Из клеток состоят: Из клеток состоят: А) растения Б) животные В) люди Г) грибы

Клиника Ито

Злокачественные опухоли

Частота «рака» в уплотнениях щитовидной железы чрезвычайно низка, и большинство из них являются «доброкачественными». Рак щитовидной железы встречается у женщин в 3 раза чаще, чем у мужчин (данные по заболеваемости раком на основе Национального прогноза и регистрации региональных онкологических заболеваний, 2012 г.). Особенностью рака щитовидной железы является медленное прогрессирование по сравнению с другими онкологическими заболеваниями, а также успешное излечение в большинстве случаев

Существует следующие типы рака щитовидной железы: папиллярная карцинома, фолликулярная карцинома, низкодифференцированная карцинома, недифференцированная карцинома, медуллярная карцинома. Что касается частотности, сообщается о подавляющем большинстве случаев папиллярной карциномы: 92,5%; при это, частотность фолликулярной карциномы: 4,8%, недифференцированной карциномы: 1,4%, медуллярной карциномы 1,3% (Японская ассоциация хирургии щитовидной железы, Национальная статистика, 2004 г.). Папиллярная карцинома и фолликулярная карцинома состоят из взрослых клеток и растут медленно. Их также называют дифференцированным раком.

Из клеток состоит весь организм, и чем более сложные и специализированные функции выполняет клетка, тем более дифференцированной (зрелой) ее можно считать. Поэтому, риск метастазов снижается с повышением степени дифференциации раковых клеток и повышается с ее понижением.

(1) Папиллярная карцинома

Более 90 % всех случаев рака щитовидной железы приходится на «папиллярную карциному». Эта форма рака прогрессирует медленно и характеризуется слабой инвазивностью. Единственным симптомом на ранних стадиях развития болезни является наличие уплотнения, которое прогрессирует очень медленно. На продвинутой стадии развития папиллярной карциномы проявляются такие симптомы, как затрудненное дыхание, хриплый голос и трудности при глотании, но поскольку большинство людей обращаются к врачу, когда замечают припухлость на шее либо указания на уплотнения в щитовидной железе в результате УЗИ шейного отдела при диспансеризации, в наши дни пациенты с запущенной стадией встречаются редко.

При папиллярной карциноме метастазы в удаленные органы развиваются нечасто, но поскольку уже на сравнительно ранних стадиях они могут затронуть лимфатические узлы, окружающие щитовидную железу, некоторые пациенты могут обратить внимание на увеличение и припухлость лимфатических узлов по обеим сторонам шеи.

Даже если метастазы уже распространилось в лимфатические узлы, развитие заболевания в них происходит медленно, и если пациент пройдет лечение на этой стадии болезни, чаще всего возможно полное излечение. Такова особенность данного заболевания. По результатам хирургических операций в нашей больнице, 20-летняя выживаемость пациентов с папиллярной карциномой составляет св. 90%. Таким образом, папиллярная карцинома представляет собой тип рака, который можно вполне успешно излечить.

(2) Фолликулярная карцинома

На это заболевание приходится около 5 % всех раковых заболеваний щитовидной железы. Как и в случае папиллярной карциномы, в большинстве случаев нет никаких аномалий, кроме собственно уплотнений. Хотя при этом заболевании метастазы в лимфоузлы встречаются редко, могут развиваться метастазы в кости, легкие и другие удаленные органы. Поскольку заболевание прогрессирует медленно, вероятность успешного лечения достаточно высока, если пациент получает лечение на ранней стадии заболевания. В нашей больнице 10-летняя выживаемость составляет 89,9 %.

(3) Низкодифференцированная карцинома

Папиллярная или фолликулярная опухоль щитовидной железы, содержащая морфологически слабо дифференцированные клетки, называется низкодифференцированной карциномой. Низкодифференцированные раковые опухоли развиваются быстрее папиллярных или фолликулярных раковых опухолей, поэтому степень их злокачественности немного выше , что требует надлежащего лечения.

(4) Медуллярная карцинома

Медуллярная карцинома представляет собой редкую форму рака, на которую приходится 1 – 2 % всех раковых заболеваний щитовидной железы. В отличие от папиллярной или фолликулярной карциномы, образующейся в фолликулярных клетках, которые вырабатывают тиреоидные гормоны, медуллярная карцинома развивается в парафолликулярных клетках (С-клетки), которые вырабатывают гормон кальцитонин, понижающий уровень кальция в крови.

В некоторых случаях развитие медуллярного рака имеет генетический характер (наследственное заболевание). Поэтому наследственную медуллярную карциному можно диагностировать, проведя генетическое исследование и определив, имеется ли у человека ген, провоцирующий развитие этого ракового заболевания. Иногда наследственная медуллярная карцинома может приводить к осложнениям, поражающим другие эндокринные органы, таким как феохромоцитома надпочечника или гиперпаратиреоз. Такие состояния называются множественной эндокринной неоплазией (МЭН).

(5) Недифференцированная карцинома

Поскольку недифференцированная карцинома состоит из очень незрелых клеток, она развивается очень быстро и отличается высокой степенью злокачественности. Она часто наблюдается у престарелых. Соотношение мужчин и женщин составляет 1 к 2, на нее приходится около 1-2 % рака щитовидной железы.

На схеме ниже показано распределение по возрастным группам. Папиллярная или фолликулярная карцинома наблюдается у сравнительно молодых пациентов. Однако, недифференцированная карцинома, подобно раку желудка или раку легких, развивается в старшей возрастной группе — у людей в возрасте от 50 лет и старше и, особенно, в возрасте от 60 лет и старше.

В целом, считается, что раковые заболевания у молодых пациентов отличаются большей инвазивностью и прогрессируют быстрее, но рак щитовидной железы представляет исключение. Этот рак успешно поддается лечению, поэтому мы рекомендуем пройти обследование, как только вы обратили внимание на уплотнение.

Помимо этого, среди злокачественных образований щитовидной железы очень редко может встречаться злокачественная лимфома.

■Численность пациентов по видам рака: папиллярная карцинома,

фолликулярная карцинома и другие

Вирусы. Простейшие существа и серьёзные задачи для учёных — Краевой фонд науки

28 апреля 2020

Поделиться

Так уж повелось, что о
многих вещах человек задумывается, когда появляется проблема. Объявили пандемию
– и все стали чаще мыть руки, в общественных местах появились антисептики, а
ручки дверей стали усиленно протирать. Вирусы были рядом с нами всегда. Но так
ли хорошо мы их знаем и готовы ли защищаться от них не только в период
пандемии? О том, кто или что такое вирусы, как они размножаются и почему их
нужно не истреблять, а изучать, рассказывает эксперт Красноярского краевого 
фонда науки, заведующая кафедрой биофизики СФУ, профессор, доктор
биологических наук Валентина Александровна Кратасюк.  

-Валентина
Александровна, человечество не первый раз сталкивается с вирусами. Что они
собой представляют?

— Вирусы –это простейшие
существа. Настолько простые, что идет спор о том, живые ли это существа или
нет. Это связано, в первую очередь, с тем, что вирусы не  могут размножаться вне живых клеток. У
вирусов нет собственного обмена веществ, а для синтеза своих молекул им
необходима клетка-хозяин.  При
этом устроен вирус идеально для такого паразитического поведения. В отличие от
клеток живых организмов вирусы не имеют клеточной оболочки, органелл,
протоплазмы и других компонентов клетки. 
Все вирусы состоят из двух основных типов молекул –наследственного
материала (РНК –рибонуклеиновая кислота или ДНК –дезоксирибонуклеиновая
кислота) и белковой оболочки. Жизненный цикл вируса состоит в том, что
нуклеиновая кислота проникает в клетку и, используя возможности клетки,
нарабатывает  свою ДНК или РНК, а также
свои белки. Затем вирусные частицы самопроизвольно собираются в инфицированной
клетке, разрушая ее, и  уже батальоны
вирусов продолжают свое черное дело.

—
Действительно ли коронавирус опаснее других, известных человеку? И если да, то
чем?

— Коронавирус
— это РНК-содержащий вирус, передающийся людям и животным. 2019-nCoV — это
новый штамм коронавируса, который произошел от диких животных (предположительно
— от летучих мышей). Пути передачи: воздушно-капельный (вирус выделяется при
разговоре, чихании, кашле) и контактный (например, при касании грязными руками
лица, носа, глаз). 2019-nCoV в 2-3 раза менее заразен, чем корь, и в 2-3 раза
заразнее гриппа. Процент летальности — 2,3%.

38 видов
короновируса известны науке, но только 6 из них передаются человеку. Новый
вирус отличается большей активностью. 
Это пневмотропный вирус, то есть он поражает легкие человека. Все
вирусные инфекции одинаковы и поэтому затруднена точная диагностика. Наши
новосибирские коллеги быстро разработали диагностический метод на короновирус.
Честь им и хвала.

—
Какие вирусы за историю человечества приводили к эпидемиям и какие из них
удалось победить?

— Всем известны ежегодные эпидемии гриппа. В
1918-1920 годах была печально известная «испанка», вызванная вирусом
h2N1, от которой пострадало 20 — 40% населения Земли в Испании, Швейцарии,
Португалии, Сербии, Греции, Англии и других государствах. Можно также вспомнить
пандемию 1957 года («Азиатский грипп») и 1968 года («Гонконгский
грипп»).  В 2001 году в Европе была
большая вспышка ящура, привезенного из Восточной или Юго-Восточной Азии через
продукты животного происхождения.  В
2003-2005 годах вирус H5N1 вызвал сильнейшую в истории вспышку гриппа среди птиц,
которая привела и к гибели людей. Мы еще помним эпидемию атипичной пневмонии. И
все эти эпидемии удалось победить.

Следует еще отметить, что российская
эпидемиологическая служба имеет большой опыт борьбы с инфекциями, который
опирается на опыт эпидемиологов двух прошлых столетий. Сложность настоящей
ситуации состоит в том, что очень сильно увеличилась миграция, и потому одним
из важных средств защиты от заражения является изоляция и карантин. 

— Есть ли
какой-то общий алгоритм борьбы с вирусами?

Конечно. Нужно приостановить размножение вирусов, что можно сделать разными путями, например, с помощью ферментов, разрушающих их генетический материал и не позволяющих копировать РНК и ДНК. Так, для лечения энцефалита, вызванного РНК-овым вирусом, используют препараты рибонуклеазы наряду со специфическим гамма-глобулином. Для защиты от вирусов в России активно используют препараты интерферона. Но надо помнить, что это заместительная терапия. При инфицировании вирусом собственный интерферон появляется на 4-5 день заболевания, потому интерферон применяют для профилактики и лечения в первые 4-5 дней заболевания.
Сейчас продают большое количество иммуномоделирующих препаратов, таких как Кагоцел, которые имитируют проникновение вируса в организм и стимулируют иммунную систему, но они нужны в первую очередь для профилактики заболевания, а не для лечения.
Кстати, вирусы прекрасно истребляются спиртом, на чём основано действие антисептиков,  и перекисью водорода, а также полезна рекомендация почаще мыть руки.
С новым коронавирусом оказалось важным сохранить молодость. Может, стоит подумать об этом?

—
Каков механизм появления новых вирусов и можно ли как-то противостоять их появлению?

Как и все живые организмы,
вирусы эволюционизируют, то есть появляются новые вирусы, за счет мутаций в генетическом
 материале.  РНК–вирусы имеют маленький период
размножения и повышенную частоту мутаций (одна точечная мутация или более на
геном за один раунд репликации РНК вируса). Такая повышенная частота мутаций
позволяет вирусам быстро адаптироваться к изменениям в окружающей среде. Быстрое
мутирование вирусов также вызывает проблемы с разработкой действенных вакцин и
противовирусных препаратов, так как мутации устойчивости к новым лекарственным
препаратам возникают очень быстро. Потому и есть трудности в создании защиты от
ежегодных эпидемий гриппа. Появляется новый мутированный вирус, для истребления
которого может не пригодиться прошлогодняя вакцина. Эволюцию невозможно
остановить. Да и нужно ли истреблять вирусы? Например, свойство вирусов
проникать в клетки используется широко в генетической инженерии и молекулярной
биологии для создания рекомбинантных организмов.

Поэтому вирусы нужно не истреблять,  а изучать.

Оригинал

Ученые раскрыли механизм заражения клеток коронавирусом :: Общество :: РБК

Знаменитые «шипы», из-за которых коронавирусы получили свое название, у вируса SARS-CoV-2 способны изгибаться, чтобы эффективнее прикрепиться к клетке организма. От антител их защищает полисахаридная оболочка

Фото: Akos Stiller / Bloomberg

Группа немецких ученых из Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге, Института биофизики Макса Планка, Института Пауля Эрлиха и Франкфуртского университета Гете провела исследование частиц коронавируса SARS-CoV-2, вызывающего пневмонию COVID-19. Результаты исследования они опубликовали в журнале Science, его результаты описывает портал Phys.org.

Ученые сконцентрировались на изучении поверхности вируса SARS-CoV-2, на которой расположены «шипы» — выросты, благодаря которым этот тип вирусов получил название «коронавирус». Исследование проводилось с помощью метода криоэлектронной томографии, при котором образцы замораживают до сверхнизких температур, после чего изучают с помощью электронных микроскопов.

В среднем на поверхности частиц SARS-CoV-2 находится до 40 «шипов», следует из исследования. С их помощью вирус прикрепляется к клетке, которую он в дальнейшем заражает. Таким образом, шипы выполняют две основные функции — прикрепление к клеточным рецепторам и в дальнейшем слияние с клеточной мембраной для того, чтобы проникнуть внутрь клетки.

Ранее предполагалось, что шипы соединены с частицами вируса жестким «стеблем», однако ученые установили, что в реальности они гибкие и способны двигаться. Каждый «шип» состоит из трех образований, который исследователи, по аналогии с обычными конечностями, назвали «бедром», «коленом» и «голеностопом». Гибкость «шипов» упрощает им задачу по прикреплению к поверхности клеток организма-хозяина.

«Как будто воздушные шары на веревочках, «шипы» движутся по поверхности вируса и таким образом могут искать место для прикрепления к клетке-цели», — объясняет Жакомин Криньсе-Локер, глава исследовательской группы в Институте Пауля Эрлиха.

Опухоль головного мозга —

Организм человека состоит из большого числа разнообразных клеток, каждая из которых имеет отдельные функции. Подавляющее большинство этих клеток на протяжении всей нашей жизни живет и умирает. На месте умерших, появляются новые клетки, которые образуются путем деления. Таким образом, обеспечивается  здоровое состояние организма и восстанавливается работоспособность всех его функций. Восстановление путем деления клеток связано с определенной зкономерностью, которая сложилась на протяжении миллионов лет эволюционного развития человечества и как правило, без каких-либо отклонений складывается в течение всей жизни человека.  Тем не менее, болезни, наследственные факторы и воздействия внешной среды отрицательно сказываются на правильном функционировании клеток организма, утрачивающих способность контролировать свой рост, начиная, при этом, расти и делиться с очень большой скоростью, в значительной степени превышая допустимые нормы. Эти поврежденные клетки образуют опухоли, называемые популяцией неправильно развивающихся клеток. То же самое справедливо и для других клеток, содержащихся в головном мозге и нервной системе. Каждый год, примерно 16 000 человек диагностируется опухолью головного мозга.

Опухоли подразделяются на две основные группы: доброкачественные (benign) и злокачественные (malign) опухоли. Доброкачественные опухоли представляют собой группу клеток, рост которых не вызывает риск развития рака. Как правило, их можно удалять, они не восстанавливаются и не повторяются, кроме того, не распространяются на окружающую здоровую ткань, не вызывая при этом, нарушений ее функций. Доброкачественные опухоли головного мозга имеют четко выраженные границы, благодаря чему имеется возможность удаления таких клеток при помощи хирургического вмешательства. Тем не менее, давление, оказываемое этими клетками на другие нормальные ткани головного мозга, может помешать нормальному функционированию здоровых клеток.

Злокачественные опухоли головного мозга содержат раковые клетки, которые представляют серьезную угрозу для жизни человека. Такие клетки очень быстро растут и распространяются на окружающую здоровую ткань, препятствуя их  нормальному функционированию. Как правило, подобно деревьям, такие клетки имеют способность пускать корни, за счет которых они, забирая из здоровой ткани мозга необходимые вещества, обеспечивают свое питание, рост и жизнедеятельность.

В связи с тем, что мозг довольно сильно защищен, ограничивающей его, черепной коробкой (черепом), центральная нервная система очень чувствительна к перепадам давления. Таким образом, несмотря на отсутствие в своем составе раковых клеток, некоторые доброкачественные опухоли оказывают давление на важные структурные ткани головного мозга, которые могут нести серьезный риск для жизни.

Первичные опухоли (primer), возникающие в тканях мозга, называется опухолью мозга. Вторичные опухоли головного мозга (sekonder) образуются вне пределах головного мозга, которые позже распространяются на ткани головного мозга. Опухоли головного мозга классифицируются в зависимости от типа ткани области их образования. Наиболее распространенными первичными опухолями головного мозга являются глиомы, которые развиваются из глиальных клеток, представляющих собой строительный материал соединительной или опорной ткани центральной нервной системы.

Ниже приведены очень краткие сведения о наиболее распространенных опухолях головного мозга.

Астроцитома: возникают из зрелых глиальных клеток звездчатой формы с многочисленными отростками, называемыми астроцитами (астроглиоцитами). Такие опухоли чаще всего встречаются в мозгу, мозжечке и спинном мозге. У взрослых чаще всего встречаются в больших полушариях головного мозга, у детей же в стволе головного мозга. В соответствии с системой классификации данная опухоль на 1-ой стадии называется волосовидной астроцитомой, на 2-ой стадии — диффузной астроцитомой, на 3-ей стадии — анапластической астроцитомой, на 4-й стадии – мультиформаной глиобластомой. Такие опухоли на 1-ой и 2-ой стадии называются опухолями низкой степени злокачественности, в то время как другие называются опухолями высокой степени злокачественности.

Эпендимомы: Такие опухоли, как правило, развиваются из клеток, выстилающих стенки полостей, называемых желудочками головного мозга. Они также могут встречаться и в спинном мозге. При этом, их развитие может наступить в любом возрасте, в основном в детском и молодом возрасте. Эпендимомы составляют 2-9% от первичных опухолей головного мозга. Они могут распространяться в спинномозговую жидкость. Считается, что клиническое проявление эпендимом, зарождающихся уже в раннем возрасте у детей, имеет, как правило, наиболее худший прогноз, чем у взрослых.

Олигодендроглиомы: данный вид опухолей образуется из клеток, которые способствуют образованию жирового слоя, называемого миелином и обеспечивающим защиту ответвлений нервных клеток. Такие опухолевые образования очень медленно растут и не распространяются на окружающие ткани. Представляют собой редки опухоли, которые чаще встречается у людей среднего возраста. Олигодендроглиомы составляют 4-5% от всех первичных опухолей головного мозга. Важной особенностью этих опухолей является проявления различной степени кальцификации по результатам  морфологических и рентгенологических исследований.

Медуллобластомы: Согласно результатам, недавно проведенных исследований, было  установлено, что развитие этого вида опухолей связано с примитивными (развивающимися) нервными клетками, которые  не должны оставаться в организме после рождения. Поэтому медуллобластомы также называются и примитивными нейро эктодермальными опухолями (PNET). Чаще всего они развиваются в мозжечке. Обычно медуллобластомы наблюдаются в детском возрасте и чаще всего у мужчин, при этом, они составляют 4-10% от всех первичных опухолей головного мозга. Кроме того, 20% опухолей этого вида наблюдается в возрасте до 20 лет.

Менингиомы: Развиваются из оболочки мозга, называемой мозговой оболочкой. В связи с медленным развитием этих опухолевых клеток, которые не распространяются на здоровые ткани головного мозга. При этом, ткани головного мозга могут адаптироваться к присутствию такого рода опухолей, которые могут продолжаться оставаться незамеченными до тех пор, пока не достигнут максимального размера. Менингиомы чаще всего встречаются у женщин в возрасте 30-50 лет. Более 95% таких опухолей являются доброкачественными. При этом, они составляют % от общего количества всех опухолей головного мозга.

Краниофарингиомы: образуются в области гипофиза. Как правило, эти опухоли имеют доброкачественных характер, но иногда, распространяясь на окружающие ткани и причиня им вред, они также могут быть злокачественными. Краниофарингиомы чаще встречаются у детей и подростков.

Опухоли шишковидной области: наблюдаются на шишковидной железе, представляющей собой небольшой орган, который расположен в глубине середины мозга. Опухоли шишковидной области разделяются на два типа: медленного и быстрого развития. Кроме того, в детском возрасте эти опухоли составляют 3-8%, у взрослых меньше чем 1% от общего количества всех опухолей головного мозга. 80% опухолевых образований, наблюдаемых в данной области головного мозга, имеют злокачественный характер.

Опухоли ствола мозга: опухоли, которые чаще всего встречаются у детей. Проявление у детей опухолей ствола мозга составляет 20%. При этом, средний возраст составляет от 3 до 9 лет. Среди опухолей ствола мозга образуется группа клеток, имеющих характерные признаки глиом, которые делятся на 4 группы опухолей: диффузные, шейно медуллярные, очаговые, а также  спинно-экзофитные. Все диффузные опухоли являются злокачественными.

Опухоли угловой извилины: место соприкосновения мозжечка и ствола мозга называется угловой извилиной. Несмотря на то, что в данной области и может наблюдаться достаточно большое количество разнообразных опухолевых образований, при первом упоминании об опухоли угловой извилины, прежде всего, на ум сразу приходит самый первый вид опухоли оболочки восьмого черепно-мозговой нерв – шванномы, являющейся доброкачественным образованием, возникающей из клеток миелиновой оболочки и отвечающий за слуховые и вестибулярные функции организма. Данный вид опухоли является доброкачественным, медленно растущим новообразованием клеток. Оказывая давление на нервы, отвечающие за слуховые и вестибулярные функции, может вызвать вызвать онемение чувствительных нервов лица. Если опухоль достигает значительного размера, это может вызвать паралич лицевого нерва и даже представлять угрозу для жизни посредством давления, оказываемого этой опухолью на ствол мозга. Эти опухоли, как правило, имеют  односторонний характер развития. Кроме того, вместе с наследственным заболеванием 2-ого нейрофиброматозного типа развитие этой опухоли может иметь двухсторонний характер. Опухоли с односторонним проявлением составляют 8% от общего количества опухолей головного мозга. Ежегодно у одного пациента из 100 000 человек наблюдается развитие этого вида опухоли. Ранняя диагностика является ключевым фактором, благодаря которому предоставляется возможность вылечить эту опухоль без каких-либо серьезных проблем. Самой первой жалобой у 70% больных является потеря слуха. Кроме того, распространены также и такие жалобы, как головокружение, головные боли, шум в ушах. У пациентов, имеющих опухоль большого размера, может наблюдаться паралич лицевого нерва, двойное зрение, затруднение глотания, боль в лицевой области, онемение или другие жалобы. Между тем, проводятся конкретные испытания для определения степени потери слуха. В тех случаях, когда возникают сомения при постановке диагноза, проводится МРТ (Магнитно-резонансная томография), благодаря которой возможно поставить более точный диагноз.

Метастатические опухоли: метастатическое распространение раковых клеток. Если раковая опухоль образуется в каком-либо органе организма и достигает мозговой ткани, то такое распространение называется вторичной опухолью головного мозга. Распространенная таким образом, опухоль сходна с оригинальной опухолью, при этом идентифицируется в точности как и исходная опухоль. Например, если раковая опухоль легкого распространится на мозг, то она будет называться метастатическим раком легких. Поскольку метастатические опухолевые клетки в головном мозге имеют схожесть с клетками раковой опухоли легких, а не с клетками головного мозга. Лечение при вторичной опухоли головного мозга может меняться в зависимости от области возникновения, степени распространения, возраста пациента, а также от текущего состояния здоровья и ответной реакции организма пациента на применяемое первоначальное лечение.

Лечение опухолей головного мозга

Есть много факторов, которые влияют на выбор лечения. К таким факторам можно отнести: тип опухоли, область и степень распространения, размер и состояние пациента. Методы лечения опухолей у детей и взрослых отличаются друг от друга. Для каждого пациента выбирается конкретный план лечения.

Опухоли головного мозга подвергаются лечению как при помощи хирургического вмешательства, так и назначением лекарственных препаратов или же применения лучевой терапии. В зависимости от состояния пациента, одновременно могут применяться сразу несколько методов. Лечение пациента обычно проводится группой специалистов. В такой команде врачей имеется нейрохирург, онколог и радиационный онколог. Кроме того, к группе этих специалистов могут присоединиться физиотерапевт и логопед.

Самым первым вариантом лечения при многих опухолях мозга является хирургия. Если представляется возможность, хирург удаляет всю опухоль. Но если же врач не может удалить поностью опухоль без повреждения окружающей здоровой ткани, по возможности он удалит наибольшую часть новоорбразования. Частичное удаление опухоли будет способствовать уменьшению жалоб пациента и снижению воздействия  радиации или лекарственных препаратов на организм пациента за счет снижения давления, оказываемого опухолевой тканью на здоровую ткань головного мозга.

В некоторых случаях не представляется возможным удалить опухоль. В таких случаях хирург выполняет только биопсию и удаляет только самую небольшую часть опухоли. Полученный образец направляется на исследование в патологию, где под микроскопом проводится тщательный анализ и точным образом идентифицируется тип опухоли. Это является важным информационным источником, необходимым при  формировании лечения и выборе наиболее подходящих методов. Биопсия может осуществляться посредством открытой хирургии или же посредством специального устройства с биопсийной иглой, применяемого для тех пациентов, состояние здоровья которых не позволяет применять открытые методы хирургического вмешательства.  Врач одевает на голову пациента специальный шлем (Frame), благодаря которому предоставляется возможным получить мультимодальные отображения, сделанные при помощи МРТ и/или КТ. Таким образом, определяется точная локализация координат опухолевой ткани головного мозга. Используя эти данные, в черепе просверливается небольшое отверстие, через которое непосредственно в область с опухолью вводится биопсийная игла и осуществляется забор необходимого количества образца опухолевой ткани. Такой метод называется стереотаксическим.

Кроме того, возможно применение лучевой терапии (радиотерапии), которая может  проводиться различными способами. 5 раз в неделю пациенты проходят лучевое облучение посредством специальной массивной аппаратуры, радиационное излучение которой эффективно воздействуют на опухоль головного мозга этих пациентов. Продолжительность терапии определяется в зависимости от типа и размера опухоли. Целью проведения такого поэтапного лечения является сведение к минимуму повреждение здоровых тканей. Кроме того, излучение может также применяться с помощью специальных веществ, которые хирургическим путем необходимо ввести непосредственно в опухоль. В соответствии с радиоактивными веществами, вводимый препарат вводится на короткий промежуток времени или же может постоянно оставаться в головном мозге.

Стереотаксическая радиохирургия является еще одним методом лечения опухолей головного мозга. Лечение проводится в течение одного сеанса. Высокие дозы радиации под разными углами в различных направлениях излучаются ​​только на опухолевую ткань. Таким образом, предотвращается повреждение здоровой ткани головного мозга. Этот метод называется радиохирургия GAMMA KNIFE (Гамма-Нож). Применение данного метода обеспечивает наиболее эффективное воздействие и точную обработку опухолевой области за более короткий период времени. Для того, чтобы использовать данный метод при лечении опухоли головного мозга необходимо, чтобы размер   опухоли не превышал трех сантиметров.

Химиотерапия представляет собой основной тип медикаментозного лечения, воздействие которого направлено на уничтожения раковых клеток. Данный вид лечения предусматривает применение, вводимых в различных дозах, одного или нескольких лекарственных препаратов. Введение лекарственных средств в организм пациента может осуществляться орально, внутривено, так и путем непосредственного введения в спинномозговую жидкость, которая содержится в позвоночнике.

В ходе лечения при помощи данного метода пациенты приходят на прием к врачу в назначенные сроки, при чем, вначале эти визиты происходят чаще, затем со временем  можно будет все реже проходить обследование у лечащего врача. Во время таких обследований проводится анализ результатов, полученных в ходе исследований посредством КТ или МРТ, согласно которых можно отслеживать состояние и изменения опухоли, а также осуществляется полное обследование пациента. В случае необходимости будет назначено соответствующее медикаментозное лечение.

Источники

1 – Веб-сайт медицинского факультета Университета Гази. Раздел «Технология Гамма-ножа»

2- Публикации Ассоциации нейрохирургов Турции, Книга «Основы нейрохирургии»

Glial Beyin Tümörü Pre-Op Mr

Glial Beyin Tümörü Post-Op Mr

Краткий словарь генетических терминов

Краткий словарь основных понятий и терминов, использующихся в генетике

Для понимания того, с чем работает наша компания и зачем эта работа нужна, какие результаты мы получаем и что они вам расскажут, можно прийти на консультацию к специалистам ЦГРМ «ГЕНЕТИКО». А для того, чтобы Вы не забыли, о чем был разговор, и не утонули в море новой информации, мы составили для Вас небольшой словарик основных понятий и терминов, использующихся в генетике.

Основным положением биологической науки является то, что клетка – это самое маленькое из возможных проявление жизни и что новая клетка может появиться только от уже существующей и никак не может возникнуть сама по себе. Конечно, это приводит к большому количеству вопросов о том, как зародилась жизнь и каким образом могла сформироваться самая первая клетка. Но для удобства будем считать обозначенные положения верными в современной реальности планеты Земля, где мы живем. Несмотря на невообразимо огромное разнообразие живых существ, все они состоят из клеток. И у всех клеток есть схожие черты, которые обусловлены самыми простыми жизненными необходимостями. Во-первых, клетка должна как-то отделяться от внешнего пространства – для этого есть специальная оболочка.

Во-вторых, клетка должна питаться – для этого есть разные системы, способные преобразовать энергию света или химических связей в необходимые для жизни вещества и удобную для использования энергию. И еще клетка умеет размножаться. Для выполнения всех этих функций необходимы механизмы, основу которых составляют белки и РНК. А вот инструкция, как эти молекулы должны выглядеть и работать, хранится в специальном отсеке клетки – ядре – в виде ДНК. Ошибки в этой инструкции, которая разрабатывалась миллионы лет, приводят к смерти клетки. А в многоклеточном организме, таком, как у человека, например, клетки взаимодействуют друг с другом, поэтому нарушение в работе одной или нескольких клеток может привести не к смерти всего организма, а к нарушениям его работы – заболеваниям. Также необходимо помнить, что человеческий организм огромная система, ансамбль миллионов разнообразных маленьких организмов, которые выросли из одной единственной клетки – зиготы – результата слияния яйцеклетки и сперматозоида.

ДНК – ДезоксиРибонуклиновая Кислота – полимер, то есть молекула с большим количеством последовательно повторяющихся структурных элементов, который несет всю информацию о генах и белках, необходимых для жизни всего организма. ДНК является картотекой, библиотекой и матрицей, с которой считывается информация в определенной последовательности и определенных условиях, разъяснения о которых записаны как в самой ДНК, так и с помощью различных дополнительных модификаций этой молекулы. Каждой хромосоме соответствует 1 молекула ДНК. Структурными блоками этого полимера являются дезоксирибонуклеотиды (=нуклеотиды), которые бывают 4х видов (А, Т, Г, Ц).

Последовательность ДНК – это то, в каком порядке в молекуле ДНК идут ее структурные элементы – нуклеотиды. Таким образом, генетической информацией является именно последовательность ДНК, а молекула ДНК является ее физическим носителем.

Хромосома – это молекула ДНК, специальным образом обернутая различными белками, которые помогают управляться с такой длинной молекулой, чтобы она не порвалась, не перепуталась с другими ДНК-молекулами и была физически доступна для белков, осуществляющих работу всего генетического аппарата.

РНК –РибоНуклиновая Кислота – полимер, который выполняет функциональную роль переносчика информации, то есть копии, которая делается с ДНК и используется для создания функциональных молекул: специальных РНК или белков. Специальные молекулы РНК могут не являться матрицами, на базе которых синтезируется белок, а сами выполняют структурные, ферментативные или транспортные функции. Главное, что последовательность структурных блоков в молекуле РНК всегда определена последовательностью ДНК соответствующего участка.

Белок – основная функциональная единица живой клетки с самым широчайшим спектром функций и возможностей. Как ДНК и РНК, является полимером, однако имеет химически иные структурные блоки – аминокислоты. Их последовательность, с одной стороны, напрямую зависит от соответствующей последовательности ДНК и может изменяться только в ограниченных и предусмотренных в ДНК инструкций, с другой стороны является основой структуры, в том числе пространственной, возможностей и функции белков разных типов.

Ген – определение гена включает два аспекта: теоретический и физический. Теоретически, то есть умозрительно, геном называют последовательность ДНК (слово, записанное на языке генетики), обладающее определенными свойствами. Как и слово в языке, ген является основой наследственной информации, в то время как различные другие структуры можно отнести к знакам препинания или вспомогательным элементам. Ген является подробной инструкцией для синтеза белка или специфической РНК, которую он кодирует. Причем эта инструкция описывает не только последовательность молекул, но и то в каких условиях и как они должны работать и выполнять свои функции. С физической, то есть материальной, точки зрения, ген – это часть молекулы ДНК с определенными структурными элементами. Как внутри слова есть приставка, корень, суффикс и окончание, позволяющие слову адаптироваться для каждой конкретной фразы, так и у гена есть промотор, экзоны и интроны. Первый обозначает начало гена, экзоны – это ключевая информация о последовательности РНК или белка, а интроны необходимы для регуляции и тонкой настройки работы гена в условиях разных тканей, органов и изменяющейся окружающей среды.

Экспрессия гена – это эффективность работы гена, так как для его функционирования недостаточно его наличия в геноме – с него должна считываться информация. Именно то, как часто и в каком объеме считывается информация с гена, выражают термином экспрессия.

Локус – участок молекулы ДНК, содержащий различный структурные элементы, в том числе один или несколько генов.

Геном– это последовательность всех молекул ДНК организма. Важно помнить, что в каждой клетке одного организма в норме содержатся одинаковые по количеству и последовательностям молекулы ДНК, а различается экспрессия конкретных генов.

Экзом – это последовательности ДНК экзомных участков генов, то есть так называемая основная кодирующая составляющая. Это то, с чем работает организм, в то время как остальная часть генома объясняет, как работать и в каких условиях как применять и настраивать кодирующую часть генома.

Мутация – изменение последовательности ДНК по сравнению другими клетками организма или другими представителями вида. Мутации могут возникать как из-за воздействия внешних неблагоприятных условий, так и из-за того, что наши ферменты работают пусть с редкими, но ошибками. Так как происходит физическое изменение в носителе информации – ДНК, такое изменение может передаваться из поколения в поколение.

Частота мутаций — относительное значение, показывающее у какой доли людей в геноме есть конкретная мутация. Частоту мутации можно рассчитать, как среднюю для всех людей, так и отдельно по расовым или национальным, или любы другим группам. В медицинской генетике под мутацией подразумевают изменение ДНК, которое может быть связано с каким-то заболеванием, и противопоставляют ее полиморфизму. Хотя по общей логике полиморфизм – это частный случай мутации.

Полиморфизм – нейтральная, а точнее безвредная, мутация, которая сравнительно часто встречается у какой-то группы организмов одного вида. Некоторые мутации встречаются часто у всех людей, некоторые – только среди представителей определенных рас или народностей.

Аллель – вариант последовательности гена в разном виде: от различия в одной букве последовательности до отсутствия целого куска последовательности или вставке лишнего. Эти различия возникают из-за мутации, которая могла произойти у далекого предка и передаться потомству через поколения. Таким образом, каждый ген у отдельного человека может быть представлен конкретным вариантом – аллелем. Для понимания аллелизма необходимо объяснить, что, например, различия в цвете глаз, волос, росте, чувствительности к алкоголю объясняются именно разными аллельными состояниями соответствующих генов.

Генотип – это все гены конкретной особи с указанием аллельного состояния каждого гена и наличия/отсутствия мутаций в межгенных участках ДНК.

Доминантный аллель. В геноме человека содержится по 2 копии каждой хромосомы. Это означает, что в каждом геноме есть две очень похожие по длине и последовательности генов молекулы ДНК, которые отличаются аллельными состояниями генов и мутациями/полиморфизмами в межгенных участках этих молекул ДНК. Из этого следует, что и каждый ген представлен в геноме 2 копиями, каждая из которых может быть определенным вариантом (аллелем) этого гена. Доминантным аллелем называется тот, одной копии которого достаточно для проявления его особенностей. То есть если хотя бы на одной из хромосом ген находится в состоянии доминантного аллеля, то ген будет работать по тому варианту, который описывается именно этим аллелем. Важно, что так как у одного гена может быть более двух вариантов (аллелей), то и доминантность аллеля определяется по отношению к каждому из вариантов, хотя есть и те, которые доминантны по сравнению со всеми другими. Встречаются варианты с одинаковой предпочтительностью для работы, тогда проявляется совместное влияние этих вариантов.

Рецессивный аллель – по аналогии с доминантным аллелем, это такое состояние гена, которое наименее предпочтительно для проявления. Поэтому если в геноме есть другая копия гена, доминантная, то задавать темп работы гена будет именно она, но если и вторая копия гена представлена рецессивным аллелем, то будет работать этот, хотя менее предпочтительный, но в такой ситуации единственно имеющийся вариант. Хотя в большинстве случаев связанные с возникновением заболевания аллели рецессивны, это вредность/полезность не является единственным определяющим фактором рецессивности/доминантности аллеля.

Гомозигота. Гомозиготой по определенной мутации/полиморфизму/аллелю называют такую клетку или организм, в генотипе которой/которого обе копии гена на двух хромосомах представлены одним вариантом, то есть не отличаются по этой мутации/полиморфизму/аллелю.

Гетерозигота. Гетерозиготой по определенной мутации/полиморфизму/аллелю называют такую клетку или организм, в генотипе которой/которого две копии гена на двух хромосомах представлены разными вариантами, то есть отличаются по этой мутации/полиморфизму/аллелю.

Секвенирование – это группа методов, позволяющая узнать последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Этот метод обладает некоторыми особенностями. Во-первых, пока что ни один способ секвенирования не позволяет прочитать всю последовательность одной хромосомы, чтение идет сравнительно небольшими отрезка от 50 до несколько тысяч нуклеотидов. Во-вторых, почти все методы устроены так, что из кусочка ДНК делается много одинаковых и читаются они все. Эта особенность проявляется в таком параметре секвенирования, как глубина секвенирования, обозначаемая 10Х, 20Х, 50Х. Чем больше это значение, тем больше раз прочитан один и тот же кусок молекулы, тем точнее можно выявить ошибки секвенирования и особенности участка, например, его гетерозиготность по какой-либо мутации/полиморфизму.

Гаплотип — совокупность состояний/вариантов определенных локусов, которые расположены на одной хромосоме, и вследствие структурных особенностей эти состояния всегда наследуются вместе. То есть, например, если в одном локусе (1) гаплотипа имеется мутация (1А), а в другом (2) имеется уже другая мутация (2M), то именно в таком составе они будут наследоваться (1А2М), а смешанных вариантов (1B2M или 1A2N) не бывает или они относятся к другому гаплотипу.

Гаплогруппа — совокупность особей, имеющих сходный гаплотип по определенным локусам, которые задаются в соответствии с тем, какую задачу нужно решить, определяя гаплогруппу

Митохондриальная ДНК. Если разбираться подробнее и глубже, то генетическая информация одного человека находится не только в 46 хромосомах, располагающихся в специальном отсеке клетки – ядре, но и в клеточных органах митохондриях. У митохондрий в клетке своя задача – преобразовывать энергию, заключенную в химической связи определенных атомов, в более удобную для клетки, то есть они готовят эффективные питательные запасы из разного сырья. Митохондрии довольно сложны, их оболочка хитро устроена, чтобы опасные побочные продукты готовки не могли попасть в остальную часть клетки, поэтому все время таскать туда нужные для их работы белки не слишком продуктивно. Таким образом, у них есть своя ДНК, которая несет информацию о разных особенных белках и РНК, которые нужны именно для работы митохондрии. Такую ДНК называют митохондриальной и она является неотъемлемой и обязательной частью нашего генотипа. Передается она только от мамы, так как сперматозоид для возможности быстро перемещаться и долго оставаться живым несет самый минимум необходимой генетической информации – 23 хромосомы. А вот яйцеклетка, которой для выполнения основной функции не нужно находится в агрессивной окружающей среде, может позволить себе бОльшую массу и дополнительные запасы в виде готовых к работе станций приготовления питания – митохондрий и заранее синтезированных белков и РНК.

Гены половой дифференцировки – группа генов, играющая ведущую роль в определении будет эмбрион развиваться как девочка или как мальчик. В геноме человека основой проявления мужских или женских половых признаков является наличие/отсутствие половой хромосомы Y, а именно особо локуса этой хромосомы – SRY (Sex-determining Region on the Y chromosome). Важно отметить, что нарушения в этом локусе могут приводить не к внешним проявлениям, а к сниженной репродуктивной способности мужчины или ее полному отсутствию. Процесс дифференцировки пола у человека можно представить тремя стадиями: 1) какой набор хромосом получается при слиянии яйцеклетки (всегда несет хромосому X) и сперматозоида (с хромосомой X или Y), 2) формирование женских или мужских половых органов в зависимости от работы генов локуса SRY, 3) развитие вторичных половых органов в соответствии с типом половых органов. Нарушения на разных этапах приводят к разным проявлениям и разным заболеваниям.

Локус AZF – это участок Y-хромосомы, на котором располагаются так называемые факторы азооспермии (AZF — AZoospermia Factors). Это особые участки, которые названы так, потому что если какой-то из них отсутствует из-за мутации, то развивается азооспермия (отсутствие сперматозоидов) или олигозооспермия (малое количество сперматозоидов). Всего обнаружено три таких фактора AZFa, AZFb и AZFc. В норме наличие всех трех является минимальным необходимым условием нормального формирования сперматозоидов. Если в геноме отсутствует один из AZFa и AZFb или оба, то нарушается созревание сперматозоидов и, как следствие, полностью отсутствует репродуктивная функция. При отсутствии локуса AZFc нарушения могут быть не столь сильными, поэтому деторождение остается возможным в некоторых случаях.

Хромосомные аномалии – это крупные мутации, которые связаны с изменением последовательности ДНК не в рамках отдельного гена или нескольких, а в масштабе хромосомы или генома. Например, отсутствие (делеция) большой части или всей хромосомы, лишняя хромосома, или часть одной хромосомы соединена с частью другой хромосомы и т.д.

Наследственное заболевание – это заболевание, вызванное нарушениями в геноме, то есть мутациями, которые либо мешают формированию нормального белка (так как ген – инструкция по его построению – поврежден), либо изменяют регуляцию, то есть условия, когда, в каком месте или с кем такой белок или ген должен работать.

Моногенное заболевание – это наследственное заболевание, вызванное мутацией в одном только в одном гене. Несмотря на то, что все остальные почти 30000 генов могут быть в порядке, изменение последовательности ДНК в этом гене вызывает нарушения функционирования всего организма.

Хромосомное заболевание – наследственное заболевание, вызванное хромосомными аномалиями.

Носительство мутации – это состояние гетерозиготы по аллелю, обладающему какими-то негативными клиническими проявлениями, если он находится в геноме в виде гомозиготы.

Пробанд – человек, с которого начинается составление генеалогического дерева (родословной). Обычно пробанд – это носитель или пациент с наследственным заболеванием, проявление которого и вызвало необходимость генеалогического анализа.

Сиблинг – в генетике таким термином обозначают потомков одних родителей, то есть братьев и сестер, но не близнецов.

Автор: Жикривецкая Светлана

Биолог-исследователь

что это такое, как применяются

Cостояние печени играет жизненно важную роль для здоровья человека. Этот орган весом более килограмма выполняет множество задач. В одной клетке печени, гепатоците, протекает около 500 различных биохимических процессов¹. В печени осуществляется распад и/или детоксикация вредных веществ, а также выведение их из организма. Кроме того, орган синтезирует важнейшие составные части биологических мембран — фосфолипиды².

Что такое клеточная мембрана?

Клетки — основные строительные блоки человеческого организма. Они, в свою очередь, не могут существовать без жиров и фосфолипидов, образующих наружную мембрану, «стенку» клетки, которая удерживает внутри нее цитоплазму. Мембрана представляет собой два слоя фосфолипидов, которые состоят из гидрофильной «головки», притягивающейся к воде, и гидрофобного, то есть водоустойчивого «хвоста». «Головки» двух рядов фосфолипидов обращены наружу, к жидкости, а «хвосты» скрепляются друг с другом, обеспечивая клеточным стенкам высокую прочность².

Фосфолипиды выполняют структурную функцию, поддерживая клеточный каркас, участвуют в процессах молекулярного транспорта, ферментативных и других, не менее значимых процессах. Любое нарушение их деятельности может иметь самые серьезные последствия².

Гепатоциты — «кирпичики» печени

Клетки печени, гепатоциты, составляют до 70 — 85% массы органа. Они несут основную ответственность за деятельность печени, участвуя в таких процессах, как:

• Синтез и хранение протеинов
• Расщепление углеводов
• Синтез холестерина, желчных солей и фосфолипидов
• Детоксикация, расщепление и выведение веществ
• Инициирование образования и, собственно, выработка желчи.

Клеточная стенка гепатоцитов, как и любых других клеток, состоит из фосфолипидов, обеспечивающих ее полноценное функционирование. Однако, к сожалению, она уязвима. Воздействие негативных факторов, например, некоторых лекарственных препаратов, токсичных веществ и особенно алкоголя и даже несбалансированного рациона приводит к нарушению внутриклеточного обмена и гибели гепатоцитов. Так развиваются различные заболевания печени¹.

Когда печень «шалит»?

Проблемы с печенью прежде всего связаны с хронической интоксикацией, которая, в свою очередь, может быть вызвана различными заболеваниями и состояниями. К ним относится хронический прием алкоголя, сахарный диабет 2 типа, экологическая интоксикация, «химизация» пищи и быта, неблагоприятное действие лекарств и другие факторы. Все они способствуют развитию оксидативного стресса вследствие нарушения адекватной работы антиоксидантных механизмов. Постепенно на фоне хронического негативного влияния происходит деструкция клеточных мембран, белков и ДНК, нарушается работа клетки.

Итогом длительной интоксикации является триада: перекисное окисление липидов (окислительная их деградация, происходящая под действием свободных радикалов), накопление в клетках печени жира более 5% от массы органа (стеатоз) и хроническое воспаление¹.

Эссенциальный — значит, необходимый

Для лечения поражений печени различного происхождения широко применяются эссенциальные фосфолипиды (ЭФЛ). Их принципиальным отличием от обычных фосфолипидов является наличие дополнительной молекулы линолевой кислоты. Это позволяет ЭФЛ с легкостью восполнять дефекты клеточной мембраны, что увеличивает ее гибкость и нормализует функции. Именно наличие линолевой кислоты считается наиболее важным отличием ЭФЛ от классических фосфолипидов, например, лецитина, которое лежит в основе лечебных преимуществ эссенциальных фосфолипидов².

В каком-то смысле назначение ЭФЛ можно назвать мембранной терапией, ведь их активность связана именно с клеточными стенками. Возможным же такое лечение стало благодаря соевым бобам, из которых и получают ценное вещество³.

Соевые бобы: из глубины веков до наших дней

Однолетнее растение семейства Бобовые на протяжении тысячелетий используется человеком. Упоминания о нем есть в книгах времен императора Шэн Нунг, царствовавшего в 2838 году до нашей эры¹. Тогда соевые бобы считались одни из пяти «святых зерновых», без которых была невозможна жизнь на земле.

Сегодня известно около 800 видов соевых бобов. Они содержат 35 — 40% белков, 20 — 30% углеводов, 5 — 10% сопутствующих веществ (витамины, тритерпеновые сапонины, флавоноиды и т.д.), а также 12 — 18% жиров. Масла, входящие в состав бобов, на 90 — 95% состоят из глицеридов жирных кислоты, в частности, олеиновой и линолевой. В процессе переработки сырого масла удается получить 30 — 45% соевого лецитина (фосфатидилхолина), который и является «целевым продуктом», используемым в фармацевтической промышленности для создания препаратов, проявляющих гепатопротекторный эффект.

Фосфатидилхолины в действии

Получаемые из соевых бобов фосфатидилхолины представляют собой типичный липидный двойной слой, состоящий из гидрофильной «головки» и гидрофобного «хвоста» и являющийся основным структурным компонентом биологических мембран. Эссенциальные фосфолипиды легко заменяют эндогенные, то есть, «собственные» фосфолипиды организма, которые оказались по тем или иным причинам повреждены, встраиваясь в клеточную мембрану. При этом ЭФЛ могут поступать в организм как перорально, в виде твердых лекарственных форм (капсулы), так и внутривенно, с инъекционным раствором высокой степени очистки⁴.

Кстати, название «эссенциальные фосфолипиды» зарегистрировано только для препаратов, где содержится не менее 75% фосфатилхолина. Примеромлекарственного средства, содержащего ЭФЛ в высокой концентрации — Эссенциале Форте Н. В 1 капсуле Эссенциале форте Н содержится 76% фосфатидилхолина³.

На защиту мембран!

Встраивание эссенциальных фосфолипидов в поврежденные мембраны гепатоцитов обеспечивает восстановление нормальных мембранных структур, что, в свою очередь приводит к комплексному терапевтическому эффекту. Какое же действие оказывают ЭФЛ? Прежде всего, они проявляют протективные (защитные) и регенеративные свойства в отношении клеток печени¹. При этом поражение печени может быть вызвано самыми различными факторами, среди которых токсические, воспалительные, аллергические, обменные и иммунологические реакции¹.

Доказано, что ЭФЛ защищают гепатоциты при повреждениях, связанных с действием различных химических веществ, алкоголя, наркотических препаратов, цитостатиков, которые применяются для лечения онкологических заболеваний, ионизирующего излучения и так далее¹.

ЭФЛ и полиненасыщенные жирные кислоты

Механизм действия ЭФЛ сродни действию омега 3-6-полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), поскольку первые представляют собой по сути природную форму существования вторых. Омега 3-6-ПНЖК — эссенциальные жиры, снижающие риск ряда заболеваний, в том числе сердечно-сосудистых и диабета. Они не синтезируются в организме, и должны ежедневно поступать в организм в количестве 2 г омега-3 и 6 граммов омега-6 ПНЖК. Однако красные сорта рыбы, грецкие орехи, растительные масла, соевые бобы, где содержатся в большом количестве эти кислоты, высококалорийны, что ограничивает их употребление⁵.

Препараты, содержащие ЭФЛ, например, Эссенциале форте Н, могут широко применяться для восполнения диетического дефицита полиненасыщенных жирных кислот, не увеличивая калорийность рациона⁶. А какую важную роль они играют при заболеваниях, связанных с нарушением обмена жиров!

Холестерин — стоп!

Эссенциальные фосфолипиды принимают участие в транспорте холестерина в плазме и тканях, а также образовании липопротеинов высокой и низкой плотности (ЛПВП и ЛПНП) ⁷. Напомним, что именно с повышением уровня ЛПНП и триглицеридов и снижением содержания ЛПВП связано одно из самых опасных заболеваний — атеросклероз.

ЭФЛ обеспечивают так называемую системную мобилизацию холестерина и его утилизацию на всех этапах метаболизма за счет ряда процессов, в том числе:

• Повышение синтеза ЛПНП и мобилизация холестерина из плазмы крови
• Обеспечение захвата ЛПНП гепатоцитами
• Повышение секреции холестерина, фосфолипидов и жиров в желчь, что, соответственно, снижает их накопление в печени.⁸

В состав желчи входят желчные кислоты (около 70%) и ЭФЛ (фосфатидилхолин, составляет 22% желчи)⁹. У здоровых людей ЭФЛ обеспечивают растворимость холестерина. Если же соотношение желчных кислот и ЭФЛ нарушается, кристаллы холестерина могут выпадать в осадок, вследствие чего развивается желчнокаменная болезнь (ЖКБ).

Камни в желчном пузыре: легче предотвратить, чем лечить

Как известно, до 90% желчных камней являются преимущественно холестериновыми, состоящими как минимум на 70% из холестерина¹⁰. Увеличение выброса в желчь холестерина, приводящее к камнеобразованию, может происходить вследствие несбалансированности рациона и его насыщения животными жирами. Важным фактором риска ЖКБ считается и экологическое загрязнение, приводящее к хронической интоксикации организма и, как следствие, увеличению потребности в антиоксидантах и ЭФЛ, необходимых для связывания токсических веществ. Если запасы ЭФЛ и антиоксидантов не пополняются, функция клеточных мембран нарушается, и организм начинает накапливать холестерин, чтобы сохранить структуру клеточной стенки, запуская процесс камнеобразования^{11, 12}.

К группе повышенного риска ЖКБ относятся лица, злоупотребляющие алкоголем. Профилактическое назначение препаратов ЭФЛ тем, кто испытывает высокую нагрузку токсинами или алкоголем, компенсирует дефицит фосфолипидов и препятствует камнеобразованию¹².

Неалкогольная жировая болезнь печени

Важный эффект ЭФЛ достигается благодаря их способности улучшать обмен липидов. Он особенно актуален при лечении неалкогольной жировой болезни печени (НАЖБП), которая возникает вследствие избыточного накопления жиров в органе. Необходимо отметить, что распространенность этого заболевания постоянно растет, в том числе и у детей и подростков, особенно живущих в городах⁶. В РФ только у пациентов общей практики распространенность НАЖБП достигает 27%⁶!

На фоне заболевания развивается комплекс патологических нарушений, среди которых снижение чувствительности тканей к инсулину, повышение содержания инсулина в крови. Увеличивается масса висцерального жира, что приводит к ожирению и артериальной гипертензии. У больных часто развивается сахарный диабет 2 типа и гиперлипидемия — повышение уровня холестерина и триглицеридов в крови. Люди, страдающие НАЖБП, должны контролировать калорийность рациона, минимизировать поступление транс-жиров, холестерина и увеличить потребление полиненасыщенных липидов (более 10 граммов в сутки)⁷. В связи с высокой калорийностью содержащих ПНЖК продуктов особое значение приобретают препараты ЭФЛ, оказывающие выраженный терапевтический эффект.

Фосфолипиды при НАЖБП

При жировой инфильтрации гепатоцитов, которая наблюдается у больных НАЖБП, препараты, содержащие эссенциальные фосфолипиды, способствуют¹³ снижению стресса митохондрий клеток, обусловленного избытком жирных кислот, уменьшению выраженности воспалительного процесса и нормализации жирового обмена за счет коррекции дислипидемии¹⁴. Назначение этих препаратов позволяет улучшить липидный состав крови, показатели перекисного окисления жиров и восстановить систему антиоксидантной защиты в целом⁶.

Клинически доказано, что эссенциальные фосфолипиды, например, в составе препарата Эссенциале форте Н, при НАЖБП улучшают течение и прогноз жировой инфильтрации печени, повышают чувствительность тканей к инсулину, нормализуют липидный профиль (то есть, способствуют снижению уровня «плохого» холестерина и триглицеридов) и к тому же уменьшают выраженность симптомов нарушений пищеварения.

Испытание алкоголем

Не менее важным показанием к назначению эссенциальных фосфолипидов является алкогольная болезнь печени (АБП). Высокому риску развития заболевания подвергаются люди, которые ежедневно принимают 40-80 мл чистого этанола на протяжении 4-6 лет¹⁵. Алкоголь богат «легкими» углеводными калориями, которые постепенно вызывают жировую дегенерацию внутренних органов. Кроме того, он способствует развитию нарушения кровообращения органа. При хронической алкогольной интоксикации на фоне оксидативного стресса происходит некроз гепатоцитов, развивается хронический воспалительный процесс и фиброз печени. Механизм развития последнего во многом обусловлен активацией так называемых звездчатых клеток. В норме они находятся в состоянии покоя, а при повреждении гепатоцитов «просыпаются» и становятся способными к интенсивному делению в участках воспаления¹⁶. В результате ткань печени разрастается, и в дальнейшем этот процесс часто заканчивается циррозом.

Действие ЭФЛ при алкогольном поражении печени

Назначение эссенциальных фосфолипидов при алкогольном поражении печени позволяет связать активные формы алкоголя, которые образуются при поступлении высоких доз алкоголя и «запускают» механизм оксидативного стресса. Благодаря высокой биодоступности и возможности внедряться в клеточные мембраны гепатоцитов ЭФЛ способствуют удалению свободных радикалов и восстанавливают структуру клеточной стенки. Кроме того, ЭФЛ оказывают антифибротическое действие, подавляя активацию звездчатых клеток печени и останавливая патологический процесс развития фиброза¹⁷.

ЭФЛ можно назвать универсальным средством, оказывающим противовоспалительное, антифибротическое действие, а также предотвращающим гибель клеток печени¹⁸. Эти возможности обеспечивают эффективность при хронических гепатитах, циррозе, жировой дистрофии печени, алкогольном гепатите и других нарушениях работы печени.

Общая характеристика грибов — урок. Биология, Бактерии. Грибы. Растения (5–6 класс).

Грибы, как и растительные организмы, неподвижны, всю жизнь растут верхушечной частью, состоят из клеток, покрытых клеточными стенками, способны синтезировать витамины и гормоны, дышат кислородом, часто осуществляют вегетативное размножение.

Сходство с животными

Грибы, как и животные, не могут самостоятельно синтезировать органические вещества и являются гетеротрофами. Клеточные стенки грибов содержат хитин — вещество, которое образует покров тела пауков, раков и насекомых.

Отличие грибов

Вегетативное тело гриба состоит из гиф — тонких ветвящихся нитей, которые образуют мицелий, или грибницу.

Рис. \(1\). Мицелий на стволе дерева

Условно грибы делятся на низшие и высшие.

У низших грибов гифы не имеют поперечных перегородок, и мицелий представляет собой одну сильно разветвлённую клетку.

У высших грибов гифы разделены на клетки (гифы многоклеточные), причём эти клетки могут быть одноядерными или многоядерными. Высшие грибы могут формировать плодовые тела. То, что мы в быту называем «грибами», и есть плодовые тела. В плодовом теле гриба выделяют шляпку и ножку.

Рис. \(2\). Строение шляпочного гриба

Из гиф образованы сама грибница и плодовое тело, в котором образуются споры.

Питание грибов

Грибы не способны самостоятельно производить органические вещества. Они, как и животные, используют готовые вещества, произведённые другими живыми организмами. Но в отличии от животных грибы пищу не заглатывают, а всасывают поверхностью клеток. В этом они похожи на растения.

Многие грибы являются сапротрофами, потребляющими органические вещества отмерших организмов. Есть среди грибов и такие, которые питаются веществами живых организмов. Это грибы-паразиты.

Размножение грибов

Грибам характерно бесполое и половое размножение.

Способы бесполого размножения: спорообразование (с помощью особых клеток — спор) или вегетативное размножение (участками грибницы или почкованием — у одноклеточных дрожжевых грибов).

Половое размножение также осуществляется разными способами. У некоторых грибов образуются и сливаются специализированные половые клетки, а у других соединяются клетки двух нитей грибницы.

Роль грибов в природе и жизни человека

Роль грибов в природе велика. Поселяясь на органических остатках, грибы превращают сложные соединения в простые, включают их в круговорот веществ и повышают плодородие почвы. 

Некоторые виды грибов используют для получения лекарств. Съедобные грибы — ценный продукт питания. Грибы используют в хлебопечении, изготовлении сыров, вина и т. д.

Но грибы могут быть и вредными. Грибы-паразиты вызывают заболевания у человека, животных и растений. Грибы портят продукты питания, разрушают постройки. Известны грибы, которые вырабатывают ядовитые вещества. Ими можно тяжело и даже смертельно отравиться.

Источники:

Рис. 1. Мицелий на стволе дерева. https://image.shutterstock.com/image-photo/fungal-mycelium-on-surface-tree-600w-1249697644

Рис. 2. Строение шляпочного гриба. https://image.shutterstock.com/image-illustration/life-cycle-fungi-mushroom-mycelium-600w-158014496

Происхождение и эволюция клеток — Клетка

Клетки делятся на два основных класса, изначально определяемых по тому, содержат ли они ядро. У прокариотических клеток (бактерий) отсутствует ядерная оболочка; эукариотические клетки имеют ядро, в котором генетический материал отделен от цитоплазмы. Прокариотические клетки обычно меньше и проще эукариотических клеток; в дополнение к отсутствию ядра их геномы менее сложны и не содержат цитоплазматических органелл или цитоскелета ().Несмотря на эти различия, одни и те же основные молекулярные механизмы управляют жизнью как прокариот, так и эукариот, что указывает на то, что все современные клетки произошли от единственного изначального предка. Как развивалась эта первая клетка? И как развивались сложность и разнообразие современных клеток?

Первая клетка

Похоже, что жизнь впервые возникла по крайней мере 3,8 миллиарда лет назад, примерно через 750 миллионов лет после образования Земли (). Как возникла жизнь и как возникла первая клетка, являются предметом предположений, поскольку эти события невозможно воспроизвести в лаборатории.Тем не менее, несколько типов экспериментов предоставляют важные доказательства, относящиеся к некоторым этапам процесса.

Рисунок 1.1

Временной масштаб эволюции. Шкала указывает приблизительное время, в которое, как полагают, произошли некоторые из основных событий в эволюции клеток.

Впервые в 1920-х годах было высказано предположение, что простые органические молекулы могут образовываться и спонтанно полимеризоваться в макромолекулы в условиях, которые, как считается, существуют в примитивной атмосфере Земли.Считается, что в то время, когда возникла жизнь, атмосфера Земли содержала мало или совсем не содержала свободного кислорода, вместо этого состояла в основном из CO ₂ и N ₂ в дополнение к меньшим количествам газов, таких как H ₂ , H _{. 2} S и CO. Такая атмосфера обеспечивает восстановительные условия, в которых органические молекулы при наличии источника энергии, такого как солнечный свет или электрический разряд, могут образовываться самопроизвольно. Спонтанное образование органических молекул было впервые продемонстрировано экспериментально в 1950-х годах, когда Стэнли Миллер (тогда еще аспирант) показал, что разряд электрических искр в смесь H ₂ , CH ₄ и NH ₃ , в присутствии воды приводил к образованию множества органических молекул, в том числе нескольких аминокислот ().Хотя эксперименты Миллера не воспроизводили в точности условия примитивной Земли, они ясно продемонстрировали правдоподобность спонтанного синтеза органических молекул, обеспечивающих основные материалы, из которых возникли первые живые организмы.

Рисунок 1.2

Спонтанное образование органических молекул. Водяной пар пропускали через атмосферу, состоящую из CH ₄ , NH ₃ и H ₂ , в которую разряжались электрические искры.Анализ продуктов реакции показал образование множества органических молекул, (подробнее …)

Следующим шагом в эволюции стало образование макромолекул. Было продемонстрировано, что мономерные строительные блоки макромолекул самопроизвольно полимеризуются в вероятных пребиотических условиях. Например, нагревание сухих смесей аминокислот приводит к их полимеризации с образованием полипептидов. Но важнейшей характеристикой макромолекулы, из которой произошла жизнь, должна была быть способность воспроизводить себя.Только макромолекула, способная управлять синтезом новых копий самой себя, была бы способна к воспроизводству и дальнейшей эволюции.

Из двух основных классов информационных макромолекул в современных клетках (нуклеиновые кислоты и белки) только нуклеиновые кислоты способны управлять собственной саморепликацией. Нуклеиновые кислоты могут служить матрицами для их собственного синтеза в результате специфического спаривания оснований между комплементарными нуклеотидами (). Таким образом, критический шаг в понимании молекулярной эволюции был достигнут в начале 1980-х годов, когда в лабораториях Сида Альтмана и Тома Чеха было обнаружено, что РНК способна катализировать ряд химических реакций, включая полимеризацию нуклеотидов.Таким образом, РНК уникально способна как служить матрицей для собственной репликации, так и катализировать ее. Следовательно, обычно считается, что РНК была исходной генетической системой, и ранняя стадия химической эволюции, как полагают, была основана на самовоспроизводящихся молекулах РНК — период эволюции, известный как мир РНК . Упорядоченные взаимодействия между РНК и аминокислотами затем превратились в современный генетический код, а ДНК в конечном итоге заменила РНК в качестве генетического материала.

Рисунок 1.3

Саморепликация РНК. Комплементарное спаривание между нуклеотидами (аденин [A] с урацилом [U] и гуанин [G] с цитозином [C]) позволяет одной цепи РНК служить матрицей для синтеза новой цепи с комплементарной последовательностью.

Предполагается, что первая клетка возникла в результате включения самореплицирующейся РНК в мембрану, состоящую из фосфолипидов (). Как подробно обсуждается в следующей главе, фосфолипиды являются основными компонентами всех современных биологических мембран, включая плазматические мембраны как прокариотических, так и эукариотических клеток.Ключевой характеристикой фосфолипидов, образующих мембраны, является то, что они являются амфипатическими молекулами, что означает, что одна часть молекулы растворима в воде, а другая — нет. Фосфолипиды имеют длинные нерастворимые в воде (гидрофобные) углеводородные цепи, соединенные с водорастворимыми (гидрофильными) головными группами, которые содержат фосфат. При помещении в воду фосфолипиды спонтанно объединяются в бислой, причем их фосфатсодержащие головные группы снаружи находятся в контакте с водой, а их углеводородные хвосты внутри контактируют друг с другом.Такой бислой фосфолипидов образует устойчивый барьер между двумя водными отсеками, например, отделяя внутреннюю часть клетки от ее внешней среды.

Рисунок 1.4

Заключение самореплицирующейся РНК в фосфолипидную мембрану. Считается, что первая клетка возникла в результате включения самореплицирующейся РНК и связанных молекул в мембрану, состоящую из фосфолипидов. Каждая молекула фосфолипида имеет две длинные гидрофобные (подробнее …)

Заключение самореплицирующейся РНК и связанных молекул в фосфолипидную мембрану, таким образом, поддерживало бы их как единое целое, способное к самовоспроизведению и дальнейшей эволюции.РНК-управляемый синтез белка, возможно, уже развился к этому времени, и в этом случае первая клетка состояла бы из самореплицирующейся РНК и кодируемых ею белков.

Эволюция метаболизма

Поскольку клетки возникли в море органических молекул, они могли получать пищу и энергию непосредственно из окружающей среды. Но такая ситуация является самоограничивающей, поэтому клеткам необходимо было разработать свои собственные механизмы для генерации энергии и синтеза молекул, необходимых для их репликации.Генерация и контролируемое использование метаболической энергии является центральным элементом всей клеточной деятельности, а основные пути энергетического метаболизма (подробно обсуждаемые в главе 2) в современных клетках в высокой степени сохранены. Все клетки используют аденозин 5 ‘ -трифосфат (АТФ) в качестве источника метаболической энергии для управления синтезом компонентов клетки и выполнения других энергоемких действий, таких как движение (например, сокращение мышц). Считается, что механизмы, используемые клетками для генерации АТФ, развивались в три стадии, соответствующие эволюции гликолиза, фотосинтеза и окислительного метаболизма (2).Развитие этих метаболических путей изменило атмосферу Земли, тем самым изменив ход дальнейшей эволюции.

Рисунок 1.5

Выработка метаболической энергии. Гликолиз — это анаэробный распад глюкозы до молочной кислоты. Фотосинтез использует энергию солнечного света для синтеза глюкозы из CO ₂ и H ₂ O с выделением O ₂ в качестве побочного продукта. O ₂ , выпущенный (подробнее …)

В первоначально анаэробной атмосфере Земли первые реакции генерации энергии предположительно включали разрушение органических молекул в отсутствие кислорода.Эти реакции, вероятно, были формой современного гликолиза — анаэробного разложения глюкозы до молочной кислоты с чистым приростом энергии двух молекул АТФ. Помимо использования АТФ в качестве источника внутриклеточной химической энергии, все современные клетки осуществляют гликолиз, что согласуется с представлением о том, что эти реакции возникли на очень ранней стадии эволюции.

Гликолиз обеспечивает механизм, с помощью которого энергия в предварительно сформированных органических молекулах (например, глюкоза) может быть преобразована в АТФ, который затем может быть использован в качестве источника энергии для запуска других метаболических реакций.Обычно считается, что развитие фотосинтеза было следующим важным этапом эволюции, который позволил клетке использовать энергию солнечного света и обеспечил независимость от использования предварительно сформированных органических молекул. Первые фотосинтезирующие бактерии, появившиеся более 3 миллиардов лет назад, вероятно, использовали H ₂ S для преобразования CO ₂ в органические молекулы — путь фотосинтеза, который до сих пор используется некоторыми бактериями. Использование H ₂ O в качестве донора электронов и водорода для преобразования CO ₂ в органические соединения появилось позже и имело важное последствие изменения атмосферы Земли.Использование H ₂ O в фотосинтетических реакциях дает свободный побочный продукт O ₂ ; Считается, что этот механизм был ответственен за то, что O ₂ было в большом количестве в атмосфере Земли.

Высвобождение O ₂ в результате фотосинтеза изменило среду, в которой развивались клетки, и, как принято считать, привело к развитию окислительного метаболизма . В качестве альтернативы, окислительный метаболизм мог развиться до фотосинтеза, с увеличением атмосферного O ₂ , что обеспечивало сильное селективное преимущество для организмов, способных использовать O ₂ в реакциях производства энергии.В любом случае O ₂ представляет собой молекулу с высокой реакционной способностью, и окислительный метаболизм, использующий эту реактивность, обеспечил механизм выработки энергии из органических молекул, который намного более эффективен, чем анаэробный гликолиз. Например, полный окислительный распад глюкозы до CO ₂ и H ₂ O дает энергию, эквивалентную энергии от 36 до 38 молекул АТФ, в отличие от 2 молекул АТФ, образованных анаэробным гликолизом. За некоторыми исключениями, современные клетки используют окислительные реакции в качестве основного источника энергии.

Современные прокариоты

Современные прокариоты, которые включают в себя все различные типы бактерий, делятся на две группы — архебактерии и эубактерии, которые разошлись на ранних этапах эволюции. Некоторые архебактерии живут в экстремальных условиях, которые сегодня необычны, но, возможно, были распространены на примитивной Земле. Например, термоацидофилы живут в горячих серных источниках с температурами до 80 ° C и значениями pH до 2. Эубактерии включают обычные формы современных бактерий — большую группу организмов, обитающих в самых разных средах. , включая почву, воду и другие организмы (например,g., патогены человека).

Большинство бактериальных клеток имеют сферическую, палочковидную или спиралевидную форму диаметром от 1 до 10 мкм. Их содержание ДНК колеблется от 0,6 миллиона до 5 миллионов пар оснований, количества, достаточного для кодирования примерно 5000 различных белков. Самые крупные и сложные прокариоты — это цианобактерии, бактерии, в которых эволюционировал фотосинтез.

Структура типичной прокариотической клетки иллюстрируется Escherichia coli (E. coli), обычным обитателем кишечного тракта человека ().Ячейка имеет форму стержня, диаметром около 1 мкм и длиной около 2 мкм. Как и большинство других прокариот, E. coli окружена жесткой клеточной стенкой, состоящей из полисахаридов и пептидов. Внутри клеточной стенки находится плазматическая мембрана, которая представляет собой бислой фосфолипидов и связанных белков. В то время как клеточная стенка пористая и легко проникает через множество молекул, плазматическая мембрана обеспечивает функциональное разделение между внутренней частью клетки и ее внешней средой. ДНК E . coli представляет собой одиночную кольцевую молекулу в нуклеоиде, которая, в отличие от ядра эукариот, не окружена мембраной, отделяющей ее от цитоплазмы. Цитоплазма содержит около 30 000 рибосом (участков синтеза белка), что объясняет ее зернистый вид.

Рисунок 1.6

Электронная микрофотография E. coli . Клетка окружена клеточной стенкой, внутри которой находится плазматическая мембрана. ДНК находится в нуклеоиде.(Менге и Вурц / Biozentrum, Базельский университет / Библиотека научных фотографий / Photo Researchers, Inc.)

Эукариотические клетки

Как и прокариотические клетки, все эукариотические клетки окружены плазматическими мембранами и содержат рибосомы. Однако эукариотические клетки намного сложнее и содержат ядро, множество цитоплазматических органелл и цитоскелет (). Самая крупная и наиболее заметная органелла эукариотических клеток — это ядро ​​диаметром примерно 5 мкм. Ядро содержит генетическую информацию клетки, которая у эукариот организована в виде линейных, а не кольцевых молекул ДНК.Ядро — это место репликации ДНК и синтеза РНК; трансляция РНК в белки происходит на рибосомах в цитоплазме.

Рисунок 1.7

Структуры клеток животных и растений. И животные, и растительные клетки окружены плазматической мембраной и содержат ядро, цитоскелет и множество цитоплазматических органелл. Клетки растений также окружены клеточной стенкой и содержат хлоропласты (подробнее …)

Помимо ядра, эукариотические клетки содержат множество заключенных в мембрану органелл в своей цитоплазме.Эти органеллы представляют собой компартменты, в которых локализованы различные метаболические активности. Эукариотические клетки, как правило, намного больше прокариотических клеток, часто их объем по крайней мере в тысячу раз больше. Компартментализация, обеспечиваемая цитоплазматическими органеллами, — это то, что позволяет эукариотическим клеткам эффективно функционировать. Две из этих органелл, митохондрии и хлоропласты, играют решающую роль в энергетическом обмене. Митохондрии, которые встречаются почти во всех эукариотических клетках, являются участками окислительного метаболизма и, таким образом, ответственны за выработку большей части АТФ, полученного при распаде органических молекул.Хлоропласты являются участками фотосинтеза и находятся только в клетках растений и зеленых водорослей. Лизосомы и пероксисомы также обеспечивают специализированные метаболические компартменты для переваривания макромолекул и различных окислительных реакций соответственно. Кроме того, большинство растительных клеток содержат большие вакуоли, которые выполняют множество функций, включая переваривание макромолекул и хранение продуктов жизнедеятельности и питательных веществ.

Из-за размера и сложности эукариотических клеток транспортировка белков к их правильным местам внутри клетки является сложной задачей.Две цитоплазматические органеллы, эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, специально предназначены для сортировки и транспорта белков, предназначенных для секреции, включения в плазматическую мембрану и включения в лизосомы. Эндоплазматический ретикулум — это обширная сеть внутриклеточных мембран, простирающаяся от ядерной мембраны по всей цитоплазме. Он функционирует не только для обработки и транспортировки белков, но и для синтеза липидов. Из эндоплазматического ретикулума белки транспортируются в небольших мембранных пузырьках в аппарат Гольджи, где они обрабатываются и сортируются для транспортировки к конечному месту назначения.В дополнение к этой роли в транспорте белка, аппарат Гольджи служит местом синтеза липидов и (в клетках растений) местом синтеза некоторых полисахаридов, составляющих клеточную стенку.

Эукариотические клетки имеют другой уровень внутренней организации: цитоскелет, сеть белковых нитей, простирающихся по всей цитоплазме. Цитоскелет обеспечивает структурный каркас клетки, определяя форму клетки и общую организацию цитоплазмы.Кроме того, цитоскелет отвечает за движения целых клеток (например, сокращение мышечных клеток), а также за внутриклеточный транспорт и расположение органелл и других структур, включая движения хромосом во время деления клеток.

Эукариоты появились, по крайней мере, 2,7 миллиарда лет назад, после 1–1,5 миллиарда лет эволюции прокариот. Исследования их последовательностей ДНК показывают, что архебактерии и эубактерии так же отличаются друг от друга, как и те, и другие от современных эукариот.Следовательно, очень ранним событием в эволюции, по-видимому, было расхождение трех линий происхождения от общего предка, в результате чего появились современные архебактерии, эубактерии и эукариоты. Интересно, что многие гены архебактерий больше похожи на гены эукариот, чем на гены эубактерий, что указывает на то, что архебактерии и эукариоты имеют общую линию эволюционного происхождения и более тесно связаны друг с другом, чем с эубактериями (2).

Рисунок 1.8

Эволюция клеток. Современные клетки произошли от общего прокариотического предка по трем линиям происхождения, дав начало архебактериям, эубактериям и эукариотам. Митохондрии и хлоропласты произошли от эндосимбиотической ассоциации аэробных (подробнее …)

Критическим шагом в эволюции эукариотических клеток было приобретение заключенных в мембраны субклеточных органелл, что позволило развить сложность, характерную для этих клеток. Считается, что органеллы были получены в результате ассоциации прокариотических клеток с предками эукариот.

Гипотеза о том, что эукариотические клетки произошли от симбиотической ассоциации прокариот — эндосимбиоза, особенно хорошо подтверждается исследованиями митохондрий и хлоропластов, которые, как считается, произошли от бактерий, живущих в больших клетках. И митохондрии, и хлоропласты похожи на бактерии по размеру и, как и бактерии, размножаются, делясь на две части. Что наиболее важно, и митохондрии, и хлоропласты содержат собственную ДНК, которая кодирует некоторые из их компонентов. Митохондриальная и хлоропластная ДНК реплицируются каждый раз, когда органелла делится, а гены, которые они кодируют, транскрибируются внутри органеллы и транслируются на рибосомах органелл.Таким образом, митохондрии и хлоропласты содержат свои собственные генетические системы, отличные от ядерного генома клетки. Кроме того, рибосомы и рибосомные РНК этих органелл более близки к таковым бактерий, чем к тем, которые кодируются ядерными геномами эукариот.

В настоящее время общепринято эндосимбиотическое происхождение этих органелл, при этом считается, что митохондрии произошли от аэробных бактерий, а хлоропласты — от фотосинтезирующих бактерий, таких как цианобактерии.Приобретение аэробных бактерий предоставило бы анаэробной клетке способность осуществлять окислительный метаболизм. Приобретение фотосинтезирующих бактерий обеспечило бы пищевую независимость, предоставляемую способностью осуществлять фотосинтез. Таким образом, эти эндосимбиотические ассоциации были очень выгодны для своих партнеров и были выбраны в ходе эволюции. Со временем большинство генов, изначально присутствовавших в этих бактериях, по-видимому, стало частью ядерного генома клетки, поэтому только несколько компонентов митохондрий и хлоропластов все еще кодируются геномами органелл.

Развитие многоклеточных организмов

Многие эукариоты — одноклеточные организмы, которые, как и бактерии, состоят только из одиночных клеток, способных к самовоспроизведению. Самые простые эукариоты — это дрожжи. Дрожжи сложнее бактерий, но намного меньше и проще, чем клетки животных или растений. Например, обычно изучаемые дрожжи Saccharomyces cerevisiae имеют диаметр около 6 мкм и содержат 12 миллионов пар оснований ДНК (). Однако другие одноклеточные эукариоты представляют собой гораздо более сложные клетки, некоторые из которых содержат столько же ДНК, сколько и человеческие клетки ().Они включают в себя организмы, специализирующиеся на выполнении множества задач, включая фотосинтез, движение, а также захват и употребление других организмов в пищу. Amoeba proteus , например, представляет собой большую сложную клетку. Его объем более чем в 100 000 раз превышает объем E . coli, и его длина может превышать 1 мм, когда ячейка полностью выдвинута (). Амебы — очень подвижные организмы, которые используют расширения цитоплазмы, называемые псевдоподиями , для перемещения и поглощения других организмов, включая бактерии и дрожжи, в качестве пищи.Другие одноклеточные эукариоты (зеленые водоросли) содержат хлоропласты и способны осуществлять фотосинтез.

Рисунок 1.9

Микрофотография с помощью сканирующего электронного микроскопа Saccharomyces cerevisiae . На микрофотографию добавлен искусственный цвет. (Эндрю Сайед / Science Photo Library / Photo Researchers, Inc.)

Рис. 1.10

Световая микрофотография Amoeba proteus . (М. И. Уокер / Photo Researchers, Inc.)

Многоклеточные организмы произошли от одноклеточных эукариот как минимум 1.7 миллиардов лет назад. Некоторые одноклеточные эукариоты образуют многоклеточные агрегаты, которые, по-видимому, представляют собой эволюционный переход от одиночных клеток к многоклеточным организмам. Например, клетки многих водорослей (например, зеленая водоросль , Volvox ) связываются друг с другом, образуя многоклеточные колонии (), которые, как считается, были эволюционными предшественниками современных растений. Затем возрастающая специализация клеток привела к переходу от колониальных агрегатов к действительно многоклеточным организмам.Продолжающаяся специализация клеток и разделение труда между клетками организма привели к сложности и разнообразию, наблюдаемым во многих типах клеток, из которых состоят современные растения и животные, включая людей.

Рисунок 1.11

Колониальные зеленые водоросли. Отдельные клетки Volvox образуют колонии, состоящие из полых шариков, в которых сотни или тысячи клеток погружены в студенистую матрицу. (Cabisco / Visuals Unlimited.)

Растения состоят из меньшего количества типов клеток, чем животные, но каждый отдельный вид растительной клетки специализируется на выполнении определенных задач, требуемых организмом в целом ().Клетки растений организованы в три основные тканевые системы: наземная ткань, кожная ткань и сосудистая ткань. Земляная ткань содержит клетки паренхимы, которые осуществляют большинство метаболических реакций растения, включая фотосинтез. Земляная ткань также содержит два специализированных типа клеток ( клетки колленхимы, и клетки склеренхимы), которые характеризуются толстыми клеточными стенками и обеспечивают структурную поддержку растения. Кожная ткань покрывает поверхность растения и состоит из клеток эпидермиса, которые образуют защитную оболочку и позволяют поглощать питательные вещества.Наконец, несколько типов удлиненных клеток образуют сосудистую систему (ксилему и флоэму), которая отвечает за транспортировку воды и питательных веществ по всему растению.

Рисунок 1.12

Световые микрофотографии типичных растительных клеток. (A) Клетки паренхимы, которые отвечают за фотосинтез и другие метаболические реакции. (B) Клетки колленхимы, которые специализируются на поддержке и имеют утолщенные клеточные стенки. (C) Эпидермальные клетки (подробнее …)

Клетки животных значительно более разнообразны, чем клетки растений.Например, человеческое тело состоит из более чем 200 различных типов клеток, которые обычно считаются компонентами пяти основных типов тканей: эпителиальной ткани, соединительной ткани, крови, нервной ткани и мышц (). Эпителиальные клетки образуют листы, которые покрывают поверхность тела и выстилают внутренние органы. Существует много различных типов эпителиальных клеток, каждый из которых специализируется на определенной функции, включая защиту (кожа), абсорбцию (например, клетки, выстилающие тонкий кишечник) и секрецию (например, клетки, выстилающие тонкую кишку).g., клетки слюнной железы). Соединительные ткани включают кость, хрящ и жировую ткань, каждая из которых образована разными типами клеток (остеобластами, хондроцитами и адипоцитами соответственно). Рыхлая соединительная ткань, которая лежит в основе эпителиальных слоев и заполняет промежутки между органами и тканями в организме, образована клетками другого типа — фибробластами. Кровь содержит несколько различных типов клеток, которые участвуют в транспорте кислорода (красные кровяные тельца или эритроциты), воспалительных реакциях ( гранулоцитов , моноцитов и макрофаги) и иммунном ответе (лимфоциты).Нервная ткань состоит из нервных клеток или нейронов, которые очень специализированы для передачи сигналов по всему телу. Различные типы сенсорных клеток, такие как клетки глаза и уха, дополнительно специализируются на приеме внешних сигналов из окружающей среды. Наконец, за производство силы и движения отвечают несколько различных типов мышечных клеток.

Рис. 1.13

Световые микрофотографии типичных клеток животных. (A) Эпителиальные клетки рта (толстый многослойный лист), желчных протоков и кишечника.(B) Фибробласты — это клетки соединительной ткани, характеризующиеся удлиненной формой веретена. (C) Эритроциты, (подробнее …)

Эволюция животных явно включала развитие значительного разнообразия и специализации на клеточном уровне. Понимание механизмов, которые контролируют рост и дифференциацию такого сложного набора специализированных клеток, начиная с одной оплодотворенной яйцеклетки, является одной из основных задач, стоящих перед современной клеточной и молекулярной биологией.

Размер и масштаб ячеек

Некоторые ячейки видны невооруженным глазом

Самые маленькие объекты, которые может видеть невооруженный глаз, имеют размер около 0.1 мм в длину. Это означает, что при правильных условиях вы сможете увидеть протей амебу, человеческое яйцо и парамецию без увеличения. Увеличительное стекло может помочь вам увидеть их более четко, но они все равно будут выглядеть крошечными.

Клетки меньшего размера хорошо видны под световым микроскопом. Можно даже различить структуры внутри клетки, такие как ядро, митохондрии и хлоропласты. В световых микроскопах используется система линз для увеличения изображения. Мощность светового микроскопа ограничена длиной волны видимого света, которая составляет около 500 нм.Самые мощные световые микроскопы могут распознавать бактерии, но не вирусы.

Чтобы увидеть все, что меньше 500 нм, вам понадобится электронный микроскоп. Электронные микроскопы направляют высоковольтный пучок электронов на объект или сквозь него, который отклоняет и поглощает часть электронов. Разрешение по-прежнему ограничено длиной волны электронного луча, но эта длина волны намного меньше, чем у видимого света. Самые мощные электронные микроскопы могут разрешать молекулы и даже отдельные атомы.

Аденин

Метка на нуклеотиде не совсем точная. Аденин относится к части молекулы,
азотистое основание. Точнее было бы обозначить нуклеотид дезоксиаденозинмонофосфат, так как он
включает дезоксирибозу сахара и фосфатную группу в дополнение к азотистому основанию. Однако чем больше
Знакомая метка «аденин» помогает людям распознать его как один из строительных блоков ДНК.

Как может Х-хромосома быть почти такой же большой, как головка сперматозоида?

Нет, это не ошибка.Во-первых, в сперматозоиде меньше ДНК, чем в не репродуктивной клетке.
например, клетка кожи. Во-вторых, ДНК в сперматозоиде сверхконденсирована и спрессована в очень плотную форму. В-третьих, головка сперматозоида почти полностью состоит из ядра. Большая часть цитоплазмы была выдавлена, чтобы сперматозоиды превратились в эффективный плавательный механизм, напоминающий торпеду.

Х-хромосома показана здесь в сжатом состоянии, как в клетке, проходящей митоз. Он также был продублирован, поэтому на самом деле есть две идентичные копии, склеенные между собой.Сперматозоид человека содержит только по одной копии каждой из 23 хромосом.

Хромосома состоит из генетического материала (одного длинного фрагмента ДНК), обернутого вокруг структурных поддерживающих белков (гистонов). Гистоны организуют ДНК и не дают ей запутаться, как нить, намотанная на катушку. Но они также добавляют много пухлости. В сперматозоиде специальный набор крошечных поддерживающих белков (протаминов) упаковывает ДНК примерно до одной шестой объема митотической хромосомы.

Углерод

Размер атома углерода основан на его ван-дер-ваальсовом радиусе.

Почему растения образуют клетки-головоломки и как проявляется их форма

Резюме:

Эпидермальные клетки на многих листьях растений имеют сложную встречно-гребенчатую форму. Механизм, с помощью которого формируются эти сложные, но надежные формы, и их функциональное значение были предметом многих исследований с различными интерпретациями, каждая со своими достоинствами и проблемами. Здесь они предполагают, что необходимость сдерживания или распределения механического напряжения в клетках для предотвращения потенциального катастрофического разрушения была основной движущей силой в создании этого клеточного паттерна, и они предоставляют относительно простую модель, основанную на механическом напряжении, с помощью которой такой катастрофический стресс мог бы быть устранен. автоматически избегается.Основная задача в этой области — предоставить убедительные экспериментальные доказательства, и в статье действительно возникают трудности в этом отношении. Однако большой объем предоставленных данных / наблюдений согласуется с их моделью, простотой и надежностью самой модели (по сравнению с альтернативами, которые используют локальную передачу сигналов соты / соты, в которых природа мобильного сигнала очень неясна / спорна) приводит веские доводы в пользу того, что их модель отражает важный элемент системы формирования паттернов, как с точки зрения того, как генерируются лопастные клетки, так и с точки зрения основной причины.Качество дополнительных фильмов действительно оживляет эту работу и очень убедительно подчеркивает ее ключевые моменты.

Спасибо за обзор. Мы считаем, что смогли учесть все комментарии рецензентов. Наш ответ на каждый комментарий выделен синим цветом ниже. Мы указали номера строк, в которых были внесены изменения в рукописи, соответствующие каждому пункту. Мы также добавили несколько дополнительных ссылок на новые работы, которые стали доступны после нашей первоначальной подачи.

Существенные изменения:

1) Включите обсуждение «Механохимическая поляризация смежных клеточных стенок формирует клетки растительного покрытия», Майда и др., 2017 дает некоторое представление о том, как измененные паттерны цитоскелета / целлюлозы могут влиять на дифференциальную структуру ROP2 / клеточной стенки, позволяя возникать дольчатость т.е. он обращается к некоторым механистическим моментам, поднятым ниже. Между двумя документами могут возникнуть вопросы о причине и следствии, но это предмет обсуждения.

Мы добавили обсуждение и ссылки на Majda et al., (2017) по всей рукописи. Мы подробно обсуждаем связь между нашей моделью и моделью Majda et al., (2017) в разделе «Обсуждение».

Мы также воспользовались этой возможностью, чтобы представить ссылки и обсуждение других недавних статей, таких как «Введение» и «Обсуждение».

2) Результаты моделирования описываются неколичественным или сравнительным образом, что делает невозможным судить об устойчивости результатов к вариациям параметров или о том, какие параметры являются наиболее важными.В подразделе «Механистическая модель возникновения формы пазла» говорится, что основными параметрами являются жесткость клеточной стенки, угол, под которым могут быть выполнены дополнительные соединения, и критерии выпуклости для прикрепления к противоположной стене, и все. Авторы заявляют, что рост должен быть изотропным, чтобы возникали головоломки. Однако нигде не ясно, насколько жестким является это требование, то есть достаточно ли отношения анизотропии 1: 1 для предотвращения образования головоломок или оно должно быть 10? Требуются более количественные данные и сравнения, а не фразы вроде «в некоторой степени изотропно» (подраздел «Рост изотропной ткани коррелирует с образованием клеток в форме головоломки»).По крайней мере, авторы должны:

Чтобы прояснить важность параметров модели для результатов моделирования и подчеркнуть надежность результатов моделирования, мы провели систематическое исследование ключевых параметров и сделали значения параметров, используемые при моделировании, более очевидными.

По крайней мере, авторы должны:

— Дайте таблицу, в которой перечислены все параметры и их значения по умолчанию.

Таблица параметров для всех параметров предоставлена ​​вместе с описанием реализации модели в дополнительном файле 1, и ссылка на нее была добавлена ​​в подраздел «Механистическая модель возникновения формы головоломки».

— Укажите для результатов, использовались ли эти или другие значения параметров.

В дополнение к указанию значений в таблице параметров теперь мы также явно указываем, какие параметры были изменены между симуляциями. См. Исправления, внесенные в строки подраздела «Механистическая модель возникновения формы головоломки», заголовок к рисунку 3 — приложение к рисунку 1) и подраздел «Стратегия для случаев, когда лепестки не могут быть сформированы».

— Варьировать для всех (основных) параметров используемые значения в диапазоне.

— Определите, как результаты моделирования зависят от значений этих параметров.

-Aanalyse, какие параметры, следовательно, наиболее критичны.

Мы выполнили исследование пространства параметров для определения критических параметров.

Результат представлен на новом рисунке (рисунок 3 — дополнение к рисунку 1), который содержит массив результатов модели, в которых варьируются наиболее важные параметры. В этом контексте «важные» определяются как те параметры, которые имеют наибольшее влияние на форму ячейки при моделировании.

В дополнение к тексту подписи к рисунку 3 — приложение 1 и дополнительные видеоролики (видеоролики 5–10), обсуждение анализа можно найти в подразделе «Механистическая модель возникновения формы головоломки».

— аргументируйте, почему использованные значения параметров действительны.

Поскольку модель является двухмерной, симуляция (механически) предлагает только качественное представление реальности. При этом такие параметры, как жесткость пружины клеточной стенки, можно сопоставить с оценкой модуля Юнга клеточной стенки, однако данных в этой области недостаточно.Это не вызывает особого беспокойства, поскольку модель не зависит от абсолютного значения этого параметра, а скорее от отношения жесткости стенки к жесткости поперечных пружин, которые представляют пучки целлюлозных микрофибрилл, поэтому любое значение модуля Юнга может соответствовать модели. Однако это соотношение можно проверить на разумность в том смысле, что экстремальные значения анизотропии будут красным флажком. Как видно из таблицы параметров, эти два параметра отличаются менее чем на один порядок, поэтому экстремальные значения анизотропии не требуются.

Мы также добавили обсуждение этого в дополнение, где параметры описаны подробно (Дополнительный файл 1, раздел 2.6).

Может быть полезно представить доступные прогоны моделирования, подобные тем, что показаны в их фильмах, с ползунком для их основных параметров. Это позволит пользователям легко проверять (или нет), насколько надежны их модели.

Это очень хорошая идея, и хотя было бы сложно предоставить работающую версию для нескольких платформ, мы думаем, что нашли простую альтернативу.Мы создали несколько видеороликов (см. Видеоролики 5–10), демонстрирующих эффект изменения наиболее важных параметров. В этих фильмах показана конечная временная точка моделирования при изменении одного параметра. Хотя это не живое моделирование, оно позволяет очень быстро и легко исследовать пространство параметров модели на любой платформе.

Также отметим, что мы предоставим исходные программы моделирования по запросу. Мы поможем людям (в разумных пределах) заставить его работать, для чего требуется Linux, набор инструментов g ++, библиотеки и так далее.Это было отмечено в пересмотренной дополнительной информации (Дополнительный файл, раздел 2.1).

3) Ключевой частью модели является то, как противоположные стороны ячейки (с соответствующей кривизной) «знают», что происходит. Роль ROP2 / ROP6 разумна, но все еще есть очевидные дыры в нашем молекулярном / структурном понимании этого процесса. Авторы могут захотеть подчеркнуть, что это важное механистическое «неизвестное» в их модели.

Когда начинают формироваться выступы и углубления, это создает обратную связь через форму размещения поперечных пружин (представляющих пучки целлюлозы) в модели.(Активное) ограничение в одной ячейке создает (пассивный) выступ у соседа. ROPs, в сочетании с динамикой микротрубочек, вероятно, участвуют в усилении обратной связи этой формы в углублениях, а также косвенно в долях, поскольку они подавляют друг друга. Хотя мы не исключаем, что мобильный сигнал пересекает стену, чтобы синхронизировать доли с углублениями, наша модель демонстрирует, что эпидермальные клетки в форме головоломки могут появляться без такого сигнала.

Как предполагает рецензент, теперь мы прямо заявляем, что молекулярный механизм ощущения напряжения (или деформации) и его связь с ROP неизвестны в разделе «Обсуждение».

Они предлагают удалить дополнительные пружины, если они соединяются с вогнутыми сторонами, и добавить, если они соединяются с выпуклыми сторонами. Да, ROP2 и ROP6 являются взаимоисключающими, и ROP2 соединяется с актином и расширением, а ROP6 — с микротрубочками и сужением. Однако это указывает на то, что тип ROP влияет на локальную кривизну, но не наоборот, т.е. что кривизна определяет вид ROP. В конечном итоге это будет сводиться к этому в качестве конечного результата, но насколько оправдано использование его в качестве причинного фактора, если нет причинной связи между кривизной и типом накопления ROP-видов?

Ключевая идея здесь заключается в том, что если стресс запускает процесс обратной связи, при котором углубления становятся более изрезанными, и это касается ROP6, тогда ROP2 подавляется в долях, потому что ROP6 находится в углублениях поблизости.С этой точки зрения лепестки не «создаются» активно, а скорее возникают в результате нахождения между двумя углублениями. Это также означает, что одно на самом деле не находится ниже по течению от другого. Если ROP6 является частью механизма определения напряжения, эти два процесса действуют вместе. Модель Abley et al., (2013) основана на аутоактивации мембраносвязанной ROP6, и механизм обратной связи по стрессу может быть частью этого.

Обратные связи между геометрией и молекулярной активностью, приводящие к регулярным отросткам, наблюдались и в других системах.Пример на животных обнаружен в эпителиальной складчатости, лежащей в основе формирования ворсинок в развивающейся кишке (Shyer et al., (2015), где индуцированная ростом складка изменяет градиенты морфогенов в зависимости от локальной геометрии. Повышенная концентрация морфогенов в зарождающихся выступах (ворсинках) затем локально изменяет рост чтобы еще больше сфокусировать градиент морфогена и акцентировать отрастание.

Мы изменили текст, чтобы сделать эту динамику более явной, и упомянули возможность распознавания геометрии, как в кишечнике (подраздел «Механистическая модель возникновения формы головоломки» и раздел «Обсуждение»).

4) При анализе мутанта spike1 площадь эпидермальных клеток кажется намного больше, чем у WT — это правда?

Средний размер ячеек в spike1 больше, чем в массе только для конечной временной точки наших измерений (6 DAG).

Для пояснения мы добавили график (рис. 5 — дополнение к рисунку 3), показывающий средние площади клеток для семядолей дикого типа и spike1 , и обсудили его в тексте в подразделе «Стратегия для случаев, когда доли не могут быть сформированы».

Даже если бы клетки-головоломки WT достигли этого размера, нельзя было бы ожидать, что они будут демонстрировать фенотип разделения клеток, наблюдаемый в spike1. Это правда?

Это верно, однако spike1 не образует лепестков. Следовательно, для получения аналогичного LEC (как мы показываем в случае с рис. 5 и рис. 5 — приложение к рисунку 1) вместо этого он формирует червеобразные ячейки. Модели показывают, что эти формы ячеек могут быть получены путем устранения условия выпуклости, а также увеличения жесткости соединений на стенку ячейки.Это увеличивает стрессы и может способствовать фенотипу разделения клеток.

Мы наблюдали, что дефекты клеточной адгезии появляются очень рано в развитии эпидермиса семядолей, до того, как клетки становятся слишком большими. Поэтому мы думаем, что дыры в ткани могут быть не связаны в первую очередь с повышенным напряжением, обусловленным формой клеток, например, из-за воздействия актиновой доставки пектина к клеточным стенкам, хотя повышенный стресс может усугубить ситуацию. Это обсуждается в подразделе «Стратегия, когда не удается сформировать лепестки».

Каково смоделированное распределение напряжения в эпидермальных клетках spike1, особенно по окружности?

Как и в других симуляциях, он масштабируется с LEC, который spike1 удается удерживать на низком уровне, несмотря на невозможность создания лепестков. Это согласуется с нашим утверждением, что длинные тонкие «червивые» клетки также обеспечивают стратегию минимизации LEC и клеточных стрессов.

Мы добавили рисунок, показывающий распределение напряжения в эпидермисе spike1 (рисунок 5 — приложение 2), с шаблоном моделирования, взятым из реальных форм клеток.Мы также упомянули, что значения стресса в клетках spike1 сравнимы со значениями стресса для клеток дикого типа в подразделе «Стратегия, когда доли не могут быть сформированы».

Может ли это вообще объяснить фенотип разделения клеток? Связь между формой клеток spike1 и разделением клеток неясна. Могут ли авторы уточнить? В подразделе «Стратегия, когда доли не могут быть сформированы» авторы подразумевают, что они имитировали фенотип spike1, удаляя ROP2 только из своей модели.Я думаю, что SPIKE1 предназначен для модуляции как ROP2, так и ROP6, которые, как предполагается, действуют во взаимном ингибировании. В данной модели потеря одной только ROP2 функционально эквивалентна потере как ROP2, так и ROP6? Требует уточнения.

Как упоминалось в предыдущем пункте, фенотип проявляется очень рано, до того, как могут накапливаться большие стрессы. Хотя мы согласны с тем, что привлекательно думать, что неспособность создавать клетки в форме головоломки управляет этим фенотипом, в настоящее время данные не предоставляют убедительных доказательств этого сценария.

В свете этого мы изменили текст, чтобы прояснить, что у нас нет доказательств того, что форма клетки является основным фактором фенотипа межклеточной адгезии (подраздел «Стратегия, когда доли не могут быть сформированы»).

Что касается моделей, как отмечено выше, воспроизведение фенотипа spike1 включает несколько изменений параметров — согласующихся с широкими дефектами в ROP-опосредованной перестройке цитоскелета, помимо просто потери локализации ROP2. Теперь мы сделаем эту связь более явной (подраздел «Стратегия, когда лепестки не могут быть сформированы»).

5) Еще одним ключевым положением их модели является то, что механическое напряжение сосредоточено на определенных областях окружности клетки. Есть ли какие-либо доказательства локальных изменений в составе / архитектуре клеточной стенки, которые могут позволить этим областям выдерживать / справляться с этими точками напряжения?

Работа АСМ Sampathkumar et al., (2014) показывает, что пучки целлюлозы действительно накапливаются в углублениях под высоким напряжением. Ожидается, что это противодействует более высокому стрессу в этих регионах.Sampathkumar et al., Предполагают, что микротрубочки сами могут реагировать на стресс, что дает естественный механизм для усиления участков с высоким напряжением за счет их контроля над направлением синтазы целлюлозы.

Мы изменили текст, чтобы выделить эти моменты (подраздел «Механистическая модель возникновения формы головоломки» и раздел «Обсуждение») в контексте обсуждений Majda et al., (2017), которые также предоставляют доказательства локальных изменений в составе клеточной стенки. .

Как отмечают авторы (подраздел «Форма и размер клеток у разных видов»), один из способов решения потенциальной проблемы чрезмерного механического напряжения в наружной парадермальной клеточной стенке эпидермиса состоит в том, чтобы иметь более толстую / более прочную клеточную стенку, и, действительно, эта стенка обычно значительно толще, чем другие клеточные стенки.Можно ли в их модели исследовать, насколько относительно толще должна быть эта клеточная стенка, чтобы сдерживать относительное увеличение напряжения, которое, согласно прогнозам, может возникнуть в этой стенке, то есть предотвратить разрыв?

Оценка прочности стены, или когда стена разрушится in planta , сложно и в настоящее время плохо изучено. Эксперименты с оризалином предполагают, что клетки с на порядок большим радиусом взорвутся, но сомнительно, представляют ли они нормальные эпидермальные клетки.

Как упоминалось выше, один из способов сделать стену более прочной в точках высокого напряжения — это залить в нее больше целлюлозы. При этом необязательно менять толщину стены.

С теоретической точки зрения, в сфере сила, действующая на поперечное сечение, увеличивается пропорционально квадрату радиуса, тогда как материал, сдерживающий эту силу, увеличивается только линейно. Следовательно, по мере увеличения ячеек напряжение увеличивается линейно (для равномерной толщины стенок). Таким образом, клеточная стенка должна увеличиваться в толщине линейно с диаметром клетки (или LEC).Поскольку клетки могут увеличиваться в размере более чем в 100 раз во время развития, это предполагает, что сопротивление напряжению исключительно за счет увеличения толщины стенки потребует значительного увеличения толщины стенки.

В связи с этим авторы заявляют (Введение), что форма клетки в форме пазла приносит пользу растению, «снижая количество целлюлозы, необходимое для сохранения целостности клеточной стенки». Действительно ли авторы представляют доказательства этого предположения?

Отсюда следует, что снижение напряжения уменьшит количество материала клеточной стенки (включая целлюлозу), необходимого для противодействия этому стрессу.

Мы перефразировали раздел «Обсуждение» соответствующим образом.

Им не нужно ссылаться на эту аргументацию. Если модели верны, то предотвращение разрыва клеток, по-видимому, является ключевой особенностью (если только очень незначительное изменение толщины стенки парадермальных клеток не решит проблему). Также в связи с этим их модель начинается с предположения об однородности стены (Введение). Это разумное место для начала, но, очевидно, это серьезное упрощение (клеточные стенки неоднородны), и есть широкие возможности для локальной анизотропии / структуры внутри клеточной стенки.Это должно быть четко указано.

Мы упоминали об этом в разделе «Обсуждение» и подразделе «Форма ячейки определяет величину механического напряжения».

Подраздел «Механистическая модель возникновения головоломки» и следующее: Новые пружины задуманы как целлюлоза, но чистая целлюлоза определенно не эластична! Может быть, лучше сказать, что предпочтительная ориентация мкФ целлюлозы задается этим параметром? Авторам следует избегать предположений о том, что целлюлоза может действовать как упругая пружина.

Мы изменили текст, чтобы уточнить, что пружины представляют собой присутствие ориентированной целлюлозы в матрице клеточной стенки и, возможно, других компонентов, которые приводят к анизотропии стенки и ограничению роста, а не самих отдельных целлюлозных волокон или пучков (подраздел «Механический модель возникновения формы пазла »).

В некоторых местах говорят, что дополнительные поперечно-клеточные пружины сопротивляются удлинению, тогда как также в подразделе «Механистическая модель возникновения формы головоломки», кажется, говорят, что они вообще не растут.Итак, что именно сделано с длиной этих дополнительных пружин? например в обновлении, где можно добавлять новые, а старые удалять по кривизне, корректируются ли длины или нет?

Дополнительные пружины сопротивляются упругому удлинению, но их исходная конфигурация не меняется. В этом контексте рост относится к изменениям в эталонной конфигурации. Обратимые деформации не считаются ростом. Длина определяется при установке дополнительных пружин и не изменяется.Мы перефразировали этот момент в подразделе «Механистическая модель возникновения формы головоломки».

Они предполагают, что микротрубочки (также известные как дополнительные пружины) формируются только поперек клетки, а не от одного углубления к другому на той же стороне. Почему это разумное предположение? Потому что микротрубочки и актин не пересекаются? Потому что это означало бы странное изгибание микротрубочек?

Эти правила приводят к образцам отложения целлюлозы, которые, по-видимому, следуют образцам стресса, как ранее сообщалось в Sampathkumar et al., (2014). Примечательно, что их результаты показывают, что напряжения в периклинальной стенке имеют тенденцию ориентироваться от антиклинальной стенки, а не вдоль нее, как мы предполагаем в моделях.

Мы добавили комментарий по этому поводу в подраздел «Механистическая модель возникновения формы пазла».

Подраздел «Экспериментальные доказательства того, что стрессом нужно управлять»: То, что деполимеризует корковые микротрубочки, мешает отложению целлюлозы и, таким образом, сильно влияет на жесткость стенок и не является чем-то второстепенным, что можно исключить.

Оризалин деполимеризует микротрубочки, и предполагается, что отложение целлюлозы все еще продолжается (Paredez et al., 2006), однако нет гарантии, что это будет происходить с той же скоростью, что и раньше. У Arabidopsis hypocotyl было замечено, что оризалин действительно изменяет направление отложения целлюлозы (становится более изотропным), но не влияет на скорость отложения (Chan et al., 2010). В удлиненных клетках деполимеризация микротрубочек вызывает потерю анизотропии роста, но поскольку рост меристемы в основном изотропен, мы предполагаем, что ее наибольший эффект в этом случае заключается в остановке деления клеток (и, таким образом, в увеличении клеток).Даже если количество целлюлозы снижено, наблюдение, что более крупные клетки (на фланге меристемы) с большей вероятностью лопнут, чем более мелкие клетки (в середине меристемы), все еще сохраняется.

Мы прояснили обсуждение эффектов оризалина и упомянули, что он может также уменьшить отложение целлюлозы в подразделе «Экспериментальные доказательства того, что стресс необходимо контролировать».

6) На ряде рисунков (например, рис. 3H) авторы ссылаются на максимальное напряжение.Означают ли они максимальные значения напряжения в наружной стенке парадермальной клетки или это действительно средние значения напряжения, рассчитанные для всех поверхностей клетки? Ключевым моментом на изображениях является локализация максимального значения напряжения и то, как оно рассеивается / уменьшается при изменении формы ячейки. Из рисунков и связанных легенд должно быть ясно, к каким «стрессовым» значениям относятся графики.

Мы сделали это явным в заголовке (подраздел «Механистическая модель возникновения формы головоломки»), и мы также более точно определили меру напряжения, поскольку это скалярное значение, вычисленное из тензора (подраздел «Форма ячейки предсказывает величина механического напряжения »,« Механистическая модель возникновения формы головоломки »и рис. 5 — приложение к рисунку 3).

7) Подраздел «Форма ячейки предсказывает величину механического напряжения» и в разделе «Обсуждение» — обратите внимание, что у некоторых листьев (трав) рост явно анизотропный. В соответствии с их гипотезой продольное деление поддерживает сходную анизотропию в длинных нелопастных клетках эпидермиса. Однако в некоторых областях эпидермиса травы (часто рядом с прожилками) встречаются клетки, которые имеют небольшую лопастность. Это может отражать особую топографию или вектор роста в этом регионе. Главное, что не все листья растут изотропно.

Мы согласны с тем, что это, вероятно, связано с определенным полем роста, которое клетки испытывают в этих областях. В ходе анализа параметров мы обнаружили условия, которые создают формы, похожие на травы (см. Рисунок 3 — приложение к рисунку 1).

Мы добавили комментарий по этому поводу в текст (подраздел «Форма ячейки предсказывает величину механического напряжения» и раздел «Обсуждение»).

https://doi.org/10.7554/eLife.32794.035

3.1 Как изучаются клетки — концепции биологии

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Описание роли клеток в организмах
• Сравнение и контрастирование световой микроскопии и электронной микроскопии
• Обобщите теорию клеток

Клетка — это мельчайшая единица живого существа.Живое существо, как и вы, называется организмом. Таким образом, клетки являются основными строительными блоками всех организмов.

В многоклеточных организмах несколько клеток одного определенного вида взаимосвязаны друг с другом и выполняют общие функции по формированию тканей (например, мышечной ткани, соединительной ткани и нервной ткани), несколько тканей объединяются, образуя орган (например, желудок, сердце или мозг), и несколько органов составляют систему органов (например, пищеварительная система, система кровообращения или нервная система).Несколько систем, функционирующих вместе, образуют организм (например, слон).

Существует много типов клеток, и все они сгруппированы в одну из двух широких категорий: прокариотические и эукариотические. Клетки животных, клетки растений, клетки грибов и клетки протистов классифицируются как эукариотические, тогда как клетки бактерий и архей классифицируются как прокариотические. Прежде чем обсуждать критерии определения того, является ли клетка прокариотической или эукариотической, давайте сначала рассмотрим, как биологи изучают клетки.

Микроскопия

Ячейки различаются по размеру. За некоторыми исключениями, отдельные клетки слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, поэтому ученые используют микроскопы для их изучения. Микроскоп — это инструмент, увеличивающий объект. Большинство изображений клеток делаются с помощью микроскопа и называются микрофотографиями.

Световые микроскопы

Чтобы дать вам представление о размере клетки, типичный человеческий эритроцит составляет около восьми миллионных долей метра или восемь микрометров (сокращенно мкм) в диаметре; Головка булавки имеет диаметр около двух тысячных метра (миллиметра или мм).Это означает, что на булавочной головке может поместиться около 250 эритроцитов.

Оптика линз светового микроскопа изменяет ориентацию изображения. Образец, который находится на предметном стекле микроскопа правой стороной вверх и обращен вправо, при просмотре через микроскоп будет выглядеть перевернутым и повернутым влево, и наоборот. Точно так же, если слайд сдвинуть влево, глядя в микроскоп, будет казаться, что он движется вправо, а если сдвинуть вниз, будет казаться, что он движется вверх. Это происходит потому, что микроскопы используют два набора линз для увеличения изображения.Из-за того, как свет проходит через линзы, эта система линз создает перевернутое изображение (бинокль и рассекающий микроскоп работают аналогичным образом, но включают дополнительную систему увеличения, которая делает окончательное изображение вертикальным).

Большинство студенческих микроскопов относятся к световым микроскопам (рис. 3.2 a ). Видимый свет проходит через систему линз и изгибается, чтобы пользователь мог видеть образец. Световые микроскопы удобны для наблюдения за живыми организмами, но поскольку отдельные клетки, как правило, прозрачны, их компоненты не различимы, если они не окрашены специальными пятнами.Однако окрашивание обычно приводит к гибели клеток.

Световые микроскопы, обычно используемые в лаборатории студенческого колледжа, увеличивают примерно до 400 раз. В микроскопии важны два параметра: увеличение и разрешающая способность. Увеличение — это степень увеличения объекта. Разрешающая способность — это способность микроскопа различать две соседние структуры как отдельные; чем выше разрешение, тем ближе могут быть эти два объекта и тем выше четкость и детализация изображения.Когда используются масляные иммерсионные линзы, увеличение обычно увеличивается до 1000 раз для изучения более мелких клеток, таких как большинство прокариотических клеток. Поскольку свет, попадающий в образец снизу, фокусируется на глазу наблюдателя, образец можно рассматривать с помощью световой микроскопии. По этой причине, чтобы свет проходил через образец, он должен быть тонким или полупрозрачным.

Ссылка на обучение

Концепция в действии

Чтобы еще раз взглянуть на размер ячеек, попробуйте интерактивную программу HowBig.

Второй тип микроскопов, используемых в лабораториях, — это препаровальный микроскоп (рис. 3.2 b ). Эти микроскопы имеют меньшее увеличение (от 20 до 80 раз больше размера объекта), чем световые микроскопы, и могут обеспечить трехмерное изображение образца. Толстые объекты можно исследовать, одновременно находясь в фокусе многих компонентов. Эти микроскопы предназначены для получения увеличенного и четкого изображения структуры тканей, а также анатомии всего организма. Как и световые микроскопы, большинство современных препаровальных микроскопов также являются бинокулярными, что означает, что они имеют две отдельные системы линз, по одной для каждого глаза.Системы линз разделены на определенное расстояние и, следовательно, обеспечивают ощущение глубины в поле зрения объекта, что упрощает ручные манипуляции. Диссекционные микроскопы также имеют оптику, которая корректирует изображение, чтобы оно выглядело так, как если бы оно было видно невооруженным глазом, а не как перевернутое изображение. Свет, освещающий образец под диссекционным микроскопом, обычно исходит сверху, но также может быть направлен снизу.

Фигура
3,2

(а) Большинство световых микроскопов, используемых в биологических лабораториях колледжа, могут увеличивать клетки примерно до 400 раз.(b) Рассеивающие микроскопы имеют меньшее увеличение, чем световые микроскопы, и используются для исследования более крупных объектов, таких как ткани.

Электронные микроскопы

В отличие от световых микроскопов, в электронных микроскопах вместо луча света используется пучок электронов. Это не только обеспечивает большее увеличение и, следовательно, большую детализацию (рис. 3.3), но также обеспечивает более высокую разрешающую способность. Подготовка образца к просмотру под электронным микроскопом убьет его; поэтому живые клетки нельзя рассматривать с помощью этого типа микроскопии.Кроме того, электронный луч лучше всего движется в вакууме, что делает невозможным просмотр живых материалов.

В сканирующем электронном микроскопе пучок электронов движется вперед и назад по поверхности клетки, отображая детали характеристик поверхности клетки путем отражения. Ячейки и другие структуры обычно покрыты металлом, подобным золоту. В просвечивающем электронном микроскопе электронный луч проходит через ячейку и дает подробную информацию о внутренней структуре ячейки. Как вы могли догадаться, электронные микроскопы значительно более громоздкие и дорогие, чем световые микроскопы.

Фигура
3.3

(а) бактерий Salmonella изучаются под световым микроскопом. (b) На этой микрофотографии, полученной с помощью сканирующего электронного микроскопа, видно, что бактерий Salmonella (красным цветом) вторгаются в клетки человека. (кредит a: модификация работы CDC, Института патологии вооруженных сил, Чарльз Н. Фармер; кредит b: модификация работы Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH; данные шкалы от Мэтта Рассела)

Карьера Связь

Карьера в действии

Цитотехнолог Вы когда-нибудь слышали о медицинском тесте, который называется мазок Папаниколау (рис.4)? В этом тесте врач берет небольшой образец клеток из шейки матки пациента и отправляет его в медицинскую лабораторию, где цитотехнолог окрашивает клетки и исследует их на предмет любых изменений, которые могут указывать на рак шейки матки или микробную инфекцию.

Цитотехнологи ( cyto — = клетка) — это профессионалы, изучающие клетки с помощью микроскопических исследований и других лабораторных тестов. Их обучают определять, какие клеточные изменения находятся в пределах нормы или являются ненормальными.Их фокус не ограничивается цервикальными клетками; они изучают образцы клеток, взятых из всех органов. Когда они замечают отклонения, они обращаются к патологу, который является врачом, который может поставить клинический диагноз.

Цитотехнологи играют жизненно важную роль в спасении человеческих жизней. Когда аномалии обнаруживаются на ранней стадии, лечение пациента может начаться раньше, что обычно увеличивает шансы на успешное лечение.

Фигура
3,4

Эти клетки шейки матки, просматриваемые под световым микроскопом, были получены из мазка Папаниколау.Слева — нормальные клетки. Клетки справа инфицированы вирусом папилломы человека. (кредит: модификация работы Эда Усмана; данные шкалы от Мэтта Рассела)

Теория клеток

Микроскопы, которые мы используем сегодня, намного сложнее, чем те, которые использовались в 1600-х годах Энтони ван Левенгук, голландским продавцом, обладавшим большим мастерством в изготовлении линз. Несмотря на ограничения своих ныне устаревших линз, ван Левенгук наблюдал за движениями простейших (тип одноклеточных организмов) и сперматозоидов, которые он в совокупности назвал «анималкулами».”

В публикации 1665 года под названием Micrographia ученый-экспериментатор Роберт Гук ввел термин «клетка» (от латинского cella , что означает «маленькая комната») для коробчатых структур, которые он наблюдал, рассматривая пробковую ткань через линзу. В 1670-х годах ван Левенгук открыл бактерии и простейшие. Более поздние достижения в области линз и конструкции микроскопов позволили другим ученым увидеть различные компоненты внутри клеток.

К концу 1830-х годов ботаник Матиас Шлейден и зоолог Теодор Шванн изучали ткани и предложили единую клеточную теорию, согласно которой все живые существа состоят из одной или нескольких клеток, что клетка является основной единицей жизни и что все новые клетки возникают из существующих клеток.Эти принципы действуют и сегодня.

границ | Как клетки могут контролировать свой размер, накачивая ионы

Введение

Клетки организмов всех типов обычно имеют небольшие размеры, их диаметр составляет несколько десятков микрон. Этот масштаб длины обеспечивает быструю диффузию молекул в цитоплазме (Berg, 1993). Если бы ячейки были на порядок больше, среднее время диффузии через ячейку увеличилось бы на два порядка. Именно этот быстрый рост времени прохождения частично устанавливает очень жесткие ограничения на абсолютный размер ячеек.

Существует множество доказательств того, что клетки способны контролировать свой размер (Marshall et al., 2012; Amodeo and Skotheim, 2016), но мало того, как они это делают. Здесь я покажу, что существует тесная связь между размером клетки, мембранным потенциалом и непроницаемыми внутриклеточными молекулами, по крайней мере, для клеток с гибкими мембранами. На первый взгляд в огромном множестве клеточных факторов они могут показаться несколько далекими, но они связаны друг с другом осмотическим движением воды через плазматическую мембрану.Эта связь может быть почти невидимой, если не обнажить силы, управляющие потоками ионов и воды.

Одновалентные неорганические ионы Na ⁺ , K ⁺ и Cl ^— являются вторыми по распространенности компонентами клеток после воды (Frausto da Silva and Williams, 2001). Эти ионы играют центральную роль в энергетике клеток и в определении осмотической стабильности клеток. В большинстве учебников клеточной биологии им часто уделяют мало внимания, относя их к противоионам, которые играют роль сторонних наблюдателей.Возможно, в клеточной биологии существует тенденция определять движущие силы клеточной активности во взаимодействиях между макромолекулами. Область ионов и потенциалов часто рассматривается как уместная только в нейрофизиологии; однако я буду утверждать, что это мощный детерминант клеточной биологии.

Концептуально можно выделить две формы регуляции размера клеток. Во-первых, процессы, которые определяют распределение размеров различных типов клеток у животного, которые я буду называть регуляцией размера клеток (CSR), что, например, делает фибробласты больше, чем гепатоциты (Ginzberg et al., 2015). Во-вторых, существуют механизмы, которые стабилизируют клеточный объем при изменении осмолярности внеклеточной жидкости, что я буду называть регуляцией клеточного объема (CVR, обзор у Hoffmann et al., 2009). Хотя между этими двумя процессами, вероятно, есть связи, в этой статье я сосредоточусь на КСО.

У всех клеток есть проблема, которая проистекает из их потребности в инвентаре непроницаемых молекул (метаболитов, белков, нуклеиновых кислот и т. Д., Burton, 1983b), которые создают нестабильные осмотические условия, которые могут привести к разрыву плазматической мембраны, если оставить их без внимания ( Stein, 2002; Армстронг, 2003; Доусон, Лю, 2008).Это так называемый эффект Доннана (Sperelakis, 2012). Растения и прокариоты решают эту проблему, создавая клеточные стенки, которые могут противостоять тургорному давлению (Haswell, Verslues, 2015; Wood, 2015). Некоторые одноклеточные эукариоты откачивают лишнюю воду (Allen and Naitoh, 2002). Все животные клетки, по-видимому, решают проблему, откачивая Na ⁺ и K ⁺ с Na ⁺ / K ⁺ АТФазой (NKA), позволяя при этом пассивную утечку ионов и воду вниз по их градиентам ( Weiss, 1996).Градиенты Na ⁺ и K ⁺ также служат резервуарами энергии для транспортировки других молекул против их градиентов концентрации и установления отрицательного мембранного потенциала покоя.

Tosteson и Hoffman (1960) продемонстрировали, как работа NKA может предотвратить осмотическую катастрофу, когда вода поступает в клетку до тех пор, пока она не растворяется. Хотя их так называемая модель утечки насоса (PLM) хорошо зарекомендовала себя и является частью стандартного канона физиологии (Boron and Boulpaep, 2016), то, как именно она работает, не получило широкого распространения.Я буду утверждать, что это так, потому что, по большей части, понимание электрического тока не считается необходимой частью интеллектуального набора инструментов клеточного биолога. Частично моя цель — показать, как это упущение может помешать нашему пониманию важного аспекта клеточной биологии, и исправить его, предоставив основы того, что нужно знать, чтобы понять основы потока ионов и воды.

Пост и Джолли (1957) были первыми, кто теоретически показал, как накачка проницаемой молекулы может стабилизировать клетку, содержащую непроницаемые молекулы, однако их модель учитывала только незаряженные молекулы.В 1960 году Тостесон и Хоффман продемонстрировали, что объем эритроцитов стабилизируется действием NKA, который, по сути, предотвращает приток воды, вызванный присутствием непроницаемых молекул в клетке. Они показали, что за стабилизацию объема отвечает не только NKA, но и связанная система, в которую входят Na ⁺ , K ⁺ , Cl ^— и водопроницаемость. Действие NKA можно рассматривать как освобождение места для непроницаемых ионов в клетке и выравнивание осмотического давления на мембране.PLM объясняет асимметричное распределение Na ⁺ и K ⁺ по клеткам животных, впервые обнаруженное Шмидтом (1850) и Кларком и Фаном (2011). Такое распределение ионов является не только особенностью клеток животных, но и универсальной характеристикой клеток всех типов (Somero et al., 2017).

В этой статье я не ставлю своей целью исследовать экспериментальные доказательства того, что PLM (Macknight and Leaf, 1977; Hoffmann et al., 2009) стабилизирует размер клетки, а оценить и прояснить аспекты его теоретических основ.Я считаю, что PLM нельзя полностью понять без изучения его математики. Здесь я показываю, как можно составить систему уравнений, выведенную из физических законов (Sterrat et al., 2011; Nelson, 2014), которые моделируют взаимодействие между потоками ионов и воды, позволяя рассчитать как мембранный потенциал ( V ) и объем ячейки ( w ). Кроме того, я представляю аналитическое решение, полученное Кинером и Снейдом (2009), которое полезно для выяснения того, как ионная проводимость, скорость накачки и концентрации ионов влияют на w и V .Используя эти уравнения, я показываю, что существует прямая связь между количеством непроницаемых молекул ( x ) в ячейке и ее объемом.

Электрофизиология часто считается областью нейробиологии. В этой статье я надеюсь показать, что это важный инструмент для понимания клеток и того, как они регулируют свой размер.

Методы

Все моделирование и расчеты были выполнены в MATLAB (Mathworks, Natick, MA), а графики построены с использованием Origin (MicroCal, Northampton, MA).Численное интегрирование дифференциального уравнения производилось простым методом Эйлера с шагом 1–100 мкс (см. Дополнительные материалы к программе MATLAB).

Символы и сокращения

A , Площадь мембраны

C , Емкость мембраны

F , постоянная Фарадея

г _i , ионная проводимость i

n , Количество Na ⁺ , закачиваемых за цикл NKA

p , Производительность

P _f , Коэффициент осмотической водопроницаемости

q , Количество ионов K ⁺ , накачанных за цикл NKA

R , Универсальная газовая постоянная

T , Абсолютная температура

w , Объем ячейки

x , Число молей непроницаемых внутриклеточных молекул

z , Средний заряд непроницаемых внутриклеточных молекул

В , Напряжение

Π, внутриклеточная осмолярность

Π _o , Внеклеточная осмолярность.

Значения параметров по умолчанию

Обратите внимание, что этот набор параметров использовался на всех рисунках, если не указано иное.

Класс _o = 150 мМ

C _м = емкость мембраны блока = 1 мкФ см ⁻²

г _Cl = 0,2 мСм см ⁻²

г _K = 0,3 мСм см ⁻²

г _Na = 0,01 мСм см ⁻²

K _o = 3 мМ

n = 3

Na _o = 147 мМ

q = 2

T = 25 ° C

х = 2.6 × 10 ⁻¹⁴ моль

г = -1

Механизм утечки насоса

Представленная здесь работа является результатом долгой работы в области клеточной физиологии. Я счел полезным представить его отчасти как учебное пособие, поскольку некоторая информация собрана в довольно специализированных публикациях, часто направленных на возбудимые клетки. Я хотел представить это как одно краткое повествование, а не как утомительную оперу. Я надеюсь прояснить, что существует прямая связь между количеством непроницаемых ионов в ячейке и ее размером.Элементарная физика, необходимая для понимания протекания электрического тока в биологических системах, кратко описана в приложениях к следующим учебникам (Nicholls et al., 2011; Blaustein et al., 2012).

Далее я создам модель, которая включает в себя все силы и ограничения, которые действуют на ионы и воду как внутри, так и вне клетки, чтобы определить, как ионы и вода будут распределяться с течением времени. Важной особенностью модели является то, что предполагается, что мембрана свободно растягивается, так что при движении воды в ней она будет соответственно расширяться и сжиматься, если вода выходит.

Кроме того, я предполагаю, что состав раствора во внеклеточном пространстве является фиксированным, что разумно, поскольку объем внеклеточного пространства намного больше, чем у отдельной клетки. Я также отложу в сторону пространственные эффекты и предположу, что клетка для целей этой статьи может рассматриваться как единая изопотенциальная сфера (т. Е. Все точки внутри клетки имеют одинаковый потенциал), а напряжение во внеклеточном пространстве равно нулю.

Чтобы улучшить последовательность уравнений, я принял следующие условные обозначения: растворенные вещества с заглавной буквы представляют концентрации, а нижний регистр — количества в молях.Внеклеточные ионы обозначены индексом «o» для «снаружи», внутриклеточные ионы не имеют индекса.

Эффект Доннана

Мембраны клеток животных, будучи в некоторой степени хрупкими, не могут выдерживать большого трансмембранного давления или сильно расширяться (см., Однако, Sachs and Sivaselvan, 2015). Следовательно, поскольку мембраны проницаемы для воды, осмолярность внеклеточной жидкости должна точно соответствовать осмолярности внутриклеточной жидкости. Более 70 лет назад Бойл и Конвей (1941) осознали, что непроницаемые молекулы (метаболиты, белки, нуклеиновые кислоты и т. Д.)), которые должны содержать клетки, накладывают на клетки осмотическую нагрузку.

Чтобы увидеть, как это происходит, я рассмотрю влияние непроницаемых ионов на осмотический баланс клеток. Поскольку осмотическая сила раствора является коллигативным свойством (Аткинс и де Паула, 2014), все непроницаемые молекулы можно объединить вместе и рассматривать как один химический компонент без какой-либо потери точности, который я назову x ( где X — его осмолярность, а x — количество осмолей) со средним зарядом z .Следует отметить, что некоторые молекулы могут иметь осмотические коэффициенты меньше единицы.

Можно показать (см. Ниже), что клетка, имеющая гибкую мембрану, проницаемую для одновалентных ионов и содержащую непроницаемые молекулы, погруженная в солевой раствор, не может достичь стабильного устойчивого состояния без подвода энергии и взорвется (Weiss, 1996 ). В то время как в отсутствие непроницаемых молекул «клетка» устойчива, если раствор внутри клетки идентичен раствору снаружи.

Влияние непроницаемых молекул называется эффектом Доннана (или Гиббса-Доннана), который был и остается концепцией, которую неправильно применяли и неправильно понимали даже в современных учебниках.Хотя равновесие Доннана невозможно в живой животной клетке, x действительно оказывает влияние на клетку, и его нельзя игнорировать. Tosteson и Hoffman (1960) показали, что работа потребляющей энергию NKA стабилизирует объем клетки при наличии x и водопроницаемости. Именно этот PLM я буду обсуждать в оставшейся части этой статьи.

Уравнение ограничения

Чтобы увидеть, как x и z вместе с распределениями Na ⁺ , K ⁺ и Cl ^— определяют объем клетки, я рассматриваю два физико-химических ограничения на клетки:

1. Осмотический баланс . Поскольку мембрана клеток животных не может выдерживать большую часть трансмембранного давления, осмотическая сила внутриклеточного раствора должна быть равна осмотической силе внеклеточного раствора ( _o ):

Na + K + Cl + X = Πo (1)

2. Баланс расходов . Количество положительных зарядов внутри клетки должно соответствовать количеству внутриклеточных отрицательных зарядов

.
Na + K — Cl + zxw = 0 (2)

Где w — объем ячейки.Это также верно для внеклеточного раствора.

Из этих двух условий я могу вывести выражение для объема ячейки:

ш = (1-z) xΠo-2Cl = (1-z) xΠo- 2CloeFV / RT (3)

Где V — трансмембранный потенциал. Дисбаланс заряда, который вызывает трансмембранный потенциал, настолько мал, что его невозможно обнаружить химически (Burton, 1975). Единственное предположение для второй части этого уравнения состоит в том, что распределение хлоридов находится в равновесии.

Из этого уравнения ясно, что объем имеет простую зависимость от x и его заряда, z .Это уравнение было получено Бойлем и Конвеем (1941), и я вслед за Фрейзером и Хуангом (2004) назвал его «уравнением связи».

Уравнение ограничения показывает для данного z , какие значения X и V соответствуют стабильному объему (рисунок 1, см. Серые линии). Однако он определяет только сумму Na ⁺ и K ⁺ . Чтобы определить отдельные концентрации, я должен учитывать силы, действующие на все ионы.

Рисунок 1.Влияние z и скорости накачки ( p ) через уравнение ограничения на V и X . Серые линии относятся к уравнению (3), а синие — к KSS. p дюйм (C мм ^-2 с ^-1 ). Красная линия представляет траекторию системы с z = -1 и p = 0,25 ° C мм ^-2 с ^-1 , где насос включается, а затем выключается после достижения устойчивого состояния.

Два важных следствия уравнения ограничения состоят в том, что для соответствия x напряжение должно быть отрицательным, а при нулевом напряжении объем стремится к бесконечности, т. Е. Ячейка нестабильна. Полезный способ думать о PLM состоит в том, что он создает отрицательный потенциал, а Cl ^— следует его равновесию, освобождая пространство для размещения x .

Уравнения ионного потока

Для завершения модели ячейки необходимы уравнения, описывающие силы, действующие на три подвижных иона: Na ⁺ , K ⁺ и Cl ^— .Эти силы представляют собой химический потенциал (диффузию), электрический и активный перенос ионов. Это дает три уравнения для скорости изменения внутриклеточных концентраций ионов:

dNadt = -AwF (gNa [V-RTFln (NaoNa)] + np) -1wdwdtNa (4)
dKdt = -AwF (gK [V-RTFln (KoK)] — qp) -1wdwdtK (5)
dCldt = AwF (gCl [V + RTFln (CloCl)]) — 1wdwdtCl (6)

Где A — площадь мембраны (предполагается, что она постоянная), а F постоянная Фарадея. Чтобы разбить выражения на их компоненты, термин gNa [V-RTFln (NaoNa)] — это закон Ома, который объединяет химический и электрический потенциалы, а RTTln (NaoNa) часто называют «потенциалом Нернста».В то время как NKA представлен постоянной скоростью накачки p , где n и q представляют собой количество ионов Na ⁺ и K ⁺ , переносимых за цикл соответственно. Как я показываю в Приложении ( A2 , рисунок A1), упрощенная форма NKA, где она представлена ​​постоянными членами в уравнениях (4) и (5), мало влияет на мои общие выводы. Последний член в уравнениях отражает влияние изменения объема на концентрацию ионов.Этот термин очень мал, и его можно опустить, не допуская особых ошибок.

Предположение о постоянной площади принимается, чтобы отразить тот факт, что за короткий промежуток времени количество каналов и транспортеров вряд ли сильно изменится.

Поток воды можно смоделировать с помощью следующего уравнения (Fettiplace and Haydon, 1980):

dwdt = νwPfA (Π-Πo) (7)

Где P _f — коэффициент осмотической водопроницаемости мембраны, а ν _w — парциальный молярный объем воды (18 см ³ моль ^-1 ).Водопроницаемость даже в отсутствие аквапоринов выше, чем ионная проницаемость (Verkman, 1992), и я предполагаю, что вода мгновенно уравновешивается через мембрану, если не указано иное.

Из определения емкости напряжение определяется следующим уравнением (Varghese and Sell, 1997):

V = QC = FwACm (Na + K − Cl + zX) (8)

Я буду называть систему уравнений (1), (2), (4), (5), (6) и (8) «уравнениями утечки насоса» (PLE). В 1998 году Кинер и Снейд нашли аналитическое решение для устойчивого состояния PLE, но эта важная работа еще не вошла в биологическую литературу.Преимущество аналитического решения состоит в том, что оно показывает влияние различных факторов, влияющих на регулирование объема клеток. Кроме того, он предлагает удобную проверку численных методов, используемых для решения PLE. Решения Кинера и Снейда (KSS) для PLE приведены в Приложении A1 .

Интеграция PLE

Нет доступных решений в замкнутой форме для приближения системы к установившемуся состоянию, поэтому система должна быть решена путем численного интегрирования.

Для численного решения PLE я интегрирую уравнения (4–7) и использую алгебраическое уравнение (8) для вычисления V . Фрейзер и Хуанг (2007) назвали это методом «разности зарядов» (CD), который явно учитывает непроницаемые ионы x и их заряд z . Я обнаружил, что подход CD сходится с KSS с разумными начальными условиями (данные не показаны).

Если я начну моделирование с некоторыми произвольными значениями концентраций ионов и включу NKA, система приблизится к установившемуся состоянию, заданному KSS.Если после достижения устойчивого состояния NKA выключается, ионы уравновешиваются через мембрану, и объем непрерывно увеличивается, показывая, что система нестабильна в отсутствие активности NKA (рис. 2). Важной особенностью PLM является его надежность; стабильный объем может быть достигнут с помощью очень широкого набора комбинаций проводимости каналов и концентраций внеклеточных ионов при условии, что nNaogNa> qKogK и p не слишком высоки (Keener and Sneyd, 2009; Mori, 2012). PLM также стабилизирует клетки от внезапных изменений внеклеточной осмолярности, за которыми следует переход клетки к новому стабильному стационарному объему (рис. 3).

Рис. 2. Влияние включения и выключения NKA на концентрацию ионов, напряжение и размер . Зеленая стрелка, насос включен; красный, откачать. p = 0,5 C мм ⁻² s ⁻¹ . Процент минимального объема отображается как функция времени на самой нижней панели.

Рис. 3. PLM стабилизирует клетки от изменений внеклеточной осмолярности . Синие прямоугольники над рисунками указывают период, в течение которого осмолярность изменялась от контрольного значения 300–320 мОсм (левая панель) или 280 мОсм (правая панель).Воду удаляют или добавляют соответственно к внеклеточному раствору по умолчанию. p = 0,5 C мм ⁻² s ⁻¹ . Осмотическая проницаемость для воды = 0,05 см с ^-1 . Процент начального объема отображается как функция времени на самой нижней панели.

Стоит отметить, что если в клетке нет непроницаемых ионов, что явно невозможно, система устойчива в отсутствие NKA. Однако при отсутствии x работа NKA имеет парадоксальный эффект, приводящий к нестабильности системы (см. Приложение A3 ).

Эффект

z

Непроницаемые молекулы x оказывают осмотическое действие на систему и ограничивают размер клетки. Средний заряд этих молекул, z , также оказывает сильное влияние на распределение ионов, напряжение и объем ячейки. Это можно увидеть, построив график этих переменных как функцию z с фиксированным числом молей x (рис. 4).

Рис. 4. Влияние z на концентрацию ионов, напряжение и радиус ячейки . p = p _min и составляло 0,65 C мм ⁻² s ⁻¹ для всех показанных значений. Процент минимального объема отображается как функция от до на нижней панели.

Cp Кривые

Действие NKA можно сделать очевидным, построив графики концентраций ионов, V, и объема в зависимости от скорости откачки, p То, что я буду называть кривыми Cp , обеспечивает способ визуализации действующих сил. поскольку p нарастает, и влияние p на распределение ионов.Если построить график концентрации внутриклеточных ионов как функции скорости накачки, концентрации ионов образуют косу (симметричную для случая z = -1 из-за осмотических и зарядовых ограничений (Рисунок 5, 2-я панель сверху и см. Приложение A4 ().

Рис. 5. График Cp концентраций ионов, напряжения и радиуса ячейки . z = -1, n = 3 и q = 2. Случай, когда калий не переносится активно ( q = 0), показан серым.Процент минимального объема отображается как функция от p на нижней панели.

Если, как на рис. 5 (верхняя панель), катионы и анионы на графиках Cp сгруппированы отдельно, сохранение заряда и осмотического баланса становится очевидным; сумма всех внутриклеточных видов равна Π _o , в то время как сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных зарядов. Это также верно для z ≠ -1, но отношения между концентрациями ионов и p становятся несколько более сложными (см. Приложение A5 , Рисунок A2).

Поскольку p увеличивается, хотя накачиваются Na ⁺ и K ⁺ , именно Cl ^— и X первыми реагируют на эту приложенную силу. Почему это так? Поскольку чистое действие NKA во время цикла заключается в перемещении одного положительного заряда из клетки, это делает внутреннюю часть клетки более отрицательной (т.е. гиперполяризуется), что вытесняет Cl ^— из клетки, пассивно требуя мало энергии. , в то время как установка асимметричного распределения Na ⁺ / K ⁺ , которое далеко от равновесия, требует больших затрат энергии.

Альтернативный способ просмотра PLM показан на рисунке 1, где X и V , полученный из KSE, нанесен на график для данного p (синие линии). Пересечения между уравнением CE и соотношением X и V служат точками притяжения, так что если система начинает работу в точке неравновесия, она переместится в точку пересечения при включении насоса. Если насос выключен, система переходит к В = 0 и объем становится бесконечным.

Математическая нокаутация компонентов NKA

PLE могут быть дополнительно упрощены, если предположить, что NKA может активно транспортировать только один из одновалентных катионов.

Если транспорт Na ⁺ исключен, но все другие аспекты PLM остаются нетронутыми, стабильные решения невозможны (см. Приложение A6 ). Это происходит потому, что насос генерирует входящий ток, который деполяризует клетку и потребляет Cl ^— дюймов. Na ⁺ не может следовать за напряжением из-за своей высокой внеклеточной концентрации, и он остается вне регистра с V на протяжении всего Cp. кривая.Этот механизм не способен генерировать стабильный объем и вызывает сильную деполяризацию.

Если транспорт K ⁺ исключен, но все другие аспекты PLM остаются на месте, разница в работе механизма очень небольшая, как видно на графике Cp (Рисунок 5). K ⁺ и Cl ^— могут двигаться пассивно и пытаться следить за напряжением. Как упоминалось выше, насос Na ⁺ гиперполяризует клетку. Это выталкивает Cl ^— и K ⁺ дюйм.В этом случае K ⁺ и Cl ^— следуют соотношению Доннана (а именно, K Cl = K _o Cl _o ) и оба находятся в равновесии с напряжение (см. Приложение A6 ). Поскольку системе требуется АТФ для поддержания устойчивого состояния, система в целом не находится в равновесии.

Фактический NKA требует для работы как Na ⁺ , так и K ⁺ , однако мой анализ показывает, что транспорт Na ⁺ является единственным необходимым компонентом, если задуматься о его роли в регулировании объема.Отказ от активного транспорта K ⁺ упрощает PLE, так что становится возможным прийти к аналитическим решениям для точек пересечения на графиках Cp и увидеть, как они зависят от параметров системы (см. Приложение A4 ).

Влияние Cl

^— Электропроводность

Воздействие проводимости Cl ^— на PLM является полностью пассивным, но оно существенно, поскольку, если проводимость заблокирована, Cl ^— не может уравновеситься, и механизм заблокирован.Во многих клетках Cl ^— не распределяется пассивно, а перекачивается, и это будет влиять на механизм регуляции объема, но выходит за рамки данной статьи (Kaila et al., 2014; Vereninov et al., 2016).

Оптимизация скорости накачки

Скорость накачки ( стр. ) — это прямая мера энергии, необходимой для поддержания объема и напряжения ячейки, поскольку она напрямую связана с гидролизом АТФ. В PLM при увеличении скорости закачки объем уменьшается и достигает минимума, который я назову p _мин (рис. 5).Если p увеличивается выше этого значения, громкость увеличивается очень медленно. Для случая, когда z = -1, p _min можно найти, дифференцируя уравнение (A12) относительно p , устанавливая эту производную равной нулю и решая для p :

pmin = FRT (q gNa + n gKgKgNa) ln (n gKNaoq gNaKo) (9)

Уравнение (9) инкапсулирует, как энергия, необходимая для поддержания объема ячейки, зависит от параметров системы. p _min можно минимизировать, оставив г _Na маленьким, но менее чувствительным к величине г _K (рисунок 6).Стоит отметить, что для случая, когда q = 0, объем уменьшается до минимума, но не увеличивается при увеличении p .

Рисунок 6. Влияние g _Na и g _K на p

.

Представление эквивалентной электрической схемы PLM

Стандартный метод прогнозирования электрических свойств элементов — построение модели эквивалентной схемы с использованием конденсаторов, батарей и проводимости; где последние часто закрываются по напряжению (Kay, 2014).Из-за накопления ионов и переменного объема не существует простого способа разработать такую ​​схему для представления PLM. Однако частичное представление схемы может быть получено, если я использую KSE для оценки распределения ионов и установившегося напряжения при заданной скорости накачки. Соотношение тока и напряжения ( IV ) токов Na ⁺ и K ⁺ можно затем использовать, чтобы показать, как распределяется ток. Это показано на рисунке 7 для двух различных значений тока накачки.Потенциалы Нернста проводимости K ⁺ (т.е. RTFln (KoK)) и Na ⁺ (т.е. RTFln (NaoNa)) могут быть рассчитаны из их соответствующих внутри- и внеклеточных концентраций. Обратите внимание, что при потенциале покоя оба пассивных тока Na ⁺ и K ⁺ точно уравновешиваются равным и противоположным током накачки в соотношении 3: 2. Система стабильна, потому что отклонения от потенциала покоя вызывают токи, которые восстанавливают ее до состояния покоя.

Рисунок 7.PLM уравновешивает токи Na ⁺ и K ⁺ для стабилизации мембранного потенциала . Для p = 0,1 C мм ⁻² с ⁻¹ , E _K = −29,5 мВ, E _Na = 1,155 мВ и В = −28,84 мВ а для p = 0,5 C мм ⁻² s ⁻¹ , E _K = −97,43 мВ, E _Na = 56.41 мВ и В = -94,187 мВ.

Насосы, отличные от NKA, могут стабилизировать объем ячейки

PLM не зависит исключительно от работы NKA; есть другие насосы, которые можно заменить. Все, что требуется, — это механизм откачки Na ⁺ из ячейки вместе с пассивной проводимостью Na ⁺ , K ⁺ , Cl ^— и водопроницаемость. Микоплазмы — бактерии, не имеющие клеточных стенок, — хороший пример для изучения альтернативных PLM.Как и другие бактерии и археи, у них нет NKA, но у них есть протонный насос (Krulwich et al., 2011) и транспортер Na ⁺ / H ⁺ (Padan and Landau, 2016), где протон градиент управляет направленным наружу потоком Na ⁺ . На рисунке 8 показано, что работа протонного насоса в сочетании с обменником Na ⁺ / H ⁺ может стабилизировать клетку. Блокирование протонного насоса вызывает лизирование микоплазмы (Linker and Wilson, 1985).

Рисунок 8.График Cp модели PLM, включающий обменник Na / H, протонный насос и проводимость (см. Приложение A7) . Внеклеточный pH = 7, p _{Na / H} = 10 ⁵ и г _H = 0,007 мСм см ⁻² и D _H = 10 ⁻⁷ M.% минимального объема отображается как функция от p _H на нижней панели.

Обсуждение

Регулирование размера клеток является фундаментальным аспектом как одноклеточных, так и многоклеточных организмов. Хотя связь между активными и пассивными ионными потоками и размером клеток известна уже более 50 лет, похоже, что она не оказала большого влияния на клеточную биологию. Поскольку клеточные биологи, помимо нейробиологии, обычно, кажется, не достигают электрофизиологических объяснений при объяснении клеточных явлений.

По компонентам PLM трудно различить, как он стабилизирует объем ячейки.Механизм становится очевидным только тогда, когда его воплощают в математической модели и моделируют как целостную систему. Хотя основы PLM существуют уже давно, его работа не получила широкого распространения в виде учебников, за некоторыми исключениями (Stein, 1990; Weiss, 1996). Учебники по клеточной биологии обычно предлагают только словесные объяснения, которые дают довольно поверхностное понимание механизма ее действия. Возможно, стоит отметить, что невнимание к важности электрического тока в клеточной биологии оказалось препятствием на пути к признанию плодотворного прорыва в клеточной биологии, а именно.Хемиосмотическая гипотеза Питера Митчелла (Mitchell, 2004).

Центральным моментом, который следует из моего анализа PLE, является то, что x определяет объем ячейки (см. Уравнение 3). Поэтому клетки потенциально могут использовать x для регулирования своего объема. Вероятный механизм состоит в том, что клетки непрерывно отслеживают свой размер и используют механизм обратной связи для управления их размером. Например, концентрация осмолита, подобного таурину, может быть увеличена или уменьшена в зависимости от того, находится ли размер ниже или выше заданного значения размера.Имеются данные об активном зондировании размера у дрожжей, и был предложен ряд механизмов для его объяснения (Pan et al., 2014; Shahrezaei and Marguerat, 2015; Amodeo and Skotheim, 2016). Недавняя попытка сократить геном микоплазмы до необходимого набора генов выявила наличие генов с неизвестной функцией (Hutchison et al., 2016). Могут ли некоторые из них быть задействованы в контроле размера клеток?

Я не рассматривал вопрос о том, является ли PLM единственным механизмом, контролирующим размер ячейки.Некоторые утверждают, что вязкоупругие свойства клеточной мембраны и цитоскелета играют ключевую роль в регуляции клеточного объема (Sachs and Sivaselvan, 2015). Мне кажется, что оба фактора могут играть роль в стабилизации клеточной мембраны.

Начиная с Тостесона и Хоффмана, PLE прошли ряд итераций (Mackey, 1975; Jakobsson, 1980; Lew et al., 1991; Kabakov, 1994; Hernandez and Cristina, 1998; Hoppensteadt and Peskin, 2002; Armstrong, 2003). ; Fraser, Huang, 2004; Takeuchi et al., 2006; Атауллаханов и др., 2009; Юринская и др., 2011). Mori (2012) продемонстрировал, что PLE имеют асимптотически устойчивое установившееся состояние до тех пор, пока ток накачки не слишком велик. В то время как Веренинов и соавт. (2014) показали, как оценить параметры PLE по экспериментальным данным.

Эффект Доннана

Эффект Доннана часто упоминается в учебниках по физиологии, однако читатель часто не понимает, как он влияет на работу клеток.Как я показал, эффект захваченных молекул внутри клетки оказывает значительное влияние на поведение клетки; но следует подчеркнуть, что истинное (т.е. без подвода энергии) равновесие Доннана не может быть достигнуто, если мембрана не может выдерживать очень высокое трансмембранное давление. В гипотетическом случае, когда Na ⁺ накачивается активно, а K ⁺ и Cl ^— распределяются пассивно, эти ионы распределяются в соответствии с соотношением Доннана (см. Выше), система находится в динамическом стационарном состоянии.Непонимание эффекта Доннана, как было указано другими (Voipio et al., 2014), может привести к ошибочным представлениям о влиянии непроницаемых ионов на распределение ионов.

Стоит проводить различие между PLM и так называемым механизмом двойного Доннана, потому что эти два фактора иногда объединяются. Механизм двойного Доннана (Leaf, 1959) предполагает, что асимметричное распределение ионов достигается за счет работы NKA вместе с мембраной, проницаемой для K ⁺ , Cl ^— и воды, но не для Na ⁺ . .Вероятно, лучше избегать этого термина, поскольку все мембраны имеют конечную проницаемость для Na ⁺ . Более того, если проводимость натрия равна нулю, система уравнений неустойчива, и концентрация Na ⁺ становится отрицательной, что явно невозможно.

x представляет собой разнородный набор молекул, но можно вычислить и его, и z . Для этого необходимо иметь хорошие оценки внеклеточной осмолярности и внутриклеточных концентраций преобладающих проницаемых анионов и катионов.Затем можно использовать уравнение (1) для оценки x и уравнение (2) z . Оценки, конечно, настолько хороши, насколько хороши оценки внутриклеточной концентрации, которые пока трудно получить из-за отсутствия чувствительных и точных датчиков одновалентных ионов. Оценки z были сделаны для мышц и некоторых клеточных линий и находятся в диапазоне от -2 до -0,7 (Burton, 1983a; Model, 2014). Как x , так и z вряд ли будут фиксироваться и будут варьироваться в зависимости от метаболизма или транспорта непроницаемых молекул и изменения pH.Точного учета взносов в z еще предстоит сделать. Вклад нуклеиновых кислот и белков будет зависеть от того, насколько прочно связываются противоионы (Raspaud et al., 2000). В некоторых текстах x упоминается как «анионная щель», которую иногда неправильно относят к внутриклеточным белкам.

Роль утечек и энергетика PLM

Если кто-то не знает о роли NKA в регулировании объема, присутствие утечек Na ⁺ , K ⁺ и Cl ^— кажется контрпродуктивным, поскольку они создают энергетическую нагрузку на элемент.Только если принять во внимание центральную роль NKA в регулировании объема, функция проводимости утечки станет очевидной как ключевые компоненты PLM. Существует большое количество каналов утечки (Ren, 2011; Feliciangeli et al., 2015), и кажется вероятным, что они, возможно, эволюционировали, чтобы помочь стабилизировать объем клеток. Более того, г _Na оказывает сильное влияние на использование энергии элементом, при этом потребление энергии прямо пропорционально г _Na (рис. 6).Приведение в действие NKA — один из самых энергетически затратных процессов для животных, для поддержания его работы требуется около 20% энергии, потребляемой клеткой (Rolfe and Brown, 1997; Milo and Phillips, 2015). Эти большие вложения в энергию ясно указывают на важность PLM.

Как я показал, существует минимальная скорость откачки для достижения стабильного объема. Работа выше этой скорости не сильно меняет громкость. Когда скорость откачки падает ниже p _min , объем монотонно увеличивается; однако даже при очень низкой производительности насоса объем остается стабильным.Это представляет собой некоторую проблему для экспериментальной оценки PLM; даже при очень низкой производительности насоса объем может быть стабильным. Кроме того, возможно, что другие насосы могут взять на себя и поддерживать объем. Более того, как показывают мои симуляции (рис. 2), может потребоваться много времени, чтобы ионные градиенты рассеялись после применения блокатора помпы, такого как уабаин.

Стоит отметить, что ток утечки также является важной частью механизма, который делает клетки возбудимыми. Если бы нужно было удалить все токи утечки, что явно невозможно, из ячейки с ограниченными по напряжению каналами Na ⁺ и K ⁺ , не было бы стабильного потенциала покоя (Kay, 2014).Более того, PLM обеспечивает простое объяснение небольших изменений размеров аксонов, вызванных распространением потенциала действия (Cohen, 1973; Lee and Kim, 2010).

Модели эквивалентных цепей часто используются для моделирования нейронов, но большинство моделей, за некоторыми исключениями (Kager et al., 2002; Ostby et al., 2009; Ullah et al., 2015), не включают потоки воды и ионов, непроницаемые молекулы и растяжимые мембраны. Набухание клеток возникает после церебральной травмы, инсульта, распространяющейся депрессии и эпилепсии (Rungta et al., 2015; Стокум и др., 2016). Существует острая необходимость в фармакологических вмешательствах, которые ограничивают отек и предотвращают повреждение в результате повреждения клеток при расширении в закрытый объем черепа. Разработка таких агентов требует детального понимания всех факторов, которые играют роль в регуляции объема клеток, и теории, лежащей в основе этого механизма. Работа PLM в возбудимых клетках, таких как нейроны, с более интенсивными потоками пассивных ионов, чем в других клетках, предъявляет более жесткие энергетические требования к нейронам и мышцам.Это само по себе может объяснить, почему нейроны так чувствительны к кислородному голоданию.

Поддержание и восстановление градиентов Na ⁺ и K ⁺ является наиболее заметной функцией NKA, однако его роль в регулировании объема редко признается. Stein (1995) утверждал, что эволюция NKA и PLM является определяющей характеристикой клеток животных. Он наделяет их осморегуляторным механизмом, который не требует жестких клеток, и дает им отрицательный потенциал покоя, который оказался очень удобным для развития возбудимых клеток (Jakobsson, 1980; Armstrong, 2015).PLM также освобождает клетки от смирительной рубашки клеточных стенок, обеспечивая развитие сократительных механизмов.

Авторские взносы

AK инициировал проект, проанализировал уравнения, выполнил моделирование и написал статью.

Заявление о конфликте интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Благодарю Джеймса Кинера (Univ.Юта) и Дэвида Стюарта (Университет Айовы) за полезные советы, а также Цзин Ван за поддержку во время моего творческого отпуска в Калифорнийском университете, где была проделана часть этой работы.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fcell.2017.00041/full#supplementary-material

Сокращения

CD, заряд-разница; Решения KSS, Keener-Sneyd; NKA, Na ⁺ / K ⁺ АТФаза; PLE, уравнения насоса-утечки; ПЛМ, насос-проточный механизм.

Список литературы

Армстронг, К. М. (2015). Жизнь упаковки: происхождение ионоселективных каналов. Biophys. J. 109, 173–177. DOI: 10.1016 / j.bpj.2015.06.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Атауллаханов Ф. И., Корунова Н. О., Спиридонов И. С., Пивоваров И. О., Калягина Н. В., Мартынов М. В. (2009). Как регулируется объем эритроцитов, или какие математические модели могут и чего нельзя делать в биологии. Biol. Memb. 26, 163–179.DOI: 10,1134 / s198019

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аткинс П. и де Паула Дж. (2014). Физическая химия: термодинамика, структура и изменения . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: В. Х. Фриман.

Google Scholar

Берг, Х. К. (1993). Случайные блуждания в биологии . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета.

Google Scholar

Blaustein, M. P., Kao, J. P. Y., и Matteson, D. R. (2012). Клеточная физиология и нейрофизиология .Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier Mosby.

Google Scholar

Бор, В. Ф., Булпаеп, Е. Л. (2016). Медицинская физиология . Филадельфия, Пенсильвания: Эльзевир.

Google Scholar

Бертон Р.Ф. (1975). Растворы Рингера и физиологические растворы . Дорчестер: Джон Райт и сыновья.

Google Scholar

Бертон, Р. Ф. (1983a). Состав клеток, оцененный по осмоляльности и концентрациям натрия, калия и хлорида: общий вклад других веществ в осмоляльность и баланс заряда. Комп. Biochem. Physiol. Комп. Physiol. 76, 161–165.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Бертон, Р. Ф. (1983b). Состав клеток животных: растворенные вещества, способствующие осмотическому давлению и зарядовому балансу. Комп. Biochem. Physiol. B 76, 663–671. DOI: 10.1016 / 0305-0491 (83) -9

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Коэн, Л. Б. (1973). Изменения в структуре нейрона во время распространения потенциала действия и синаптической передачи. Physiol. Ред. 53, 373–418.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Доусон Д. и Лю X. (2008). «Осморегуляция: некоторые принципы транспорта воды и растворенных веществ», в Osmotic and Ionic Regulation , ed D. H. Evans (Boca Raton, FL: CRC Press), 1–36. DOI: 10.1201 / 9780849380525.ch2

CrossRef Полный текст

Фелисиангели С., Шателен Ф. К., Бише Д. и Лесаж Ф. (2015). Семейство каналов K2P: основные структурные и функциональные свойства. J. Physiol. 593, 2587–2603. DOI: 10.1113 / jphysiol.2014.287268

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Fraser, J. A., and Huang, C. L.-H. (2004). Количественный анализ определения и регулирования объема клеток и потенциала покоя в возбудимых клетках. J. Physiol. 559, 459–478. DOI: 10.1113 / jphysiol.2004.065706

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фрейзер, Дж. А., и Хуанг, К.Л.-Х. (2007). Количественные методы стационарного расчета и динамического интегрированного моделирования мембранного потенциала и внутриклеточных концентраций ионов. Prog. Биофиз. Мол. Биол. 94, 336–372. DOI: 10.1016 / j.pbiomolbio.2006.10.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фраусто да Силва, Дж. Дж. Р. и Уильямс, Р. Дж. П. (2001). Биологическая химия элементов: неорганическая химия жизни . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета.

Google Scholar

Эрнандес Дж. И Кристина Э. (1998). Моделирование регуляции объема клеток в невозбудимых клетках: роль насоса Na ⁺ и систем котранспорта. AJP Cell Physiol. 275: C1067.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Хоппенстедт, Ф. К., Пескин, С. С. (2002). Моделирование и симуляция в медицине и науках о жизни . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer Verlag. DOI: 10.1007 / 978-0-387-21571-6

CrossRef Полный текст

Хатчисон, К.А. III, Чуанг, Р. Ю., Носков, В. Н., Асад-Гарсия, Н., Деринк, Т. Дж., Эллисман, М. Х. и др. (2016). Дизайн и синтез минимального бактериального генома. Наука 351: aad6253. DOI: 10.1126 / science.aad6253

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Якобссон, Э. (1980). Взаимодействие объема клетки, мембранного потенциала и параметров мембранного транспорта. Am. J. Physiol. 238, C196 – C206.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Кагер, Х., Wadman, W.J. и Somjen, G.G. (2002). Условия запуска распространяющейся депрессии изучены с помощью компьютерного моделирования. J. Neurophysiol. 88, 2700–2712. DOI: 10.1152 / jn.00237.2002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кайла, К., Прайс, Т. Дж., Пейн, Дж. А., Пушкарджов, М., и Войпио, Дж. (2014). Катионно-хлоридные котранспортеры в развитии, пластичности и болезнях нейронов. Нат. Rev. Neurosci. 15, 637–654. DOI: 10.1038 / номер 3819

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кинер Дж. И Снейд Дж. (2009). Математическая физиология I: клеточная физиология . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Спрингер. DOI: 10.1007 / 978-0-387-75847-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Дж., И Ким, С. Дж. (2010). Измерение спектра быстрого оптического сигнала нервной активности в ткани мозга и его теоретическое происхождение. Neuroimage 51, 713–722. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2010.02.076

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лью, В. Л., Фриман, К. Дж., Ортис, О. Э. и Букчин, Р. М. (1991). Математическая модель регуляции объема, pH и содержания ионов в ретикулоцитах. Приложение к патофизиологии серповидно-клеточного обезвоживания. J. Clin. Инвестировать. 87, 100–112. DOI: 10.1172 / JCI114958

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Линкер К. и Уилсон Т. Х. (1985).Регулирование объема клеток у Mycoplasma gallisepticum. J. Bacteriol. 163, 1243–1249.

Google Scholar

Макки М.С. (1975). Транспорт ионов через биологические мембраны. Комплексный теоретический подход . Берлин; Гейдельберг; Нью-Йорк: Springer Verlag. DOI: 10.1007 / 978-3-642-81008-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маршалл У. Ф., Янг К. Д., Сваффер М., Вуд Э., Медсестра П., Кимура А. и др. (2012). Что определяет размер ячейки? BMC Biol. 10: 101. DOI: 10.1186 / 1741-7007-10-101

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Модель

, М.А. (2014). Возможные причины уменьшения апоптотического объема: попытка количественного обзора. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 306, C417 – C424. DOI: 10.1152 / ajpcell.00328.2013

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нельсон П. (2014). Биологическая физика: энергия, информация, жизнь . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: W.Х. Фриман.

Google Scholar

Николлс, Дж. Г., Мартин, А. Р., Фукс, П. А., Браун, Д. А., Даймонд, М. Е., и Вайсблат, Д. (2011). От нейрона к мозгу . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates, Inc.

Google Scholar

Остби И., Ойехауг Л., Эйневолл Г. Т., Нагельхус Э. А., Плахте Э., Цойтен Т. и др. (2009). Астроцитарные механизмы, объясняющие сокращение экстранейронального пространства, вызванное нейрональной активностью. PLoS Comput. Биол. 5: e1000272.DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1000272

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Падан, Э., Ландау, М. (2016). Натрий-протонный (Na ⁺ / H ⁺ ) антипортеры: свойства и роль в здоровье и болезнях. Met. Ions Life Sci. 16, 391–458. DOI: 10.1007 / 978-3-319-21756-7_12

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пост, Р. Л., и Джолли, П. К. (1957). Связь активного транспорта натрия, калия и аммония через мембрану эритроцитов человека. Biochim. Биофиз. Acta 25, 118–128. DOI: 10.1016 / 0006-3002 (57)

-2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рольф, Д. Ф., и Браун, Г. С. (1997). Использование клеточной энергии и молекулярное происхождение стандартной скорости метаболизма у млекопитающих. Physiol. Ред. 77, 731–758.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Рунгта, Р. Л., Чой, Х. Б., Тайсон, Дж. Р., Малик, А., Диссинг-Олесен, Л., Лин, П. Дж. И др. (2015).Клеточные механизмы набухания нейронов, лежащие в основе цитотоксического отека. Ячейка 161, 610–621. DOI: 10.1016 / j.cell.2015.03.029

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сакс Ф., Сиваселван М. В. (2015). Трехмерный контроль объема клеток: движение воды без движения растворенного вещества. J. Gen. Physiol. 592, 4099–4114. DOI: 10.1085 / jgp.201411297

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шмидт, К. Э. Х.(1850 г.). Charakteristik der Epidemischen Cholera Gegenüber Verwandten Transssudations anomalieen: Eine Physiologisch-Chemische Untersuchung . Лейпциг и Митау.

Сомеро, Г. Н., Локвуд, Б. Л., и Томанек, Л. (2017). Биохимическая адаптация: ответ на экологические вызовы от жизненных зародышей до антропоцена . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates, Inc.

Сперелакис, Н. (2012). «Равновесные потенциалы Гиббса-Доннана», в Справочнике по физиологии клетки , изд.Сперелакис (Уолтем, Массачусетс), 147–171. DOI: 10.1016 / b978-0-12-387738-3.00010-x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Штейн, В. Д. (1990). Каналы, носители и насосы: введение в мембранный транспорт . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Academic Press.

Google Scholar

Штейн, В. Д. (2002). Гомеостаз объема клетки: ионные и неионные механизмы. Натриевая помпа в появлении клеток животных. Внутр. Rev. Cytol. 215, 231–258. DOI: 10.1016 / S0074-7696 (02) 15011-X

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стеррат Д., Грэм Б., Гиллис А. и Уиллшоу Д. (2011). Принципы компьютерного моделирования в неврологии . Издательство Кембриджского университета. DOI: 10.1017 / cbo9780511975899

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Такеучи А., Тацуми С., Сараи Н., Терашима К., Мацуока С. и Нома А. (2006). Ионные механизмы набухания сердечных клеток, вызванные блокированием насоса Na ⁺ / K ⁺ , как показали эксперименты и моделирование. J. Gen. Physiol. 128, 495–507. DOI: 10.1085 / jgp.200609646

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тостесон, Д. К., и Хоффман, Дж. Ф. (1960). Регулирование объема клеток за счет активного транспорта катионов в эритроцитах барана с высоким и низким содержанием калия. J. Gen. Physiol. 44, 169–194. DOI: 10.1085 / jgp.44.1.169

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Труски, Г. А., Юань, Ф., и Кац, Д. Ф. (2009). Явления переноса в биологических системах Пирсон .Верхняя Сэдл-Ривер, Нью-Джерси: Pearson Education, Inc.

Google Scholar

Уллах, Г., Вей, Ю., Далем, М. А., Вексельбергер, М., и Шифф, С. Дж. (2015). Роль объема клетки в динамике приступа, распространяющейся депрессии и аноксической деполяризации. PLoS Comput. Биол. 11: e1004414. DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1004414

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Варгезе А., Селл Г. Р. (1997). Принцип сохранения и его влияние на формирование тока обменника Na-Ca в сердечных клетках. J. Theor. Биол. 189, 33–40. DOI: 10.1006 / jtbi.1997.0487

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Веренинов И. А., Юринская В. Е., Модель М. А., Ланг Ф., Веренинов А. А. (2014). Расчет баланса потока насос-утечка в клетках животных. Cell. Physiol. Biochem. 34, 1812–1823. DOI: 10.1159 / 000366382

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Веренинов И.А., Юринская В.Е., Модель, М.А., Веренинов А.А. (2016). Однонаправленный баланс потока одновалентных ионов в клетках с обменом Na / Na и Li / Na: экспериментальные и вычислительные исследования на лимфоидных клетках U937. PLoS ONE 11: e0153284. DOI: 10.1371 / journal.pone.0153284

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Voipio, J., Boron, W. F., Jones, S. W., Hopfer, U., Payne, J. A., and Kaila, K. (2014). Комментарий к статье «Локальные непроницаемые анионы определяют концентрацию хлоридов в нейронах.” Наука 345: 1130. DOI: 10.1126 / science.1252978

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вайс, Т. Ф. (1996). Клеточная биофизика. Vol. 1: Транспорт . Кембридж, Массачусетс: MIT Press.

Юринская В. Е., Рубашкин А. А., Веренинов А. А. (2011). Баланс однонаправленных потоков одновалентных ионов в клетках, подвергающихся апоптозу: почему подавление помпы Na plus / K plus не вызывает набухания клеток? J. Physiol. Лондон. 589, 2197–2211.DOI: 10.1113 / jphysiol.2011.207571

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

A. Приложение

А.1. Решения Keener-Sneyd

Здесь я представлю уравнения, выведенные Кинером и Снейдом (2009), с некоторыми новыми расширениями, которые я вывел (а именно, для случая, когда z = -1, нестабильность системы, когда x = 0 и эффект выбивания Na ⁺ или K ⁺ транспорт). Предполагается, что NKA работает с постоянной скоростью: p , n и q — количество ионов Na ⁺ и K ⁺ , переносимых за цикл насоса.

В установившемся режиме каждый из текущих потоков равен нулю, и система уравнений (1, 2, 4–6) может быть решена точно для пяти неизвестных Na, K, Cl, w и V :

Я следую за Кинером и Снейдом в определении следующих безразмерных переменных:

ν = FVRT, P = pFRTgNa, μ = wxClo (A1)

Определяю:

α = Naoe-nP + KoeqPγNao + Ko (A2)

, где γ = gna / gK

Кинер и Снейд продемонстрировали, что для nNaogNa> qKogK существует диапазон p , для которого система имеет конечный положительный объем ячейки, со следующими решениями:

μ = 1 + 1- (1-α) (1-z2) 2 (1-α) (A4)
у = -z + z2 + 4αμ22αμ (A5)

Для случая, когда z = −1

Из уравнений (1) и (2):

К + Na = Cl + X = 0.5 Πo (A9)

Тогда из уравнений (A6) и (A7)

KoyeqPγ + Naoye-nP = 0,5 o (A10)

решение для y

y = 0,5ΠoKoeqPγ + Naoe-nP = 1 / α (A11)

из (A4) и (A11)

μ = 11-α = yy-1 (A12)

А.2. Более реалистичное математическое представление NKA

В уравнениях Кинера-Снейда NKA представлена ​​как постоянный член (уравнения 4 и 5). Чтобы обеспечить более реалистичное представление NKA, я включил его зависимость от концентраций K ⁺ и Na ⁺ (Truskey et al., 2009). Поток Na ⁺ :

JNKA, Na = -p ′ (NaDNa + Na) 3 (KoDK + Ko) 2 (A13)

Поток K ⁺ :

JNKA, K = -23JNKA, Na (A14)

, где: p ′ — максимальный выход Na ⁺ в установившемся режиме, D _Na и D _K — кажущиеся константы диссоциации для Na ⁺ и K ⁺ . На рисунке A1 показано, что форма кривой C — p сохраняется даже при использовании этого нелинейного механизма накачки.

Рисунок A1. Cp график PLM с нелинейным механизмом NKA (уравнения A13 и A14) . D _Na = 0,8 мМ и D _K = 3,6 мМ. Процент минимального объема отображается как функция от p на нижней панели.

А.3. Отсутствие непроницаемых молекул (

x = 0)

Хотя это явно невозможная ситуация, ее стоит рассмотреть, поскольку она может дать представление о действии x в PLM.

Из уравнений (1) и (2).

Na + K = Cl = Clo = Πo (A15)

Когда NKA не работает по уравнению (6), V = 0, Na = Na _o , K = K _o и объем стабилен. Когда насос включен по уравнениям (4) и (5), можно рассчитать распределение Na ⁺ и K ⁺ как функцию скорости насоса и исходя из этого мембранного потенциала, который становится более отрицательным как p увеличивается.Однако Cl = Cl _o , и нет никакого способа обойти это. Единственное, что может дать, — это громкость, так как при включении насоса громкость уменьшается, и если ее оставить включенной, громкость упадет до нуля.

А.4. Плетеная структура решения PLE с

z = −1

Для случая, когда z = −1 из (1) и (2) по мере увеличения p , следующие пересечения происходят последовательно (см. Вторую панель сверху на рисунке 5), и можно получить аналитические выражения для p во всех точках пересечения для случая, когда нет активного транспорта K ⁺ (т.е.е., q = 0):

Для Na = Cl и K = X :

p = -gNaRTnFlnKo (Πo- (Πo2-16KoClo) ½) Nao (Πo + (Πo2-16KoClo) ½) (A16)

для Cl = X = 0,5Π _o :

p = -gNaRTnFln (Πo28Clo-KoNao) (A17)

для Na = X и K = Cl : Для K = Cl

p = -gNaRTnFln (0,5Πo (KoClo) ½-KoNao) (A18)

для Na = K = 0.5Π _o :

p = -gNaRTnFln (KoNao) (A19)

для Na = Cl и K = X :

p = -gNaRTnFlnKo (Πo + (Πo2-16KoClo) ½) Nao (Πo- (Πo2-16KoClo) ½) (A20)

А.5. PLE с разными

z

Рисунок A2. Cp участков с разными z ′ s , отмеченными в верхней части каждой панели . Скорость накачки p находится в C мм ^-2 с ^-1 .

А.6. Математическая нокаутация компонентов PLE

Нет Na ⁺ накачка [ z = -1, n = 0]

Уравнение (A11) становится:

y = 0,5ΠoKoeqPγ + Nao (A21)

y ≤ 0 и из уравнения (A8) Cl ≥ Cl _o , что с уравнениями (1) и (2) означает, что X ≤ 0, что означает, что x не может быть приспособлены и, следовательно, система нестабильна.

№ K ⁺ накачка [ z = -1, q = 0]

Из уравнений (A7) и (A8)

Это соотношение Доннана.

Из уравнения (A11)

y = 0,5ΠoKo + Naoe-nP (A23)

Подставляя это в уравнение (A6), получаем:

Na = 0,5 NaoΠoKoenP + Nao (A24)

и замена уравнения (A23) в уравнение (A7) дает:

K = 0,5 KoΠoKo + Naoe-nP (A25)

А.7. Микоплазма Модель

Для моделирования микоплазмы я добавил направленный наружу протонный насос, обменник Na ⁺ / H ⁺ и протонную утечку в модели PLM.

Для моделирования обменника Na ⁺ / H ⁺ я предполагаю, что он может быть описан следующим химическим равновесием:

Ho + Na⇆H + Nao (A26)

Где H и H ₀ — внутренняя и внешняя концентрации протонов соответственно.

Тогда поток протонов через теплообменник:

JNaH, H = pNaH (NaoH-NaHo) (A27)

Где p _NaH — проницаемость теплообменника. Аналогично поток Na ⁺ через теплообменник:

JNaH, Na = -pNaH (NaoH-NaHo) (A28)

Протонный насос, направленный наружу, представлен следующим уравнением:

, где p _H — сила накачки, а D _H — константа диссоциации протонов.

В этой модели скорость изменения внутриклеточной концентрации протонов составляет:

dHdt = -AwF (gH [V-RTFln (HoH)] + JH + JNaH, H) (A30)

Где g _H — протонная проводимость.

Скорость изменения внутриклеточного Na ⁺ тогда составляет:

dNadt = -AwF (gNa [V-RTFln (NaoNa)] + JNaH, H) (A31)

Концентрации ионов протона и гидроксида (рассчитанные при условии, что ионный продукт воды составляет 10 ⁻¹⁴ M ² ), включены в уравнения (1), (2) и (8).

фактов о клетках — Программа бакалавриата по экологической инженерии

Клетки — фундаментальные единицы жизни. Независимо от того, являются ли они одноклеточными или многоклеточными формами жизни, все живые организмы состоят из клеток и зависят от них для нормального функционирования. По оценкам ученых, наши тела содержат от 75 до 100 триллионов клеток. Кроме того, в организме есть сотни различных типов клеток. Клетки делают все: от обеспечения структуры и стабильности до обеспечения организма энергией и средством воспроизводства.Следующие 10 фактов о клетках предоставят вам хорошо известные и, возможно, малоизвестные лакомые кусочки информации о клетках.

1. Клетка слишком мала, чтобы ее можно было увидеть без увеличения.
Ячейки имеют размер от 1 до 100 микрометров. Изучение клеток, также называемое клеточной биологией, было бы невозможно без изобретения микроскопа. Современные микроскопы, такие как растровый электронный микроскоп и просвечивающий электронный микроскоп, позволяют клеточным биологам получать детальные изображения мельчайших клеточных структур.

2. Есть два основных типа ячеек.
Эукариотические и прокариотические клетки — это два основных типа клеток. Эукариотические клетки называются так потому, что у них есть истинное ядро, заключенное в мембрану. Животные, растения, грибы и простейшие являются примерами организмов, содержащих эукариотические клетки. Прокариотические организмы включают бактерии и археи. Ядро прокариотической клетки не заключено в мембрану.

3. Прокариотические одноклеточные организмы были древнейшими и наиболее примитивными формами жизни на Земле.
Прокариоты могут жить в среде, которая была бы смертельной для большинства других организмов. Эти экстремофилы могут жить и процветать в различных экстремальных средах обитания. Например, археи живут в таких местах, как гидротермальные источники, горячие источники, болота, водно-болотные угодья и даже в кишечниках животных.

4. Бактериальных клеток в организме больше, чем клеток человека.
Ученые подсчитали, что около 95% всех клеток в организме составляют бактерии. Подавляющее большинство этих микробов можно найти в пищеварительном тракте.На коже живут также миллиарды бактерий.

5. Клетки содержат генетический материал.
Клетки содержат ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота), генетическую информацию, необходимую для управления клеточной деятельностью. ДНК и РНК — это молекулы, известные как нуклеиновые кислоты. В прокариотических клетках единственная молекула бактериальной ДНК не отделена от остальной части клетки, а свернута спиралью в области цитоплазмы, называемой областью нуклеоида. В эукариотических клетках молекулы ДНК расположены внутри ядра клетки.ДНК и белки — основные компоненты хромосом. Клетки человека содержат 23 пары хромосом (всего 46). Есть 22 пары аутосом (неполовых хромосом) и одна пара половых хромосом. Половые хромосомы X и Y определяют пол.

6. Клетки содержат структуру, называемую органеллами, которые выполняют определенные функции.
Органеллы выполняют широкий спектр функций внутри клетки, включая все, от обеспечения энергией до выработки гормонов и ферментов.Эукариотические клетки содержат несколько типов органелл, в то время как прокариотические клетки содержат несколько органелл (рибосом), и ни одна из них не связана мембраной. Существуют также различия между видами органелл, обнаруживаемых в разных типах эукариотических клеток. Например, клетки растений содержат такие структуры, как клеточная стенка и хлоропласты, которых нет в клетках животных. Другие примеры органелл включают:
* Ядро
* Митохондрии
* Эндоплазматический ретикулум
* Комплекс Гольджи
* Рибосомы

7.Разные виды клеток воспроизводятся разными способами.
Большинство прокариотических клеток реплицируются с помощью процесса, называемого бинарным делением. Это тип процесса клонирования, при котором две идентичные клетки происходят из одной клетки. Эукариотические организмы также способны размножаться бесполым путем посредством митоза. Кроме того, некоторые эукариоты способны к половому размножению. Это включает слияние половых клеток или гамет. Гаметы производятся в процессе мейоза.

8. Группы одинаковых клеток образуют ткани.
Ткани — это группы клеток с общей структурой и функцией. Клетки, из которых состоят ткани животных, иногда сплетаются вместе с внеклеточными волокнами и иногда удерживаются вместе липким веществом, покрывающим клетки. Различные типы тканей также могут быть скомпонованы вместе, образуя органы. Группы органов, в свою очередь, могут образовывать системы органов.

9. Клетки имеют разную продолжительность жизни
Клетки в человеческом теле имеют разную продолжительность жизни в зависимости от типа и функции клетки.Они могут жить от нескольких дней до года. Некоторые клетки пищеварительного тракта живут всего несколько дней, в то время как некоторые клетки иммунной системы могут жить до шести недель. Клетки поджелудочной железы могут жить до года.

10. Клетки совершают самоубийство
Когда клетка повреждается или подвергается некоторому типу инфекции, она самоуничтожается в результате процесса, называемого апоптозом. Апоптоз обеспечивает правильное развитие и контролирует естественный процесс митоза в организме. Неспособность клетки подвергнуться апоптозу может привести к развитию рака.

Источник: ThoughtCo

В вашем теле 37,2 триллиона клеток | Умные новости

Национальный институт рака

Сколько клеток составляет ваше тело? На самом деле не так-то просто ответить на этот простой вопрос. Но недавно ученые приложили неплохие усилия. И их окончательный счет… 37,2 трлн.

Подсчитать количество клеток в организме человека непросто. Отчасти проблема в том, что использование разных показателей дает очень разные результаты.Гадание на основе объема дает вам оценку в 15 триллионов ячеек; оцените по весу и вы получите 70 трлн. Карл Циммер из National Geographic объясняет:

Итак, если вы выберете объем или вес, вы получите совершенно разные числа. Что еще хуже, наши тела не заполнены клетками одинаково, как в банке с мармеладом. Клетки бывают разных размеров и разной плотности. Взгляните, например, на стакан с кровью, и вы обнаружите, что красные кровяные тельца плотно упакованы.Если бы вы использовали их плотность для оценки клеток в человеческом теле, вы бы получили ошеломляющие 724 триллиона клеток. Клетки кожи, с другой стороны, настолько редки, что они дают вам ничтожную оценку в 35 миллиардов клеток.

Как эти исследователи получили 37,2 триллиона? Они фактически разбили количество клеток по органам и типам клеток, просматривая доступную литературу, чтобы составить подробный список объемов и плотности во всем, от кишечника до колен.Так, например, в среднем в теле 50 миллиардов жировых клеток и 2 миллиарда клеток сердечной мышцы. Сложив все это, они получили 37,2 миллиона. (Кстати, сюда не входят миллионы микробов, живущих на вас.)

Авторы отмечают, что это не просто хороший вопрос для пабов. Использование подсчета клеток и их сравнение со средним значением может помочь врачам выявить проблемы. «Знание общего числа клеток человеческого тела, а также отдельных органов важно с точки зрения культурного, биологического, медицинского и сравнительного моделирования», — пишут они.

Подробнее с сайта Smithsonian.com:

«Бессмертные» клетки Генриетты Лакс под микроскопом
Проказа может превращать нервные клетки в стволовые клетки

Биология

Новое исследование

.