и гипертрофией внутриклеточных структур, проявляющимися на светооптическом уровне гипертрофией клеток. Этот способ восстановления, названный Д. С. Саркисовым «внутриклеточной регенерацией», для таких тканей, как нервная, является единственно возможным, а для миокарда – преимущественным.
Электронная микроскопия в сочетании с электронной авторадиографией дала возможность определять и контролировать структурные перестройки цитоплазмы в динамике восстановительных процессов, при нормальном осуществлении функции органа, усиленных функциональных нагрузках, воздействии различных факторов, в том числе патогенных.
Использование цитофотометрии позволило расширить представления о восстановительной реакции ядра в ответ на повреждение того или иного органа. Благодаря работам В. Я. Бродского, З. А. Рябининой, В. А. Бенюша, И. В. Урываемой, была определена восстановительная суть полиплоидии при регенерации, и в частности, на примере регенерации печени. Цитофотометрия и авторадиография показали, что в ядрах регененирующей печени идет усиленный синтез ДНК, в результате которого геном клетки увеличивается вдвое, ядро становится полиплоидным, функционально более мощным, как и вся клетка в целом. Метод авторадиографии позволил также подойти к решению вопроса об источниках клеточного материала различных тканей, решить вопрос о так называемой дедифференцировке клеток и их редиффренцировке [1].
В настоящее время установлено, что ультраструктуры клеток образуются из аналогичных ультраструктур путем их деления, почкования или расщепления. Наиболее устойчивой структурой клетки по отношению к патогенным воздействиям является ядро клетки, индуцирующее и регулирующее все биосинтетические процессы в цитоплазме. Даже при гибели значительной части цитоплазмы и ее ультраструктур, но при сохранении ядра структура клетки может восстановиться, если же повреждено ядро, то клетка погибает [18].
Внутриклеточные регенераторные процессы представляют собой комплекс изменений, синхронно затрагивающих как ядерный аппарат, так и цитоплазматические структуры.
Репаративные явления в ядрах выражается в восстановлении строения нуклеоплазмы, увеличении числа пор ядерной оболочки и их размера, а также величины и количества ядрышек