Лекция по биологии. Рост. Регенерация.

Рост

Рост – увеличение массы и линейных размеров организма.

Рост может происходить за счет : Роста числа клеток (кожа, легкие, печень, почки) Роста размеров клеток (жировые, нервные клетки) Нарастания межклеточного вещества (кость) Жировые клетки желтобрюхого сурка до и после зимней спячки

Различают : Изометрический (пропорциональный) Аллометрический (непропорциональный) встречается чаще Аллометрический рост у человека и манящего краба

Рост бывает: Ограниченный (большинство видов, включая человека) Неограниченный (рыбы, крысы)

Кривые роста у человека: А – абсолютный рост и Б – годичный прирост длины тела. (наблюдение 18 века) пубертатный скачок роста

Рост – мультифакториальный признак На рост влияют много генов На рост влияют факторы среды

Регуляция роста : Местно: тканевые факторы роста - небольшие полипептиды, которые стимулируют или ингибируют пролиферацию определенных типов клеток. Их описано несколько десятков, например, фактор роста эпидермиса, фактор роста фибробластов и др. На уровне организма: нервные и гуморальные влияния, например, гормон роста. Факторы среды: например, изменение питания (японцы в 20 веке подросли на 20 см, возможно из-за введения в рацион молочных продуктов)

Акселерация (от лат. acceleratio ускорение) ускоренное развитие живого организма. (У человека, наблюдается в последние 150 лет) Признаки акселерации: на 1-3 года раньше появляются признаки наступления зрелого возраста (смена зубов, окостенение скелета, формирование вторичных половых признаков); увеличивается средний рост; удлиняется репродуктивный период у женщин и у мужчин, как за счёт более раннего наступления половой зрелости, так и позднего угасания половой функции

Гипотезы, объясняющие акселерацию Улучшение характера питания, особенно в последние три десятилетия после второй мировой войны. Гипотезы связанные с гетерозисом – увеличением числа смешанных браков и ростом гетерозиготности. Группа гипотез связанных с влиянием факторов среды Кох (E. W. Koch), 1935, который предложил термин акцелерация, придавал значение увеличению светового дня за счет электрического освещения. Трейбер (T. Treiber), 1941 связывал акцелерацию с влиянием радиоволн. Интоксикация солями алюминия, вследствие широкого использования в прошлом веке алюминиевой посуды. Известно, что соли алюминия откладываются в зонах роста костей и препятствуют их своевременному закрытию. В настоящее время, алюминиевая посуда почти вышла из употребления, что привело к приостановке процесса акселерации Гипотеза о влиянии гормональных стимуляторов роста, поступающих вместе с мясом животных, выращенных на этих стимуляторах. Гормоны для ускорения роста животных начали применять с 1960-х годов.

Регенерация

Регенерация – способность живых организмов к восстановлению своих структур. Можно сказать, что регенерация это вторичный рост Термин предложен в 1712 г. французским учёным Р. Реомюром, изучавшим восстановление ног речного рака.

Регенерация подразделяется на физиологическую – восстановление структур организма, изнашивающихся в ходе нормальной жизнедеятельности репаративную – восстановление структур после повреждений. Между двумя видами регенерации нет резкой границы: репаративная регенерация. – это усиленная физиологическая

Физиологическая регенерация

Физиологическая регенерация происходит на разных уровнях: молекул (например, репарация ДНК) клеточных органоидов (например, образование новых рибосом) клеток (образование новых клеток путем деления) тканей (например, рост эпителия матки в ходе менструального цикла) органов (рога у оленей)

По тому, как протекает регенерация, выделяют 3 типа тканей: Лабильные, или обновляющиеся (например, кровь, эпителиальная ткань). Регенерация идет путем постоянного деления клеток Стабильные (печень, почка, кость, хрящ). Клетки обычно не делятся, но могут начать делиться в ответ на повреждение Статичные (мозг, сердечная мышца, сетчатка глаза) не способны к делению, регенерация идет только на субклеточном уровне

S G2G2 G1G1 M дифференцировка гибель Вспомним понятия жизненного и митотического цикла клетки

Циклин Е Циклин Д Циклин А Циклин В Циклины – белки, регулирующие деление клетки

Лабильные, постоянно делящиеся клетки называют стволовыми (stem cells) Постоянно делятся Начинают дифферен- цироваться Stem по-английски – ствол, но также – происходить, вести свой род

Стабильные клетки были известны еще древним Примером служит печень, клетки которой способны вновь начать делиться, если необходимо А какой древнегреческий герой изображен художником и что клюет ему орел?

Статичные клетки не способны начать вновь делиться Примером служат нервные клетки с их сложными и разветвленными связями

Репаративная регенерация Репаративная регенерация происходит в ответ на повреждение. Имеет те же механизмы, но идет активнее физиологической

Виды повреждающих факторов Механические травмы (в том числе - хирургическое повреждение) Физические факторы (излучение, ожоги, обморожение) Химические вещества (лекарства, яды, спирт) Биологические (вирусы и прочие паразиты) Голодание Прекращение кровоснабжения (инфаркт)

Регенерация в ответ на повреждение может быть: Полная – структура восстанавливается полностью Неполная Типичная – восстанавливается то, что и было утрачено (гомоморфоз) Атипичная (гетероморфоз) – структура отличается от исходной

Основные способы репаративной регенерации Морфаллаксис – перегруппировка оставшихся клеток и восстановление животного в уменьшенном виде Эпиморфоз – отрастание утраченного органа от раневой поверхности Эндоморфоз – восстановление внутренних органов Викарная гипертрофия – увеличение второго парного органа после удаления первого

Регенерация путем морфаллаксиса у планарии и гидры

Регенерация конечности после ампутации у саламандры – пример эпиморфоза

хрусталик (будет удален) радужка Регенерация хрусталика у тритона (эпиморфоз) Последовательные стадии регенерации пигментный и зрительный слои сетчатки АБ ВГДЕ

Эндоморфоз – регенерация внутренних органов Печень является одним из немногих органов, способных восстанавливать первоначальный размер даже при сохранении всего лишь 25 % нормальной ткани. Удаление ¾ печени у крысы в эксперименте

Викарная гипертрофия – удаление парного органа ведет к увеличению оставшегося

Регуляция регенерации сложна. В общем виде ее можно разделить на: Местную – факторы роста тканей Дистантную – нервная и гуморальная регуляция Факторами внешней среды

Пример местной регуляции: регенерация хрусталика амфибии (А – Г) тормозится, если в глаз подсажен живой хрусталик (Д) и не тормозится при подсадке мертвого, парафинированного хрусталика (Е) 1 – радужка, 2 – хрусталик, 3 – регенерирующий хрусталик, 4 – роговица, 5 – парафинированный мертвый хрусталик, 6 – живой хрусталик 6

Пример роли нервной системы Регенерация конечности у аксолотля (стадии В – Е) происходит только на стороне, где сохранено нервное сплетение

Пример роли факторов среды (в данном случае механического повреждения) Если у планарии удалить половину, а на оставшуюся нанести насечки – появится несколько головных отделов

Нарушение регенерации

У рака есть глаза и усики Если глаз удаляется вместе с ганглием, то регенерирует усик усик место удаленного глаза нервные ганглии глаз Усик глаз Атипичная регенерация - гетероморфоз

Атипичная регенерация печени: после сильного повреждения гепатоциты восстанавливаются медленнее, чем соединительная ткань – возникает цирроз Нормальная печень Цирроз печени (алкогольный или после гепатита)

Механические причины – хвост ящерицы обломился не до конца; личинки трематод нарушили рост конечностей

При псориазе отмечен избыток фактора роста эпидермиса – чешуйки слущиваются слишком быстро

О некоторых современных подходах к регенерации и клеточных технологиях любезно согласился рассказать заместитель директора по науке института биологии развития РАН доктор биологических наук Андрей Валентинович Васильев

Немного о стволовых клетках

В 1999 году журнал Science признал открытие эмбриональных стволовых клеток третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека».

Александр Александрович Максимов (22 января (3 февраля) 1874, Санкт- Петербург 4 декабря 1928, Чикаго) выдающийся российский учёный, гистолог и эмбриолог, член-корреспондент РАН. Активное внедрение метода тканевых культур в России, разработка гипотезы о существовании «полибластов», экспериментально-научное обоснование унитарной теории кроветворения, введение в науку понятия о стволовых клетках вот лишь немногие заслуги А. А. Максимова, на основе которых разрабатывается современная клеточная биология и регенеративная медицина не только в России, но и во всём мире.

Виды стволовых клеток 1. тотипотентная стволовая клетка – зигота и бластомеры первых нескольких делений дробления - способна дать целый организм. 2. плюрипотентные (омнипотентные) стволовые клетки клетки эмбриобласта бластоцисты, способны дать все типы тканей 3. мультипотентные (бластные) стволовые клетки – незрелые клетки тканей (остеобласты, миобласты и др.) 4. унипотентные клетки тканей организма – дают только 1 тип клеток. Эмбрио- нальные стволо- вые клетки Неэмбрио- нальные стволо- вые клетки

Эмбриональные стволовые клетки

Характеристики эмбриональных стволовых клеток Тотипотентность способность образовывать любую из примерно 350 типов клеток организма (у млекопитающих) Хоуминг способность стволовых клеток, при введении их в организм, находить зону повреждения и фиксироваться там, исполняя утраченную функцию Теломеразная активность. При каждой репликации часть теломер утрачивается. В стволовых, половых и опухолевых клетках концы хромосом надстраиваются, то есть эти клетки способны проходить потенциально бесконечное количество клеточных делений, они бессмертны.

Эмбриональные стволовые клетки имеют перспективы применения в регенеративной медицине и замещении поврежденных тканей. Но есть опасность их перерождения в раковые клетки. Нембриональные стволовые клетки используются для терапии различных заболеваний уже сейчас.

Потенциальные возможности применения стволовых клеток.

Использование стволовых клеток в России Распоряжением Правительства РФ от 23 декабря 2009 г р Минздравосцразвития России, Минпромторгу России и Минобрнауки России поручено до конца 2010 г. разработать и представить на рассмотрение в Государственную думу РФ проект закона «О применении биомедицинских технологий в медицинской практике», регламентирующего медицинское применение стволовых клеток, как одной из биомедицинских технологий.