Клітинний цикл. Мітоз

1. Загальна характеристика клітинного циклу і стадій мітотичного циклу.

2. Цитологічний аналіз періодів інтерфази.

3. Цитологічний аналіз фаз мітозу.

4. Біологічне значення мітозу.

5. Відхилення, зрушення і різноманіття мітозу.

Основні поняття: клітинний цикл, онтогенез, мітоз, інтерфаза, цитокінез.

1. Загальна характеристика клітинного циклу і стадій мітотичного циклу

Розмноження клітин — основа усіх форм розмноження організмів і підтримки гомеостазу онтогенезу багатоклітинних організмів. Під клітинним або життєвим циклом клітини розуміють період від утворення клітини шляхом мітозу до її смерті чи наступного поділу. В останньому випадку життєвий цикл клітини співпадає з поняттям мітотичний цикл — період від одного поділу до іншого.

Клітинний або життєвий цикл клітини включає також поняття про онтогенез клітини, так як від неї починається перший рівень організації життя, на якому проявляються всі її властивості. У вищих багатоклітинних організмів з тканинним рівнем організації життя, поняття клітинного циклу співпадає також з поняттям гістогенез клітин, так як вони в кінці кінців будуть утворювати певну тканину. З часів Вірхова (1858 р.) відомо, що всі клітини утворюються шляхом поділу вихідних клітин. Але життєвий цикл у багатоклітинних організмів може бути різним.

1. Більша частина утворених клітин вступає на шлях диференціювання в певну тканину і після виконання функцій через певний час відмирає шляхом апоптозу. Апоптоз (від лат. — опадання) запрограмована смерть клітини. Клітина або злущується в зовнішнє середовище, або фрагментується на мембранні бульбашки, які фагуються навколишніми клітинами. Лише невеликий різновид диференційованих клітин зберігає здатність до наступного повного поділу або проходження певних фаз мітотичного циклу (ендомітоз, багатоядерність — клітини печінки, гладеньких м’язів).

2. Менша частина утворених клітин одразу після утворення гине (апоптоз) через помилки гістогенезу, або після диференціювання апоптотуються через не використання.

3. Лише невелика кількість клітин (< 0,1%) навіть у швидкооновлюваних тканинах (гемопоетична, епітеліальна) постійно ділиться. Це стовбурові клітини, що дають початок всім диференційованим клітинам. Їх життєвий цикл співпадає з поняттям мітотичного циклу.

Загальна характеристика мітотичного циклу.

В мітотичному циклі відбуваються паралельно, синхронно, взаємопов’язано три самостійних незалежних за молекулярним механізмом цикли:

1) хромосомний цикл, що включає подвоєння хромосом і розподіл їх копій між дочірніми клітинами;

2) цитоплазматичний цикл: ріст цитоплазми, збільшення кількості органоїдів з наступним їх цитокінезом;

3) клітинний цикл, що включає подвоєння ЦОМТів клітинного центру (центріолей), утворення веретена поділу з полюсними центросомами і розподілом між дочірніми клітинами.

Розрізняють 2 способи розмноження клітин: мітоз і мейоз. Перший спосіб характерний для соматичних клітин, другий — для статевих.

Мітотичний цикл клітини ділиться перш за все на два періоди: мітоз та інтерфазу. Кожен з них ділиться на фази. Інтерфаза на: G₁–період — перший проміжок між мітозом і редуплікацією ДНК (дар — інтервал, пробіл); S-період — синтез ДНК; G₂–період (другий проміжок між синтезом ДНК і мітозом). Інтерфаза займає не менше 90% часу мітотичного циклу. Мітоз ділиться на 4 основних фази: П, М, А, Т, і триває 1-2 години, тоді як інтерфаза в клітинах, що швидко діляться вищих еукаріот складає 16-24 години.

2. Цитологічний аналіз періодів інтерфази

Характеристика періодів інтерфази. В G₁–період, або пресинтетичний період клітини мають диплоїдний набір хромосом — 2n, де n — плоїдність — гаплоїдний набір. В цей період відбувається ріст клітини, відновлюється об’єм цитоплазми і органоїдів, так як клітина нещодавно утворилась із материнської клітини. Саме в цей період синтезується більшість білка та інших специфічних макромолекул, властивих для даної диференційованої системи. В G₁–період клітина також готується до S-періоду: накопичується АТФ, синтезуються РНК, білки. Вважають, що швидкість поділу клітин, а також їх вступ в мітотичний цикл залежить від накопичення в G₁–період нестабільного кислотного білка (активатор S-фази).

S-період — основний в мітотичному циклі. В цей період відбувається редуплікація ДНК, подвоюється хромосомний матеріал. Після S-періоду хромосоми стають подвійними, тобто складаються з 2-х хроматид — сестринських хромосом, призначених для двох сестринських клітин. Але в цитогенетиці (науці, що вивчає хромосоми) вважається, що поки хроматиди утримуються в ділянці центромери у вигляді одного елементу, то набір хромосом клітини залишається диплоїдним (2n). Подвоюється число хромосом і відповідно їм число молекул ДНК — 4n ДНК.

S-період починається з подвоєння його структури, що знаходиться на ядерній оболонці — центросомальні (центросоми) полярні тільця веретена. В тваринній клітині в клітинному центрі розміщені центріолі з ЦОМТами. В середині G₁–періода центріолі розходяться до її кінця і на початку S-періоду від материнської центріолі відбруньковується перпендикулярно до неї — дочірня центріоля. Подвоєння центріолей відбувається шляхом матричного синтезу і, певно, в цьому процесі керівну роль відіграють ЦОМТи.

G₂-період необхідний для безпосередньої підготовки клітини до поділу. В цей період продовжується синтез РНК і білків, але необхідних переважно для проходження власне мітозу: синтезується АТФ, тибулін мікротрубочок веретена поділу. Утворюються ферменти, наприклад кінази. Здійснюється фосфорилування гістонів (зокрема Н1), що супроводжується конденсацією хромосом і переходом клітин із G₂-періода в мітоз. Але головне — це синтез білка-регулятора — мітоз стимулюючого фактору (МСФ). Оскільки ступінь конденсації хромосом під час пізньої фази G₂ зростає повільно, момент початку фази визначається досить довільно.

Таким чином основні процеси, що відбулися в інтерфазі мітотичного циклу — подвоєння генетичних структур, тобто хромосом. Основне значення мітозу полягає в точному розподілі цих генетичних структур — сестринських хромосом (хроматид) між дочірніми клітинами. Здійснює цей важливий біологічний процес веретено поділу — мітотичний апарат.

3. Цитологічний аналіз фаз мітозу. Власне мітоз поділяють на 4 основні фази: П, М, А, Т.

Профаза: 1) Конденсація хромосом (третій рівень). 2) Регресія ядерця. Ядерцевий організатор інактивується, а матеріал ядерця диспергується: більша його частина йде в цитоплазму, інша, менша частина, перерозподіляється між ЯО. 3) В кінці П відбувається швидкий розпад ядерної оболонки на мілкі вакуолі, що не відрізняються від везикул ЕС. Ці фрагменти залишаються асоційованими з мітотичним веретеном. 4) Одна з основних подій П — побудова мітотичного веретена — головного компонента мітотичного апарату. Мікротрубочки двох сусідніх мітотичних центрів (у тваринних астральних центрів) сходяться утворюючи біполярне мітотичне веретено (складається з двох напівверетен). Мікротрубочки, що його утворюють називають полюсними. Після розпаду ядерної оболонки частина полюсних мікротрубочок вступає в контакт кінетохорами, що є начебто початком наступної фази мітозу.

Метафаза. 1) Посилення конденсації хромосом (4 рівень конденсації хромосом, хроматину). В цей період вона досягає максимуму, в результаті чого хромосоми стають найбільш короткими та товстими. Повністю відокремлюються одна від одної хроматиди, які утримуються разом в ділянці центромери. 2) Завершується формування веретена поділу, його асоціація з кінетохорами хромосом, рух хромосом. 3) Орієнтація хромосом на екваторі веретена у вигляді метафазної пластинки. Хромосоми орієнтуються по відношенню до осі веретена таким чином, що їх один полярний кінетохор обернений до одного із полюсів клітини, іншим — до другого полюсу і розміщуються в екваторіальній площині веретена, утворюючи фігуру у вигляді метафазної пластинки. До хромосом, розміщених в екваторіальній пластинці прикладені дві урівноважені сили спрямовані в протилежні сторони.

Анафаза. В анафазі одночасно зв’язок між хроматидами хромосом зупиняється, уже вільні сестринські хромосоми, колишні хроматиди відходять до протилежних полюсів зі швидкістю 1 мкм/хв. Розходження хроматид в анафазі відбувається в результаті двох незалежних процесів, що відбуваються в веретені: 1) деконденсація кінетохорних мікротрубочок та пов’язані з ними хроматиди за допомогою рухових білків відходять до полюсів; 2) подовження та ковзання мікротрубочок у кожному напівверетені за допомогою білка динеїна, що відбувається трохи пізніше, відштовхують полюса в протилежних напрямках.

Телофаза. В телофазі відбуваються процеси зворотні профазі. Хромосоми у полюсів фрагментарно деконденсуються, потоншуються і подовжуються. У місці контакту хромосом з мембранними бульбашками починається будуватись ядерна оболонка; одночасно полімеризуються білки трьох видів ляміни, що вистилають внутрішню ядерну мембрану, утворюються порові комплекси. Фрагменти ядерної оболонки на початку оточують окремі хромосоми, далі зливаючись, утворюють ядерну оболонку. Перш за все, хромосоми контактують з ядерною оболонкою центромерними і теломерними гетерохроматиновими ділянками. В пізній телофазі активується ЯО і починає утворюватись ядерце.

Цитокінез. Після телофази відбувається цитокінез. Перпендикулярно осі веретена в ділянці його екватора з внутрішньої сторони цитоплазматичної мембрани утворюється скорочувальне кільце. Воно починає утворюватись ще на початку анафази, але починає функціонувати після завершення телофази. Скорочувальне кільце в основному складається з активних компонентів, що знаходяться у комплексі з невеликою кількістю міозинових молекул. Механізм його скорочення ідентичний скороченню по типу ковзання міофібрил — актинових філаментів відносно міозинових філаментів за допомогою міозинових голівок. В міру скорочення кільця, поглиблюється борозна поділу, але саме кільце не потовщується, зберігається постійна товщина за рахунок видалення частини філаментів. Після завершення цитокінезу скорочувальне кільце повністю розпадається. В рослинних клітинах, що мають щільні клітинні стінки, цитокінез відбувається іншим способом — цитоплазма ділиться шляхом утворення нової клітинної стінки між двома дочірніми клітинами.

Окрім ядра, під час мітозу в цитоплазмі також відбуваються значні зміни. Мембрани ендоплазматичної сітки розпадаються на розрізнені мембранні вакуолі, апарат Гольджі розпадається на окремі диктіосоми. Деполімеризуються цитоплазматичні мікротрубочки і актинові філаменти. Зменшується кількість мітохондрій, пластид, лізосом. До метафази всі органоїди і структури відокремлюються веретеном до периферії клітини, а при цитокінезі йде пасивний їх розподіл по дочірніх клітинах.

4. Біологічне значення мітозу

Біологічне значення мітозу полягає в утворенні нових генетично ідентичних клітин. В результаті точного розподілу сестринських хроматид утворюються дві дочірні клітини з диплоїдним числом хромосом — 2n і диплоїдною кількістю молекул ДНК — 2n. При цьому, утворені дочірні клітини є точними генетичними копіями між собою і материнською клітинами. При вегетативному розмноженні, в основі якого лежить мітоз, утворюються також генетично ідентичні організми, що має велике значення при стабілізуючому доборі. Окрім того, в багатоклітинному організмі розмноження клітин забезпечує ріст організму і диференціювання в ньому клітин, заміну відмираючих чи пошкоджених клітин новими.

4. Відхилення, зрушення і різноманіття мітозу

Відхилення від звичного перебігу мітозу та різноманіття його форм. Розглянутий нами мітотичний цикл спостерігається у більшості проліферуючих еукаріотичних клітин багатоклітинних організмів. Але можливі різні відхилення.

1) Відсутність цитокінезу, що призводить до багатоядерності. Не завжди мітотичний поділ ядер завершується поділом цитоплазми. В цьому випадку можуть виникнути клітини з 2 і більше ядрами. Крайній варіант цього відхилення — утворення гігантських багатоядерних симпластів. Так, довга багатоядерна клітина поперечносмугастих м’язів являє собою багатоклітинний симпласт. Епітелій плоских червів — тегумент, також являє собою симпласт.

2) Другий варіант відхилення від нормального завершення мітотичного циклу — відсутність каріокінезу, що призводить до поліплоїдії та політенії. Це ендомітоз та ендоредуплікація. При ендомітозі клітина проходить S-період, але повний мітоз не настає, так як має місце передчасне переривання поділу ядра. На стадії профази веретено поділу не утворюється і ядерна оболонка зберігається. Всередині ядра хромосоми конденсуються у вигляді компактних структур, що складаються з двох хроматид. Після роз’єднання центромер хроматиди, або сестринські хромосоми, залишаються в одному ядрі і клітина переходить в період інтерфази. Такий редукований мітотичний цикл завершується появою поліплоїдної клітини. Ендоредуплікація ще більше редуплікований процес поділу. В цьому випадку після S-періоду мітотичний цикл переривається, в G₂-періоді в ядрі не відбувається конденсація хромосом, і клітина без помітних змін в ядрі і цитоплазмі переходить в наступну інтерфазу. Утворюються, як і при ендомітозі, поліплоїдні клітини або політенні хромосоми.

Мейоз, як відхилення і еволюція мітозу

Розглянутий нами мітоз з усіма його фазами відноситься до так званого відкритого мітозу. Розрізняють і інші форми мітозу: напівзакритий і закритий.

При напівзакритому мітозі утворюється веретено поділу за рахунок ЦОМТів, розміщених в цитоплазмі. Ядерна оболонка зберігається протягом усього мітозу, за виключенням полярних зон. Цей тип мітозу спостерігається у водоростей (зелених, бурих, червоних) і деяких нижчих грибів. При закритому мітозі повністю зберігається ядерна оболонка, під якою утворюється веретено поділу внутрішньоядерними ЦОМТами. Такий тип мітозу має місце у найпростіших, грибів. При напівзакритих і закритих типах мітозів відбувається мітотична конденсація хромосом, але немає всіх фаз мітозу, наприклад, метафази. Вивчення механізмів закритого, напівзакритого і відкритого мітозів показує їх філогенетичний зв’язок, еволюцію комфорту та надійності розподілу генетичного матеріалу і цитоплазматичних структур.

Закриті мітози зі збереженням ядерної оболонки мають кілька філогенетичних варіантів.

1) Розподіл сестринських хромосом за допомогою ядерної оболонки по орієнтуючим позаядерним пучкам мікротрубочок, як у прокаріот. У багатьох примітивних еукаріот, наприклад, одноклітинної водорості дифілофлагеляти мікротрубочки зовнішнього ядра веретена поділу вдавлюються ЯО, утворюючи ряд паралельних наскрізних каналів. Хромосоми приєднуються до внутрішньої ядерної мембрани в ділянці цих каналів, і розподіл хромосом повністю відбувається на внутрішній поверхні цієї мембрани за рахунок росту ЯО.

2) За допомогою росту ЯО з наступним підтягуванням сестринських хромосом кінетохорними мікротрубочками. Спочатку сестринські хромосоми розходяться в сторони в результаті росту ЯО, до якого вони приєднані. Лише тоді, коли кінетохори опиняються поблизу полюсів зовнішнього веретена, вони приєднуються до веретена. При цьому кінетохорні нитки, утворені поза ядром проникають через ядерну мембрану. Після приєднання кінетохори підтягуються до полюсів звичним способом. Наприклад, крупні найпростіші із ряду гіпермастиганем, що живуть в кишечнику комах.

3) За рахунок утворення внутрішньоядерного веретена. Два варіанта. У дріжджів веретено складається з непереривного внутрішньоядерного пучка мікротрубочок, який тягнеться від одного полюса до іншого, і подовжуються в процесі мітозу. Окрім того розходження йде за рахунок кінетохорних МТ, які по одній, приєднуються до сестринських хроматид.

У діатомових водоростей розвивається 2 напівверетена і кінетохорні мікротрубочки. Таким чином даний тип мітозу наближується до звичайного відкритого, хіба що проходить всередині ядра (гриби).

Клітина в період життєвого циклу проходить складний багатоетапний онтогенез, від моменту свого утворення до послідуючого поділу, або смерті. Динаміка розвитку структур і функцій при онтогенезі клітини відображають філогенетичні етапи утворення і розвитку клітини, напрямки її диференціювання.

Контрольні питання:

1. Що вказує на ендосимбіотичне походження центрів організаторів мікротрубочок?

2. Який подвійний механізм розходження сестринських хромосом до полюсів ділення?

3. В який період мітотичного циклу в клітині є одночасно тетраплоїдний набір хромосом і молекул ДНК?

4. Які докази напівконсервативного способу редуплікації ДНК?

5. Чому утворені дочірні клітини в результаті мітозу генетично подібні одна до одної? В чому тоді причина структурно-функціональної різниці диференційованих клітин?

6. Назвіть головні структурні відмінності відкритого, закритого, напіввідкритого мітозів.

7. Назвіть стадії мітотичного циклу, в яких виникає відхилення від звичайного ходу мітозу, які приводять до політенії, поліплоїдії, багатоядерності.

8. Яке біологічне значення поліплоїдії?

Література: основна — 1-5, 8; додаткова — 1-11.