Текст книги "Биология"

Особенности регенерации на органном уровне: Регенерация парных органов

При удалении или гибели одного из парных органов, оставшейся испытывает изменения, которые получили название компенсаторная гипертрофия. Суть процесса состоит в увеличении массы одного из парных органов вследствие отсутствия контрлатерального. Подобным образом перестраиваются почки, легкие, яичники, семенники. При этом масса оставшегося органа может достигать 70—80% исходной массы обоих органов и функция практически не изменяется. Как долго система может быть компенсирована? Вопрос, требующий специальной разработки с учетом конкретной ситуации и объекта.

Регенерация патологически измененных органов

Это специальный раздел в учении о регенерации, в котором вопросов больше, чем ответов. Как происходит восстановление органов, где патологический процесс вызвал появление структур нетипичных для данного органа? Информация, касающаяся отдельных органов, например, печени свидетельствует о высокой надежности восстановительных систем органа. Резекция значительного фрагмента при циррозе печени с сохранением нормально функционирующего участка сопровождается развитием полноценной ткани, что спасает больному жизнь. В отношении других органов исследования продолжаются.

Развитие представлений в учении о регенерации

В учении о регенерации можно выделить два периода:

а) накопления фактов,

б) анализа фактов, их синтеза и практического использования.

Начиная с работ А. Трамбле, показавшего удивительные возможности гидры, а также экспериментов на планариях, ученые перешли к более высоко организованным животным. При этом сложилось мнение, что с усложнением организации живых организмов способность к регенерации падает. Это мнение настолько утвердилось в биологии, что его пытались ввести в ранг закона. Однако детальный анализ показал, что из предлагаемого правила имеются многочисленные исключения. Так, круглые черви, относимые к низшим червям, регенерируют исключительно плохо, а находящиеся над ними представители высших червей – кольчатые черви – обнаруживают хорошие регенеративные потенции. Считалось, что у млекопитающих и птиц – высших позвоночных и теплокровных животных, регенерация протекает несравненно слабее, чем у низших позвоночных – амфибий, способных восстанавливать лапы и хвосты после ампутации. Однако, детальные исследования проведенные биологами и медиками показали, что у высших позвоночных хорошо регенерируют внутренние органы: печень, щитовидная железа, яичники, и даже компоненты скелета, если для этого создать определенные условия. В целом, в ходе филогенеза регенерационные процессы не ослабевали, что противоречило бы сущности эволюции. Изменялись лишь их формы и направления на отдельных уровнях организации живого.

Проблема регенерации – одна из центральных в современной медицине. Ускорить репаративные процессы в организме, добиться регенерации плохо регенерирующих морфологических структур (нервная ткань), разработать новые лекарственные препараты и биологически активные вещества, а также специальные аппараты регенерации – значит вернуть больным людям не только само здоровье, но и его качество.

В последнее десятилетие в медицине широко используется принцип регенерации «по каркасу». Взамен утраченной или глубоко поврежденной анатомической структуры пересаживается аналогичная чужеродная. Она служит основой или моделью, по которой организм восстанавливает собственные компоненты. Со временем чужеродные ткани рассасываются и замещаются собственными морфологическими составляющими. Таким образом, можно восстановить утраченный сустав или фрагмент кости, часть крупного сосуда большую мышцу и др. Для инициации и успешного течения процессов регенерации важное значение имеет число сохраненных нервных волокон в зоне восстановления (концепция «регенерационного поля»). Определенная роль принадлежит также возрастному аспекту, так как при старении организма способность к регенерации снижается.

Трансплантация

Трансплантацией называют пересадку биологического материала в пределах одного организма или между разными организмами. Возможна пересадка клеток, тканей или целых органов. Наука о трансплантации – трансплантология. Ее значительные достижения связаны с утилитарными запросами медицины и совершенствованием техники пересадок.

Приживление пересаженных фрагментов тканей или целых органов у человека используется в различных целях. Это более высокая эффективность процессов заживления раневых поверхностей, стимуляция регенерации, компенсация нарушенных функций и др. Трансплантация на органном уровне – нередко единственный способ продлить или сохранить жизнь человеку.

Биологический материал, который используют при пересадке называется трансплантат. Организм, включающий этот материал, называется реципиентом, поставщиком трансплантата служит донор.

Существует несколько видов трансплантации:

1. Аутотрансплантация в пределах одного организма. Например, пересадка фрагментов кожной поверхности, сухожилий, мышечной ткани. Сюда же относят и случаи пересадки в тандеме «монозиготные близнецы».

2. Аллотрансплантация осуществляется между организмами одного вида. Ее еще называют внутривидовой.

3. Ксенотрансплантация или межвидовая – это пересадка у представителей различных таксонов. Здесь возможно перемещение биологических компонентов от животных к человеку.

Успех трансплантации зависит от многих факторов. Важнейшей является проблема трансплантационного иммунитета. Каждый организм имеет постоянный индивидуальный набор белков, определяемый его генотипом. Ткани донора и реципиента имеют различный белковый состав, что сопровождается иммунным конфликтом. Поэтому, во всех случаях, кроме аутотрансплантации, могут разворачиваться 2 вида реакций:

1. Реакция хозяина против трансплантата.

2. Реакция трансплантата на организм хозяина.

Суть первой реакции состоит в распознавании хозяином чужеродных белков (антигенов), введенных в его организм, и отторжение их с помощью гуморальных и клеточных механизмов. Процессы отторжения могут протекать остро, подостро и хронически. Они зависят от глубины генетических различий.

При механизмах клеточного иммунитета пересаженный материал наводняется (инфильтрируется) специальными клетками крови хозяина Т-лимфоцитами. Последние разрушают микрососудистую систему в пересаженной структуре, что ведет к гибели (некрозу) клеток и отторжению трансплантата.

Во втором случае пересаженная живая система трансплантата, в свою очередь, активно противодействует имунной системе хозяина.

Реакция трансплантата на организм хозяина состоит в том, что лимфоциты в составе пересаженной ткани распознают окружающие их чужие тканевые структуры и посредством высокой цитотоксической активности начинают подавлять защитные лимфоидные органы хозяина. В крайних случаях наблюдается атрофия лимфотических узлов и других лимфоидных структур хозяина.

Таким образом, тканевая несовместимость (гистонесовместимость) – это невозможность совместного существования клеток и тканей генетически самостоятельных организмов. Исключение у человека составляют монозиготные близнецы, а у животных представители чистых линий с одинаковым белковым составом, обусловленным идентичностью генотипов.

У человека судьба трансплантата определяется различиями по 3 основным системам аллоантигенов: антигенам групп крови АВО, групповыми антигенами Р и лейкоцитарными антигенами HLA (human leukocyte antigen – лейкоцитарные антигены человека). Поэтому в практической трансплантологии при подборе пары донор-реципиент придерживаются правила: чем меньше антигенные различия двух организмов по этим системам, тем легче добиться длительного приживления трансплантата и иммунологической толерантности.

В последнее время реальной альтернативой трансплантологии является создание искусственных органов или их фрагментов (клапаны сердца, участки крупных сосудов, хрусталик глаза). Проблемы тканевой несовместимости здесь устраняется.

Трансплантации являются не только сложными по своему техническому исполнению операциями, но и представляют собой медицинское вмешательство, требующее предварительного решения ряда этических и правовых проблем на уровне правовых актов о трансплантации, которые должны приниматься на уровне государства.

Наследственность. Предмет и методы генетики

Генетика – это наука о наследственности и изменчивости организмов. Наследственность – общее свойство жизни, способность передавать в ряду поколений информацию о строении и свойствах, а также реализовать эту информацию в конкретных условиях среды.

Изменчивость – общее свойство жизни, проявляющееся в вариациях строения и физиологических норм.

Наследственность отражает консервативную сторону жизненных процессов – сохранение уже достигнутого. Изменчивость, наоборот, обеспечивает общий прогресс, способствует возникновению новых форм, разнообразию жизненных проявлений.

Несмотря на кажущиеся противоречия наследственность и изменчивость тесно взаимосвязаны и неразрывны.

Генетика – фундаментальная биологическая дисциплина. Она объединяет множество биологических направлений, способствует пересечению наук. Существует цитогенетика, молекулярная генетика, популяционная генетика, экогенетика и т. д. В настоящее время быстро развивается антропогенетика (генетика человека). На основе достижений генетики сложилась селекция. В середине прошлого века возник новый импульс развития – биотехнология и ее главная составляющая генетическая инженерия. Настало время, когда биологи могут искусственно конструировать живые системы с заданными свойствами. Тем самым, ученые реально подошли к управлению наследственностью.

В антропогенетике ведущее место отводится медицинской генетике. В практике врача любой специальности встречаются больные с наследственной патологией. Сейчас известно свыше 2000 форм наследственных болезней и много заболеваний с наследственным предрасположением, среди которых такие широко распространенные, как гипертоническая болезнь, атеросклероз, шизофрения, язвенная болезнь желудка, глаукома, псориаз и др.

Насущной экологической проблемой современности являются разнообразные виды загрязнений природной среды. Химические, физические и биологические загрязнения ведут к возникновению различных типов мутаций. Мутантные гены оказывают отрицательное воздействие на флору и фауну, представляют реальную угрозу для различных форм жизни. Они способствуют росту наследственных заболеваний у человека, увеличивают частоту их проявлений и тяжесть течения болезней.

С позиций медицинской генетики объектом наблюдения врача должен быть не только сам больной, но и его семья. Это новое направление нашло свое конкретное выражение в концепции семейного врача.

Основные методы генетики

Быстрый прогресс генетики в начале прошлого столетия во многом обеспечили разнообразные методы генетических исследований.

Классическим является гибридологический анализ, впервые успешно используемый Г. Менделем при разработке основных закономерностей наследования. Суть метода состоит в скрещивании родительских форм с альтернативными признаками и последующим анализом реализации этих признаков у потомства. С помощью него было открыто явление доминирования признаков. Метод широко используется в селекции, но не применим в антропогенетике

Генеалогический метод. Основан на изучении признаков по родословным. Широко используется в генетике человека. Метод позволяет определить наследственную природу признака, тип наследования – доминантный или рецессивный, выявлять гетерозиготность, рассчитывать вероятность наследования, определить пенетрантность и оценить экспрессивность, обнаружить сцепление с полом. Один из наиболее информативных методов.

Близнецовый метод. Применяется у человека в случаях наличия близнецовых пар монозиготных (однояйцевых) и дизиготных (разнояйцевых). Учитывается конкордантность – сходство близнецов по анализирующему признаку, характерное для монозиготных близнецов и дискордантность – несовпадение признаков более свойственное дизиготным близнецам. Метод позволяет определить роль наследственности и среды в развитии признака.

Популяционно-статистический метод. Используется в популяционной генетике. Метод позволяет определить тип наследования признака (моногенный подчиняется закону Харди-Вайнберга), количество гетерозигот в популяции, степень родства между популяциями.

Цитогенетический метод. Анализ метафазных хромосом быстро делящихся клеток. Метод дает исчерпывающую информацию о количестве хромосом, их состоянии и характере нарушений. Широко используется в антропогенетике.

Биохимический метод. Базируется на анализе продуктов экспрессии генов структурных белков и ферментов. Позволяет выявить мутантные гены. Метод эффективен при выявлении заболеваний, связанных с наследственным нарушением обмена веществ у человека.

Метод дерматоглифики и пальмоскопии. Один из методов, изучаемых только в антропогенетике. Метод основан на изучении кожно-гребешковых узоров пальцев и ладоней, а также сгибательных ладонных борозд. В настоящее время доказана наследственная обусловленность папиллярных линий и узоров ладоней, пальцев, а также стоп. Метод обычно используется как дополнение к другим методам.

Методы изучения ДНК. В конце 20-го столетия каскад открытий в молекулярной биологии привел к созданию принципиально новой методики, позволившей раскрыть содержание генетического кода, то есть узнать последовательность нуклеотидов молекул ДНК, определяющую структуру генов.

Проект «Геном человека» в общих чертах завершен. Он позволил не только узнать строение генов человека, но и картировать их на хромосомах. Медицинская генетика оказалась на пороге генопротезирования. Расширились возможности понимания широкого круга вопросов патогенеза и профилактики многих наследственных заболеваний, в том числе и мультификаторной природы. Стало реальным осуществлять молекулярными методами генодиагноз, то есть проводить ДНК-диагностику. Первоначально в основу определения строения гена и выявления возможных мутаций было положено высокоточное секвенирование (от лат. sequentia – последовательность). Работы носили эксклюзивный характер, так как являлись очень материалоемкими и кропотливыми. Трудности ждали на каждом шагу. Ведь ДНК в клетке находится в небольших количествах. Она связана с белками, представляет гигантскую молекулу, легко повреждаемую при биохимических манипуляциях. При этом интерес представляет не вся молекула, а лишь ее определенные фрагменты, которые надо уметь выделить.

Модернизация методики привела к созданию олигонуклеотидных зондов, какими были искусственно синтезированные цепочки определенных нуклеотидов с радиоактивными метками. Их гибридизировали с анализируемой ДНК и в случае комплементарной связи узнавали ее строение. Но эти исследования являлись уделом элитных лабораторий, так как требовали высочайшей квалификации и дорогостоящих высокоочищеных реактивов.

Оставался нерешенным главный вопрос: как получить достаточный для сложных манипуляций объем ДНК и уйти от тех мизерных доз, которые давала живая клетка. Возникла идея клонировать (размножать) анализируемые фрагменты молекул ДНК в вирусах и плазмидах (методы генной инженерии). Но и этот способ оказался чрезвычайно трудоемким.

Между тем, запросы практической медицины настойчиво требовали утилитарных подходов.

Проблему быстрого увеличения объемов ДНК путем ее тиражирования удалось решить американцу К. Б. Мюллису. Он использовал полимеразную цепную реакцию. Оказалось возможным во-первых, использовать любые ядросодержащие клетки не только тканей, но и жидких сред: кровь, экссудаты, мокрота и т. д.; во-вторых, работы проводить в стандартных условиях обычных медико-биохимических лабораторий, что делает метод рутинным.

Суть анализа состоит в следующем. ДНК выделяется из биологического материала путем лизиса клеток и очищается от белковых компонентов. Затем с помощью ДНК-полимеразы осуществляется амплификация, то есть ДНК многократно редуплицируется, до миллионов раз. Синтез можно проводить в определенных, интересующих исследователя границах с двух олигонуклеотидных праймеров (затравок). Наращивание цепей идет в прямом и обратном направлении, в результате чего получают комплементарную двойную спираль участка ДНК (в границах праймеров). Протекает реакция в специальных амплификаторах с автоматическим режимом смены температур, что очень важно для разъединения, а затем синтеза двойной спирали молекулы.

В настоящее время существует большое количество различных модификаций полимеразных цепных реакций. Можно анализировать не только ДНК клеток человека, но и различных возбудителей инфекционных и паразитарных заболеваний. Начата РНК-диагностика, что открывает широкие возможности идентификации ретровирусов, а значит, новые перспективы вирусологии.

Закономерности наследования

Открытие основных закономерностей наследования связано с рядом экспериментов, проводимых Г. Менделем при скрещивании самоопыляющегося растения садового гороха. Г. Мендель, проводя искусственное опыление, исследовал семь признаков у полученных гибридов в первом и последующих поколениях.

Результаты его работы отражают законы моногибридного и полигибридного скрещивания, сформулированные в 1865 г.

Моногибридное скрещивание

Моногибридное скрещивание включает анализ наследования признаков, определяемых по одной паре аллельных генов или одной паре альтернативных признаков.

Первый закон (закон единообразия).

При скрещивании гомозиготных особей, отличающихся по одной паре альтернативных признаков гибриды первого поколения единообразны по генотипу и фенотипу.

Второй закон (закон расщепления). При скрещивании гибридов первого поколения во втором поколении происходит расщепление признаков по фенотипу в соотношении 3:1 по генотипу 1: 2: 1. Указанные соотношения характерны лишь для больших выборок.

Фенотипически три части потомства несут доминантный признак одного из родителей и одна часть – рецессивный признак; генотипически одна часть потомства – доминантные гомозиготы, две гетерозиготы и одна часть – рецессивные гомозиготы.

Важным генетическим фенотипом; вытекающим из законов Г. Менделя является правило чистоты гамет, сформулированное У. Бэтсоном. Оно объясняет почему рецессивные гены в гетерозиготном состоянии не исчезают, а остаются неизменными и вновь могут появляться при встрече с такими же генами. Гетерозиготный по отдельному признаку организм Аа содержит в одной из гомологичных хромосом доминантный аллель А, в другой рецессивный – а. В ходе мейоза в каждую гамету попадает лишь одна из гомологичных хромосом, содержащих только один из генов в «чистом» состоянии.

Промежуточное наследование

Полная доминантность и рецессивность, отраженные в законах Г. Менделя являются крайними случаями. Гораздо чаще встречаются различные формы промежуточного наследования. Его выражением служит неполное доминирование. Доминантный аллель не полностью подавляет действие рецессивного аллеля и последний частично проявляется. Классической иллюстрацией явления служит наследование окраски при скрещивании родительских форм ночной красавицы с красным и белым цветками.

Во втором поколении произошло отклонение от второго закона Г. Менделя и расщепление по фенотипу и генотипу совместилось. Возможно соотношение: по фенотипу 1 часть – красные цветы, 2 части – розовые цветы, 1 часть – белые цветы; по генотипу 1 часть – гомозиготы доминантные, 2 части – гетерозиготы, 1 часть – гомозиготы рецессивные.

Анализирующее скрещивание

Принцип анализирующего скрещивания состоит в том, что особь с доминантным геном, генотип которой неизвестен (АА, Аа) скрещивается с особью гомозиготной по рецессивному признаку (аа). В дальнейшем проводится анализ гибридного потомства.

Если анализируемый организм гомозиготен по доминантному гену АА, он дает один тип гамет (А), потомство будет единообразно по генотипу и фенотипу.

Если анализируемый организм гетерозиготен Аа он производит два типа гамет (А, а) и в потомстве произойдет расщепление по генотипу и фенотипу 1:1.

Анализирующее скрещивание широко используется в селекционной работе, так как знание генотипа необходимо при скрещиваниях в животноводстве и растениеводстве.

Полигибридное скрещивание

Полигибридное скрещивание включает анализ наследования признаков, отличающихся по двум (дигибридное) и более парам аллельных генов или альтернативных признаков.

Третий закон (закон независимого наследования). При скрещивании гомозиготных особей, отличающихся по двум или более парам альтернативным признаков во втором поколении гибридов происходит независимое комбинирование признаков, если гены определяющие их находились в различных хромосомах.

Дигибридное скрещивание, при котором родительские формы находясь в гомозиготном состоянии отличаются по двум парам альтернативных признаков:

Четыре типа гамет от каждой из родительских форм дадут 16 возможных комбинаций при оплодотворении, что четко отражает решетка Пеннета (рис. 39).

Рис. 39. Схема независимого комбинирования признаков (третий закон Менделя). Наследование желтой (В) и зеленой (b) окраски, а также круглой и морщинистой (a) их формы. А и В доминируют над аллелями a и b. Генотипы обозначены комбиницией указанных букв, а фенотипы различной штриховкой.

.

В рассматриваемом дигибридном скрещивании гибриды второго поколения расщепились в следующих соотношениях: из 16 возможных комбинаций во втором поколении у 9 реализуются два доминантных признака (АВ), у 3 – первый признак доминантный, второй рецессивный (Авв), у 3 – признак первый – рецессивный, второй – доминантный (ааВ), в одной комбинации оба рецессивных признака (аавв). Таким образом, расщепление по фенотипу составляет 9: 3: 3: 1.

Решетка Пеннета отражает и другие особенности. Диагональ с левого верхнего угла в правый включает исключительно гомозиготных особей со всеми возможными фенотипическими классами. По второй диагонали располагаются только гетерозиготы фенотипически одинаковые.

При тригибридном скрещивании гетерозиготы образуют уже 8 типов гамет, дающих 64 возможных сочетания с расщеплением по фенотипу в соотношениях

27: 9: 9: 9: 3: 3: 3: 1

Р ААВВСС х ааввсс

Гаметы АВС авс – один тип гамет

F₁ Аа Вв Сс

G АВС, АВс, АвС, Авс, аВС, аВс, авС, авс – восемь типов гамет.

Таким образом, соотношение типов гамет в гетерозиготном состоянии имеет общую закономерность: Аа – 2¹ – два типа гамет

Аа Вв – 2² – четыре типа гамет

Аа Вв Сс – 2³ – восемь типов гамет и т. д.

При скрещивании тригибридов и более заполнение решетки Пеннета трудоемко. Поэтому можно использовать другой рациональный подход. Для того, чтобы высчитать общую вероятность независимых явлений необходимо перемножить вероятности каждого из них между собой, разложив полигибридное скрещивание на составляющие моногибридные.

Р АаВвСс х АаВвСс

Составляющие: 1. Аа х Аа, 2 Вв х Вв, 3 Сс х Сс

Чтобы высчитать число особей со всеми рецессивными признаками надо перемножить составляющие.

Аа х Аа Вв х Вв Сс х Сс

¼ х ¼ х ¼

Итого: 1/ 64.