Системний підхід до функціонування клітини
Вивчення динамічних процесів, що відбуваються в клітині під час життя, є як і раніше однією з найбільш важких і захоплюючих областей досліджень сучасної науки. Вона містить безліч таємниць, і кожна розкрита таємниця рятує сотні тисяч життів, оскільки дає ключ до створення унікальних способів збереження здоров’я і поліпшення самопочуття людини. Саме тому над розкриттям таємниць природи, закладених в клітці, сьогодні працюють не тільки біологи і генетики, а й біофізики, біохіміки, системні аналітики, фахівці в галузі інформатики, лінгвістики та інших галузей знань.
Клітина є складною фізичної системою. В один і той же момент часу в ній відбуваються десятки тисяч різноманітних динамічних процесів. Для їх вивчення вчені використовують моделі. Модель клітини повинна відображати властивості і функції живої клітини. Наприклад, властивість клітини пристосовуватися при зміні параметрів зовнішнього середовища (температури, тиску, вологості повітря та інших). Однак ні в якій моделі не можна врахувати всі властивості реальної клітини. Навіть якби нам і вдалося вбудувати в модель значну частину цих властивостей, то завдання вийшла б настільки складною, що рішення її було б надзвичайно складно або навіть зовсім неможливо.
Проте, вчені постійно працюють над створенням різних моделей, що володіють властивостями живої системи. За сукупністю процесів, що відбуваються в клітині, її можна порівняти з біороботів, наділеним, з точки зору сучасної науки, фантастично досконалими властивостями: самовідтворення, самонавчання і самонастроювання.
У техніці робот являє собою інформаційно-обчислювальний комплекс. Систему його функціонування можна розділити умовно на п’ять основних підсистем: технічну, програмну, лінгвістичну, інформаційну та організаційну. У свою чергу дані підсистеми можна розділити на два класи. Перший клас включає технічну підсистему, що представляє собою матеріальні засоби комплексу (фахівці називають їх “залізом”), і другий клас – решта чотири підсистеми, що відповідають за організацію інформаційного процесу.
Аналогом технічної підсистеми в клітці є її біологічна субстанція, що має певну форму і будову. В якості будівельного матеріалу в ній використовуються органічні речовини (біополімери). Детально про це написано в розділі 1.3.2. Другий клас об’єднує підсистеми, що відповідають за організацію динамічних процесів – інформаційне життя клітини. Пристрій клітини є настільки складним, що відтворити штучно подібну їй систему не по силам жодної лабораторії світу.
В останні півстоліття вчені створили чимало моделей різних штучних систем: літаків, ядерних реакторів, роботів. Більш складним виявилося моделювання природних явищ. Одним з таких прикладів є моделювання процесів, що дозволяє передбачати погоду. Досвід, накопичений при проведенні таких робіт, дозволив розробити загальну теорію систем, узагальнюючу та розкриває фундаментальні властивості складних об’єктів.
Для спрощення розуміння перебігу внутрішньоклітинних процесів використовуємо різні підходи до розгляду динамічних процесів (біофізичних, біохімічних, енергетичних, інформаційних). При цьому ми будемо змушені в більшій чи меншій мірі ідеалізувати властивості описуваної системи, враховуючи тільки ті вирішальні чинники, які визначають риси поведінки, обумовлені конкретним видом динамічних процесів. Даний підхід до розгляду питання дозволить представити нам загальні властивості клітин, тканин, органів або систем органів, організму в цілому як системи.
Клітина є складною відкритою динамічною системою, що містить безліч входів і виходів (дивись малюнок 1.4.1).
Клітка – відкрита динамічна система, що містить безліч входів і виходів.
У процесі життєдіяльності клітина виконує дві основні задачі: забезпечує підтримання стабільності життєзабезпечення клітинної системи і реалізує специфічні функції, властиві певному виду клітин (дивись малюнок 1.4.2).
Основні функції клітини =
підтримання стабільності
підсистеми життєзабезпечення +
виконання специфічних функцій
Підтримка стабільності підсистеми життєзабезпечення відбувається за рахунок вироблення енергії, трансмембранного перенесення речовини, синтезу клітинних і тканинних структур, розмноження клітин.
Вироблення необхідної для життя клітини і організму в цілому енергії відбувається в процесі протікання процесів розпаду клітинних і тканинних структур (катаболізму), а також складних з’єднань, що містять енергію.
Трансмембранний перенос речовин забезпечує надходження на входи клітини необхідних речовин і виведення через її виходи продуктів обміну і речовин, які використовуються іншими клітинами організму.
У процесі синтезу тканинних і клітинних структур, а також необхідних для життєдіяльності сполук (анаболізму) енергія витрачається і накопичується. З їжею поживні речовини надходять, як правило, у вигляді продуктів, що утворюються в результаті гідролізу білків, жирів і вуглеводів. До них відносяться моносахара, амінокислоти, жирні кислоти і моногліцериди. Процес синтезу забезпечує відновлення структур клітини, що піддаються розпаду.
Розмноження клітин в організмі забезпечує його зростання і розвиток, відновлення клітинних структур, сприяє збереженню цілісної структури і нормальному функціонуванню організму.
Життєдіяльність самої клітини забезпечується взаємодією всіх її органел і клітинної мембрани. Як було сказано раніше в розділі 1.3.2, клітинні органели перебувають в гіалоплазме, що складається з води і знаходяться в ній різних іонів і органічних речовин (глюкози, амінокислот, білків, фосфоліпідів та інших). Гиалоплазма становить внутрішнє середовище клітини, що забезпечує взаємодію всіх клітинних структур за допомогою транспорту речовин, споживаних і синтезованих клітиною. Гиалоплазма також зберігає глікоген, ліпіди, пігменти. Більшість внутрішніх органел мають свої мембрани (ядро, ендоплазматичнийретикулум, апарат Гольджі, мітохондрії, лізосоми). Вони побудовані за тим же принципом, що і клітинні мембрани. Деякі внутрішньоклітинні органели не мають власної мембрани (рибосоми, мікротрубочки, мікрофіламенти і проміжні філаменти). Кожна органела виконує свої специфічні функції (таблиця 1.4.1).
Специфічні функції характеризуються виконанням кожною клітиною певного завдання, яка, в свою чергу, визначається генетично запрограмованим алгоритмом. Наприклад, робота нервових клітин полягає в сприйнятті сигналу, його передачі, переробці та зберіганні інформації. Порушення мембрани нейрона закінчується викидом медіатора в синаптичну щілину. Таким чином, шляхом трансформації електричного імпульсу в хімічний сигнал відбувається передача інформації по всіх ланках нервової системи. Кожна секреторна клітина здійснює синтез і виділення специфічних речовин, важливих для функціонування організму. В результаті секреції виділяються слина, шлунковий і кишковий сік, жовч, молоко, гормони і інші біологічно активні сполуки. Секреторні клітини беруть участь в роботі і регулювання функцій багатьох органів: шлунку, підшлункової залози, щитовидної залози та інших. М’язові клітини в організмі виконують скоротливу функцію: скорочення клітин поперечно-смугастої м’язової забезпечують роботу опорно-рухового апарату, гладкої мускулатури – роботу внутрішніх органів.
Входи підсистеми специфічних функцій визначають проникнення в клітину гормонів, медіаторів, біологічно активних речовин та інших сполук, виходи – виконання специфічних функцій клітини (виділення гормону, проведення нервового імпульсу, скорочення м’язової клітини). Саме реалізація специфічних функцій клітин забезпечує злагоджену роботу організму як єдиного цілого.
У реальності організм людини існує, постійно піддаючись впливу найрізноманітніших і мінливих зовнішніх факторів. До них можуть бути віднесені температура навколишнього середовища, тиск і вологість повітря, концентрація в атмосфері шкідливих для організму речовин і так далі. Вони можуть змінюватися в часі як закономірним, так і випадковим чином.
Робота підсистеми життєзабезпечення характеризується підтримкою на генетично певному рівні набору параметрів: температура, концентрація білків, вмісту води, рівень кислотно-лужної рівноваги усередині клітини, її мембранний потенціал і безліч інших. В процесі еволюції клітина навчилася зберігати сприятливу внутрішню середу, незважаючи на зміну зовнішніх умов. Головний механізм клітини як самоорганізується системи, що сприяє підтримці певних величин у фізіологічно допустимих межах і закладений в основу підсистеми життєзабезпечення, називається гомеостатом. Саме властивість клітини підтримувати постійність внутрішнього середовища на генетично заданому рівні називається гомеостазом. Клітка зберігає інформацію про значеннях всіх параметрів, що забезпечують її життєдіяльність і виконання властивих їй функцій. Гомеостаз реалізується за рахунок використання механізму зворотного зв’язку (дивись малюнок 1.4.4). Більш докладно про це буде розказано в розділі “Принципи та алгоритми регуляції функцій організму (інформаційний підхід)”.
Кожна мить життя клітини характеризується набором значень поточних параметрів (показників): температурою всередині клітини, концентрацією поживних речовин та інших. Сукупність значень цих параметрів в певний момент часу визначає стан клітини як системи. Одні з цих параметрів підтримуються на незмінному рівні, інші можуть змінюватися без втрати стійкості системи в цілому.
Сам по собі відомий і добре зрозумілий принцип роботи механізму зворотного зв’язку. Схема регулювання параметрів клітини зображена на малюнку 1.4.4. Але, як всередині клітини одночасно і злагоджено (синхронно) працюють тисячі таких механізмів, і при цьому відбувається порівняння їх поточних параметрів з генетично заданими? Це залишається загадкою природи.
Завдяки пристосувальним (адаптаційним) механізмам фізичні і хімічні параметри, що визначають життєдіяльність клітини, змінюються в порівняно вузьких межах, незважаючи на значні зміни зовнішніх умов.
Як будь-яка динамічна система, клітина має зони стійкості.
Зони стійкості характеризуються межами змін значень параметрів вхідних сигналів підсистеми життєзабезпечення, при яких процеси в клітці протікають нормально. В якості вхідних сигналів можна розглядати кількість поживних речовин, вміст кисню, вуглекислого газу, гормонів в крові і інші. Внутрішньоклітинні параметри, наприклад показник кислотно-лужної рівноваги (рН), підтримуються на заданому відносно сталому рівні.
У цитоплазмі клітин рН становить 6,7-7,3 (різниця, яка визначає зону стійкості, становить 0,6). Суворішими є вимоги до зміни цього показника з боку крові: рН крові може змінюватися тільки в межах 7,35-7,45 (зона стійкості становить 0,1, що в 6 разів менше, ніж для рН цитоплазми клітин).
При відхиленні значень цих параметрів за межі зон стійкості змінюється швидкість протікання біохімічних реакцій, аж до гальмування. Активність більшості клітинних ферментів залежить від показника рН, так як при його підвищенні всередині клітин порушується структура білка і, зокрема, ферментів. Вважається, що збільшення рН всередині клітин підшлункової залози служить одним із сигналів початку реакцій запрограмованої їх загибелі (апоптозу).
Сталість температури всередині клітини також сприяє оптимальному перебігу в ній хімічних реакцій. Організм людини утримує температуру тіла на певному рівні. Життєві процеси в організмі протікають у вузьких температурних межах: при температурі від 22 ° C до 43 ° C. Підвищення температури живих тканин вище 45-47 ° С супроводжується незворотними змінами і припиненням життя через згортання білків і інактивації ферментів. При температурі нижче 22 ° C настає гальмування роботи клітини, обумовлене значним уповільненням обміну речовин і енергії.
Функціонування підсистеми, що забезпечує виконання спеціальних функцій, також неможливо без механізму зворотного зв’язку, що підтримує гомеостаз в клітці. Наприклад, в системі гормональної регуляції постійний рівень, зокрема, кортикостероїдів підтримується завдяки такому механізму. Гіпофіз відстежує концентрацію даних гормонів в крові і при її зменшенні виділяє в кров адренкортікотропний гормон (АКТГ). АКТГ стимулює утворення кортикостероїдів в кірковій речовині наднирників, концентрація гормонів збільшується. При підвищеному рівні гормонів, навпаки, йде сигнал на припинення вироблення АКТГ.
Існують діапазони коливань зовнішніх впливів (температури навколишнього середовища, рівня електромагнітних випромінювань і інших), в межах яких клітина залишається стійкою і працездатною незалежно від часу їх впливу. Наведемо кілька прикладів зон стійкості при зовнішніх впливах. Взимку і влітку, при температурі навколишнього повітря в діапазоні від -70 до +50 ° С температура тіла людини залишається практично постійною, змінюючись за все на декілька часток градуса. У жаркий день навіть невелике підвищення температури тіла дає сигнал до посилення активності потових залоз, шкіра стає вологою, випаровування води з її поверхні сприяє охолодженню тіла. І навпаки, в холодну погоду поверхневі судини звужуються, втрата тепла зменшується, а вироблення – збільшується, виникає захисна реакція – тремтіння, “мурашки”.
Внутрішні параметри клітини залишаються в нормі після припинення дії обурює фактора, якщо він не перевищив допустимі межі. Таким чином, можна виділити допустимі інтервали зовнішніх параметрів (температури, вологості, атмосферного тиску, іонізуючого випромінювання та інших), при яких система клітинного гомеостазу підтримує відносну сталість внутрішнього середовища тобто повертає параметри в нормальний стан, за умови, що зовнішні впливи не виводять їх значення за межі зон стійкості.
Стійкість в малому, але нестійкість у великому. Будемо говорити, що система стійка в малому, але нестійка у великому, якщо обмежену зміну вхідного сигналу (набору вхідних сигналів) веде до зміни в обмеженому діапазоні значень вихідного сигналу (набору вихідних сигналів).
Існування клітини в певному діапазоні значень параметрів добре простежується при впливі радіації, або радіоактивного опромінення. З огляду на, що кожна людина піддається впливу природної радіації, можна простежити, як іонізуюче випромінювання впливає на клітку. Основу цього впливу становить передача енергії радіації клітинам організму.
На Землі завжди є природний радіоактивний фон, який створюють космічне випромінювання і радіонукліди, розсіяні в навколишньому середовищі і завжди знаходяться в живих організмах. Радіація безперервно впливає на всі живі організми, в тому числі на кожну клітину. Але її рівень надзвичайно малий, в середньому 0,2 сГрей в рік для людини, що в мільйон разів менше шкідливої для організму дози опромінення. Даний природний радіоактивний фон необхідний для нормального існування клітинної системи.
Однак випадкове опромінення радіацією великої потужності здатне привести до руйнування, пошкодження і зміни певних клітинних структур (білків, ДНК, РНК і їх комплексів), загибелі клітин. Великі дози можуть викликати повне припинення ділення клітин.
Наприклад, доведено, що шкіра не витримує радіоактивного опромінення або тривалого й інтенсивного опромінення сонячним світлом, так як руйнуються сполучнотканинні структури (колаген та еластин), що забезпечують щільність і пружність шкіри, з’являються ознаки передчасного старіння.
Таким чином, якщо діє зовнішній вплив, при якому клітина втрачає стійкість, і порушуються допустимі параметри її існування, то виникає ряд патологічних процесів, що призводять до загибелі системи клітини в цілому.
Керованість клітинної системи. Кожна система, в тому числі і система клітини, в будь-який момент часу знаходиться в певному стані, яке характеризується набором конкретних значень ряду параметрів. Наприклад, на мембранах нервових клітин існує певна різниця потенціалів, зміна якої призводить до виникнення і розповсюдження нервового імпульсу по аксону. Перехід з одного стану системи в інше здійснюється за рахунок зміни значень параметрів вхідних сигналів з урахуванням зовнішніх впливів. Так надходження зовнішнього стимулу (світла, шуму) на рецепторну клітину призводить до зміни її стану (порушення), активації різних біохімічних процесів. Будемо говорити про те, що система керована, якщо за рахунок зміни значень вхідних сигналів ми можемо перевести її стан з початкового в заздалегідь визначене. Наприклад, при надмірному надходженні кисню в організм, відбувається збільшення вмісту кисню в крові і відповідна активація деяких процесів в клітині (наприклад, дихання). Клітка починає посилено працювати. Таким чином, керованість системи – це здатність перекладу з поточного стану в інші заплановані.
В даному розділі були відзначені і розглянуті загальні характеристики клітини як системи. Життєдіяльність клітини пов’язана з біофізичними, біохімічними, інформаційними та енергетичними процесами.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)