Gistologia_Uchebnik_Afanasyev-1

исходят синтезы ферментов, необходимых для образования предшествен­ ников ДНК (например, нуклеотидфосфокиназ), ферментов метаболизма РНК и белка. Это совпадает с увеличением синтеза РНК и белка. При этом резко повышается активность ферментов, участвующих в энергетиче­ ском обмене.

Вследующем, S-периоде происходит удвоение количества ДНК на ядро

исоответственно удваивается число хромосом. В разных клетках, находя­

щихся в S-периоде, можно обнаружить разные количества ДНК — от 2 до 4 с. Это связано с тем, что исследованию подвергаются клетки на разных этапах синтеза ДНК (только приступившие к синтезу и уже завершившие его).

S-период является узловым в клеточном цикле. Без прохождения синтеза ДНК неизвестно ни одного случая вступления клеток в митотическое деле­ ние.

Единственным исключением является второе деление созревания поло­ вых клеток в мейозе, когда между двумя делениями нет синтеза ДНК.

В S-периоде уровень синтеза РНК возрастает соответственно увеличению количества ДНК, достигая своего максимума в С2-периоде.

Постсинтетическая (G2) фаза называется также премитотической. В дан­ ной фазе происходит синтез иРНК, необходимый для прохождения митоза. Несколько ранее этого синтезируется рРНК. Среди синтезирующихся в это время белков особое место занимают тубулины — белки митотического ве­ ретена.

Вконце вз-периода или в митозе по мере конденсации митотических хромосом синтез РНК резко падает и полностью прекращается во время митоза. Синтез белка во время митоза понижается до 25 % от исходного уровня и затем в последующих периодах достигает своего максимума в G2периоде, в общем повторяя характер синтеза РНК.

Врастущих тканях растений и животных всегда есть клетки, которые на­ ходятся как бы вне цикла. Такие клетки принято называть клетками G0-ne- риода. Это клетки, которые после митоза не вступают в пресинтетический период (G,). Именно они представляют собой так называемые покоящиеся, временно или окончательно переставшие размножаться клетки. В некото­ рых тканях такие клетки могут находиться длительное время, не изменяя особенно своих морфологических свойств: они сохраняют в принципе спо­ собность к делению. Это камбиальные клетки (например, стволовые в кро­ ветворной ткани). Чаще потеря (хотя бы и временная) способности делить­ ся сопровождается специализацией и дифференцировкой. Такие дифферен­ цирующиеся клетки выходят из цикла, но в особых условиях могут снова входить в цикл. Например, большинство клеток печени находится в Go-пе­ риоде; они не синтезируют ДНК и не делятся. Однако при удалении части печени у экспериментальных животных многие клетки начинают подготов­ ку к митозу (G,-период), переходят к синтезу ДНК и могут митотически де­ литься. В других случаях, например в эпидермисе кожи, после выхода из цикла размножения и дифференцировки клетки некоторое время функцио­ нируют, а затем погибают (ороговевшие клетки покровного эпителия). Многие клетки теряют полностью способность возвращаться в митотиче­ ский цикл. Так, например, нейроны головного мозга и кардиомиоциты по­ стоянно находятся в Go-периоде (до смерти организма).

81

Деление клеток: митоз

Митоз (mitosis), кариокинез, или непрямое деление, — универсальный способ деления любых эукариотических клеток. При этом конденсирован­ ные и уже редуплицированные хромосомы переходят в компактную форму митотических хромосом, образуется веретено деления, участвующее в сегре­ гации и переносе хромосом (ахроматиновый митотический аппарат), проис­ ходят расхождение хромосом к противоположным полюсам клетки и деле­ ние тела клетки (цитокинез, цитотомия).

Морфология митотических хромосом

Как интерфазные, так и митотические хромосомы состоят из элементар­ ных хромосомных фибрилл — молекул ДНП. В последнее время принято считать, что на каждую хромосому приходится одна гигантская фибрилла ДНП, сложно уложенная в относительно короткое тельце — собственно ми­ тотическую хромосому. Фибриллы хроматина в митотической хромосоме образуют многочисленные розетковидные петлевые домены (хромомеры), которые при дальнейшей конденсации хроматина образуют видимую в све­ тооптическом микроскопе митотическую хромосому.

Морфологию митотических хромосом лучше всего изучать в момент их наибольшей конденсации, в метафазе и в начале анафазы. Хромосомы в этом состоянии представляют собой палочковидные структуры разной дли­ ны с довольно постоянной толщиной. У большинства хромосом удается легко найти зону первичной перетяжки (центромеры), которая делит хромо­ сому на два плеча (рис. 24). Хромосомы с равными или почти равными пле­ чами называют метацентрическими, с плечами неодинаковой длины — субметацентрическими. Палочковидные хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом называют акроцентрическими. В области пер­ вичной перетяжки расположен кинетохор — сложная белковая структура, имеющая форму овальной пластинки, связанной с ДНК центромерного района хромосомы. К этой зоне во время митоза подходят микротрубочки клеточного веретена, связанные с перемещением хромосом при делении клетки. Некоторые хромосомы имеют, кроме того, вторичные перетяжки, располагающиеся вблизи одного из концов хромосомы и отделяющие ма­ ленький участок — спутник хромосомы. Вторичные перетяжки называют, кроме того, ядрышковыми организаторами, так как именно на этих участках хромосом в интерфазе происходит образование ядрышка. В этих местах ло­ кализована ДНК, ответственная за синтез рибосомных РНК.

Плечи хромосом оканчиваются теломерами — конечными участками. Размеры хромосом, как и их число, у разных организмов варьируют в ши­ роких пределах.

Совокупность числа, размеров и особенностей строения хромосом назы­ вается к а р и о т и п о м данного вида.

При специальных методах окраски хромосомы неравномерно восприни­ мают красители: вдоль их длины наблюдается чередование окрашенных и неокрашенных участков — дифференциальная неоднородность хромосомы. Важно то, что каждая хромосома имеет свой, неповторимый рисунок такой дифференциальной окраски. Применение методов дифференциальной ок­ раски позволило детально изучить строение хромосом. Хромосомы человека

82

Рис. 25. Митоз клетки (схема).

1— интерфаза; 2 — профаза; 3 — метафаза; 4 — анафаза; 5 — телофаза; 6 — ранняя интерфаза.

Пр о ф а з а . После окончания S-периода количество ДНК в интерфазном ядре равно 4 с, так как произошло удвоение хромосомного материала. Од­ нако морфологически регистрировать удвоение числа хромосом в этой ста­ дии не всегда удается. Собственно хромосомы как нитевидные плотные тела начинают обнаруживаться микроскопически в начале процесса деления клетки, а именно в профазе митотического деления клетки. Если попытать­ ся подсчитать число хромосом в профазе, то их количество будет равно 2 п. Но это ложное впечатление, потому что в профазе каждая из хромосом двойная, что является результатом их редупликации в интерфазе. В профазе эти сестринские хромосомы тесно соприкасаются друг с другом, взаимно спирализуясь одна относительно другой, поэтому трудно увидеть двойствен­ ность всей структуры в целом. Позднее хромосомы в каждой такой паре на­ чинают обособляться, раскручиваться. Двойственность хромосом в митозе наблюдается у живых клеток в конце профазы, когда видно, что общее их число в начинающей делиться клетке равно 4 п. Следовательно, уже в нача­ ле профазы хромосомы состояли из двух сестринских хромосом, или, как их еще называют, хроматид. Число их (4 п) в профазе точно соответствует ко­ личеству ДНК (4 с).

Параллельно конденсации хромосом в профазе происходят исчезновение и дезинтеграция ядрышек в результате инактивации рибосомных генов в зо­ не ядрышковых организаторов.

Одновременно с этим в середине профазы начинается разрушение ядер­

ной оболочки: исчезают ядерные поры, оболочка распадается сначала на фрагменты, а затем на мелкие мембранные пузырьки.

В это время меняются и структуры, связанные с синтезом белка. Проис­ ходит уменьшение количества гранулярного эндоплазматического ретикулума, он распадается на короткие цистерны и вакуоли, количество рибосом на его мембранах резко падает. Значительно (до 25 %) редуцируется число по­ лисом как на мембранах, так и в гиалоплазме, что является признаком об­ щего падения уровня синтеза белка в делящихся клетках.

Второе важнейшее событие при митозе тоже происходит во время про­ фазы — это образование в е р е т е н а д е л е н и я . В профазе уже репродуци­ ровавшиеся в S-периоде центриоли начинают расходиться к противополож­

84

Рис. 26. Строение митотического веретена (схема).

1 — хромосомы; 2 — клеточный центр; 3 — центриолярные микротрубочки; 4 — кинетохорные микротру­ бочки.

расхождения диплосом начинают формиро­ ваться микротрубочки, отходящие от пери­ ферических участков одной из центриолей каждой диплосомы.

Сформированный аппарат деления в жи­ вотных клетках имеет веретеновидную фор­ му и состоит из нескольких зон: двух зон центросфер с центриолями внутри них и промежуточной между ними зоны волокон веретена. Во всех этих зонах имеется боль­ шое число микротрубочек (рис. 26).

Микротрубочки в центральной части это­ го аппарата, в собственном веретене деле­ ния, так же как микротрубочки центросфер, возникают в результате полимеризации ту­ булинов в зоне центриолей. Эти микротру­ бочки достигают кинетохоров, расположен­ ных в области центромерных перетяжек

хромосом, и связываются с ними. В веретене деления различают два типа микротрубочек: идущие от полюса к центру веретена и хромосомные, со­ единяющие хромосомы с одним из полюсов.

М е т а ф а з а занимает около трети времени всего митоза. Во время мета­ фазы заканчивается образование веретена деления, а хромосомы выстраива­ ются в экваториальной плоскости веретена, образуя так называемую метафазную пластинку хромосом, или материнскую звезду. К концу метафазы завершается процесс обособления друг от друга сестринских хроматид. Их плечи лежат параллельно друг другу, между ними хорошо видна разделяю­ щая их щель. Последним местом, где контакт между хроматидами сохраня­ ется, является центромера.

А н а ф а з а . Хромосомы все одновременно теряют связь друг с другом в области центромер и синхронно начинают удаляться друг от друга по на­ правлению к противоположным полюсам клетки. Скорость движения хро­ мосом равномерная, она может достигать 0,2—0,5 мкм/мин. Анафаза — са­ мая короткая стадия митоза (несколько процентов от всего времени), но за это время происходит ряд событий. Главными из них являются обособление двух идентичных наборов хромосом и перемещение их в противоположные концы клетки. Расхождение хромосом по направлению к полюсам происхо­ дит одновременно с расхождением самих полюсов.

Доказано, что расхождение хромосом связано с одной стороны с укора­ чиванием, деполимеризацией микротрубочек в районе кинетохоров хромо­ сом и с работой белков-транслокаторов, перемещающих хромосомы. До­ полнительное расхождение полюсов в анафазе обеспечивается за счет скольжения относительно друг друга межполюсных микротрубочек, которое обеспечивается работой другой группы белков-транслокаторов.

85

Т е л о ф а з а начинается с остановки разошедшихся диплоидных (2 п) наборов хромосом (ранняя телофаза) и кончается началом реконструкции нового интерфазного ядра (поздняя телофаза, ранний G,-период) и разделе­ нием исходной клетки на две дочерние (цитокинез, цитотомия). В ранней телофазе хромосомы, не меняя своей ориентации (центромерные участки — к полюсу, теломерные — к центру веретена), начинают деконденсироваться и увеличиваться в объеме. В местах их контактов с мембранными пузырька­ ми цитоплазмы образуется новая ядерная оболочка. После замыкания ядер­ ной оболочки начинается формирование новых ядрышек. Клетка переходит в новый Gj-период.

Важное событие телофазы — разделение клеточного тела, цитотомия, или цитокинез, который происходит у клеток животных путем образования перетяжки в результате впячивания плазматической мембраны внутрь клет­ ки. При этом в кортикальном, подмембранном слое цитоплазмы располага­ ются сократимые элементы типа актиновых фибрилл, ориентированные циркулярно в зоне экватора клетки. Сокращение такого кольца приводит к впячиванию плазматической мембраны в области этого кольца, что завер­ шается разделением клетки перетяжкой на две.

При повреждении митотического аппарата (действие холода или агентов, вызывающих деполимеризацию тубулинов) может произойти или задержка митоза в метафазе, или рассеивание хромосом. При нарушениях репродук­ ции центриолей могут возникать многополюсные и асимметричные митозы и т. д. Нарушения цитотомии приводят к появлению гигантских ядер или многоядерных клеток.

Полиплоидия

Полиплоидия — образование клеток с повышенным содержанием ДНК. Такие полиплоидные клетки появляются в результате полного отсутствия или незавершенности отдельных этапов митоза. Появление полиплоидных соматических клеток может наблюдаться при блокаде деления клеточного тела. В печени взрослых млекопитающих встречаются, кроме диплоидных, тетра- и октаплоидные (4 п и 8 п) клетки, а также двуядерные клетки раз­ ной степени плоидности. Процесс полиплоидизации этих клеток происхо­ дит следующим образом. После S-периода клетки, обладающие 4 с количе­ ством ДНК, вступают в митотическое деление, проходят все его стадии, включая телофазу, но не приступают к цитотомии. Таким образом, образу­ ется двуядерная клетка ( 2 x 2 п). Если она снова проходит S-период, то оба ядра в такой клетке будут содержать по 4 с ДНК и 4 п хромосом. Такая дву­ ядерная клетка входит в митоз, на стадии метафазы происходит объедине­ ние хромосомных наборов (общее число хромосом равно 8 п), а затем — нормальное деление, в результате которого образуются две тетраплоидные клетки. Этот процесс попеременного появления двуядерных и одноядерных клеток приводит к появлению ядер с 8 п, 16 п и даже 32 п количеством хро­ мосом. Подобным способом образуются полиплоидные клетки в печени, в эпителии мочевого пузыря, в пигментном эпителии сетчатки, в ацинарных отделах слюнных и поджелудочной желез, мегакариоциты красного костно­ го мозга. Необходимо отметить, что полиплоидизации соматических клеток встречается на терминальных периодах развития клеток, тканей и органов.

86

Рис. 27. Пути клеточной гибели.

А — некроз; Б — апоптоз. Объяснение в тексте.

клетки. Это гены как бы запрограммированной гибели клетки. Программа такого самоуничтожения может включаться в результате воздействия на клетку сигнальных молекул (часто это различные белковые факторы или различные гормоны). Так, некоторые лейкоциты погибают сами по себе при действии на них глюкокортикоидов. К активации генов самоуничтоже­ ния может приводить прекращение регулирующего сигнала. Например, по­ сле удаления семенников полностью погибают клетки предстательной желе­ зы. Такая гибель как бы без причины встречается очень часто при нормаль­ ном эмбриональном развитии организма. Клетки тканей хвоста головасти­ ков погибают в результате активации этого процесса гормонами типа тиреоидного. Гибнут клетки эмбриональных закладок, например клетки протока первичной почки, нейробласты периферических ганглиев и др. Во взрослом организме апоптозу подвергаются клетки молочной железы при ее инволю­ ции, клетки желтого тела яичника и т. д.

Процесс апоптоза значительно отличается от некроза. На ранних его ста­ диях происходит возрастание уровня кальция в цитоплазме, но при этом мембранные органеллы не изменяются, синтез РНК и белка не падает. Позднее в ядре происходит активация специальных эндонуклеаз, происхо­ дит расщепление ДНК на нуютеосомные фрагменты, хроматин характерно конденсируется, образуя грубые скопления по периферии ядра. Ядра начи­ нают фрагментироваться, распадаться на "микроядра", каждое из которых покрыто ядерной оболочкой. Затем или одновременно с этим цитоплазма также начинает фрагментироваться. От клетки отшнуровываются крупные фрагменты, часто содержащие "микроядра". Это так называемые апоптические тельца. При этом клетка как бы рассыпается. Апоптические тельца в норме поглощаются фагоцитами или же претерпевают вторичные некроти­ ческие изменения и в конце концов лизируются.

91