Rast ćelija, tkiva i organa

Uvod

Kao i mašine i organizam radi efikasno jedino ako funkcionišu sve komponente sistema. Rast je veoma teško definisati u biološkom kontekstu. On može da podrazumeva povećanje veličine, povećanje delova ćelije ili ekstracelularnog materijala. Šta reguliše rast ćelija, tkiva i organa? Kako se održava proporcionalnost srukture tela? Zšsto je slon veći od miša, iako je u osnovi sačinjena od istih tkiva i organa? Ovo su samo neka pitanja, na koje savremena nauka mora da odgovori! Mnogi primeri u experimentalnim istraživanjima pokazuju da većina informacija koja reguliše rast organa i tkiva je svojstven svakom organu. Ovo je posebno tačno u ranom razviću, tokom adultnog života, kasnije rast postaje sve više zavistan od spoljnih uticaja, kao sto su sistemski hormoni ili abnormalno nisko ili visoko korišćenje određene strukture. Prvo ćemo razmotriti proces razvoja organa tokom razvića, a zatim ćemo istražiti šta je poznato oko procesa sekundarne kontrole.

Mere i mehanizmi rasta

Šta je rast ?

Rast tkiva i organa je opisan kao apsolutno povećanje veličine ili težine. Tkivo može da raste na različite načine. Najčešći mehanizam je ćelijska deoba, praćena uvećanjem ćerki ćelija sve dok svaka ne dostigne predhodnu veličinu majke ćelije, ovaj tip rasta se zove hiperplazija. Drugi način na koji se rast ispoljava je povećanje mase bez ćelijske deobe, proces koji se zove hipertrofija. Treći način rasta je depozicija ekstracelularnog matriksa, koji se zove jednostavno uvećanje ili proširenje.

Hiperplazija je toliko česta da neki autori koriste rast kao sinonim za ćelijsku deobu, naročito u kontekstu tumorogeneze. Rast ćelija deobom, bez povećanja tkiva ili veličine organa takođe se javlja u mnogim tkivima odraslog tela. Na primer koža ili obloga zidova creva, dodavanje novih ćelija prati gubitak starih. Ovaj proces zahteva relativno visoku stopu deobe ćelija i stoga je proces rasta neprekidan. Takođe gastrula koja proizilazi iz oplođene jajne ćelije kod vodozemaca nije veća od same jajne ćelije, iako se ćelije umnožavaju velikom brzinom tokom cepanja. (slika br 1). Stoga, svaka ćelija prepolovi svoju veličinu pri deobi, bez dodavanja novog materijala. Negativan oblik hiperplazije je apoptoza ili ćelijska smrt.

Slika 1 Faze razvoja jajne ćelije kod žabe

Hipertrofija je uočljiva na ćelijama koje se više ne dele. Npr. adipociti skladište lipide u velikim citoplazmatičnim kapljicama. Ako je organizam na bogatoj djeti, ove kapljice lipida se mogu drastično uvećati bez deobe adipocita. Pozitivna i negativna hipertrofija (koja zavisi od godišnjih doba) adipocita je česta među životinjama koje spavaju zimski san. Različiti tip hipertrofije se javlja kod skeletnih mišićnih vlakana. U uslovima redovnog vežbanja i adekvatne ishrane, skeletna mišićna vlakna povećavaju svoj obim dodavanjem aktinskih i miozinskih fibrila. Kao odgovor na tenziju mišića, tzv. satelitske ćelije se povezuju sa postojećim mišićnim vlaknima, na taj način dodajući više jedara postojećim vlaknima i održavajući pogodan nukleoplazmatični odnos. Negativan oblik ovog tipa rasta može biti uzrokovan trošenjem satelitskih ćelija i poznat je pod imenom distrofija.

Rast „uvećanjem“(ekstracelularnog matriksa) se uglavnom posmatra kod vezivnih tkiva kao što su hrskavica i kosti. Ekstracelularni matriks kostiju proizvode osteoblasti a uništavaju je ćelije različitog tipa po imenu osteoklasti. Dinamički ekvilibrijum između dodavanja i oduzimanja ekstracelularnog matriksa, koji je pod kontrolom hormona, dovodi do ukupnog pozitivnog rasta u ranom periodu ali kasnije dovodi do negativnog balansa tj. stanja poznatog kao osteoporoza.

Neke vrste, uključujući ljude i većinu drugih sisara, imaju determinisan rast, što znači da nakon perioda rasta njihova masa ostaje manje-više konstantna. Nasuprot tome, biljke i mnoge životinje imaju nedeterminisan rast, što znači da se njihova masa povećava kroz život, iako se stepen rasta smanjuje sa godinama.

Rast se definiše kao promena u masi

Rast organizma se definiše kao promena njegove mase. Rast je obično pozitivan tj masa živog tkiva se povećava-ali takođe možemo govoriti i o negativnom rastu, kada se masa smanjuje. Šema, koja je predstavljena u koordinantnoj mreži-mase organizma nasuprot vremenu je poznata kao kriva rasta. Oblik krive rasta je često sigmoidan tj. podseća na slovo S. (Slika br.2a)

Tokom početne faze krive rasta, povećanje mase u jedinici vremena je proporcionalno već prisutnoj masi. Ovaj odnos se izražava jednačinom:

dM/dt = g x M što je ekvivalentno 1 /M x dM/dt = g

• M – masa
• t – vreme
• g – koeficijent (relativni stepen rasta)

Sve dok je relativni stepen rasta konstantan, kriva raste eksponencionalno, ako se masa prikaže na logaritamskoj skali, eksponencialni deo krive rasta je prava linija (slika br.2b). Ovaj tip krive imaju ne samo organizmi već i, sveže zasađene ćelijske kulture i životinjske populacije koje nisu ograničene predatorstvom ili kapacitetom okoline. Znači, ekponencialni deo krive rasta prikazuje fazu rasta, tokom koje se ćelije organizma dele u konstantnim intervalima i vraćaju svoju prvobitnu veličinu nakon svake deobe. Eksponencijalnu fazu prati faza sporijeg rasta koja prikazuje inhibitorne interakcije ili nedostatak signala ili resursa koji su potrebni za rast.

Slika 2 Kriva rasta, pokazuje masu organizma u odnosu na vreme (a-na linearnoj skali, b-na logaritamskoj skali)

Rast može biti izometrijski ili alometrijski

Različiti organi ili delovi životinje mogu da rastu po istom relativnom stepenu rasta, što je situacija označena kao izometrijski rast. Mnogo češći je alometrijski rast, ili proces gde neki organi rastu brže od drugih. Hoksli(1932), koji je proučavao alometrijski rast, je koristio sledeće jednačine da opiše alometrijski rast.

y = b x xª što je ekvivalentno log y = log b + k x log x

• y - masa jednog dela u datom vremenu
• x - masa drugog dela (ili celog organizma) u istom vremenu
• b - koeficijent koji daje masu y kada je x=1

k - stepen rasta tj. relativna stopa rasta y, podeljen sa relativnom stopom rasta x

Ako je k=1 onda x i y rastu izometrijski, ako je k ›1, onda je y pozitivno alomerijski u odnosu na x. Jednačina se zasniva na predpostavci, da je stepen rasta, sam po sebi, konstantan tokom dužih perioda vremena.

Primer alometrijskog rasta se može videti, na ljudskom fetusu, gde je glava neproporcionalno velika dok su noge proporcionalno kraće nego kod odrasle jedinke. Znači, noge će brže rasti, nego glava, drugim rečima stepen njihovog rasta u odnosu na glavu će biti veći od 1. U okviru glave, delovi lica su alometrijski pozitivni u odnosu na slučaj mozga. Ova alometrija, koja je očigledna kod čoveka je čak veća kod drugih sisara i više je izražena kod mužjaka(Slika br. 3)

Slika 3 Alometrijski rast lica u odnosu na mozak kod babuna (a-novorođenče, b-juvenil, c-adult ženke, d-adult mužjaka)

Ekstremni primer alometrijskog rasta, takođe polno dimorfan, se može videti kod krabe Uca pugnax (Slika br.4). Odrasli mužjak ove vrste koristi jedna svoja klešta za borbu i pokazivanje. Kod ženki i mladih mužjaka oba klešta su iste veličine i relativno su mala čineći oko 8% celokupne mase krabe. Međutim, kako mužjak odrasta jedna klešta rastu sa stepenom rasta 1,62 u odnosu na celo telo, tako da na kraju čini 38% ukupne telesne mase.

Slika 4 Alometrijski rast jedne klešte kod krabe Uca pugnax (a-odrastao mužjak, b-juvenilni mužjak