МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ України
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“Київський політехнічний інститут”
Факультет біотехнології і біотехніки
Кафедра промислової біотехнології
Реферат
з дисципліни “Біологія клітини”
на тему «Старіння та загибель клітин. Теорії старіння клітин»
Виконав:
студентка 1 курсу, група БТ-41
_________________ Мельник Дар’я
підпис Андріївна
№ залікової ______________________
Робота здана _____________________
Перевірив:
доцент каф. промислової
біотехнології, к.б.н.
__________________ Жолнер Л.Г.
підпис
Роботу зараховано ________________
дата
з оцінкою________________________
Київ 2014
Зміст
1. Вступ 3
2. Старіння і смерть клітин
2.1. Старіння клітин 4
2.2. Загибель клітин, що не пов’язана зі старінням 12
2.3. Теорії старіння клітин 17
3. Висновки 24
4. Список літератури 25
1. Вступ
Життя у своєму кругообігу залежить від смерті. Клітинам також властива певна тривалість життя, по спливанні якої вони гинуть. Подібно до організмів, різного роду клітини, навіть у складі одного організму, мають характерну тривалість життя, що залежить від ступеня диференціації, через яку вони пройшли.
У процесі життєдіяльності, після досягнення певного віку клітини старіють. Механізми клітинного старіння залишаються нез’ясованими. Згідно з однією гіпотезою, старіння є результатом катастрофічного нагромадження помилок біосинтетичних механізмів клітини, згідно з іншою – воно є наслідком обмеження можливостей росту клітин. Вважають, що старіння клітин є механізмом стабілізації кількості клітин у дорослому організмі. Старіння клітин супроводжується зменшенням швидкості та числа поділів, втратою води та солей.
Загибель окремих клітин або цілих їх груп постійно зустрічається у багатоклітинних організмів, як і смерть одноклітинних організмів. Це явище закономірне і розглядається як природна смерть клітин. Окрім неї, в живому організмі смерть клітин може бути викликана різними місцевими і загальними патологічними впливами. Тотальна загибель клітин завжди настає після смерті організму.
Причини загибелі, процеси морфологічного та біохімічного характеру розвитку клітинної смерті можуть бути різноманітними.
У даний час існує більше 200 різних теорій процесу старіння.
2. Старіння і смерть клітин
2.1. Старіння клітин
Тривалість життя клітин у різних тканинах дорослого організму людини неоднакова. Клітини деяких тканин живуть дуже коротко – від декількох хвилин (лейкоцити) до декількох діб (клітини кишкового епітелію), чи багатьох років (кардіоміоцити і нейрони). У фізіологічних умовах старіння клітин закінчується програмованою смертю – апоптозом.
Клітини, як і все живе, гинуть. Смерть клітин може наступати як у нормі, так і при патології. Гинуть клітини вже під час ембріонального розвитку при формуванні тканин і органів. У ранньому онтогенезі наступає масова загибель певних груп клітин, які не досягли стану остаточної (термінальної) диференціації, наприклад, нейробласти. У дорослому організмі смерть клітин настає:
внаслідок старіння,
при втраті функцій,
під впливом шкідливих факторів (некроз).
Гинуть клітини, які виконали свою функцію. Так, смерть еозинофілів наступає після їх дегрануляції.
Апоптоз
Апоптоз (від грец. аpoptosis – листопад, опадання) – природна (запрограмована, фізіологічна) смерть клітин; це активний, генетично контрольований процес загибелі клітин, який регулюється внутрішньоклітинною програмою, а запускається зовнішніми факторами. Апоптоз називається «смертю клітини в результаті самознищення». Особливістю апоптозу є те, що він наступає в окремих клітинах або в їх групах, розділених значними угрупуваннями життєздатних клітин. Апоптоз спостерігається в різних клітинах людини і тварин в нормі, при патології, як у дорослих особин, так і під час ембріонального розвитку.
Зміни клітин при апоптозі
На початковій (латентній) стадії в клітині відзначається синтез ферментів, необхідних для забезпечення її загибелі. Найбільш раннім проявом апоптозу є втрата міжклітинних з’єднань. Після цього під впливом активованої ендонуклеази настає мікрофрагментація хроматину і його маргінізація (переміщення під каріолему у вигляді півмісяців). Відтак наступає фрагментація ядра. Цитоплазма конденсується, мембранні органели спочатку розширяються, а відтак розпадаються з утворенням кластерів. На поверхні клітин утворюються здуття. Під кінець апоптозу за участю актинових мікрофіламентів відшнуровуються ділянки цитоплазми і фрагменти ядра, і таким чином утворюються апоптозні тіла різних розмірів, які руйнуються остаточно: одні можуть поглинатися сусідніми клітинами, інші – захоплюються фагоцитами. Реакції запалення при апоптозі не виникає. Нейтрофіли в фагоцитозі апоптозних тіл участі не беруть.
Апоптозний процес триває досить коротко – від декількох хвилин до декількох годин (у середньому від 1 до 3 годин). Латентний період, який передує самому процесові апоптозу, продовжується значно довше – до 12 годин. Але не всі клітини, в яких почався латентний період, вступають в апоптоз.
Механізми запуску і розгортання процесів апоптозу
Програмована смерть клітин, можливо, індукується нагромадженням генетичних помилок або знищенням чутливості клітин до ростових сигналів, а ініціюється рядом сигналів і ферментів. На початковому етапі (латентному періоді) синтезуються ферменти, необхідні для здійснення загибелі клітин. Але не всі клітини з активованими ферментами гинуть, частина з них виживає завдяки активації генів-рятувальників і трофічних факторів. Далі процес апоптозу розгортається під впливом сигналів, які передаються до ядра (фактори, опосередковані іонами Са2+, ферменти), активацією летальних, або «кілерних» генів і шляхом синтезу апоптоз-специфічних білків. Важливу роль в розгортанні апоптозу мають ферменти: протеази та ендонуклеази, які зумовлюють мікрофрагментацію ДНК у ділянках між нуклеосомами.
Значення апоптозу
Апоптоз є одним із функціональних біологічних механізмів розвитку тканин і тканинного гомеостазу. Він до певної міри пов’язаний з усіма проявами життєдіяльності клітин у нормі та патології.
Особливе значення апоптозу в ембріональному розвитков, який полягає в забезпеченні регресії частин ембріональних зачатків, особливо під час гісто- і органогенезу. Ембріональний розвиток завжди супроводжується надмірним утворенням клітин, особливо попередників нейронів (нейробластів), а під впливом апоптозу гине від 25 до 85% цих клітин. Проявами апоптозу в ембріогенезі є зміна форми закладок органів, розрив плодових оболонок.
У дорослому організмі в фізіологічних умовах старіння клітин завершується програмованою смертю. У процесі імунної відповіді гинуть клітини-кілери. Клітини підгрудинної залози, які виконували гормональну функцію в дитячому віці, при настанні статевої зрілості також гинуть. Апоптоз клітин наступає при інволюції гормонально залежних органів після припинення гормональної стимуляції (постлактаційна інволюція молочної залози). У клітинах імунної системи апоптоз забезпечує розвиток імунних реакцій (інволюція підгрудинної залози при настанні статевої зрілості). При дії на організм шкідливих факторів, при інфаркті, інсульті та при інфекційних захворюваннях настає також апоптоз.
Слід відзначити, що апоптоз у зрілому організмі забезпечує клітинний гомеостаз – відносну постійність складу тканин і органів, а при старінні чи патології здійснює регуляцію кількості клітин в органах відповідно до знижених функціональних можливостей організму. Вважають, що пригнічення апоптозу можливо служить одним із механізмів канцерогенезу – злоякісного росту. Таке передбачення базується на тому, що в пухлинних клітинах інактивуються фактори, які запускають і підтримують програму апоптозу.
Некроз
Некроз (від грец. nekrosis – змертвіння, вмирання) – власне смерть пошкодженої клітини, що супроводжується необоротним припиненням її життєдіяльності. Некроз є завершальним етапом клітинних дистрофій або наслідком прямої дії на клітину ушкоджувальних чинників руйнівної сили. Загибель клітин наступає внаслідок дії різко виражених шкідливих факторів: перегріванні, переохолодженні, нестачі кисню (гіпоксії), порушенні кровопостачання (ішемії), дії отрут, хімічних препаратів, механічної травми тощо. Некроз, як правило, супроводжується запальною реакцією.
Некрозу передують паранекроз (метаболічні і структурні зміни ще оборотні) і некробіоз. На етапі некробіозу патогенні зміни набувають незворотного характеру і призводять до некрозу. Основні ланки патогенезу некрозу ті ж, що і при пошкодженні клітин, але при розвитку некрозу вони максимально інтенсифіковані і розвиваються на тлі недостатності адаптивних механізмів (захисту та регенерації пошкоджених структур, компенсації порушених процесів в клітині).
На початкових етапах розвитку некрозу наступає набряк цитоплазми та окремих органел (особливо мітохондрій), дисперсія рибосом і розширення цистерн ЕПР. При цьому збільшується кількість лізосом, нагромаджуються жирові і пігментні включення, наростає проникність клітинних мембран, вакуолізація цитоплазми і ядра. У гіалоплазмі зростає концентрація Са2+, що приводить до активації фосфорилаз і руйнування мембранних фосфоліпідів та пошкодження мембран. На пізніх стадіях некрозу з лізосом виділяються ферменти і руйнують структури клітини.
Лізис та аутоліз
Некротизовані клітини та її пошкоджені компоненти піддаються деструкції (лізис) за допомогою лізосомних ферментів, активних форм кисню і вільних радикалів. Вивільненню лізосомних ферментів сприяє розвиток внутрішньоклітинного ацидозу. Відомі факти інтенсифікації вільнорадикальних і ліпопероксидних реакцій при гострому запаленні, механічному пошкодженні, на певних етапах інфаркту (приватної форми некрозу, що розвивається внаслідок порушення кровопостачання тканини), пухлинного росту (супроводжується загибеллю великої кількості як злоякісних, так і оточуючих нормальних клітин) та інших патологічних процесах. Руйнування пошкоджених і некротизованих клітин відбувається і за участю інших клітин – фагоцитів, а також мікроорганізмів. На відміну від аутолітичного розпаду, останній механізм позначають як гетеролітичний.
Встановити момент смерті клітини важко. Мертвою вважають клітину, яка втрачає здатність підтримувати сталість складу внутрішнього середовища; внаслідок проникності пошкоджених мембранних структур клітини між нею і зовнішнім середовищем швидко виникає обмін рідинами. Посмертні зміни, відбуваються потім, характеризуються самоперетравлюванням різних частин клітини під дією ферментів, звільнених в результаті пошкодження лізосом. Цей процес відомий як аутоліз.
Зміни клітини при аутолізі різноманітні і стосуються всіх її компонентів. Одним з ранніх морфологічно реєстрованих змін є збільшення розмірів ядра внаслідок його набухання. При сильному набуханні може статися розрив ядерної оболонки і стиснення ядра. Іншою ранньою ознакою аутолізу є агрегація хроматину: в ядрі з’являються компактні і сильно зафарбовувані грудочки хроматину, укладені в просвітлену нуклеоплазму. Потім забарвлення хроматину блідне, грудочки стають нечіткими, відзначається розпливчастість контурів ядра.
При тому під впливом лізосомальної ДНКази фрагментується ДНК і гетерохроматин конденсується під каріолемою у вигляді великих грудок. Відтак ядро зменшується, стискається в щільну безструктурну масу з підвищеною зафарбовуваністю і піддається каріопікнозу (від грец. karyon – ядро і pyknosis – ущільнення), потім гетерохроматин розпадається на частини – зернятка, і таке явище називається каріорексисом (від грец. karyon – ядро і rhexis – розрив). Йому передує маргінація (крайова агрегація) хроматину, лопатева форма ядра і підвищене його забарвлення. Завершуються зміни в ядрі каріолізисом (від грец. karyon – ядро і lysis – розчинення) – зменшенням хроматину аж до зникнення і ослаблення зафарбовуваності ядра, остаточним його руйнуванням, ніби його розчиненням. Питання про співвідношення цих змін при аутолізі до кінця не з’ясоване. Мабуть, вони можуть відбуватися як в самостійній, так і в поєднаній формі. Зокрема, можна вважати, що в тих ядрах, де стався розрив оболонки, наступним процесом буде пікноз, а там, де розриву не було, ядра будуть змінюватися по типу лізису.
Однією з ранніх посмертних змін цитоплазми всіх клітин вважають її набухання, а потім стиснення. В момент різкого набухання розриваються мембрани клітини і вона розпадається. Продукти розпаду клітини потрапляють у міжклітинний простір і фагоцитуються лейкоцитами і макрофагами. Остаточне руйнування клітини супроводжується запальним процесом, викликаним продуктами розпаду клітини.
Подальші перетворення клітин аж до повного розпаду відбуваються по-різному, залежно від того, знаходяться клітини в живому організмі, в мертвому або поза організмом [1].
Виділяють молекулярні, клітинні та нейрогуморальні механізми старіння.
Сутність молекулярних і клітинних механізмів старіння полягає у:
порушенні генетичного апарату клітин, програми біосинтезу білка (з віком накопичуються помилки в генетичній інформації, що призводить до появи «дефектних» білків);
порушенні клітинної біоенергетики;
зменшенні клітинної маси (відмирання певної частини клітин призводить до того, що на інші клітини припадає велике навантаження, що сприяє їх гіперфункції і викликає старіння);
цитоморфологічних змінах (в клітинах, які не діляться, накопичуються продукти їх життєдіяльності, що сприяє старінню);
функціональних змінах:
а) зниженні здатності нейронів відтворювати інформацію;
б) зниженні функції секреторних клітин (синтез і виділення речовини);
в) зниженні рівня працездатності та ін.
Первинне старіння властиве клітинам, що не діляться. Ділення клітин звільняє її від грубих вікових змін. Вважається, що існує число ділення клітин, яке визначає термін життя клітинної популяції і зумовлює старіння.
На основні, клітинні механізми старіння накладалися, видозмінюючи їх, нейрогуморальні впливи. В результаті вищі організми старіють не як проста сума клітин, а як складна система. Чим вище еволюційний рівень організму, тим більшого значення в механізмі вікового розвитку мають нейрогуморальні впливи (див. Адаптаційно-регуляторна теорія, розділ 2.3).