Понятие о гомеостазе. Механизмы регуляции клеточного цикла как пример поддержания гомеостаза (циклимы, циклинзависимые киназы, чек-пойнты).

Гомеоста́ з (др.-греч. ὁ μ ο ι ο σ τ ά σ ι ς от ὁ μ ο ι ο ς — одинаковый, подобный и σ τ ά σ ι ς — стояние, неподвижность) — саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия.

Гомеостаз популяции — способность популяции поддерживать определённую численность своих особей длительное время.

Американский физиолог Уолтер Кеннон (Walter B. Cannon) в 1932 году в своей книге «The Wisdom of the Body» («Мудрость тела») предложил этот термин как название для «координированных физиологических процессов, которое поддерживают большинство устойчивых состояний организма». В дальнейшем этот термин распространился на способность динамически сохранять постоянство своего внутреннего состояния любой открытой системы. Однако представление о постоянстве внутренней среды было сформулировано ещё в 1878 году французским учёным Клодом Бернаром.

// Общие сведения

Термин «гомеостаз» чаще всего применяется в биологии. Многоклеточным организмам для существования необходимо сохранять постоянство внутренней среды. Многие экологи убеждены, что этот принцип применим также и к внешней среде. Если система неспособна восстановить свой баланс, она может в итоге перестать функционировать.

Комплексные системы — например, организм человека — должны обладать гомеостазом, чтобы сохранять стабильность и существовать. Эти системы не только должны стремиться выжить, им также приходится адаптироваться к изменениям среды и развиваться.

Циклины — семейство белков, являющихся активаторами циклин-зависимых протеинкиназ (CDK) (CDK — cyclin-dependent kinases) — ключевых ферментов, участвующих в регуляции клеточного цикла эукариот. Циклины получили свое название в связи с тем, что их внутриклеточная концентрация периодически изменяется по мере прохождения клеток через клеточный цикл, достигая максимума на его определенных стадиях.

Каталитическая субъединица циклин-зависимой протеинкиназы частично активируется в результате взаимодействия с молекулой циклина, которая образует регуляторную субъединицу фермента. Образование этого гетеродимера становится возможным после достижения циклином критической концентрации. В ответ на уменьшение концентрации циклина происходит инактивация фермента. Для полной активации циклин-зависимой протеинкиназы должно произойти специфическое фосфорилирование и дефосфорилирование определенных аминокислотных остатков в полипептидных цепях этого комплекса. Одним из ферментов, осуществляющих подобные реакции, является киназа CAK (CAK — CDK activating kinase).

Циклин-зависимые киназы (англ. cyclin-dependent kinases, CDK) - группа белков, регулируемых циклином и циклиноподобными молекулами. Большинство CDK участвуют в смене фаз клеточного цикла; также они регулируют транскрипцию и процессинг мРНК. CDK являются серин\треониновыми киназами, фосфорилируя соответствующие остатки белков. Известно несколько CDK, каждая из которых активируется одним или более циклинами и иными подобными молекулами после достижения их критической концентрации, притом по большей части CDK гомологичны, отличаясь в первую очередь конфигурацией сайта связывания циклинов. В ответ на уменьшение внутриклеточной концентрации конкретного циклина происходит обратимая инактивация соответствующей CDK. Если CDK активируются группой циклинов, каждый из них как бы передавая протеинкиназы друг другу, поддерживает CDK в активированном состоянии длительное время. Такие волны активации CDK возникают на протяжении G₁- и S- фаз клеточного цикла.

По мере прогрессии клеточного цикла должны существовать механизмы проверки правильности выполнения его событий. Такая проверка осуществляется в нескольких точках клеточного цикла получивших название сверочных точек (checkpoint). Эти точки расположены в концах G1, G2 и М фаз. В первой точке осуществляется проверка наличия повреждений ДНК, во второй наряду с повреждениями ДНК проверяется завершенность репликации, в третьей проверяется правильность расхождения хромосом в митозе. Если обнаруживается какое-либо из вышеперечисленных нарушений, то происходит остановка клеточного цикла, что дает время для их исправления. Если исправление оказывается невозможным, то происходит запуск механизма апоптоза - программируемой клеточной смерти.

Генетическая регуляция развития, особенности молекулярно-генетических процессов на разных этапах онтогенеза (генетическая детерминированность развития, дифференциальная активность генов, влияние ооплазматической сегрегации, Т-локус, гены полового созревания, старения).

Весь процесс развития организма регулируется генетической программой. В большинстве случаев геном всех клеток остается одинаковым. Это означает, что при развитии " нужные гены работают в нужное время и в нужном месте" (Н.В.Тимофеев-Ресовский).

Различными методами ученые пытались определить число генов, которые задействованы в процессах развития. Хотя эти оценки остаются очень приблизительными, можно утверждать, что в ходе развития работает большинство генов организма. Часть генов - так называемые гены домашнего хозяйства - необходимы для жизнедеятельности любой клетки (понятно, что мутации таких генов, приводящие к потере функции, будут летальными). Процент этих генов в геноме, видимо, довольно мал. Большинство же генов - это так называемые гены роскоши. Их продукты необходимы только на определенных стадиях развития и (или) в клетках определенных тканей. Число включенных генов в большинстве случаев снижается со стадии яйцеклетки и до стадии зрелых тканевых клеток. Например, у наиболее изученных в этом отношении морских ежей на стадии зиготы белки считываются примерно с 24000 разных иРНК, на стадии гаструлы - с 11000, а в клетках разных тканей взрослого животного - всего с 2000-4000.

Таким обюразом большинство белков нужно не для функционирования клеток взрослого организма, а для его развития.

Генетический Детерминизм

Убеждение в том, что развитие любого организма находится под генетическим контролем. Мнение может казаться бесспорным в отношении поведения простых организмов, но не для более высокоорганизованных животных и человека. Идея о том, что человеческое поведение во многом обусловлено генетическими факторами, нашла выражение в развитии эволюционной психологии.