Делящиеся и неделящиеся клетки. Митоз. Дифференцировка и специализация клеток. Этапы жизненного цикла специализированной клетки. Некроз и апоптоз. Регуляция численности клеток в организме.
До сих пор много тайн клетки остаются неразгаданными. Загадочным во многом остается и запрограммированный генетически алгоритм ее жизни, названный жизненным циклом клетки (клеточным циклом) . Жизненный цикл клетки (рисунок 1.3.14) начинается с момента ее образования после деления родительской клетки и заканчивается либо новым делением, либо превращением в специализированную клетку.
Рисунок 1.3.14. Жизненный цикл клетки:
1 - интерфаза; 2 - митоз; 3 - дифференцировка; 4 - функционирование специализированной клетки
Большинство клеток продолжает делиться. Им свойственен клеточный цикл, состоящий из периодически повторяющихся стадий: так называемой интерфазы (1) - этапа подготовки к делению и непосредственно процесса деления - митоза (2). К этапам дифференцировки (3) и функционирования специализированной клетки (4) мы вернемся чуть позже.
На стадии подготовки к делению происходит удвоение генетического материала (редупликация ДНК ). Масса клетки во время интерфазы увеличивается до тех пор, пока она примерно вдвое не превысит начальную. Отметим, что сам процесс деления намного короче этапа подготовки к нему: митоз занимает примерно 1/10 часть клеточного цикла.
Цикличность (периодическое повторение) стадий интерфазы и митоза можно проиллюстрировать на примере фибробластов - одного из видов клеток соединительной ткани (рисунок 1.3.15). Так, нормальные фибробласты эмбриона человека размножаются приблизительно 50 раз. Каков генетически запрограммированный предел возможных делений клетки - это одна из неразгаданных тайн биологии.
Рисунок 1.3.15. Цикличность стадий интерфазы и митоза:
1 - интерфаза, стадия подготовки к митозу; 2 - митоз (деление клетки)
Жизненный цикл клеток базального слоя эпидермиса в обычных условиях составляет 28-60 дней. При повреждении кожи (конкретнее - при повреждении мембран и разрушении клеток эпидермиса под воздействием внешних факторов) выделяются особые биологически активные вещества . Они значительно ускоряют процессы деления (это явление называется регенерацией ), именно поэтому ранки и ссадины так быстро заживают. Максимальной регенеративной способностью обладает эпителий роговицы: одновременно в стадии митоза находятся 5-6 тысяч клеток, продолжительность жизни каждой из которых 4-8 недель.
Хотя все клетки появляются путем деления предшествующей (материнской) клетки (“Всякая клетка от клетки”), не все они продолжают делиться. Клетки, достигшие некоторой стадии развития при дифференцировке, могут терять способность к делению.
- Кратковременная адаптивная активация (реже блокирование), зависящая, в частности, от концентрации вещества, включающегося в обмен веществ (исходного вещества или продукта метаболизма). Этот механизм выработался эволюционно как приспособительная реакция и особенно ярко проявляется у животных (например, быстрый синтез пигментов у хамелеона в зависимости от условий).
- Длительное (в течение всей жизни клетки и/или многих генераций клеток!) блокирование или активация гена, возникающее в ходе клеточной дифференцировки. Например, в ДНК любой клетки желудка есть ген, отвечающий за синтез белков, из которых состоит ноготь. Но он необратимо блокирован гистонами и другими белками (этот участок ДНК плотно упакован), что никогда не позволит считывать с него информацию. Поэтому в желудке не растут ногти; а гены, ответственные за синтез гемоглобина, функционируют только у молодых форм эритроцитов, но не действуют в зрелых эритроцитах или других клетках.
Рисунок 1.3.17. Интенсивность метаболизма на различных этапах жизни клетки:
1 - рождение; 2 - созревание и дифференцировка; 3 - активное функционирование; 4 - угасание (старение); 5 - запрограммированная клеточная гибель
Рассмотрим подробнее наиболее характерные процессы, происходящие на каждом из этапов клеточного цикла.
Рождение . Отправным моментом жизни любой клетки (кроме половой, для которой характерен мейоз) считают деление материнской клетки с образованием двух идентичных дочерних - митоз (от греческого mitos - нить). Во время митоза основная задача материнской клетки - поровну передать равноценный в количественном и качественном отношении генетический материал дочерним клеткам.
Митоз часто называют “танцем хромосом”. Каждая следующая фигура в этом танце не случайна, здесь нет ни одного лишнего или бессмысленного “па” - это еще один четкий, выверенный природой алгоритм. В. Дудинцев в романе “Белые одежды” так описывает процесс деления клетки: “Хромосомы шевелились, как клубок серых червей, потом вдруг выстроились в строгий вертикальный порядок. Вдруг удвоились - теперь это были пары. Тут же какая-то сила потащила эти пары врозь, хромосомы подчинились, обмякли, и что-то повлекло их к двум разным полюсам.”
Деление клетки на две идентичные (митоз) характеризуется сменой нескольких морфологически и физиологически различающихся стадий (рисунок 1.3.18). На первой стадии митоза хроматин плотно упаковывается (этот процесс называется суперспирализацией хроматина) с образованием хромосом (1). Каждая хромосома состоит из двух идентичных половинок (хроматид) - будущих дочерних хромосом. Затем при сокращении так называемого веретена деления (2), представляющего собой комплекс микротрубочек и микрофибрилл, дочерние хромосомы расходятся, буквально подтягиваются нитями веретена деления к противоположным полюсам клетки. После окончательного расхождения дочерние хромосомы вновь раскручиваются, превращаясь в длинные и тонкие нити хроматина (3). Веретено деления исчезает, хроматин в дочерних клетках окружается ядерной оболочкой, и между дочерними клетками образуется поперечная перетяжка (4) из клеточных мембран.
Рисунок 1.3.18. Последовательность стадий митоза (схема):
1 - хромосомы; 2 - веретено деления; 3 - хроматин; 4 - поперечная перетяжка
Рисунок 1.3.19. Увеличение численности клеток на этапе эмбриогенеза
Зигота, образовавшаяся после слияния яйцеклетки и сперматозоида, делится с образованием двух дочерних клеток. Затем, в результате последовательных делений, образуются четыре, восемь, шестнадцать клеток и так далее. Параллельно с увеличением численности на этапе эмбриогенеза происходит дифференцировка клеток - так образуются ткани (смотри ).
Во взрослом организме общая численность клеток стабильна, она остается практически неизменной на протяжении многих лет (рисунок 1.3.20).
Рисунок 1.3.20. Поддержание постоянства общей численности клеток во взрослом организме
Это происходит за счет уравновешивания процессов возникновения новых клеток (митоза) и гибели клеток, естественной (апоптоза) или случайной (некроза). При смещении равновесия, например, гибели большого количества клеток в результате травмы или другого негативного воздействия, включаются механизмы регенерации (увеличение интенсивности деления клеток для замещения погибших), о которых уже было сказано. Таким образом, общая численность клеток поддерживается практически на постоянном уровне.
Литература
- Анатомия и физиология человека: учебник для 9 кл. шк. с углубл. изучением биологии / М.Р. Сапин, З.Г. Брыксина - М.: Просвещение, 1998. - 256 с., ил.
- Билич Г., Катинас Г. С., Назарова Л.В. Цитология: Учебник. - 2-е изд., испр. и доп.. - СПб: Деан, 1999. - 112 с.
- Большой толковый медицинский словарь (Oxford) / Пер. с англ.: в 2-х томах / Под ред. Г.Л. Билича; М.: Вече АСТ, 1999. - Т. 1, 2.
- Краткая медицинская энциклопедия / Гл. ред. Б.В. Петровский: в 3-х томах - 2-е изд. - М.: Советская энциклопедия, 1989. - Т. 1, 2, 3.
- Робертис Э, Новинский В., Саэс Ф. Биология клетки: Учебник / Пер. с англ. А.В. Михеевой и др.; Под. ред. С.Я. Залкинда. - М.: Мир, 1973. - 488 с.
- Физиология человека: Учебник для студентов мед. вузов / Под ред. В.М. Смирнова. - М.: Медицина, 2001. - 608 с., ил.
- Фрайфелдер Д. Физическая биохимия. Применение физико-химических методов в биологии и молекулярной биологии / Пер. с англ. Е.С. Громовой, С.В. Яроцкого; Под ред. З.А. Шабаровой. - М.: Мир, 1980. - 582 с., ил.
- Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология / Пер. с англ.; Под ред. А.И. Арчакова и др. - М.: Изд-во НИИ биомед. химии РАМН, 1999. - 372 с., ил.
- Энциклопедический словарь медицинских терминов / Гл. ред. Б.В. Петровский: в 3-х томах. - М.: Советская энциклопедия, 1982, Т. 1, 2, 3.
- Энциклопедия для детей. Происхождение и природа человека. Как работает тело. Искусство быть здоровым / Гл. ред. Володин В.А. - М.: Аванта+, 2001. - 464 с., ил. Т. 18. Ч. 1.
Жизненный цикл клетки (клеточный цикл) -- это период жизни клетки от одного деления до следующего или от деления до смерти. Для разных типов клеток клеточный цикл различен. Интерфаза -- период между делениями, в котором происходят процессы роста, удвоения молекул ДНК, синтеза белков и других органических соединений, деления митохондрий и пластид, разрастания эндоплазматической сети. Интенсивно аккумулируется энергия. Митоз -- деление, сопровождающееся спирализацией хромосом и образованием аппарата, обеспечивающего равномерное распределение наследственного материала материнской клетки между двумя дочерними. Мейоз -- это особый способ деления клеток, в результате которого количество хромосом уменьшается вдвое и образуются гаплоидные клетки.
Сравнение процессов митоза и мейоза. Митоз и Мейоз Имеют одинаковые фазы деления. Перед делением происходят спирализация и удвоение молекул ДНК. В метафазе на экваторе клетки располагаются удвоенные хромосомы. В метафазе на экваторе клетки располагаются пары гомологичных хромосом. Конъюгация хромосом отсутствует. В профазе гомологичные хромосомы конъюгируют и могут обмениваться участками (кроссинговер). Между делениями происходит удвоение хромосом. Между первым и вторым делениями нет удвоения хромосом. Формируются две дочерние клетки с диплоидным набором хромосом (2п). Формируются четыре клетки с гаплоидным набором хромосом (п). В профазе митоза хромосомы спирализуются, сокращаются и утолщаются. Хроматиды отходят друг от друга, оставаясь соединенными только центромерами. Метафазные хромосомы имеют Х-образную форму, состоят из двух хроматид, концы которых разошлись. В анафазе каждая хромосома разделяется на отдельные хроматиды, которые называются дочерними хромосомами. Они имеют вид палочек, согнутых в месте первичной перетяжки
Метафаза. Завершаются процессы спирализации хромосом и формирования веретена деления. Каждая хромосома прикрепляется центромерой к микротрубочке веретена деления и направляется к центральной части клетки. Центромеры хромосом располагаются на одинаковых расстояниях от полюсов клетки. Хроматиды отделяются друг от друга
Анафаза (самая короткая). Происходит деление центромер и расхождение хроматид к разным полюсам клетки. У каждого полюса собирается диплоидный набор хромосом. Происходит деспирализация хромосом, вокруг скоплений хроматид формируется ядерная оболочка, появляются ядрышки; дочерние ядра принимают вид интерфазных. Цитоплазма материнской клетки делится. Образуются две дочерние клетки. Образуются две дочерние клетки с диплоидным набором хромосом
Профаза I. Начинается спирализация хромосом, однако хроматиды каждой из них не разделяются. Гомологичные хромосомы сближаются, образуя пары -- имеет место конъюгация. Во время конъюгации может наблюдаться процесс кроссинговера, во время которого гомологичные хромосомы обмениваются определенными участками. Вследствие кроссинговера образуются новые комбинации различных состояний определенных генов. Через определенное время гомологичные хромосомы начинают отходить друг от друга. Исчезают ядрышки, разрушается ядерная оболочка и начинается формирование веретена деления
Метафаза I. Нити веретена деления прикрепляются к центромерам гомологичных хромосом, лежащих не в плоскости экваториальной пластинки, а по обе стороны от нее.
Анафаза I. Гомологичные хромосомы отделяются друг от друга и двигаются к противоположным полюсам клетки. Центромеры отдельных хромосом не разделяются, и каждая хромосома состоит из двух хроматид. У каждого из полюсов клетки собирается половинный (гаплоидный) набор хромосом.
Телофаза I. Формируется ядерная оболочка. У животных и некоторых растений хромосомы деспирализуются, и осуществляется деление цитоплазмы Вследствие первого деления возникают клетки или только ядра с гаплоидными наборами хромосом. Интерфаза между первым и вторым делениями сокращена, молекулы ДНК в это время не удваиваются.
Профаза II . Спирализуются хромосомы, каждая из которых состоит из двух хроматид, исчезают ядрышки, разрушается ядерная оболочка, центриоли перемещаются к полюсам клеток, начинает формироваться веретено деления. Хромосомы приближаются к экваториальной пластинке.
Метафаза II. Завершается спирализация хромосом и формирование веретена деления. Центромеры хромосом располагаются в один ряд вдоль экваториальной пластинки, к ним присоединяются нити веретена деления.
Анафаза II. Делятся центромеры хромосом и хроматиды расходятся к полюсам клетки благодаря укорочению нитей веретена деления.
Телофаза II. Хромосомы деспирализуются, исчезает веретено деления, формируются ядрышки и ядерная оболочка. Происходит деление цитоплазмы.
Гибель (смерть) отдельных клеток или целых их групп постоянно встречается у многоклеточных организмов, так же как гибель одноклеточных организмов. Причины гибели, процессы морфологического и биохимического характера развития клеточной смерти могут быть различными. Но все же их можно четко разделить на две категории: некроз (от греч. nekrosis - омертвление) и апоптоз (от греч. корней, означающих "отпадение" или "распадение"), который часто называют программируемой клеточной смертью (ПКС) или даже клеточным самоубийством (рис. 354).
Некроз. Этот вид клеточной смерти обычно связывается с нарушением внутриклеточного гомеостаза в результате нарушения проницаемости клеточных мембран, приводящим к изменению концентрации ионов в клетке, с необратимыми изменениями митохондрий, что сразу приводит к прекращению всех жизненных функций, включая синтез макромолекул. Некроз вызывают повреждения плазматической мембраны, подавление активности мембранных насосов под действием многих ядов, а также необратимые изменения энергетики при недостатке кислорода (при ишемии - закупорке кровеносного сосуда) или отравлении митохондриальных ферментов (действие цианидов). При этом при повышении проницаемости плазматической мембраны клетка набухает за счет ее обводнения, в цитоплазме происходит увеличение концентрации ионов Na + и Ca 2+ , закисление цитоплазмы, набухание вакуолярных компонентов и разрыв их мембран, прекращение синтеза белков в цитозоле, освобождение лизосомных гидролаз и лизис клетки. Одновременно с этими изменениями в цитоплазме изменяются и клеточные ядра: вначале они компактизируются (пикноз ядер), но по мере набухания ядра и разрыва его оболочки пограничный слой хроматина распадается на мелкие массы (кариорексис) а затем наступает кариолизис, растворение ядра. Особенностью некроза является то, что такой гибели подвергаются большие группы клеток (например, при инфаркте миокарда из-за прекращения снабжения кислородом участка сердечной мышцы). Обычным является то, что участок некроза подвергается атаке лейкоцитов и в зоне некроза развивается воспалительная реакция.
Апоптоз. В процессе развития организмов и их функционировании во взрослом состоянии постоянно происходит гибель части клеток, но без их физического или химического повреждения, происходит как бы их "беспричинная" смерть.
Процесс начинается с того, что клетки теряют контакты с соседними клетками, они как бы сморщиваются, в ядрах по их периферии происходит специфическая конденсация хроматина, затем ядро фрагментируется на отдельные части, вслед за этим сама клетка фрагментируется на отдельные тельца, отграниченные плазматической мембраной - апоптические тельца. Апоптоз - процесс, приводящий не к растворению клетки, а к ее фрагментации, распаду.
Его варианты. Основное содержание и значение периодов жизненного цикла клетки.
Закономерные изменения структурно-функциональных характеристик клетки во времени составляют содержание ее жизненного цикла (клеточного цикла). Клеточный цикл - это период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти.
Обязательным компонентом клеточного цикла является митотический (пролиферативный) цикл - комплекс взаимосвязанных и детерминированных хронологически событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления, Кроме того, в жизненный цикл включается период выполнения клеткой многоклеточного организма специальных функций, а также периоды покоя. В периоды покоя ближайшая судьба клетки неопределенна: она может либо начать подготовку к митозу, либо стать на путь специализации.
Жизнь клетки от момента её возникновения в результате деления материнской клетки
до ее собственного деления или смерти называется жизненным (или
клеточным ) циклом.
Обязательным компонентом клеточного цикла является митотический цик л,
включающий подготовку к делению и само деление. В жизненном цикле есть также
периоды покоя , когда клетка только исполняет свой функций и избирает свою
дальнейшую судьбу (погибнуть либо возвратится в митотический цикл. Подготовка
клетки к делению, или интерфаза , составляет значительную часть
митотического цикла. Она состоит из трех подпериодов: постмитотический ,
или пресинтетический - G1, синтетический – S и
постсинтетический , или премитотический – G2.
Период G1 – самый вариабельный по продолжительности. Во время его в клетке
активизируются процессы биологического синтеза, в первую очередь структурных
и функциональных белков. Клетка растет и готовится к следующему периоду.
Период S – главный в митотическом цикле. В делящихся клетках млекопитающих он
длится около 6 – 10 ч. В это время клетка продолжает синтезировать РНК,
белки, но самое важное осуществляет синтез ДНК. Редупликация ДНК происходит
асинхронно. Но к концу S – периода вся ядерная ДНК удваивается, каждая
хромосома становится двунитчатой, то есть состоит из двух хроматид –
идентичных молекул ДНК.
Период G2 относительно короток, в клетках млекопитатающих он составляет около
2 – 5 ч. В это время количество центриолей, митохондрей и пластид
удваивается, идут активные метаболические процессы, накапливаются белки и
энергия для предстоящего деления. Клетка приступает к делению.
Описано три способа деления эукариотических клеток: амитоз (прямое
деление), митоз (непрямое деление) и мейоз (редукционное
деление).
Амитоз – относительно редкий и малоизученный способ деления клетки. Описан он
для стареющих и патологически измененных клеток. При амитозе интерфазное ядро
делится путем перетяжки, равномерное распределение наследственного материала
не обеспечивается. Нередко ядро делится без последующего разделения
цитоплазмы и образуются двухъядерные клетки. Клетка, претерпевшая амитоз, в
дальнейшим не способна вступать в нормальный митотический цикл. Поэтому
амитоз встречается, как правило, в клетках и тканях, обреченных на гибель,
например, в клетках зародышевых оболочек млекопитающих, в клетках опухолей.
Митоз (от греч. mitos - нить), кариокинез, непрямое деление клетки, наиболее
распространённый способ воспроизведения (репродукции) клеток, обеспечивающий
тождественное распределение генетического материала между дочерними клетками
и преемственность хромосом в ряду клеточных поколений. Биологическое значение
М. определяется сочетанием в нём удвоения хромосом путём продольного
расщепления их и равномерного распределения между дочерними клетками. Началу
М. предшествует период подготовки, включающий накопление энергии, синтез
дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и репродукцию центриолей. Источником
энергии служат богатые энергией, или так называемые макроэргические
соединения. М. не сопровождается усилением дыхания, т. к. окислительные
процессы происходят в интерфазе (наполнение "энергетического резервуара").
Периодическое наполнение и опустошение энергетического резервуара - основа
энергетики М.
Стадии митоза . Единый процесс М. обычно подразделяют на 4 стадии:
профазу , метафазу , анафазу и телофазу . Препрофаза -
синтетическая стадия М., соответствующая концу интерфазы (S - G2 периоды),
включает удвоение ДНК и синтез материала митотического аппарата.
В профазе происходят реорганизация ядра с конденсацией и спирализацией
хромосом, разрушение ядерной оболочки и формирование митотического аппарата
путём синтеза белков и "сборки" их в ориентированную систему веретена деления
Метафаза заключается в движении хромосом к экваториальной плоскости (
метакинез , или прометафаза ), формировании экваториальной пластинки
("материнской звезды") и в разъединении хроматид, или сестринских хромосом.
Анафаза - стадия расхождения хромосом к полюсам. Анафазное движение
связано с удлинением центральных нитей веретена, раздвигающего митотические
полюсы, и с укорочением хромосомальных микротрубочек митотического аппарата.
Удлинение центральных нитей веретена происходит либо за счёт поляризации
"запасных" макромолекул, достраивающих микротрубочки веретена, либо за счёт
дегидратации этой структуры. Укорочение хромосомальных микротрубочек
обеспечивается свойствами сократительных белков митотического аппарата,
способных к сокращению без утолщения.
Телофаза заключается в реконструкции дочерних ядер из хромосом,
собравшихся у полюсов, разделении клеточного тела (цитотомия ,
цитокинез ) и окончательном разрушении митотического аппарата с образованием
промежуточного тельца. Реконструкция дочерних ядер связана с деспирализацией
хромосом, восстановлением ядрышка и ядерной оболочки. Цитотомия осуществляется
путём образования клеточной пластинки (в растительной клетке) или путём
образования борозды деления (в животной клетке). Механизм цитотомии связывают
либо с сокращением желатинизированного кольца цитоплазмы, опоясывающего экватор
(гипотеза "сократимого кольца"), либо с расширением поверхности клетки
вследствие распрямления петлеобразных белковых цепей (гипотеза "расширения
мембран").
Продолжительность митоза зависит от размеров клеток, их плоидности, числа
ядер, а также от условий окружающей среды, в частности от температуры. В
животных клетках М. длится 30-60 мин, в растительных - 2-3 часа. Более
длительны стадии М., связанные с процессами синтеза (препрофаза, профаза,
телофаза); самодвижение хромосом (метакинез, анафаза) осуществляется быстро.
Мейоз (от греч. meiosis - уменьшение), редукционное деление, деления
созревания, способ деления клеток, в результате которого происходит
уменьшение (редукция) числа хромосом в два раза и одна диплоидная клетка
делении даёт начало 4 гаплоидным (содержащим по одному набору хромосом).
Восстановление диплоидного числа хромосом происходит в результате
оплодотворения. М. - обязательное звено полового процесса и условие
формирования половых клеток (гамет). Биологическое значение М. заключается в
поддержании постоянства кариотипа в ряду поколений организмов данного вида и
обеспечении возможности рекомбинации хромосом и генов при половом процессе.
М. - один из ключевых механизмов наследственности и наследственной
изменчивости. Поведение хромосом при М. обеспечивает выполнение основных
законов наследственности.
Первая фаза М. - профаза I , наиболее сложная и длительная (у человека
22,5, у лилии 8-10 суток), подразделяется на 5 стадий. Лептотена -
стадия тонких нитей, когда хромосомы слабо спирализованы и наиболее длинны,
видны утолщения - хромомеры. Зиготена - стадия начала попарного, бок о
бок соединения (синапсиса , конъюгации ) гомологичных хромосом;
при этом гомологичные хромомеры взаимно притягиваются и выстраиваются строго
друг против друга. Пахитена - стадия толстых нитей; гомологичные
хромосомы стабильно соединены в пары - биваленты, число которых равно
гаплоидному числу хромосом; под электронным микроскопом видна сложная
ультраструктура в месте контакта двух гомологичных хромосом внутри бивалента:
т. н. синаптонемальный комплекс, который начинает формироваться ещё в зиготене;
в каждой хромосоме бивалента обнаруживаются 2 хроматиды; т. о., бивалент
(тетрада, по старой терминологии) состоит из 4 гомологичных хроматид; на этой
стадии происходит кроссинговер, осуществляющийся на молекулярном уровне;
цитологические последствия его обнаруживаются на следующей стадии.
Диплотена - стадия раздвоившихся нитей; гомологичные хромосомы начинают
отталкиваться друг от друга, но оказываются связанными, обычно в 2-3 точках на
бивалент, где видны хиазмы (перекресты хроматид) - цитологическое проявление
кроссинговера. Диакинез - стадия отталкивания гомологичных хромосом,
которые по-прежнему соединены в биваленты хиазмами, перемещающимися на концы
хромосом (терминализация); хромосомы максимально коротки и толсты (за счёт
спирализации) и образуют характерные фигуры: кресты, кольца и др. Следующая
фаза М. - метафаза I , во время которой хиазмы ещё сохраняются;
биваленты выстраиваются в средней части веретена деления клетки, ориентируясь
центромерами гомологичных хромосом к противоположным полюсам веретена. В
анафазе I гомологичные хромосомы с помощью нитей веретена расходятся к
полюсам; при этом каждая хромосома пары может отойти к любому из двух полюсов,
независимо от расхождения хромосом др. пар. Поэтому число возможных сочетаний
при расхождении хромосом равно 2n, где n - число пар хромосом. В отличие от
анафазы митоза, центромеры хромосом не расщепляются и продолжают скреплять 2
хроматиды в хромосоме, отходящей к полюсу. В телофазе I у каждого полюса начинается деспирализация хромосом и формирование дочерних ядер и
интеркинез , и начинается второе деление М. Профаза II , метафаза
II , анафаза II и телофаза II проходят быстро; при этом в
конце метафазы II расщепляются центромеры, и в анафазе II расходятся к полюсам
хроматиды каждой хромосомы.
2). Половые генетические аномалии. Роль генотипических факторов в формировании патологических изменений фенотипа человека.
Роль генотипа в развитии признаков пола.
Отталкиваясь от определения, что пол - совокупность генетически
детерминированных признаков особи, определяющих её роль в процессе
оплодотворения, нужно сказать, что развитие половой принадлежности организмов
и их половых признаков зависит от сочетания или количества половых хромосом.
Начало изучению генотипического определения пола было положено открытием
американскими цитологами у насекомых различия в форме, а иногда и в числе
хромосом у особей разного пола (Маккланг, 1906, Уилсон, 1906) и классическими
опытами немецкого генетика Корренса по скрещиванию однодомного и двудомного
видов брионии.
Человек в отношении определения пола относится к типу XX-XY. При гаметогенезе
наблюдается типичное менделевское расщепление по половым хромосомам. Каждая
яйцеклетка содержит одну Х-хромосому, а другая половина
Одну Y-хромосому. Пол потомка зависит от того, какой спермий оплодотворит
яйцеклетку. Пол с генотипом ХХ называют гомогаметным, так как у него
образуются одинаковые гаметы, содержащие только Х-хромосомы, а пол с
генотипом XY - гетерогаметным, так как половина гамет содержит Х-хромосому, а
половина Y-хромосому. У человека генотипический пол данного индивидуума
определяют, изучая неделящиеся клетки. Одна Х-хромосома всегда оказывается в
активном состоянии и имеет обычный вид. Другая, если она имеется, бывает в
покоящемся состоянии в виде плотного темно-окрашенного тельца, называемого
тельцем Барра (факультативный гетерохроматин). Число телец Барра всегда на
единицу меньше числа наличных Х-хромосом, т.е. в мужском организме их нет
вовсе, у женщин (ХХ) - одно. У человека Y-хромосома является генетически16
инертной, так как в ней очень мало генов. Однако влияние Y-хромосомы на
детерминацию пола у человека очень сильное. Хромосомная структура мужчины
44A+XY и женщины 44A+XX такая же, как и у дрозофилы, однако у человека особь
кариотипом 44A+XD оказалась женщиной, а особь 44A+XXY мужчиной. В обоих
случаях они проявляли дефекты развития, но все же пол определялся наличием или
отсутствием Y-хромосомы. Люди генотипа XXX2A представляют собой
бесплодную женщину, с генотипом XXXY2A - бесплодных умственно отстающих
мужчин. Такие генотипы возникают в результате нерасхождения половых
хромосом, что приводит к нарушению развития (например, синдром
Клайнфельтера (XXY)). Нерасхождение хромосом изучаются как в мейозе, так и в
митозе. Нерасхождение может быть следствием физического сцепления Х-
хромосом, в таком случае нерасхождение имеет место в 100% случаев.
Несмотря на то, что женщины имеют две Х-хромосомы, а мужчины - только
одну, экспрессия генов Х-хромосомы происходит на одном и том же уровне у обоих
полов. Это объясняется тем, что у женщин в каждой клетке полностью
инактивирована одна Х-хромосома (тельце Барра), о чем уже было сказано выше. Х-
хромосома инактивируется на ранней стадии эмбрионального развития , 17
соответствующей времени имплантации, при этом в разных клетках отцовская и
материнская Х-хромосомы выключаются случайно. Состояние инактивации данной
Х-хромосомы наследуется в ряду клеточных делений. Таким образом, женские
особи, гетерозиготные по генам половых хромосом, представляют собой мозаики
(например, черепаховые кошки).
Таким образом, пол человека представляет собой менделирующий признак,
наследуемый по принципу обратного (анализирующего) скрещивания.
Гетерозиготой оказывается гетерогаметный пол (XY), который скрещивается с
рецессивной гомозиготой, представленной гомогаметным полом (XX). В результате
в природе обнаруживается наследственная дифференцировка организмов на
мужской и женский пол и устойчивое сокращение во всех поколениях
количественного равенства полов.
Значение средовых и генотипических факторов в формировании
патологически измененного фенотипа человека
Как известно, фенотип -
совокупность всех признаков и свойств организма, сформировавшихся в процессе
его индивидуального развития. Фенотип складывается в результате взаимодействия
наследственных свойств организма, то есть генотипа, и условий среды обитания.
В ядрах клеток содержится полученный от родителей набор хромосом, несущих
совокупность генов, которые характерны для данного вида вообще и для данного
организма в частности. Эти гены несут информацию о белках, которые могут
синтезироваться в этом организме, а также о механизмах, определяющих их синтез
и его регуляцию; в процессе развития осуществляется
последовательное включение генов и синтез тех белков, которые они кодируют19
(экспрессия генов). В результате происходит развитие всех признаков и свойств
организма, которые и составляют его фенотип.
Таким образом, фенотип - это продукт реализации той генетической программы,
которая содержится в генотипе, однако генотип не однозначно
определяет фенотип - в большей или меньшей степени он зависит и от внешних
условий.
Говоря о роли вышеупомянутых факторов в формировании патологически
измененного фенотипа особи того или иного пола, стоит отметить хромосомные
патологии.
Хромосомные болезни - наследственные заболевания, обусловленные
изменением числа или структуры хромосом. Частота хромосомных болезней среди
новорождённых детей около 1%. Многие изменения хромосом несовместимы с
жизнью и являются частой причиной спонтанных абортов и мертворождений. При
спонтанных абортах обнаружено около 20% эмбрионов с аномальными
кариотипами (хромосомными наборами).
Фенотипические проявления хромосомных мутаций зависят от следующих
главных факторов:1) особенности вовлеченной в аномалию хромосомы
(специфический набор генов); 2) тип аномалии (трисомия, моносомия, полная,
частичная); 3) размер недостающего генетического материала при частичной
моносомии или избыточного генетического материала при частичной трисомии;
4) степень мозаичности организма по аберрантным клеткам;
содержится только одна хромосома X, в остальных случаях наблюдаются различные
типы структурных перестроек хромосомы X.
У новорожденных и детей грудного возраста отмечаются признаки дисплазии:
короткая шея с избытком кожи и крыловидными складками, лимфатический отек
стоп, голеней, кистей рук и предплечий, вальгусная деформация стоп (деформация
большого пальца стопы), множественные пигментные пятна, низкорослость. В
подростковом возрасте выявляются отставание в росте (рост взрослых 135-145 см) и
в развитии вторичных половых признаков. Для взрослых характерно низкое
расположение ушных раковин, недоразвитие первичных и вторичных половых
признаков, дисгенезия гонад, сопровождающаяся первичной аменореей. У 20%
больных имеются пороки сердца (коарктация аорты, стеноз аорты, пороки развития
митрального клапана), у 40% - пороки почек (удвоение мочевыводящих путей,
подковообразная почка). У больных, имеющих клеточную линию с Y-хромосомой,
может развиться гонадобластома (опухоль, возникающая в дисгенетических гонадах
у пациенток с мужским псевдогермафродитизмом), часто наблюдается
аутоиммунный тиреоидит. Недоразвитие яичников приводит к бесплодию. Для
подтверждения диагноза наряду с исследованием клеток периферической крови
проводятся биопсия кожи и исследование фибробластов. Больные с синдромом
Шерешевского - Тернера низкого роста, имеют своеобразную “щитовидную”
грудную клетку и широко расставленные соски (90%). У них очень часто
наблюдаются вальгусная деформация локтей, короткая IV пястная кость,
остеопороз, множество родимых пятен на коже. Лицо больных очень напоминает
лицо “сфинкса” из-за уменьшенного подбородка, широкой переносицы и
гипертелоризма, эпиканта (вертикальная складка кожи полулунной формы,
прикрывающая внутренний угол глазной щели), птоза (опущение верхнего века). В23
50 % случаев больные умственно отсталые. Они пассивны, астеничны (повышенной
утомляемости и истощаемости, сниженном пороге чувствительности, крайней
неустойчивости настроения, нарушении сна), склонны к психогенным реакциям и
реактивным психозам. Кроме того, часто отмечается нарушение слуха (около 40%).
У 58 % больных с кариотипом Х0 наблюдаются отиты и почти у 35 % есть дефект
слуха, что объясняется аномальным расположением слуховой трубы из-за
неправильного формирования каудального отдела наружного слухового прохода.
При патологоанатомическом исследовании вместо гонад у таких больных
находят недифференцированный тяж, не содержащий фолликулов и секреторных
клеток. В 60 % случаев встречаются аномалии мочевой системы, чаще
подковообразная почка, удвоение почек и мочевыводящих путей; реже описывают
врожденные аномалии сердца (20 % случаев). У спонтанных и индуцированных
абортусов с кариотипом Х0 находят лимфангиомы шеи, подковообразную почку,
однорогую матку, патологические изменения в гонадах, иногда отсутствует
пупочная артерия.
В некоторых случаях генетическое исследование позволяет выявить синдром
Нуннан, который имеет схожие фенотипические проявления, однако этиологически
не связан с синдромом Шерешевского-Тернера. В отличие от последнего при
синдроме Нуннан заболеванию подвержены как мальчики, так и девочки, а в
клинической картине доминирует задержка умственного развития, характерен
Тернер-фенотип при нормальном мужском или женском кариотипе. У большинства
больных синдромом Нуннан имеется нормальное половое развитие и сохранена
фертильность. В большинстве случаев заболевание не сказывается на
продолжительности жизни пациентов.
Предварительный диагноз синдрома Шерешевского - Тернера основан на
характерной клинической картине и исследовании полового хроматина,
окончательный - на результатах цитогенетического анализа. Дифференциальную
диагностику проводят с синдромом Боневи - Ульриха - аутосомно-доминантной
болезнью, при которой у некоторых больных сохраняется генеративная функция,
наблюдается передача патологического гена или генов из поколения в поколение и
отсутствует характерная цитогенетическая картина (Х0).24
Лечение в основном симптоматическое и обычно направлено на коррекцию
вторичных половых признаков.
Синдром XXY хромосом (синдром Клайнфельтера)
Синдром Клайнфельтера встречается у 1 из 500 мальчиков. Больные с
классическим вариантом синдрома имеют кариотип 47,XXY . Возможны и другие
кариотипы, а у 10% больных выявляется мозаицизм 46,XY/47,XXY, встречаются и
более редкие кариотипы: 48,XXXY; 49,XXXX; 48,XXYY; 49,XXXYY . Синдром
обычно проявляется в подростковом возрасте как задержка полового развития.
Половой член и яички уменьшены, телосложение евнухоидное , имеются
гинекомастия (увеличение молочных желез у мужчин) и умеренная задержка
психического развития. Больные предрасположены к сахарному диабету,
заболеваниям щитовидной железы и раку молочной железы. Наличие в кариотипе
не менее двух Х-хромосом и одной Y-хромосомы - самая распространенная причина
первичного гипогонадизма у мужчин.
Примерно у 10% больных с синдромом Клайнфельтера наблюдается мозаицизм
46,XY/47,XXY. Поскольку в формировании фенотипа участвует клон клеток с
нормальным кариотипом, больные с мозаицизмом 46,XY/47,XXY могут иметь
нормально развитые половые железы и быть фертильными. Добавочная Х-
хромосома в 60% случаев наследуется от матери, особенно при поздней
беременности. Риск наследования отцовской Х-хромосомы не зависит от возраста
Для синдрома Клайнфельтера характерен фенотипический полиморфизм.
Наиболее частые признаки: высокорослость, непропорционально длинные ноги,
евнухоидное телосложение, маленькие яички (длинная ось менее 2 см).
Производные вольфова протока формируются нормально. В детском возрасте
нарушения развития яичек незаметны и могут не выявляться даже при биопсии. Эти
нарушения обнаруживают в пубертатном периоде и позднее. В типичных случаях
при биопсии яичка у взрослых находят гиалиноз извитых семенных канальцев
(белковая дистрофия, приводящая к утолщению коллагеновых волокон),
гиперплазию клеток Лейдига (клетки, рассеянные между извитыми семенными25
канальцами яичек), уменьшение численности или отсутствие клеток Сертоли
(соматические клетки, расположенные в извитых канальцах семенников);
сперматогенез отсутствует. Больные, как правило, бесплодны (даже если есть
признаки сперматогенеза). Формирование вторичных половых признаков обычно
нарушено: оволосение лица и подмышечных впадин скудное или отсутствует;
наблюдается гинекомастия; отложение жира и рост волос на лобке по женскому
типу. Как правило, психическое развитие задерживается, но у взрослых нарушения
интеллекта незначительны. Нередко встречаются нарушения поведения,
эпилептическая активность на электроэнцефалограмме, эпилептические припадки.
Сопутствующие заболевания: рак молочной железы, сахарный диабет, болезни
щитовидной желез, хронические обструктивные заболевания легких.
Способы лечения бесплодия при синдроме Клайнфельтера пока не разработаны.
Заместительную терапию тестостероном обычно начинают с 11-14 лет; при
дефиците андрогенов она существенно ускоряет формирование вторичных половых
признаков. У взрослых больных на фоне лечения тестостероном повышается
половое влечение. При гинекомастии может потребоваться хирургическое
вмешательство. Психотерапия способствует социальной адаптации больных с
синдромом Клайнфельтера и больных с другими аномалиями половых хромосом.
Общий вывод о роли факторов генотипа и среды в развитии патологически
измененного фенотипа человека
Таким образом, значение средовых и генотипических факторов в формировании
патологически измененного фенотипа человека очень велико, так как фенотип есть
реализация генотипа в ходе индивидуального развития и в определенных условиях
среды обитания, факторы которой часто оказывают определяющее значение на
проявление и развитие того или иного признака и свойства. Поэтому организмы,
имеющие одинаковые генотипы, могут заметно отличаться друг от друга по
фенотипу.
Следствием генетических нарушений могут возникать врожденные заболевания и
аномалии развития. Врожденные болезни могут быть результатом генетических26
нарушений и следствием вредных воздействий на плод, развивающийся из
нормальных половых клеток, без генетических мутаций.
В то же время существуют патологии, обусловленные только воздействием
факторов среды. Но и при этих болезнях причины, течение и исход их будет
определяться генотипом. Следовательно, формирование патологического фенотипа
детерминировано наследственной информацией при условии влияния окружающей
среды.
3). Класс Цестоды. Морфология, жизненный цикл, патогенность лентеца широкого. Диагностика и профилактика дифиллоботриоза.
Тип: Плоские черви (Plathelminthes)
Класс: Ленточные черви (Cestoidea)
Подкласс: Cestoda
Отряд: цепни (Cyclophyllidea)
Вид: Заболевание:
Taenia solium Тениоз, цистицеркоз
(свиной или вооруженный)
Taeniarhyncus saginatus Тениаринхоз
(бычий или невооруженный)
Hymenolepis nama (карликовый) Гименолепидоз
Echinococcus granulosus (эхинококк) Эхинококкоз
Alveococcus multilocularis (альвеококк) Альвеококкоз
Отряд: лентецы (Pseudophyllidea)
Виды финн:
а)цистицерк-пузырчатое образование, размером с горошину, заполнено жидкостью и содержит ввернутый внутрь сколекс с органами фиксации (свиной и бычий цепни);
б)цистицеркоид- содержит сколекс, ввернутый внутрь двухстенного пузырька с длинным хвостовидным предатком (карликовый цепень);
в)ценур- пузырчатая финна со многими сколексами (мозговой цепень)
г)эхинококк- имеет сложное строение, полость пузыря заполнена жидкостью, стенка его образована двумя слоями: наружным-хитиноподобным и внутренним- паренхиматозным (герминативным). От внутренней оболочки отшнуровываются дочерние и внучатые пузыри, внутри которых в выводковых камерах образуются головки; число их сильно варьирует, иногда достигая 100. В результате отпочковывания новых камер размер пузыря эхинококка непрерывно возрастает (эхинококк);
д)альвеококк- плотное мелкопузырсатое образование, жидкости не имеет, обладает экзогенным ростом. На разрезе имеет ячеистое строение (альвеококк);
е)плероцеркоид- имеет червеобразную форму, длиной 6мм, на переднем конце тела находятся две продольные присасывательные ботрии(лентец широкий).
В организме человека паразитируют представители нескольких десятков видов цестод. Болезни, вызываемые цестодами, называют цестодозами. По особенностям биологии ленточных червей разделяют на группы: 1)гельминты, жизненный цикл которых связан с водной средой (гельминты этой экологической группы имеют активно плавающую личиночную стадию- корацидий и два промежуточных хозяина, обитающих в водной среде. Например- возбудители дифиллоботриозов); 2)гельминты, цикл развития которых не связан с водной средой (более специализированные паразиты, личинки их ни на какой из стадий развития не способны к самостоятельному перемещению). Матка в зрелых члениках не имеет связи с окружающей средой, поэтому яйца выводятся во внешнюю среду не по одиночке, а внутри зрелых члеников). Вторая группа подразделяется на гельминтов: а)использующих человека как окончательного хозяина: б)обитающих в человеке как в промежуточном хозяине; в)проходящих в человеке весь жизненный цикл.
Понятие жизненного цикла клетки
У значительного большинства клеток существует определённый жизненный цикл.
Определение 1
Жизненный цикл – это период жизни клетки от её появления до окончания деления или гибели.
Этот цикл характеризуется большим количеством процессов, происходящих в клетке: рост, развитие, дифференциация, функционирование и т.п.
Клеточный цикл состоит из длительного периода интерфазы , а также коротких периодов митоза и цитокинеза .
Интерфаза – это период жизни клеток, в течение которого не происходит их деление.
Замечание 1
В этот период жизненного цикла клетки поддерживают свой гомеостаз и выполняют определённые функции.
Исследование различных групп клеток отдельного организма свидетельствует, что большинство из них находятся в интерфазе. Лишь небольшая часть клеток – около 1% - может быть задействована на это время в митозе.
Клеточный цикл, который оканчивается делением, свойствен для большинства разновидностей клеток многоклеточного организма и для всех одноклеточны
Все разновидности клеток имеют разную длительность как всего цикла, так и отдельных его периодов, даже в различных тканях одного и того же организма.
Пример 2
У человека длительность клеточного цикла для клеток эпителия кожи составляет 10-20 суток, для лейкоцитов – 4-5 суток, для клеток костного мозга – 8-12 часов.
Длительность жизни клетки запрограммирована генетически и наследуется.
На определённом этапе жизнедеятельности в клетках образуются специальные белковые молекулы, определённая концентрация которых сигнализирует о необходимости деления или гибели.
Интерфаза. Периоды интерфазы
Определение 2
Интерфаза – это период жизненного цикла клетки, во время которого она живёт, функционирует и готовится к делению.
Началом интерфазы и всего клеточного цикла можно считать момент окончания предыдущего цитокинеза.
Первый период интерфазы – пресинтетический , или $G_1$. На протяжении этого периода генетическая информация, закодированная в ДНК, находится в состоянии максимального функционирования – ДНК руководит синтезом РНК и белков. В этот период, который является наиболее длительным, клетки растут, дифференцируются и выполняют свои функции. В ядрах таких клеток содержится диплоидный набор хромосом, каждая из которых состоит из одной молекулы ДНК. Генетическая формула клетки в этот период – $2n2c$, где $n$ – гаплоидный набор хромосом, $c$ – количество копий ДНК.
Во время следующего, синтетического , периода ($S$) синтезируется и удваивается ДНК. В результате каждая хромосома уже состоит из двух хроматид, из двух дочерних молекул ДНК, соединённых в участке центромеры. Количество генов увеличивается вдвое. Удваивается и количество белков хроматина. Генетическая формула в этот период – $2n4c$.
Репликация ДНК является очень важным моментом во время подготовки клетки к делению. Только репликация лежит в основе как бесполого, так и полового размножения, а, значит, и непрерывности жизни.
Момент начала фазы $S$ называется точкой рестрикции . Синтез ДНК запускается с появлением специальных сигнальных молекул белков-активаторов $S$-фазы. В конце $S$- фазы, после полной репликации ДНК, белок-активатор разрушается, и клетка может переходить к следующему периоду. Клетки, не имеющие «разрешения» на деление, не способны пройти точку рестрикции. Такие клетки на определённый период времени останавливаются в состоянии «покоя» - в $G_0$-фазе, поддерживая метаболизм и выполняя свои функции.
Нейроны и мышечные клетки могут функционировать на протяжении всей жизни организма.
В постсинтетическом периоде $G_2$ клетки готовятся к митозу. Происходит постепенное разрушение цитоскелета, начинается конденсация и спирализация хроматина. Усиливается синтез АТФ, белков, РНК, липидов и углеводов. Формируются новые органеллы клетки. Размеры клетки значительно увеличиваются. Синтезируются специальные белки-регуляторы, которые способствуют переходу клетки из фазы $G_2$ к делению. Период $G_2$ переходит в профазу митоза. Это тот момент клеточного цикла, когда впервые в световой микроскоп можно увидеть хромосомы, сформировавшиеся из хроматина.
Жизненный цикл клеток многоклеточного организма контролируется окружающими клетками и гуморальными факторами организма. Существенную роль в регуляции играют также специальные белки, которые образуются клеткой под влиянием собственной генетической программы.
К числу важнейших изменений в клетке, которые происходят в интерфазе и готовят клетку к делению, относятся спирализация и сокращение половинок хромосом (хроматид), удвоение уентриолей, синтез белков будущего ахроматинового веретена, синтез высокоэнергетических соединений (в основном, АТФ). Клетка завершает свой рост и готова вступить в профазу следующего митоза.
Цитокинез
Следующий после митоза этап клеточного цикла - цитокинез – деление цитоплазмы.
По экватору материнской клетки животных организмов образуется перетяжка. Эта структура образуется ещё в телофазе митоза. Перетяжка деления формируется из микрофилламентов цитоскелета, которые образуют сократительное кольцо. Оно постепенно уменьшается, и перетяжка всё более углубляется по всему периметру. Через некоторое время материнская клетка делится на две дочерние. В образовании перетяжки и её углублении, а также в полном делении дочерних клеток активное участие берёт цитоскелет. После цитокинеза обе доерние клетки содержат все компоненты материнской клетки.
Замечание 2
Если после митоза не происходит цитокинез, то образуются многоядерные клетки.
Вопрос 1.
Жизненным циклом клетки
называется совокупность событий, протекающих в ней от момента ее возникновения до гибели или последующего деления.
Совокупность последовательных и взаимосвязанных процессов в период подготовки клетки к делению, а также на протяжении самого митоза называется митотическим циклом, который составляет часть жизненного цикла (рис. 2).
жизненный цикл
клеток включает весь период существования клетки и таким образом включает митотический цикл, дифференцировку, выполнение ею определенных функций, старение и смерть клетки.
Жизненный цикл может соответствовать митотическому циклу - это характерно для неспециализированных стволовых клеток. Стволовые или камбиальные клетки (эпителиальные, клетки кроветворных органов), дают начало всем другим клеткам, т.е. они постоянно делятся, поэтому у них митотический цикл равен жизненному.
Большинство же клеток покидают митотический цикл после деления (редко до него), специализируются и выполняют специфические функции иногда недолго, как клетки эпителия кожи или лейкоциты, а в ряде случаев в течение всей жизни организма, как нейроны головного мозга.
В жизненном цикле различают 2 вида гибели клеток: некроз и апоптоз.
Некроз (греч. necros - мертвый)– это смерть клетки в результате тяжелых повреждений. Это могут быть: травмы, радиация, действие токсическеских веществ, гипоксия, нарушение обмена веществ, старение клеток. Под действием этих факторов разрушение клеток идет хаотично, продукты распада оказывают раздражающие действие на окружающие ткани, т.е. идет патологический процесс.
Апоптоз (от греч. Apoptosis - опадение) – это генетически запрограммированная гибель клетки, вызванная внутренними или внешними причинами. В различных типах клеток такая запрограммированная гибель клеток специфична. На стадиях эмбрионального развития при формировании частей органов, тканей (т.е. при формообразовании) идет запрограммированная гибель клеток. В иммунной системе, например интерлейкины индуцируют или ингибируют апоптоз иммуноцитов. Клетки опухолей имеют пониженную способность запускать механизм апоптоза. Некоторые вирусы (герпеса, гриппа, аденовирусы) наоборот, индуцируют апоптоз и направляют гибель клеток хозяина. Материал погибших клеток перерабатывается макрофагами и может быть использован другими клетками. Воспалительных процессов вокруг клеток, подвергшихся апоптозу, не возникает и жизнедеятельность ткани не нарушается.
Рис. 2. Жизненный цикл клетки многоклеточного организма:
А - митотический цикл; Б - переход в дифференцированное состояние;
В - гибель
Вопрос 2.
Митотический цикл
- совокупность процессов, протекающих в клетке во время подготовки ее к делению - в интерфазе и на протяжении митоза. В митотическом цикле различают периоды: интерфаза и митоз.
Интерфаза
– это период между двумя делениями клетки продолжается в среднем 23 часа и включает три периода.
Митоз
(греч. mitos
- нить) - непрямое деление клетки; состоит из четырех фаз - профазы, анафазы, метафазы и телофазы. В результате происходит точное и равномерное распределение между дочерними клетками хромосомного материала. Обе дочерние клетки оказываются абсолютно одинаковыми.
Вопрос 3.
Две спирали старой матрицы молекулы ДНК расходятся, и каждая становится матрицей для воспроизводства новых цепей ДНК. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую полинуклеотидную цепь и одну новую.
В процессе синтеза ДНК принимает участие целая группа ферментов, из которых важнейший - ДНК-полимераза. Удвоение молекул ДНК происходит с удивительной точностью, чему способствует двухцепочечное строение молекулы: новая молекула абсолютно идентична старой. В этом заключается глубокий биологический смысл, потому что именно эти одинаковые (идентичные) молекулы затем, в процессе митоза, будут распределены в дочерние клетки.
Вопрос 4.
В митотическом цикле различают периоды: интерфаза и митоз.
Интерфаза – это период между двумя делениями клетки и включает три периода:
G 1
– постмитотический или пресинтетический, следует сразу после деления – длится от 10 часов до нескольких суток.
Характеристика этого периода:
1. в ядре с ДНК в результате транскрипции синтезируются все виды РНК.
2. в ядрышке синтезируются р-РНК и вместе с белками собираются субъединицы рибосом.
3. в цитоплазме синтезируются ядерные и цитоплазматические белки.
4. строятся и удваивается количество органелл.
5. осуществляется рост клеток.
6. клетки дифференцируются и специализируются.
Набор хромосом в этот период составляет - 2п2с.
S
– синтетический период, длится от 6 до 12 часов.
Характеристика этого периода:
1. основной процесс этого периода – репликация ДНК, которая осуществляется под действием фермента ДНК-полимераза, на каждой из цепей из свободных нуклеотидов достраивается комплементарная цепь, т.е. строится вторая хроматида (по принципу комплементарности и полуконсервативности).
2. синтезируются белки – гистоны, необходимые для построения хроматид и они поступают через ядерные поры в ядро.
G
2 – постсинтетический или премитотический, длится от 3 до 6 часов.
Характеристика этого периода:
1. продолжается синтез всех видов белков (ядерных и цитоплазматических).
2. накапливается большое количество АТФ.
3. восстанавливается исходный объем клетки.
4. возрастает объем ядра.
Набор хромосом в этот период составляет - 2п4с.
Разные клетки имеют различную продолжительность клеточного цикла, например:
Лейкоциты от 3 до 5 суток;
Эпителий кожи 20-25 суток;
Клетки костного мозга 8-12 часов.
Специализированные или дифференцированные клетки (нейтрофилы, базофилы, эозинофилы, нервные, мышечные) после образования (митоза) вступают в G период, в их цитоплазме синтезируются вещества, которые тормозят способность клеток реплицировать ДНК, т.е. утрачивается способность перейти в S период и они весь жизненный цикл находятся в этом периоде.
В растущих тканях животных и растений есть клетки, которые не проходят регулярно интерфазу и митоз, а находятся в периоде покоя, т.е. в G0 периоде, они перестают размножаться. В некоторых тканях клетки могут длительное время, находится G 0 – фазе, не изменяя своих морфологических свойств, т.е. они сохраняют способность к делению, это чаще всего дифференцированные клетки. Так, например, большинство клеток печени находятся в G 2 – периоде, они не участвуют в синтезе ДНК и не делятся. Однако, если произвести удаление части печени, то многие клетки начинают подготовку к митозу (G 1 – период), переходят к синтезу ДНК и смогут митотически делиться.
Вопрос 5.
Митоз (кариокинез)
– это непрямое деление клетки, в котором выделяют фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.
1. Профаза характеризуется:
1) хромонемы спирализуются, утолщаются и укорачиваются.
2) ядрышки исчезают, т.е. хромонема ядрышка упаковывается к хромосомам, имеющим вторичную перетяжку, которую называют ядрышковый организатор.
3) в цитоплазме образуется два клеточных центра (центриолей) и формируются нити веретена деления.
4) в конце профазы, распадается ядерная оболочка и хромосомы оказываются в цитоплазме. Набор хромосом профазы составляет - 2п4с.
2. Метафаза характеризуется:
1) к центромерам хромосом прикрепляются нити веретена деления и хромосомы начинают двигаться и выстраиваются на экваторе клетки.
2) метафазу называют «паспортом клетки», т.к. хорошо видно, что хромосома состоит из двух хроматид. Хромосомы максимально спирализованы, хроматиды начинают отталкиваться друг от друга, но еще соединены в области центромера. На этой стадии изучают кариотип клеток, т.к. четко видно число и форма хромосом. Фаза очень короткая.
Набор хромосом метафазы составляет - 2п4с.
3. Анафаза характеризуется:
1) центромеры хромосом делятся и сестринские хроматиды расходятся к полюсам клетки и становятся самостоятельными хроматидами, которые называют дочерними хромосомами. На каждом полюсе в клетке находится по диплоидному набору хромосом.
Набор хромосом анафазы составляет - 4п4с.
4. Телофаза характеризуется:
Однохроматидные хромосомы деспирализуются у полюсов клетки, образуются ядрышки, восстанавливается ядерная оболочка.
Набор хромосом телофазы составляет - 2п2с.
Телофаза заканчивается цитокинезом. Цитокинез – процесс разделения цитоплазмы между двумя дочерними клетками. Цитокинез происходит по разному у растений и животных.
В животной клетке. На экваторе клетки появляется кольцевидная перетяжка, которая углубляется и полностью перешнуровывает тело клетки. В результате образуется две новые клетки вдвое меньше материнской клетки. В области перетяжки много актина, т.е. в движении играют роль микрофиламенты.
Цитокинез идет путем перетяжки.
В растительной клетке. На экваторе, в центре клетки в результате скопления пузырьков диктиосом комплекса Гольджи, образуется клеточная пластинка, которая разрастается от центра к периферии и приводит к разделению материнской клетки на две клетки. В дальнейшем перегородка утолщается, за счет отложения целлюлозы, образуя клеточную стенку.
Цитокинез идет путем перегородки.
В результате митоза образуется две дочерние клетки с таким же набором хромосом, как и материнская клетка.
Схема митоза.
Значение митоза:
1. Генетическая стабильность, т.к. хроматиды образуются в результате репликации, т.е. наследственная информация их идентична материнской.
2. Рост организмов, т.к. в результате митоза число клеток увеличивается.
3. Бесполое размножение – многие виды растений и животных размножаются в результате митотического деления.
4. Регенерация и замещение клеток идет за счет митозов.
Нарушение митоза.
Под действием внешних факторов, таких как все виды ионизирующих лучей, химических веществ, некоторых ядов правильное течение митоза может быть нарушено:
1. Хромосома может смещается к одному полюсу клетки, т.е. одна дочерняя клетка получит лишнюю хроматиду, а в другой - не будет этой хроматиды.
2. Если хромосома без центромерного района окажется вблизи центральной части клетки, то вероятно, что она не переместится ни к одному полюсу, т.е. может быть потерянной.
3. Есть химические вещества, которые предшествуют образованию нитей веретена деления, но не влияют на способность хромосом к разделению центромерных районов и переходу в интерфазное состояние. Эти вещества называют цитостатики, т.е. останавливают клеточное деление. Например, такие цитостатики как колхицин и винбластин. Без веретена деления хромосомы не могут разойтись к полюсам, поэтому образуется одно ядро с удвоенным набором хромосом т.е. полиплоидные. Такой метод получения полиплоидных клеток используется в селекции растений. Такие растения более крупные и у них высокая продуктивность.
