Стволовым клеткам часто не свойственен какой-либо характерный внешний вид, и тогда их бывает трудно опознать. Например, кроветворные стволовые клетки по структуре близки к малым лимфоцитам. Но это все же не означает, что все они одинаковы. Не будучи внешне разнообразными, они тем не менее детерминированы (качественно своеобразны). Те стволовые клетки, которые порождают только один вид дифференцированных клеток, называются унипотентными, а те, которые порождают несколько их видов (как кроветворные), – плюрипотентными.

Скорость обновления разных клеток организма варьирует от ткани к ткани – время оборота клеток может измеряться сутками, как в эпителии тонкого кишечника (обновляется за счет деления стволовых клеток), а может длиться год и более, как в поджелудочной железе (где происходит простое удвоение клеток).

Эпителий – или эпителиальная ткань – это пласт тесно расположенных клеток, покрывающий всю поверхность организма (кожа) и выстилающий все полости организма и выполняющий защитные, выделительные и всасывающие функции. Из эпителия состоят также большинство желез. В эволюции сложных многоклеточных организмов эпителиальный слой сыграл столь же большую роль, как и клеточная мембрана в эволюции сложных одиночных клеток.

Эпидермальный слой кожи (эпидермис) и эпителиальная выстилка пищеварительного тракта – это две ткани, которые подвержены наиболее прямым повреждающим действиям со стороны внешней среды. В обеих тканях зрелые дифференцированные клетки быстро изнашиваются в самых уязвимых участках и так же быстро замещаются в результате регенерации дифференцированными клетками, которые поставляются стволовыми клетками, находящимися в более защищенных местах. Например, в эпидермисе находится несколько слоев, которые выглядят по-разному: внутренние слои состоят из метаболически активных клеток, а наружные – из остатков мертвых клеток. Самый глубокий из внутренних слоев образован базальными (стволовыми) клетками, прилегающими к базальной мембране, которая отделяет эпидермис от лежащей под ним соединительной ткани (или дермы). В основном именно эти клетки делятся путем митоза (способ деления клеток, обеспечивающий тождественное распределение генетического материала между дочерними клетками и преемственность хромосом в ряду клеточных поколений). Эпидермис состоит из отдельных колонок уложенных друг на друга клеток. Ширина колонок такова, что под каждой из них (в ее основании) находится около десятка базальных (они же и стволовые) клеток. Эти клетки можно подразделить на центральные и периферические в соответствии с их положением в основании колонки. Каждую колонку называют пролиферативной единицей эпидермиса. В глубине каждой пролиферативной единицы эпидермиса лежит центральная базальная клетка, от которой происходят все клетки этой единицы (по такому же принципу построены и раковые опухоли). Линия потомков такой базальной или стволовой клетки не прерывается за все время жизни человека. Можно назвать эту стволовую клетку бессмертной. Каждый раз, когда стволовая клетка делится, одна из ее дочерних клеток наследует мантию бессмертия, в то время как другая рано или поздно (возможно, через несколько делений) переходит в колонку дифференцированных клеток и, в конце концов, слущивается с кожи.

Что же отличает «бессмертную» клетку от других клеток? «Бессмертная» стволовая клетка ничем внутренне не отличается от порождаемых ею диффиренцированных клеток. Слово «бессмертие» больше характеризует будущую судьбу дочерних стволовых клеток, а не их внутреннюю природу. По своим свойствам они все могут быть стволовыми клетками, но многие из них становятся смертными только потому, что теряют контакт с базальной мембраной и где-то на пути своего развития их внутренняя характеристика настолько изменяется, что быть стволовыми они уже не могут. Например, эритроциты развиваются тоже из стволовых клеток, но в процессе своего развития и превращения в эритроциты они даже теряют свое ядро, поэтому в дальнейшем они никак не могут делиться самостоятельно.

Однако в слове «бессмертие» заключен и более глубокий смысл, касающийся стволовых клеток. Они закладываются еще в эмбриональном развитии организма, и на них возложена миссия поставки новых клеток для всех нужд организма – и для роста, и для ремонта, и для обновления. Поэтому они должны быть и постоянно обновляемыми, и не прекращающими свою жизнь. В этом их «бессмертии» и кроются истоки всех раковых заболеваний.

Во 2-й главе речь уже шла о том, что при плохом кислородном обеспечении (при гипоксии) клетка может существовать достаточно длительное время, но делиться при этом условии она уже не сможет. Для стволовой клетки невозможность делиться равнозначна ее гибели – так она запрограммирована. Поэтому в условиях длительной гипоксии стволовые клетки могут существовать только в режиме бескислородного дыхания. При этом они практически не делятся, так как плохо обеспечиваются энергией.

Хочу обратить внимание читателей и на то обстоятельство, что функционально аэробное и анаэробное дыхание выполняется разными органами клетки.

Большая часть массы клетки приходится на цитоплазму. Последняя выглядит как довольно аморфное гелеподобное вещество, в котором рассеяны быстроперемещающиеся в разных направлениях отдельные частицы. Но в действительности цитоплазма более высоко организована, чем это может показаться, исходя лишь из поверхностного взгляда на клетку. С помощью электронного микроскопа в ней обнаруживается множество разнообразных органелл, каждая из которых содержит специфический набор белков и выполняет определенную функцию. Цитоплазма, окружающая эти органеллы, называется цитозолем. Большинство реакций промежуточного обмена происходит в цитозоле. Термин «промежуточный обмен» относится к целому ряду химических реакций, посредством которых клетка расщепляет одни молекулы, запасая часть их химической энергии в форме АТФ, и синтезирует другие молекулы, служащие предшественниками макромолекул, необходимых для функционирования и роста клетки. Цитозоль занимает до 55 % общего объема клетки и содержит тысячи ферментов, катализирующих реакции гликолиза (процесс расщепления глюкозы в отсутствии кислорода с помощью ферментов), а также биосинтеза жирных кислот, нуклеотидов и аминокислот. Около 20 % цитозоля приходится на белок, так что цитозоль представляет собой скорее высокоорганизованную желеобразную массу, нежели просто раствор молекул ферментов.

Как видим, анаэробное дыхание происходит только в цитозоле. А где же происходит кислородное дыхание?

Кислородное дыхание осуществляется в особых органеллах – митохондриях. Последние осуществляют кислородное дыхание и окислительное фосфорилирование (основной функцией метохондрий является сопряжение аэробного процесса окисления с синтезом АТФ), продуцируют энергию, необходимую для функционирования клетки. Они во многом похожи на свободноживущие организмы – по форме и размеру напоминают бактерии, содержат ДНК и размножаются делением. Именно митохондрии ответственны за кислородное дыхание – ни в каких других частях клетки этот процесс не происходит. Митохондрии служат одновременно и силовой станцией клетки, и местом, где происходит окончательное окисление атомов углерода и водорода молекул питательных веществ. Митохондрии – это те центры, к которым ведут все катаболические пути, независимо от того, что служит для них первоначальным субстратом – сахара, жиры или белки. И если по какой-то причине в клетку перестает поступать кислород, энергоснабжение последней происходит только в результате анаэробного дыхания.

Митохондрии почти всех типов клеток животных построены по одному принципу, возможны лишь небольшие отклонения в деталях. Продолжительность жизни митохондрий сравнительно невелика – от 9 до 12 суток.

Митохондрии являются весьма неустойчивыми внутриклеточными органеллами, они раньше других реагируют на возникновение каких-либо патологических состояний (гипоксия, интоксикация, голодание или ионизирующее облучение). Их число значительно уменьшается независимо от причин, вызвавших патологическое состояние. Например, даже в процессе голодания их число может значительно сократиться. Изменения, происходящие с митохондриями, довольно стереотипны (повторяющиеся) и неспецифичны.