05 Репродукція клітин. Старіння та смерть клітини

РЕПРОДУКЦІЯ КЛІТИН. СТАРІННЯ ТА СМЕРТЬ КЛІТИНИ

Користуючись лекціями (на web-сторінці кафедри розміщені презентації та текст лекцій), підручниками, додатковою літературою та іншими джерелами, студенти повинні підготовити такі теоретичні питання:

1.Що таке клітинний цикл? Характеристика періодів інтерфази.

2.Основні способи поділу клітин.

3.Мітоз, назвати фази мітозу і причини, що змушують клітину до поділу.

4.Послідовність структурних змін в ядрі і цитоплазмі при різних фазах мітозу.

5.Ендомітоз. Морфологічна характеристика, приклади.

6.Особливості мейозу.

7.Старіння та смерть клітини. Паранекроз і дегенерація.

КЛІТИННИЙ ЦИКЛ. РОЗМНОЖЕННЯ КЛІТИН

Розмноження клітин — це одне з найважливіших біологічних явищ і є проявом загальної закономірності, яка полягає у тому, що неодмінною умовою існування біологічних систем протягом досить довгих проміжків часу є їхня репродукція. Розмноження клітин здійснюється шляхом поділу вихідної клітини. Це положення є одним з основних у клітинній теорії.

Здатність до поділу – найважливіша властивість клітин. Без поділу неможливо уявити собі збільшення числа одноклітинних істот, розвиток складного багатоклітинного організму з однієї заплідненої яйцеклітини, поновлення клітин, тканин і навіть органів, втрачених у процесі життєдіяльності організму.

Поділ клітин здійснюється поетапно. На кожному етапі поділу відбуваються визначені процеси. Вони приводять до подвоєння генетичного матеріалу (синтезу ДНК) і його розподілу між дочірніми клітинами. Період життя клітини від одного поділу до наступного називається клітинним циклом.

Весь період існування клітини від поділу до поділу або від поділу до смерті називають клітинним циклом. У дорослому організмі вищих хребетних тварин і людини клітини різних органів і тканин мають різну здатність до

поділу і, таким чином, різний клітинний цикл. Поділові клітини передує подвоєння її хромосомного набору, а отже, і кількості ДНК. Це подвоєння відбувається у строго визначеному періоді інтерфази і лише після цього процесу починається поділ клітини. Нещодавно відкрито білок циклін, який регулює вступ клітини у мітоз. Зменшення швидкості синтезу цикліну збільшує тривалість інтерфази.

Клітинний цикл

Весь клітинний цикл поділяють на чотири періоди:

•власне мітоз;

•пресинтетичний (G1) період інтерфази;

•синтетичний (S) період інтерфази;

•постсинтетичний (G2) період інтерфази.

Характеристика періодів інтерфази

Позначення періодів літерою G походить від англійського «gар» — проміжок, інтервал. Період G1 – це період посиленого росту молодої клітини, головним чином за рахунок нагромадження клітинних білків. У цей період

починається підготовка клітини до синтезу ДНК, який відбувається в наступному S-періоді. Якщо в експерименті викликати пригнічення синтезу білка або i-РНК у G1-періоді, то перехід клітини в S-період блокується. У періоді G1 синтезуються ферменти, необхідні для утворення попередників ДНК, метаболізму РНК і білка.

Усинтетичному S-періоді (абревіатура S походить від слова «synthesis»

—синтез) подвоюється кількість ДНК і відповідно число хромосом. S-період є вузловим у клітинному циклі. Тільки та клітина, яка пройшла цей період, може вступати у мітоз. Рівень синтезу РНК у G1-періоді зростає відповідно зі збільшенням кількості ДНК і досягає свого максимуму в S-періодi. У S-періоді також відбувається подвоєння центріолей клітинного центру.

Постсинтетичний період G2 циклу ще називають премітотичним, оскільки він має велике значення для наступного поділу. У цьому періоді відбувається синтез іРНК, необхідної для проходження мітозу. Крім того, cинтезується рРНК рибосом, що визначають поділ клітини. У цей же час синтезуються білки мітотичного веретена — тубуліни. У кінці G2-періоду, або з початком мітозу, синтез РНК різко падає і повністю зупиняється під час мітозу. Синтез білка під час мітозу також знижується, а потім досягає максимуму, повторюючи загалом характер синтезу РНК.

Описаний клітинний цикл притаманний клітинам, що зберігають здатність до поділу. Але поряд з цим в організмі є і клітини, які ніби виходять з циклу. Це так звані клітини Go-періоду. Вони не проходять S-періоду і не поділяються, знаходячись у стані спокою. Це клітини, що тимчасово або остаточно перестали поділятися.

Існує кілька типів клітин G0-періоду. До першого типу належать стовбурові клітини різних тканин (наприклад, кровотворні). Це малодиференційовані клітини, які, зберігаючи здатність до поділу, на довгий час виходять з циклу, вступаючи в S-період.

До другого типу належать клітини, які, втрачаючи здатність до поділу, спеціалізуються, проходять диференціацію. Серед клітин цього типу можна

розрізнити два підтипи. Одні клітини, ставши на шлях диференціації, назавжди втрачають здатність до поділу, деякий час функціонують і потім гинуть. Прикладом таких клітин можуть бути зрілі клітини крові, клітини епідермісу тощо. Клітини другого підтипу після диференціації не втрачають здатності до поділу і, коли потрібно, можуть повертатися у цикл. Наприклад, клітини печінки при видаленні частини органа починають синтезувати ДНК і вступають у мітоз.

Третій тип клітин G0-пeріоду — це високодиференційовані клітини, які у дорослому організмі незворотньо втрачають здатність до поділу і мають термін життя, який дорівнює термінові життя цілого організму. Це, наприклад, нервові клітини.

Мітоз

Еукаріотичні організми, що складаються з клітин, що мають ядра, починають підготовку до поділу на визначеному етапі клітинного циклу, в інтерфазі.

Саме в період інтерфази в клітині відбувається процес біосинтезу білка, подвоюються всі найважливіші структури клітини. Уздовж вихідної хромосоми з наявних у клітці хімічних сполук синтезується її точна копія, подвоюється молекула ДНК. Подвоєна хромосома складається з двох половинок – хроматид. Кожна з хроматид містить одну молекулу ДНК.

Інтерфаза в клітинах рослин і тварин у середньому продовжується 10 - 20 год. Потім настає процес поділу клітини - мітоз.

Під час мітозу клітина проходить ряд послідовних фаз, у результаті яких кожна дочірня клітина одержує такий же набір хромосом, який був у материнській клітині.

Мітоз (mitosis), каріокінез, або непрямий поділ, є універсальним способом розмноження клітин. Сама назва «мітоз» походить від грецького слова «мітос» — нитка, під яким розуміють нитки хромосом.

Біологічне значення мітозу полягає в строго однаковому розподілі редуплікованих хромосом між дочірніми клітинами, що забезпечує утворення генетично рівноцінних клітин і зберігає наступність у ряді клітинних поколінь. У 1874 І. Д. Чистяков описав ряд стадій (фаз) мітозу у спорах плаунів, ще не ясно представляючи собі їхню послідовність. Детальні дослідження з морфології мітозу уперше були виконані Е. Страсбургером на рослинах (187679) і В. Флеммінгом на тваринах (1882). Тривалість мітозу в середньому 1-2 год., різна для різних видів клітин. Процес залежить також і від умов зовнішнього середовища (температури, світлового режиму й інших показників).

Фази мітозу

У процесі мітозу умовно виділяють декілька стадій, які поступово і безупинно переходять одна в іншу: профазу, метафазу, анафазу і телофазу. Тривалість стадій мітозу різна і залежить від типу тканини, фізіологічного стану організму, зовнішніх факторів; найбільш тривалі перша й остання.

Профаза характерна тим, що хроматиновий малюнок інтерфазного ядра зникає, а натомість з’являються ниткоподібні щільні тільця, які добре фарбуються і мають назву хромосом. Спочатку вони відокремлені одна від одної не дуже чітко (рання профаза, або стадія щільного клубка), а в кінці профази окремі хромосоми вже добре видно (пізня профаза, або стадія пухкого клубка).

Оскільки редуплікація ДНК відбулася в S-періоді інтерфази, то кожна хромосома вже є подвійною структурою – d-хромосомою. Але в профазі ця подвійність ще не проявляється через щільне прилягання сестринських хромосом (або хроматид) одна до одної. У кінці профази або на початку наступної стадії — метафази — зникає ядерце внаслідок інактивації рибосомних генів у зоні ядерцевих організаторів. Одночасно руйнується ядерна оболонка, яка розпадається на фрагменти, а потім на дрібні мембранні пухирці. Крім того, зменшується кількість елементів гранулярної ендоплазматичної

сітки (як цистерн, так і рибосом), що відповідає значній редукції рівня синтезу білка.

Під час профази відбувається ще один дуже важливий для поділу клітини процес — формування веретена поділу внаслідок розходження центріолей до полюсів клітини. До кожного полюсу відходить подвійна центріоля — диплосома. З розходженням диплосом починають формуватися мікротрубочки, які відходять від периферійних ділянок материнської центріолі кожної диплосоми. Сформований апарат поділу в тваринних клітинах має веретеноподібну форму і складається з двох центросфер з центріолями всередині них і волокон веретена, яке лежить між ними. Всі ці три структури побудовані з мікротрубочок, які утворюються внаслідок полімеризації тубулінів у зоні цетріолей. Крім того, центрами організації мікротрубочок веретена є спеціальні структури хромосом — кінетохори, розташовані в зонах первинних перетяжок.

Фази мітозу

В результаті у веретені поділу утворюється два типи волокон: центральні, що йдуть від полюсів до центру веретена, і кінетохорні, або хромосомні, які сполучають хромосоми з одним із полюсів клітини і виникають пізніше.

Метафаза починається від того моменту, коли хромосоми, вільно розташовані в цитоплазмі після розчинення ядерної оболонки, починають рухатися до екватора клітини. Цей процес носить назву метакінезу. У середині метафази хромосоми, вишикувавшись в екваторіальній площині веретена, утворюють так звану метафазну пластинку, або материнську зірку, в якій центромерні ділянки хромосом обернені до центру, а їхні плечі — до периферії. У кінці метафази можна побачити, що кожна хромосома складається з двох сестринських хроматид, плечі яких лежать паралельно, їх розділяє щілина, і вони лишаються з'єднаними лише у ділянці центромери. Метафаза займає третину часу всього мітозу.

Електронномікроскопічне зображення метафази

Клітини на стадії метафази

Анафаза. Усі сестринські хроматиди одночасно в усіх хромосомах втрачають зв'язок між собою в ділянці центромери і синхронно починають рухатися до протилежних полюсів клітини зі швидкістю 0,2-0,5 мкм/хв. Вони орієнтовані центромерами до полюсів, а плечима — до екватора. Це найкоротша стадія мітозу, яка займає лише кілька процентів від усього часу. Анафаза – дуже важлива стадія мітозу, саме на цій стадії відбувається відокремлення двох ідентичних наборів хромосом та їхнє переміщення до протилежних кінців клітини. Крім руху самих хромосом до полюсів, додатково розходяться ще й самі полюси. Механізм руху хромосом точно невідомий. Останнім часом більшість дослідників дотримується гіпотези «ковзних ниток», згідно з якою сусідні мікротрубочки веретена, взаємодіючи між собою та скоротливими білками, тягнуть хромосоми до полюсів.

Телофаза починається із зупинки двох диплоїдних наборів хромосом. Орієнтація хромосом лишається такою ж, як і в анафазі, тобто центромерами до полюса. Вони деконденсуються, збільшуються в об'ємі. У місцях їх контактів з

мембранними пухирцями цитоплазми відновлюється ядерна оболонка. Здійснюється формування нових ядерець. У телофазі також відбувається поділ клітинного тіла, що має назву цитотомії, або цитокінезу. У тваринних клітин він проходить шляхом утворення перетяжки у ділянці колишнього екватора, плазмолема вгинається всередину клітини. При цьому в кортикальному шарі цитоплазми в зоні екватора розташовуються циркулярні актинові фібрили. Скорочення такого кільця завершується поділом клітинного тіла. В утворених клітинах починається новий G1-пeріод.

Фази мітозу

Ендомітоз. На основі мітотичного циклу виник ряд механізмів, за допомогою яких кількість спадкового матеріалу може бути збільшена при

збереженні сталості числа клітин. Ендомітоз або ендорепродукція — це утворення клітин із збільшеним вмістом ДНК, що відбувається внаслідок блокування мітозу на певних етапах. Зупинка мітозу можлива після G1-періоду, тоді клітина може пройти наступний цикл реплікації ДНК. Це зумовить зростання кількості хромосомних наборів у чотири—вісім і більше разів. Морфологічно такі ядра нічим не відрізняються від ядер з диплоїдним набором, лише збільшеним об'ємом. Зупинка мітозу можлива також у профазі або метафазі, коли порушується функція веретена поділу. Нарешті, можливе проходження клітиною всіх фаз мітозу, включаючи телофазу, без поділу клітинного тіла. Так виникають двоядерні клітини (наприклад, клітини печінки у людини). У результаті серії ендомітозів виникають гігантські поліплоїдні клітини червоного кісткового мозку мегакаріоцити, які можуть мати число хромосомних наборів до 64 n. Необхідно відзначити, що поліплоїдизація зустрічається лише у спеціалізованих диференційованих клітинах.

Мейоз — своєрідна форма клітинної репродукції, яка характерна для процесу утворення статевих клітин. Мейоз включає два послідовних мітотичних поділи, між якими відсутня інтерфаза. У результаті мейозу утворюються клітини з гаплоїдним набором хромосом. Характерною особливістю профази мейозу є кросинговер — обмін гомологічними ділянками хромосом, який є одним із суттєвих факторів мінливості організмів.