Лекция 2 Основные принципы структурной и функциональной организации человека и животных

Рассматриваемые вопросы:

1. Клетка как структурная и функциональная единица организма.

2. Функции ядра и органоидов.

3. Структура и функции мембран.

4. Ткани, органы, системы органов.

5. Организм. Основные проявления жизнедеятельности и их регуляция.

6. Продолжительность жизни. Биологическое старение и смерть.

Сложная структурная организация отличает живой организм от неживых объектов, созданных природой или руками человека. Структурная сложность живого проявляется на всех уровнях – начиная с макромолекул, субклеточных структур, клеток и кончая целостным организмом.

Тело животных состоит из клеток и неклеточных структур. К последним относят синцитии, симпласты и межклеточное вещество.

Синцитии (соклетия) – это сетчатые структуры, образованные клетками тела и отростки которых связаны между собой цитоплазматическими перемычками (например, мезенхима, костная ткань). Синцитий – название условное, так как отсутствует непрерывный переход цитоплазмы одной клетки в другую. Между клетками есть границы, образованные мембранами.

Симпласты – образования из протоплазмы и множества ядер, в которых нельзя выделить отдельные клетки (например, волокна скелетных мышц, мегакариоциты костного мозга).

Межклеточное, или промежуточное, вещество расположено между клетками, синцитиями и симпластами. Это сложная система, состоящая из основного аморфного вещества, в котором содержится то или иное количество волокон – не самостоятельное образование, а продукт активной деятельности отдельных групп клеток.

Между клетками организма существует «разделение труда»: они в той или иной мере специализированы для выполнения определённой функции. Поэтому в принципе можно рассматривать организм как совокупность специализированных клеток, интегрированных в сложные системы органов и тканей.

Клетка как структурная и функциональная единица организма

Согласно клеточной теории элементарной структурно-функциональной единицей всех организмов является клетка. Обмен веществ, использование и трансформация энергии, раздражимость, способность к самовоспроизведению и другие признаки, свойственные живому, обнаруживаются в совокупности впервые на клеточном уровне, хотя отдельные компоненты клеток также обладают специфическими функциональными проявлениями.

Строение и регенерация клеток. Диаметр большинства животных клеток варьирует в пределах 10 – 100 мкм. Клетки ограничены плазматической мембраной, содержат ядро и цитоплазму. Плазматическая мембрана (плазмалемма) имеет толщину 7 – 10 нм, что лежит за пределами разрешающей способности светового микроскопа. Задача мембраны – сохранять внутреннюю среду клетки, отличную от внешней, и поддерживать постоянство микросреды, окружающей клетку.

Я д р о, окружённое двойной оболочкой с порами, локализуется в середине клетки. Внутри ядра находятся одно или несколько ядрышек.

Ц и т о п л а з м а – сложная динамическая система. Где осуществляются основные процессы жизнедеятельности клеток: дыхание, освобождение и аккумуляция энергии, синтез белков и других веществ.

Различают собственно цитоплазму (гиалоплазму) и её структурированные части. К последним относятся:

органоиды, постоянно присутствующие в любой клетке и необходимые для её жизнедеятельности (рибосомы, митохондрии, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы);

включения, появляющиеся или исчезающие в зависимости от условий обитания клетки (жировые капли, вакуоли, зёрна);

специализированные структуры, связанные с работой данного типа клеток (миофибриллы, тигроидная субстанция нервных клеток и т.п.)

Продолжительность жизни клеток различна – от нескольких часов или дней (В-лимфоциты, покровный эпителий) до нескольких месяцев или лет (клетки соединительной ткани, Т-лимфоциты). Некоторые виды клеток (нервные) сохраняются на свою жизнь.

Восстановление фонда клеток при их естественном обновлении или повреждении называется регенерацией. Регенерация может быть физиологической (естественная смена клеток а процессе жизнедеятельности) или репаративной (появление новых клеток в ответ на повреждение или гипертрофия сохранившихся клеток).

Функции ядра и органоидов. В ядре сосредоточен генетический (наследственный) материал, который передаётся как при делении клеток, так и в пределах клетки (в цитоплазме), когда осуществляется синтез белка.

Центральная роль в процессах синтеза принадлежит ДНК ядра, которая выполняет свою роль через разные формы РНК.

Рибосомы – округлые субмикроскопические структурные единицы, состоящие из двух неравных частей. Осуществляют биосинтез белка и таким образом реализуют генетическую информацию. Каждая клетка содержит десятки, сотни тысяч или миллионы этих частиц.

Митохондрии – частицы диаметром 0,5 – 1 мкм, ограниченные наружной и внутренней мембранами. Число их зависит от активности клеток. Митохондрии выполняют функцию «силовой установки» клеток, поставляющей энергию для их жизнедеятельности. Наряду с этим в митохондриях синтезируются некоторые аминокислоты, стероидные гормоны, а также активно накапливаются ионы кальция.

Комплекс Гольджи – пластинообразная структура, состоящая из утолщённых мешочков, связанных с мелкими пузырьками. Хорошо развит в клетках секреторного типа. В комплексе Гольджи также синтезируются полисахариды, изменяются белки (образуются глюкопротеиды, липопротеиды), формируются лизосомы.

Лизосомы – клетки в виде мелких, окружённых мембраной плотных зёрен. Содержат большое число (более 20) гидролитических ферментов. Участвуют в процессах внутриклеточного переваривания ненужных клетке собственных и поступивших извне белков, нуклеиновых кислот, липидов.

Структура и функции мембран. Согласно жидкостно-мозаичной модели плазматическая мембрана представляет собой двумерные растворы определённым образом ориентированных глобулярных белков и липидов.

Для увеличения контакта с окружающей средой на мембранах клеток имеются микроворсинки. Их особенно много в покровных клетках кишечника и почек там, где происходит интенсивное всасывание.

Плазматическая мембрана животных клеток покрыта снаружи полисахаридным слоем (10 – 20 нм) – гликокаликсом. В нём происходит внеклеточное пищеварение, располагаются рецепторы клеток. Гликокаликс способствует слипанию (адгезии) клеток друг с другом.

Помимо основной плазматической мембраны, в клетке присутствуют внутренние мембраны, обосабливающие различные органоиды. Это обеспечивает разграничение пространств в клетке (компартментализацию), что необходимо для осуществления многообразных метаболических реакций. Основные функции мембран – барьерная, транспортная и регуляторная.

Б а р ь е р н а я ф у н к ц и я заключается в ограничении проникновения через мембрану растворённых в воде соединений, включая и чужеродные, токсические вещества, и сохранении внутри клеток определённых концентраций метаболитов.

Мембрана практически непроницаема для крупных белковых молекул и органических анионов (составляющих значительную часть внутриклеточных анионов), ограниченно проницаема для катионов Na+ и свободно проходима для K+, Cl- и жирорастворимых веществ. Избирательная проницаемость мембран обусловливает разную концентрацию ионов во внеклеточной и внутриклеточной средах.

Т р а н с п о р т н а я ф у н к ц и я обеспечивает поддержание объёма, состава клеточной жидкости, извлечение из внеклеточной среды субстратов энергетического и пластического обмена, выведение продуктов метаболизма, создание ионных и электрохимических градиентов по обе стороны мембраны.

Транспорт веществ через мембрану может быть пассивным или активным. К первому относится диффузия, осмос и «облегчённая» диффузия, ко второму – транспорт с переносчиком и эндоцитоз (экзоцитоз). В отличие от активного пассивный транспорт не требует притока свободной энергии.

Диффузия – движение растворимого вещества по концентрационному и электрохимическому градиенту. Скорость диффузии обратно пропорциональна корню квадратному из молекулярной массы вещества, поэтому более крупные молекулы диффундируют медленнее. Диффузия через клеточную мембрану осуществляется медленнее, чем через искусственную полупроницаемую, так как липиды мембраны ограничивают скорость диффузии.

Осмос – движение воды через полупроницаемую мембрану из раствора с более низким в раствор с более высоким осмотическим давлением.

Р е г у л я т о р н а я ф у н к ц и я мембраны состоит в регуляции внутриклеточного метаболизма в ответ на поступающие извне воздействия – химические (гормоны, метаболиты, медиаторы, ионы), механические, термические. Воздействия воспринимаются специальными мембранными рецепторами с последующим изменением активности ключевых ферментов метаболизма.

Наружная и внутренняя поверхность всех биологических мембран различаются не только по ферментативной активности, но и по концентрации ионов.

Ткани, органы, системы органов

Группы одинаково специализированных клеток образуют ткани. Ткань – система клеток и межклеточных структур, обладающих общностью строения, происхождения, развития и функции.

Каждая ткань образуется в процессе индивидуального развития из определённых эмбриональных зачатков (зародышевых листков). Все разновидности тканей в животном организме объединяют в четыре типа: эпителиальные, опорно-трофические, мышечные и нервные.

Структура ткани отражает её функции. Используя гистологические, морфометрические, гистохимические и другие методы исследования, можно судить о функциональном состоянии ткани.

Железы – это образования, вырабатывающие и выделяющие специфические вещества – секреты, которые участвуют в физиологических отправлениях организма (например, слюна, желудочный сок, слизь, пот, секреты придаточных половых желез и др.)

Железы делят по форме и способу высвобождения секрета. По форме различают трубчатые, альвеолярные, трубчато-альвеолярные и сложные железы. По типу выделения секрета имеются железы с голокриновой, апокриновой, леммокриновой, мерокриновой секрецией.

На определённом этапе онтогенеза из разных тканей образуются органы. Орган – это часть тела определённой формы, состоящая из нескольких закономерно расположенных тканей и специализирующаяся на выполнении специфических видов деятельности: так, сердце, сокращаясь, обеспечивает движение крови; почки, формируя мочу, способствуют удалению из организма конечных продуктов обмена, и т.д.

Однако организм – это не простая сумма органов. Группы органов разной формы и строения, совокупно и постоянно участвующих в осуществлении какого-либо сложного акта жизнедеятельности, объединяются в морфо-функциональные образования – системы органов.

Краткий обзор проявлений жизнедеятельности позволяет уложить эти системы в определенную схему.

Известно, что одним из основных свойств живого организма является способность к активному движению. Движение обеспечивает поиск пищи, устранение от опасности, взаимодействие с другими особями, защиту потомства.

Таким образом, у высших животных сформировались и функционируют следующие системы: опорно-двигательная, пищеварительная, дыхательная, транспортная (кровь, кровообращение, лимфообращение), выделительная, половая, иммунная, а также системы регуляции и координации функций – нервная и эндокринная.

Нет специальных систем роста и развития животных, обмена веществ и энергии, поддержания теплового баланса, продуктивности. Эти физиологические процессы обеспечиваются всеми перечисленными системами.