Найтриваліший період життєвого циклу клітини. Життєвий цикл клітини: фази, періоди. Життєвий цикл вірусу у клітці господаря. Внутрішньоклітинне розмноження вірусу
Життєвий цикл клітини- це період існування клітини від моменту її утворення шляхом поділу материнської клітини до власного поділу чи смерті.
Їм властивий клітинний цикл, що складається з стадій, що періодично повторюються: так званої інтерфази – етапу підготовки до поділу і безпосередньо процесу розподілу – мітозу.
Важливим компонентом клітинного циклу є мітотичний (проліферативний) цикл-комплекс взаємопов'язаних та узгоджених у часі подій, що відбуваються в процесі підготовки клітини до поділу та протягом самого поділу. Крім того, до життєвого циклу включається період виконання клітиноюбагатоклітинного організму специфічних функцій,а також періоди спокою. У періоди спокою найближча доля клітини не визначена: вона може розпочати підготовку до мітозу, або приступити до спеціалізації в певному функціональному напрямку (рис. 2.10).
Тривалість мітотичного циклу більшість клітин становить від 10 до 50 год. Тривалість циклу регулюється шляхом зміни тривалості всіх періодів. У ссавців час мітозу становить 1-1,5 год, 02-періоду інтерфази -2-5 год, S-періоду інтерфази - 6-10 год.
На стадії підготовки до поділу відбувається подвоєння генетичного матеріалу ( редуплікація ДНК ). Маса клітини під час інтерфази збільшується доти, доки вона приблизно вдвічі не перевищить початкову. Зазначимо, що сам процес поділу набагато коротший за етап підготовки до нього: мітоз займає приблизно 1/10 частину клітинного циклу.
Циклічність (періодичне повторення) стадій інтерфази та мітозу можна проілюструвати на прикладі фібробластів - одного з видів клітин сполучної тканини. Так, нормальні фібробласти ембріона людини розмножуються приблизно 50 разів. Яка генетично запрограмована межа можливих поділів клітини – це одна з нерозгаданих таємниць біології.
Життєвий цикл клітин базального шару епідермісу у нормальних умовах становить 28-60 днів. При пошкодженні шкіри (конкретніше – при пошкодженні мембран та руйнуванні клітин епідермісу під впливом зовнішніх факторів) виділяються спеціальні біологічно активні речовини . Вони значно прискорюють процеси розподілу (це явище називається регенерацією ), саме тому ранки і садна так швидко гояться. Максимальну регенеративну здатність має епітелій рогівки: одночасно в стадії мітозу знаходяться 5-6 тисяч клітин, тривалість життя кожної з яких 4-8 тижнів.
Хоча всі клітини з'являються шляхом розподілу попередньої (материнської) клітини (“Будь-яка клітина від клітини”), в повному обсязі вони продовжують ділитися. Клітини, які досягли певної стадії розвитку при диференціюванні, можуть втрачати здатність до поділу.
Диференціювання - виникнення відмінностей у процесі розвитку спочатку однакових клітин, що призводить до їхньої спеціалізації. Процес диференціювання полягає у послідовному зчитуванні та використанні спадкової інформації, що забезпечує синтез різних білків (насамперед ферментів), характерних для даного виду клітин. Іншими словами, відмінності між клітинами визначаються набором білків, які синтезуються в клітинах певного виду.
При диференціації набір хромосом у клітині не змінюється, змінюється лише співвідношення активних та неактивних генів, що кодують різні білки.
Життєвий цикл клітини- Це період існування клітини від моменту її утворення шляхом розподілу материнської клітини до її смерті. Найважливішим компонентом є мітотичний цикл.
Періоди:
Інтерфаза – підготовка до поділу клітини.
Мітоз - розподіл клітини.
Інтерфаза – підготовка до поділу клітини.
Пресинтетичний (G1) – йде зростання клітини, що утворилася, синтез різних РНК і білків. Синтез ДНК немає. (12-24 години). 2n2c (хромосом та ДНК).
Синтетичний (S) – синтез ДНК та редуплікація хромосом. Синтез РНК та білка. (10:00).
Постсинтетичний (G2) – синтез ДНК зупиняється. Відбувається синтез РНК, білків та накопичення енергії. Ядро збільшується у розмірі. Відбувається його поділ. (3-4 години).
Способи поділу клітин:
Амітоз – прямий, простий поділ клітини (неповноцінний).
Мітоз - складний, непрямий, повноцінний поділ клітини.
Мейоз – складний, непрямий, редукційний поділ спеціалізованих клітин репродуктивних органів.
Способи поділу клітинних структур:
Ендомітоз – збільшення числа хромосом кратне їхньому набору.
Політіння - утворення багатонитчастих хромосом за рахунок багаторазової реплікації хромосом.
Мітоз - зхибне, непряме, повноцінне поділ клітини.
Профаза – хромосоми спіралізуються, коротшають, набувають вигляду ниток і ядро нагадує клубок ниток. Ядрішко починає руйнуватися. Ядерна оболонка частково лізується. У цитоплазмі зменшується кількість структур шорсткої ЕПС. Різко зменшується кількість полісом. Центріолі клітинного центру розходяться до полюсів. Між ними мікротрубочки утворюють веретено поділу, збільшується в'язкість цитоплазми, її тургорт та поверхневий натяг внутрішньої мембрани.
Прометафаза – зникає ядерна оболонка та ядерце. Хромосоми у вигляді товстих ниток розташовуються за екватором.
Метафаза - закінчується утворення веретена поділу. Хроматинові нитки прикріплюються одним кінцем до центріолів, а іншим до центромірів хромосом. Хроматиди починають відштовхуватися один від одного. Хромосоми поділяються на дві хроматиди. Залишаються зчепленими у центрі. Хромосоми вишиковуються по екватору, утворюючи материнську зірку.
Анафаза – рветься зв'язок центроміром, зберігаються нитки ахроматинового веретена і розтягують хроматиди до центриолям.
Телофаза – відбуваються процеси зворотні до процесів профази. Хромосоми десриралізуються, подовжуються, стають тонкими. Формується ядерце, утворюється ядерна мембрана, руйнується веретено поділу, відбувається цитокінез. З материнської клітини утворюються дві дочірні.
Клітинний (життєвий) цикл
Клітинний (або життєвий) цикл клітини - час існування клітини від поділу до наступного поділу або від поділу до смерті. Для різних типів клітин клітинний цикл різний.
В організмі ссавців та людини розрізняють такі типи клітин, що локалізуються в різних тканинах та органах:
1) клітини, що часто діляться (малодиференційовані клітини епітелію кишечника, базальні клітини);
2) клітини, що рідко діляться (клітини печінки – гепатоцити);
3) клітини, що не діляться (нервові клітини центральної нервової системи, меланоцити та ін.).
Життєвий цикл цих клітинних типів різний.
Життєвий цикл у клітин, що часто діляться – час їх існування від початку розподілу до наступного поділу. Життєвий цикл таких клітин часто називають мітотичним циклом.
Такий клітинний цикл поділяється на два основні періоди:
1) мітоз (або період розподілу);
2) інтерфазу (проміжок життя клітини між двома поділами).
Виділяють два основні способи розмноження (репродукції) клітин.
1. Мітоз (каріокенез) – непряме поділ клітин, властиве переважно соматичним клітинам.
2. Мейоз (редукційний поділ) характерний лише для статевих клітин.
Є описи і третього способу поділу клітин - амітозу (або прямого поділу), яке здійснюється шляхом перетяжки ядра та цитоплазми з утворенням двох дочірніх клітин або однієї двоядерної. Проте в даний час вважають, що амітоз характерний для старих та дегенеруючих клітин та є відображенням патології клітини.
Зазначені два способи поділу клітин поділяються на фази чи періоди.
Мітоз поділяється на чотири фази:
1) профазу;
2) метафазу;
3) анафазу;
4) телофазу.
Профаза характеризується морфологічними змінами ядра та цитоплазми.
У ядрі відбуваються такі перетворення:
1) конденсація хроматину та утворення хромосом, що складаються з двох хроматид;
2) зникнення ядерця;
3) розпад каріолеми на окремі бульбашки.
У цитоплазмі відбуваються такі зміни:
1) редуплікація (подвоєння) центріолей та розбіжність їх до протилежних полюсів клітини;
2) формування з мікротрубочок веретена поділу;
3) редукція зернистої ЕПС і зменшення кількості вільних і прикріплених рибосом.
У метафазі відбувається таке:
1) утворення метафазної платівки (або материнської зірки);
2) неповне відокремлення сестринських хроматид друг від друга.
Для анафази характерно:
1) повне розходження хроматид та утворення двох рівноцінних дипольних наборів хромосом;
2) розбіжність хромосомних наборів до полюсів мітотичного веретена та розбіжність самих полюсів.
Для телофази характерні:
2) формування з бульбашок ядерної оболонки;
3) цитотомія (перетяжка двоядерної клітини на дві дочірні самостійні клітини);
4) поява ядерців у дочірніх клітинах.
Інтерфазу поділяють на три періоди:
1) I - J1 (або пресинтетичний період);
2) II - S (або синтетичний);
3) III – J2 (або післясинтетичний період).
У пресинтетичному періоді у клітині відбуваються такі процеси:
1) посилене формування синтетичного апарату клітини – збільшення числа рибосом та різних видів РНК (транспортної, інформаційної, рибосомальної);
2) посилення синтезу білка, який буде необхідний зростання клітини;
3) підготовка клітини до синтетичного періоду – синтез ферментів, необхідні освіти нових молекул ДНК.
Для синтетичного періоду характерно подвоєння (редуплікація) ДНК, що призводить до подвоєння плоїдності диплоїдних ядер і є обов'язковою умовою для подальшого мітотичного поділу клітини.
Постсинтетичний період характеризується посиленим синтезом інформаційної РНК та всіх клітинних білків, особливо тубулінів, необхідні формування веретена поділу.
Клітини деяких тканин (наприклад, гепатоцити) після виходу з мітозу вступають у так званий J0-період, під час якого вони виконують свої численні функції протягом ряду років, не вступаючи в синтетичний період. Тільки за певних обставин (при пошкодженні або видаленні частини печінки) вони вступають у нормальний клітинний цикл (або синтетичний період), синтезуючи ДНК, а потім мітотично діляться. Життєвий цикл таких клітин, що рідко діляться, можна представити наступним чином:
2) J1-період;
3) J0-період;
4) S-період;
5) J2-період.
Більшість клітин нервової тканини, особливо нейрони центральної нервової системи, після виходу з мітозу ще в ембріональному періоді надалі не діляться.
Життєвий цикл таких клітин складається з наступних періодів:
1) мітозу - I період;
2) зростання – II період;
3) тривалого функціонування – ІІІ період;
4) старіння - IV період;
5) смерті – V період.
Протягом тривалого життєвого циклу такі клітини постійно регенерують за внутрішньоклітинним типом: білкові та ліпідні молекули, що входять до складу різноманітних клітинних структур, поступово замінюються новими, тобто клітини поступово оновлюються. Протягом життєвого циклу в цитоплазмі клітин, що не діляться, накопичуються різні, передусім ліпідні включення, зокрема ліпофусцин, що розглядається в даний час як пігмент старіння.
Мейоз – спосіб поділу клітин, у якому відбувається зменшення числа хромосом у дочірніх клітинах вдвічі, характерний статевих клітин. У цьому способі поділу відсутня редуплікація ДНК.
Крім мітозу і мейозу, виділяється також ендорепродукція, що не призводить до збільшення кількості клітин, але сприяє збільшенню кількості працюючих структур та посиленню функціональної здатності клітини.
Для даного способу характерно, що після мітозу клітини спочатку вступають у J1-, а потім у S-період. Однак такі клітини після подвоєння ДНК не вступають у J2-період, а потім у мітоз. В результаті цього кількість ДНК стає збільшеною вдвічі – клітина перетворюється на поліплоїдну. Поліплоїдні клітини можуть знову вступати в S-період, внаслідок чого вони збільшують свою плоїдність.
У поліплоїдних клітинах збільшується розмір ядра та цитоплазми, клітини стають гіпотрофованими. Деякі поліплоїдні клітини після редуплікації ДНК вступають у мітоз, проте він не закінчується цитотомією, оскільки такі клітини стають двоядерними.
Таким чином, при ендорепродукції не відбувається збільшення числа клітин, але збільшується кількість ДНК і органел, отже, і функціональна здатність поліплоїдної клітини.
Здібністю до ендорепродукції мають не всі клітини. Найбільш характерна ендорепродукція для печінкових клітин, особливо зі збільшенням віку (наприклад, на старості 80% гепатоцитів людини є поліплоїдними), а також для ацинозних клітин підшлункової залози та епітелію сечового міхура.
Життєвий цикл клітини включає початок її утворення та кінець існування як самостійна одиниця. Почнемо з того, що клітина утворюється в ході поділу її материнської клітини, а закінчує своє існування через наступний поділ або загибель.
Життєвий цикл клітини складається з інтерфази та мітозу. Саме в цьому період, що розглядається, рівнозначний клітинному.
Життєвий цикл клітини: інтерфаза
Це період між двома мітотичними клітинними поділками. Відтворення хромосом протікає подібно до редуплікації (напівконсервативної реплікації) молекул ДНК. В інтерфазі ядро клітини оточене особливою двомембранною оболонкою, а хромосоми розкручені, і при звичайному світловому мікроскопуванні непомітні.
При фарбуванні та фіксації клітин відбувається скупчення сильно забарвленої речовини – хроматину. Варто зазначити, що цитоплазма містить усі необхідні органоїди. Це забезпечує повноцінне існування клітини.
У життєвому циклі клітини інтерфазу супроводжується трьома періодами. Розглянемо кожен із них докладніше.
Періоди життєвого циклу клітини (інтерфази)
Перший з них називається пересинтетичним. Результат попереднього мітозу - зростання числа клітин. Тут протікає транскрипція нових молекул РНК (інформаційної), і навіть систематизуються молекули інших РНК, в ядрі і цитоплазмі синтезуються білки. Деякі речовини цитоплазми поступово розщеплюються з формуванням АТФ, її молекули мають макроергічні зв'язки, вони переносять енергію туди, де її недостатньо. При цьому клітина збільшується, за розмірами вона досягає материнської. Цей період триває довго у спеціалізованих клітин, на його протязі вони здійснюють свої спеціальні функції.
Другий період відомий як синтетичний(Синтез ДНК). Його блокада може призвести до зупинки всього циклу. Тут протікає реплікація молекул ДНК, і навіть синтез білків, що у формуванні хромосом.
ДНК-молекули починають зв'язуватися з білковими, у результаті хромосоми потовщуються. Поруч із спостерігається репродукція центріолей, у результаті їх утворюється 2 пари. Нова центріоль у всіх парах розміщується щодо старої під кутом 90°. Згодом кожна пара в період наступного мітозу відсувається до клітинних полюсів.
Синтетичний період характеризується як підвищеним ДНК-синтезом, і різким стрибком формування молекул РНК, і навіть білків у клітини.
Третій період - постсинтетичний. Він характеризується наявністю підготовки клітини до подальшого поділу (мітотичного). Триває цей період, як правило, завжди менше за інших. Іноді він взагалі випадає.
Тривалість генераційного часу
Інакше кажучи, це те, що триває життєвий цикл клітини. Тривалість генераційного часу, а також окремо взятих періодів набуває різних значень у різних клітин. Це можна побачити з таблиці нижче.
Період | Генераційний час | Тип популяції клітини |
|||
пресинтетичний період інтерфази | синтетичний період інтерфази | постсинтетичний період інтерфази | мітоз |
||
шкірний епітелій |
|||||
дванадцятипалої кишки |
|||||
тонкої кишки |
|||||
клітини печінки 3-тижневої тварини |
|||||
Отже, найкоротший життєвий цикл клітини – у камбіальних. Буває, що випадає третій період - постсинтетичний. Наприклад, у 3-тижневого щура в клітинах її печінки він зменшується до півгодини, тривалість генераційного часу при цьому становить 21,5 год. Тривалість синтетичного періоду - найстабільніша.
В інших ситуаціях у першому періоді (пресинтетичному) клітина накопичує властивості для здійснення специфічних функцій, це пов'язано з тим, що її будова стає складнішою. Якщо спеціалізація занадто далеко не зайшла, вона може пройти повний життєвий цикл клітини з утворенням 2-х нових у мітозі клітин. У цій ситуації перший період може суттєво збільшитись. Наприклад, у клітинах шкірного епітелію миші генераційний час, саме 585,6 годин, посідає перший період - пресинтетичний, а клітинах периоста дитинча щура - 102 години з 114.
Головна частина цього часу називається G0-періодом - це здійснення інтенсивної специфічної функції клітини. Багато клітин печінки перебувають у такому періоді, через що вони втратили свою здатність до мітозу.
Якщо буде видалена частина печінки, більшість її клітин перейдуть до повного проживання спочатку синтетичного, потім післясинтетичного періоду, в кінці - мітотичного процесу. Отже, для різноманітних клітинних популяцій вже доведено оборотність такого G0-періоду. У інших ситуаціях ступінь спеціалізації настільки збільшується, що з типових умов клітини що неспроможні вже ділитися мітотично. Зрідка у них протікає ендорепродукція. У деяких вона повторюється неодноразово, хромосоми товщають настільки, що їх можна побачити у звичайний світловий мікроскоп.
Таким чином, ми дізналися, що у життєвому циклі клітини інтерфазу супроводжується трьома періодами: пресинтетичним, синтетичним та постсинтетичним.
Розподіл клітин
Воно є основою розмноження, регенерації, передачі спадкової інформації, розвитку. Сама собою клітина існує лише у проміжному періоді між поділами.
Життєвий цикл (розподіл клітини) - період існування аналізованої одиниці (починається з її появи у вигляді розподілу клітини материнської), зокрема і саме поділ. Закінчується своїм розподілом чи смертю.
Фази клітинного циклу
Їх лише шість. Відомі такі фази життєвого циклу клітини:
Тривалість життєвого циклу, а також кількість фаз у ньому у кожної клітини своє. Так, у нервовій тканині клітини після завершення початкового ембріонального періоду припиняють ділитися, потім лише функціонують протягом усього життя самого організму, а згодом гинуть. А ось клітини зародка у стадії дроблення спочатку завершують 1 розподіл, а потім відразу, минаючи інші фази, приступають до наступного.
Способи поділу клітини
З усього два:
- Мітоз- це непрямий поділ клітин.
- Мейоз- це характерне для такої фази, як дозрівання статевих клітин, поділ.
Тепер докладніше дізнаємося, що є життєвий цикл клітини - мітоз.
Непрямий поділ клітин
Мітоз є непрямим поділом саме соматичних клітин. Це безперервний процес, результат якого – спочатку подвоєння, потім однаковий розподіл між дочірніми клітинами спадкового матеріалу.
Біологічне значення непрямого поділу клітин
Воно полягає в наступному:
1. Результат мітозу – утворення двох клітин, кожна містить таку ж кількість хромосом, як і материнська. Їхні хромосоми утворюються за допомогою точної реплікації материнської ДНК, через що гени дочірніх клітин включають ідентичну спадкову інформацію. Вони генетично однакові з батьківською клітиною. Отже, можна сказати, що мітоз забезпечує ідентичність передачі спадкової інформації дочірнім клітинам від материнської.
2. Підсумком мітозів є певна кількість клітин у відповідному організмі – це один із найважливіших механізмів росту.
3. Велика кількість тварин, рослин розмножується саме безстатевим шляхом у вигляді мітотичного клітинного поділу, тому мітоз становить основу вегетативного розмноження.
4. Саме мітоз забезпечує повну регенерацію втрачених частин, а також заміщення клітин, яке протікає певною мірою у будь-яких багатоклітинних організмів.
Таким чином, стало відомо, що життєвий цикл соматичної клітини складається з мітозу та інтерфази.
Механізм мітозу
Поділ цитоплазми та ядра - 2 самостійні процеси, які протікають безперервно, послідовно. Але з метою зручності вивчення подій, що відбуваються в період поділу, він штучно розмежовується на 4 стадії: про-, мета-, ана-, телофазу. Їхня тривалість різна залежно від типу тканини, зовнішніх факторів, фізіологічного стану. Найтривалішими виступають перша та остання.
Профаза
Тут спостерігається помітне збільшення ядра. Через війну спіралізації відбувається ущільнення, укорочування хромосом. У пізнішій профазі вже добре видно структуру хромосом: 2 хроматиди, які з'єднані центроміром. Починається пересування хромосом до екватора клітини.
З цитоплазмового матеріалу в профазі (пізній) утворюється веретено поділу, яке формується за участю центріолей (у тварин клітинах, у ряду нижчих рослин) або без них (клітини деяких найпростіших, вищих рослин). Згодом від центріолей починають з'являтися 2-типові нитки веретена, точніше:
- опорні, які з'єднують клітинні полюси;
- хромосомні (які тягнуть), які перехрещуються в метафазі до хромосомних центромірів.
На завершення цієї фази зникає ядерна оболонка, а хромосоми розташовуються вільно у цитоплазмі. Зазвичай ядро пропадає трохи раніше.
Метафаза
Її початок – зникнення ядерної оболонки. Хромосоми спершу вишиковуються в екваторній площині, утворюючи метафазну пластинку. При цьому хромосомні центроміри розташовуються в екваторній площині. Нитки веретена приєднуються до хромосомних центромірів, а деякі з них проходять від одного полюса до іншого, не прикріплюючись.
Анафаза
Її початком вважається поділ центроміру хромосом. У результаті хроматиди трансформуються на дві відокремлені дочірні хромосоми. Далі останні починають розходитись до клітинних полюсів. Вони, як правило, в цей час набувають особливої V-подібної форми. Така розбіжність здійснюється у вигляді прискорення ниток веретена. У той самий час протікає подовження опорних ниток, результатом чого стає віддалення полюсів друг від друга.
Телофаза
Тут хромосоми збираються на клітинних полюсах, потім диспіралізуються. Далі відбувається руйнація веретена поділу. Навколо хромосом утворюється ядерна оболонка дочірніх клітин. Так завершується каріокінез, згодом здійснюється цитокінез.
Механізми влучення вірусу в клітину
Їх лише два:
1. За допомогою злиття вірусного суперкапсиду та мембрани клітини. Внаслідок цього вивільняється нуклеокапсид у цитоплазму. Згодом спостерігається реалізація властивостей геному вірусу.
2. За допомогою піноцитозу (рецепторопосередкованого ендоцитозу). Тут відбувається зв'язування вірусу в місці облямованої ямки з рецепторами (специфічними). Остання вп'ячується всередину клітини, а потім трансформується в так званий облямований пляшечку. Він, у свою чергу, містить поглинений віріон, зливається з тимчасовою проміжною бульбашкою, яка називається ендосомою.
Внутрішньоклітинне розмноження вірусу
Після проникнення у клітину геном вірусу цілком підпорядковує її життя власним інтересам. Через білоксинтезуючу систему клітини та її систем генерацій енергії він втілює власне відтворення, жертвуючи, як правило, життям клітини.
На малюнку нижче представлений життєвий цикл вірусу в клітині господаря (ліси Семлики – представник роду Alphvirus). Його геном представлений однонитковою позитивною нефрагментованою РНК. Там віріон оснащений суперкапсидом, що складається з ліпідного бішару. Через нього проходить близько 240 копій низки глікопротеїнових комплексів. Вірусний життєвий цикл починається з його абсорбції на мембрані господарської клітини, там він з'єднується з рецептором білка. Проникнення в клітину здійснюється за допомогою піноцитозу.
Висновок
У статті було розглянуто життєвий цикл клітини, описано його фази. Детально розказано про кожний період інтерфази.
3.1. життєвий цикл клітини
Закономірні зміни структурно-функціональних характеристик клітини у часі становлять зміст її життєвого циклу. Життєвий (клітинний) цикл(Рис. 3.1) - це період існування клітини від моменту її утворення внаслідок поділу материнської клітини до власного поділу або смерті. Обов'язковий компонент клітинного циклу - Мітотичний (проліферативний) цикл(див. рис. 3.1, I) - комплекс односпрямованих, регульованих, взаємопов'язаних і впорядкованих у часі подій, що відбуваються у процесі підготовки клітини до поділу, протягом поділу та безпосередньо після завершення поділу. Крім мітотичного циклу, до життєвого циклу клітин багатоклітинного організму входить період
Рис. 3.1.Життєвий цикл клітини багатоклітинного організму: I – мітотичний цикл; II - перехід клітини у диференційований стан; III – загибель клітини; G 1 - Пресинтетичний (постмітотичний) період інтерфази; G 2 - Постсинтетичний (предмітотичний) період інтерфази; S - синтетичний період інтерфази; Ri і R 2 - Періоди спокою; М – мітоз; 2с - Диплоїдна кількість ДНК, 4с - тетраплоїдна (подвоєна) кількість ДНК
виконання специфічних функцій (диференційовані клітини)і періоди спокою(утворені внаслідок мітозу дочірні клітини «очікують сигналу»,диференціюватися ним або вступити в мітотичний цикл).
На малюнку 3.1, II показано два цитології другої половини ХХ ст. періоду спокою, позначені як R 1і R 2(Англ., resting).Перший з них (Rj) припадає на постмітотичний (предсинтетичний) період інтерфази мітотичного циклу і іноді позначається як період G0, другий (R 2)- на постсинтетичний (предмітотичний) період інтерфази та іноді називається періодом G 2 .Наявність постсинтетичного періоду спокою (R 2 чи G 2) небезпідставно оспорюється.
Відомі типи клітин, життєвий цикл яких представлений виключно мітотичним циклом, наприклад, бластомери на стадії дроблення в ембріогенезі.
Завершення клітиною життєвого шляху може бути пов'язане із запуском механізму генетично контрольованої загибелі (самознищення) або апоптоза,а також загибелі внаслідок дії несприятливих факторів - клітинний некроз(див. п. 3.1.2 та рис. 3.1, III).
Ще один напрямок зміни стану клітини в життєвому циклі полягає в її бласттрансформації,тобто. перетворенні на пухлинну (на рис. 3.1 не показано). Вона набуває здатності до нескінченного розмноження і стає формально безсмертною (в умовах in vitro,поза організмом). In vivoТривалість життя такої клітини обмежується смертю організму-носія пухлини.
3.1.1. МІТОТИЧНА (ПРОЛІФЕРАТИВНА) ЦИКЛ
Мітотичнийабо проліферативний цикл(див. рис. 3.1, I) – основа життєвого циклу всіх клітин. Його біологічне значення у тому, що він забезпечує наступність хромосом (і отже, геномів, генів) у ряді клітинних поколінь, тобто. утворення клітин, рівноцінних за кількістю ДНК та змістом спадкової інформації. Таким чином, цикл є універсальним механізмом відтворення клітинної організації еукаріотичного типу в індивідуальному розвитку живих форм.
До останньої третини ХХ ст. питання про те, чи гарантує мітотичний процес успадкування клітинами повноцінної у всіх відносинах генетичної інформації, був предметом наукових суперечок. Вдале клонування тварин: жаби (рис. 3.2), миші, свині, кози, вівці,
Рис. 3.2.Біоінформаційна повноцінність (кількісна та якісна) ДНК ядер соматичних клітин. Успішне репродуктивне клонування амфібій. Схема дослідів
великої рогатої худоби, - із клітин із цитоплазмою від яйцеклітини та ядром від соматичної клітини (у разі відомої вівці Доллі – ядро клітини молочної залози) є основою для ствердної відповіді. Відомо, однак, що репродуктивне клонування, що має на меті отримати новий організм, дає високий відсоток потомства з відхиленнями у розвитку (потворності).
У ході еволюції багатоклітинних організмів мітоз став основою мейозу,являє собою центральний і специфічний механізм утворення статевих клітин - гаметогенезу. Мейоз зустрічається у всіх видів організмів, що розмножуються статевим шляхом. Принциповий із загальнобіологічних позицій результат мітозуполягає у збереженні у ряді клітинних поколінь постійної диплоїдної кількості хромосом. Мейоз,навпаки, призводить до освітиз диплоїдних клітин гаплоїдних гамет.При заплідненні властивий на вигляд диплоїдний набір хромосом (каріотип) відновлюється.
Головні події мітотичного циклу полягають у реплікації(самоподвоєння, самокопіювання) спадкового матеріалу- ДНК материнської клітини, а також у рівномірномуі рівноцінному розподіліцього матеріалу між дочірніми клітинами. Вказаним подіям супроводжуються закономірні зміни морфологічної та хімічної організації хромосом (див. пп. 2.4.3.4, 2.4.3.4-а, 2.4.3.4-б, 2.4.5.3). За двома названими подіями у мітотичному циклі виділяють репродуктивнуі роздільну фази,відповідні інтерфазіі власне мітозукласичної цитології
3.1.1.1. Клітина у мітотичному циклі. Інтерфаза
У початковий відрізок інтерфази (постмітотичний, передсинтетичнийабо період G 2)відновлюються риси організації інтерфазної клітини, завершується формування ядерця, що почалося в телофазі мітозу. У цитоплазмі, паралельно реорганізації ультраструктури, інтенсифікується біосинтез білка, значні кількості якого призначаються для ядра, що знову створюється. Енергійне утворення білка сприяє відновленню важливого клітинного параметра – її маси. Якщо клітині належить вступити в черговий мітотичний цикл, синтези набувають спрямованого характеру. Формується пул хімічних попередників ДНК, утворюються ферменти та інші реплікаційні білки. Вступ клітини у наступний, синтетичний період інтерфази вимагає проходження нею точки рестрикції,припадає на кінець періоду G 1 .
Імовірно перехід клітини з G 1-періоду в період Sпов'язаний з наявністю інсуліноподібного фактора росту, який, впливаючи на специфічний білок-рецептор клітинної оболонки, запускає процес сигнальної трансдукції:послідовно активуються білки-переносники сигналу (G-білки, ферменти цитоплазматичні тирозинкінази, активовані ними білки-цикліни та ін), білки, що зв'язуються з ядром (забезпечують, мабуть, перенесення сигнальних молекул або сигнальних комплексів через ядерну оболонку), білки- транскрипційні фактори (здатні до специфічної взаємодії з білками промоторів певних генів, зумовлюючи їх активацію або репресію, див. також п. 2.4.3.1 – білки теплового шоку). Залежно від того, які гени активуються, а які репресуються, клітина або входить у синтетичний період мітотичного циклу (вибір напряму «проліферація»), або диференціювання (див. рис. 3.1).
Якщо клітина не проходить точку рестрикції, вона виходить із мітотичного циклу і, як говорилося, встає шлях спеціалізації (диференціювання)у певному структурно-функціональному напрямку (див. рис. 3.1, II), або зупиняє свій рух за клітинним циклом(ні підготовки до мітозу, ні диференціювання), переходить у період спокою і, якщо це період R 1 , зберігається в G 0клітинної популяції (див. тут же, нижче). Деякі типи спеціалізованих клітин (еритроцити) назавжди втрачають перспективу повернутися до мітотичного циклу і, зрештою, гинуть (термінальне диференціювання- Див. Рис. 3.1, III), тоді як інші (лімфоцити, фібробласти, печінкові клітини) зберігають зазначену перспективу та у відповідних умовах знову переходять до поділу (див. рис. 3.1, II). Клітини, які призупинили рух за клітинним циклом і перебувають у періоді R 1інтерфази, складають G 0 -клітинну популяцію.Вони повертаються в мітотичний цикл при дії стимулюючих мітозів (мітогенетичних) сигналів.
У синтетичномуабо періоді S інтерфази відбувається подвоєння кількості (реплікація) спадкового матеріалу клітини.За деякими винятками (добудовування ланцюгів недореплікованої ДНК теломер хромосом, див. п. 2.4.3.4-г) ДНК реплікується напівконсервативним способом (див. п. 2.4.5.3, а також рис. 2.25). За мітотичний цикл ДНК реплікується один раз. Механізм, який блокує повторну реплікацію, не з'ясований. Імовірно, він пов'язаний з функцією білків реплікативного комплексу (див. п. 2.4.5.3).
Входження клітини в мітотичний цикл запускається мітогенним сигналом, роль якого зазвичай виконує відповідний фактор росту. Фактор росту активує внутрішньоклітинний сигнальний шлях (явище сигнальної трансдукції, див тут же, вище), результатом чого є включення в процес Cdk. Їх перехід у функціонально активний стан відбувається шляхом з'єднання двох субодиниць - каталітичної та білка з сімейства циклінів.У клітинах ссавців є дев'ять різних циклінів та сім різних Cdk.Їхні різні комбінації зумовлюють регуляцію проходження клітиною окремих періодів мітотичного циклу. Так, проходження клітиною синтетичного (S)періоду потребує послідовної зміни комплексів «циклін А – Cdk 2»і «циклін В – Cdk 2».Циклін В бере участь також у завершальній фазі мітотичного циклу: його деградація необхідна для вступу клітини в анафазу мітозу. Початковий відрізок періоду G 1 інтерфази здійснюється за участю комплексу «циклін D – Cdk 4»та/або «циклін D - Cdk 6». Ці ж комплекси необхідні повернення мітотичний цикл клітин з G 0 -популяції. Завершальна частина передсинтетичного періоду потребує участі комплексу «циклін Е - Cdk 2». Зміна періодів інтерфази, тимчасові відносини між інтерфазою та мітозом визначаються тим, що під час попереднього періоду утворюються транскрипційні фактори, що активують гени, що контролюють наступний період: G 1 -S - G 2 -мітоз.
У клітинах, що пройшли синтетичний період, хромосоми містять подвоєне, порівняно із звичайним для соматичних клітин диплоїдним (2с, де з- гаплоїдна кількість ДНК), тетраплоїдна (4с) кількість генетичного матеріалу (ДНК).
Поряд із ДНК, у періоді Sінтерфази інтенсивно утворюються РНК та білки, причому кількість гістонових білків,так само як і ДНК, суворо подвоюється.Останнє не дивно, маючи на увазі знаходження ДНК у хромосомах у складі нуклеогістонового комплексу. При цьому масові відносини ДНК та гістонів становлять 1:1.
У синтетичному періоді подвоює свою кількість незначна частина мітохондріальної ДНК, тоді як її основна частина реплікується в пост(після)синтетичному. (G 2)період інтерфази.
З інших цитоплазматичних подій періоду Sслід назвати подвоєння центріолей клітинного центру.
Відрізок часу від закінчення синтетичного періоду до початку мітозу позначають як пост(після ) синтетичний, предмітотіче-
ськийабо період G 2 . Він відрізняється активним утворенням РНК та білків. Деякі з цих білків прямо пов'язані з майбутнім мітозом. До них відносяться, зокрема, тубуліни, що йдуть на побудову мікротрубочок веретена поділу. У періоді G 2завершується подвоєння сумарної клітинної маси.Реалізація програми періоду G 2вимагає свого циклінкіназного комплексу: «циклін В – Cdk 1».Названий комплекс вводить клітину в мітоз і регулює перебіг останнього.
3.1.1.2. Клітина у мітотичному циклі. Мітоз
Власне мітозділять на чотири фази (рис. 3.3 та табл. 3.1). Таблиця 3.1.Події послідовних фаз мітозу
Закінчення табл. 3.1
Рис. 3.3.Мітоз у тваринній клітині: а – профаза; б – метафаза; в – анафаза; г - телофаза
Тривалість мітотичного циклу варіює і для більшості тварин клітин укладається в діапазон від 10 до 50 год. год, передмітотичного періоду - 2-5 год. При цьому не враховується час можливого перебування клітин у період спокою. Час окремих періодів інтерфази мітотичного циклу може за зазначені межі. Так, у чоловічому гаметогенезі в передмейотичних сперматогоніях ссавців синтетичний період займає 15 год, а в мейотичних сперматоцитах - близько 100 год.
Відомі типові відхилення в ході тієї чи іншої фази мітозу. У деякій частині ці відхилення призводять до патологічних наслідків. Відхилення в процесі спіралізації (конденсації) хромосом у профазі нерідко дають їх набухання та злипання, що блокує перехід до наступних фаз. Може статися відрив ділянки хромосоми, який, якщо він позбавлений центроміру, випадає з анафазного руху до полюсів клітини і втрачається. У генетиці це оцінюється як хромосомна мутація – делеція. Якщо запліднення пройшло з участю статевої клітини, що несе делетированную хромосому, це позначиться розвитку організму нащадка, причому у несприятливому відношенні до його загибелі. Відставати у русі можуть окремі хроматиди (дочірні хромосоми), через що утворюються клітини з незбалансованими хромосомними наборами. Генетиками це кваліфікується як геномна мутація – анеуплоїдія. Ушкодження з боку веретена поділу результуються в затримці мітозу в метафазі, порушення структури метафазної пластинки і «розсіювання» хромосом. При зміні кількості центріолей виникають патологічні за своїми наслідками багатополюсні та асиметричні мітози.
3.1.2. КОНТРОЛЬ КІЛЬКОСТІ КЛІТИН У БАГАТОКЛІТОЧНОМУ ОРГАНІЗМІ. АПОПТОЗ. КЛІТИННИЙ НЕКРОЗ
Виникнення еволюції багатоклітинних живих форм породило ряд специфічних завдань. Враховуючи вимогу дискретності (див. п. 1.3), одне з таких завдань – обмеження кількості клітин, що будують організм. Дійсно, розміри нині існуючих тварин, наприклад ссавців, укладаються у певний діапазон (порівняй: миша та слон). У еволюції однієї й тієї виду нерідко спостерігається дивергенція за такою ознакою, як розміри тіла. Так колись існували карликові слони. Відомі популяції людей, представники яких відрізняються в середньому більшим (окремі групи аборигенів-негрів на північ від кордону тропічних лісів - плем'я Масаї, полінезійці Маркізських островів, шотландці) або меншим (пігмеї Центральної Африки та Південно-Східної Азії), бушмени Південної Африки. Важливим є те, що тіло багатоклітинної живої істоти утворено певною кількістю необхідних для забезпечення життєдіяльності типів спеціалізованих (диференційованих) клітин. У людини, в організмі якої налічується 1013-1014 клітин, цих типів 220-250. Кількість клітинних елементів кожного типу, хоч і варіює, обмежена певною межею. Є дані, що клітинні типи, пов'язані функціонально, перебувають у закономірних кількісних відносинах. Контроль кількості соматичних (тілесних) клітин в організмі в цілому та числа клітин певних типів спеціалізації здійснюється, з одного боку, на рівні проліферації, а з іншого, – завдяки механізму генетично контрольованої клітинної загибелі (апоптоз).
У тканинах та органах, у яких клітинний склад оновлюється протягом усього життя особини, зазвичай зберігаються так звані камбіальні (матричні) зониз проліферуючими клітинами-попередницями клітин конкретних типів спеціалізації. Що стосується епітеліальних клітин вистилання тонкої кишки – це «дно» крипт, епідермісу шкіри – базальний шар клітин епітеліального пласта, клітин периферичної крові (еритроцити, лейкоцити) – червоний кістковий мозок. Згідно з сучасною номенклатурою, клітини камбіальних зон зараховують до регіональнимабо резидентним(на відміну від ембріональних, що відрізняються тоті(омні)потентністю; на думку ряду дослідників, що залишають властивість тоті(омні)потентності виключно за зиготою, ЕСК внутрішньої клітинної маси характеризуються мульти(плюрі)потентністю) стовбурових клітин,що характеризується
поліпотентністю (кровотворні стовбурові клітини дають досить широкий набір спеціалізованих клітинних типів периферичної крові), олігопотентністю (клітини придонних зон крипт дають обмежену кількість спеціалізованих клітин епітелію кишки - імовірно «каємчастий» всмоктуючий епітелій і деякі, але не всі типи одноклітинних) клітини базального шару епідермісу дають через низку перехідних форм тільки рогові лусочки).
Клітинна проліферація як фактор регулювання кількості клітин знаходиться під генетичним контролем. Так, у плодової мухи (дрозофіла) є мутація, для якої характерно збільшення числа клітинних поділів у розвитку на одне. Фенотипова мутація проявляється у збільшенні вдвічі розмірів тіла у зв'язку з подвоєною кількістю соматичних клітин.
Поряд із клітинною проліферацією, кількість клітин у структурах тіла тварини визначається інтенсивністю та тимчасовими (наприклад, щодо періоду онтогенезу або функціонального стану) характеристиками їх загибелі.
Довгий час науці був відомий один вид загибелі клітин у багатоклітинному організмі. клітинний некроз(Див. тут же, нижче), що трапляється у відповідь на дію несприятливих факторів. Остання чверть ХХ ст. ознаменована відкриттям та активним вивченням ще одного виду загибелі клітин - апоптоза,відбувається поза прямий зв'язок з дією на клітини пошкоджуючих агентів.
На відміну від некрозу, апоптоз - це генетично контрольований вид клітинної загибелі і як такий він є еволюційно «опрацьованим» клітинним механізмом розвитку та життєдіяльності багатоклітинних живих істот (як клітинна проліферація або диференціювання) (див. також розділ 8.2.4). Описано чимало процесів та станів в ембріогенезі та у дорослому організмі, у яких бере участь апоптоз. Так, будучи закономірними подіями, резорбція хвоста у пуголовка і зябер у тритону при метаморфозі амфібій, відмирання клітин вольфових або мюллерових проток при формуванні сечостатевої системи відповідно у самок і самців, визначення фінальної чисельності нервових клітин ядер головного мозку або придбання необхідної форми, наприклад шляхом видалення клітин у відповідних зонах «заготівлі-болванки» (скульптурна функція) у внутрішньоутробному розвитку ссавців та багато іншого забезпечуються апоптозом. У дорослому стані у жінок шляхом апоптозу після овуляції у яєчниках гинуть фолікулярні клітини, а після закінчення лактації – клітини молочних залоз.
В експерименті видалення сім'яників (кастрація) призводить до апопто-тіческой загибелі клітин передміхурової залози, а видалення гіпофіза викликає загибель клітин надниркових залоз.
Різноманітність ситуацій за участю апоптозу, їх невипадковість, належність апоптозу до природних клітинних механізмів розвитку та життєдіяльності порушують питання про природу сигналів, що запускають цей вид загибелі клітин. Деякі з наведених вище прикладів (молочні залози після лактації, кастрація, резорбція хвоста пуголовка) говорять про те, що в ситуаціях, пов'язаних з індивідуальним розвитком та життєдіяльністю, ці сигнали нерідко мають гормональну природу, а апоптоз є реакцією на зміну гормонального статусу організму. У разі молочних залоз чи простати – це падіння рівня відповідно прогестерону чи андрогенів. При резорбції хвоста пуголовка в метаморфозі йдеться про тироксину.
Апоптоз відбувається за нестачі регуляторних молекул, необхідні життєдіяльності клітин певного типу. Так, за відсутності чинника зростання нервів (англ. NGF- Nerve Growth Factor)нервові клітини в умовах in vitro(У культурі клітин, поза організмом) гинуть апоп-тозом. Інші регуляторні молекули, наприклад, фактор некрозу пухлин, ФНП (англ. TNF- Tumor Necrosis Factor),викликають апоптотичну загибель різних типів клітин. Сигналом до апоптозу може бути порушення клітинного метаболізму внаслідок дії екзогенних токсинів.
Цитогенетична система, що зумовлює розвиток апоптозу, подібна у представників різних таксонів, у тому числі далеко віддалених один від одного в еволюційному плані, наприклад, у круглого хробака C. elegansта хребетних тварин. Її початковий відрізок представлений регулятором, адаптером та ефектором. У хребетних функцію регулятора виконує білок bcl-2,який інгібує адаптерний білок Apaf-1,стимулюючий ферменти каспази. Каспази, що виконують роль ефекторів, - це протеїнази, що розщеплюють молекули різних білків (у таких хребетних білків-мішеней більше 60).
Ставлення до процесу апоптозу дає схема на рис. 3.4. За наявності відповідного трофічного фактора в цитоплазмі є фосфорильований і в такому стані неактивний білок Bad-P.За відсутності трофічного фактора названий білок дефосфорілюється і перетворюється на активну форму - Bad.Останній, зв'язуючись із регуляторним білком зовнішньої мітохондріальної мембрани bcl-2,позбавляє його антиапоптозних властивостей, що переводить в активний стан проапоптотичний білок Bax. У таких умовах у мітохон-
Рис. 3.4.Варіант розвитку апоптозу: фактор, що запускає - відсутність життєво важливого трофічного фактора (схема): 1 - плазматична мембрана; 2 - зовнішня мембрана мітохондрії; 3 – трофічний фактор; 4 – рецептор трофічного фактора; 5 - дефосфорилювання проапоптотичного білка Bad; 6 – інактивація антиапоптозного білка Bcl-2; 7 - вихід цитохрому З з мітохондрії в цитозоль; 8 – активація проапоптозного білка Bax, відкриття іонних каналів; 9 – цитохром С активує адапторний білок Apaf-1; 10 - активація прокаспази 9; 11 - активна каспаза 9; 12 - активація каспази 3; 13-15 - руйнування ядерної ламини (щільна пластинка, див. п. 2.4.3.1), цито-скелетних структур, конденсація та фрагментація хроматину
дрію через іонні канали, що відкрилися, спрямовується потік іонів, а з органели в цитозоль виходить фермент цитохром С. Комплекс названого ферменту і адапторного білка Apaf-1 переводить прокаспазу 9 в активну форму. Каспаза 9, у свою чергу, активує каспазу 3, яка, проявляючи властивості протеази, викликає деградацію білків,
зокрема адгезивних, що сприяє відокремленню апоптозуючої клітини від сусідніх, а також призводить до конденсації та розпаду хроматину, цитоскелетних структур та ядерної ламіни. Перелічені зміни означають, що доля клітини зумовлена і вона вступила на шлях апоптозу. В результаті внутрішньоклітинних змін деструктивного характеру клітина розпадається на фрагменти – апоптотичні тільця, які «розпізнаються», захоплюються та перетравлюються макрофагами. При цьому макрофаги не реагують на ті, що знаходяться в безпосередній близькості, але не клітини, що не апоптозують.
До апоптотичної загибелі призводять не лише зовнішні щодо клітин (зміна гормонального статусу, нестача в організмі життєво важливого ростового фактора), а й внутрішньоклітинні події, зокрема нерепаровані порушення хімічної структури ДНК (див. п. 2.4.5.3-a), що дають генетично ( біоінформаційно-дефектні і, отже, баластові або загрозливі здоров'ю і навіть життю клітини (що призводять завдяки генетичним або біоінформаційним порушенням до функціонально дефектних станів, що загрожують здоров'ю і навіть життю клітини). У таких випадках початкова фаза процесу полягає у накопиченні в цитоплазмі транскрипційного фактора р53,що активує білок р21. Останній, з одного боку, блокує вступ клітини у період S(G1 -блок мітотичного циклу) інтерфази або мітоз (G 2 -блок мітотичного циклу), тоді як з іншого, - активує проапоптотичний білок Bax(див. тут же, вище та рис. 3.4). Далі події розвиваються відповідно до представленого на рис. 3.4 сценарій. Внутрішньоклітинною за своїм походженням подією, що запускає апоптоз, є деструктивна дія активних форм кисню (АФК, вільні радикали – див. п. 2.4.8) на мітохондрії. Наслідком порушення структури названих орга-нелл є вихід у цитозоль цитохрому С,його комплексування з Apaf-1,переклад прокаспази 9 до каспази 9 і т.д. (Див. рис. 3.4). Можна зробити висновок, що існують варіанти апоптозу, що відрізняються природою ініціюючого сигналу та подіями в дебюті процесу.
На малюнку 3.5 у схематичному зображенні представлені загибель клітини, з одного боку, шляхом апоптозу, з другого, шляхом некрозу. Очевидно, що це два окремі процеси. По-перше, вони розрізняються за морфологією, по-друге, за факторами, що їх запускають. До клітинного некрозу призводять пошкодження мембрани плазмолеми та пригнічення активності мембранних іонних насосів токсинами, нестача кисню, наприклад, внаслідок ішемізації тканин при спазмі.
Рис. 3.5.Апоптоз та клітинний некроз – порівняльна характеристика морфології процесів (схема): а – апоптоз: 1 – специфічне стиск клітини та конденсація хроматину; 2 – фрагментація ядра; 3 – фрагментація тіла клітини з утворенням апоптичних тілець; б - некроз: 1 - набухання вакуолярних структур та клітини в цілому, компактизація хроматину, каріопікноз та каріо-рексис; 2 - подальше набухання мембранних органел, каріолізис; 3 - руйнування мембранних структур, клітинний лізис
або закупорці кровоносних судин (інфаркт міокарда, ішемічний інсульт мозку), виключення з функції мітохондріальних ферментів внаслідок дії деяких отрут (ціаніди). Зазвичай клітинний некроз розвивається за наступним сценарієм. Підвищується проникність цитоплазматичної мембрани, відбувається обводнення цитоплазми, що призводить до набухання клітини. Одночасно набухають вакуолярні цитоплазматичні структури із деструкцією мембран. Необоротно змінюються мітохондрії, припиняється продукція енергії, що відразу позначається на стані клітинних функцій, які блокуються. Завдяки підвищенню концентрації іонів Na+ та Ca++ цитоплазма закислюється, життєво важливі синтези, зокрема білкові, припиняються, з лізосом вивільняються ферменти кислі гідролази (див. п. 2.4.4.4-в), відбувається лізис клітини. Одночасно хроматин ядер компактизується (каріопікноз) з подальшим розпадом (каріорексіс), відбуваються розриви ядерної оболонки з подальшим зникненням ядра (каріолізис).
На відміну від апоптозу, при якому клітинна загибель носить автономний характер і не поширюється на клітини, що є сусідами з апоптозуючою, при клітинному некрозі в процес залучаються об'ємні ділянки тканин та органів, тобто. Одночасно кілька клітин. У зоні некрозу розвивається запалення, і некротизована ділянка буквально «наповнюється» (інфільтрується) лейкоцитами. Цього немає у разі апоптозу. Можна зробити висновок, що генетично контрольована клітинна загибель шляхом апоптозу, на відміну клітинного некрозу, не носить характеру патологічного процесу і за своїми параметрами задовольняє статусу одного з базисних клітинних механізмів розвитку та життєдіяльності багатоклітинного організму.
3.1.3. КЛІТИННЕ ДИФЕРЕНЦІЮВАННЯ
Диференціювання- це процес, у результаті клітини стають спеціалізованими, тобто. набувають морфологічних, цитохімічних, а головне - функціональних особливостей, що відповідають запитам багатоклітинного організму (див. також розділи 8.2.5, 8.2.5.1, 8.2.5.2 і 8.2.6). У широкому значенні під диференціюванням розуміють поступове, що спостерігається, зокрема, в процесі ембріогенезучерез ряд послідовних поділів і зміну положення в тілі організму, що розвивається, поява все більших відмінностей між клітинами, що походять з відносно однорідних кле-
Струм конкретного ембріонального зачатку (наприклад, зародкового листка - енто-, ектоїл мезодерми). Спеціалізовані в заданому структурно-функціональному напрямку клітини виникають і у дорослому організмі,заміщаючи, наприклад, постійно гинуть клітини - фізіологічна регенерація
Процес клітинного диференціювання як і ембріогенезі, і у дорослому стані «розтягнуть» у часі, поширюється групи клітин і визначається поняттям гістогенез.Гістогенез починається зі стовбурових (у дорослого, регіональні стовбурові, див. п. 3.1.2) клітин, включає кілька мітотичних поділів, що дають ряд закономірних проміжних клітинних форм, і завершується виникненням диференційованих клітин. Поява окремих морфологічних, цитохімічних, метаболічних та інших характеристик диференційованого стану в ході гістогенезу може відбуватися незалежно та присвячено, як правило, до конкретних проміжних клітинних форм. Вся сукупність відповідних характеристик виявляється у диференційованій зрілій клітині, складаючи її цитофенотип.Імовірно така поява говорить про зміну одних генів, що активно транскрибуються на попередній стадії гістогенезу, на інші.
Клітинні форми, з яких починається гістогенез, зазвичай позбавлені ознак спеціалізації. Проте за нормальних умов розвитку та життєдіяльності організму напрям диференціювання визначено. Відомо, наприклад, що клітини дерматома, склеротома і міотома, на які поділяються мезодермальні соміти, в подальшому розвитку диференціюються відповідно в фібробласти сполучної тканини власне шкіри (дерми), хондробласти хряща та міобласти скелетної мускулатури. У цих випадках говорять про стан детермінації.Конкретні фактори та механізми клітинної детермінації однозначно не визначені. Імовірно йдеться про активний стан певних генів та експресії клітинами відповідних білків. Свою роль, мабуть, відіграють характер дистантних (діючих на відстані) та місцевих (локальних) міжклітинних взаємодій та положення клітин в організмі, органі або клітинній тканинній системі (див. п. 3.2) – морфогенетичні поля: клітинні контакти з іншими структурами, наприклад клітин базального шару епідермісу з базальною мембраною, особливості мікрооточення за маршрутом переміщення клітин-попередниць у процесі їх перетворення на «каємчасті» або залізисті диференційовані епітеліальні клітини вистилання тонкої кишки з придонних ділянок крипт на ворсинку - все те, що поєднується поняттям Епігенетичний ландшафт.
Уявлення про механізми цитодиференціювання мають власну історію (рис. 3.6). Гіпотези, що пов'язують клітинне диференціювання з нерівнозначністю спадкового матеріалу у різних типах клітин (А. Вейсман), мають історичне значення. На цей час зібрано багато доказів, що соматичні клітини переважної більшості тварин, зокрема високоорганізованих, характеризуються незмінним диплоїдним набором хромосом. Цитофотометричні дослідження показали, що кількість ДНК в ядрах клітин різних тканин і органів не відрізняється. Воно однаково і, як правило, відповідає диплоїдному (2с).Результати, отримані методом молекулярної гібридизації (див. п. 5.2.2.3-б), свідчать про відсутність відмінностей у нуклеотидних послідовностях ДНК клітин різних напрямків.
Рис. 3.6.Розвиток уявлень про механізми цитодиференціювання
спеціалізації. Про збереження соматичними клітинами функціонально-генетичного потенціалу говорять успішні досліди щодо репродуктивного клонування організмів (див. п. 3.1.1).
Сучасна біологія пов'язує генетичний механізм клітинного диференціювання з явищем диференціальної (виборчої) активності генів.Відмінності між характеристиками соматичних клітин різних напрямів структурно-функціональної спеціалізації (диференціювання) вбачають у тому, що у різних типах клітин активні (транскрибуються) різні гени і, відповідно, експрес-суються (транслюються) різні білки. Природно, що йшлося вище про білки, що належать до сімейства «білків розкоші», а не про білки «домашнього господарства» (див. п. 2.4.4.4-е). До диференційованих клітин відносяться, зокрема, еритроцити. Хоча в зрілих еритроцитах білкові синтези зведені до нуля, у клітинах-попередницях еритроцитів (поліхроматофільні та базофільні, у термінології класичної гістології - еритробласти, ретикулоцити) активні гени, що зумовлюють експресію поліпептидів-гемоглоб. Приклад із глобінами показовий тим, що це гени мають кластерну організацію, тобто. представлені сукупністю генів, кожен з яких активний у певний період онтогенезу. Так, β-глобіновий кластер (β-мультигенне сімейство) людини представлений 7 генами. У ембріонів активний ген ε, у плода - Gγ і Αγ (Джи-гамма та Ей-гамма), після народження - δ і β. Крім того, є два так звані псевдогени. Активація чергового гена кластера пов'язана з інактивацією гена, який транскрибувався у попередній період онтогенезу. Імовірно, зміна активних β-глобінових генів оптимізує функцію транспорту кисню в різних умовах існування організму людини (ембріон – доплацентарний період внутрішньоутробного розвитку, плід – плацентарний період, після народження – дихання атмосферним повітрям).
Важливе місце у процесі клітинної диференціювання належить експресії білків цитоскелетних структур та плазмолеми. Наявність цитоскелета - неодмінна умова придбання та підтримки диференційованої клітиною необхідної форми, а в разі потреби - полярності (всмоктуючий «каємчастий» епітелій кишки), побудови таких структур, як мікроворсинки (всмоктуючий епітелій тонкої кишки) або війки (війки) . У разі плазмолеми йдеться, зокрема, про рецепторні та інші білки (див. п. 2.4.2).
Самостійне значення у плані виконання диференційованою клітиною специфічних функцій має закономірний розподіл білків та структур у клітинному обсязі. Так, мікроворсинки та вії, про які йшлося вище, розташовуються на звернених у просвіт відповідних органів полюсах клітин. Показовим є приклад епітеліально-м'язової клітини актинії, що виконує одночасно опорну, скорочувальну і відчуваючу (рецепторну) функції. Названа клітина має келихоподібну форму, в її підставі знаходиться пучок міофібрил, а у апікальної поверхні - волосся, що відчуває (рис. 3.7).
Рис. 3.7.Епітеліально-м'язова клітина актинії. Схема: 1 – м'язові волокна; 2 - мітохондрії; 3 – ядро; 4 - відчуває волосок
У зв'язку з проблемою клітинного диференціювання важливим є питання механізмі вибіркової активності конкретного гена (і отже, експресії відповідного білка) клітинами різних органів. Наявні дані вказують на безперечну роль енхансерів (рис. 3.8), промоторів, транскрипційних факторів, гор-
Рис. 3.8.Регуляторна зона тканеспецифічного генаestS(Фермент естеразу) плодової мухи. Показано відстань (у п.н.) енхансерів, відповідальних за транскрипцію гена клітинами різних органів мухи, від стартової точки трансляції
монов, факторів росту та інших сигнальних молекул, зміна щільності упаковки хроматину – гетерохроматизація еухроматинових ділянок та еухроматизація гетерохроматинових.
3.1.4. ОНКОТРАНСФОРМАЦІЯ ЯК ОДНА З МОЖЛИВИХ СКЛАДНИХ ЖИТТЯВОГО ЦИКЛУ КЛІТИНИ
Ідея про те, що пухлинне зростання є біологічною проблемою, виникла давно. У час ця ідея наповнювалася різним конкретним змістом. Зокрема, висловлювалися припущення, що рак - це наслідок дерепресії клітинного геному у зв'язку з втратою хромосомами гістонів, а онкогенез, як явище, можна розглядати як побічний ефект протистояння клітин процесу старіння. В даний час поширення набула точка зору, що також пов'язує онкотрансформацію із змінами клітинного геному. Імовірно, шлях до пухлинного переродження клітини являє собою перебудову геному, а не одиничну мутацію певного гена. Дійсно, описані пухлини, що задовольняють поняття «моногенна спадкова хвороба», наприклад, ретинобластома. (Retina:середньовіччя. від лат.: rete- Мережа, сама внутрішня оболонка ока; грец. blastos- нирка, паросток, втеча, зав'язь; грец. oma- Пухлина). Це злоякісне новоутворення сітківки з аутосомно-домінантним типом спадкування. До розвитку ретино-бластоми наводять точкові мутації у гені. RB1 (13q14.1).З іншого боку, названа пухлина розвивається при транслокаціях між хромосомами Х і 13, причому місце розриву припадає на ділянку хромосоми 13, що не має відношення до місця розташування названого гена, а що знаходиться від нього за кілька мільйонів пар нуклеотидів - 13q12-q13.При цьому допускається, що у разі транслокацій йдеться також про інактивацію гена. RB1,але внаслідок його мутації, а результаті роз'єднання областей промотора і энхансера, тобто. Власне ефекту становища.
Розглянутий приклад повертає нас до ідеї, що онкотрансформація як самостійна траєкторія життєвого циклу соматичної клітини пов'язана зі змінами в геномі, причому зачіпають конкретні системи генетичної регуляції стану клітин, зокрема, пов'язані з їх проліферацією. Підраховано, що до онкогенезу у людини із загального числа приблизно 30 тис. мають відношення 120-150 генів. Далеко не всі вони є структурними (кодуючими амінокіс-
лотні послідовності поліпептидів) у розумінні класичної генетики. Багато хто з них виконує регуляторні, сервісні та/або конценсусні функції. Чинниками, які провокують перетворення клітин на пухлинні, є мутагени навколишнього середовища,такі, як промислові та сільськогосподарські отрути, тютюновий дим.
Відповідно до сучасних поглядів, онкогенез – багатоступеневий процес. Одиничної мутації в протоонкогені або гене-супресорі онкотрансформації достатньо для ініціації клітинного росту, який через ряд стадій, пов'язаних із закономірними змінами в геномах клітин популяції, що росте, може набути рис злоякісного (рис. 3.9).
Таким чином, у разі клітинної онкотрансформації йдеться про геномні зміни, що зачіпають генетичні системи регуляції суттєвих складових клітинного циклу, насамперед процесів проліферації та апоптозу. Це дає підставу розглядати онкогенез, що сприймається як біологічний у своїй основі феномен, у зв'язку з організацією життєвого циклу еукаріотичної клітини багатоклітинного організму. Додатковий аргумент полягає в тому, що, згідно з новітніми даними, пухлинні клітини постійно циркулюють у кровотоку, причому якщо їх кількість не перевищує 0,5 млн., то ситуація оцінюється як онкологічно спокійна.При кількості клітин у діапазоні від 0,5 млн до 1 трлн ситуація оцінюється як насторожуюча передрак.На обох названих стадіях якихось ознак наявності злоякісної пухлини в організмі існуючими діагностичними методами не виявляється. Пухлинадіагностується та стає предметом професійної уваги лікарів, якщо кількість клітин перевищує 1 трлн.
3.2. клітинні тканинні системи (клітинні популяції). регенеративна медицина
Тіло дорослої людини утворено 220-250 типами диференційованих клітин, кожен з яких відповідає конкретному напрямку функціональної спеціалізації. (Цитотип, цитофенотип).Окремі клітинні типи закономірно (за набором та кількістю) представлені у різних органах та структурах організму. У гістології склалося уявлення про клітинної популяції,до якої відносять сукупність клітин одного цитотипу (гепатоцити або печінкові клітини, кардіоміоцити, нервові клітини з підрозділом по
Рис. 3.9.Багатоступінчастий характер онкогенезу (на прикладі раку прямої кишки)
варіантам або субпопуляціям- нейрони Пуркіньє кори мозочка, пірамідні нейрони кори головного мозку). Введення зазначеного поняття, з одного боку, створює перспективу оцінити сумарний функціональний потенціал організму за окремими напрямками клітинної спеціалізації. З іншого боку, усвідомлюються підходи до вирішення питання про шляхи підтримки необхідного рівня цього потенціалу в часі - шляхом проліферації клітин або іншими способами (клітинна гіпертрофія, внутрішньоклітинна регенерація). Класифікуючи клітинні популяції, класична гістологія як провідний, практично винятковий критерій використовує збереження клітинами проліферативного потенціалу - у прямому вигляді (гепатоцити) або завдяки наявності матричних (камбіальних) проліферативних зон (клітини периферичної крові, епідерміс шкіри). Відповідно класифікація варіантів клітинних популяцій у багатоклітинному організмі будується на оцінці балансу між темпами втрати та заповнення клітинного матеріалу за рахунок мітотичного поділу. Так, виділяються популяції оновлюються(клітини епітеліальної вистилання тонкої кишки, сполучної тканини), зростають(гепатоцити), стабільні(Нейрони, кардіоміоцити). Можливі варіанти клітинних популяцій, якщо виходити із названого вище критерію, наведено на рис. 3.10.
Рис. 3.10.Можливі типи клітинних популяцій (схема): а – проста транзитна; б - розпад; в - статична закрита; г - транзитна, що ділиться; д - стовбурових клітин; з - закрита, що ділиться. Стрілки - надходження клітин у популяцію, вихід із неї та поділ клітин усередині популяції (подвійні стрілки)
Згідно з сучасними уявленнями джерелом, з якого утворюються всі диференційовані клітини, є стовбурові (прогеніторні) клітини,а процес, завдяки якому в індивідуальному розвитку та/або при регенерації органів і тканин в організмі з'являються клітини необхідних цитотипів, має назву гістогенезу(Див. п. 3.1.3).
Стовбурові клітини відрізняються рядом особливостей. По-перше, вони становлять в організмі популяцію, що самопідтримується, в тому сенсі, що певна їх кількість відновлюється шляхом поділу, якщо частина клітин залишають популяцію, ставши на шлях клітинної диференціювання. Передбачається, проте, що з збільшенням віку особини чисельність зазначених популяцій (маються на увазі, передусім, популяції регіональних резидентних стовбурових клітин) скорочується. По-друге, стовбурові клітини здатні до так званого асиметричного мітотичного поділу, коли одна з дочірніх клітин, що утворюються, вступає в наступний мітотичний цикл, сприяючи підтримці кількості стовбурових клітин, тоді як інша встає на шлях диференціювання. Якщо обидві дочірні клітини, що виникли внаслідок розподілу стовбурової клітини, повертаються в мітотичний цикл, говорять про симетричний мітоз. Природа сигналів та клітинний механізм розмежування симетричного та асиметричного мітозів не з'ясовані.
Прогеніторними називаються стовбурові клітини, що вступили в гістогенез, тобто для яких напрямок спеціалізації визначено (початкова подія клітинної диференціювання у вигляді детермінації відбулася): імовірно, прогеніторними є регіональні або резидентні стовбурові клітини. Прийнято вважати, що ймовірність онкотрансформації прогеніторних клітин можна порівняти з ймовірністю онкотрансформації звичайних симатичних клітин на завершальній стадії гістогенезу.
З урахуванням зазначеного, уявлення про клітинні популяції трансформуються в уявлення про тканинних клітинних системах(Рис. 3.11). Всі процеси, що ведуть до оформлення (індивідуальний розвиток) або підтримки та відновлення (фізіологічна та репаративна регенерація) в організмі груп клітин певного цитофенотипу, мають у своїй основі відповідні гістогенези. Принципова структура гістогенезу показано на рис. 3.12. Місце та роль різних клітинних механізмів у гістогенезі відображені у рис. 3.13. З малюнка 3.12 випливає, що гістогенез починається зі стволо-
Рис. 3.11.Тканинна клітинна система (принцип організації)
Рис. 3.12.Динаміка клітинних форм у гістогенезі
Рис. 3.13.Динаміка клітинних форм у тканинних системах
виття (ембріогенез) або прогеніторної (народжена людина, можливо плід на стадії органогенезів) клітини.
Дані з біології стовбурових і прогениторних клітин-попередниць диференційованих клітин різних цитотипів (цитофено-типів) є основою для розробки терапевтичних біомедичних клітинних технологій нового покоління, що відносяться до розділу практичного охорони здоров'я, що формується. регенеративної медицини.
Запитання для самоконтролю
1. Що таке життєвий та мітотичний цикли клітини?
2. Які процеси реалізуються у різних фазах мітотичного циклу, і як здійснюється його регуляція?
3. Що являє собою апоптоз і в чому його значення для організму?
4. У чому суть клітинного диференціювання?
Біологія: підручник: у 2 т. / За ред. В. Н. Яригіна. – 2011. – Т. 1. – 736 с. : іл.
Життєвий цикл - це час існування клітини від моменту її утворення шляхом розподілу материнської клітини до власного поділу або природної загибелі.
У клітин складного організму (наприклад, людини) життєвий цикл клітин може бути різним. Високоспеціалізовані клітини (еритроцити, нервові клітини, клітини поперечно-смугастої мускулатури) не розмножуються. Їхній життєвий цикл складається з народження, виконання призначених функцій, загибелі (гетерокаталітичної інтерфази).
Найважливішим компонентом клітинного циклу є мітотичний (проліферативний) цикл. Він є комплексом взаємопов'язаних і узгоджених явищ під час поділу клітини, а також до і після нього. Мітотичний цикл - це сукупність процесів, що відбуваються в клітині від одного поділу до наступного і закінчуються утворенням двох клітин наступної генерації. Крім цього, до поняття життєвого циклу входять також період виконання клітиною своїх функцій та періоди спокою.
Мітоз – це основний тип поділу соматичних еукаріотів. Процес поділу включає кілька послідовних фаз і являє собою цикл. Його тривалість різна і становить більшість клітин від 10 до 50 год.
Забезпечує наступність генетичного матеріалу у ряді клітин дочірніх генерацій; призводить до утворення клітин, рівноцінних як за обсягом, так і за змістом генетичної інформації.
Основні стадії мітозу.
1. Редуплікація (самоподвоєння) генетичної інформації материнської клітини та рівномірний розподіл її між дочірніми клітинами.
2. Мітотичний цикл складається з чотирьох послідовних періодів:
1) пресинтетична (G1). Йде відразу після поділу клітини. Синтезу ДНК ще немає. Клітина активно зростає у розмірах, запасає речовини, необхідні розподілу. Відбувається поділ мітохондрій та хлоропластів. Відновлюються риси організації інтерфазної клітини після попереднього поділу;
2) синтетична (S). Відбувається подвоєння генетичного матеріалу шляхом реплікації ДНК. У результаті утворюються дві ідентичні подвійні спіралі ДНК, кожна з яких складається з одного нового та старого ланцюга ДНК. Кількість спадкового матеріалу подвоюється. Крім цього, продовжується синтез РНК та білків;
3) постсинтетична (G2). ДНК не синтезується, проте відбувається виправлення недоліків, допущених при синтезі їх у S період (репарація). Також накопичуються енергія та поживні речовини, продовжується синтез РНК та білків (переважно ядерних).
S та G2 безпосередньо пов'язані з мітозом, тому їх іноді виділяють в окремий період – препрофазу.
Після цього настає власне мітоз, який складається із чотирьох фаз.
-
Концепція, значення і фази. Життєвий цикл– це час існування клітинивід моменту її утворення шляхом поділу материнської клітинидо власнорозподілу чи природної загибелі. -
Життєвий цикл клітини. Концепція, значення і фази.
Наступне питання ". Мейоз, стадіїі значення. Мейоз – це вид поділу клітин -
Життєвий цикл клітини. Концепція, значення і фази. Життєвий цикл– це час існування клітинивід моменту її утворення шляхом поділу матері. Статеве розмноження. -
Життєвий цикл клітини. Концепція, значення і фази. Життєвий цикл– це час існування клітинивід моменту її утворення шляхом поділу материнської... детальніше». -
Концепція, стадії.
Мейоз, стадіїі значення. Мейоз – це вид поділу клітин, при якому відбувається зменшення числа хромосом удвічі та перехід
В тіло- фазі II відбувається поділ клітин, в якому з двох гаплоїдних клітинутворюється 4 дочірні гаплоїдні клітини. -
життєвий циклсім'ї – це певна послідовність зміни подій і стадій, що проходить будь-яка родина.
Кожна фаза життєвого циклусім'ї ставить перед її учасниками певні завдання. -
Мейоз, стадіїі значення. Мейоз – це вид поділу клітин, при якому відбувається зменшення числа хромосом удвічі та перех.
Концепціяпро онтогенез. Стадії. Етапиембріонального розвитку -
« Попереднє питання. Гаметогенез. Концепція, стадії.
1. Перший етапембріонального розвитку – дроблення. При цьому із зиготи шляхом мітотичного поділу утворюються спочатку 2 клітини, потім 4, 8 і т. д. клітининазиваються бластомірами, а зародок на цій... -
Порушення кримінальної справи – початкова стадіяпровадження у будь-якій кримінальній справі. У сучасному російському кримінальному процесі вона виділена в обов'язкову та самостійну стадію, що має свої специфічні завдання -
Типовий життєвий циклтовару складається з кількох стадій: розробка і впровадження; зріст; зрілість; насичений.
Сутність та значеннятоварної політики Сутність та канали товароруху.
Знайдено схожих сторінок:10
(1оцінок, у середньому: 5,00із 5) 
Loading...
