АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ КЛЕТОК

Клеточный цикл

Один из постулатов клеточной теории гласит, что увеличение числа клеток, их размножение происходят путем деления исходной клетки. Обычно делению клеток предшествует редупликация их хромосомного аппарата, синтез ДНК. Это правило является общим для прокариотических и эукариотических клеток. Время су­ществования клетки как таковой, от деления до деления или от деления до смерти, обычно называют клеточным циклом.

Во взрослом организме высших позвоночных клетки различных тканей и органов имеют неодинаковую способность к делению. Встречаются популяции клеток, полностью потерявшие свойство делиться. Это большей частью специализированные, дифференцированные клетки (например, зернистые лейкоциты крови). В орга­низме есть постоянно обновляющиеся ткани — различные эпите­лии, кроветворные ткани. В таких тканях существует часть клеток, которые постоянно делятся, заменяя отработавшие или погибаю­щие клеточные типы (например, клетки базального слоя покровно­го эпителия, клетки крипт кишечника, кроветворные клетки кост­ного мозга). Многие клетки, не размножающиеся в обычных усло­виях, приобретают вновь это свойство при процессах репаративной регенерации органов и тканей. Размножающиеся клетки обладают разным количеством ДНК в зависимости от стадии клеточного Цикла. Это наблюдается при размножении как соматических, так и половых клеток.

Как известно, половые мужские и женские клетки несут еди­ничный (гаплоидный) набор хромосом и, следовательно, содержат в 2 раза меньше ДНК. чем все остальные клетки организма. Такие половые клетки (сперматозоиды и овоциты) с единичным набором хромосом называют гаплоидными. Плоидность обозначают буквой n. Так, клетки с 1 n гаплоидны, с 2 n диплоидны, с 3 n триплоидны и т. д. Соответственно количество ДНК на клетку (с) зависит от ее плоидности: клетки с 2 n числом хромосом содержат 2 с коли­чества ДНК. При оплодотворении происходит слияние двух кле­ток, каждая из которых несет 1 n набор хромосом, поэтому обра­зуется исходная диплоидная (2 n, 2 с) клетка-зитота. В дальнейшем в результате деления диплоидной зиготы и последующего де­ления диплоидных клеток разовьется организм, клетки которого (кроме зрелых половых) будут диплоидными.

При изучении клеточного цикла диплоидных клеток в их попу­ляции встречаются как диплоидные (2 с), так и тетраплоидные (4 с) и интерфазные клетки с промежуточным количеством ДНК. Такая гетерогенность определяется тем, что удвоение ДНК проис­ходит в строго определенный период интерфазы, а собственно к делению клетки приступают только после этого процесса.

Весь клеточный цикл состоит из 4 отрезков времени: собственно митоза (М), пресинтетического (G₁), синтетического (S) и постсинтетического (G₂) периодов интерфазы. В G₁-пе-риоде, наступающем сразу после деления, клетки имеют диплоидное содержание ДНК на одно ядро (2 с). После деления в период G₁ в дочерних клетках общее содержание белков и РНК вдвое меньше, чем в исходной родительской клетке. В период G₁ начинается рост клеток главным образом за счет накопления клеточных белков, что определяется увеличением количества РНК на клетку. В этот период начинается подготовка клетки к синтезу ДНК (S-период).

Обнаружено, что подавление синтеза белка или иРНК в G₁-пе-риоде предотвращает наступление S-периода, так как в течение G -периода происходят синтезы ферментов, необходимых для образования предшественников ДНК (например, нуклеотид-фосфокиназ), ферментов метаболизма РНК и белка. Это совпа­дает с увеличением синтеза РНК и белка. При этом резко повы­шается активность ферментов, участвующих в энергетическом обмене.

В следующем, S-периоде происходит удвоение количества ДНК на ядро и соответственно удваивается число хромосом. В разных клетках, находящихся в S-периоде, можно обнаружить разные ко­личества ДНК — от 2 до 4 с. Это связано с тем, что исследованию подвергаются клетки на разных этапах синтеза ДНК (только при­ступившие к синтезу и уже завершившие его). S-период является узловым в клеточном цикле. Без прохождения синтеза ДНК неиз­вестно ни одного случая вступления клеток в митотическое де­ление.

Единственным исключением является второе деление созрева­ния половых клеток в мейозе, когда между двумя делениями нет синтеза ДНК.

В S-периоде уровень синтеза РНК возрастает соответственно увеличению количества ДНК, достигая своего максимума в G₂-пе-риоде.

Постсинтетическая (G₂) фаза еще называется премитотической. Последним термином подчеркивается ее большое значение для прохождения следующей стадии — стадии митотического деления. Выданной фазе происходит синтез иРНК, необходимый для прохождения митоза. Несколько ранее этого синтезируется рРНК рибосом, определяющих деление клетки. Среди синтезирующихся в это время белков особое место занимают тубулины — белки митотического веретена.

В конце G₂-периода или в митозе по мере конденсации митотических хромосом синтез РНК резко падает и полностью прекра­щается во время митоза. Синтез белка во время митоза понижается до 25% от исходного уровня и затем в последующих периодах достигает своего максимума в G₂-периоде, в общем повторяя харак­тер синтеза РНК.

В растущих тканях растений и животных всегда есть клетки, которые находятся как бы вне цикла. Такие клетки принято назы­вать клетками G₀-периода. Именно эти клетки представляют собой так называемые покоящиеся, временно или окончательно перестав­шие размножаться клетки. В некоторых тканях такие клетки мо­гут находиться длительное время, не изменяя особенно своих мор­фологических свойств: они сохраняют в принципе способность к делению, превращаясь в камбиальные, стволовые клетки(напри­мер, в кроветворной ткани). Чаще потеря (хотя бы и временная) способности делиться сопровождается появлением способности к специализации, дифференцировке. Такие дифференцирующиеся клетки выходят из цикла, но в особых условиях могут снова вхо­дить цикл. Например, большинство клеток печени находится в Gо-периоде; они не участвуют в синтезе ДНК и не делятся. Однако при удалении части печени у экспериментальных животных, мно­гие клетки начинают подготовку к митозу (G1-период), переходят к синтезу ДНК и могут митотически делиться. В других случаях, например в эпидермисе кожи, после выхода из цикла размно­жения и дифференцировки клетки некоторое время функцио­нируют, а затем погибают (ороговевшие клетки покровного эпи­телия).

Деление клеток

Митоз

Митоз, кариокинез, или непрямое деление,—универ­сальный, широко распространенный способ деления клеток. При этом конденсированные и уже редуплицированные хромосомы переходят в компактную форму митотических хромосом, образует­ся веретено деления, участвующее в сегрегации и переносе хромо­сом (ахроматиновый митотический аппарат), происходит расхож­дение хромосом к противоположным полюсам клетки и деление тела клетки (цитокинез, цитотомия).

Процесс непрямого деления клеток принято подразделять на несколько основных фаз: профаза, метафаза,.анафаза, телофаза.

Профаза. После окончания S-периода количество ДНК в интерфазном ядре равно 4 с, так как произошло удвоение хромо­сомного материала. Однако морфологически регистрировать удвое­ние числа хромосом в этой стадии не всегда удается. Собственно хромосомы как нитевидные плотные тела начинают обнаруживать­ся микроскопически в начале процесса деления клетки, а именно в профазе митотического деления клетки. Если попытаться под­считать число хромосом в профазе, то их количество будет равно 2 n. Но это ложное впечатление, потому что в профазе каждая из хромосом двойная, что является результатом их редупликации в интерфазе. В профазе эти сестринские хромосомы тесно соприка­саются друг с другом, взаимно спирализуясь одна относительно другой, поэтому трудно увидеть двойственность всей структуры в целом. Позднее хромосомы в каждой такой паре начинают обособ­ляться, раскручиваться. Двойственность хромосом в митозе наблю­дается у живых клеток в конце профазы, когда видно, что общее их число в начинающей делиться клетке равно 4 n. Следовательно, уже в начале профазы хромосомы состояли из двух сестринских хромосом, или, как их еще называют, хроматид. Число их (4 n) в профазе точно соответствует количеству ДНК (4с).

Параллельно конденсации хромосом в профазе происходят ис­чезновение, дезинтеграция ядрышек в результате инактивации рибосомных генов в зоне ядрышковых организаторов.

Одновременно с этим в середине профазы начинается разрушение ядерной оболочки, исчезают ядерные поры, оболочка распадается сначала на фрагменты, а затем на мелкие мембранные пузырьки. Меняются в это время и структуры, связанные с синте­зом белка. Происходит уменьшение количества гранулярного эндоплазматического ретикулума, он распадается на короткие цистер­ны и вакуоли, количество рибосом на его мембранах резко падает. Значительно (до 25%) редуцируется число полисом как на мем­бранах, так и в гиалоплазме, что является признаком общего паде­ния уровня синтеза белка в делящихся клетках.

Второе важнейшее событие при митозе тоже происходит во время профазы — это образование веретена деления. В профазе

уже репродуцировавшиеся в S-периоде центриоли начинают рас­ходиться к противоположным концам клетки, где будут позднее формироваться полюса веретена. К каждому полюсу отходит по двойной центриоли, диплосоме. По мере расхождения диплосом начинают формироваться микротрубочки, отходящие от перифери­ческих участков одной из центриолей каждой диплосомы.

Сформированный аппарат деления в животных клетках имеет веретеновидную форму и состоит из нескольких зон: двух зон цен­тросфер с центриолями внутри них и промежуточной между ними зоны волокон веретена. Во всех этих зонах имеется большое число микротрубочек.

Микротрубочки в центральной части этого аппарата, в собст­венном веретене деления, так же как микротрубочки центросфер, возникают в результате полимеризации тубулинов в зоне центри­олей и около специальных структур — кинетохоров, расположен­ных в области центромерных перетяжек хромосом. В веретене деления принято различать два типа волокон: идущие от полюса к центру веретена и хромосомные, соединяющие хромосомы с одним из полюсов.

В индукции роста микротрубочек веретена в зоне полюса деле­ния принимает участие одна из центриолей диплосомы, а именно материнская. Такое новообразование и рост нитей (пучков микро­трубочек) веретена происходят в профазе митоза.

В то же время видны появляющиеся на хромосомах в местах первичных перетяжек пластинчатые кинетохоры, около которых позднее также появляются микротрубочки, идущие в на­правлении полюсов деления. Таким образом, у животных клеток Центриоли и хромосомные кинетохоры являются центрами органи­зации микротрубочек веретена деления.

Метафаза занимает около трети времени всего митоза. Во время метафазы заканчивается образование веретена деления, а хромосомы выстраиваются в экваториальной п лоскости веретена, образуя так называемую метафазную пластинку хромосом, или ма­теринскую звезду. К концу метафазы завершается процесс обособления друг от друга сестринских хроматид. Их плечи лежат па­раллельно друг другу, между ними хорошо видна разделяю­щая их щель. Последним мес­том, где контакт между хроматидами сохраняется, является центромера.

Анафаза. Хромосомы все одновременно теряют связь друг с другом в области центромер и синхронно начинают уда­ляться друг от друга по направ­лению к противоположным полюсам клетки. Скорость дви­жения хромосом равномерная, она может достигать 0,2— 0,5 мкм/мин. Анафаза — самая короткая стадия митоза (не­сколько процентов от всего времени), но за это время происходит ряд событий. Главным из них является обособление двух идентичных наборов хромосом и перемещение их в противоположные концы клетки.

Движение хромосом складываетсяиз двух процессов, расхож­дения их по направлению к полюсам и дополнительного расхожде­ния самих полюсов.

Предположения о сокращении микротрубочек как о механизме расхождения хромосом в митозе не подтвердились, поэтому мно­гие исследователи поддерживают гипотезу “скользящих нитей”, согласно которой соседние микротрубочки, взаимодействуя друг с другом (например, хромосомные и полюсные) и с сократительны­ми белками, тянут хромосомы к полюсам.

Телофаза начинается с остановки разошедшихся диплоидных (2 n) наборов хромосом (ранняя телофаза) и кончается нача­лом реконструкции нового интерфазного ядра (поздняя телофаза, ранний G1-период) и разделением исходной клетки на две дочерние (цитокинез, цитотомия). В ранней телофазе хромосомы, не меняя своей ориентации (центромерные участки — к полюсу, теломерные — к центру веретена), начинают деконденсироваться и увели­чиваться в объеме. В местах их контактов с мембранными пузырь­ками цитоплазмы образуется новая ядерная оболочка. После за­мыкания ядерной оболочки начинается формирование новых яд­рышек. Клетка переходит в новый G1-период.

Важное событие телофазы — разделение клеточного тела, цитотомия, или цитокинез, который происходит у клеток животных путем образования перетяжки в результате впячивания плазмати­ческой мембраны внутрь клетки. При этом в кортикальном, подмембранном слое цитоплазмы располагаются сократимые элемен­ты типа актиновых фибрилл, ориентированные циркулярно в зоне экватора клетки. Сокращение такого/кольца приведет к впячиванию плазматической мембраны в области этого кольца, что завер­шается разделением клетки перетяжкой на две.

При повреждении митотического аппарата (действие холода или агентов, вызывающих деполимеризацию тубулинов) может произойти или задержка митоза в метафазе, или рассеивание хро­мосом. При нарушениях репродукции центриолей могут возникать многополюсные и асимметричные митозы и т. д. Нарушения цитотомии приводят к появлению гигантских ядер или многоядерных клеток.

Морфология митотических хромосом

Как интерфазные, так митотические хромосомы состоят из элементарных хромосомных фибрилл — молекул ДНП. В послед­нее время принято считать, что на каждую хромосому приходится одна гигантская фибрилла ДНП, сложно уложенная в относитель­но короткое тельце — собственно митотическую хромосому. Уста­новлено, что в митотической хромосоме существуют боковые петли этой гигантской молекулы дезоксирибонуклеопротеида. Боковые петли хромосом в вытянутом состоянии могут достигать 30 мкм. При их компактизации (спирализации) образуются структуры промежуточного характера — так называемые хромонемные фибриллы. Взаимодействие этих компонентов хромосом друг с другом и их взаимная агрегация приводят к конечной компактизации хро­матина в виде митотической хромосомы.

Морфологию митотических хромосом лучше всего изучать в момент их наибольшей конденсации, в метафазе и в начале анафа­зы. Хромосомы в этом состоянии представляют собой палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной. У большинства хромосом удается легко найти зону первичной перетяжки (центромеры), которая делит хромосому на два пле­ча. Хромосомы с равными или почти равными плечами называют метацентрическими, с плечами неодинаковой длины — субметацентрическими. Палочковидные хромосомы с очень корот­ким, почти незаметным вторым плечом называют акроцентрическими. В области первичной перетяжки расположен кинетохор. От этой зоны во время митоза отходят микротрубочки клеточного ве­ретена, связанные с перемещением хромосом при делении клетки. Некоторые хромосомы имеют, кроме того, вторичные перетяжки, располагающиеся вблизи одного из концов хромосомы и отделяю­щие маленький участок — спутник хромосомы. Вторичные пере­тяжки называют, кроме того, ядрышковыми организаторами, так как именно на этих участках хромосом в интерфазе происходит образование ядрышка. В этих местах локализована ДНК, ответ­ственная за синтез рибосомных РНК.

Плечи хромосом оканчиваются теломерами — конечными уча­стками. Размеры хромосом, как и их число, у разных организмов варьируют в широких пределах.

Совокупность числа, размеров и особенностей строения хромо­сом называется кариотипом данного вида.

При специальных методах окраски хромосомы неравномерно воспринимают красители: вдоль их длины наблюдается чередова­ние окрашенных и неокрашенных участков — дифференциальная неоднородность хромосомы. Важно то, что каждая хромосома имеет свой, неповторимый рисунок такой дифференциальной окраски. Применение методов дифференциальной окраски позво­лило детально изучить строение хромосом. Хромосомы человека

принято подразделять по их размерам на 7 групп (А, В, С, D, Е, F, G). Если при этом легко отличить крупные (1, 2) хромосомы от мелких (19, 20), метацентрические от акроцентрических (13), то внутри групп трудно различить одну хромосому от другой. Так в группе С6 и С7 хромосомы схожи между собой, так же как и с Х-хромосомой. Дифференциальное окрашивание позволяет четко отличить эти хромосомы друг от друга.

Эндорепродукция

Эндорепродукция — образование клеток с увеличенным содер­жанием ДНК. Появление таких клеток происходит в результате полного отсутствия или незавершенности отдельных этапов митоза. Существует несколько моментов в процессе митоза, блокада кото­рых приводит к его остановке и появлению полиплоидных клеток, т. е. клеток с увеличенным числом хромосомных наборов. Блокада может наступить при переходе от G2-периода к собственно мито­зу, остановка может произойти в профазе и метафазе, в последнем случае часто нарушается функция и целость веретена деления. Наконец, следствием нарушения цитотомии также может явиться появление полиплоидных клеток — одноядерных и двуядерных.

При блокаде митоза в самом его начале, при переходе его от G2 к профазе, клетки приступают к следующему циклу репликации, приводящему к прогрессивному увеличению количества ДНК в яд­ре. При этом не наблюдается никаких морфологических особен­ностей таких ядер, кроме увеличения их объема.

Появление полиплоидных соматических клеток может происхо­дить в результате блокады деления клеточного тела. В печени взрослых млекопитающих встречаются, кроме диплоидных, тетра- и октаплоидные (8 n) клетки, а также двуядерные клетки разной степени плоидности. Процесс полиплоидизации этих клеток проис­ходит следующим образом. После S-периода клетки, обладающие 4 с количеством ДНК, вступают в митотическое деление, проходят все его стадии, включая телофазу, но не приступают к цитотомии. Т а ким образом, образуется двуядерная клетка (2 X 2 n). Если она снова проходит 5-период, то оба ядра в такой клетке будут содер­жать по 4 с ДНК и 4 n хромосом. Такая двуядерная клетка входит в митоз, на стадии метафазы происходит объединение хромосом­ных наборов (общее число хромосом равно 8 n), а затем — нор­мальное деление, в результате которого образуются две тетраплоидные клетки. Этот процесс попеременного появления двуядерных и одноядерных клеток приводит к появлению ядер с 8 n, 16 n и да­же 32 n количеством хромосом. Подобным способом образуются Полиплоидные клетки в печени, в эпителии мочевого пузыря, в Пигментном эпителии сетчатки, в ацинарных отделах слюнных и поджелудочной желез, мегакариоциты красного костного мозга. Необходимо отметить, что полиплоидизация соматических клеток встречается на терминальных периодах развития клеток, тканей и органов. Она большей частью характерна для специализированных, дифференцированных клеток и не встречается при генеративных процессах, таких как эмбриогенез (исключая провизорные орга­ны) и образование половых клеток; нет полиплоидии среди стволо­вых клеток.

Дата добавления: 2016-06-05 | Просмотры: 422 | Нарушение авторских прав