Пятая тема

1. Закономерные изменения структурно-функциональных характеристик клетки во времени составляют содержание жизненного цикла клетки (клеточного цикла). Клеточный цикл — это период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти.

Жизненный цикл клетки включает в себя:

- митотический (пролиферативный) цикл – комплекс взаимосвязанных и согласованных во времени событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления;

- период выполнения клеткой многоклеточного организма специфических функций;

- период покоя - в периоды покоя ближайшая судьба клетки не определена: она может либо начать подготовку к митозу, либо приступить к специализации в определенном функциональном направлении, либо погибнуть.

2. Пролиферация клеток лежит в основе регенерации (восстановления) утраченных частей. Проблема регенерации представляет интерес для медицины, для восстановительной хирургии. Различают физиологическую, репаративную и патологическую регенерацию.

Физиологическая – естественное восстановление клеток и тканей в онтогенезе. Например, смена эритроцитов, кожного эпителия.

Репаративная – восстановление после повреждения или гибели клеток и тканей.

Патологическая – разрастание тканей не идентичных здоровым тканям. Например, разрастание рубцовой ткани на месте ожога, хряща - на месте перелома, размножение клеток соединительной ткани - на месте мышечной ткани сердца, раковая опухоль.

3. Периодизация митотического цикла:

а) репродуктивная фаза (интерфаза):

- пресинтетический (G1) период;

- синтетический (S) период;

- постсинтетический (G3) период;

б) разделительная фаза (митоз):

- профаза;

- метафаза;

- анафаза;

- телофаза.

Продолжительность митотического цикла для большинства клеток составляет от 10 до 50 ч. Длительность цикла регулируется путем изменения продолжительности всех его периодов.

4. Периодизация интерфазы:

- пресинтетический (G1) период – завершаются процессы телофазы предыдущего деления (восстанавливаются черты организации интерфазной клетки, завершается формирование ядрышка), из цитоплазмы в ядро поступает значительное количество белка, а в цитоплазме интенсифицируется его синтез, что способствует набору массы клетки; если дочерней клетке предстоит вступить в следующий митотический цикл, синтез приобретает направленный характер, осуществляя подготовку клетки к следующему периоды интерфазы;

- синтетический (S) период – происходит удвоение количества наследственного материала клетки, интенсивно образуются ДНК и белок, а количество гистонов удваивается;

- постсинтетический (G2) период – происходит интенсивный синтез РНК и особенно белка, завершается удвоение массы цитоплазмы по сравнению с началом интерфазы, начинается формирование веретена деления.

5. С помощью фермента геликазы двойная спираль ДНК расплетается. Образовавшиеся при этом одноцепочечные участки связываются специальными дестабилизирующими белками. Молекулы этих белков выстраиваются вдоль полинуклеотидных цепей, растягивая их остов и делая азотистые основания доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами, находящимися в нуклеоплазме. Области расхождения полинуклеотидных цепей в зонах репликации называют репликационными вилками.

Разделение спирально закрученных цепей родительской ДНК геликазой вызывает супернапряжение перед репликационной вилкой. Для его снятия топоизомераза разрывает одну из цепей ДНК, что даёт ей возможность свободно вращаться вокруг второй.

В каждой репликационной вилке при участии фермента ДНК – полимеразы синтезируются ДНК двух новых дочерних молекул. Синтез этот осуществляется на основе РНК-праймера, синтезируемого РНК-праймазой. ДНК-полимераза присоединяет к свободному 3' концу праймера нуклеотиды. В процессе синтеза репликационная вилка движется вдоль материнской спирали ДНК, захватывая все новые зоны. Из двух дочерних цепей одна реплицируется непрерывно, т.к. ДНК-полимераза может осуществлять синтез только по направлению от 5' конца праймера к 3' концу, и её синтез идет быстрее. Эту цепь называют лидирующей. Синтез другой цепи идет медленнее, так как она собирается из отдельных фрагментов Оказаки. Фрагменты образуются с помощью РНК-праймеров, а синтез осуществляется по типу шитья «назад иголкой». Затем ДНК-лигаза вырезает из отстающей цепи РНК-праймеры и сшивает между собой фрагменты ДНК.

Конечным результатом процесса редупликации является образование двух молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых идентична таковой в материнской двойной спирали ДНК. В результате вновь синтезированная молекула ДНК воспроизводит всю специфику исходной молекулы.

6. Периодизация митоза:

- профаза – хромосомы спирализуются и приобретают вид нитей, ядрышко разрушается, ядерная оболочка распадается, уменьшается количество шероховатой ЭПС, резко сокращается число полисом (крупных скоплений рибосом), центриоли клеточного центра расходятся к полюсам клетки, между ними трубочки образуют веретено деления;

- метафаза – заканчивается образование веретена деления, хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки (метафазная пластинка), микротрубочки веретена деления связаны с центромерами (кинетохорами) хромосом, каждая хромосома продольно расщепляется на две хроматиды (дочерние хромосомы), соединенные в области центромеры;

- анафаза – связь между хроматидами нарушается, и они в качестве самостоятельных хромосом перемещаются к полюсам клетки со скоростью 0,2—5 мкм/мин, по завершении движения на полюсах собирается два равноценных полных набора хромосом;

- телофаза – реконструируются интерфазные ядра дочерних клеток, хромосомы деспирализуются, образуются ядрышки, разрушается веретено деления, материнская клетка делится на две дочерние.

7. Динамика количества хромосом в митотическом цикле:

а) репродуктивная фаза (интерфаза):

- пресинтетический (G1) период – 2n2c;

- синтетический (S) период – 2n4c (после удвоения);

- постсинтетический (G3) период – 2n4c;

б) разделительная фаза (митоз):

- профаза – 2n4c;

- метафаза – 2n4c;

- анафаза – 4n4c (по 2n2c у каждого полюса клетки);

- телофаза – 2n2c.

8. Биологическое значение митоза состоит в том, что митоз обеспечивает наследственную передачу признаков и свойств в ряду поколений клеток при развитии многоклеточного организма. Благодаря точному и равномерному распределению хромосом при митозе все клетки единого организма генетически одинаковы.

Митотическое деление клеток лежит в основе всех форм бесполого размножения как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов. Митоз обусловливает важнейшие явления жизнедеятельности: рост, развитие и восстановление тканей и органов и бесполое размножение организмов.

9. Эндомитоз. При этом типе деления после репликации ДНК не происходит разделения хромосом на две дочерние хроматиды. Это приводит к увеличению числа хромосом в клетке иногда в десятки раз по сравнению с диплоидным набором. Так возникают полиплоидные клетки. В норме этот процесс имеет место в интенсивно функционирующих тканях, например, в печени, где полиплоидные клетки встречаются очень часто. Однако с генетической точки зрения эндомитоз представляет собой геномную соматическую мутацию.

Политения. Происходит кратное увеличение содержания ДНК (хромонем) в хромосомах без увеличения содержания самих хромосом. При этом количество хромонем может достигать 1000 и более, хромосомы при этом приобретают гигантские размеры. При политении выпадают все фазы митотического цикла, кроме репродукции первичных нитей ДНК. Такой тип деления наблюдается в некоторых высокоспециализированных тканях (печеночных клетках, клетках слюнных желез двукрылых насекомых). Политенные хромосомы дрозофил используются для построения цитологических карт генов в хромосомах.

10. Многие гормоны играют в механизме регулирования митотической активности клеток орагизма существенную роль. Например, концентрация адреналина уменьшается во время сна, тогда как количество митозов в этот период возрастает. Секреция гормона роста, напротив, увеличивается в ночные часы, причем существует «ночной пик» его концентрации в крови. Возможно, увеличение концентрации гормона роста в ночные часы имеет отношение к механизму стимуляции митозов.

Большая группа гормонов — ФСГ, АКТГ, меланотропин, пролактин, тиреотропин, эстрогены, андрогены, эритропоэтин — обладает способностью стимулировать митозы в специализированных тканях-мишенях.

Существуют также данные и о других факторах, определяющих митотическую активность, причем гормоны, как видно, участвуют в механизмах регуляции и этих систем поддержания размеров нормальной клеточной популяции.

11. Об интенсивности пролиферации судят по количеству митозов, приходящихся на 1000 подсчитанных клеток. Если учесть, что сам митоз в среднем длится около 1 ч, а весь митотаческий цикл в соматических клетках в среднем протекает 22—24 ч, то становится ясно, что для определения интенсивности обновления клеточного состава тканей необходимо подсчитать количество митозов в течение одних или нескольких суток. Оказалось, что количество делящихся клеток не одинаково в разные часы суток. Так был открыт суточный ритм клеточных делений.

Суточный ритм количества митозов обнаружен не только в нормальных, но и в опухолевых тканях. Он является отражением более общей закономерности, а именно ритмичности всех функций организма. Одна из современных областей биологии — хронобиология — изучает, в частности, механизмы регуляции суточных ритмов митотической активности, что имеет весьма важное значение для медицины. Существование самой суточной периодичности количества митозов указывает на регулируемость физиологической регенерации организмом. Кроме суточных существуют лунные и годичные циклы обновления тканей и органов.

12. Выражением регуляции митоза в связи с взаимодействием организма и среды служит суточный ритм деления клеток. В большинстве органов ночных животных максимум митоза отмечается утром, а минимум — в ночное время. У дневных животных и человека отмечается обратная динамика суточного ритма. Суточный ритм митоза — следствие цепной реакции, в которую вовлекаются ритмические изменения внешней среды (освещённость, температура, режим питания и др.), ритм функциональной активности клеток и изменения процессов обмена веществ.

13. Амитоз — это прямое деление ядра. При этом сохраняется морфология ядра, видны ядрышко и ядерная мембрана. Хромосомы не видны, и их равномерного распределения не происходит. Ядро делится на две относительно равные части без образования митотического аппарата (системы микротрубочек, центриолей, структурированных хромосом). Если при этом деление заканчивается, возникает двухъядерная клетка. Но иногда перешнуровывается и цитоплазма.

Такой вид деления существует в некоторых дифференцированных тканях (в клетках скелетной мускулатуры, кожи, соединительной ткани), а также в патологически измененных тканях. Амитоз никогда не встречается в клетках, которые нуждаются в сохранении полноценной генетической информации, — оплодотворенных яйцеклетках, клетках нормально развивающегося эмбриона. Этот способ деления не может считаться полноценным способом размножения эукариотических клеток.