циональному состоянию. Если же раздражитель действует слишком долго и сильно, в клетке развиваются необратимые изменения — некроз, ведущие к смерти.

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ КЛЕТОК

Способность клеток к воспроизведению — важнейшее свойство живой материи. Благодаря этой способности обеспечивается непрерывная преемственность клеточных поколений, сохранение клеточной организации в эволюции живого, совершаются рост и регенерация. Способом воспроизведения клеток считается деление. Известно три типа деления: митоз, мейоз и амитоз.

В результате митоза каждая дочерняя клетка получает то же количество материала наследственности (ДНК), которое имела материнская клетка. Следовательно, митоз невозможен без предварительного увеличения вдвое (редупликации) количества ДНК в клетке, готовящейся к делению. Удвоение ДНК и митоз разъединены во времени. Редупликация ДНК происходит в период подготовки к делению — в интерфазе.

Интерфаза и митоз составляют клеточный, или митотический цикл, который для клетки, способной к делению, равен ее жизни, так как в процессе деления материнская клетка прекращает свое существование, дав начало двум дочерним клеткам. Их жизнь также заканчивается следующим делением, если они не вступят на путь дифференцировки и выполнения специфических функций. Продолжительность клеточного цикла у разных типов клеток зависит от особенностей ткани, которой принадлежит клетка. Например, клеточный цикл эпителия кишечника мыши около 19 ч, а эпителия кожи того же животного почти 586 ч.

Молодые клетки, только что образовавшиеся в результате деления, имеют в 2 раза меньше ДНК, РНК, белков и других пластических и энергетических материалов по сравнению с материнской клеткой и им необходим определенный период времени для образования и накопления всех этих веществ. Этот период принято называть интермитотической фазой (промежутком между делениями) или интерфазой, составляющей большую часть клеточного цикла. В эпителии кишечника мыши на ее долю приходится 18 ч — 95% времени, в эпителиях кожи — 582 ч — 99%. Интерфазу разделяют на три периода: пресинтетнческий, синтетический, постсинтетический.

Пресинтетический (поетмитотический) период, или G1-период, наступает сразу после завершения деления клетки и продолжается до начала удвоения ДНК. Это самый длительный период интерфазы. Он составляет от 50 до 90% ее времени. В этот период клетка интенсивно растет, особенно ее цитоплазма, в которой происходит дифференциация органелл, увеличивается количество цистерн цитоплазматической сети, пластинчатого комплекса, митохондрий, удваиваются центриоли центросомы. В клетке совершаются активные процессы синтеза РНК, ферментных и пластических белков, макроэргических соединений и других веществ.

www.timacad.ru

Синтетический период, или S-период, считается ключевым, так как в это время происходит удвоение ДНК. В природе неизвестно ни одного случая митоза без предварительного прохождения клеткой S-периода. Особым случаем является мейоз, когда между первым и вторым делениями созревания половых клеток этого периода нет.

Длительность S-периода зависит от скорости редупликации ДНК, а это, в свою очередь, зависит от размеров молекул ДНК, степени их конденсации и общего количества ДНК в клетке. Авторадиографическим методом установлено, что у млекопитающих молекулы ДНК имеют линейную форму и редуплицируются одновременно во многих участках, называемых репликонами. Все хромосомы одной клетки (геном) содержат десятки тысяч репликонов, что во много раз ускоряет синтез ДНК. Так. редупликация первой хромосомы человека, длина ДНК которой около 7 см, продолжается 7—12 ч, а если бы этот процесс шел с одного конца молекулы до другого последовательно, то занял бы около трех месяцев. Синтез ДНК происходит асинхронно. Раньше редуплицируются наиболее деконденсированные (деспирализованные) хромосомы или их участки, позже — наиболее конденсированные хромосомы, например одна из Х-хромосом самок.

В результате редупликации молекул ДНК ее количество в клетке увеличивается вдвое и клетка в конце S-периода содержит тетраплоидное (4n) количество ДНК при диплоидном количестве хромосом (2n), так как редуплицированные молекулы ДНК сохраняют связь друг с другом и теперь каждая хромосома содержит две молекулы ДНК, называемые хроматидами.

Соответственно увеличению количества ДНК возрастает синтез РНК, белков-гистонов и других макромолекул. Гистоны переходят в ядро и там связываются с ДНК, свертывая определенным образом эту гигантскую молекулу. Благодаря описанным выше процессам в S-периоде заметно увеличиваются размеры ядра.

Постсинтетический (премитотический) период, или G2-период, непродолжительный (1—10% времени клеточного цикла) и характеризуется равномерным ростом ядра и цитоплазмы. В этот период происходит накопление энергии, синтез специальных белков— тубулинов, необходимых для организации митотического аппарата и других макромолекул, используемых при митозе. По завершении этого периода наступает митотическое деление клетки.

Непрямое деление (митоз или кариокинез).

Митоз — самый распространенный вид деления. Непрямым его называют потому, что окончательному разделению клетки на две дочерние — цитотомии предшествуют сложные изменения и перемещения материала клетки, особенно ядра. Отсюда второе название деления — кариокинез (по В. Шлейхеру), что означает движение ядра. Подвижными оказываются структуры, имеющие форму нитей. Отсюда третье название деления — митоз (mytos

— нить), данное В. Флеммингом в 1882 г. Смысл митоза состоит в равном разделении между дочерними клетками материала наследственности— ДНК,

www.timacad.ru

заключенного в хромосомах. Термин «хромосома» был предложен В. Вальдейером в 1888 г.

Рис. 9. Различные уровни конденсации хромосомы:

1 — нуклеосомная; 2— нуклеомерная; 3 — хромомерная; 4 — хромонемная.

Строение хромосомы. Хромосома — молекула ДНК, соединенная с белками. Хромосомы существуют в ядре в течение всей жизни клетки, но имеют разную форму и величину. В период интерфазы это деконденсированные фибриллярные дезоксирибонуклеопротеиды (ДНП) длиной до нескольких сантиметров и толщиной 20—30 нм. Двуспиральная молекула ДНК в интерфазной хромосоме уложена с помощью белков — гистонов в виде бусинок на нитке (рис. 9). Такая укладка ДНК называется нуклеосомной. Это первый уровень компактизации ДНК, который удается видеть в электронный микроскоп. Обычно интерфазная хромосома уложена более компактно: 8—10 бусинок — нуклеосом компонуются гистонами в «сверхбусину» — нуклеомер.

Втаком виде ДНК успешно выполняет свои функции в интерфазной клетке.

Впериод митоза хромосомы — это компактные тельца характерной формы, длиной до нескольких микрометров и толщиной 0,5—1 мкм. Для того чтобы хромосома могла принять такие размеры, она должна укоротиться в 10 ООО раз, то есть конденсироваться. В это время гигантская молекула ДНК изгибается, образуя мелкие, плотно уложенные петли, скрепленные негистоновыми белками. В начальных стадиях конденсации ДНП иногда удается видеть (при мейозе чаще, чем при митозе) утолщения— хромомеры, расположенные на хромосоме через определенные промежутки. В состав одного хромомера входит 50—70 тыс. пар нуклеотидов, что соответствует размеру одного гена. Дальнейшая конденсация приводит к образованию хромонемы — нити, образующейся за счет сближения хромомеров, видимой уже в световой микроскоп. Хромонема, в свою, очередь, конденсируется. Возможно, это

www.timacad.ru

спирализация или образование петлистых структур. Полностью конденсированную хромонему называют хроматидой. Хромосома содержит одну или две хроматиды в зависимости от фазы деления (рис. 10).

Полностью конденсированная митоти-ческая хромосома имеет два плеча, между которыми имеется первичная перетяжка. В области первичной перетяжки содержится центромера, или кинетохор,— участок, который присоединяется к микротрубочкам веретена деления и обеспечивает движение хромосомы. Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Она обычно расположена на одном из концов и отделяет маленький участок хромосомы — спутник. В области вторичной перетяжки расположена ДНК, ответственная за синтез рибосомной РНК, поэтому ее также называют ядрышковым организато-

ром.

Собственно митоз. В митозе различают четыре фазы (стадии): профазу, метафазу, анафазу, телофазу. Митоз обычно занимает меньше 10% времени клеточного цикла, продолжаясь 1—3 ч (рис. 11).

Профаза — первая фаза митоза, во время которой происходит конденсация хромосом — постепенный и довольно продолжительный процесс. Поэтому в профазе различают две стадии: плотного клубка (тонкие нити ДНП сильно перепутаны в ядре) и рыхлого клубка (более спирализованные хромосомы пространственно отделены друг от друга, но не имеют еще окончательной формы). По мере прохождения профазы удвоенные в интерфазный период молекулы ДНК конденсируются, укорачиваются. При этом в каждой хромосоме и прежняя, и вновь синтезированная молекулы ДНК скручиваются и

www.timacad.ru

спирализуются одна около другой, образуя единую структуру. Следовательно, в профазе митоза каждая хромосома состоит из двух хроматид, и если количество хромосом в это время равно 2n, то количество ДНК равно 4 n.

Рис. 11. Схема митоза:

А — профаза ранняя (плотного клубка); Б — профаза поздняя (рыхлого клубка); В — метафаза; Г—анафаза ранняя; Д — анафаза поздняя; Е — телофаза; 1 — ядерная оболочка; 2— ядрышко; 3 — центросома; 4 — центросфера: 5 —хромосомы; 6 — веретено деления; 7— экваториальная пластинка (материнская звезда); 8 — дочерняя звезда; 9 —дочерняя клетка.

Одновременно с конденсацией хромосом идет дезинтеграция ядрышка и включение ядрышкового материала в состав матрикса хромосом. Значительные преобразования в период профазы отмечают и в других структурах клетки. Гранулярная цитоплазматическая сеть и пластинчатый комплекс распадаются на мелкие цистерны и вакуоли, разрушаются полисомы. Все это ведет к резкому падению синтеза белков. К концу профазы ядерная оболочка фрагментируется на мелкие мембранные пузырьки. Кариоплазма сливается с цитоплазмой — образуется миксоплазма. Дезинтегрированные органеллы и материал, из которого они состояли, равномерно распределен по клетке.

В профазе происходит образование митотического аппарата, без которого было бы невозможно расхождение хромосом. Удвоенные в интерфазе центриоли центросомы начинают расходиться к полюсам клетки и достигают полюсов к моменту исчезновения ядерной оболочки. К каждому полюсу отходит по две центриоли. От них отрастают микротрубочки, выстраиваясь в виде веретенообразной структуры. По мере развития веретена все органеллы клетки и их фрагменты оттесняются на периферию клетки, а ее центр оказы-

www.timacad.ru

вается занят огромным количеством довольно тесно расположенных микротрубочек, в сумме с центросомой формирующих митотический ахромати-

новый аппарат.

Метафаза довольно продолжительная, иногда составляет даже Уз митоза. В этой фазе завершается образование веретена деления. В начале метафазы хромосомы лежат неупорядоченно, но не выходят за пределы ядерной области, где они совершают дрейфующие движения, которые, по-видимому, являются результатом взаимодействия хромосом с микротрубочками. Постепенно формируется метафазная пластинка — хромосомы выстраиваются по экватору клетки таким образом, что их центромеры обращены к центру веретена, а концы — к его периферии. Такую фигуру называют материнской звездой. Каждая хромосома соединена с двумя нитями веретена, так как состоит из двух хроматид, и у каждой хроматиды имеется свой кинетохор. Сестринские хроматиды каждой хромосомы на протяжении метафазы начинают отходить друг от друга, но в области кинетохора сохраняют связь до конца метафазы. Поэтому метафазные хромосомы часто имеют Х-образную форму.

Анафаза начинается резко — все хромосомы теряют центромерные связки, и их хроматиды начинают быстро двигаться к полюсам со скоростью до 0,5 мкм/мин. Анафаза самая короткая фаза митоза. По-видимому, ахроматиновые нити веретена деления тянут хромосомы к полюсам клетки, отчего они приобретают V-образную форму. Центромеры хромосом направлены к полю-

сам, а противоположные концы плеч — к экватору. Образуются две фигуры, напоминающие материнскую звезду. Их называют дочерними звездами.

Телофаза начинается с остановки хромосом, достигших полюсов клетки. В ранней телофазе начинается деконденсация хромосом. Они набухают, увеличиваются в объеме, слабее окрашиваются. Их ориентация не меняется в сравнении с анафазой. Вокруг хромосом обособляется ядерная оболочка, формируясь из мембранных пузырьков. После образования кариолеммы в области ядрышкового организатора некоторых хромосом формируются ядрышки.

Одновременно с этим идет разрушение митотического аппарата. Дольше всех он сохраняется на экваторе клетки, в области бывшей метафазной пластинки. Высказывается предположение, что микротрубочки митотического аппарата в области экватора вместе с субмембранным комплексом клетки участвуют в образовании клеточной перетяжки. При разделении клетки — цитотомии органеллы пассивно распределяются между двумя дочерними клетками.

По разным причинам (нарушение веретена деления, нерасхождение хроматид и др.) во многих органах и тканях встречаются клетки с крупными ядрами или многоядерные клетки. Это — результат соматической полиплоидии. Такое явление называют эндорепродукцией. При этом клетка может содержать во много раз больше ДНК, но оно будет кратно 2n. Чаще полиплоидия встречается у беспозвоночных животных. У некоторых из них распро-

www.timacad.ru

странено и явление политении — построение хромосомы из многих молекул ДНК.

У млекопитающих полиплоидные клетки встречаются в печени, эпителии мочевого пузыря, в пигментном эпителии сетчатки глаза, в концевых отделах слюнных и поджелудочной желез, среди мегакариоцитов и других специализированных клеток. Полиплоидии не бывает в период эмбриогенеза (кроме провизорных органов) и у стволовых клеток. Полиплоидные и политенные клетки, образовавшиеся в результате эндомитоза (нарушения веретена деления), не вступают в митоз и могут делиться только амитозом. Смысл данного явления в том, что как полиплоидия — увеличение количества хромосом, кратное 2n, так и политения — увеличение количества молекул ДНК в хромосоме приводят к значительному усилению функциональной активности клетки. А это (эндорепродукция) позволяет без перерыва в функционировании нарастить клеточную массу и увеличить объем работы, выполняемой клеткой, а отсюда и органом.

Амитоз — прямое деление клетки. При данном делении не происходит конденсации хромосом, не образуется веретено деления. Ядро находится в интерфазном состоянии. Деление начинается с размножения или разделения ядрышка перетяжкой. Затем перетяжкой делится ядро. При этом могут возникнуть ядра, неравные по величине, может образоваться сразу несколько (больше двух) ядер. Дальше следует цитотомия. Однако разделение клеток при амитозе необязательно. Деление может завершиться образованием многоядерных клеток. Клетки, разделившиеся амитозом, не в состоянии делиться митотически. Амитоз встречается почти всегда либо в клетках отживающих, находящихся в конце своего жизненного пути, либо в клетках временно существующих образований (в клетках трофобласта, плодных оболочек, фолликулярных клетках яичника и др.), либо при различных патологических процессах (воспаление, регенерация, злокачественный рост).

Мейоз — процесс, состоящий из двух делений, быстро следующих друг за другом, в результате чего образуются половые клетки — гаметы с вдвое уменьшенным гаплоидным числом хромосом (1n). Встречается он у всех живых организмов (растений и животных), размножающихся половым путем. Необходимость мейоза в развитии половых клеток диктуется необходимостью сохранения из поколения в поколение кариотипа, характерного для вида. Если бы этого не было, слияние при оплодотворении двух диплоидных клеток — мужской и женской — привело бы к появлению тетраплоидного потомства (4n), затем октаплоидного (8n) и т. д., в результате чего каждое последующее поколение представляло бы новые формы, самовоспроизведение вида было бы невозможно.

Мейоз включает в себя два деления: редукционное — уменьшительное и эквационное — уравнительное, быстро следующих друг за другом. Деления разделены короткой интерфазой, в которой отсутствует S-период, то есть перед вторым делением не происходит редупликации ДНК. Каждое деление состоит из четырех фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы (рис. 12). Мейоз несравнимо длиннее митоза. Объясняется это сложностью и длитель-

www.timacad.ru

ностью преобразований в профазе первого деления мейоза (профазе I), которая может длиться от нескольких дн°й до нескольких лет (в оогенезе).

Профаза I характеризуется такими процессами, как рекомбинация генетического материала, обмен участками между гомологичными хромосомами, синтез рибосомной и информационной РНК, активация ядрышек. На протяжении профазы I сохраняется кариолемма. Профазу I принято разделять на пять стадий: лептонема, зигонема, пахинема, диплонема, диакинез.

Рис. 12. Схема мейоза:

1 - профаза I (а – лептонема, б – зигонема, в – пахинема, г – диплонема, д – диакинез); 2 – метафаза I; 3 – анафаза I;4 – телофаза I; 5 – профаза II; 6 – метафаза II; 7 – анафаза II; 8 – телофаза II

www.timacad.ru

Лептонема (leptos — тонкий, пета — нить), или лептотенная (taenia — лента) стадия, стадия тонких нитей, характеризуется началом спирализации ДНК. Хромосомы в ней заметны в виде длинных тонких нитей, на которых видны утолщения,— хромомеры. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, но лежат они так плотно друг к другу, что образуют единую нить. Часто хромосомы связаны с оболочкой ядра и ориентированы таким образом, что образуют характерную фигуру, называемую «букетом».

Зигонема (zygoo— соединять), или зиготенная стадия, — стадия соединенных нитей, характеризуется продолжающейся конденсацией хромосом, сближением гомологичных хромосом и их конъюгацией — соединением. Конъюгация начинается либо с конца хромосом, либо с центромеры. Видимо, расположение хромосом в виде букета способствует поразительной точности и специфичности совмещения гомологичных хромосом в пару — бивалент. Точность эта достигается и благодаря образованию между гомологичными хромосомами специализированной структуры — синаптонемального комплекса, который и связывает их в биваленты. Поэтому эту стадию еще назы-

вают синаптенной.

Пахинема (pachys — толстый), или пахитенная стадия, — стадия толстых нитей, характеризуется завершением конъюгации по всей длине гомологичных хромосом. Они при этом продолжают спирализоваться, принимая вид коротких, толстых нитей. Становится заметно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид, а так как в биваленте объединены две хромосомы, то фигура эта содержит четыре хроматиды и называется тетрада. Общее количество тетрад в клетке равно In (гаплоидно). Хроматиды одной хромосомы называются сестринскими. Одновременно с продольным расщеплением хромосом на сестринские хроматиды происходит кроссинговер — обмен участками между несестринскими хроматидами в пределах тетрады. В результате кроссинговера происходит перекомбинация (рекомбинация) генетического материала — осуществляется наследственная изменчивость.

Диплонема (diploos — двойной), или диплотенная стадия,— стадия двойных нитей. Здесь завершается кроссинговер, начавшийся в пахинеме. Синаптонемальный комплекс разрушается и гомологичные хромосомы начинают отходить друг от друга. Однако в точках перекреста, которые называются хиазмы (мостики), связь сохраняется. Сестринские хроматиды остаются связанными по всей длине.

В отличие от митоза в профазе мейоза сохраняется оболочка ядра, продолжается синтез всех видов РНК. Наиболее активно синтетические процессы идут на протяжении пахинемы и днплонемы. На этих стадиях ядрышки не только сохраняются, но и увеличиваются их число и размеры. Увеличиваются при этом и размеры клетки. Особенно ярко эти процессы выражены при развитии женских половых клеток.

Диакинез («движение вдаль») — последняя стадия профазы I мейоза. В этой стадии хромосомы резко сокращаются в размеpax, ДНК полностью конденсируется, количество хиазм уменьшается, они сохраняются в основном только на концах хромосом, исчезают ядрышки, прекращается синтез РНК.

www.timacad.ru