6. Какова роль митоза в следующих животных процессах:

Биологическое значение митоза. Оно состоит в том, что митоз обеспечивает наследственную передачу признаков и свойств в ряду поколений клеток при развитии многоклеточного организма. Благодаря точному и равномерному распределению хромосом при митозе все клетки единого организма генетически одинаковы. Митотическое деление клеток лежит в основе всех форм бесполого размножения как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов. Митоз обусловливает важнейшие явления жизнедеятельности: рост, развитие и восстановление тканей и органов и бесполое размножение организмов. а) рост; б) развитие; в) регенерация;

Значение митоза

Митоз является важным средством поддержания постоянства хромосомного набора. В результате митоза осуществляется идентичное воспроизведение клетки. Следовательно, ключевая роль митоза — копирование генетической информации. Митоз происходит в следующих случаях:

• Рост и развитие. Количество клеток в организме в процессе роста увеличивается благодаря митозу. Это лежит в развитиимногоклеточного организма из единственной клетки — зиготы, а также роста многоклеточного организма.

• Перемещение клеток. В некоторых органах организма, например, коже и пищеварительном тракте, клетки постоянно отшелушиваются и заменяются новыми. Новые клетки образуются путём митоза, а потому являются точными копиями своих предшественников. Схожим путём поисходит замена красных кровяных клеток — эритроцитов, имеющих короткую продолжительность жизни — 4 месяца, а новые эритроциты формируются путём митоза.

• Регенерация. Некоторые организмы способны восстанавливать утраченные части тела. В этих случаях образование новых клеток часто идёт путём митоза. Например, благодаря митозу морская звезда восстанавливает утраченные лучи.

• Бесполое размножение. Некоторые организмы образуют генетически идентичное потомство путём бесполого размножения. Например, гидра размножается бесполым способом при помощи почкования. Поверхностные клетки гидры подвергаются митозу и образуют скопления клеток, называемые почками. Митоз продолжается и в клетках почки, и она вырастает во взрослую особь. Сходное клеточное деление происходит при вегетативном размножении растений.

г) образование раковых клеток; Особенности митотического режима при гиперпластических и диспластических процессах и в опухолевых клетках. Для многих нормальных эпителиальных тканей характерны умеренная митотическая активность, которая, однако, значительно выше в быстро обновляющихся тканях; примерно одинаковое количество клеток в стадии профазы и метафазы с преобладанием иногда первой; невысокая частота патологических митозов. При фоновых процессах (умеренная дисплазия эпителия гортани и шейки матки, эпидермизация псевдоэрозий шейки матки, простая железисто-кистозная гиперплазия эндометрия и др. ) отмечают некоторое увеличение митотической активности, небольшое преобладание клеток в стадии метафазы, повышение количества патологических митозов, среди которых около 90% составляют колхициноподобные метафазы и отставание хромосом в метафазе. При гиперпластических и диспластических процессах, которые могут рассматриваться как предраковые (тяжелая дисплазия шейки эпителия матки, атипическая гиперплазия эпителия гортани и др ), а также при некоторых доброкачественных опухолях может наблюдаться дальнейшее нарастание нарушений митотического режима, связанных с преобладанием метафаз, учащением числа патологических митозов и их разнообразие с появлением разновидностей, ведущих к анеуплоидии, расширение зоны, где встречаются делящиеся клетки. Для клеток злокачественных опухолей характерно преобладание метафаз над другими стадиями митоза, резкое возрастание частоты патологических митозов, различная степень повышения митотической активности, нередко незначительная. Существуют опухоли, в которых митотическая активность ниже, чем в нормальных тканях. Мнение, что во всех опухолях клетки делятся чаше, чем в норме, неверно. Нет, по-видимому, и прямой связи между митотической активностью и быстротой роста опухоли. + Общая схема на повторение:

Способы деления клеток:

1. Митоз

2. Амитоз

3. Мейоз

Жизненный цикл клеток – период с момента образования клетки до её гибели.

Митотический цикл – совокупность процессов происходящих от начала одного деления клетки до начала следующего её деления.

Митотический цикл клетки состоит из интерфазы и митоза..

Интерфаза – период подготовки клетки к делению (9/10 митотического цикла).

Периоды интерфазы:

1. Пресинтетический (G₁) Рост вновь образованной клетки. Происходит синтез РНК и белков. Длительность его 12-24 часа. В клетке набор хромосом и количество ДНК соответственно 2n2С.

2. Синтетический (S) ДНК редуплицируется, поэтому хромосомы уже состоят из двух хроматид. Продолжается синтез белков РНК. По завершению S- периода в клетке 2n - хромосом и 4С – ДНК. Продолжительность периода 6-10 часов.

3. Постсинтетический период. Синтез АТФ, РНК, белка. Ядро увеличивается в объеме. Длительность периода 3-4 часа.

 

Митоз – непрямое, сложное полноценное деление клетки. Открыт в растительной клетке в 1874 г. И.Д. Чистяковым, в животной- П.И. Перемежко в 1878 году. Описали подробно Э. Страсбургер в растительной клетке, В. Флеминг – в животной клетке.

Митоз занимает 1/10 митотического цикла и состоит из процессов:

1) кариокинеза – деление ядра;

2) цитокинеза – деление цитоплазмы

Фазы митоза

 Профаза. Хромосомы спирализуются и приобретают вид нитей. Ядрышко разрушается. Распадается ядерная оболочка. В цитоплазме уменьшается количество структур шероховатой сети. Резко сокращается число полисом. Центриоли клеточного центра расходятся к полюсам клетки, между ними микротрубочки образуют веретено деления. Увеличивается вязкость, тургор цитоплазмы, поверхностное натяжение клеточной мембраны.

Прометафаза. Ядерная оболочка отсутствует, ядрышка нет, хромосомы в виде утолщенных нитей беспорядочно располагаются в области экватора.

 Метафаза. Заканчивается образование веретена деления. Хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки ( метафазная пластинка – фигура материнской звезды). Микротрубочки веретена деления связаны с кинетохорами хромосом. Каждая хромосома продольно расщепляется на две хроматиды (дочерние хромосомы), соединенные в области кинетохора (центральной части центромеры).

 

Анафаза. Связь между хроматидами нарушается, и они в качестве дочерних хромосом перемещаются к полюсам клетки со скоростью 0.2 – 5 мкм/мин. По завершении движения, на полюсах собирается два равноценных полных набора хромосом.

 Телофаза. Реконструируются интерфазные ядра дочерних клеток. Хромосомы деспирализуются. Образуются ядрышки, ядерная оболочка. Разрушается веретено деления. Материнская клетка делится на две дочерние клетки. Происходит цитокинез.

В растительной клетке клеточная стенка образуется изнутри из пузырьков комплекса Гольджи и микротрубочек, а в животной клетке перетяжка образуется снаружи за счет впячивания плазмолеммы.

 Биологическое значение митоза. В результате митоза из одной материнской клетки образуются две дочерние, имеющие одинаковую наследственную информацию как между собой, так и с материнской клеткой.

 Факторы, влияющие на митотическую активность клетки.

I. Внутренние: состояние нервной системы, биологически активные вещества, циркулирующие по внутренней среде организма (гормоны, витамины, и др.), суточный ритм, продукты распада тканей (стимулируют митоз)..

II. Внешние: температура, свет , различные излучения, суточный ритм и др.

III. Тип ткани. Низкая митотическая активность наблюдается в стабильных тканях (нервная), средняя – в растущих тканях (мышечная), высокая – в обновляющихся тканях (эпителиальная).

 Амитоз - прямое, простое деление клетки. При амитозе происходит случайное деление ядра путем перетяжки без сложной перестройки наследственного материала. Вслед за ядром делится цитоплазма. При амитозе отсутствует механизм точного распределения ДНК (наследственного материала).

Встречается амитоз у прокариот, в слабо дифференцированных клетках (эпителий мочевого пузыря), стареющих клетках, клетках злокачественных опухолей.

Но есть мнение, что амитоза в природе нет, а есть быстро протекающий митоз.

 Мейоз – непрямое, сложное редукционное деление специализированных клеток репродуктивных органов живых существ, размножающихся половым способом. Термин введен в биологию в 1905 году И.Б. Фемером и И.Е. Муром.

 Политения – образование многонитчатых (политенных) хромосом за счет многократной репликации хромонем (иногда свыше 1000). Политенные хромосомы превышают по размерам в сотни раз обычные (у насекомых).

Эндомитоз – увеличение числа хромосом кратное гаплоидному набору.

Эндомитоз происходит под ядерной оболочкой и без образования веретена деления. По завершению эндомитоза образуются клетки с набором хромосом 3n, 4n, 5n и др., т.е. полиплоидные клетки.

бобщенная схема ЖЦК Рудольф Вирхов публикует «Клеточную патологию» (1859), в которой формулирует принцип «Omnis cellula e cellula» - каждая клетка от клетки. Митоз – способ деления генетически и морфологически неизмененных клеток. В литературе описывается и другой способ деления – амитоз. Но этот способ деления приводит к образованию клеток с различной генетической информацией. Мнение современных цитологов: амитоз – нарушенный митоз. 1. Постмитотический (пресинтетический) период характеризуется ростом клетки, увеличением ее объема. В этой стадии следует выделить два взаимосвязанных явления: - усиление процессов обмена веществ - увеличение количества органоидов клетки В ядре активизируются процессы транскрипции: происходит синтез и-РНК, тр-РНК. Увеличивается (по сравнению с другими стадиями ЖЦК) количество ядрышек, в которых происходит синтез р-РНК и образование субъединиц рибосом. Увеличение количества и диаметра ядерных пор способствует интенсивному обмену веществ между ядром и цитоплазмой. В цитоплазме усиливаются процессы ассимиляции и диссимиляции. А главным условиям для этого является необходимое количество исходных веществ, которые поступают в клетку из окружающей среды. Усиление диссимиляции проводит к образованию и накоплению собственных энергетических субстратов в клетке (АТФ). Этому способствует увеличение количество митохондрий в клетке. Активизация ассимиляции приводит к образованию в клетке ее собственных продуктов, которые используются, в том числе, и на образование новых органоидов. В результате указанных процессов происходит увеличение объема клетки. Но рост клетки не может быть неограниченным! Поэтому существуют различные механизмы, регулирующие рост клеток. 1. Внеклеточные. К ним можно отнести цитокины – межклеточные медиаторы, которые через специфические рецепторы осуществляют взаимодействие между клетками организма, регулируют рост клеток, их дифференцировку, митотическую активность. Цитокины – это довольно большая группа веществ, в которую входят различные семейства: а) факторы роста образуются клетками-продуцентами и стимулируют развитие клеток-мишеней. В настоящее время открыты и изучены различные факторы роста: фибробластов, гепатоцитов, нейроглии, тромбоцитов, стволовых клеток. б) интерлейкины (ИЛ-1, .... ИЛ-20) – действуют как факторы роста, дифференцировки и обеспечивают взаимодействие клеток крови в иммунологических реакциях. К внеклеточным механизмам регуляции роста клеток можно отнести и такое явление как контактное торможение – ограничение роста клеток после образования специфических контактов с соседними клетками. 2. Внутриклеточные. К ним можно отнести ферментативные и белковые системы, обеспечивающие проведение сигнала от рецепторов факторов роста (от плазмолеммы) к ядерным образованиям, а также различные факторы транскрипции (активизируют или подавляют синтез и-РНК). Варианты перехода в следующие стадии клеточного цикла: 1. Клетка вступает в митотический цикл, обязательным условием которого является репликация ДНК. Начинается синтетический период интерфазы. 2. Клетка прекращает рост и переходит в фазу дифференцировки и нормальной активности. Эту стадию иногда называют стадией пролиферативного покоя (G0). Однако слово покой не означает переход клетки в состояние анабиоза. В клетке активно осуществляются метаболические процессы, начинаются процессы дифференцировки клетки. Дифференцировка – это процесс формирования морфологических особенностей клеток, обеспечивающих выполнение специфических функций. Процессы дифференцировки клеток наблюдаются на всех этапах онтогенеза, а сам процесс обусловлен избирательной активностью определенных генов. Другими словами, характерные морфологические и функциональные особенности клеток определяются активностью только частью генов из всего генотипа. По степени специализации клетки можно разделить на недифференцированные и дифференцированные. Но только дифференцированные клетки могут полноценно выполнять свои функции. Поэтому любое нарушение дифференцировки приводит к нарушению или не выполнению функций (опухолевые клетки эндокринных органов, появление в крови незрелых лимфоцитов). Нормальное функционирование в составе органа – это основной период жизненного цикла клеток. Продолжительность этого периода различна для каждого типа клеток. Но неизбежным завершением ЖЦК является переход в фазу старения и гибели (см. ниже) Однако некоторые дифференцированные клетки сохраняют способность к пролиферации, поэтому в определенных ситуациях (повреждение органа, сопровождающееся гибелью клеток; увеличение нагрузки на орган) эти клетки переходят в митотический цикл. Синтетический период (S-период) Основной особенностью периода является репликация ДНК. Принципы репликации: комплементарность, полуконсервативность, антипараллельность, прерывистость. Процесс репликации требует совместного действия многих белков: - ДНК-геликаза – расплетает двойную спираль родительской ДНК, формирует репликативную вилку - дестабилизирующие белки (SSB – белки) – связываются с одноцепочечной ДНК и удерживают цепи ДНК разделенными - ДНК-полимераза (точнее – ДНК-зависимая ДНК-полимераза) – катализирует синтез полинуклеотидных цепей ДНК в направлении 5---->3. - ДНК-лигазы - соединяют фрагменты прерывистой нити ДНК - ДНК-топоизомеразы - способствуют раскручиванию нитей ДНК Основное значение репликации ДНК – удвоение наследственной информации, которая в последующем митозе будет равномерно распределена между дочерними клетками. Механизмы контроля репликации стабильности ДНК. 1. Ферментативный контроль осуществляет ДНК-полимераза. Если фермент ошибочно присоединит неправильный нуклеотид, его отдельный каталитический участок, удалит неподходящее соединение. 2. Репаративный контроль осуществляется особыми ферментативными системами на всех стадиях ЖЦК. После полного завершения репликации и проверки правильности удвоения ДНК клетка переходит в следующий период – постсинтетический (премитотический, G2) Особенности постсинтетического периода: - накопление АТФ - образование белков веретена деления - синтез в клетке М-стимулирующего фактора. Митоз – непрямое деление эукариотической клетки, в результате которого образуются клетки идентичные по кариотипу и генотипу. Кариотип – набор хромосом клетки. Диплоидная клетка образует в норме диплоидные клетки. Но, если материнская клетка содержит измененный набор хромосом (например, 47, + 21), то она даст жизнь клеткам с таким же набором хромосом. Генотип – совокупность генов диплоидной клетки. Репликация ДНК и последующее распределение ее во время анафазы митоза являются механизмами, приводящими к возникновению двух генетически идентичных клеток. Вывод: все соматические клетки одного организма содержат полный объем всей наследственной информации о развитии этого организма, который изначально был заложен в зиготе. А это является теоретической основой клонирования организмов. Нарушения митоза. Атипические митозы возникают при повреждении митотического аппарата и характеризуются неравномерным распределением генетического материала между дочерними клетками. Отставание в расхождении хроматид в анафазу митоза приводит к возникновению геномных мутаций – гетероплоидии. Под воздействием мутагенных факторов могут возникать хромосомные мутации. Эти нарушения значительно нарушают наследственный аппарат клетки, приводят к нарушению ее функций. Атипические митозы особенно характерны для опухолей и облученных тканей. Другие нарушения митозов связаны с нарушением цитокинеза (цитотомии) клетки. В одних случаях возникают гигантские клетки с полиплоидным набором хромосом, в других – двух- и многоядерные клетки. Наличие полиплоидных клеток – нормальное явление в печени, эпителии мочевого пузыря, клетках поджелудочной железы и слюнных желез. Термин «Соматические мутации» - мутации связанные с нарушением наследственного аппарата диплоидных клеток. При этом уровень нарушения может быть различным: генный, хромосомный, геномный. Эндомитоз – вариант митоза, при котором происходит удвоение числа хромосом внутри ядерной оболочки без ее разрушения и образования веретена деления. При повторных эндомитозах могут возникать полиплоидные клетки с увеличенным объемом ядра. Мегакариоциты (клетки костного мозга) начинают формировать эритроциты лишь достигнув определенного уровня полиплоидии (16-32 n) в результате нескольких эндомитозов. Регуляция митотического цикла. Изучение механизмов регуляции митозов является одной из важнейших проблем современной биологии, поскольку митозы лежат в основе роста организмов, регенерации тканей, нарушение митотической активности – основной механизм возникновения опухолей. В регуляции митотического цикла участвуют различные факторы, их сбалансированное взаимодействие приводит к нормальному протеканию клеточного цикла. При этом следует различать факторы, регулирующие митотический цикл, и факторы, влияющие на митотическую активность. К последним следует отнести экзогенные факторы, которые могут стимулировать или тормозит митозы. Например, колхицин (алкалоид безвремянника осеннего) – соединяется с субъединицами белка тубулина, тем самым препятствует их присоединению к центриолям. Винкристин и винбластин – препараты, используемые при лечении опухолей. Фитогемагглютинин (выделен из фасоли обыкновенной) – стимулирует митозы в культуре клеток, облепиховое масло успешно используется при лечении ожогов. В регуляции периодов интерфазы принимают участие ранее упомянутые факторы: активаторы S-периода, М-стимулирующий и М-задерживающий факторы, циклины. Вместе с тем, следует выделить ряд особых факторов, осуществляющих общий контроль за делениями клеток. Это – протоонкогены и антионкогены, а также кейлоны. Протоонкогены – группа генов, контролирующих нормальное клеточное деление и дифференцировку. Эти гены проявляют свою большую активность в эмбриональном периоде, в дальнейшем их активность снижается. Изменение структуры генов в результате мутаций и усиление их активности вызывает развитие опухолей. Измененные мутацией, но активные формы протоонкогенов получили название онкогенов. Антионкогены – гены, продукты деятельности которых, угнетают митотическую активность. В настоящее время изучены различные антионкогены (RB, DCC, APC, WTI и др.) и, особенно ген р53. Последний обеспечивает поддержание стабильности генетического аппарата клетки (останавливает клеточный цикл для репарации ДНК), а при значительных нарушениях наследственного аппарата запускает механизм апоптоза. Кейлоны – группа гормоноподобных соединений, угнетающих клеточные деления. Кейлоны образуются всеми дифференцированными клетками и воздействуют на незрелые клетки этой же ткани, тем самым поддерживая клеточный гомеостаз. Образование кейлонов контролируется механизмом отрицательной обратной связи. Старение и гибель клеток. После определенного периода нормального функционирования у клетки начинается период старения, который морфологически проявляется: - уменьшением объема клетки - увеличением содержания крупных лизосом - накоплением пигментных и жировых включений - появлением вакуолей в цитоплазме и ядре Гибель клетки – завершающий этап клеточного цикла. Гибель клетки – эволюционно обоснованный (как механизм клеточного гомеостаза и условие нормальной жизнедеятельности тканей) и генетически закрепленный процесс. У соматических клеток имеется запрограммированный предел возможных делений. В последнее время активно изучается особый участок хромосом - теломера, содержащий ген «бессмертия». Как полагают ученые, активность гена определяет количество последовательных митозов, но это количество у нормальных клеток ограничено. У опухолевых клеток функция гена нарушена, и они могут делиться неограниченное число раз. При гибели клетки можно выделить два различных механизма ее развития: некроз и апоптоз. Некроз – возникает под действием резко выраженных повреждающих факторов (температурных, гипоксия, химические и механические воздействия, и т.д.). Другими словами, некроз – «смерть в результате несчастного случая». На начальном этапе наблюдаются изменения органоидов клетки (набухание митохондрий и уменьшение в них крист, распад цистерн платинчатого комплекса), нарушения проницаемости плазмолеммы, повреждение мембран лизосом и выделение гидролаз. Наблюдаются изменения и ядра клетки – кариопикноз, кариорексис, кариолизис. Остаточные продукты распада клеток привлекают лейкоциты и макрофаги, вокруг очага некроза возникает воспалительная реакция (признаки воспаления – отек, гиперемия, боль). Апоптоз – активный генетически контролируемый процесс гибели клетки. Апоптоз энерноемкий процесс и регулируется различными внутренними факторами клетки. Он обычно происходит в отдельных клетках и имеет место в норме у человека как в эмбриональной периоде так и у взрослого. Особенно значима роль апоптоза в следующих процессах: - формировании органов в ходе эмбрионального развития - удаление стареющих клеток в зрелых тканях - реакциях тканей на действие повреждающих факторов - в развитии инфекционных заболеваний - опухолевом росте Сигналы, запускающие генетическую программу апоптоза: 1. Нарушение регуляторных механизмов, поддерживающих нормальную дифференцировку и функциональную активность клеток (см. регуляцию роста клеток), потеря контакта с другими клетками, изменения морфологии и функций органоидов при старении клеток. 2. Возникновение неустранимых повреждений ДНК. 3. Инфекционные заболевания (вирусные). Стадии апоптоза: - утрата клеткой контакта с соседними клетками - сжатие цитоплазмы и ядра клетки, образование вздутий и выпячиваний мембраны, кариопикноз - распад клетки на фрагменты и их фагоцитоз соседними клетками, в отличие от некроза воспалительная реакция отсутствует.