17. Размножение клеток

Размножение или пролиферация (от лат. proles — потомство, ferre — не-сти) клеток — это процесс, который приводит к росту и обновлению клеток. Данный процесс характерен как для одноклеточных, так и многоклеточных организмов.Одноклеточные организмы размножаются простым делением надвое, множественным делением или другим путем. У бактерий и одноклеточных животных удвоение клеток представляет собой размножение их как самостоятельных организмов, поскольку из исходной формы образуется две новые клетки, каждая из которых является организмом. Соматические клетки многоклеточных организмов размножаются путем сложного деления, которое получило название митотического. Образовавшиеся в результате деления дочерние клетки подобны исходной (материнской) клетке, отличаясь от последней лишь меньшими размерами..В митотическом делении клетки различают две стороны — разделение исходного ядра на два дочерних ядра (равное деление хромосом), называемое кариокинезом и представляющее собой, по существу, хромосомный цикл, и следующее затем разделение цитоплазмы с образованием двух дочерних клеток, называемое цитокинезом и представляющее собой цитоплазматический цикл. Каждая из дочерних клеток содержит одно дочернее ядро.Кариокинез и цитокинез протекают синхронно.Существенной особенностью митотического деления является то, что оно в значительной мере сходно у всех организмов. Совокупность процессов, про-исходящих в клетке от одного деления до другого, получило название митоти-ческого цикла.Митотический цикл состоит из двух стадий — стадии покоя или интер-фазы и стадии деления или митоза (от греч. rnitos — нить), обозначаемого сим-волом м. Термины «митоз» и «кариокинез» — синонимы. Интерфаза доступна для оценки качественно и количественно, точно так же доступен для измерения и митоз. В частности, для измерения интенсивности количества митозов ис-пользуют так называемый митотический индекс, под которым понимают число митозов на 1000 клеток. Данные о митотическом индексе имеют важное практическое значение, особенно в медицинской практике (в оценке ин-тенсивности регенерации органов, действия лекарственных веществ и т. д.).Интерфаза предшествует митозу, и функциональное содержание ее за-ключается в том, что в ней происходит синтез ДНК (рис. 58), причем ее дли-тельность составляет не менее 90% в течение всего клеточного цикла. Различают три последовательных периода интерфазы, а именно: пресин-тетический, синтетический и постсинтетический.Пресинтетический период (G1), который часто называют еще первым ин-тервалом (от англ. gap — интервал), является начальным периодом интерфазы. В этот период ДНК еще не синтезируется, однако происходит накопление РНК и белков, в том числе и белков, необходимых для синтеза ДНК. Увеличивается количество митохондрий. Обычно этот период длится 12-24 часа.Синтетический период (S) следует за G1-периодом и характеризуется тем, что в этот период в клетке происходит синтез (репликация) ДНК, в результате чего количество ее удваивается. В этот период продолжается также синтез РНК и белков. Очень важно, что к концу этого периода каждая из хромосом удваивается и состоит уже из двух сестринских хроматид, удерживаемых цен-тромерои. Можно сказать, что наиболее фундаментальной особенностью S-периода является репликация генов и удвоение набора генов каждой дуплицированной хромосомы. Длительность S-периода обычно составляет около 5 часов.Постсинтетический период (G2) характеризуется остановкой синтеза ДНК и накоплением энергии. Однако продолжается синтез РНК и белков, форми-рующий нити веретена деления. Длительность G2-периода составляет 3—6 ча-сов.Митоз совершается на протяжении четырех последовательных фаз, а именно: профазы, метафазы, анафазы и телофазы (рис. 59.).В профазе в начале происходит конденсация и спирализация (скручива-ние) хромосом, в результате чего они становятся видимыми при микроскопии окрашенных препаратов. Увеличивается диаметр каждого завитка. Ядерная мембрана растворяется под действием ферментов, ядрышко исчезает. Центросома делится на две центриоли, после чего последние расходятся к полюсам клетки. Отмечается также фосфорилирование отдельных клеточных белков. Затем между полюсами начинает формироваться ахромати-новая фигура, похожая на веретено. Оно состоит из белка и РНК. К концу этой фазы ахроматиновая фигура вытягивается вдоль клетки, становясь веретеном. Структурно веретено представляет собой двухполюсную структуру, построенную из микротрубочек и различных белков. Хроматиды (сестринские хроматиды) удерживаются вместе центромерои. Длительность профазы составляет примерно 30-60 минут.В метафазе хромосомы располагаются на экваторе веретена. Они имеют вид толстых образований, плотно свернутых спиралью, что облегчает подсчет и изучение их структуры с помощью микроскопа. Будучи прикрепленными к ни-тям веретена центромерои, к которой прикрепляются особые белковые ком-плексы (кине-тофоры), связанные с отдельными микротрубочками хроматиды, пока удерживаются вместе, но плечи их уже разъединены. Длительность мета-фазы составляет 2—10 минут.В анафазе наступает разделение кинетохоров, а затем и продольное раз-деление хромосом, в результате чего каждая сестринская хро-матида имеет собственную центромеру и становится дочерней хромосомой. Хромосомы уд-линяются и двигаются к соответствующим полюсам веретена. Анафаза длится 2-3 минуты. Репликация хромосомных концов (теломер), длина которых со-ставляет 2—20 кб., требует теломеразы.В телофазе (от греч. telos — конец) дочерние хромосомы достигают по-люсов, вытягиваются и деспирализуются. Кинетохорные трубочки исчезают. Образуется ядерная оболочка, вновь появляется ядрышко. Длительность со-ставляет 20-30 минут.На заключительном этапе клеточного деления происходит ци-токинез, который начинается еще в анафазе. Этот процесс заканчивается образованием в экваториальной зоне клетки перетяжки, которая разделяет делящуюся клетку на две дочерние клетки. Перетяжка обеспечивается сокращением кольца, сфор-мированного филаментами актиновой природы.В отличие от соматических клеток животных в клетках растений из-за ригидности их стенок вместо образования сократительного кольца формирует-ся пластинка между будущими дочерними клетками. На каждой из сторон этой пластинки откладывается целлюлоза, после чего она становится клеточной стенкой.Каждое клеточное деление является непрерывным процессом, поскольку ядерные и цитоплазматические фазы, вопреки различиям в содержании и по значению, координированы во времени.Упорядоченность клеточных делений у эукариотов зависит от координа-ции событий в клеточном цикле. У эукариот эта координация осуществляется путем регуляции трех переходных периодов в клеточном цикле, а именно: вступление в митоз, выход из митоза и прохождение через пункт, называемый «Старт», который вводит инициацию синтеза ДНК ( S-фазу) в клетке.Продолжительность митотических циклов разных клеток различна и со-ставляет от нескольких часов до нескольких дней. Однако она зависит от типа тканей, физиологического состояния, внешних факторов (температура, свет).Клеточный цикл эукариотических клеток регулируется последовательной активацией циклинзависимых киназ (СДК) путем взаимодействия их с белка-ми-циклинами. Комплекс циклин-СДК оказывается полностью активирован-ным фосфорилированием треонинового остатка в Т-петле СДК, осуществляе-мым специфической СДК-активирующей киназой (САК). При этом комплекс циклин-СДК вовлекается в инициацию как митоза, так и репликации ДНК. Ре-гуляция митоза зависит от регуляции СДК.Существуют и другие регуляторы клеточного цикла. В частности извест-ны регуляторы, ингибирующие СДК. Такими ингибиторами являются белки р21, р16 и р27. Они ингибируют функции киназ также путем связывания с ни-ми.Хромосомная ДНК в клетках организмов-эукариотов реплици-руется лишь один раз в клеточном цикле. Поэтому давно возник вопрос о механизме, ограничивающем лишь один раунд репликации ДНК в клеточном цикле. Пред-полагают существование так называемого лицензирующего фактора реплика-ции (licensing factor), который позволяет репликацию. В подтверждение этого взгляда установлены лицензирующие белки MSM, которые обычно связаны с хромосомами, но с началом S-фазы освобождаются от этой связи, позволяя ре-пликацию ДНК, а после того, как синтез ДНК завершается, вновь связывается с хромосомами.Разные ткани характеризуются разной митотической активностью. По-этому в зависимости от митотической активности различают стабильные, рас-тущие и обновляющиеся ткани. Стабильные ткани — это ткани, в которых клетки не делятся, а количество клеточной ДНК постоянно. Например, клетки центральной и периферической нервной системы не делятся. В этих клетках происходят лишь возрастные изменения. Растущие ткани — это ткани, в кото-рых клетки живут всю жизнь, но среди последних имеются такие, которые де-лятся посредством митоза. В результате этого наступает увеличение размеров органов. Примером растущих тканей являются ткани почек, желез внутренней секреции, скелетная и сердечная мускулатуры. Обновляющиеся ткани — это ткани, в которых многие клетки подвержены митозам, в результате чего поги-бающие клетки компенсируются вновь образующимися. Примерами обнов-ляющихся тканей являются клетки желудочно-ки-шечного, дыхательного и мо-чеполового трактов, эпидермиса, костного мозга, семенников и др. Для митозов характерны суточные колебания, волны.У высших организмов митотическое деление клеток обеспечивает их рост с последующим увеличением массы тела и дифференциацией клеток. По мере индивидуального развития человека количество его клеток увеличивается, дос-тигая у взрослого человека более чем 10 клеток и оставаясь затем константным.Как уже отмечено, митохондрии и хлоропласты способны к делению в клетках эукариотов, но контроль их деления не ясен. Установлено лишь, что в геноме клеток растений существует ген, который, возможно, принимает уча-стие в контроле деления хло-ропластов.Для деления клеток млекопитающих и птиц характерно то, что оно имеет определенные ограничения количества клеточных удвоений. Например, фиб-робласты плодов человека удваиваются лишь на протяжении 50 генераций, то-гда как фибробласты от людей в возрасте 40 и 80 лет подвергаются примерно 40 и 30 удвоениям соответственно, если их культивируют в стандартных усло-виях. Это явление получило название старения клеток. Считают, что в организ-ме также большинство клеток стареет, например, клетки печени живут около 18 месяцев, эритроциты — 4 месяца, в результате чего в них накапливаются липи-ды, кальций, пигмент «изнашивания» и они гибнут. Подсчитано, что организм взрослого человека ежедневно теряет около 1-2% своих клеток в результате их гибели. После смерти клетки в ней происходит коагуляция протоплазмы, рас-пад митохондрий и других органелл в результате ауто-лиза (активации внутри-клеточных ферментов).Для объяснения природы старения клеток предложено несколько гипотез, в которых придается значение ошибкам биосинтетических механизмов клеток, механизмам защиты от злокачественного перерождения нормальных клеток или другим причинам. Однако ни одна из известных гипотез не является исчер-пывающей в объяснении феномена старения клеток.Установлено, что для клеток во многих случаях характерен апоптоз, под которым понимают генетическую программу, в результате которой клетки со-вершают суицид. Можно сказать, что апоптоз — это эволюционно сохраняе-мый процесс. С помощью этого процесса многоклеточные организмы освобож-даются от излишних или потенциально вредных клеток. Этот феномен отличен от старения клеток. На примере нематоды Caenorhabditie elegans было выясне-но, что клеточный суицид контролируется генным набором, состоящим из трех генов, контролирующих синтез белка СЕД-3, СЕД-4 и СЕД-9, регулирующих апоптоз. У млекопитающих выявлены белки-2, которые регулируют апоптоз-ную смерть клеток. Полагают, что апоптоз имеет значение в этиологии многих наследственных болезней (болезнь Альцгеймера и Др.), аутоиммунных нару-шений, сердечно-сосудистых болезней, возрастных нарушений и даже СПИДа.Однако погибающие клетки замещаются новыми. Считают, что клеточ-ное содержание организма человека обновляется примерно каждые семь лет. Особенно сильно замещение клеток происходит в крови за счет интенсивного образования кровяных клеток в кроветворных тканях. Применительно к другим видам клеток процесс обновления происходит с очень высокой скоростью. На-пример, эпителий желудка и кишечника крыс обновляется каждые 72 и 38 ча-сов соответственно, эпителий тонкого кишечника человека — каждые 7-8 дней. Однако нервные клетки функционируют (живут) на протяжении всей жизни ор-ганизмов.Наряду с делением клеток путем митоза известен амитоз (от греч. а — не, mytosia — деление ядра), под которым понимают прямое деление ядра клетки. При амитозе сохраняется интерфазное состояние ядра, ядрышко, ядерная мем-брана. Ядро клетки делится на две части без формирования веретена, в резуль-тате чего образуется двухъядерная клетка. Амитоз встречается иногда в клетках скелетной мускулатуры, кожного эпителия, соединительной ткани. Однако счи-тают, что амитоз является аномальным механизмом в размножении клеток.Считают, что митотический цикл у высших организмов является резуль-татом эволюции разделительного механизма эукарио-тов. В пользу этого пред-положения свидетельствуют результаты сравнения разделительных механизмов бактерий, некоторых водорослей, дрожжей, простейших и млекопитающих. Это сравнение показывает, что усложнение митотического аппарата происходит по мере усложнения организации и функций организмов, принадлежащих к раз-ным систематическим группам.