Глава 1.1. Клетка, ткани, их строение и функции

Понимание механизма работы клетки - залог правильного применения лекарств. Принцип отрицательной обратной связи - основа работы клетки. Влияние лекарств - процесс, протекающий на клеточном уровне. Взаимодействие разных лекарств с разными клетками. Способность клетки приспосабливаться к изменяющимся условиям и продолжать поддерживать присущие ей функции как основа протекания ее физиологических процессов. Описание макромолекул, способных распознавать биологически активные вещества и молекулы лекарств. Транспорт веществ в клетку и из клетки.

На протяжении всей нашей жизни мы в самых разных ситуациях сталкиваемся с лекарствами. Обычно, приняв препарат, мы ждем определенного результата и не задумываемся над тем, что при этом происходит внутри нашего организма. А если бы задумались, то быстро бы поняли, что механизм действия лекарств не объяснить без элементарных знаний закономерностей строения и жизнедеятельности организма человека.

Структурно-функциональной основой любого живого организма, в том числе и человека, является клетка. Клетки образуют ткани, ткани - органы, которые в свою очередь составляют системы. Таким образом, организм человека можно рассматривать как целостную систему, в которой выделяются следующие уровни организации: клетки - ткани - органы - системы органов.

Рост, размножение, наследственность, эмбриональное развитие, физиологические функции - все эти явления обусловлены процессами, происходящими внутри клетки.

При всех заболеваниях происходит нарушение функций клеток, поэтому, чтобы понять, как лекарство действует на органы и системы органов, нужно знать их влияние на работу клетки и ткани.

Впервые клетки увидел английский естествоиспытатель Роберт Гук, который усовершенствовал микроскоп. При изучении тонкого среза обычной пробки, он обнаружил множество мелких ячеек, напоминавших пчелиные соты. Он назвал эти ячейки клетками, и с тех пор это слово сохранилось для обозначения структурных единиц живой материи.

Впоследствии, по мере совершенствования микроскопов, было установлено, что клеточное строение присуще различным формам живого. В 1838 году два немецких биолога - М. Шлейден и Т. Шванн - сформулировали клеточную теорию, согласно которой все живые организмы состоят из клеток. Основные положения клеточной теории остаются неизменными и по сей день, хотя они и не распространяются на такие формы жизни, как, например, вирусные частицы (вирионы) и вирусы. Эти положения можно сформулировать следующим образом:

1. Клетка является наименьшей единицей живого;
2. Клетки разных организмов сходны по своему строению;
3. Размножение клеток происходит путем деления исходной клетки;
4. Многоклеточные организмы представляют собой сложные ансамбли клеток и их производных, объединенные в целостные интегрированные системы тканей и органов межклеточными, гуморальными и нервными связями.

В дальнейшем ученые сформулировали общие признаки, присущие всему живому. Быть живым - значит обладать способностью:

- воспроизводить себе подобных (репродуцировать);
- использовать и преобразовывать (трансформировать) энергию и вещества (обмен веществ или метаболизм);
- чувствовать;
- приспосабливаться (адаптироваться);
- изменяться.

Совокупность этих признаков обнаруживается только на клеточном уровне, поэтому именно клетка является наименьшей единицей всего "живого". Клетка, как и мы, дышит, питается, чувствует, двигается, работает, размножается, "помнит" свое нормальное состояние.

Изучением строения клетки занимается цитология (от греческого kytos - клетка и logos - учение).

По определению ученых-цитологов, клетка - это ограниченная активной мембраной, упорядоченная, структурированная система биополимеров, образующих ядро и цитоплазму, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов и осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом. Это длинное и емкое определение требует дальнейших разъяснений, которые мы и приводим ниже в этой главе.

Размер клеток может быть различным. Некоторые шаровидные бактерии имеют ничтожные размеры: от 0,2 до 0,5 мкм в диаметре (напомним, что 1 мкм в тысячу раз меньше 1 мм). В то же время существуют клетки, которые видны невооруженным глазом. Например, яйцо птицы - это, в сущности, одна клетка. Яйцо страуса достигает в длину 17,5 см, и это самая крупная клетка. Однако, как правило, размеры клеток колеблются в значительно более узких пределах - от 3 до 30 мкм.

Формы клеток также очень разнообразны. Клетки живых организмов могут иметь вид шара, многогранника, звезды, цилиндра и других фигур.

Несмотря на то, что клетки имеют разные формы и размеры, выполняют различные и часто весьма специфические функции, они, в принципе, имеют одинаковое строение, то есть внутри них можно выделить общие структурные единицы. Клетки животных и растений состоят из трех основных компонентов: ядра, цитоплазмы и оболочки - клеточной мембраны, отделяющей содержимое клетки от внешней среды или от соседних клеток (рисунок 1.1.1).

Возможны, тем не менее, и исключения. Приведем некоторые из них. Например, мышечные волокна ограничены мембраной и состоят из цитоплазмы с множеством ядер. Иногда после деления дочерние клетки остаются связанными друг с другом с помощью тонких цитоплазматических перемычек. Есть примеры безъядерных клеток (эритроциты млекопитающих), имеющих в своем составе только клеточную мембрану и цитоплазму, они обладают ограниченными функциональными возможностями, так как лишены способности к самообновлению и воспроизводству в связи с утратой ядра.

Ядро и цитоплазма составляют протоплазму и построены из молекул белков, углеводов, липидов, воды и нуклеиновых кислот. Нигде в неживой природе эти вещества не встречаются вместе.

Теперь коротко рассмотрим основные компоненты клетки.

На рисунке 1.1.1 видно, что ядро клетки имеет округлую форму и окружено ядерной оболочкой, которая отличается большей пористостью, чем наружная клеточная мембрана, через нее могут проходить целые молекулы белка. Ядро заполнено прозрачной нуклеоплазмой, в которую погружены тонкие длинные нити хромосом. Хромосомы состоят из комплекса дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) с белком. Они хранят и поддерживают наследственную информацию. В период деления происходит "ремонт", воспроизведение и удвоение (редупликация) молекул ДНК, что позволяет передать дочерним клеткам одинаковый в количественном и качественном отношении объем генетической информации. Среди хромосом человека самая большая содержит ДНК длиной около 7 см. Суммарная длина молекул ДНК во всех хромосомах одной клетки человека составляет приблизительно 170 см.

Помимо хромосом, в ядре находится также одно или несколько относительно больших круглых ядрышек размером 1-5 мкм, в которых много рибонуклеиновой кислотой (РНК). Она активно расходуется при делении клеток, а также на образование рибосом (о которых мы скажем немного дальше). Эти ядрышки обеспечивают синтез белка.

В ядре клетки находятся гены. Они "общаются" с цитоплазмой, окружающей ядро, через поры ядерной оболочки. В ответ на сигналы, идущие от генов, в цитоплазме происходит синтез ферментов и протекают все биохимические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Если контакт ядра с цитоплазмой прекращается, то скорость всех реакций в клетке постепенно замедляется, и она в результате погибает.

Цитоплазма заполняет внутриклеточное пространство между ядром и клеточной мембраной и под микроскопом напоминает желеобразную массу. Она состоит из гиалоплазмы, или матрикса, в которой разбросаны обязательные клеточные компоненты - органеллы и различные непостоянные структуры (включения).

Гиалоплазма (матрикс цитоплазмы) является коллоидным раствором главным образом белка, в ней находится 20-25% общего количества белков клетки.

Органеллы - специализированные микроструктуры, которые постоянно присутствуют в клетке и выполняют ряд жизненно важных функций, обеспечивая внутриклеточный обмен веществ и энергии (метаболизм). Основными органеллами клетки являются эндоплазматическая сеть, митохондрии, аппарат Гольджи и лизосомы.

Эндоплазматическая сеть (вид А на рисунке 1.1.1) состоит из множества замкнутых зон в виде пузырьков (вакуолей), плоских мешков или трубчатых образований, отделенных от гиалоплазмы мембраной и имеющих свое собственное содержимое.

Со стороны гиалоплазмы она покрыта мелкими округлыми тельцами, названными рибосомами (содержат большое количество РНК) и придающими ей под микроскопом "шероховатый" или гранулярный вид. Рибосомы синтезируют белки, которые в дальнейшем могут покидать клетку и расходоваться на нужды организма.

Накапливающиеся в полостях эндоплазматической сети белки, в том числе ферментные, необходимые для внутриклеточного обмена веществ и пищеварения, транспортируются в аппарат Гольджи, где подвергаются модификации, после чего входят в состав лизосом или секреторных гранул, отделенных от гиалоплазмы мембраной.

Часть эндоплазматической сети не содержит рибосом, ее называют гладкой эндоплазматической сетью. Эта сеть участвует в метаболизме липидов и некоторых внутриклеточных полисахаридов. Она играет важную роль в разрушении вредных для организма веществ (особенно в клетках печени).

Митохондрии (вид В на рисунке 1.1.1) - также очень важные компоненты клетки, поскольку в них происходит превращение веществ, поступающих с пищей, в богатые энергией соединения, которые впоследствии расходуются во всех процессах, требующих затраты энергии. Митохондрии называют еще органеллами клеточного дыхания или силовыми станциями клетки, так как основным источником энергии в живых организмах является синтезируемый в них аденозинтрифосфат (АТФ).

Аппарат Гольджи (вид Б на рисунке 1.1.1) назван по имени итальянского гистолога К. Гольджи. В нем происходит накопление продуктов, синтезированных в эндоплазматической сети, их химическая модификация, синтез полисахаридов и образование их комплексов с белками (мукопротеидов), а также выведение вырабатываемых продуктов (секрета) за пределы клетки. Этот процесс можно проиллюстрировать рисунком 1.1.2.

Как видно из этого рисунка, аминокислоты, являющиеся одним из конечных продуктов пищеварения, из крови проникают в клетку и поступают к свободно лежащим рибосомам (1) или рибосомальным комплексам, где происходит синтез белков (2). Синтезированные белки затем отделяются от рибосом, переходят в вакуоли и далее - в пластины аппарата Гольджи (3). Здесь происходит модификация образовавшихся белков и синтез их комплексов с полисахаридами, после чего от пластин этого аппарата отделяются пузырьки, содержащие уже готовый секрет (4). Эти пузырьки (секреторные гранулы) движутся к внутренней поверхности клеточной мембраны, мембраны секреторных гранул и клетки сливаются, и секрет выходит за пределы клетки (5). Такой процесс называют экзоцитозом.

Лизосомы (обозначены цифрой 11 на рисунке 1.1.1) - сферические тельца размером 0,2-0,4 микрон, ограниченные одиночной мембраной. В клетке можно обнаружить различные виды лизосом, но все они объединены общим признаком - наличием в них ферментов, расщепляющих биополимеры. Лизосомы образуются в эндоплазматической сети и аппарате Гольджи, от которых они затем отделяются в виде самостоятельных пузырьков (первичные лизосомы). При слиянии первичных лизосом с вакуолями, содержащими поглощенные клеткой питательные вещества, или с измененными органеллами самой клетки образуются вторичные лизосомы. В них под действием ферментов происходит расщепление сложных веществ. Продукты расщепления проходят через мембрану лизосомы в гиалоплазму и включаются в различные процессы внутриклеточного обмена. Однако переваривание сложных веществ в лизосоме не всегда идет до конца. В этом случае внутри нее накапливаются непереваренные продукты. Такие лизосомы называют остаточными тельцами. В этих тельцах происходит уплотнение содержимого, его вторичная структуризация и отложение пигментных веществ. Так, у человека при старении организма в остаточных тельцах клеток мозга, печени и мышечных волокон происходит накопление "пигмента старения" - липофусцина.

Лизосомы, соединившиеся с измененными органеллами самой клетки, играют роль внутриклеточных "чистильщиков", убирающих дефектные структуры. Увеличение числа таких лизосом является обычным явлением при процессах, обусловленных болезнью. В нормальных условиях число лизосом-"чистильщиков" увеличивается при так называемых метаболических стрессах, когда повышается активность клеток в органах, наиболее активно участвующих в обмене веществ, например, клеток печени.

Помимо вышеописанных (эндоплазматическая сеть, митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы), в клетке встречается большое число самостоятельных образований в форме нитей, трубочек или даже мелких плотных телец. Они выполняют разнообразные функции: образуют каркас, необходимый для сохранения формы клетки, участвуют в транспорте веществ внутри клетки и в процессах деления.

В некоторых клетках встречаются специальные органеллы движения - реснички и жгутики, которые выглядят как выросты клетки, ограниченные внешней клеточной мембраной. Свободные клетки, имеющие реснички и жгутики, обладают способностью передвигаться (например, сперматозоиды) или перемещать жидкость и различные частицы. Например, внутренняя поверхность бронхов выстлана так называемыми реснитчатыми клетками, которые постоянным колебанием (мерцанием) ресничек продвигают бронхиальный секрет (мокроту) в сторону гортани, удаляя микроорганизмы и мельчайшие частицы пыли, попавшие в дыхательные пути.

Клеточная мембрана (вид Г на рисунке 1.1.1) представляет собой оболочку, отделяющую содержимое клетки от внешней среды или соседних клеток. Одна из ее функций - барьерная, поскольку она ограничивает свободное перемещение веществ между цитоплазмой и внешней средой. Однако клеточная мембрана не только ограничивает клетку снаружи. Она также осуществляет связь с внеклеточной средой и распознает вещества и стимулы, воздействующие на клетку. Эта способность обеспечивается специальными структурами клеточной мембраны, названными рецепторами.

Рецепторы - это белковые макромолекулы, специфически (избирательно) реагирующие на определенные химические вещества или физические факторы (температура, свет, давление и другие). Особую роль играют рецепторы, распознающие биологически активные вещества - гормоны, медиаторы, специфические антигены других клеток или определенные белки. Рецепторы обеспечивают такие важные процессы, как взаимное распознавание клеток, развитие иммунитета. Эффекты лекарств также в большинстве случаев являются результатом взаимодействия молекул лекарственных веществ с рецепторами. Подробнее об этом мы расскажем в главе 1.3.

Важной функцией клеточной мембраны является обеспечение взаимодействия между соседними клетками. Примером такого межклеточного контакта являются синапсы, которые встречаются в местах соединения двух нейронов (нервные клетки), нейрона и клетки какой-либо ткани (мышечной, эпителиальной). В них осуществляется односторонняя передача сигналов возбуждения или торможения. Более подробно о строении и работе синапсов вы сможете узнать из следующих глав.

Для обеспечения жизнедеятельности и выполнения своих функций клетка нуждается в различных питательных веществах. Кроме того, из клетки должны выводиться продукты и "отходы" обмена веществ. Основную роль в этом играет клеточная мембрана, осуществляющая транспорт веществ в клетку и из нее. Это еще одна ее функция в дополнение к барьерной и рецепторной. Перенос различных веществ как внутрь клетки, так и из нее может быть пассивным или активным. При пассивном переносе вещества (например вода, ионы, некоторые низкомолекулярные соединения) свободно перемещаются через поры в мембране при разнице концентраций вне и внутри клетки, а при активном - транспорт осуществляют специальные белки-переносчики против градиента концентрации с затратой энергии за счет расщепления аденозинтрифосфорной кислоты.

В пассивном переносе основную роль играют такие физические процессы, как диффузия, осмос и фильтрация. Попробуем коротко пояснить эти процессы применительно к клетке.

Диффузия - движение молекул и ионов из области более высокой в область более низкой концентрации. При любых условиях молекулы всегда находятся в движении. Источником энергии для этого движения служит тепло. Все предметы на Земле в сущности нагреты, и только при абсолютном нуле (-273 ^oC) движение молекул может прекратиться, а вместе с этим может остановиться и диффузия. В живом организме диффузия молекул происходит, как правило, в водном растворе. Если клеточная мембрана проницаема для молекул растворенного вещества, она не препятствует диффузии. Клеточную мембрану называют полупроницаемой, потому что одни вещества через нее проходят, а другие - нет.

Осмос - особый вид диффузии воды через полупроницаемую мембрану. Для простоты картины представим, что в клетке с мембраной, проницаемой для молекул воды, но непроницаемой для более крупных молекул, находится раствор обычного сахара, а сама клетка окружена водой. С внутренней стороны мембраны крупные молекулы сахара загораживают большую часть пор, препятствуя выходу из клетки молекул воды. Зато снаружи молекул сахара нет, следовательно, поры с внешней стороны мембраны открыты, и вода легче входит внутрь, чем выходит наружу. Это движение воды через мембрану в область более высокой концентрации растворенного вещества и носит название осмоса. В результате такого движения внутри клетки может развиться значительное давление (это давление называется осмотическим). Такое давление может даже разрушить клетку.

Если красные кровяные тела (эритроциты), являющиеся клетками, поместить в чистую воду, то под действием осмоса вода будет быстрее проникать в них, чем выходить. Такая среда называется гипотонической, и в нашем случае по мере проникновения воды эритроцит будет набухать и "лопаться". Другая ситуация - изотоническая среда. Если поместить эритроциты в воду, содержащую 0,87% поваренной соли, то осмотического давления не создастся. Это объясняется тем, что при равной концентрации раствора внутри и снаружи клетки вода движется одинаково в обоих направлениях. Наконец, среда считается гипертонической, когда концентрация растворенных в ней веществ выше, чем в клетке. Клетка (эритроцит) в такой среде начинает терять воду, съеживается и гибнет.

Все эти особенности осмоса приходится учитывать при введении лекарственных веществ. Как правило, лекарства, предназначенные для инъекций, приготавливаются на изотоническом растворе. Это предотвращает набухание или сморщивание клеток крови в месте введения лекарства. Капли в нос также готовят на изотоническом растворе, чтобы избежать набухания или обезвоживания клеток слизистой оболочки носа. Вы, наверное, помните, как неприятно, когда в нос при купании попадает вода. Объяснение простое: пресная вода (гипотонический раствор) вызывает набухание клеток слизистой оболочки носовой полости, а морская вода (гипертонический раствор) - сморщивание.

Осмосом объясняются и некоторые эффекты лекарств, например, слабительное действие английской соли (магния сульфат) и других солевых слабительных. Дело в том, что в просвете кишечника они образуют гипертоническую среду. Вода под влиянием осмоса выходит из клеток кишечного эпителия, межклеточного пространства и крови в просвет кишечника, растягивает стенки кишечника, разжижает его содержимое и ускоряет опорожнение.

Фильтрацией называют движение молекул воды и растворенных в ней веществ через клеточную мембрану в направлении, противоположном действию осмотического давления. Этот процесс становится возможным, если раствор в клетке находится под давлением, которое выше осмотического. Так, например, сердце нагнетает кровь в сосуды под определенным давлением. В тончайших капиллярах это давление возрастает и становится достаточным, чтобы заставить воду и растворенные в крови вещества выйти из капилляров в межклеточное пространство. Образуется так называемая тканевая жидкость, она играет большую роль в доставке питательных веществ в клетки и удалении из них конечных продуктов обмена веществ. После выполнения своих функций тканевая жидкость в виде лимфы возвращается в кровяное русло по лимфатическим сосудам.

Фильтрация играет важную роль и в функционировании почек. В капиллярах почек кровь находится под большим давлением, что вызывает фильтрацию воды и растворенных в ней веществ из кровеносных сосудов в тончайшие почечные канальцы. Затем часть воды и необходимые организму вещества снова всасываются и поступают в общий кровоток, а оставшаяся часть образует мочу и выводится из организма.

Однако вещества, необходимые для клеточной деятельности, могут проникать в клетку не только за счет диффузии, осмоса и фильтрации, которые относятся к процессам пассивного переноса. Действует еще протекающий с затратой энергии активный перенос веществ из внешней среды в клетку (даже в том случае, когда их внутриклеточная концентрация выше, чем внеклеточная). Например, поглощение глюкозы может идти против градиента концентрации, йод захватывается клетками щитовидной железы, хотя его содержание в них в сотни раз выше, чем в крови, мышечная ткань накапливает ионы калия и выталкивает ионы натрия (при этом концентрация последних снаружи всегда выше, чем внутри). Эти процессы требуют больших затрат энергии. Примерно половина общих энергетических ресурсов клетки расходуется на нужды активного переноса.

Некоторое количество глюкозы проникает в клетки путем простой диффузии, однако поглощение ее продолжается и после уравнивания концентраций внутри клетки и снаружи. Это происходит потому, что в клеточной мембране глюкоза фосфорилируется, то есть присоединяет фосфатную группу, образуя глюкозофосфат. Эта реакция протекает с затратами энергии. Глюкозофосфат проходит через клеточную мембрану и обеспечивает накопление глюкозы внутри клетки.

Свойства веществ оказывают значительное влияние на транспорт их внутрь клетки. Так, жирорастворимые вещества легче проникают в клетку, так как клеточная мембрана в значительной мере состоит из липидов (примерно на 40%). Спирты, размер молекул которых может быть достаточно большим, без затруднения попадают в клетку только потому, что они растворимы в жирах. Кстати, действие алкоголя на нервные клетки хорошо объясняется именно взаимодействием этилового спирта с жирами их клеточных мембран.

Способность клетки к поглощению во многом определяется также величиной электрического заряда на ее поверхности. Белки клеточной мембраны построены из аминокислот, которые несут положительный или отрицательный заряд. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, а разноименные - притягиваются, электрические свойства поверхности клетки оказывают существенное влияние на поглощение ионов. Заряды внутренней и внешней поверхностей клеточной мембраны могут быть противоположными по знаку. Это характерно для нервных клеток и объясняет их способность генерировать и проводить импульс.

Многие крупные молекулы (например, биополимеры), которые не могут пройти через клеточную мембрану ни пассивным, ни активным способом, попадают в клетку путем эндоцитоза. Эндоцитоз, схематически изображенный на рисунке 1.1.3, разделяется на фагоцитоз (поглощение крупных частиц - бактерий, фрагментов других клеток) и пиноцитоз (захват макромолекулярных соединений). Буквально слово "пиноцитоз" означает "питье клетки".

Как видно из этого рисунка, сначала биополимер оседает на поверхности клеточной мембраны, а потом втягивается внутрь клетки с образованием пузырька, содержащего эту молекулу. Затем пузырьки отделяются от внутренней поверхности клеточной мембраны и перемещаются вглубь клетки, где поглощаются лизосомами или получают от них ферменты. Под действием ферментов биополимер расщепляется до более простых соединений.

Аналогичным образом, только в обратном порядке, осуществляется экзоцитоз - выделение продуктов (полисахаридов, белков и других веществ), синтезируемых клеткой, во внешнюю среду.

Выросты (реснички, жгутики, микроворсинки) на клеточной мембране также могут участвовать в процессах всасывания веществ внутрь клетки. Они значительно увеличивают площадь клеточной мембраны и наиболее характерны для эпителиальных клеток, например, для кишечного эпителия.

Одним из самых удивительных свойств живого является способность к самовоспроизведению. Увеличение числа клеток, то есть их размножение, происходит путем деления исходной клетки. "Всякая клетка от клетки" - так сформулировал этот биологический закон немецкий ученый середины XIX века Р. Вихров. Делению предшествует воспроизведение генетического материала (репродукция ДНК), удвоение хромосом. При делении хромосомы равномерно распределяются по двум дочерним клеткам. В каждой хромосоме множество генов. У человека 46 хромосом, которые содержат около 40 000 генов.

Каждая клетка хранит информацию о том, когда ей надо делиться. Время существования клетки - от появления до следующего деления или от появления до смерти - называют клеточным циклом. Каждое человеческое существо появилось на свет из одной клетки после множества повторяющихся делений, и процесс этот продолжается на протяжении всей его жизни. Именно так происходит замена отмирающих и восстановление поврежденных клеток и тканей. Например, с поверхности кожи постоянно слущивается верхний слой, а взамен в нижних слоях образуются новые клетки. Миллиарды новых клеток крови ежедневно поступают в кровяное русло, заменяя изношенные или восполняя утраченные при кровотечении.

Скорость деления клеток может повышаться или понижаться в зависимости от потребности организма. В клетках зародыша человека деление происходит каждые 12 ч, но по мере роста человека частота деления клеток постепенно снижается. Некоторые клетки (например, нервные), сформировавшись, утрачивают способность к воспроизводству, а другие (костные) делятся только при необходимости восстановления какого-то поврежденного участка ткани. Нарушение целостности ткани вызывает резкое ускорение клеточного деления. Вот почему царапины и ссадины быстро затягиваются.

Как регулируется клеточное деление, к сожалению, до конца не выяснено, хотя механизм этого процесса имеет очень важное прикладное значение. Вы, конечно, знаете, что такое рак. При раке деление клеток протекает бесконтрольно и очень быстро, с образованием опухолевой ткани, "паразитирующей" в организме. С течением времени раковые клетки мигрируют и образуют новые очаги опухолевого роста. Постепенно опухоль поражает жизненно важные органы, и человек погибает. Почему, в какой момент клетки словно сходят с ума и теряют способность регулировать скорость деления? Если бы удалось разгадать эту загадку, то нашлись бы лекарства, прекращающие деление клеток раковой опухоли. Существующие же сейчас препараты, увы, действуют на все клетки, в том числе и на здоровые. Это приводит к нежелательным побочным действиям и ограничивает возможности противоопухолевой химиотерапии.

Деление клеток почти всегда сопровождается удвоением и равномерным распределением генов по дочерним клеткам. И это абсолютно необходимо, так как именно гены руководят всеми процессами жизнедеятельности в клетке. Если хотя бы один жизненно важный ген в клетке отсутствует, она погибает.

Находясь в ядре, гены передают органеллам цитоплазмы информацию о том, какие вещества и в каком количестве необходимо синтезировать или расщеплять. Мы уже упоминали, что центрами белкового синтеза в клетке являются рибосомы. Но как рибосома узнает, какой белок ей собирать из существующего большого набора аминокислот? Для этого ген посылает из ядра информационную РНК, с которой рибосомная РНК "считывает" необходимую программу синтеза. В результате данная рибосома приобретает способность соединять аминокислоты в определенной последовательности, то есть синтезировать нужный в данный момент белок. Причем только этот и никакой другой. Поступившая из ядра клетки информация сохраняется в рибосомах в течение некоторого времени, после чего требуется ее восполнение.

Важнейшими белками, регулирующими процессы внутриклеточного обмена веществ и функции клетки, являются ферменты. Поскольку синтез белков происходит под управлением генов, то можно сказать, что действие генов реализуется через ферменты. Каждый ген контролирует синтез одного фермента.

В основу деятельности механизма регуляции биохимических процессов заложен универсальный принцип обратной связи. Он обеспечивает поддержание концентрации фермента на заданном природой уровне. Ген помнит нужную концентрацию фермента, необходимую для синтеза белков в клетке. Как только концентрация фермента уменьшается, ген определяет (идентифицирует) это и, активизируясь, дает команду на его дополнительную выработку. Но как объяснить, например, почему гены, ответственные за образование вещества, из которого формируются ногти на пальцах ног, функционируют только в определенной части пальцев, а гены, ответственные за рост волос, - в другом участке тела? Частично это связано с наличием в хромосомах особых белков - гистонов. Они, наряду с ДНК, являются частью структуры хромосом и подавляют активность генов. Гистоны не остаются в хромосомах на одних и тех же местах, они все время передвигаются от одной части хромосомы к другой по мере того, как возникает необходимость в повышении или, наоборот, в подавлении активности того или иного гена.

Многие гормоны (подробнее о гормонах мы расскажем в главе 2.3 "Гормональные средства, корректирующие работу эндокринной системы") обладают способностью разрушать гистоны или блокировать их влияние на отдельные гены. На их фоне соотношение гистонов и ДНК резко увеличивается в сторону последних, в результате чего повышается выработка информационных РНК и синтез белка в клетке. Так, при введении женских половых гормонов эстрогенов происходит резкое повышение образования белков в матке, а мужской половой гормон тестостерон оказывает аналогичное действие на ткань предстательной железы.

Оказалось, что некоторые антибиотики подавляют жизнедеятельность бактерий за счет замедления их роста и размножения (подробнее об антибиотиках можно узнать из главы 2.12 "Противомикробные и противопаразитарные средства"). Они останавливают синтез РНК в ядре бактериальной клетки, прекращают поступление информационной РНК в цитоплазму, замедляют синтез белков, и, следовательно, тормозят рост бактерий.

Живая клетка - это активная, динамичная структура. В ней происходит преобразование энергии, синтез, распад и перенос веществ. Весь этот комплекс реакций называют метаболизмом, или обменом веществ, причем процессы синтеза называют анаболизмом, а процессы распада - катаболизмом.

Для поддержания любых процессов жизнедеятельности клетке необходима энергия. Она требуется для обмена веществ, движения всех видов, процессов активного переноса веществ через клеточную мембрану. Энергия нужна также для поддержания постоянной температуры. Так, у теплокровных животных (в том числе у человека) значительная часть съеденной пищи расходуется на поддержание теплового баланса.

Источником энергии для клетки являются продукты, на образование которых в свое время была затрачена энергия. Клетка расщепляет эти вещества, и заключенная в них энергия высвобождается, депонируется и по мере надобности используется.

Основным веществом, из которого клетка получает энергию, является глюкоза (ее содержат углеводы пищи). При полном расщеплении глюкозы выделяется большое количество тепла. В принципе такое же количество тепла образуется и при сжигании глюкозы. Если бы распад глюкозы в организме происходил так же быстро, как при сгорании, то выделившаяся энергия просто "взорвала" бы клетку. Почему же этого не происходит в организме? Дело в том, что в клетке глюкоза утилизируется не сразу, а постепенно, через ряд стадий. Прежде чем глюкоза превратится в углекислый газ и воду, она претерпевает более 20 превращений, поэтому высвобождение энергии идет достаточно медленно.

Далеко не всегда клетке требуется энергия там и тогда, где и когда она образуется. Поэтому она запасается в виде "топлива", которое доступно для использования в любой момент. Это "топливо" - аденозинтрифосфат (АТФ). Особенностью данного соединения является то, что при его расщеплении высвобождается много энергии.

Рассмотрим поподробнее процесс расщепления глюкозы в клетке, который протекает в два этапа. На первом этапе, называемом гликолизом и включающем 10 ферментативных реакций, высвобождается часть энергии, которая накапливается в виде четырех молекул АТФ, и образуется пировиноградная кислота. Попробуем запомнить название этой кислоты, так как это важно для понимания всех процессов превращения энергии в клетке.

Пировиноградная кислота содержит еще значительное количество энергии. Когда эта энергия клетке требуется, процесс продолжается. Второй этап носит название цикла Кребса и включает еще 10 последовательных реакций. Если гликолиз происходит в цитоплазме, то цикл Кребса - в митохондриях, куда и должна проникнуть пировиноградная кислота. Митохондрия, как видно из рисунка.1.1.1 (фрагмент В под "лупой"), состоит из отсеков, каждый из которых содержит определенный фермент. Переходя из отсека в отсек, как по конвейеру, пировиноградная кислота последовательно подвергается воздействию ферментов и распадается.

Во всех реакциях расщепления глюкозы, протекающих на этапах гликолиза и цикла Кребса, отщепляется водород (реакция дегидрогенизации). Однако газообразного водорода не образуется, так как каждый его атом передается и связывается соединением-посредником, называемым акцептором. Конечным акцептором водорода является кислород. Именно поэтому кислород необходим для дыхания. Как известно, взаимодействие газообразного кислорода и водорода сопровождается взрывом (мгновенным выделением большого количества энергии). В живых организмах этого не происходит, так как водород постепенно переходит от одного акцептора к другому, и на каждом переходе (всего их три) высвобождается только небольшая часть энергии. В конце этого "путешествия" водород связывается с цитохромом (красным железосодержащим пигментом), который передает его непосредственно кислороду, образуется вода. К этому моменту запас связанной энергии значительно уменьшается, и реакция образования воды протекает совершенно спокойно. Первые два акцептора водорода представляют собой производные витаминов группы В - ниацина (никотиновая кислота или витамин B₃) и рибофлавина (витамин B₂). Вот почему нам так необходимо присутствие этих витаминов в пище. При их недостатке процессы высвобождения энергии нарушаются, а при полном отсутствии клетки погибают. Теми же причинами можно объяснить необходимость присутствия железа в рационе нашего питания - оно входит в состав цитохрома. Кроме того, железо требуется для образования гемоглобина, который доставляет кислород к клеткам тканей. Кстати, ядовитое действие цианидов обусловлено тем, что они, связываясь с железом, блокируют процессы внутриклеточного дыхания.

Что же получается в результате всех описанных выше процессов? Итак, из 12 атомов водорода, первоначально имевшихся в глюкозе, 4 отщепились в ходе гликолиза и остальные 8 - в цикле Кребса. Следовательно, именно цикл Кребса играет основную роль в снабжении клетки энергией. Энергия, высвободившаяся в результате расщепления глюкозы, используется в дальнейшем в различных процессах внутри клетки. Но клетки накапливают в виде АТФ только 67% энергии, содержащейся в питательных веществах, остальная часть рассеивается в виде тепла и используется для поддержания постоянной температуры тела.

Теперь нам понятно, что произойдет при недостатке или отсутствии кислорода (например, когда человек поднимется высоко в горы). Если клетка не получит достаточного количества кислорода, все переносчики водорода постепенно насытятся им и не смогут передавать его по цепи далее. Высвобождение энергии и связанный с ним синтез АТФ остановятся, и клетка погибнет из-за недостатка энергии, необходимой для поддержания процессов жизнедеятельности.

Следует отметить, что в жизни клетки существенную роль играют и процессы, протекающие без участия кислорода (анаэробные процессы). Если бы в нашем организме не происходило анаэробного распада глюкозы, активность человека резко снизилась бы. Нам никогда не удалось бы взбежать по лестнице на третий этаж, пришлось бы несколько раз останавливаться и отдыхать. Мы остались бы без футбола и других видов спорта, требующих высокой активности. Дело в том, что во всех случаях интенсивной работы мышечные клетки вырабатывают энергию анаэробным путем.

Посмотрим, что происходит в клетке при занятиях физическими упражнениями. Как мы уже знаем, в ходе гликолиза отщепляются четыре атома водорода, и образуется пировиноградная кислота. При недостатке кислорода - конечного акцептора атомов водорода - они поглощаются самой пировиноградной кислотой. В результате синтезируется молочная кислота, которая играет важную роль в физической деятельности человека. Постепенно в мышцах накапливается большое количество молочной кислоты, что еще более способствует усилению мышечной деятельности. Именно этим объясняется необходимость разминки. Постепенно, при интенсивной физической нагрузке в организме накапливается слишком много молочной кислоты, что проявляется чувством усталости и одышкой - признаками так называемой "кислородной задолженности". Эта задолженность образуется за счет того, что поступающий в организм кислород используется для окисления молочной кислоты, причем молочная кислота, отщепляя водород, снова превращается в пировиноградную кислоту. В результате кислорода не хватает для всех процессов дыхания, и возникают одышка и усталость.

Глюкоза является основным, но не единственным субстратом для выработки энергии в клетке. Вместе с углеводами в наш организм с пищей поступают жиры, белки и другие вещества, которые также могут служить источниками энергии, включаясь в гликолиз и цикл Кребса.

Для того, чтобы клетка нормально работала, ей нужны постоянные условия существования. Однако в реальности клетки живут, постоянно подвергаясь воздействию самых разнообразных и изменчивых факторов. Вот почему в процессе эволюции клетка научилась сохранять благоприятную внутреннюю среду, несмотря на изменение внешних условий.

Способность поддерживать постоянство внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций называют гомеостазом. Гомеостаз присущ всем формам живого - от клетки до целостного организма, состоящего из многих миллиардов клеток. На сохранение постоянства внутренней среды нацелены различные приспособительные реакции, терморегуляция, гормональная и нервная регуляция.

Приведем несколько частных примеров проявления гомеостаза. Зимой и летом, при любой температуре окружающего воздуха температура нашего тела остается практически постоянной, изменяясь всего на несколько долей градуса. В жаркий день даже небольшое повышение температуры тела дает сигнал к усилению активности потовых желез, кожа становится влажной, испарение воды с ее поверхности способствует охлаждению тела. И, напротив, в холодную погоду поверхностные сосуды сужаются, потеря тепла уменьшается, а выработка - увеличивается, возникают дрожь, "мурашки".

Обеспечение гомеостаза невозможно без встроенного природой универсального механизма обеспечения обратной связи. Например, в системе гормональной регуляции постоянный уровень многих гормонов в организме поддерживается благодаря механизму отрицательной обратной связи (мы уже упоминали о нем, описывая работу гена). Приведем пример с регуляцией образования кортикостероидных гормонов.

Гипофиз следит за поддержанием в крови нормальной концентрации кортикостероидных гормонов и при ее уменьшении выделяет в кровь адренкортикотропный гормон (АКТГ), стимулирующий через кровь образование этих гормонов в корковом веществе надпочечников. Чем выше концентрация последних, тем меньше вырабатывается АКТГ гипофизом и наоборот. Что такое гормоны, гипофиз, кортикостероиды, можно подробнее узнать из главы 2.3 "Гормональные средства, корректирующие работу эндокринной системы".

Без знаний строения и основ жизнедеятельности клетки очень трудно представить себе действие лекарств, чей контакт с организмом начинается на субклеточном и клеточном уровне. Это только потом действие выходит за пределы клетки, распространяясь на целые ткани, органы и системы органов (которые есть не что иное, как совокупность клеток, выполняющих разные функции).

Мы уже говорили, что все клетки сходны по строению и составу компонентов. В то же время различные типы клеток могут значительно отличаться друг от друга. Разнообразие клеток - результат их функциональной специализации. Она возникла в процессе эволюции живых организмов, когда на фоне общих, обязательных проявлений клеточной жизнедеятельности формировались ткани и органы, выполняющие определенные специальные функции. Например, основной функцией мышечной клетки является обеспечение движения, а нервной - генерация и проведение нервных импульсов. В соответствии с родом деятельности клетки видоизменялись, в них появлялись специальные структуры, обеспечивающие дополнительные функции.

Каждое проявление деятельности целого организма, будь то реакция на раздражение или движение, выделение секрета или иммунные реакции, осуществляется специализированными клетками. Такая специализация клеток на выполнении определенных функций дает организму больше возможностей для сохранения вида.

Клетки не функционируют изолированно (за исключением одноклеточных растений и животных) - каждая из них является частичкой какой-либо ткани, которой присущи совокупные свойства составляющих ее клеток. Ткани образуют органы, состоящие, как правило, из нескольких видов тканей. Органы, благодаря механизмам гуморальной (через внутренние жидкие среды организма) и нервной регуляции образуют сложные системы. Из этих систем и создан человек.

Ткани, в которые объединяются клетки, - следующий уровень организации живых организмов. Выделяют четыре типа тканей: эпителиальную, соединительную (включая кровь и лимфу), мышечную и нервную.

Эпителиальная ткань или эпителий покрывает тело, выстилает внутренние поверхности органов (желудка, кишечника, мочевого пузыря и других) и полостей (брюшную, плевральную), а также образует большинство желез. В соответствии с этим различают покровный и железистый эпителий.

Покровный эпителий образуют пласты клеток, тесно - практически без межклеточного вещества - прилегающих друг к другу. Он бывает однослойным или многослойным. Нижний пласт клеток, обращенный к соединительной ткани, связан с нею с помощью пластинок, названных базальными мембранами. Покровный эпителий не содержит кровеносных сосудов, и составляющие его клетки получают питание от подлежащей соединительной ткани через базальную мембрану.

Покровный эпителий является пограничной тканью. Этим обусловлены его основные функции: защита от внешних воздействий и участие в обмене веществ организма с окружающей средой - всасывание компонентов пищи и выделение продуктов обмена (экскреция). Покровный эпителий обладает гибкостью, обеспечивая подвижность внутренних органов (например, сокращения сердца, растяжение желудка, перистальтика кишечника, расширение легких и так далее).

Железистый эпителий состоит из клеток, внутри которых находятся гранулы с продуцируемым секретом (от латинского secretio - отделение). Такие секреторные клетки называют гранулоцитами. Они осуществляют синтез и выделение многих веществ, важных для функционирования организма. Путем секреции образуются слюна, желудочный и кишечный сок, желчь, молоко, гормоны и другие биологически активные соединения. Секрет может выделяться на поверхность кожи (например, пот), слизистых оболочек (бронхиальный секрет, или мокрота), в полости внутренних органов (желудочный сок), или в кровь и лимфу (гормоны). Железистый эпителий может образовывать самостоятельные органы - железы (например, поджелудочная железа, щитовидная железа и другие), а может являться частью других органов (например, железы желудка). Железы внутренней секреции, или эндокринные железы, выделяют непосредственно в кровь гормоны, выполняющие в организме регулирующие функции. Железы обычно снабжены кровеносными сосудами, питающими гранулоциты.

Соединительная ткань отличается большим разнообразием клеток и обилием межклеточного субстрата, состоящего из волокон и аморфного вещества. Волокнистая соединительная ткань может быть рыхлой и плотной. Рыхлая соединительная ткань присутствует во всех органах, она окружает кровеносные и лимфатические сосуды. Плотная соединительная ткань образует каркас для многих внутренних органов и выполняет механическую, опорную, формообразующую и защитную функции. Кроме того, существует еще очень плотная соединительная ткань, из нее состоят сухожилия и фиброзные мембраны (твердая мозговая оболочка, надкостница и другие).

Соединительная ткань не только выполняет механические функции, но и активно участвует в обмене веществ, выработке иммунных тел, процессах регенерации и заживления ран, обеспечивает адаптацию к меняющимся условиям существования.

К соединительной ткани относится и жировая ткань. В ней запасаются жиры, при распаде которых высвобождается большое количество энергии.

Важную роль в организме играют скелетные (хрящевая и костная) соединительные ткани. Они выполняют, главным образом, опорную, механическую и защитную функции.

Хрящевая ткань отличается большим количеством упругого межклеточного вещества и образует межпозвоночные диски, некоторые компоненты суставов, трахеи, бронхов. Она не имеет кровеносных сосудов и получает необходимые вещества, поглощая их из окружающих тканей.

Костная ткань характеризуется высокой минерализацией межклеточного вещества и служит хранилищем солей кальция, фосфора и других неорганических солей. В ней содержится около 70% неорганических соединений, главным образом, в виде фосфатов кальция. Из этой ткани построены кости скелета. В костной ткани поддерживается необходимый баланс органических и неорганических компонентов, что обеспечивает их прочность и способность сопротивляться растяжению, сжатию и другим механическим воздействиям.

В нашем представлении кровь - это нечто очень важное для организма и, в то же время, сложное для понимания. В биологии кровь - это разновидность соединительной ткани, а точнее - жидкая ткань. Кровь состоит из межклеточного вещества - плазмы и взвешенных в ней клеток - форменных элементов (эритроциты, лейкоциты, тромбоциты). Все форменные элементы развиваются из общей клетки-предшественницы. Они не воспроизводятся и через некоторое время погибают.

Кровь выполняет в организме многие важные функции. Она доставляет кислород из легких в другие органы и удаляет углекислый газ, "разносит" по всему телу питательные и биологически активные вещества (например, гормоны), участвующие в гуморальной регуляции, отводит продукты обмена к выделительным органам, обеспечивает иммунитет и постоянство внутренней среды организма (гомеостаз). Подробнее свойства и функции крови рассматриваются в главе 2.6 "Средства, влияющие на кровь и процессы кроветворения".

Основными функциями лимфы являются поддержание постоянного состава и объема тканевой жидкости (третьего компонента внутренней среды организма), обеспечение взаимосвязи между компонентами внутренней среды и перераспределение жидкости в организме. Лимфа активно участвует в иммунологических реакциях, транспортируя иммунные клетки к местам их действия.

Клетки мышечной ткани обладают способностью к изменению формы - сокращению. Так как для сокращения требуется много энергии, клетки мышечной ткани отличаются повышенным содержанием митохондрий.

Различают два основных типа мышечной ткани - гладкую, которая присутствует в стенках многих, как правило, полых внутренних органов (сосуды, кишечник, протоки желез и другие), и поперечнополосатую, к которой относятся сердечная и скелетная мышечные ткани. Пучки мышечной ткани образуют мышцы. Они окружены прослойками соединительной ткани и пронизаны нервами, кровеносными и лимфатическими сосудами.

Нервная ткань состоит из нервных клеток (нейронов) и различных клеточных элементов, называемых в совокупности нейроглией (от греческого glia - клей). Нейроглия обеспечивает питание и работу нервных клеток. Основным свойством нейронов является способность воспринимать раздражение, возбуждаться, вырабатывать импульс и передавать его далее по цепи. Они синтезируют и выделяют биологически активные вещества - посредники (медиаторы) для передачи информации по всем звеньям нервной системы. Нейроны сконцентрированы, главным образом, в нервной системе. Нервная система регулирует деятельность всех тканей и органов, объединяет их в единый организм и осуществляет связь с окружающей средой.

В различных отделах нервной системы нейроны могут существенно отличаться друг от друга, и в зависимости от функции они подразделяются на чувствительные (афферентные), промежуточные (вставочные) и исполнительные (эфферентные). Чувствительные нейроны возбуждаются и генерируют импульс под влиянием внешних или внутренних раздражителей. Промежуточные нейроны передают этот импульс с одной клетки на другую. Исполнительные же нейроны побуждают к действию клетки рабочих (исполнительных) органов. Характерной чертой всех нейронов является наличие отростков, которые обеспечивают проведение нервного импульса. Длина их колеблется в больших пределах - от нескольких микрон и до 1-1,5 м (например, аксон).

Исполнительные нейроны бывают двигательными и секреторными. Двигательные передают импульс на мышечную ткань (их называют нервно-мышечными), секреторные - на ткани, участвующие во внутренней регуляции.

Чувствительные нервные клетки рассеяны по всему телу. Они воспринимают механические, химические, температурные раздражения из внешней среды и от внутренних органов.

Передача нервного импульса по цепи нейронов осуществляется в местах их специализированных контактов - синапсах. В пресинаптической части содержатся пузырьки с медиатором, который выделяется в синаптическую щель при генерации импульса. Медиатор связывается с рецептором постсинаптической мембраны, которая является частью клетки, воспринимающей импульс (такой клеткой может быть другой нейрон или клетка исполнительного органа), и побуждает последнюю к действию (это и есть передача информации от клетки к клетке). Роль медиатора могут выполнять различные биологически активные вещества: ацетилхолин, норадреналин, дофамин, глицин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), серотонин, гистамин и другие. Наиболее распространенными медиаторами являются ацетилхолин (холинергические синапсы) и норадреналин (адренергические синапсы). Подробнее о работе синапса смотрите в главе 2.2 "Средства, влияющие на вегетативную нервную систему" (рисунок 2.2.3).

Нервная система обеспечивает реакции организма как на внешнее, так и на внутреннее раздражение. Всем известное слово "рефлекс" означает именно реакцию организма на раздражение. Эту реакцию обеспечивают так называемые рефлекторные дуги, соединяющие чувствительные и исполнительные нейроны. Рефлекторная дуга - еще один пример универсального принципа обратной связи, заложенного природой в живых организмах. Пример простейшей рефлекторной дуги представлен на рисунке 1.1.4.

Как видно из рисунка 1.1.4, рефлекторная дуга представляет собой цепь нервных клеток и включает чувствительный нейрон (передающий возбуждение от рецептора в центральную нервную систему по афферентным звеньям), группу промежуточных (вставочных) нейронов, проводящих нервные импульсы, и исполнительный нейрон, принимающий импульс от центральной нервной системы, поступающий по эфферентным звеньям. Во всех точках контакта этих нейронов (синапсах) сигнал передается с помощью посредников (медиаторов), взаимодействующих со специфическими рецепторами на клеточных мембранах.

Клетка, ткань - это первые уровни организации живых организмов, но и на этих уровнях можно выделить общие механизмы регуляции, обеспечивающие жизнедеятельность органов, систем органов и организма в целом. И, в первую очередь, заложенный природой универсальный механизм обратной связи, позволяющий поддерживать постоянство внутренней среды, то есть гомеостаз. Действие этого механизма направлено на сохранение благоприятной внутренней среды несмотря на изменение внешних условий. Любое искусственное нарушение этого постоянства приводит к изменениям, обусловленным стремлением клеток вернуться к норме. Это происходит благодаря сложным процессам клеточной, гуморальной и нервной регуляции, возникшим и развившимся на разных ступенях эволюции живого.