Клеточная теория.
Клеточная теория – это обобщенные представления о строении клеток как единиц живого, об их размножении и роли в формировании многоклеточных организмов.
Появлению и формулированию отдельных положений клеточной теории предшествовал длительный (более трехсот лет) период накопления наблюдений над строением различных одноклеточных и многоклеточных организмов растений и животных. Этот период связан с развитием и усовершенствованием различных оптических методов исследования.
Клеточная теория была сформулирована ботаником М. Шлейденом и зоологом Т. Шванном в 1838-1839 г.г. В 1858 г. Р. Вирхов обосновал принцип преемственности клеток путем деления («каждая клетка из клетки»). Создание клеточной теории стало важнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства живой природы.
Клеточная теория постулирует:
1. Клетка – элементарная единица живого;
2. Клетки разных организмов гомологичны по своему строению;
3. Размножение клеток происходит путем деления исходной клетки;
4. Многоклеточные организмы представляют собой сложные ансамбли клеток, объединенные в целостные, интегрированные системы тканей и органов, подчиненных и связанных между собой межклеточными, гуморальными и нервными формами регуляции.
С современных позиций можно добавить еще одно положение:
5. В клетке содержится вся генетическая информация о строении и функциях организма.
1. Клетка – элементарная единица живого.
Живому свойственен ряд совокупных признаков, таких, как способность к воспроизведению (репродукции), росту, использование и трансформация энергии, метаболизм (ассимиляция и диссимиляция), возбудимость, раздражимость, изменчивость и др. Такую совокупность признаков можно обнаружить на клеточном уровне. Нет меньшей единицы живого, чем клетка. Можно выделить из клетки отдельные ее компоненты или молекулы и убедиться, что многие из них обладают специфическими функциональными особенностями, но только клетка в целом является наименьшей единицей, обладающей всеми свойствами живого.
2. Клетки разных организмов гомологичны по своему строению.
Термин «гомологичность» обозначает сходство по коренным свойствам и отличие по второстепенным. Гомологичность строения клеток наблюдается внутри каждого из типов клеток: прокариотическом и эукариотическом. Хорошо известно разнообразие клеток как бактериальных, так и высших организмов. Такое одновременное сходство строения и разнообразие форм определяется тем, что клеточные функции можно подразделить на две группы: обязательные и факультативные. Обязательные функции, направленные на поддержание жизнеспособности самих клеток, осуществляются специальными внутриклеточными структурами, сходными у разных типов клеток.
Различие клеток связано со специализацией их функций, с развитием особых клеточных аппаратов (например, фибриллярные компоненты в мышечных клетках, тигроид и отростки со специальными структурами передачи нервного импульса (синапс)).
3. Размножение клеток происходит путем деления исходной клетки.
Формулировка этого положения связана с именем Р. Вирхова. Размножение клеток прокариотических и эукариотических организмов происходит только путем деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение ее генетического материала (редупликация ДНК).
4. Многоклеточные организмы представляют собой сложные ансамбли клеток, объединенные в целостные, интегрированные системы тканей и органов, подчиненных и связанных между собой межклеточными, гуморальыми и нервными формами регуляции
Действительно, клетка – это единица функционирования в многоклеточном организме. Но клетки объединены в функциональные системы, в ткани и органы, которые находятся во взаимной связи друг с другом. Специализация частей многоклеточного организма, расчлененность его функций, дают ему большие возможности приспособления для размножения отдельных индивидуумов, для сохранения вида.
5. В клетке содержится вся генетическая информация о строении и функциях организма.
Этот постулат появился после изучения строения и функций ДНК, которая является носителем генетической информациии клетки.
Существуют два этапа в эволюции клетки:
1.Химический.
2.Биологический.
Химический этап начался около 4,5 млрд лет назад. Под действием ультрафиолетового излучения, радиации, грозовых разрядов (источники энергии) происходило образование сначала простых химических соединений – мономеров, а затем более сложных – полимеров и их комплексов (углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот).
Биологический этап образования клеток начинается с появления пробионтов – обособленных сложных систем, способных к самовоспроизведению, саморегуляции и естественному отбору. Пробионты появились 3-3,8 млрд. лет назад. От пробионтов произошли первые прокариотические клетки – бактерии. Эукариотические клетки произошли отпрокариот (1-1,4 млрд. лет назад) двумя путями:
1)Путем симбиоза нескольких прокариотических клеток – это симбиотическая гипотеза;
2)Путем инвагинации клеточной мембраны. Суть инвагинационной гипотезы заключается в том, что прокариотическая клетка содержала несколько геномов, прикрепленных к клеточной оболочке. Затем происходила инвагинация – впячивание, отшнуровка клеточной мембраны, и эти геномы превращались в митохондрии, хлоропласты, ядро.
Дифференциация и специализация клеток.
Дифференциация – это формирование различных типов клеток и тканей в ходе развития многоклеточного организма. Одна из гипотез связывает дифференцировку с экспрессией генов в процессе индивидуального развития. Экспрессия – процесс включения тех или иных генов в работу, который создает условия для направленного синтеза веществ. Поэтому происходит развитие и специализация тканей в том или ином направлении.
| Признак | Прокариоты | Эукариоты | |||
| 1. Размеры клеток | Диаметр 0,5 – 5 мкм | Диаметр примерно 40 мкм. Объем клетки в 1000-10000 раз больше, чем у прокариот. | |||
| 2. Ядро | нет | есть | |||
| 3. Ядерная мембрана | нет | есть | |||
| 4. Генетический аппарат | Одна кольцевая хромосома в зоне нуклеоида | Хромосомы | |||
| 5. Система цитоплазматических мембран | нет | есть | |||
| 6. Эдоплазмати-ческий ретикулум (ЭПР) | нет | есть | |||
| 7. Рибосомы | есть (70S) | есть (80S) | |||
| 8. Митохондрии | нет | есть | |||
| 9. Комплекс Гольджи | нет | есть | |||
| 10.Лизосомы | нет | есть | |||
| 11.Клеточный центр | нет | есть | |||
| 12.Микротрубочки | нет | есть | |||
| 13. Внутриклеточное перемещение цитоплазмы | нет | есть | |||
| 14. Органоиды движения | Жгутики. Жгутиковая нить состоит из белка флагеллина. | Реснички и жгутики включают в свой состав микротрубочки, построенные из белка тубулина. | |||
| 15. Наружная клеточная мембрана | есть | есть | |||
| 16. Клеточная стенка | Жесткая, содержит полисахариды, основной – муреин (пептидогликан) | У растений содержит целлюлозу, у насекомых и грибов – хитин, у животных отсутствует. | |||
| 17. Деление | Прямое | Митоз, мейоз | |||
| Структура и схематическое изображение | Строение | Функции | |||
| Тонкие пласты (6-10 нм), состоящие из бислоя липидов и молекул белка, расположенных на поверхности, погруженных или пронизывающих его. | Избирательно проницаемый барьер, регулирующий обмен между клеткой и средой. Плазмалемма отделяет цитоплазму от внешней среды, регулирует транспорт веществ в клетку и из нее, осуществляет межклеточные взаимодействия, принимат участие в делении клетки. | |||
| II. Органоиды | Специализированные структуры цитоплазмы, которые строением и выполняют жизнедеятельности постоянные компоненты обладают определенным определенные функции в клеток. | ||||
| II.1. Мембранные органоиды | |||||
II.1.1. Ядро
| Самая крупная органелла. Заключена в оболочку из двух мембран, пронизанную порами. Включает в себя хроматин (в интерфазе) или хромосомы (при делении), ядрышко и нуклеоплазму . | Хранение и реализация генетической информации. | |||
| II,1.2. Эндоплазматический ретикулум (ЭПР) | Система уплощенных мембранных мешочков – цистерн, узких каналов. Различают шероховатый (гранулярный)ЭПР, имеющий на мембранах рибосомы и гладкий (агранулярный)не имеющий их в своем составе. | Обеспечивает транспорт веществ как внутри клетки, так и между соседними клетками. Делит клетку на отдельные секции, компартменты, в которых одновременно происходят различные физиологические процессы и химические реакции.Функцией шероховатогоЭПР является синтез, сегрегация и созревание белков, гладкого – метаболизм липидов, стероидов и некоторых внутриклеточных полисахаридов. | |||
| II.1.3. Аппарат Гольджи | Стопка уплощенных мембранных мешочков –цистерн. На одном конце стопки мешочки непрерывно образуются, а с другого – отшнуровываются пузырьки. Стопки могут быть собраны в одной зоне (диктиосомы) или образуют пространственную сеть. | Накопление и модификация продуктов (г.о. белков), синтезированных в ЭПР. Транспорт этих веществ в пузырьках и выведение их за пределы клетки. Является источником лизосом. | |||
| II.1.4. Лизосомы | Простой сферический мембранный мешочек, заполненный пищеварительными (гидролитическими) ферментами | Расщепление, переваривание каких-либо клеточных структур или молекул; накопление непереваренных остатков; аутофагоцитоз (отбор и уничтожение измененных, дефектных клеточных элементов) | |||
| II.1.5. Пероксисомы (микротельца) | Небольшие вакуоли, окруженные одинарной мембраной. Содержимое имеет зернистую структуру, в центре иногда располагается кристаллоподобное образование. | Содержат ферменты метаболизма перекиси водорода (основной – каталаза). | |||
| II.1.6. Митохондрии | Окружены оболочкой из двух мембран. Внутренняя мембрана образует складки (кристы). Содержит матрикс, в котором находятся рибосомы, одна кольцевая молекула ДНК, включения. | Являются «энергетическими станциями» клетки – местом синтеза АТФ. При аэробном дыхании в кристах происходит окислительное фосфорилирование и перенос электронов, а в матриксе работают ферменты, участвующие в цикле Кребса и в окислении жирных кислот. | |||
| II.1.7. Пластиды (хлоропласты, хромопласты, лейкопласты, амилопласты) | Двумембранные органоиды, характерные для растительных клеток. Основная пластида – хлоропласт. Это крупная содержащая хлорофилл пластида. Обладает сложной системеой внутренних мембран. Выделяют ламеллы стромы и мембраны тилакоидов. Тилакоиды собраны в стопки - граны. Ламеллы свзывают граны друг с другом. В матриксе обнаруживаются рибосомы и кольцевая ДНК. | Функцией хлоропластов является фотосинтез. В других пластидах (лейкопласты, амилопласты) откладываются крахмал и каратиноиды (хромопласты). | |||
| II.1.8. Вакуоли | Крупные центральные вакуоли встречаются только у растительных клеток. Более мелкие встречаются как в клетках растений, так и в клетках животных. Представляет собой мешок, образованный одинарной мембраной, которая называется тонопластом. В вакуоли содержится клеточный сок – концентрированный раствор различных веществ, таких как минеральные соли, сахара, пигменты, органические кислоты и ферменты. | Здесь храняться различные вещества, в том числе и конечные продукты обмена. От содержимого вакуоли в сильной степени зависят осмотические свойства клетки. Иногда вакуоль выполняет функции лизосом. | |||
| II.1.9. Клеточная стенка | Плотная многослойная структура, расположенная снаружи клетки. Характерна для клеток растений и прокариот. Является продуктом жизнедеятельности клетки. Состоит из аморфного гелеобразного матрикса с большим содержанием воды, и опорной фибриллярной системы. Главным компонентом клеточной стенки являются полисахариды. В матриксе преобладают гемицеллюлозы и пектиновые вещества, волокнистым компонентом является целлюлоза. Соединяет клетки срединная пластинка, состоящая из пектиновых веществ. Может подвергаться вторичному утолщению и лигнификации. | Обеспечивает механическую опору и защиту, поддерживает форму клетки. Благодаря ей возникает тургорное давление, способствующее усилению опорной функции. По клеточной стенке происходит передвижение воды и минеральных солей. За счет пор и плазмодесм объединяет протопласты соседних клеток в единую непрерывную систему – симпласт (осуществляет транспорт веществ между этими клетками. | |||
| II.2. Немембранные органоиды | |||||
| II.2.1. Рибосомы | Очень мелкие органеллы, состоящие из двух субъединиц – большой и малой. Содержат белок и РНК. Связаны с мембранами ЭПР или свободно лежат в цитоплазме. | Место синтеза белка в клетке. | |||
| II.2.2. Микротрубочки, микрофиламенты | Опорные структуры, располагаются в цитоплазме. Микротрубочки представляют собой цилиндрические неразветвленные трубочки, диаметром примерно 24 нм, длиной до нескольких мкм. Построены из спирально упакованных глобул белка тубулина. Микрофиламенты - тонкие белковые нити диаметром 5-7 нм, состям из белков актина или миозина. | Микротрубочки формируют цитоскелет, входят в состав центриолей, ресничек, жгутиков, участвуют в перемещении других клеточных органоидов. Микрофиламенты также образуют цитоскелет, участвуют в экзо- и эндоцитозе. Взаимодействие актина и миозина лежит в основе мышечного сокращения. | |||
| II.2.3. Клеточный центр | Состоит из двух центриолей. Характерны для животных клеток. Основой строения центриолей являются расположенные по окружности девять триплетов микротрубочек, образующих полый цилиндр. Расположены под прямым углом друг к другу. | Принимают участие в формировании веретена деления, располагаются на его полюсах. | |||
| III. Включения | Временные компоненты жизнедеятельности | цитоплазмы, продукты клетки | |||
| III.1. Трофические | Гликоген и жир в клетках животного организма | Запасные питательные вещества | |||
| III.2. Секреторные | Продукты жизнедеятельности железистых клеток (гормоны, ферменты,секреты) | Участвуют в работе внутренних органов (напрмер, ферменты кишечника, в регуляции обмена веществ) | |||
| III.3. Экскреторные | Конечные продукты обмена (соли, мочевая кислота). | Предназначены для выведения из организма. | |||
5. ВРЕМЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ. ПОНЯТИЕ О КЛЕТОЧНОМ И МИТОТИЧЕСКОМ ЦИКЛЕ. ХАРАКТЕРИСТИКА ФАЗ МИТОТИЧЕСКОГО ЦИКЛА.
Время существования клетки от ее образования до следующего деления или смерти называют жизненным циклом клетки (ЖЦК). В ЖЦК эукариотических клеток многоклеточного организма можно выделить несколько периодов (фаз), каждый из которых характеризуется определенными морфологическими и функциональными особенностями:
- фаза размножения и роста
- фаза дифференцировки
- фаза нормальной активности
- фаза старения и смерти клетки.
В жизненном цикле клетки можно также выделить митотический цикл, включающий подготовку клетки к делению и само деление.
Основные принципы организации ЖЦК:
1. Продолжительность клеточного цикла различна в зависимости от типа клеток.
Определить продолжительность ЖЦК специализированных клеток различных органов можно с помощью вычисления митотического индекса, т.е. определением доли клеток, находящихся в митозе. Пример: Клетки печени, на препарате обнаружено 3 митоза на 25000 клеток, продолжительность митоза предположительно – 1 час. Доля делящихся клеток – 3: 25000 = 0,00012. Если митоз длится 1 час, а доля клеток в митозе – 0,00012, то 1 час составляет 0,0012 часть от общей продолжительности ЖЦК. Следовательно, длительность цикла составит 1: 0,00012 = 8300 часов (1 год – 8760 час).
2. В нормальных клетках каждая стадия клеточного цикла зависит от правильного завершения предыдущей стадии. Контроль за основными процессами, происходящими в определенную стадию ЖЦК осуществляют многочисленные ферментативные и белковые системы клеток. При неблагоприятных условиях могут возникать задержки прохождения стадий клеточного цикла.
3. Усиление дифференцировки клеток сопровождается снижением их митотической активности. А это, в свою очередь, предполагает наличие временных рамок продолжительности жизни многоклеточных организмов. Старение и смерть многоклеточных – это расплата за те преимущества, которые дает специализация клеток.
Обобщенная схема ЖЦК
Рудольф Вирхов публикует «Клеточную патологию» (1859), в которой формулирует принцип «Omnis cellula e cellula» - каждая клетка от клетки.
Митоз – способ деления генетически и морфологически неизмененных клеток. В литературе описывается и другой способ деления – амитоз. Но этот способ деления приводит к образованию клеток с различной генетической информацией. Мнение современных цитологов: амитоз – нарушенный митоз.
1. Постмитотический (пресинтетический) период характеризуется ростом клетки, увеличением ее объема. В этой стадии следует выделить два взаимосвязанных явления:
- усиление процессов обмена веществ
- увеличение количества органоидов клетки
В ядре активизируются процессы транскрипции: происходит синтез и-РНК, тр-РНК. Увеличивается (по сравнению с другими стадиями ЖЦК) количество ядрышек, в которых происходит синтез р-РНК и образование субъединиц рибосом. Увеличение количества и диаметра ядерных пор способствует интенсивному обмену веществ между ядром и цитоплазмой.
В цитоплазме усиливаются процессы ассимиляции и диссимиляции. А главным условиям для этого является необходимое количество исходных веществ, которые поступают в клетку из окружающей среды. Усиление диссимиляции проводит к образованию и накоплению собственных энергетических субстратов в клетке (АТФ). Этому способствует увеличение количество митохондрий в клетке. Активизация ассимиляции приводит к образованию в клетке ее собственных продуктов, которые используются, в том числе, и на образование новых органоидов.
В результате указанных процессов происходит увеличение объема клетки. Но рост клетки не может быть неограниченным! Поэтому существуют различные механизмы, регулирующие рост клеток.
1. Внеклеточные. К ним можно отнести цитокины – межклеточные медиаторы, которые через специфические рецепторы осуществляют взаимодействие между клетками организма, регулируют рост клеток, их дифференцировку, митотическую активность. Цитокины – это довольно большая группа веществ, в которую входят различные семейства:
а) факторы роста образуются клетками-продуцентами и стимулируют развитие клеток-мишеней. В настоящее время открыты и изучены различные факторы роста: фибробластов, гепатоцитов, нейроглии, тромбоцитов, стволовых клеток.
б) интерлейкины (ИЛ-1,.... ИЛ-20) – действуют как факторы роста, дифференцировки и обеспечивают взаимодействие клеток крови в иммунологических реакциях.
К внеклеточным механизмам регуляции роста клеток можно отнести и такое явление как контактное торможение – ограничение роста клеток после образования специфических контактов с соседними клетками.
2. Внутриклеточные. К ним можно отнести ферментативные и белковые системы, обеспечивающие проведение сигнала от рецепторов факторов роста (от плазмолеммы) к ядерным образованиям, а также различные факторы транскрипции (активизируют или подавляют синтез и-РНК).
Варианты перехода в следующие стадии клеточного цикла:
1. Клетка вступает в митотический цикл, обязательным условием которого является репликация ДНК. Начинается синтетический период интерфазы.
2. Клетка прекращает рост и переходит в фазу дифференцировки и нормальной активности. Эту стадию иногда называют стадией пролиферативного покоя (G0). Однако слово покой не означает переход клетки в состояние анабиоза. В клетке активно осуществляются метаболические процессы, начинаются процессы дифференцировки клетки.
Дифференцировка – это процесс формирования морфологических особенностей клеток, обеспечивающих выполнение специфических функций. Процессы дифференцировки клеток наблюдаются на всех этапах онтогенеза, а сам процесс обусловлен избирательной активностью определенных генов. Другими словами, характерные морфологические и функциональные особенности клеток определяются активностью только частью генов из всего генотипа.
По степени специализации клетки можно разделить на недифференцированные и дифференцированные. Но только дифференцированные клетки могут полноценно выполнять свои функции. Поэтому любое нарушение дифференцировки приводит к нарушению или не выполнению функций (опухолевые клетки эндокринных органов, появление в крови незрелых лимфоцитов).
Нормальное функционирование в составе органа – это основной период жизненного цикла клеток. Продолжительность этого периода различна для каждого типа клеток. Но неизбежным завершением ЖЦК является переход в фазу старения и гибели (см. ниже)
Однако некоторые дифференцированные клетки сохраняют способность к пролиферации, поэтому в определенных ситуациях (повреждение органа, сопровождающееся гибелью клеток; увеличение нагрузки на орган) эти клетки переходят в митотический цикл.
Синтетический период (S-период)
Основной особенностью периода является репликация ДНК. Принципы репликации: комплементарность, полуконсервативность, антипараллельность, прерывистость. Процесс репликации требует совместного действия многих белков:
- ДНК-геликаза – расплетает двойную спираль родительской ДНК, формирует репликативную вилку
- дестабилизирующие белки (SSB – белки) – связываются с одноцепочечной ДНК и удерживают цепи ДНК разделенными
- ДНК-полимераза (точнее – ДНК-зависимая ДНК-полимераза) – катализирует синтез полинуклеотидных цепей ДНК в направлении 5---->3.
- ДНК-лигазы - соединяют фрагменты прерывистой нити ДНК
- ДНК-топоизомеразы - способствуют раскручиванию нитей ДНК
Основное значение репликации ДНК – удвоение наследственной информации, которая в последующем митозе будет равномерно распределена между дочерними клетками.
Механизмы контроля репликации стабильности ДНК.
1. Ферментативный контроль осуществляет ДНК-полимераза. Если фермент ошибочно присоединит неправильный нуклеотид, его отдельный каталитический участок, удалит неподходящее соединение.
2. Репаративный контроль осуществляется особыми ферментативными системами на всех стадиях ЖЦК.
После полного завершения репликации и проверки правильности удвоения ДНК клетка переходит в следующий период – постсинтетический (премитотический, G2)
Особенности постсинтетического периода:
- накопление АТФ
- образование белков веретена деления
- синтез в клетке М-стимулирующего фактора.
Митоз – непрямое деление эукариотической клетки, в результате которого образуются клетки идентичные по кариотипу и генотипу.
Кариотип – набор хромосом клетки. Диплоидная клетка образует в норме диплоидные клетки. Но, если материнская клетка содержит измененный набор хромосом (например, 47, + 21), то она даст жизнь клеткам с таким же набором хромосом.
Генотип – совокупность генов диплоидной клетки. Репликация ДНК и последующее распределение ее во время анафазы митоза являются механизмами, приводящими к возникновению двух генетически идентичных клеток. Вывод: все соматические клетки одного организма содержат полный объем всей наследственной информации о развитии этого организма, который изначально был заложен в зиготе. А это является теоретической основой клонирования организмов.
Нарушения митоза. Атипические митозы возникают при повреждении митотического аппарата и характеризуются неравномерным распределением генетического материала между дочерними клетками. Отставание в расхождении хроматид в анафазу митоза приводит к возникновению геномных мутаций – гетероплоидии. Под воздействием мутагенных факторов могут возникать хромосомные мутации. Эти нарушения значительно нарушают наследственный аппарат клетки, приводят к нарушению ее функций. Атипические митозы особенно характерны для опухолей и облученных тканей.
Другие нарушения митозов связаны с нарушением цитокинеза (цитотомии) клетки. В одних случаях возникают гигантские клетки с полиплоидным набором хромосом, в других – двух- и многоядерные клетки. Наличие полиплоидных клеток – нормальное явление в печени, эпителии мочевого пузыря, клетках поджелудочной железы и слюнных желез.
Термин «Соматические мутации» - мутации связанные с нарушением наследственного аппарата диплоидных клеток. При этом уровень нарушения может быть различным: генный, хромосомный, геномный.
Эндомитоз – вариант митоза, при котором происходит удвоение числа хромосом внутри ядерной оболочки без ее разрушения и образования веретена деления. При повторных эндомитозах могут возникать полиплоидные клетки с увеличенным объемом ядра. Мегакариоциты (клетки костного мозга) начинают формировать эритроциты лишь достигнув определенного уровня полиплоидии (16-32 n) в результате нескольких эндомитозов.
Регуляция митотического цикла.
Изучение механизмов регуляции митозов является одной из важнейших проблем современной биологии, поскольку митозы лежат в основе роста организмов, регенерации тканей, нарушение митотической активности – основной механизм возникновения опухолей.
В регуляции митотического цикла участвуют различные факторы, их сбалансированное взаимодействие приводит к нормальному протеканию клеточного цикла. При этом следует различать факторы, регулирующие митотический цикл, и факторы, влияющие на митотическую активность. К последним следует отнести экзогенные факторы, которые могут стимулировать или тормозит митозы. Например, колхицин (алкалоид безвремянника осеннего) – соединяется с субъединицами белка тубулина, тем самым препятствует их присоединению к центриолям. Винкристин и винбластин – препараты, используемые при лечении опухолей. Фитогемагглютинин (выделен из фасоли обыкновенной) – стимулирует митозы в культуре клеток, облепиховое масло успешно используется при лечении ожогов.
В регуляции периодов интерфазы принимают участие ранее упомянутые факторы: активаторы S-периода, М-стимулирующий и М-задерживающий факторы, циклины. Вместе с тем, следует выделить ряд особых факторов, осуществляющих общий контроль за делениями клеток. Это – протоонкогены и антионкогены, а также кейлоны.
Протоонкогены – группа генов, контролирующих нормальное клеточное деление и дифференцировку. Эти гены проявляют свою большую активность в эмбриональном периоде, в дальнейшем их активность снижается. Изменение структуры генов в результате мутаций и усиление их активности вызывает развитие опухолей. Измененные мутацией, но активные формы протоонкогенов получили название онкогенов.
Антионкогены – гены, продукты деятельности которых, угнетают митотическую активность. В настоящее время изучены различные антионкогены (RB, DCC, APC, WTI и др.) и, особенно ген р53. Последний обеспечивает поддержание стабильности генетического аппарата клетки (останавливает клеточный цикл для репарации ДНК), а при значительных нарушениях наследственного аппарата запускает механизм апоптоза.
Кейлоны – группа гормоноподобных соединений, угнетающих клеточные деления. Кейлоны образуются всеми дифференцированными клетками и воздействуют на незрелые клетки этой же ткани, тем самым поддерживая клеточный гомеостаз. Образование кейлонов контролируется механизмом отрицательной обратной связи.
Старение и гибель клеток. После определенного периода нормального функционирования у клетки начинается период старения, который морфологически проявляется:
- уменьшением объема клетки
- увеличением содержания крупных лизосом
- накоплением пигментных и жировых включений
- появлением вакуолей в цитоплазме и ядре
Гибель клетки – завершающий этап клеточного цикла. Гибель клетки – эволюционно обоснованный (как механизм клеточного гомеостаза и условие нормальной жизнедеятельности тканей) и генетически закрепленный процесс. У соматических клеток имеется запрограммированный предел возможных делений. В последнее время активно изучается особый участок хромосом - теломера, содержащий ген «бессмертия». Как полагают ученые, активность гена определяет количество последовательных митозов, но это количество у нормальных
клеток ограничено. У опухолевых клеток функция гена нарушена, и они могут делиться неограниченное число раз.
При гибели клетки можно выделить два различных механизма ее развития: некроз и апоптоз.
Некроз – возникает под действием резко выраженных повреждающих факторов (температурных, гипоксия, химические и механические воздействия, и т.д.). Другими словами, некроз – «смерть в результате несчастного случая». На начальном этапе наблюдаются изменения органоидов клетки (набухание митохондрий и уменьшение в них крист, распад цистерн платинчатого комплекса), нарушения проницаемости плазмолеммы, повреждение мембран лизосом и выделение гидролаз. Наблюдаются изменения и ядра клетки – кариопикноз, кариорексис, кариолизис. Остаточные продукты распада клеток привлекают лейкоциты и макрофаги, вокруг очага некроза возникает воспалительная реакция (признаки воспаления – отек, гиперемия, боль).
Апоптоз – активный генетически контролируемый процесс гибели клетки. Апоптоз энерноемкий процесс и регулируется различными внутренними факторами клетки. Он обычно происходит в отдельных клетках и имеет место в норме у человека как в эмбриональной периоде так и у взрослого. Особенно значима роль апоптоза в следующих процессах:
- формировании органов в ходе эмбрионального развития
- удаление стареющих клеток в зрелых тканях
- реакциях тканей на действие повреждающих факторов
- в развитии инфекционных заболеваний
- опухолевом росте
Сигналы, запускающие генетическую программу апоптоза:
1. Нарушение регуляторных механизмов, поддерживающих нормальную дифференцировку и функциональную активность клеток (см. регуляцию роста клеток), потеря контакта с другими клетками, изменения морфологии и функций органоидов при старении клеток.
2. Возникновение неустранимых повреждений ДНК.
3. Инфекционные заболевания (вирусные).
Стадии апоптоза:
- утрата клеткой контакта с соседними клетками
- сжатие цитоплазмы и ядра клетки, образование вздутий и выпячиваний мембраны,
кариопикноз
- распад клетки на фрагменты и их фагоцитоз соседними клетками,
в отличие от некроза воспалительная реакция отсутствует.
Митотический цикл. Митоз
Митоз — основной способ деления эукариотических клеток, при котором сначала происходит удвоение, а затем равномерное распределение между дочерними клетками наследственного материала.
Митоз представляет собой непрерывный процесс, в котором выделяют четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Перед митозом происходит подготовка клетки к делению, или интерфаза. Период подготовки клетки к митозу и собственно митоз вместе составляют митотический цикл. Ниже приводится краткая характеристика фаз цикла.
Интерфаза состоит из трех периодов: пресинтетического, или постмитотического, — G1, синтетического — S, постсинтетического, или премитотического, — G2.
Пресинтетический период (2 n 2 c, где n — число хромосом, с — число молекул ДНК) — рост клетки, активизация процессов биологического синтеза, подготовка к следующему периоду.
Синтетический период (2 n 4 c) — репликация ДНК.
Постсинтетический период (2 n 4 c) — подготовка клетки к митозу, синтез и накопление белков и энергии для предстоящего деления, увеличение количества органоидов, удвоение центриолей.
Профаза (2 n 4 c) — демонтаж ядерных мембран, расхождение центриолей к разным полюсам клетки, формирование нитей веретена деления, «исчезновение» ядрышек, конденсация двухроматидных хромосом.
Метафаза (2 n 4 c) — выстраивание максимально конденсированных двухроматидных хромосом в экваториальной плоскости клетки (метафазная пластинка), прикрепление нитей веретена деления одним концом к центриолям, другим — к центромерам хромосом.
Анафаза (4 n 4 c) — деление двухроматидных хромосом на хроматиды и расхождение этих сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки (при этом хроматиды становятся самостоятельными однохроматидными хромосомами).
Телофаза (2 n 2 c в каждой дочерней клетке) — деконденсация хромосом, образование вокруг каждой группы хромосом ядерных мембран, распад нитей веретена деления, появление ядрышка, деление цитоплазмы (цитотомия). Цитотомия в животных клетках происходит за счет борозды деления, в растительных клетках — за счет клеточной пластинки.
Биологическое значение митоза. Образовавшиеся в результате этого способа деления дочерние клетки являются генетически идентичными материнской. Митоз обеспечивает постоянство хромосомного набора в ряду поколений клеток. Лежит в основе таких процессов, как рост, регенерация, бесполое размножение и др.