Деление клеток.

Все клетки многоклеточного организма образуются последовательным делением оплодотворенной яйцевой клетки. В процессе онтогенеза клетки, размножаясь и дифференцируясь, сохраняя одинаковую генетическую информацию, приобретают характерные морфологические особенности, специфические для различных тканей и органов животного данного вида. Различают следующие виды клеточного деления: митоз, эндомитоз, амитоз и мейоз.

Митоз соматических клеток протекает в четыре фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза (рис. 1.8). Период, предшествующий митотическому делению клетки, называют интерфазой (рис. 1.9).

Интерфаза характеризуется интенсивным ростом клетки и ее функциональной и морфологической специфичностью. По характеру обмена веществ в ней выделяют три периода.

В первый — пресинтетический (период G_x) клетка резко увеличивается в объеме. В ее цитоплазме активизируются процессы синтеза РНК, ферментов и других веществ, характерных для данного вида клетки.

Второй период — синтетический (период S) — время удвоения молекул ДНК и синтеза белка гистона. В этом периоде к каждой хромосоме, содержащей после предыдущего деления одну хроматиду, достраивается парная хроматида. Процесс синтеза ДНК и включение в формирующуюся хроматиду белка гистона в отдельных хромосомах клетки протекает последовательно в течение 5...6 часов и более. Последними включаются в процесс синтеза ДНК половые хромосомы.

Третий период — постсинтетический (третий период G₂) значительно короче двух предыдущих. В этот период синтезируются РНК и белки, участвующие в процессах деления клетки, в частности белки, входящие в состав структур цитоплазмы клетки, обеспечивающие процесс последующего митотического деления (тубулины ахроматинового веретена деления и др.). В течение премитотической фазы центриоли клеточного центра удваиваются. Около каждой из них под прямым углом формируется дочерняя центриоль, соответственно клеточный центр в этом периоде интерфазы состоит из двух групп центриолей.

Рис. 1.8. Митоз (схема по Манзия):

А, Б — интерфаза; В, Г — профаза; Д — метафаза; Е — анафаза; Ж, 3 — телофаза: 1 — центриоль, 2 — ядрышко, 3 — центромера, 4 — хромосома, 5 — ядерная оболочка, 6 — звезда, 7 — веретена, 8 — хромосомные нити, 9 — хромосомы, 10 — центральное веретено

Рис. 1.9. Митотический цикл (схема по Хему)

Профаза — первый период митотического деления. Клетка выключается из специфической для нее функции и соответственно утрачивает связанные с этим характерные специальные структуры (десмосомы, тонофибриллы, реснички и др.). В цитоплазме активизируется клеточный центр, что проявляется в последовательном расхождении сформированных в период профазы пар центриолей. Вокруг каждой пары — дочерних центросом — формируются радиально ориентированные микротрубочки, образуя ее лучистую зону. Система микротрубочек между расходящимися дочерними клеточными центрами оформляется в митотическое веретено. В результате описанных процессов в цитоплазме делящихся клеток в период профазы образуется характерная для нее ахроматиновая фигура из двух двойных групп центриолей и окружающих их звезд — радиально расходящихся микротрубочек, а также митотическое ахроматиновое веретено — пучок микротрубочек между формирующимися дочерними клеточными центрами.

Параллельно с изменениями структурной организации цитоплазмы клетки в период профазы изменяется ее ядро. В частности, по мере вступления клетки в процесс митоза хромосомы инактивируются и соответственно спирализуются. В результате в ядре увеличиваются количество и размеры глыбок хроматина, которые, объединяясь, образуют плотный клубок нитей. В связи с инактивацией ядрышковых организаторов хромосом исчезают сами ядрышки. Период профазы завершается распадом мембраны ядерной оболочки на сегменты, смешивающиеся с мембранами эндоплазматической сети. Хромосомы рассредоточиваются в цитоплазме.

В хромосомах, содержащих две хроматиды, в области первичной перетяжки выявляется центромера (кинетохор), связывающая хромосому по мере ее перемещения в экваториальную плоскость с микротрубочками ахроматинового веретена в клетке.

Метафаза — период, в который митотический аппарат клетки завершает свое развитие. Он состоит из центральных микротрубочек, расположенных между центриолями двух полюсов, митотического веретена и отдельных периферических хромосом, связанных с центромерами. Хромосомы локализованы в этот период в экваториальной плоскости клетки и в совокупности образуют фигуру материнской звезды, или экваториальной пластинки. В течение метафазы сестринские хроматиды каждой хромосомы постепенно обособляются, сохраняя связь лишь в области центромера.

Анафаза характеризуется тем, что клетки вытягиваются по длинной оси ахроматинового веретена и хроматиды хромосом, теряя связь друг с другом в области центромер, расходятся и становятся самостоятельными хромосомами формирующихся дочерних клеток.

Телофаза — конечная стадия митотического деления. В период телофазы токи цитоплазмы, характерные для этого периода митоза, обусловливают обособление двух дочерних клеток. Микротрубочки митотического аппарата материнской клетки разрушаются. Хромосомы дочерних клеток включаются в процессы синтеза РНК, рассредоточиваются и микроскопически выявляются лишь частично как глыбки хроматина. Вновь образуется ядерная оболочка. По мере активизации ядрышкового организатора соответствующих хромосом формируются ядрышки. По завершении процесса деления дочерние клетки переходят в период интерфазы.

Метафаза — наиболее благоприятный период клеточного цикла для изучения структурной организации хромосом. Установлено, что каждая хромосома представлена гигантской молекулой дезоксинуклеопро- теида (ДНП), рассредоточенной в веществе ядра в период интерфазы и сложно уложенной и максимально уплотненной в период митотического деления. Для каждого вида животных характерно строго определенное число хромосом. В частности, клетки крупного рогатого скота содержат 60 хромосом, лошади — 66, свиньи — 40.

Все хромосомы парные (аутосомы), кроме половых, которые в зависимости от пола различны: у млекопитающих самок две Х-хромосомы, у самцов X и Y. Самки птиц содержат W и Z, а самцы — две хромосомы Z.

Эндомитоз — повторное увеличение числа хромосом без нарушения ядерной оболочки. В некоторых органах эндомитоз наблюдают в естественных условиях. В частности, полиплоидные клетки (тетра- плоидные — 4п, октоплоидные — 8п) характерны для некоторых органов (печени, эпителия мочевого пузыря, слюнных желез и др.).

Все формы эндомитоза объясняются блокированием митоза на одной из его стадий. В частности, клетка может целиком выпасть из митотического цикла и из периода G₂: она без деления переходит в период G_x следующего цикла.

В другом варианте эндорепродукцию клетки наблюдают в периоде S. Хромосомы деспирализуются и удваиваются, но оболочка ядра не разрушается, и весь процесс протекает при сохранившейся ядерной оболочке. Формируется одноядерная тетраплоидная клетка.

Эндомитоз может сопровождаться разрушением ядерной оболочки, но в клетке при этом не образуется митотический аппарат и хромосомы не расходятся. Формируется полиплоидная клетка. Полиплоидия создается как следствие митоза, при котором хромосомы расходятся, формируются два ядра, но отсутствует плазмотомия.

Амитоз представляет собой прямое деление клеток без морфологической перестройки ее ядра и цитоплазмы. Наблюдают преимущественно в тканях органов, завершающих свою жизнедеятельность в соответствии с конечными этапами дифференцировки тканей, органа или системы органов в норме или в условиях патологии.

Морфологически амитоз характеризуется изменением формы и числа ядрышек с последующей перешнуровкой ядра. Образующиеся при этом двуядерные и многоядерные клетки при последующей цитотомии могут образовывать одноядерные клетки. По физиологическому значению различают три вида амитотического деления: амитоз генеративный, реактивный и дегенеративный. Генеративный амитоз — полноценное деление, при котором образующиеся дочерние клетки способны в последующем к митотическому делению и к характерному для них нормальному функционированию. Реактивный амитоз вызывается какими-либо неадекватными воздействиями на организм. Дегенеративный амитоз — деление, связанное с процессами дегенерации и гибели клеток.

Мейоз, или редукционное деление, приводит к уменьшению числа хромосом вдвое, осуществляется в половых железах (семенниках и яичниках) во время созревания половых клеток. Мейоз, как и митоз, складывается из ряда последовательных фаз.

Профаза особенно многообразна и характеризуется тем, что на отдельных этапах определенные и сложные реорганизации затрагивают хромосомы.

Лептотенная стадия (от греч. leptos — тонкий, taenia — нить) характеризуется тем, что в ядре, например сперматоцита или ооцита I порядка, начинают выявляться отдельные тонкие и длинные хромосомные нити, число которых равно диплоидному набору. Ни одна из хромосом не выявляет двойственной структуры. Каждая из них представлена одинарной тонкой нитью.

Зиготенная стадия (от греч. zygoo — парный) характеризуется тем, что материнская и отцовская хромосомы из каждой пары сближаются и на всем своем протяжении сходными участками прикладываются одна к другой. Процесс сближения отцовской и материнской хромосом называют конъюгацией, а каждую конъюгирующую пару хромосом — бивалентом. В ряде генных локусов хроматиды материнской и отцовской хромосом обмениваются участками в местах перехода одной хроматиды в другую (хиазмов), сдерживающих расхождение хромосом. Процесс обмена участками между хроматидами, вызывающий появление мостиков, называют перекрестом, или кроссинговером. Число и расположение хиазм у разных организмов различно: чем длиннее хромосома, тем больше в ней образуется хиазм.

Пахитенная стадия (от греч. pachys — толстый) характеризуется тем, что две нитевидные хромосомы каждого бивалента укорачиваются и утолщаются. Важнейший признак этой стадии — продольное расщепление каждой из конъюгирующих хромосом на две половинки (хроматиды). Таким образом, каждый бивалент приобретает четырех- хроматидную структуру — тетраду. Все четыре хроматиды плотно прилегают друг к другу, иногда завиваясь в спираль.

Диплотенная (diploos — двойной) — стадия, на которой сила притяжения гомологичных хромосом переходит в силу, расталкивающую плотно конъюгирующие материнские и отцовские хромосомы. На этой стадии хромосома продолжает сокращаться, что обусловлено ее закручиванием, или спирализацией.

Диакинез (образование пар хромосом) характеризуется тем, что все конъюгирующие пары хромосом вследствие сокращения становятся компактными, между ними образуется хорошо видимая щель. Благодаря характерной форме и широкой разбросанности хромосом эта стадия профазы наиболее благоприятна для подсчета числа хромосом у животного данного вида.

В стадии диакинеза хиазм становится меньше, так как многие из них соскальзывают у дистальных концов хромосом. В каждом биваленте остаются одна-две хиазмы, которые и придают конъюгирующим хромосомам вид крестиков, рогаток и колечек. В течение всей профазы мейоза наряду с описанными изменениями в структуре и поведении хромосом рост клетки не прекращается. В диакинезе клетка достигает наибольшего размера.

Метафаза мейоза, как и метафаза митоза, характеризуется тем, что хромосомы располагаются на экваторе клетки. Однако в мейозе они лежат слабоконъюгирующими парами, состоящими из отцовской и материнской хромосом. В этой фазе начинает действовать ахрома- тиновый аппарат веретена, распределяя двуххроматидные хромосомы каждого бивалента по разным полюсам клетки.

Анафаза мейоза отличается от анафазы митоза только тем, что при митозе к каждому полюсу клетки отходят хроматиды, а при мейозе — целые хромосомы с двумя хроматидами, т. е. одна из конъюгирующих хромосом бивалентна.

Телофаза мейоза отличается от телофазы митоза тем, что при мейозе к каждому полюсу отходит целиком одна хромосома из конъюгирующей пары, а при митозе — хроматида от каждой хромосомы в отдельности, потому что при митотическом делении хромосомы не конъюгируют.

После первого деления без интерфазы (без синтеза ДНК, характерного для периода S, в ходе которого увеличивается число хромосом) следует второе деление, которое приводит к образованию клеток с одинарным (уменьшенным в 2 раза) числом хромосом.

Мейоз приводит к тому, что зрелые половые клетки (спермии и яйцеклетки) несут уменьшенный вдвое набор хромосом. В процессе оплодотворения половые клетки сливаются и снова восстанавливают исходный двойной, или диплоидный, набор хромосом, присущий данному виду животных.