Амитоз

Амитоз — прямое деление клетки надвое.

Ядро делящейся клетки находится в интерфазном состоянии. При этом не происходит спирализации хромосом и формирования веретена деления. Амитоз завершается образованием двух клеток, содержащих неравные количества генетического материала. Протекает без выключения специальных функций клетки. Встречается в клетках, обреченных на гибель и не способных в дальнейшем дать полноценные клетки (клетки зародышевых оболочек животных, фолликулярные клетки яичника, клетки провизорных — временных — органов личинок насекомых, паренхимы клубней растений).

Мейоз

Мейоз — процесс деления клеток, ведущий к уменьшению (редукции) числа хромосом и переходу клеток из диплоидного состояния в гаплоидное.

Характерен для особых клеток половых желез — предшественников гамет. Является центральным событием периода созревания в гаметогенезе.

Включает два деления: I мейотическое (редукционное) и II мейо- тическос (эквационное). В результате первого деления образуются 2 клетки с формулой п2су после второго — 4 клетки (гаметы) с формулой пс.

Процесс деления клетки путем мейоза представлен на рис. 3.86.

I мейотическое деление (редукционнное) состоит из следующих этапов.

1. Профаза I.

Хромосомная формула клетки: 2пАс.

Основные события: попарное сближение и «слипание» гомологичных хромосом — конъюгация (напомним, что при образовании зиготы, из которой развился данный организм, одна половина хромосом «пришла» от матери, другая — от отца, в результате чего каждая пара гомологичных хромосом включает в себя одну материнскую и одну отцовскую хромосомы) с образованием структур, называемых бивалентами. Этот процесс осуществляется с помощью специальной белковой «застежки-молнии» — синаптонемаль- ного комплекса (рис. 3.87). Число бивалентов равно 1 п. Обмен гомологичными участками хромосом, содержащими аллельные гены,

Схема мейоза

Рис. 3.86. Схема мейоза

Синаптонемальный комплекс

Рис. 3.87. Синаптонемальный комплекс:

а — электронограмма; б — схема строения

в пределах бивалентов (кроссинговср) носит случайный характер. Средняя частота — в 2—3 точках на пару гомологичных хромосом, продолжительность — 2—3 сут (у человека). Восстановление целостности хромосом, нарушенной в результате кроссинговера, осуществляется путем репаративного синтеза ДНК.

Исследование тонких механизмов данных процессов показало, что еще в самом начале конъюгации в ДНК гомологичных хромосом возникают множественные двунитевые разрывы. Сближение и точечное опознание хромосом при формировании бивалента осуществляется с помощью особого белка, который связывается со свободными концами разорванных ДНК и внедряет их в ДНК хромосомы-партнера с последующим спариванием комплементарных участков. После того как число связок между ДНК хромосомной пары достигнет определенной величины, они соединяются но всей длине при помощи синаптонемального комплекса. Далее небольшая часть этих связок (менее 10%) разрезается и сшивается крест-накрест (точки рекомбинации), в результате чего происходит обмен гомологичными фрагментами ДНК между хромосомами. Необходимым участником данного процесса является специфический белок репарации. Остальные связки после разрезания сшиваются таким образом, что восстанавливается исходная структура ДИК.

Примечание. Установлено, что в 17—30% случаев причиной мужского бесплодия является блокада мейоза, обусловленная отсутствием синапто- немалыюго комплекса в клетках — предшественниках сперматозоидов.

2. Мстафаза I.

Хромосомная формула клетки: 2пАс.

Основные события: биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости клетки.

3. Анафаза I.

Хромосомная формула клетки: 2пАс.

Основные события: разделение бивалентов (распадаются на составляющие их «двойные» — двухроматидные — гомологичные хромосомы) и расхождение последних к полюсам клетки (носит случайный характер, в результате чего в каждом отдельном случае к полюсам направляются гаплоидные наборы хромосом, представляющие собой уникальное сочетание материнских и отцовских хромосом).

4. Телофаза I.

Хромосомная формула клетки: 2пАс.

Основные события: деспирализация и удлинение хромосом (превращаются в хроматин), формирование ядерной оболочки, образование ядрышка.

5. Цитокинез.

Хромосомная формула клетки: п2с X 2 (каждая из дочерних клеток содержит одинарный набор хромосом, состоящих из двух хро- матид).

Основные события: разделение клеточного тела.

6. Интерфаза.

Особенности: отсутствие 5-псриода; очень непродолжительная.

Механизм II мейотического деления (эквационного) сходен с митозом. Назначение — приведение в соответствие числа хромосом и количества ДНК.

В результате мейоза образуются четыре гаплоидные генетически разнородные клетки.

Биологическое значение мейоза:

  • • обеспечивает постоянство кариотипа в филогенезе;
  • • является одним из механизмов комбинативной генотипической изменчивости.

Мейоз осуществляется благодаря следующим процессам:

  • • рекомбинации генетического материала гомологичных хромосом (кроссинговер);
  • • возникновению новых комбинаций негомологичных хромосом (следствие случайного характера расхождения гомологичных хромосом в анафазе I);
  • • возникновению новых сочетаний хромосом (в результате случайного характера расхождения хромосом в анафазе II).

Сравнительная характеристика митоза и мейоза приведена в табл. 3.7.

Рост. При росте происходит увеличение массы и размеров клетки.

Механизмы: преобладание анаболизма над катаболизмом, сборка и размножение органелл и других структур.

Ограничения: по мере увеличения размеров клетки площадь ее поверхности прогрессивно отстает от объема (объем шара, как из-

Таблица 3.7

Сравнительная характеристика митоза и мейоза

Признаки

Митоз

Мейоз

Делящиеся

клетки

Соматические

Специальные клетки половых желез — предшественники гамет

Число делений

Неограниченное

2 (редукционное и эква- ционное)

Самая продолжительная фаза

Метафаза

Профаза-1

Би патенты

Не образуются

Образуются

Кроссинговер

Не происходит

Происходит

Репаративный синтез ДНК

Не происходит

Происходит

Хроматиновые структуры, распределяющиеся между дочерними клетками

Хромосомы (однохроматид- ные)

Хромосомы (двухрома- тидные — при редукционном делении, одиохрома- тидные — при эквационном делении)

Интерфаза

Обычная

Короткая, отсутствует S-период

Результат

2 диплоидные генетически тождественные клетки

4 гаплоидные генетически разнородные клетки (гаметы)

Биологическое

значение

Обеспечивает равноиаследст- венное распределение генетической информации между дочерними клетками, постоянство кариотипа в онтогенезе

Является механизмом комбинативной наследственной изменчивости; обеспечи вает постоя нство кариотипа в ряду поколений организмов

вестно, изменяется в третьей степени, а площадь — во второй). После достижения определенного «критического» размера разрыв между объемом и площадью клетки приведет к невозможности ее питания и дыхания, так как обмен веществ и газов осуществляется путем диффузии через плазмалсмму.

Дифференцировка. Это процесс прогрессивной химической, структурной и функциональной специализации клетки.

Главные направления дифференцировки клеток:

  • • электрогенез (способность к генерации электрических импульсов):
  • • сокращение;
  • • секреция;
  • • экскреция (способность избирательно накапливать из внутренней среды организма конечные продукты обмена, токсины, лекарства и выделять их во внешнюю среду);
  • • всасывание.

Примечание. Все множество конкретных разновидностей клеток (у сформировавшегося многоклеточного организма их число исчисляется несколькими десятками) легко укладывается в перечисленные выше типы дифференцировки, так как они являются результатом более тонкой специализации клеточных форм в пределах каждого направления дифференци- ровки (например, разновидности желез — солевые, сальные, слизистые, белковые).

Биохимическая основа: дифференцированные клетки характеризуются строго определенным набором белков (ферментных, транспортных, рецепторных, сократительных и др.), которые позволяют им выполнять свои специфические физиологические функции.

Регуляторные механизмы клеточной дифференцировки сложны и многообразны и функционируют на нескольких уровнях: транскрипции (избирательная активация и репрессия генов); ядерно- цитоплазматическом транспорте (избирательный перенос иРНК из ядра в цитоплазму); трансляции (избирательное вовлечение иРНК в процесс биосинтеза белка на рибосоме); на уровне деградации иРНК (избирательное разрушение молекул иРНК). Необходимо подчеркнуть, что именно благодаря тому обстоятельству, что эти процессы носят выраженный избирательный характер, набор белков, синтезируемых в том или ином виде клеток (протеом), является строго специфическим, что, как указывалось выше, составляет основу их дифференцировки.

Кроме того, определенная роль в обеспечении избирательной экспрессии генома в процессе дифференцировки клеток принадлежит его структурным перестройкам, в частности инверсии (повороте на 180°) генов относительно промотора (что приводит к их инактивации), удалению определенных генов путем вырезания, избирательному мультиплицированию гена (получению множества копий одного гена в составе хромосомы) и др.

Современные исследования позволили выявить некоторые механизмы клеточной диффсрснцировки, функционирующие на над- гепном (эпигенетическом) уровне. Рассмотрим основные из них.

  • 1. Известно, что пространственная структура молекулы гистонов такова, что ее центральная часть упакована в виде компактной глобулы, а концы (N— и С—) остаются свободными. В формировании «сердцевины» (кора) нуклеосомы принимают непосредственное участие только центральные (глобулярные) части гистоновых молекул (как указывалось выше, в количестве восьми). В цельной нуклеосоме свободные концы молекул белков «протискиваются» между витками ДНК и располагаются снаружи. В таком состоянии они оказываются доступными для ферментов и подвергаются различным химическим модификациям — метилированию, фосфорилированию и др. (чему способствует разнообразие функциональных групп в боковых радикалах их аминокислотных остатков) (рис. 3.88). В масштабе нуклеосомной нити (а также сформированных на их основе хроматиновых структур более высоких рангов) это открывает возможность: а) фиксировать на их поверхности специфическую информацию (которая сохраняется в ряду клеточных поколений); б) специфически взаимодействовать с различными регуляторными агентами (гормонами, регуляторными пептидами и др.). Данная информационная система получила название «гистоновый код».
  • 2. Показано, что в клетках эукариотических организмов имеется специальная ферментная система, осуществляющая присоединение метальной группы к некоторым азотистым основания в со-
Химическая модификация свободных концов молекул гистонов в составе нуклеосомы

Рис. 3.88. Химическая модификация свободных концов молекул гистонов в составе нуклеосомы:

Н2Л, Н2В, Н3, Н4 — молекулы гистонов; фигуры, присоединенные к концам молекул гистонов — химические группы (метильные, фосфатные, ацетильные) и различные лиганды (регуляторные пептиды и др.) ставе ДНК (в частности, цитозину и аденину). При этом данный процесс характеризуется строгой пространственно-временной организацией: ДНК метилируется но определенным участкам (сайтам) и на определенных этапах жизненного цикла клетки (организма). Установлено, что характер взаимодействия белков с модифицированными таким образом участками ДНК меняется. По-видимому, данный механизм используется в клетке достаточно широко, на что указывает следующий факт — в клетках человека метилировано около 40% ДНК. Подобно тому как это имеет место в системе гистонового кода, эпигенетическая информация, фиксированная на ДНК в виде метилированных нуклеотидов, передается в ряду клеточных поколений.

Таким образом, есть основания полагать, что для формирования полноценного организма наряду с генетической информацией (записанной в ДНК) необходима и эпигенетическая информация (записанная в гистоновых «хвостах» и (или) «мозаике» метилированных нуклеотидов), представляющая собой своеобразную инструкцию по ее реализации.

Морфологические проявления дифференцировки: уменьшение ядерно-плазменного отношения (в основном за счет нарастания объема цитоплазмы), увеличение количества органелл, в том числе и специального значения, появление включений, приобретение клеткой формы, соответствующей выполняемой функции.

Старение. Это необратимый генетически запрограммированный процесс угасания общих и специальных функций клетки, сопровождающийся нарушением ее генетической, химической и структурной организации.

Поскольку единой концепции, удовлетворительно объясняющей все многообразие фактов, касающихся процесса старения клетки (организма), в настоящее время не существует, ограничимся перечислением некоторых факторов, играющих, на наш взгляд, важную роль в его механизме:

  • • мутации (экзогенные — в результате воздействия на организм неблагоприятных физических, химических и биологических, например вирусов, факторов среды, эндогенные — вследствие ошибок в работе систем репликации, рекомбинации и репарации ДНК, транскрипции, трансляции);
  • • активация свободнорадикальных процессов окисления липидов (сопровождается накоплением высокореакционных агентов - активных форм кислорода, перекиси водорода, свободных радикалов, липоперекисей и др., взаимодействующих с нуклеиновыми кислотами, белками и другими биологически значимыми соединениями);
  • • искажение антигенной структуры клеток и развитие аутоиммунного процесса (иммунные механизмы принимают такие клетки за чужеродные и «атакуют» их);
  • • уменьшение количества белков-рецепторов на поверхности и внутри клеток (приводит к нарушению их регуляции со стороны интегрирующих систем организма: нервной, эндокринной, иммунной);
  • • снижение способности клеток к делению.

Структурные проявления: увеличение числа дефектных органелл, появление в цитоплазме пигментов старения (липофусцина, нейромеланина), грубые «поломки» хромосом (хромосомные аберрации).

Гибель. Под гибелью понимается остановка всех жизненных процессов — дыхания, обмена веществ, общих и специальных функций и др.

Рассмотрим формы гибели клетки.

1. Некроз. Причинные факторы: резкое изменение окружающей клетку среды (ожог, обморожение, дефицит кислорода, изменение pH, контакт с кислотами, щелочами и др.). Характеризуется высокой скоростью (от нескольких минут до одного часа).

Структурные преобразования начинаются с цитоплазмы (нарушение структуры митохондрий, разрушение лизосом), затем нарушается проницаемость плазмалеммы для ионов и воды, клетка набухает, мембрана разрушается, клетка гибнет (рис. 3.89, а). В месте гибели клеток развивается воспалительная реакция.

2. Апоптоз (генетически запрограммированная самоликвидация клетки).

Апоптоз может инициироваться посредством различных внеклеточных (внешних) или внутриклеточных факторов. В качестве внешних факторов могут выступать повышенная температура, действие на клетку некоторых гуморальных агентов (в частности, фактора некроза опухолей) или, напротив, ослабление их влияния (например, факторов роста, цитокинов, регулирующих клеточное деление), внутренних — избыток ионов Н+, свободные радикалы липидной природы, внутриклеточные вирусы и др. Трансформация этих сигналов в команду запуска механизма апоптоза осуществляется по двум путям: через специальные мембранные рецепторы и с участием митохондрий, из которых при этом выделяется

Способы (пути) гибели клетки

Рис. 3.89. Способы (пути) гибели клетки:

а — некроз: б — апоптоз цитохром с (железосодержащий белок — один из компонентов дыхательной цепи). Оба пути приводят к образованию особых иници- аторных комплексов и, в конечном счете, активации эффекторных (киллерных) каспаз — ферментов, расщепляющих различные клеточные белки, нуклеиновые кислоты и другие биополимеры.

Апоптоз в отличие от некроза характеризуется низкой скоростью (1 — 12 ч). Структурные перестройки начинаются с ядра (уплотнение хроматина, изменение контура ядерной оболочки, распад ядра на фрагменты — рис. 3.88, б), затем происходит постепенное сморщивание клетки, сопровождающееся образованием складок и выростов плазмалеммы, после чего клетка распадается на части (апоптозные тельца), которые поглощаются клетками-фагоцитами. Существенно, что апоптозные тельца окружены мембраной, исключающей выход наружу внутриклеточных компонентов, наличие которых в тканевой жидкости нежелательно из-за риска развития аутоиммунного процесса.

Процесс регулируется не только внутриклеточными (упоминавшимися выше специальными генами, кодирующими, проапоп- тозиые и аитиапоптозные белки, белки-рецепторы и др.), но и внеклеточными механизмами с участием лейкоцитов (точнее, продуцируемых ими активных форм кислорода), гормонов, антител, некоторых гуморальных регуляторов иммунитета (интерлейкинов и др.).

Биологическое значение. Наряду с митозом апоптоз является важным фактором, поддерживающим постоянство клеточных популяций. Обеспечивает удаление из последних генетически дефектных клеток (и таким образом снижает вероятность возникновения злокачественных опухолей). Играет важную роль в формообразовательных процессах в эмбриональном периоде онтогенеза. Например, зачатки конечностей у зародыша млекопитающего закладываются в форме ласт. В определенный момент в местах, соответствующих будущим межпальцевым промежуткам, происходит запрограммированная массовая гибель клеток, в результате чего пальцы обособляются. Аналогичным образом образуются лопасти и перфорации у листьев растений. Велико значение апоптоза для нормального протекания жизненных процессов и у прокариот. Так, путем апоптоза происходит лизис материнской клетки при споруляции, а также спонтанный аутолиз (саморастворение) части особей при избыточном размножении.

Медицинское значение. Изменение интенсивности апоптоза является одним из причинных факторов возникновения ряда патологических явлений. Так, повышение интенсивности приводит к развитию волчьей пасти, сахарного диабета, ревматоидного артрита и других заболеваний. С понижением интенсивности апоптоза связывают возникновение некоторых злокачественных опухолей. Дело в том, что в норме при достижении некоторого критического количества структурных дефектов в ядерной ДНК в клетке автоматически запускается программа апоптоза и таким образом предотвращается возможность размножения потенциально опасных клеток. В клетках, дающих начало опухоли, по непонятным пока причинам, гены, контролирующие запуск апоптоза, инактивированы. Полагают, что в результате размножения таких клеток образуются первичные опухолевые клоны, из которых в дальнейшем развиваются опухоли. Снижение уровня апоптоза также может быть причиной некоторых форм возрастных нейродегенеративных заболеваний (болезни Альцгеймера, Паркинсона), так как ведет к накоплению клеточного балласта в нервной ткани. К изложенному следует добавить, что уменьшение интенсивности апоптоза может нарушать обособление анатомических структур в процессе эмбриогенеза и приводить к возникновению врожденных уродств, в частности, сросшимся пальцам.

Сравнительная характеристика некроза и апоптоза представлена в табл. 3.8.

Таблица 3.8

Сравнительная характеристика некроза и апоптоза

Признаки

Некроз

Апоптоз

Причинные

факторы

Резкое изменение условий среды (ожог, обморожение, остановка кровообращения, изменение pH и др.)

Внешние факторы или генетическая запрограммированность

Скорость процесса

Минуты

Часы — сутки

Зависимость от синтеза белка

Пет

Да

Морфологические перестройки

Начинаются с цитоплазмы (нарушение структуры митохондрий, разрушение лизосом), затем нарушается проницаемость плазмалеммы для ионов и воды, клетка набухает и гибнет

Начинаются с ядра (уплотнение хроматина, усложнение контура кариолеммы, распад ядра на фрагменты). Затем происходит постепенное сморщивание клетки (складки, выросты плазмалеммы), после чего клетка распадается на части (аиоптозные тельца), которые поглощаются клетками-фагоцитам и

Наличие воспалительной реакции

Имеет место

Не сопровождается воспалением

Признаки

Некроз

Апоптоз

Регуляторные

механизмы

Регулируется не только внутри клеточ н ы м и (у пом и нав ш неся выше специальные гены), но и внеклеточными (лейкоциты, гормоны, антитела и др.) механизмами

Биологическое

значение

Является важным фактором, поддерживающим постоянство клеточных популяций; обеспечивает удаление из последних генетически дефектных клеток, играет важную роль в формообразовательных процессах

Медицинское

значение

Является неспсцифичсс- кой реакцией на действие раздражителя чрезмерной интенсивности, что приводит к развитию инфарктов, гангрены и др.

Играет роль в развитии некоторых патологических явлений (злокачественный рост, нейро- дегенеративные процессы, тератогенез и др.)

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >