2. Життєвий цикл клітини. Поділ клітини

Життєвий цикл клітини. Поділ клітини. Морфологія хромосом. Каріотип людини.

Характеристика нуклеїнових кислот.

Життєвий цикл клітини. Поділ клітини.

Організація клітин у часі

Клітини організму зазнають дії різних шкідливих факторів,

зношуються і старіють. Тому кожна окрема клітина в кінцевому результаті повинна загинути. Щоб організм продовжував жити, він повинен продукувати нові клітини з тією ж швидкістю, з якою гинуть старі. Тому поділ клітини - це обов'язкова умова життя для всіх живих організмів.

Одним з основних типів поділу клітин є мітоз. Мітоз - це такий поділ ядра клітини, коли утворюються дві дочірні клітини з набором хромосом, який має материнська клітина. За поділом ядра проходить поділ цитоплазми.

Мітотичний поділ призводить до збільшення числа клітин, що забезпечує процеси росту, регенерації і заміщення клітин у всіх вищих тварин і рослин. В

одноклітинних організмів мітоз є механізмом безстатевого розмноження.

Хромосоми виконують головну роль у процесі поділу клітин, оскільки забезпечують передачу спадкової інформації і беруть участь у регуляції метаболізму клітин.

Послідовність процесів, які перебігають між утворенням клітини та її поділом на дочірні клітини називають клітинним циклом. В інтерфазі циклу подвоюється кількість ДНК у хромосомах.

Мітоз забезпечує генетичну стабільність наступних поколінь клітин.

У житті клітини розрізняють життєвий цикл і клітинний цикл.

Життєвий цикл значно довший - це період від утворення клітини внаслідок поділу материнської клітини і до наступного поділу або до загибелі клітини.

Впродовж життя клітини ростуть, диференціюються, виконують специфічні функції.

Клітинний цикл значно коротший. Це власне процес підготовки до поділу

(інтерфаза) і сам поділ (мітоз). Тому цей цикл називають ще мітотичним.

Така періодизація (на життєвий і мітотичний цикл) досить умовна, оскільки життя клітини - безперервний, неподільний процес. Так, в ембріональний період,

коли клітини швидко діляться, життєвий цикл співпадає з клітинним

(мітотичним). Після диференціювання клітин, коли кожна з них виконує специфічну функцію, життєвий цикл триваліший від мітотичного.

Клітинний цикл складається з інтерфази, мітозу і цитокінезу. Тривалість клітинного циклу в різних організмів різна.

Інтерфаза - це підготовка клітини до поділу, на її частку припадає 90 %

всього клітинного циклу. На цій стадії відбуваються найбільш активні мета-

болічні процеси. Ядро має гомогенний вигляд — воно заповнено тонкою сіткою,

яка складається з переплетених між собою досить довгих і тонких ниток -

хромонем. Ядро відповідної форми, оточене двошаровою ядерною мембраною з порами діаметром близько 40 мкм. В інтерфазному ядрі проходить підготовка до поділу. Інтерфазу поділяють на певні періоди: G, - період, який

передує реплікації ДНК; S - період реплікації ДНК; G2 - період з моменту закінчення реплікації до початку мітозу. Тривалість кожного періоду можна визначити, скориставшись методом радіоавтографії.

Пресинтетичний період (G1 - від. англ. gap - інтервал) настає зразу за поділом.

Тут відбуваються такі біохімічні процеси: синтез макромолекулярних сполук,

необхідних для побудови хромосом і ахрома-тинового апарату (ДНК, РНК,

гістонів та інших білків), зростає кількість рибосом і мітохондрій,

відбувається накопичення енергетичного матеріалу для здійснення структурних перебудов і складних рухів під час поділу. Клітина інтенсивно росте і може виконувати свою функцію. Набір генетичного матеріалу буде

2п2с.

У синтетичному періоді (S) подвоюється ДНК, кожна хромосома внаслідок реплікації створює собі подібну структуру. Проходить синтез РНК і білків,

мітотичного апарату і точне подвоєння центріоль. Вони розходяться в різні боки, утворюючи два полюси. Набір генетичного матеріалу складає 2п4с.

Далі настає післясинтетичний період (G2) - клітина запасається енергією.

Синтезуються білки ахроматинового веретена, йде підготовка до мітозу.

Генетичний матеріал складає 2n4с.

Після досягнення клітиною певного стану: накопичення білків, подвоєння кількості ДНК та ін. вона готова до поділу - мітозу. Існує два основних способи поділу соматичних клітин: мітоз і амітоз.

Мітоз - непрямий, або мітотичний поділ є переважаючим типом поділу еука-ріотичних соматичних клітин і притаманний всім багатоклітинним організмам. При цьому відбувається точний рівномірний розподіл спадкового матеріалу. Внаслідок мітозу кожна дочірня клітина отримує повний набір хромосом із строгою кількістю ДНК і за їх складом ідентична материнській клітині.

Амітоз переважає у деяких одноклітинних організмів. Це також спосіб поділу соматичних клітин, але на відміну від мітозу, прямий поділ інтерфазного

ядра клітини відбувається шляхом перетяжки простою перетинкою. При амітозі розподіл спадкового матеріалу між дочірніми клітинами може бути рівномірним або нерівномірним. Внаслідок цього утворюються або однакові,

або неоднакові за розміром клітини. Тому такі клітини спадково неповноцінні.

Клітинний цикл.

Мітоз. Мітоз настає після інтерфази і умовно поділяється на такі фази: 1)

профаза, 2) метафаза, 3) анафаза, 4) телофаза. Наведена загальна схема різних фаз мітозу.

Профаза (від. грец. тіра - до, і грец. срсшк; -поява) - початкова фаза мітозу.

Характеризується тим, що ядро збільшується в розмірах, і з хромати-нової сітки, в результаті спіралізації і вкорочення, хромосоми з довгих, тонких,

невидимих ниток наприкінці профази стають короткими, товстими і роз-

міщуються у вигляді видимого клубка. Хромосоми скорочуються, стовщуються і складаються з двох половинок — хроматид. Хроматиди обвиваються одна навколо одної, утримуються попарно за допомогою центромери. Профаза завершується зникненням ядерця, центріолі розходяться до полюсів з ут-

воренням фігури веретена. З білка тубуліну формуються мікротрубочки - нитки веретена. Внаслідок розчинення ядерної мембрани хромосоми розміщуються в цитоплазмі. До центромер прикріплюються нитки веретена з обох полюсів.

Метафаза розпочинається рухом хромосом у напрямку до екватора.

Поступово хромосоми (кожна складається з двох хроматид) розміщуються у площині екватора, утворюють так звану метафазну пластинку. У тваринних

клітинах на полюсах навколо центріоль помітні зірчастоподібні фігури. У цій фазі можна підрахувати число хромосом у клітині. Набір генетичного матеріалу становить 2n4с.

Метафазну пластинку використовують у цито-генетичних дослідженнях для визначення числа і форми хромосом.

В анафазі сестринські хроматиди відходять одна від одної, розділяється з'єднуюча їх центромерна ділянка. Всі центромери діляться одночасно. Кожна хроматида з окремою центромерою стає дочірньою хромосомою і по нитках веретена починає рухатися до одного з полюсів. Набір генетичного матеріалу складає 2n2с.

Телофаза - заключна стадія мітозу. Зворотна відносно профази. Хромосоми,

які досягли полюсів, складаються з однієї нитки, стають тонкими, довгими і невидимими у світловий мікроскоп. Вони зазнають деспіралізації, утворюють сітку інтерфазного ядра. Формується ядерна оболонка, з'являється ядерце. У

цей час зникає мітотичний апарат і відбувається цитокінез - розділення цитоплазми з утворенням двох дочірніх клітин. Набір генетичного матеріалу складає 2n2с.

Частота мітозу в різних тканинах та в різних організмах різко відмінна.

Наприклад, у червоному кістковому мозку людини щосекунди відбувається 10

млн. мітозів. На даний час точно не відомо, які фактори спонукають клітину до мітозу, але вважають, що в цьому суттєву роль відіграє співвідношення об'ємів ядра і цитоплазми (ядерно-цитоплазматичне співвідношення).

Збільшення об'єму клітини пов'язане із синтезом білків, нуклеїнових кислот,

ліпідів та інших хімічних компонентів клітини. Тому настає момент, коли поверхня ядра є недостатньою для забезпечення обміну речовин між ядром та цитоплазмою, необхідних для подальшого росту. Поділ клітини значно збільшує поверхню як самої клітини, так і її ядра, не збільшуючи при цьому їх об'єму;

тому вважають, що фактор, який обмежує ядерно-цитоплазматичне співвідношення, якимось чином спонукає клітину до мітотичного поділу.

Біологічне значення мітозу. Мітоз – найбільш поширений спосіб репродукції клітин тварин, рослин, найпростіших. Це основа росту і вегетативного роз-

множення всіх еукаріотів - організмів, які мають ядро. Основна його роль

полягає у точному відтворенні клітин, забезпеченні рівномірного розподілу хромосом материнської клітини між виникаючими з неї двома дочірніми клітинами і підтриманні сталості числа і форми хромосом у всіх клітинах рос-

лин і тварин.

Мітоз сприяє росту організму в ембріональному і постембріональному періодах, копіюванню генетичної інформації і утворенню генетично рівноцінних клітин. Тому організми, які розмножуються вегетативно (гриби,

водорості, найпростіші, багато рослин) утворюють велику кількість ідентичних особин, або клонів. Клонування можливе в деяких багатоклітинних,

здатних відновлювати цілий організм із частини тіла: кишковопорожнинних,

червів. Клонування хребетних відбувається тільки на ранніх стадіях ембріогенезу. Так, у тварин і людини утворюються монозиготні близнюки з однієї заплідненої яйцеклітини внаслідок її мітотичного розділення. За рахунок мітозу всі функціонально застарілі клітини організму замінюються новими. Цей поділ лежить в основі процесу регенерації -відновлення втрачених тканин.

Амітоз. Амітоз відбувається шляхом поділу ядра, а згодом і цитоплазми.

Під час амітозу ядерце видовжується, перешнуровується, а потім витягується і ядро. У деяких випадках в ядрі виникає перегородка, що ділить його на дві частини. Поділ ядра іноді супроводжується поділом цитоплазми.

Розрізняють кілька форм амітозу: рівномірний, коли утворюється два рівних ядра; нерівномірний, коли утворюються нерівні ядра; фрагментація, коли ядро розпадається на багато дрібних ядер однакової або різної величини.

Таким чином, амітоз - це поділ, що відбувається без спіралізації хромосом і без утворення веретена поділу. Чи відбувається попередній синтез ДНК перед початком амітозу і як вона розподіляється між дочірніми ядрами - невідомо.

Іноді при поділі певних клітин мітоз чергується з амітозом. Амітоз - це своєрідний тип поділу, що іноді спостерігається при нормальній життєдіяльності клітини, а здебільшого при порушеннях функції, часто під впливом опромінення чи дії інших шкідливих чинників. Він властивий

високодиференційованим клітинам. Амітоз у порівнянні з мітозом зустрічається рідше і відіграє другорядну роль у клітинному поділі переважної більшості живих організмів. Клітинний поділ у тканинах контролюється ма-

ловідомими механізмами, які дозволяють поділ клітин тільки в тому випадку, коли необхідні нові клітини. Для прикладу, клітини печінки звичайно знаходяться в стані спокою, але при видаленні частини органа вони починають швидко ділитись і цей процес продовжується до того часу, поки маса печінки не досягне норми. Розглянемо приклад росту клітин у культурі. Коли на чашку з культуральним середовищем висівають фібробласти, вони прикріплюються до поверхні і починають ділитися. Цей процес продовжується до того часу, поки не утвориться суцільний шар товщиною в одну клітину. В той момент, коли вже не залишиться вільного місця, нормальні клітини перестають ділитися. Це явище отримало назву контактного гальмування. Іншим прикладом регулювання поділу клітин є контроль позиційними сигналами. Як правило,

клітини у тканинах діляться тільки в тому випадку, коли вони знаходяться у відповідному оточенні та є достатньо місця для їх поділу. Наприклад, у

багатошаровому епідермісі шкіри поділ відбувається лише в одному шарі клітин

- базальному. Якщо базальні клітини ін'єкціювати в розташовану глибше дерму, чи навпаки, "підняти", щоб вони втратили зв'язок з базальною мембра-

ною, то їх поділ припиниться. Ймовірно, ці епідермальні клітини діляться тільки при стимуляції певним невідомим фактором, що знаходиться на межі між дермою та епідермісом.

Багатьом тваринним клітинам для того, щоб вижити і проліферувати,

необхідні незначні кількості (приблизно 1010 моль/л) специфічних факторів росту,

причому клітинам різного типу потрібні різні фактори чи їх сполучення.

Факторами росту можуть бути білки або невеликі молекули типу пептидів чи стероїдів. Усі відомі на сьогодні поліпептидні фактори росту можуть бути класифіковані як декілька суперсімейств, які об'єднують речовини, близькі за первинною структурою:

1) суперсімейство інсуліно-подібних факторів росту (інсулін, проінсулін,

релаксин та ін.);

2)суперсімейство епідермальних факторів росту;

3)суперсімейство бомбезину (бомбезин, літорин, нейротензин);

4)суперсімейство факторів росту фібробластів (ФРФ);

5)суперсімейство транс-формувальних факторів росту;

6)суперсімейство факторів росту тромбоцитів (ФРТ);

7)цитокіни.

Через відсутність чітко охарактеризованих ознак і властивостей багатьох біологічно активних речовин, що здатні модулювати клітинний ріст, і значною мірою завдяки їх поліфункціональності, поки що складно дати кінцеве визначення терміну "фактор росту". Найчастіше під фактором росту розуміють поліпептиди, які, зв'язуючись із специфічними рецепторами в плазматичній мембрані клітини-мішені, здійснюють певну регуляторну дію. Зважаючи на ці ознаки, до факторів росту можна також віднести інтерлейкіни, інтерферони,

фактори некрозу пухлин (ФНП) та деякі інші поліпептиди, що беруть участь в регуляції клітинної проліферації.

Зміни в регуляції проліферації клітин можуть спричиняти механізми злоякісної трансформації. Суть змін полягає в наступному: 1) клітини, які в нормі здатні реагувати тільки на дію факторів росту, починають їх самі секретувати; 2) клітини, які продукують фактори росту, але нечутливі до їх дії через відсутність специфічних рецепторів, експре-сують дані рецептори; 3) у

клітинах, навіть за відсутності дії на них факторів росту, конститутивно гене-

руються регуляторні сигнали, що беруть участь у запуску процесів біосинтезу ДНК та мітозів.

За останні роки багато праць у галузі клітинної біології були присвячені пошукам причин раку та способів його лікування. Пухлинні клітини прояв-

ляють ряд властивостей, небезпечних для організ-му-господаря, такі, як здатність проростати в інші тканини та стимулювати ріст капілярів, що забез-

печує проліферуючим пухлинним клітинам добре кровопостачання. Одна з

властивостей пухлинних клітин - це аномальна реакція на сигнали, які конт-

ролюють поділ нормальних клітин. Пухлинні клітини діляться порівняно безконтрольно, що призводить до загибелі організму. Ракові клітини в куль-

турі продовжують ділитися тоді, коли нормальні вже не діляться внаслідок контактного гальмування. Внаслідок цього вони накладаються одна на одну,

коли не мають можливості розпластуватися по поверхні культуральної чашки.

Окрім того, пух линні клітини потребують набагато менше факторів росту, ніж звичайні клітини.

Іншою фундаментальною особливістю ракових клітин є те, що вони як популяція здатні до поділу необмежено довго. На противагу, майже всі нормальні клітини ссавців гинуть після певної кількості поділів. Як правило, клітини, які належали старим тваринам, діляться меншу кількість разів, ніж клітини молодих особин; це свідчить про те, що клітини старих тварин вже використали більшу частину свого мітотичного потенціалу, перебуваючи ще в організмі. Тривалість життя клітин обмежена. Багато клітин зазнає поділу, щоб замінити "зношені"

клітини, а також ті, які безперервно злущуються з поверхні тіла з різною швидкістю. Утворення нових клітин необхідне для заживления ран, відновлення пошкоджених тканин. Надмірне утворення клітин відбувається за аномальних умов при пухлинному рості. Поряд з цим є високоспеціалізовані клітини

(наприклад, нервові клітини), які втрачають здатність до розмноження.

Для оцінки швидкості оновлення клітинної популяції та визначення частки клітин,

які вступають у мітоз, використовують алкалоїд колхіцин (виділенний з цибулин

Colchicum autumnale), він призупиняє процес мітозу. Після ін'єкції колхіцину в різні терміни забирають кусочки тканини і підраховують число фігур мітозу на зрізах.

Останнім часом швидкість клітинного поділу у тканині можна оцінити більш точно, якщо попередньо ввести в організм тимідин - радіоактивну мітку тиміну,

яка включається в нову ДНК по мірі її синтезу. В якості мітки новоутвореної ДНК застосовують мічений тритієм тимідин.