Cosa comprende il ciclo vitale di una cellula? Ciclo di vita cellulare

3.1. ciclo di vita cellulare

I cambiamenti regolari nelle caratteristiche strutturali e funzionali di una cellula nel tempo costituiscono il contenuto del suo ciclo di vita. Ciclo vitale (cellulare).(Fig. 3.1) è il periodo di esistenza di una cellula dal momento della sua formazione dovuta alla divisione della cellula madre fino alla sua stessa divisione o morte. Una componente essenziale del ciclo cellulare - Ciclo mitotico (proliferativo).(vedi Fig. 3.1, I) - un complesso di eventi unidirezionali, regolati, interconnessi e ordinati nel tempo che si verificano nel processo di preparazione di una cellula per la divisione, durante la divisione e immediatamente dopo il completamento della divisione. Oltre al ciclo mitotico, comprende il ciclo vitale delle cellule di un organismo multicellulare periodo

Riso. 3.1. Ciclo di vita di una cellula di un organismo multicellulare: I - ciclo mitotico; II - transizione della cellula a uno stato differenziato; III - morte cellulare; G1 - periodo presintetico (postmitotico) dell'interfase; G2 - periodo postsintetico (premitotico) dell'interfase; S - periodo sintetico di interfase; Ri E R2 - periodi di riposo; M - mitosi; 2s - quantità diploide di DNA, 4s - quantità tetraploide (doppia) di DNA

svolgere funzioni specifiche (cellule differenziate) E periodi di riposo(figlie formate a seguito della mitosi le celle "attendono un segnale" differenziarsi o entrare nel ciclo mitotico).

La Figura 3.1, II ne mostra due che si sono distinti dalla citologia nella seconda metà del XX secolo. periodo di riposo, designato come R1 E R2(Inglese, riposo). Il primo (RJ) cade nel periodo postmitotico (presintetico) dell'interfase del ciclo mitotico ed è talvolta designato come periodo G 0, il secondo (R2)- per il periodo postsintetico (premitotico) dell'interfase ed è talvolta chiamato periodo G2. La presenza di un periodo di riposo postsintetico (R 2 o G 2) non è senza motivo contestata.

Esistono tipi noti di cellule il cui ciclo vitale è rappresentato esclusivamente dal ciclo mitotico, ad esempio i blastomeri nella fase di scissione nell'embriogenesi.

Il completamento del ciclo vitale di una cellula può essere associato all’avvio di un meccanismo di morte geneticamente controllata (autodistruzione) o apoptosi, così come la morte dovuta a fattori sfavorevoli - necrosi cellulare(vedi punto 3.1.2 e Fig. 3.1, III).

Un'altra direzione di cambiamento nello stato di una cellula nel ciclo di vita è la sua trasformazione esplosiva, quelli. trasformazione in tumore (non mostrato in Fig. 3.1). Acquisisce la capacità di riprodursi all'infinito e diventa formalmente immortale (a condizioni in vitro, fuori del corpo). In vivo La durata della vita di una tale cellula è limitata dalla morte dell'organismo portatore del tumore.

3.1.1. CICLO MITOTICO (PROLIFERATIVO).

Mitotico O ciclo proliferativo(vedi Fig. 3.1, I) - la base del ciclo di vita di tutte le cellule. Il suo significato biologico risiede nel fatto che garantisce la continuità dei cromosomi (e quindi dei genomi, dei geni) in una serie di generazioni cellulari, cioè la formazione di cellule è uguale nella quantità di DNA e nel contenuto delle informazioni ereditarie. Pertanto, il ciclo è un meccanismo universale per riprodurre l'organizzazione cellulare di tipo eucariotico nello sviluppo individuale delle forme viventi.

Fino all'ultimo terzo del XX secolo. la questione se il processo mitotico garantisca l'eredità da parte delle cellule di un'informazione genetica completa sotto tutti gli aspetti è stata oggetto di controversia scientifica. Clonazione riuscita di animali: rane (Fig. 3.2), topi, maiali, capre, pecore,

Riso. 3.2.Utilità bioinformativa (quantitativa e qualitativa) del DNA dei nuclei delle cellule somatiche. Clonazione riproduttiva di anfibi riuscita. Schema degli esperimenti

bovini - da cellule con citoplasma di un uovo e un nucleo di una cellula somatica (nel caso della famosa pecora Dolly - il nucleo di una cellula della ghiandola mammaria) è la base per una risposta affermativa. È noto, tuttavia, che la clonazione riproduttiva, finalizzata all'ottenimento di un nuovo organismo, produce un'elevata percentuale di discendenti con disabilità dello sviluppo (deformità).

Durante l'evoluzione degli organismi multicellulari, la mitosi è servita come base meiosi, che è un meccanismo centrale e specifico per la formazione delle cellule germinali: la gametogenesi. La meiosi si verifica in tutti i tipi di organismi che si riproducono sessualmente. Fondamentale dal punto di vista biologico generale risultato della mitosi consiste nel mantenere un numero diploide costante di cromosomi in una serie di generazioni cellulari. Meiosi, contro, porta alla formazione da cellule diploidi gameti aploidi. Durante la fecondazione viene ripristinato l'insieme diploide dei cromosomi (cariotipo) caratteristico della specie.

Gli eventi principali del ciclo mitotico sono replica(autoduplicazione, autocopiatura) materiale ereditario- DNA della cellula madre, nonché uniforme E equa distribuzione di questo materiale tra le cellule figlie. Questi eventi sono accompagnati da cambiamenti naturali nell'organizzazione morfologica e chimica dei cromosomi (vedi paragrafi 2.4.3.4, 2.4.3.4-a, 2.4.3.4-b, 2.4.5.3). Sulla base dei due eventi nominati nel ciclo mitotico, riproduttivo E fase di separazione, pertinente interfase E mitosi propriamente detta citologia classica.

3.1.1.1. Una cellula nel ciclo mitotico. Interfase

Durante il periodo iniziale dell'interfase (postmitotico, presintetico O periodo G 2) le caratteristiche organizzative della cellula interfase vengono ripristinate e la formazione del nucleolo, iniziata nella telofase della mitosi, viene completata. Nel citoplasma, parallelamente alla riorganizzazione dell'ultrastruttura, viene intensificata la biosintesi delle proteine, di cui quantità significative sono destinate al nucleo appena creato. La formazione energetica delle proteine ​​contribuisce al ripristino di un importante parametro cellulare: la sua massa. Se la cellula sta per entrare nel ciclo mitotico successivo, le sintesi diventano dirette. Si forma un pool di precursori chimici del DNA, si formano enzimi e altre proteine ​​di replicazione. L'ingresso di una cellula nel successivo periodo sintetico di interfase richiede il suo passaggio punti di restrizione, cadente alla fine del periodo G 1.

Presumibilmente la transizione della cellula da G1-periodo in periodo S associato alla presenza del fattore di crescita insulino-simile che, agendo su una specifica proteina recettore della membrana cellulare, avvia il processo trasduzione del segnale: le proteine ​​portatrici del segnale vengono attivate in sequenza (proteine ​​G, enzimi tirosina chinasi citoplasmatici, proteine ​​ciclina attivate da essi, ecc.), proteine ​​che si legano al nucleo (apparentemente assicurano il trasferimento di molecole segnale o complessi di segnale attraverso l'involucro nucleare), proteine - fattori di trascrizione (capaci di interagire specificatamente con le proteine ​​dei promotori di alcuni geni, provocandone l'attivazione o la repressione, vedere anche il paragrafo 2.4.3.1 - proteine ​​da shock termico). A seconda di quali geni vengono attivati ​​e quali repressi, la cellula entra nel periodo sintetico del ciclo mitotico (scelta della direzione della “proliferazione”) o nella differenziazione (vedi Fig. 3.1).

Se una cellula non supera il punto di restrizione, allora esce dal ciclo mitotico e, come già accennato, prende la via specializzazione (differenziazione) in una certa direzione strutturale e funzionale (vedi Fig. 3.1, II), o interrompe il suo movimento attraverso il ciclo cellulare(nessuna preparazione alla mitosi, nessuna differenziazione), entra in un periodo di riposo e, se questo è il periodo R1, rimane in G0 popolazione cellulare (vedi qui sotto). Alcuni tipi di cellule specializzate (globuli rossi) perdono permanentemente la possibilità di ritornare al ciclo mitotico e alla fine muoiono (differenziazione terminale- vedi fig. 3.1, III), mentre altri (linfociti, fibroblasti, cellule epatiche) mantengono questa prospettiva e, in condizioni appropriate, procedono nuovamente alla divisione (vedi Fig. 3.1, II). Cellule che hanno smesso di muoversi durante il ciclo cellulare e si trovano in un periodo R1 costituiscono le interfasi Popolazione di cellule G0. Ritornano al ciclo mitotico sotto l'influenza di segnali stimolanti la mitosi (mitogenetici).

IN sintetico O periodo S avviene l'interfase raddoppiando la quantità (replicazione) del materiale ereditario della cellula. Con alcune eccezioni (che completano le catene di DNA sottoreplicato dei telomeri cromosomici, vedere la sezione 2.4.3.4-d), il DNA viene replicato in modo semi-conservativo (vedere la sezione 2.4.5.3, nonché la Figura 2.25). Il DNA viene replicato una volta per ciclo mitotico. Il meccanismo che blocca la ri-replicazione non è chiaro. Presumibilmente è associato alla funzione delle proteine ​​del complesso di replicazione (vedi sezione 2.4.5.3).

L'ingresso di una cellula nel ciclo mitotico è innescato da un segnale mitogenico (mitogenetico), il cui ruolo è solitamente svolto dal corrispondente fattore di crescita. Il fattore di crescita attiva la via di segnalazione intracellulare (il fenomeno della trasduzione del segnale, vedi qui sopra), che si traduce nell'inclusione nel processo Cavolo. La loro transizione verso uno stato funzionalmente attivo avviene combinando due subunità: quella catalitica e la proteina della famiglia cicline. Le cellule dei mammiferi hanno nove cicline diverse e sette diverse Cavolo. Le loro varie combinazioni determinano la regolazione del passaggio della cellula attraverso i singoli periodi del ciclo mitotico. Quindi, il passaggio di una cellula sintetica da una cellula (S) periodo richiede un cambiamento coerente di complessi "ciclina A - Cdk 2" E "Ciclina B - Cdk 2". Anche la ciclina B partecipa alla fase finale del ciclo mitotico: la sua degradazione è necessaria affinché la cellula entri nell'anafase della mitosi. Il segmento iniziale del periodo interfase G 1 viene effettuato con la partecipazione del complesso "ciclina D - Cdk 4" e/o "ciclina D - Cdk 6". Questi stessi complessi sono necessari per il ritorno delle cellule della popolazione G0 al ciclo mitotico. La parte finale del periodo presintetico prevede la partecipazione del complesso "ciclina E - Cdk 2". Il cambiamento dei periodi di interfase, la relazione temporale tra interfase e mitosi sono determinati dal fatto che durante il periodo precedente si formano fattori di trascrizione che attivano i geni che controllano il periodo successivo: SOL 1 -S - SOL 2 - mitosi.

Nelle cellule che hanno attraversato il periodo sintetico, i cromosomi contengono il doppio dei cromosomi diploidi rispetto a quelli usuali nelle cellule somatiche (2c, dove Con- quantità aploide di DNA), quantità tetraploide (4c) di materiale genetico (DNA).

Insieme al DNA, durante il periodo S interfase, RNA e proteine ​​si formano intensamente e quantità di proteine ​​istoniche, proprio come il DNA raddoppia rigorosamente. Quest'ultimo non sorprende, data la presenza di DNA nei cromosomi come parte del complesso nucleoistone. In questo caso, il rapporto di massa tra DNA e istoni è 1:1.

Nel periodo sintetico una piccola parte del DNA mitocondriale raddoppia la sua quantità, mentre la maggior parte si replica nel periodo post-sintetico (G2) periodo interfase.

Da altri eventi citoplasmatici del periodo S dovrebbe essere chiamato duplicazione dei centrioli del centro cellulare.

Il periodo di tempo che va dalla fine del periodo sintetico all'inizio della mitosi è indicato come veloce(Dopo )sintetico, premitotico

scioso O periodo G2. Si distingue per la formazione attiva di RNA e proteine. Alcune di queste proteine ​​sono direttamente associate alla prossima mitosi. Tra queste figurano in particolare le tubuline, che vengono utilizzate per costruire i microtubuli del fuso. Durante il periodo G2 finisce raddoppio della massa cellulare totale. Attuazione del programma periodico G2 richiede il proprio complesso ciclina chinasi: "ciclina B - Cdk 1". Questo complesso introduce la cellula nella mitosi e regola il decorso di quest'ultima.

3.1.1.2. Una cellula nel ciclo mitotico. Mitosi

In realtà mitosi suddiviso in quattro fasi (Fig. 3.3 e Tabella 3.1). Tabella 3.1. Eventi di fasi successive della mitosi

Fine del tavolo. 3.1

Riso. 3.3.Mitosi in una cellula animale: a - profase; b - metafase; c - anafase; g - telofase

La durata del ciclo mitotico varia e per la maggior parte delle cellule animali rientra nell'intervallo da 10 a 50 ore. Nei mammiferi, il tempo della mitosi stessa è di 0,5-1,5 ore, il periodo post(post)mitotico dell'interfase è di 9 ore, il periodo di interfase post(post)mitotico è di 9 ore. il periodo sintetico è di 6-10 ore, il periodo premitotico è di 2-5 ore, senza tenere conto della possibile permanenza delle cellule nei periodi di riposo. Il tempo dei singoli periodi dell'interfase del ciclo mitotico può superare i limiti specificati. Pertanto, nella gametogenesi maschile negli spermatogoni pre-meiotici dei mammiferi, il periodo sintetico dura 15 ore e negli spermatociti meiotici - circa 100 ore.

Sono note deviazioni tipiche durante l'una o l'altra fase della mitosi. In una certa misura, queste deviazioni portano a conseguenze patologiche. Le deviazioni nel processo di spiralizzazione (condensazione) dei cromosomi in profase spesso li fanno gonfiare e aderire, bloccando il passaggio alle fasi successive. Può rompersi un frammento di un cromosoma che, se viene privato di un centromero, cade dal movimento anafase verso i poli della cellula e va perso. Nella genetica, questo viene valutato come una mutazione cromosomica - delezione. Se la fecondazione avviene con la partecipazione di una cellula germinale portatrice di un cromosoma cancellato, ciò influenzerà lo sviluppo dell’organismo del figlio, e in modo sfavorevole, fino alla sua morte. I singoli cromatidi (cromosomi figli) possono restare indietro nel movimento, con conseguente formazione di cellule con set cromosomici sbilanciati. I genetisti classificano questo come una mutazione genomica - aneuploidia. Il danno al fuso provoca un ritardo della mitosi in metafase, disturbi nella struttura della placca metafase e “dispersione” dei cromosomi. Quando il numero dei centrioli cambia, si verificano mitosi multipolari e asimmetriche, patologiche nelle loro conseguenze.

3.1.2. CONTROLLO DEL NUMERO DI CELLULE IN UN ORGANISMO MULTICELLULARE. APOPTOSI. NECROSI CELLULARE

L'emergere di forme viventi multicellulari nell'evoluzione ha dato origine a una serie di problemi specifici. Tenendo conto del requisito della discrezione (vedi paragrafo 1.3), uno di questi compiti è limitare il numero di cellule che compongono il corpo. In effetti, le dimensioni degli animali viventi, ad esempio i mammiferi, rientrano in un certo intervallo (confronta: topo ed elefante). Nell'evoluzione della stessa specie, si osserva spesso una divergenza in una caratteristica come la dimensione corporea. Quindi, c'erano una volta gli elefanti nani. Sono note popolazioni di persone i cui rappresentanti differiscono in media in misura maggiore (singoli gruppi di aborigeni neri a nord del confine delle foreste tropicali - tribù Masai, polinesiani delle Isole Marchesi, scozzesi) o meno (pigmei dell'Africa centrale e del sud-est asiatico, Boscimani del Sud Africa). Sembra importante che il corpo di un essere vivente multicellulare sia formato da un certo numero di tipi di cellule specializzate (differenziate) necessarie per garantire l'attività vitale. In una persona nel cui corpo ci sono 10 13 -10 14 cellule, ce ne sono 220-250 di questi tipi. Il numero di elementi cellulari di ciascun tipo, sebbene variabile, è limitato ad un certo limite. Esistono prove che i tipi cellulari funzionalmente correlati sono in rapporti quantitativi regolari. Il controllo del numero di cellule somatiche (corporee) nel corpo nel suo complesso e del numero di cellule di determinati tipi di specializzazione viene effettuato, da un lato, a livello di proliferazione e, dall'altro, grazie al meccanismo della morte cellulare geneticamente controllata (apoptosi).

Nei tessuti e negli organi in cui la composizione cellulare si rinnova durante tutta la vita di un individuo, il cosiddetto zone cambiali (matrice). con cellule precursori proliferanti di specifici tipi cellulari di specializzazione. In rapporto alle cellule epiteliali della mucosa dell'intestino tenue, questo è il “fondo” delle cripte, l'epidermide della pelle è lo strato basale delle cellule dello strato epiteliale, le cellule del sangue periferico (eritrociti, leucociti) sono lo strato basale midollo osseo rosso. Secondo la nomenclatura moderna, le cellule delle zone cambiali sono classificate come regionale O residente(a differenza di quelle embrionali, che si distinguono per toti(omni)potenza; secondo alcuni ricercatori, che lasciano la proprietà della toti(omni)potenza esclusivamente allo zigote, le ESC della massa cellulare interna sono caratterizzate da multi(pluri) potenza) cellule staminali, caratterizzato da

pluripotenza (le cellule staminali emopoietiche danno origine ad uno spettro abbastanza ampio di tipi cellulari specializzati nel sangue periferico), oligopotenza (le cellule delle zone bentoniche delle cripte danno origine ad un numero limitato di cellule specializzate dell'epitelio intestinale - presumibilmente quelle “bordate” epitelio assorbente e alcuni, ma non tutti i tipi di ghiandole unicellulari) e persino unipotenza (le cellule dello strato basale dell'epidermide danno solo scaglie cornee attraverso una serie di forme transitorie).

La proliferazione cellulare come fattore nella regolazione del numero di cellule è sotto controllo genetico. Pertanto, la mosca della frutta (Drosophila) presenta una mutazione, caratterizzata da un aumento di uno del numero di divisioni cellulari in fase di sviluppo. Fenotipicamente, la mutazione si manifesta con un raddoppio delle dimensioni corporee a causa di un numero raddoppiato di cellule somatiche.

Insieme alla proliferazione cellulare, il numero di cellule nelle strutture del corpo di un animale è determinato dall'intensità e dalle caratteristiche temporali (ad esempio, relative al periodo di ontogenesi o allo stato funzionale) della loro morte.

Per molto tempo, la scienza conosceva un tipo di morte cellulare in un organismo multicellulare: necrosi cellulare(vedi qui sotto), che avviene in risposta all’azione di fattori sfavorevoli. Ultimo quarto del XX secolo. segnato dalla scoperta e dallo studio attivo di un altro tipo di morte cellulare - apoptosi, che si verificano al di fuori del collegamento diretto con l'azione degli agenti dannosi sulle cellule.

A differenza della necrosi, l’apoptosi è un tipo di morte cellulare geneticamente controllata e come tale è un meccanismo cellulare evolutivamente “sviluppato” di sviluppo e attività vitale degli esseri viventi multicellulari (come proliferazione o differenziazione cellulare) (vedi anche sezione 8.2.4). Sono stati descritti molti processi e condizioni nell'embriogenesi e nell'organismo adulto in cui prende parte l'apoptosi. Pertanto, essendo eventi naturali, il riassorbimento della coda nel girino e delle branchie nel tritone durante la metamorfosi degli anfibi, la morte delle cellule dei dotti di Wolff o di Müller durante la formazione del sistema genito-urinario rispettivamente nelle femmine e nei maschi, la determinazione del numero finale di cellule nervose dei nuclei del cervello o l'acquisizione della forma richiesta, ad esempio, il femore rimuovendo le cellule nelle corrispondenti zone "bianco-bianco" (funzione scultorea) nello sviluppo intrauterino dei mammiferi , e molto altro ancora, sono forniti dall'apoptosi. In età adulta, nella donna, le cellule follicolari muoiono per apoptosi dopo l'ovulazione e, al termine dell'allattamento, muoiono le cellule della ghiandola mammaria.

Nell'esperimento, la rimozione dei testicoli (castrazione) porta alla morte per apoptosi delle cellule della prostata, mentre la rimozione della ghiandola pituitaria provoca la morte delle cellule surrenali.

La varietà delle situazioni che coinvolgono l'apoptosi, la loro non casualità e il fatto che l'apoptosi appartiene ai meccanismi cellulari naturali di sviluppo e attività vitale sollevano la questione della natura dei segnali che innescano questo tipo di morte cellulare. Alcuni degli esempi sopra riportati (ghiandole mammarie dopo l'allattamento, castrazione, riassorbimento della coda di girino) indicano che in situazioni legate allo sviluppo individuale e all'attività vitale, questi segnali sono spesso di natura ormonale e l'apoptosi è una reazione ai cambiamenti nello stato ormonale del corpo. Nel caso delle ghiandole mammarie o della prostata, si tratta rispettivamente di un calo del livello di progesterone o di androgeni. Quando la coda del girino viene riassorbita durante la metamorfosi si parla di tiroxina.

L'apoptosi si verifica quando mancano le molecole regolatrici necessarie per la vita di un certo tipo di cellula. Quindi, in assenza del fattore di crescita nervoso (Ing. NGF- Fattore di crescita nervosa cellule nervose in condizioni in vitro(nella coltura cellulare, all'esterno del corpo) muoiono per apoptosi. Altre molecole regolatrici, come il fattore di necrosi tumorale, TNF. TNF- Fattore di necrosi tumorale), causare la morte per apoptosi di diversi tipi di cellule. Un segnale per l'apoptosi può essere una violazione del metabolismo cellulare dovuta all'azione delle tossine esogene.

Il sistema citogenetico che determina lo sviluppo dell'apoptosi è simile nei rappresentanti di taxa diversi, compresi quelli molto distanti tra loro in termini evolutivi, ad esempio nel nematode C. elegans e vertebrati. Il suo segmento iniziale è rappresentato da un regolatore, un adattatore e un effettore. Nei vertebrati la funzione regolatrice è svolta dalle proteine bcl-2, che inibisce la proteina adattatrice Apaf-1, stimolando gli enzimi caspasi. Le caspasi, che agiscono come effettori, sono proteinasi che scindono molecole di varie proteine ​​(nei vertebrati esistono più di 60 proteine ​​bersaglio di questo tipo).

Un'idea del processo di apoptosi è data dal diagramma di Fig. 3.4. In presenza di un corrispondente fattore trofico, nel citoplasma è presente una proteina fosforilata e in questo stato inattiva Cattivo-P. In assenza di un fattore trofico, la proteina denominata viene defosforilata e convertita nella forma attiva - Cattivo. Quest'ultimo, legandosi alla proteina regolatrice della membrana mitocondriale esterna bcl-2, lo priva delle proprietà anti-apoptotiche, che convertono la proteina pro-apoptotica Bax in uno stato attivo. In tali condizioni, i mitocondri

Riso. 3.4.Opzione per lo sviluppo dell'apoptosi: fattore scatenante - assenza di un fattore trofico vitale (diagramma): 1 - membrana plasmatica; 2 - membrana esterna del mitocondrio; 3 - fattore trofico; 4 - recettore del fattore trofico; 5 - defosforilazione della proteina proapoptotica Cattivo; 6 - inattivazione della proteina anti-apoptotica Bcl-2; 7 - rilascio del citocromo C dal mitocondrio nel citosol; 8 - attivazione della proteina proapoptotica Bax, apertura dei canali ionici; 9 - il citocromo C attiva la proteina adattatrice Apaf-1; 10 - attivazione della procaspasi 9; 11 - caspasi attiva 9; 12 - attivazione della caspasi 3; 13-15 - distruzione della lamina nucleare (lamina densa, vedere sezione 2.4.3.1), strutture citoscheletriche, condensazione e frammentazione della cromatina

In questo caso, un flusso di ioni scorre attraverso i canali ionici aperti e l'enzima citocromo C esce dall'organello nel citosol.Il complesso dell'enzima indicato e della proteina adattatrice Apaf-1 converte la procaspasi 9 nella forma attiva. La caspasi 9, a sua volta, attiva la caspasi 3, che, esibendo le proprietà di una proteasi, provoca la degradazione delle proteine, in

in particolare, adesivo, che favorisce l'isolamento delle cellule apoptotiche da quelle vicine, e porta anche alla condensazione e alla disintegrazione della cromatina, delle strutture citoscheletriche e della lamina nucleare. I cambiamenti elencati significano che il destino della cellula è predeterminato ed è entrata nel percorso dell'apoptosi. Come risultato di cambiamenti intracellulari di natura distruttiva, la cellula si rompe in frammenti - corpi apoptotici, che vengono "riconosciuti", catturati e digeriti dai macrofagi. In questo caso, i macrofagi non rispondono alle cellule vicine, ma non alle cellule non apoptotiche.

La morte per apoptosi è causata non solo da eventi esterni alle cellule (cambiamenti dello stato ormonale, mancanza di un fattore di crescita vitale nell'organismo), ma anche da eventi intracellulari, in particolare danni irreparabili alla struttura chimica del DNA (vedere paragrafo 2.4. 5.3-a), fornendo geneticamente (bioinformativamente) difettosi e, quindi, zavorra o minacciando la salute e persino la vita delle cellule (portando, a causa di disturbi genetici o bioinformativi, a stati funzionalmente difettosi che minacciano la salute e persino la vita della cellula) . In questi casi la fase iniziale del processo consiste nell'accumulo del fattore di trascrizione nel citoplasma p53, che attiva la proteina p21. Quest'ultimo, da un lato, impedisce alla cellula di entrare nel periodo S(blocco G1 del ciclo mitotico) o nella mitosi (blocco G2 del ciclo mitotico), mentre dall'altro attiva una proteina proapoptotica Bax(vedi qui sopra e Fig. 3.4). Ulteriori eventi si sviluppano secondo quelli mostrati in Fig. Scenario 3.4. L'evento che innesca l'apoptosi, di origine intracellulare, è l'effetto distruttivo delle specie reattive dell'ossigeno (ROS, radicali liberi - vedi sezione 2.4.8) sui mitocondri. La conseguenza di una violazione della struttura di questi organelli è il rilascio nel citosol citocromo C, la sua integrazione con Apaf-1, conversione della procaspasi 9 in caspasi 9, ecc. (vedi Fig. 3.4). Si può concludere che esistono varianti dell'apoptosi che differiscono nella natura del segnale iniziale e degli eventi all'inizio del processo.

La Figura 3.5 mostra schematicamente la morte cellulare, da un lato, per apoptosi, e dall'altro, per necrosi. Ovviamente si tratta di due processi separati. In primo luogo, differiscono nella morfologia e, in secondo luogo, nei fattori che li innescano. La necrosi cellulare è causata dal danno alla membrana plasmalemma e dalla soppressione dell'attività delle pompe ioniche della membrana da parte delle tossine, dalla mancanza di ossigeno, ad esempio, a causa dell'ischemia tissutale durante lo spasmo

Riso. 3.5.Apoptosi e necrosi cellulare - caratteristiche comparative della morfologia dei processi (diagramma): a - apoptosi: 1 - compressione cellulare specifica e condensazione della cromatina; 2 - frammentazione del nucleo; 3 - frammentazione del corpo cellulare con formazione di corpi apoptotici; b - necrosi: 1 - rigonfiamento delle strutture vacuolari e della cellula nel suo complesso, compattazione della cromatina, cariopicnosi e carioressi; 2 - ulteriore rigonfiamento degli organelli di membrana, cariolisi; 3 - distruzione delle strutture della membrana, lisi cellulare

o blocco dei vasi sanguigni (infarto miocardico, ictus ischemico), arresto degli enzimi mitocondriali a seguito dell'azione di alcuni veleni (cianuri). Tipicamente, la necrosi cellulare si sviluppa secondo il seguente scenario. La permeabilità della membrana citoplasmatica aumenta, si verifica l'irrigazione del citoplasma, che porta al rigonfiamento cellulare. Allo stesso tempo, le strutture citoplasmatiche vacuolari si gonfiano con la distruzione della membrana. I mitocondri cambiano in modo irreversibile, la produzione di energia si interrompe, il che influisce immediatamente sullo stato delle funzioni cellulari, che sono bloccate. A causa dell'aumento della concentrazione degli ioni Na+ e Ca++, il citoplasma si acidifica, le sintesi vitali, in particolare quelle proteiche, si fermano, gli enzimi idrolasi acida vengono rilasciati dai lisosomi (vedi sezione 2.4.4.4-c) e avviene la lisi cellulare. Allo stesso tempo, la cromatina dei nuclei viene compattata (cariopicnosi) seguita da disintegrazione (carioresi), si verificano rotture della membrana nucleare con successiva scomparsa del nucleo (cariolisi).

A differenza dell'apoptosi, in cui la morte cellulare è autonoma e non si diffonde alle cellule adiacenti alla cellula apoptotica, nella necrosi cellulare sono coinvolte nel processo vaste aree di tessuti e organi, cioè un certo numero di cellule contemporaneamente. Nella zona di necrosi si sviluppa l'infiammazione e l'area necrotica viene letteralmente “inondata” (infiltrata) di leucociti. Ciò non accade nel caso dell'apoptosi. Si può concludere che la morte cellulare geneticamente controllata attraverso l'apoptosi, a differenza della necrosi cellulare, non ha la natura di un processo patologico e, nei suoi parametri, soddisfa lo stato di uno dei meccanismi cellulari fondamentali di sviluppo e attività vitale di un organismo multicellulare.

3.1.3. DIFFERENZIAZIONE CELLULARE

Differenziazioneè il processo attraverso il quale le cellule si specializzano, cioè acquisire caratteristiche morfologiche, citochimiche e, soprattutto, funzionali che soddisfano le esigenze di un organismo multicellulare (vedere anche sezioni 8.2.5, 8.2.5.1, 8.2.5.2 e 8.2.6). In senso lato, la differenziazione è intesa come graduale, osservata, in particolare, in processo di embriogenesi attraverso una serie di divisioni successive e un cambiamento di posizione nel corpo dell'organismo in via di sviluppo, la comparsa di differenze sempre maggiori tra cellule originate da cellule relativamente omogenee

la corrente di uno specifico rudimento embrionale (ad esempio, lo strato germinale - ento-, ecto- o mesoderma). Sorgono cellule specializzate in una determinata direzione strutturale e funzionale in un corpo adulto, sostituendo, ad esempio, le cellule che muoiono costantemente - rigenerazione fisiologica.

Il processo di differenziazione cellulare, sia nell'embriogenesi che nell'età adulta, è “esteso” nel tempo, si estende a gruppi di cellule ed è definito dal concetto istogenesi. L'istogenesi inizia con le cellule staminali (in un adulto, staminali regionali, vedere la sezione 3.1.2), comprende diverse divisioni mitotiche, dando origine a una serie di forme cellulari intermedie regolari, e termina con l'emergenza di cellule differenziate. La comparsa di caratteristiche morfologiche, citochimiche, metaboliche e di altro tipo individuali durante l'istogenesi può verificarsi indipendentemente e, di regola, è associata a specifiche forme cellulari intermedie. L'intero insieme di caratteristiche rilevanti si rivela in una cellula matura differenziata, che la costituisce citofenotipo. Presumibilmente, questo aspetto indica un cambiamento da alcuni geni, trascritti attivamente nella fase precedente dell'istogenesi, ad altri.

Le forme cellulari da cui inizia l'istogenesi di solito mancano di segni di specializzazione. Tuttavia, in normali condizioni di sviluppo e di attività vitale dell'organismo, viene determinata la direzione della differenziazione. È noto, ad esempio, che le cellule del dermatomo, dello sclerotomo e del miotomo, in cui sono suddivisi i somiti mesodermici, nell'ulteriore sviluppo si differenziano rispettivamente in fibroblasti del tessuto connettivo della pelle stessa (derma), condroblasti della cartilagine e mioblasti del muscolo scheletrico. In questi casi si parla di condizione determinazione. Fattori e meccanismi specifici di determinazione cellulare non sono stati chiaramente definiti. Presumibilmente stiamo parlando dello stato attivo di alcuni geni e dell'espressione delle proteine ​​corrispondenti da parte delle cellule. Il ruolo sembra essere giocato dalla natura delle interazioni intercellulari distanti (che agiscono a distanza) e locali (locali) e dalla posizione delle cellule nel corpo, organo o sistema di tessuto cellulare (vedere sezione 3.2) - campi morfogenetici: contatti cellulari con altre strutture, ad esempio le cellule dello strato basale dell'epidermide con la membrana basale, caratteristiche del microambiente lungo il percorso di movimento delle cellule progenitrici nel processo della loro trasformazione in cellule epiteliali differenziate “bordate” o ghiandolari del rivestimento delle piccole cellule intestino dalle zone inferiori delle cripte ai villi - tutto ciò che è accomunato dal concetto panorama epigenetico.

Le idee sui meccanismi della citodifferenziazione hanno una loro storia (Fig. 3.6). Di significato storico sono le ipotesi che collegano la differenziazione cellulare con la disuguaglianza del materiale ereditario nei diversi tipi di cellule (A. Weisman). Ad oggi, sono state raccolte molte prove del fatto che le cellule somatiche della stragrande maggioranza degli animali, compresi quelli altamente organizzati, sono caratterizzate da un insieme diploide di cromosomi invariato. Studi citofotometrici hanno dimostrato che la quantità di DNA nei nuclei delle cellule di diversi tessuti e organi non differisce. È lo stesso e, di regola, corrisponde al diploide (2c). I risultati ottenuti mediante ibridazione molecolare (vedi paragrafo 5.2.2.3-b) indicano che non vi sono differenze nelle sequenze nucleotidiche del DNA di cellule di diverse direzioni

Riso. 3.6.Sviluppo di idee sui meccanismi di citodifferenziazione

specializzazioni. La conservazione del potenziale genetico funzionale da parte delle cellule somatiche è dimostrata da esperimenti riusciti nella clonazione riproduttiva di organismi (vedi sezione 3.1.1).

La biologia moderna collega il meccanismo genetico della differenziazione cellulare al fenomeno attività genetica differenziale (selettiva). Le differenze tra le caratteristiche delle cellule somatiche di diverse direzioni di specializzazione strutturale e funzionale (differenziazione) si vedono nel fatto che in diversi tipi di cellule sono attivi (trascritti) geni diversi e, di conseguenza, vengono espresse (tradotte) proteine ​​diverse. Naturalmente sopra si parlava di proteine ​​appartenenti alla famiglia delle “proteine ​​di lusso”, e non di proteine ​​“domestiche” (vedi paragrafo 2.4.4.4-e). Le cellule differenziate includono, in particolare, gli eritrociti. Sebbene negli eritrociti maturi la sintesi proteica sia ridotta a zero, nelle cellule precursori degli eritrociti (policromatofili e basofili, nella terminologia dell'istologia classica - eritroblasti, reticolociti) sono attivi i geni che determinano l'espressione dei polipeptidi dell'emoglobina - α- e β-globine . L'esempio delle globine è indicativo perché questi geni hanno un'organizzazione a grappolo, cioè sono rappresentati da un insieme di geni, ciascuno dei quali è attivo durante un periodo di ontogenesi strettamente definito. Pertanto, il cluster umano della β-globina (famiglia β-multigenica) è rappresentato da 7 geni. Negli embrioni è attivo il gene ε, nel feto - Gγ e Αγ (G-gamma ed E-gamma), dopo la nascita - δ e β. Inoltre, ci sono due cosiddetti pseudogeni. L'attivazione del gene successivo del cluster è associata all'inattivazione di un gene che è stato trascritto nel precedente periodo di ontogenesi. Presumibilmente, un cambiamento nei geni attivi della β-globina ottimizza la funzione del trasporto di ossigeno in varie condizioni di esistenza del corpo umano (embrione - periodo pre-placentare dello sviluppo intrauterino, feto - periodo placentare, dopo la nascita - respirazione di aria atmosferica).

Un posto importante nel processo di differenziazione cellulare spetta all'espressione delle proteine ​​delle strutture citoscheletriche e del plasmalemma. La presenza di un citoscheletro è una condizione indispensabile affinché una cellula differenziata acquisisca e mantenga la forma richiesta e, se necessario, la polarità (l'epitelio “limitato” assorbente dell'intestino), la costruzione di strutture come i microvilli (l'epitelio assorbente dell'intestino tenue) o ciglia (l'epitelio ciliato della trachea e dei grossi bronchi). Nel caso del plasmalemma si tratta in particolare del recettore e di altre proteine ​​(vedi paragrafo 2.4.2).

La distribuzione regolare delle proteine ​​e delle strutture nel volume cellulare è di importanza indipendente in termini di esecuzione di funzioni specifiche da parte di una cellula differenziata. Pertanto, i microvilli e le ciglia discussi sopra si trovano sui poli cellulari rivolti verso il lume degli organi corrispondenti. Un esempio illustrativo è la cellula muscolare epiteliale dell'anemone di mare, che svolge contemporaneamente funzioni di supporto, contrattili e sensoriali (recettori). La cellula denominata ha una forma a calice, alla sua base è presente un fascio di miofibrille e sulla superficie apicale sono presenti peli sensoriali (Fig. 3.7).

Riso. 3.7.Cellula muscolare epiteliale dell'anemone di mare. Schema: 1 - fibre muscolari; 2 - mitocondri; 3 - nucleo; 4 - capelli sensoriali

In connessione con il problema della differenziazione cellulare, sembra importante la questione del meccanismo di attività selettiva di un particolare gene (e, di conseguenza, dell'espressione della proteina corrispondente) da parte di cellule di diversi organi. I dati disponibili indicano l’indubbio ruolo di potenziatori (Fig. 3.8), promotori, fattori di trascrizione, ormoni

Riso. 3.8.Zona di regolazione genetica tessuto-specificaestS(enzima esterasi) della mosca della frutta. Viene mostrata la distanza (in bp) degli stimolatori responsabili della trascrizione genica da parte di cellule di diversi organi della mosca dal punto di inizio della traduzione.

monos, fattori di crescita e altre molecole di segnalazione, cambiamenti nella densità del confezionamento della cromatina - eterocromatazione delle regioni eucromatiche ed eucromatazione delle regioni eterocromatiche.

3.1.4. L'ONCOTRASFORMAZIONE COME UNA DELLE POSSIBILI COMPONENTI DEL CICLO DI VITA CELLULARE

L’idea che la crescita del tumore sia un problema biologico esiste da molto tempo. In momenti diversi, questa idea è stata riempita con contenuti specifici diversi. In particolare, è stato suggerito che il cancro sia una conseguenza della derepressione del genoma cellulare dovuta alla perdita dei cromosomi istonici e che la tumorigenesi, come fenomeno, possa essere considerata un effetto collaterale della “resistenza” delle cellule al processo di invecchiamento. Attualmente si è diffuso un punto di vista che collega anche l'oncotrasformazione con cambiamenti nel genoma cellulare. Presumibilmente, il percorso verso la degenerazione tumorale di una cellula è un riarrangiamento del genoma e non una singola mutazione di un gene specifico. Sono stati infatti descritti tumori che soddisfano il concetto di “malattia ereditaria monogenica”, ad esempio il retinoblastoma (retina: medievale dal latino: rete- retina, lo strato più interno dell'occhio; greco blastos- germoglio, germoglio, germoglio, ovario; greco mamma- tumore). Si tratta di una neoplasia maligna della retina con modalità di trasmissione autosomica dominante. Mutazioni puntiformi nel gene portano allo sviluppo del retinoblastoma RB1 (13q14.1). D'altra parte, il tumore indicato si sviluppa a seguito di traslocazioni tra i cromosomi X e 13 e il punto di rottura cade su una sezione del cromosoma 13 che non è correlata alla posizione del gene indicato, ma si trova a diversi milioni di coppie di nucleotidi lontano da esso - 13q12-q13. Si presuppone che nel caso delle traslocazioni si parli anche di inattivazione genica RB1, ma non come risultato della sua mutazione, ma come risultato della separazione delle regioni promotore e potenziatore, cioè in realtà un effetto di posizione.

L'esempio considerato ci riporta all'idea che l'oncotrasformazione come traiettoria indipendente del ciclo di vita di una cellula somatica è associata a cambiamenti nel genoma, che influenzano specifici sistemi di regolazione genetica dello stato delle cellule, in particolare quelli associati alla loro proliferazione. Si stima che su un totale di circa 30mila, 120-150 geni siano legati alla tumorigenesi nell'uomo. Non tutti sono strutturali (codificano gli aminoacidi).

sequenze di polipeptidi) nella comprensione della genetica classica. Molti di essi svolgono funzioni di regolamentazione, di servizio e/o di consenso. I fattori che provocano la trasformazione delle cellule in cellule tumorali sono mutageni ambientali, come veleni industriali e agricoli, fumo di tabacco.

Secondo le visioni moderne, l'oncogenesi è un processo in più fasi. Una singola mutazione in un proto-oncogene o gene soppressore del tumore è sufficiente per avviare la crescita cellulare che, attraverso una serie di fasi associate a cambiamenti regolari nei genomi delle cellule di una popolazione in crescita, può acquisire caratteristiche maligne (Fig. 3.9).

Quindi, nel caso dell'oncotrasformazione cellulare, parliamo di cambiamenti genomici che influenzano i sistemi genetici di regolazione di componenti essenziali del ciclo cellulare, in primo luogo i processi di proliferazione e apoptosi. Ciò dà motivo di considerare l'oncogenesi, percepita come un fenomeno essenzialmente biologico, in connessione con l'organizzazione del ciclo vitale di una cellula eucariotica di un organismo multicellulare. Un ulteriore argomento è che, secondo i dati più recenti, le cellule tumorali circolano costantemente nel flusso sanguigno e se il loro numero non supera 0,5 milioni, la situazione viene valutata come oncologicamente tranquillo. Con un numero di cellule che varia da 0,5 milioni a 1 trilione, la situazione è valutata come allarmante - precancro In entrambe queste fasi, eventuali segni della presenza di un tumore maligno nel corpo non vengono rilevati dai metodi diagnostici esistenti. Tumore diagnosticato e diventa oggetto di attenzione professionale da parte dei medici se il numero di cellule supera 1 trilione.

3.2. sistemi di tessuti cellulari (popolazioni cellulari). medicina rigenerativa

Il corpo di un essere umano adulto è formato da 220-250 tipi di cellule differenziate, ciascuna delle quali corrisponde ad una specifica direzione di specializzazione funzionale (citotipo, citofenotipo). I singoli tipi di cellule sono naturalmente rappresentati (per insieme e quantità) in vari organi e strutture del corpo. In istologia, c'è un'idea su popolazione cellulare, che comprende un insieme di cellule dello stesso citotipo (epatociti o cellule epatiche, cardiomiociti, cellule nervose suddivise per

Riso. 3.9. Natura multistadio del processo di oncogenesi (usando l'esempio del cancro del retto)

opzioni o sottopopolazioni- Neuroni di Purkinje della corteccia cerebellare, neuroni piramidali della corteccia cerebrale). L'introduzione di questo concetto, da un lato, crea la prospettiva di valutare il potenziale funzionale totale dell'organismo nelle singole aree di specializzazione cellulare. D'altra parte, si stanno realizzando approcci per risolvere il problema delle modalità per mantenere il livello richiesto di questo potenziale nel tempo - attraverso la proliferazione cellulare o altri mezzi (ipertrofia cellulare, rigenerazione intracellulare). Nella classificazione delle popolazioni cellulari, l'istologia classica utilizza la conservazione del potenziale proliferativo da parte delle cellule come criterio principale, quasi esclusivo - in forma diretta (epatociti) o per la presenza di zone proliferative della matrice (cambiali) (cellule del sangue periferico, epidermide cutanea). Di conseguenza, la classificazione delle varianti delle popolazioni cellulari in un organismo multicellulare si basa sulla valutazione dell'equilibrio tra i tassi di perdita e di rifornimento di materiale cellulare dovuto alla divisione mitotica. Pertanto, le popolazioni vengono distinte in aggiornamento(cellule del rivestimento epiteliale dell'intestino tenue, tessuto connettivo), crescente(epatociti), stabile(neuroni, cardiomiociti). Le possibili opzioni per le popolazioni cellulari, basate sul criterio di cui sopra, sono mostrate in Fig. 3.10.

Riso. 3.10.Possibili tipologie di popolazioni cellulari (schema): a - transito semplice; b - disintegrante; c - statico chiuso; g - transito fissile; d - cellule staminali; h - fissile chiuso. Frecce: ingresso delle cellule nella popolazione, uscita da essa e divisione delle cellule all'interno della popolazione (doppie frecce)

Secondo i concetti moderni, la fonte da cui si formano tutte le cellule differenziate è cellule staminali (progenitrici), e il processo attraverso il quale le cellule dei citotipi richiesti compaiono nel corpo durante lo sviluppo individuale e/o durante la rigenerazione di organi e tessuti è chiamato istogenesi(vedere punto 3.1.3).

Le cellule staminali differiscono in una serie di caratteristiche. In primo luogo, costituiscono una popolazione autosufficiente nell'organismo, nel senso che un certo numero di essi viene ripristinato per divisione se alcune cellule lasciano la popolazione, intraprendendo il percorso della differenziazione cellulare. Si presuppone, tuttavia, che all'aumentare dell'età di un individuo, il numero di queste popolazioni (intendendo innanzitutto le popolazioni di cellule staminali residenti regionali) diminuisca. In secondo luogo, le cellule staminali sono capaci della cosiddetta divisione mitotica asimmetrica, quando una delle cellule figlie risultanti entra nel ciclo mitotico successivo, contribuendo a mantenere il numero di cellule staminali, mentre l'altra intraprende il percorso di differenziazione. Se entrambe le cellule figlie risultanti dalla divisione della cellula staminale ritornano al ciclo mitotico, si parla di mitosi simmetrica. La natura dei segnali e il meccanismo cellulare per distinguere tra mitosi simmetriche e asimmetriche non sono stati chiariti.

I progenitori sono cellule staminali entrate nell'istogenesi, cioè per le quali è stata determinata la direzione della specializzazione (è avvenuto l'evento iniziale della differenziazione cellulare sotto forma di determinazione): le cellule staminali regionali o residenti sono presumibilmente progenitrici. È generalmente accettato che la probabilità di oncotrasformazione delle cellule progenitrici sia paragonabile alla probabilità di oncotrasformazione delle normali cellule sintetiche nella fase finale dell'istogenesi.

Tenendo conto di quanto sopra, le idee sulle popolazioni cellulari si trasformano in idee su sistemi cellulari tissutali(Fig. 3.11). Tutti i processi che portano alla formazione (sviluppo individuale) o al mantenimento e al ripristino (rigenerazione fisiologica e riparativa) nel corpo di gruppi di cellule di un certo citofenotipo si basano sulla corrispondente istogenesi. La struttura di base dell'istogenesi è mostrata in Fig. 3.12. Il posto e il ruolo di vari meccanismi cellulari nell'istogenesi si riflettono nella Fig. 3.13. Dalla Figura 3.12 ne consegue che l'istogenesi inizia con lo stelo

Riso. 3.11.Sistema cellulare tissutale (principio di organizzazione)

Riso. 3.12.Dinamica delle forme cellulari nell'istogenesi

Riso. 3.13. Dinamica delle forme cellulari nei sistemi tissutali

cellule ululanti (embriogenesi) o progenitrici (nato umano, forse un feto nella fase di organogenesi).

I dati sulla biologia delle cellule staminali e progenitrici, precursori di cellule differenziate di vari citotipi (citofenotipi), servono come base per lo sviluppo di tecnologie cellulari biomediche terapeutiche di nuova generazione legate al campo emergente dell'assistenza sanitaria pratica - medicina rigenerativa.

Domande per l'autocontrollo

1. Quali sono i cicli vitali e mitotici di una cellula?

2. Quali processi si realizzano nelle diverse fasi del ciclo mitotico e come viene regolato?

3. Cos'è l'apoptosi e qual è il suo significato per il corpo?

4. Qual è l'essenza della differenziazione cellulare?

Biologia: libro di testo: in 2 volumi / ed. V. N. Yarygina. - 2011. - T. 1. - 736 pag. : malato.

Domanda 1.
Ciclo di vita di una cellulaè la totalità degli eventi che accadono in esso dal momento della sua origine fino alla sua morte o successiva divisione.
L'insieme di processi sequenziali e interconnessi durante la preparazione di una cellula alla divisione, così come durante la mitosi stessa, è chiamato ciclo mitotico, che fa parte del ciclo di vita (Fig. 2).
ciclo vitale del numero di cellule comprende l'intero periodo di esistenza della cellula e comprende quindi il ciclo mitotico, la differenziazione, lo svolgimento di determinate funzioni, l'invecchiamento e la morte della cellula.
Il ciclo vitale può corrispondere al ciclo mitotico, questo è tipico delle cellule staminali non specializzate. Le cellule staminali o cambiali (epiteliali, cellule degli organi emopoietici) danno origine a tutte le altre cellule, cioè Si dividono costantemente, quindi il loro ciclo mitotico è uguale al loro ciclo vitale.
La maggior parte delle cellule abbandona il ciclo mitotico dopo la divisione (raramente prima), si specializza e svolge funzioni specifiche, a volte per un breve periodo, come le cellule epiteliali della pelle o i leucociti, e in alcuni casi per tutta la vita dell'organismo, come i neuroni nel cervello.
Nel ciclo vitale si distinguono 2 tipi di morte cellulare: necrosi e apoptosi.
La necrosi (dal greco necros - morto) è la morte di una cellula a seguito di un grave danno. Questi possono essere: traumi, radiazioni, azione di sostanze tossiche, ipossia, disordini metabolici, invecchiamento cellulare. Sotto l'influenza di questi fattori, la distruzione cellulare procede in modo caotico, i prodotti di degradazione hanno un effetto irritante sui tessuti circostanti, ad es. è in corso un processo patologico.
L'apoptosi (dal greco Apoptosis - abscissione) è una morte cellulare geneticamente programmata causata da cause interne o esterne. Questa morte cellulare programmata è specifica in diversi tipi di cellule. Nelle fasi dello sviluppo embrionale, durante la formazione di parti di organi e tessuti (cioè durante la morfogenesi), si verifica la morte cellulare programmata. Nel sistema immunitario, ad esempio, le interleuchine inducono o inibiscono l'apoptosi degli immunociti. Le cellule tumorali hanno una ridotta capacità di innescare il meccanismo dell’apoptosi. Alcuni virus (herpes, influenza, adenovirus), al contrario, inducono l'apoptosi e dirigono la morte delle cellule ospiti. Il materiale delle cellule morte viene elaborato dai macrofagi e può essere utilizzato da altre cellule. I processi infiammatori non si verificano intorno alle cellule che hanno subito l'apoptosi e l'attività vitale del tessuto non viene interrotta.

Riso. 2. Ciclo di vita di una cellula di un organismo multicellulare:
A - ciclo mitotico; B - transizione verso uno stato differenziato;
B-morte

Domanda 2.
Ciclo mitotico- un insieme di processi che si verificano in una cellula durante la sua preparazione alla divisione - nell'interfase e durante la mitosi. Il ciclo mitotico ha periodi diversi: interfase e mitosi.
Interfase– questo periodo tra due divisioni cellulari dura in media 23 ore e comprende tre periodi.
Mitosi(Greco mito- filo) - divisione cellulare indiretta; è costituito da quattro fasi: profase, anafase, metafase e telofase. Il risultato è una distribuzione accurata e uniforme del materiale cromosomico tra le cellule figlie. Entrambe le cellule figlie risultano assolutamente identiche.

Domanda 3.
Le due eliche del vecchio modello della molecola di DNA divergono e ciascuna diventa un modello per la riproduzione di nuovi filamenti di DNA. Ciascuna delle due molecole figlie include necessariamente una vecchia catena polinucleotidica e una nuova.
Un intero gruppo di enzimi prende parte al processo di sintesi del DNA, il più importante dei quali è la DNA polimerasi. La duplicazione delle molecole di DNA avviene con sorprendente precisione, facilitata dalla struttura a doppio filamento della molecola: la nuova molecola è assolutamente identica a quella vecchia. Ciò ha un profondo significato biologico, perché sono queste stesse molecole (identiche) che verranno poi, durante il processo di mitosi, distribuite alle cellule figlie.

Domanda 4.
Il ciclo mitotico ha periodi diversi: interfase e mitosi.
L'interfase è il periodo tra due divisioni cellulari e comprende tre periodi:
G1– postmitotico o presintetico, segue immediatamente dopo la divisione – dura da 10 ore a diversi giorni.
Caratteristiche di questo periodo:
1. Nel nucleo con DNA, tutti i tipi di RNA vengono sintetizzati come risultato della trascrizione.
2. L'r-RNA viene sintetizzato nel nucleolo e le subunità ribosomiali vengono assemblate insieme alle proteine.
3. Le proteine ​​nucleari e citoplasmatiche sono sintetizzate nel citoplasma.
4. il numero degli organelli si costruisce e raddoppia.
5. avviene la crescita cellulare.
6. le cellule si differenziano e si specializzano.
L'insieme dei cromosomi durante questo periodo è 2n2c.
S– periodo sintetico, dura dalle 6 alle 12 ore.
Caratteristiche di questo periodo:
1. Il processo principale di questo periodo è la replicazione del DNA, che viene effettuata sotto l'azione dell'enzima DNA polimerasi, su ciascuna delle catene di nucleotidi liberi viene completata una catena complementare, ad es. viene costruito un secondo cromatide (secondo il principio di complementarità e semiconservatorismo).
2. vengono sintetizzate le proteine ​​- istoni, necessarie per la costruzione dei cromatidi ed entrano nel nucleo attraverso i pori nucleari.

G 2 – postsintetico o premitotico, dura dalle 3 alle 6 ore.
Caratteristiche di questo periodo:
1. continua la sintesi di tutti i tipi di proteine ​​(nucleari e citoplasmatiche).
2. Si accumula una grande quantità di ATP.
3. viene ripristinato il volume originario della cellula.
4. Il volume del nucleo aumenta.
L'insieme dei cromosomi durante questo periodo è 2n4c.
Cellule diverse hanno lunghezze del ciclo cellulare diverse, ad esempio:
Leucociti da 3 a 5 giorni;
Epitelio cutaneo 20-25 giorni;
Cellule del midollo osseo 8-12 ore.
Le cellule specializzate o differenziate (neutrofili, basofili, eosinofili, nervi, muscoli) dopo la formazione (mitosi) entrano nel periodo G, nel loro citoplasma vengono sintetizzate sostanze che inibiscono la capacità delle cellule di replicare il DNA, ad es. La capacità di spostarsi nel periodo S viene persa e trascorrono l'intero ciclo di vita in questo periodo.
Nei tessuti in crescita di animali e piante ci sono cellule che non subiscono regolarmente l'interfase e la mitosi, ma sono in un periodo di riposo, cioè in un periodo di riposo. nel periodo G0 smettono di riprodursi. In alcuni tessuti le cellule possono rimanere a lungo nella fase G0 senza modificare le loro proprietà morfologiche, cioè mantengono la capacità di dividersi; si tratta molto spesso di cellule differenziate. Ad esempio, la maggior parte delle cellule del fegato si trovano nel periodo G2; non partecipano alla sintesi del DNA e non si dividono. Tuttavia, se una parte del fegato viene rimossa, molte cellule iniziano la preparazione per la mitosi (periodo G 1), procedono alla sintesi del DNA e saranno in grado di dividersi mitoticamente.

Domanda 5.
Mitosi (cariocinesi)è una divisione cellulare indiretta in cui si distinguono le seguenti fasi: profase, metafase, anafase e telofase.
1. La profase è caratterizzata da:
1) spirale cromonemata, addensare e accorciare.
2) i nucleoli scompaiono, cioè Il cromonema del nucleolo è impacchettato su cromosomi che hanno una costrizione secondaria, chiamata organizzatore nucleolare.
3) nel citoplasma si formano due centri cellulari (centrioli) e si formano i filamenti del fuso.
4) al termine della profase, la membrana nucleare si disintegra e i cromosomi finiscono nel citoplasma. L'insieme dei cromosomi profase è 2n4c.
2. La metafase è caratterizzata da:
1) i fili del fuso sono attaccati ai centromeri dei cromosomi e i cromosomi iniziano a muoversi e ad allinearsi all'equatore della cellula.
2) la metafase è chiamata “passaporto della cellula”, perché È chiaramente visibile che il cromosoma è costituito da due cromatidi. I cromosomi sono massimamente spiralizzati, i cromatidi cominciano a respingersi a vicenda, ma sono ancora collegati al centromero. In questa fase viene studiato il cariotipo delle cellule, perché il numero e la forma dei cromosomi sono chiaramente visibili. La fase è molto breve.
L'insieme dei cromosomi in metafase è 2n4c.
3. L'anafase è caratterizzata da:
1) i centromeri dei cromosomi si dividono e i cromatidi fratelli si spostano ai poli della cellula e diventano cromatidi indipendenti, che sono chiamati cromosomi figli. Ad ogni polo della cellula è presente un corredo diploide di cromosomi.
L'insieme dei cromosomi anafase è 4n4c.
4. La telofase è caratterizzata da:
I cromosomi monocromatici despirano ai poli cellulari, si formano i nucleoli e la membrana nucleare viene ripristinata.
L'insieme dei cromosomi telofasici è 2n2c.
La telofase termina con la citocinesi. La citocinesi è il processo di divisione del citoplasma tra due cellule figlie. La citocinesi avviene in modo diverso nelle piante e negli animali.
In una cellula animale. All'equatore della cellula appare una costrizione a forma di anello, che approfondisce e allaccia completamente il corpo cellulare. Di conseguenza, si formano due nuove cellule che sono la metà delle dimensioni della cellula madre. C'è molta actina nell'area di costrizione, cioè I microfilamenti svolgono un ruolo nel movimento.
La citocinesi procede per costrizione.
In una cellula vegetale. All'equatore, al centro della cellula, a seguito dell'accumulo di vescicole di dictosomi del complesso di Golgi, si forma una placca cellulare, che cresce dal centro verso la periferia e porta alla divisione della cellula madre in due celle. Successivamente il setto si ispessisce per la deposizione di cellulosa, formando una parete cellulare.
La citocinesi procede attraverso il setto.
Come risultato della mitosi si formano due cellule figlie con lo stesso corredo cromosomico della cellula madre.

Diagramma della mitosi.

Significato della mitosi:
1. Stabilità genetica, perché i cromatidi si formano come risultato della replicazione, cioè le loro informazioni ereditarie sono identiche a quelle della madre.
2. Crescita di organismi, perché Come risultato della mitosi, il numero di cellule aumenta.
3. Riproduzione asessuata: molte specie di piante e animali si riproducono per divisione mitotica.
4. La rigenerazione e la sostituzione delle cellule avviene attraverso la mitosi.
Disturbo della mitosi.
Sotto l'influenza di fattori esterni, come tutti i tipi di raggi ionizzanti, sostanze chimiche e alcuni veleni, il corretto corso della mitosi può essere interrotto:
1. Un cromosoma può spostarsi su un polo della cellula, ad es. una cellula figlia riceverà un cromatide extra e l'altra non avrà questo cromatide.
2. Se un cromosoma senza regione centromerica finisce vicino alla parte centrale della cellula, è probabile che non si sposti verso nessuno dei due poli, cioè verso il centro. potrebbe essere perso.
3. Esistono sostanze chimiche che precedono la formazione dei filamenti del fuso, ma non influenzano la capacità dei cromosomi di separare le regioni centromeriche ed entrare nello stato interfase. Queste sostanze sono chiamate citostatiche, cioè fermare la divisione cellulare. Ad esempio, citostatici come la colchicina e la vinblastina. Senza fuso, i cromosomi non possono spostarsi verso i poli, quindi un nucleo è formato con una doppia serie di cromosomi, ad es. poliploide. Questo metodo per ottenere cellule poliploidi viene utilizzato nella selezione delle piante. Tali piante sono più grandi e hanno un'elevata produttività.

Ciclo di vita cellulare- questo è il periodo di esistenza di una cellula dal momento della sua formazione dividendo la cellula madre fino alla sua stessa divisione o morte.

Sono caratterizzati da un ciclo cellulare costituito da fasi che si ripetono periodicamente: la cosiddetta interfase - la fase di preparazione alla divisione e il processo di divisione stesso - la mitosi.

Un componente importante del ciclo cellulare è mitotico (proliferativo) ciclo- un complesso di eventi interconnessi e coordinati nel tempo che si verificano nel processo di preparazione di una cellula per la divisione e durante la divisione stessa. Inoltre, il ciclo di vita include periodo di esecuzione della cella organismo multicellulare funzioni specifiche, nonché periodi di riposo. Durante i periodi di riposo, il destino immediato della cellula non è determinato: può iniziare la preparazione alla mitosi o iniziare la specializzazione in una determinata direzione funzionale (Fig. 2.10).

La durata del ciclo mitotico per la maggior parte delle cellule varia da 10 a 50 ore e viene regolata modificando la durata di tutti i suoi periodi. Nei mammiferi, il tempo della mitosi è di 1-1,5 ore, il periodo 02 dell'interfase è di 2-5 ore e il periodo S dell'interfase è di 6-10 ore.

Nella fase di preparazione alla divisione, il materiale genetico viene raddoppiato ( Riduplicazione del DNA ). La massa cellulare aumenta durante l'interfase fino a raggiungere circa il doppio della massa iniziale. Si noti che il processo di divisione stesso è molto più breve della fase di preparazione: la mitosi occupa circa 1/10 del ciclo cellulare.

La ciclicità (ripetizione periodica) degli stadi dell'interfase e della mitosi può essere illustrata dall'esempio fibroblasti - uno dei tipi di cellule del tessuto connettivo. Pertanto, i normali fibroblasti embrionali umani si moltiplicano circa 50 volte. Qual è il limite geneticamente programmato delle possibili divisioni cellulari è uno dei misteri irrisolti della biologia.

Il ciclo di vita delle cellule nello strato basale dell'epidermide in condizioni normali è di 28-60 giorni. Quando la pelle è danneggiata (più specificamente, quando le membrane sono danneggiate e le cellule epidermiche vengono distrutte sotto l'influenza di fattori esterni), speciali sostanze biologicamente attive . Accelerano notevolmente i processi di divisione (questo fenomeno è chiamato rigenerazione ), motivo per cui le ferite e le abrasioni guariscono così rapidamente. L'epitelio corneale ha la massima capacità rigenerativa: allo stesso tempo ci sono 5-6mila cellule nella fase di mitosi, la durata della vita di ciascuna delle quali è di 4-8 settimane.

Sebbene tutte le cellule derivino dalla divisione di una cellula precedente (madre) (“Ogni cellula è una cellula”), non tutte continuano a dividersi. Le cellule che hanno raggiunto un certo stadio di sviluppo durante la differenziazione possono perdere la capacità di dividersi.

Differenziazione – l’emergere di differenze nel processo di sviluppo di cellule inizialmente identiche, che portano alla loro specializzazione. Il processo di differenziazione consiste nella lettura e nell'utilizzo sequenziale delle informazioni ereditarie, che assicurano la sintesi di varie proteine ​​(principalmente enzimi) caratteristiche di un dato tipo cellulare. In altre parole, le differenze tra le cellule sono determinate dall'insieme di proteine ​​sintetizzate nelle cellule di un particolare tipo.

Durante la differenziazione, l'insieme dei cromosomi in una cellula non cambia; cambia solo il rapporto tra geni attivi e inattivi che codificano per varie proteine.

Il ciclo di vita di una cellula è l'intero periodo di esistenza della cellula (da divisione a divisione o da divisione a morte). Il ciclo cellulare è costituito dal periodo mitotico (M) e interfase(periodo intermitotico). (Figura 2-12). L'interfase, a sua volta, consiste in presintetico(G1), sintetico(Sabbia postsintetico(G2) periodi. IN presintetico (postmitotico, G1) periodo, la cellula figlia raggiunge le dimensioni e la struttura della cellula madre, per la quale in essa avviene la biosintesi dell'RNA e delle proteine ​​del citoplasma e del nucleo. Inoltre, sintetizza l'RNA e le proteine ​​necessarie per la sintesi del DNA nel periodo successivo. IN periodo sintetico (S). Il DNA viene raddoppiato (riduplicato) e, di conseguenza, il numero di cromosomi raddoppia (il loro numero diventa tetraploide, 4n). IN periodo postsintetico (premitotico, G2). la cellula si prepara alla mitosi, sintetizza RNA e proteine ​​(tubuline) del fuso di divisione e accumula l'energia necessaria alla mitosi. Il ciclo vitale sopra descritto è caratteristico di una popolazione di cellule che si divide continuamente.

Riso. 2-12. Diagramma del ciclo cellulare. (Secondo E. G. Ulumbekov).

Inoltre, ci sono cellule nel corpo che sono temporaneamente o permanentemente al di fuori del ciclo mitotico (nel periodo G0). Questo periodo è caratterizzato come uno stato di dormienza riproduttiva. Tali cellule possono essere divise in tre gruppi: 1) cellule che, dopo la divisione, non cambiano a lungo le loro proprietà morfologiche e mantengono la capacità di dividersi; queste sono cellule staminali, cambiali (nell'epitelio, midollo osseo rosso); 2) cellule che, dopo la divisione, crescono, si differenziano, svolgono funzioni specifiche negli organi, ma se necessario (se un dato organo è danneggiato) ripristinano la loro capacità di riprodursi (cellule del fegato); 3) cellule altamente specializzate che crescono, si differenziano, svolgono le loro funzioni specifiche ed esistono in questo stato fino alla morte, senza mai dividersi e trovandosi costantemente nel periodo G0 (cellule altamente specializzate del cuore e del cervello). La durata della vita di queste cellule si avvicina alla durata della vita dell’intero organismo.

Dopo l'emergenza, a seguito della divisione, le cellule giovani crescono e si differenziano. Crescita cellulare significa un aumento delle dimensioni del suo citoplasma e del nucleo, un aumento del numero di organelli. Differenziazione implica la specializzazione morfofunzionale della cellula, cioè un aumento del numero di alcuni organelli di uso generale o la comparsa di organelli di uso speciale necessari affinché la cellula possa svolgere funzioni speciali.

Da diversi giorni a molti anni, la cellula svolge la sua funzione specifica nel corpo, e poi gradualmente invecchia e muore.

Invecchiamento cellulare associato all'usura delle strutture cellulari come risultato di un lavoro intenso e prolungato, principalmente a causa di cambiamenti nello stato del genoma e, di conseguenza, a causa di una diminuzione dell'intensità della replicazione del DNA, che porta all'inibizione di biosintesi delle proteine. In questo caso la popolazione cellulare può diminuire gradualmente (cellule nervose, cardiomiociti), oppure rinnovarsi parzialmente (cellule del fegato, dei reni, delle ghiandole) o completamente (epitelio tegumentario). Allo stesso tempo, il processo di rinnovamento può procedere molto rapidamente: il completo rinnovamento dell'epidermide della pelle avviene in 3-4 settimane e dell'epitelio dello stomaco e dell'intestino in 3-5 giorni. La durata di questi rinnovamento delle popolazioni pari alla durata della vita dell’organismo.

Con l'invecchiamento, il volume della cellula aumenta, i contatti intercellulari vengono interrotti, la fluidità delle sue membrane e l'intensità dei processi di trasporto e metabolici diminuiscono. Come risultato del danno ai recettori del citolemma, l'eccitabilità e la reattività della cellula diminuiscono e il citoscheletro è disorganizzato. Il nucleo cellulare diventa irregolare, lo spazio perinucleare si espande e la proporzione di eterocromatina aumenta. I mitocondri si schiariscono, il numero di creste in essi contenute diminuisce, si osserva l'espansione delle cisterne del reticolo endoplasmatico, il numero di ribosomi diminuisce e il complesso del Golgi si riduce. Aumenta il numero di tutti i tipi di lisosomi, compresi i corpi residui in cui si accumulano sostanze difficili da digerire (ad esempio, il pigmento che invecchia lipofuscina), diminuisce la stabilità delle membrane lisosomiali e aumenta l'autofagia. Di conseguenza, la cellula viene gradualmente distrutta e i suoi resti vengono fagocitati dai macrofagi.

Morte cellulare. Esistono due forme di morte cellulare: necrosi E apoptosi.

Necrosi causato principalmente da vari fattori esterni (chimici o fisici) che interrompono la permeabilità della membrana e l'energia cellulare. Di conseguenza, la composizione ionica della cellula viene interrotta, gli organelli della membrana si gonfiano, la sintesi di ATP, acidi nucleici e proteine ​​si arresta, si verifica la degradazione del DNA e vengono attivati ​​gli enzimi lisosomiali, che alla fine portano alla dissoluzione, all'"auto-digestione". della cellula: lisi. Questo processo predomina durante l'invecchiamento cellulare (Fig. 2-13A).

Apoptosi inizia con l'attivazione nel nucleo dei geni responsabili dell'autodistruzione cellulare ( geni programmati per la morte cellulare). Il programma di tale autodistruzione può essere attivato quando la cellula è esposta a molecole segnale o, al contrario, quando cessa l'effetto del segnale regolatore. L'apoptosi è diffusa nell'embriogenesi, durante la quale il corpo produce molte più cellule di quelle necessarie per un organismo adulto. Un esempio di morte cellulare programmata in un corpo adulto è l'atrofia della ghiandola mammaria dopo la fine dell'allattamento, la morte delle cellule del corpo luteo alla fine del ciclo mestruale. Il processo di apoptosi è significativamente diverso dalla necrosi. All'inizio dell'apoptosi, la sintesi di RNA e proteine ​​non diminuisce, aumenta il contenuto di ioni calcio nel citoplasma della cellula, vengono attivate le endonucleasi, sotto l'influenza della quale il DNA viene suddiviso in frammenti nucleosomiali. In questo caso la cromatina si condensa formando accumuli grossolani lungo la periferia del nucleo. Quindi i nuclei iniziano a frammentarsi, dividendosi in “micronuclei”, ciascuno dei quali è ricoperto da un involucro nucleare. Contemporaneamente anche il citoplasma comincia a frammentarsi e dalla cellula si staccano grossi frammenti, spesso contenenti “micronuclei” » – corpi apoptotici(Figura 2-13B). In questo caso, la cellula sembra sgretolarsi in frammenti e i corpi apoptotici vengono assorbiti dai fagociti o diventano necrotici e si dissolvono gradualmente.

Disposizioni della teoria cellulare di Schleiden-Schwann

1. Tutti gli animali e le piante sono costituiti da cellule.

2. Le piante e gli animali crescono e si sviluppano attraverso l'emergere di nuove cellule.

3. Una cellula è l'unità più piccola degli esseri viventi e un intero organismo è un insieme di cellule.

]Principi fondamentali della moderna teoria cellulare

1. La cellula è l'unità elementare della vita; non c'è vita fuori dalla cellula.

2. Una cellula è un unico sistema, comprende molti elementi naturalmente interconnessi, che rappresentano una formazione integrale costituita da unità funzionali coniugate - organelli.

3. Le cellule di tutti gli organismi sono omologhe.

4. Una cellula si forma solo dividendo la cellula madre, dopo aver raddoppiato il suo materiale genetico.

5. Un organismo multicellulare è un sistema complesso di molte cellule unite e integrate in sistemi di tessuti e organi collegati tra loro.

6. Le cellule degli organismi multicellulari sono totipotenti.

Le cellule di un organismo multicellulare sono estremamente diverse nelle funzioni che svolgono. Le cellule hanno una durata di vita diversa a seconda della loro specializzazione. Quindi, una volta completata l’embriogenesi, le cellule nervose smettono di dividersi e funzionano per tutta la vita dell’organismo. Le cellule di altri tessuti (midollo osseo, epidermide, epitelio dell'intestino tenue) nel processo di svolgimento della loro funzione muoiono rapidamente e vengono sostituite da nuove a seguito della divisione cellulare. La divisione cellulare è alla base dello sviluppo, della crescita e della riproduzione degli organismi. La divisione cellulare garantisce inoltre l'autorinnovamento dei tessuti per tutta la vita del corpo e il ripristino della loro integrità dopo un danno. Esistono due modi per dividere le cellule somatiche: amitosi E mitosi. La divisione cellulare indiretta (mitosi) è prevalentemente comune. La riproduzione per mitosi è chiamata riproduzione asessuata, riproduzione vegetativa o clonazione.

^ Ciclo di vita cellulare (ciclo cellulare)è l'esistenza di una cellula dalla divisione fino alla successiva divisione o morte. La durata del ciclo cellulare nella moltiplicazione delle cellule è di 10-50 ore e dipende dal tipo di cellule, dalla loro età, dall'equilibrio ormonale del corpo, dalla temperatura e da altri fattori. I dettagli del ciclo cellulare variano tra i diversi organismi. Negli organismi unicellulari il ciclo vitale coincide con la vita dell'individuo. Nella riproduzione continua delle cellule dei tessuti, il ciclo cellulare coincide con il ciclo mitotico.

^ Ciclo mitotico - una serie di processi sequenziali e interconnessi durante il periodo di preparazione cellulare per la divisione e il periodo di divisione (Figura 1). Secondo la definizione di cui sopra, il ciclo mitotico è suddiviso in interfase E mitosi (greco "mitos" - filo).

Interfase- il periodo tra due divisioni cellulari - è suddiviso in fasi G 1, S e G 2 (la loro durata, tipica delle cellule vegetali e animali, è indicata di seguito.). In termini di durata, l'interfase costituisce la maggior parte del ciclo mitotico della cellula. I periodi più variabili nel tempo sono i periodi G 1 e G 2.

G 1 (dall'inglese grow - crescere, aumentare). La durata della fase è di 4-8 ore e inizia immediatamente dopo la formazione della cellula. Durante questa fase, l'RNA e le proteine ​​vengono sintetizzati intensamente nella cellula e aumenta l'attività degli enzimi coinvolti nella sintesi del DNA. Se la cellula non si divide ulteriormente, entra nella fase G0, un periodo di riposo. Tenendo conto del periodo di riposo, il ciclo cellulare può durare settimane o addirittura mesi (cellule del fegato).

S (dall'inglese sintesi - sintesi). La durata della fase è di 6-9 ore, la massa cellulare continua ad aumentare e il DNA cromosomico raddoppia. Le due eliche della vecchia molecola di DNA si separano e ciascuna diventa un modello per la sintesi di nuovi filamenti di DNA. Di conseguenza, ciascuna delle due molecole figlie include necessariamente una vecchia elica e una nuova. Tuttavia, i cromosomi rimangono singoli nella struttura, anche se raddoppiati in massa, poiché due copie di ciascun cromosoma (cromatidi) sono ancora collegate tra loro per tutta la loro lunghezza. Dopo aver completato la fase S Durante il ciclo mitotico la cellula non inizia immediatamente a dividersi.

G2. In questa fase la cellula completa il processo di preparazione alla mitosi: si accumula ATP, vengono sintetizzate le proteine ​​del fuso dell'acromatina e i centrioli raddoppiano. La massa della cellula continua ad aumentare fino a raggiungere circa il doppio della sua massa originale, e poi avviene la mitosi.

^ Fig. Ciclo mitotico: M- mitosi, P - profase, Mf- metafase, UN - anafase, T- telofase, G 1 - periodo presintetico, S - periodo sintetico, G 2 - postsintetico

^ 2. Mitosi. Fasi della mitosi, loro durata e caratteristiche. La mitosi viene convenzionalmente divisa in quattro fasi: profase, metafase, anafase e telofase.

Profase. I due centrioli iniziano a divergere verso i poli opposti del nucleo. La membrana nucleare viene distrutta; allo stesso tempo, proteine ​​speciali si uniscono per formare microtubuli sotto forma di fili. I centrioli, ora situati ai poli opposti della cellula, hanno un effetto organizzativo sui microtubuli, che di conseguenza si allineano radialmente, formando una struttura che ricorda nell'aspetto un fiore di aster (“stella”). Altri filamenti di microtubuli si estendono da un centriolo all'altro, formando un fuso. In questo momento, i cromosomi si muovono a spirale e, di conseguenza, si addensano. Sono chiaramente visibili al microscopio ottico, soprattutto dopo la colorazione. La lettura delle informazioni genetiche dalle molecole di DNA diventa impossibile: la sintesi dell'RNA si ferma e il nucleolo scompare. Nella profase i cromosomi si dividono, ma i cromatidi rimangono ancora attaccati a coppie al centromero. I centromeri hanno anche un effetto organizzativo sui filamenti del fuso, che ora si estendono dal centriolo al centromero e da questo ad un altro centriolo.

Metafase. Nella metafase, la spiralizzazione cromosomica raggiunge il suo massimo e i cromosomi accorciati si precipitano verso l'equatore della cellula, situato ad uguale distanza dai poli. Formato placca equatoriale o metafasica. In questa fase della mitosi, la struttura dei cromosomi è chiaramente visibile, è facile contarli e studiarne le caratteristiche individuali. Ogni cromosoma ha una regione di costrizione primaria: il centromero, a cui sono attaccati il ​​filo del fuso e le braccia durante la mitosi. Nella fase metafase, il cromosoma è costituito da due cromatidi, collegati tra loro solo nel centromero.

^ Fig. 1. Mitosi di una cellula vegetale. UN - interfase;
B, C, D, D- profase; E, Metafase F; 3, I - anafase; K, L, M-telofase

IN anafase la viscosità del citoplasma diminuisce, i centromeri si separano e da questo momento i cromatidi diventano cromosomi indipendenti. I fili del fuso attaccati ai centromeri tirano i cromosomi verso i poli della cellula, mentre i bracci cromosomici seguono passivamente il centromero. Pertanto, in anafase, i cromatidi dei cromosomi raddoppiati in interfase divergono esattamente ai poli della cellula. In questo momento, la cellula contiene due serie diploidi di cromosomi (4n4c).

Tabella 1. Ciclo mitotico e mitosi

Fasi	Processo che avviene nella cellula
Interfase	Periodo presintetico (G1)	Sintesi proteica. L'RNA è sintetizzato su molecole di DNA despiralizzate
Periodo sintetico (S)	La sintesi del DNA è l’autoduplicazione di una molecola di DNA. Costruzione del secondo cromatide nel quale passa la molecola di DNA appena formata: si ottengono i cromosomi bicromatidi
Periodo postsintetico (G2)	Sintesi proteica, accumulo di energia, preparazione alla divisione
^ Fasi della mitosi	Profase	I cromosomi bicromatici si muovono a spirale, i nucleoli si dissolvono, i centrioli si separano, l’involucro nucleare si dissolve, si formano i filamenti del fuso
Metafase	I filamenti del fuso sono attaccati ai centromeri dei cromosomi; i cromosomi bicromatidi sono concentrati all'equatore della cellula
Anafase	I centromeri si dividono, i cromosomi monocromatici vengono allungati dai filamenti del fuso fino ai poli cellulari
Telofase	I cromosomi monocromatici despirano, si forma un nucleolo, la membrana nucleare viene ripristinata, una partizione tra le cellule inizia a formarsi all'equatore e i filamenti del fuso si dissolvono

IN telofase i cromosomi si srotolano e despirano. L'involucro nucleare è formato dalle strutture della membrana del citoplasma. In questo momento, il nucleolo viene ripristinato. Ciò completa la divisione nucleare (cariocinesi), quindi avviene la divisione del corpo cellulare (o citocinesi). Quando le cellule animali si dividono, sulla loro superficie appare un solco sul piano equatoriale, che si approfondisce gradualmente e divide la cellula in due metà: cellule figlie, ciascuna delle quali ha un nucleo. Nelle piante la divisione avviene attraverso la formazione della cosiddetta placca cellulare che separa il citoplasma: essa nasce nella regione equatoriale del fuso, per poi crescere in tutte le direzioni, raggiungendo la parete cellulare (cioè cresce dall'interno verso l'esterno). . La piastra cellulare è formata da materiale fornito dal reticolo endoplasmatico. Ciascuna delle cellule figlie forma quindi una membrana cellulare sul suo lato e infine si formano pareti cellulari di cellulosa su entrambi i lati della piastra. Le caratteristiche del decorso della mitosi negli animali e nelle piante sono riportate nella Tabella 2.
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Tabella 2. Caratteristiche della mitosi nelle piante e negli animali

Pertanto, da una cellula si formano due cellule figlie, nelle quali l'informazione ereditaria copia esattamente l'informazione contenuta nella cellula madre. A partire dalla prima divisione mitotica di un ovulo fecondato (zigote), tutte le cellule figlie risultanti dalla mitosi contengono lo stesso corredo di cromosomi e gli stessi geni. Pertanto, la mitosi è un metodo di divisione cellulare che comporta la distribuzione precisa del materiale genetico tra le cellule figlie. Come risultato della mitosi, entrambe le cellule figlie ricevono un set diploide di cromosomi.

L'intero processo di mitosi dura nella maggior parte dei casi da 1 a 2 ore. La frequenza della mitosi varia a seconda dei tessuti e delle specie. Ad esempio, nel midollo osseo rosso umano, dove si formano 10 milioni di globuli rossi ogni secondo, dovrebbero verificarsi 10 milioni di mitosi ogni secondo. E nel tessuto nervoso le mitosi sono estremamente rare: ad esempio, nel sistema nervoso centrale, le cellule generalmente smettono di dividersi nei primi mesi dopo la nascita; e nel midollo osseo rosso, nel rivestimento epiteliale del tubo digerente e nell'epitelio dei tubuli renali, si dividono fino alla fine della vita.

Regolazione della mitosi, la questione del meccanismo di innesco della mitosi.

I fattori che inducono una cellula alla mitosi non sono conosciuti con precisione. Ma si ritiene che il ruolo principale sia giocato dal fattore del rapporto tra i volumi del nucleo e del citoplasma (rapporto nucleo-plasma). Secondo alcuni dati, le cellule morenti producono sostanze che possono stimolare la divisione cellulare. I fattori proteici responsabili della transizione alla fase M sono stati inizialmente identificati sulla base di esperimenti di fusione cellulare. La fusione di una cellula in qualsiasi fase del ciclo cellulare con una cellula nella fase M porta all'ingresso del nucleo della prima cellula nella fase M. Ciò significa che in una cellula in fase M è presente un fattore citoplasmatico capace di attivare la fase M. Successivamente, questo fattore fu scoperto secondariamente in esperimenti sul trasferimento del citoplasma tra ovociti di rana a diversi stadi di sviluppo, e fu chiamato “fattore di promozione della maturazione” MPF (fattore di promozione della maturazione). Ulteriori studi su MPF hanno mostrato che questo complesso proteico determina tutti gli eventi della fase M. La figura mostra che la rottura della membrana nucleare, la condensazione dei cromosomi, l'assemblaggio del fuso e la citocinesi sono regolati dall'MPF.

La mitosi è inibita dalle alte temperature, dalle alte dosi di radiazioni ionizzanti e dall'azione dei veleni vegetali. Uno di questi veleni si chiama colchicina. Con il suo aiuto, puoi fermare la mitosi nella fase della placca metafase, che ti consente di contare il numero di cromosomi e dare a ciascuno di essi una caratteristica individuale, cioè eseguire il cariotipo.