Зиматкин-ТЕКСТЫ ЛЕКЦИИ (28.05.10). Учебнометодическое пособие для студентов лечебного, педиатрического, медикопсихологического и медикодиагностического факультетов
 Скачать 1.33 Mb.
|
Репродукция клетокРепродукция клеток осуществляется путём митоза (для соматических клеток) или мейоза (при созревании половых клеток). Митоз, кариокинез или непрямое деление – универсальный способ деления любых животных клеток.При этом удвоившиеся и конденсированные хромосомы переходят в компактную форму митотических хромосом. Затем образуется веретено деления, которое обеспечивает разделение и расхождение хромосом к противоположным полюсам клетки. Митоз заканчивается делением тела клетки (цитотомия). Биологическая сущность митоза заключается в равномерном распределении генетического материала между дочерними клетками. Процесс митоза подразделяется на несколько основных фаз: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Профаза. ДНК в результате суперспирализации начинает выявляться под микроскопом в ядре клетки в виде палочковидных телец – хромосом. Процессы транскрипции в них прекращаются. Затем происходит исчезновение (дезинтеграция) ядрышек и ядерной оболочки. Цен триоли расходятся к полюсам клетки, образуется митотическое веретено (веретено деления), его нити прикрепляются к кинетохорам хромосом. Метафаза. Заканчивается образование веретена деления, а хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, образуя метафазную пластинку хромосом (вид сбоку) или материнскую звезду(вид с полю сов клетки). К концу метафазы завершается процесс разделения сестринских хроматид и они остаются связанными между собой только в области центромера. Метафаза по продолжительности занимает 30% времени всего митоза. Анафаза. Хромосомы растягиваются к полюсам клетки с помощью микротрубочек веретена деления со скоростью 0,2-0,5 мкм/мин, что связано с деполимеризацией и укорачиванием микротрубочек и работой белков-транслокаторов. Это самая короткая фаза митоза, занимающая по продолжительности лишь 5-10% от всего времени митоза. Телофаза. Начинается с остановки разошедшихся к полюсам хромосом (ранняя телофаза) и заканчивается созданием новых интерфазных ядер и разделением материнской клетки на две дочерние в результате цитотомии (поздняя телофаза). При этом хромосомы деконденсируются, образуются ядерные оболочки и формируются новые ядрышки. Поскольку митоз очень сложный и тонкий процесс, во время деления клетки особо чувствительны к воздействию физико-химических факторов (облучение, токсические вещества, лекарственные препараты). При повреждении веретена деления может произойти или задержка митоза в метафазе, или рассеивание хромосом. При нарушениях репродукции центриолей могут возникать многополюсные и асимметричные митозы. Нарушения процесса цитотомии приводят к появлению гигантских ядер или многоядерных клеток. Плоидность – число наборов хромосом в клетке, обозначаемое буквой n. Пропорциональное содержание ДНК в клетке обозначается буквой с. В половых клетках набор хромосом гаплоидный (1n и 1с), а в соматических клетках набор хромосом обычно диплоидный (2n и 2с). Среди соматических клеток встречаются и полипо идные, в которых набор хромосом больше: тетраплоидный (4n) и даже октаплоидный (8n). Полиплоидия – образование клеток с повышенным (больше диплоидного) содержанием хромосом и ДНК. Такие клетки появляются в результате отсутствия или не завершённости отдельных этапов митоза, при блокаде цито томии. При этом после прохождения S и G2- периодов клетки вступают в митоз с тетраплоидным набором хромо сом, проходят все его фазы, но не делятся на две дочерние. Особый способ полиплоидизации – эндорепродукция. При этом в клетке происходит несколько циклов редупликации ДНК (S-периодов), без последующего образования митотических хромосом и митоза. Это приводит к прогрессивному увеличению количества ДНК в ядре. Двуядерные и многоядерные клетки образуются тогда, когда в результате митоза происходит образование двух или более ядер, но без последующей цитотомии. Мейоз – способ деления, в результате которого образуются клетки с гаплоидным набором хромосом (половые клетки). Оба деления мейоза происходят как обычный митоз, однако в профазе первого деления происходит обмен генами между гомологичными хромосомами (кроссинговер), между первым и вторым делением нет интерфазы и поэтому не происходит редупликации ДНК. Биологическое значение мейоза заключается в том, что образовавшиеся мужские и женские половые клетки несут генетическую информацию от отца и матери и при слиянии этих клеток образуется зигота с диплоидным набором хромосом, несущая равное количество генетической информации от обоих родителей. Жизненный цикл клетки Жизненный цикл клетки – это весь период существования клетки (от деления до смерти или до следующего деления). Клеточный цикл состоит из митотического периода (М) и интерфазы (межмитотического периода). Интерфаза, в свою очередь, состоит из постмитотического или пресинтетического (G1), синтетического (S) и постсинтетического или премитотического (G2) периодов. В постмитотическом (пресинтетическом, G1)периоде дочерняя клетка достигает размеров и структуры материнской, для чего в ней происходит биосинтез РНК и белков цитоплазмы и ядра. Кроме того, в ней синтезируются РНК и белки, необходимые для синтеза ДНК в следующем периоде. В синтетическом (S) периоде происходит удвоение (редупликация) ДНК. В постсинтетическом (премитотическом, G2) периоде клетка готовится к митозу, в ней происходит синтез РНК и белков (тубулинов) веретена деления, накопление энергии, необходимой для митоза. Вышеописанный жизненный цикл характерен для популяции клеток, которые непрерывно делятся (митотические клетки). Их жизненный цикл равен митотическому циклу Кроме того, в организме есть клетки, которые временно или постоянно находятся вне митотического цикла (в G0 периоде). Этот период характеризуется как состояние репродуктивного покоя. Их можно разделить на условно постмитотические и постмитотические. Условно постмитотические – это клетки, которые после деления растут, дифференцируются, выполняют в органах специфические функции, но в случае необходимости (при повреждении данного органа) восстанавливают свою способность к размножению (клетки печени). К ним можно отнести и стволовые клетки (в эпителии, красном костном мозге), которые после деления длительно не меняют своих морфологических свойств, хранят генетическую информацию и сохраняют способность к делению. Постмитотические – высокоспециализированные клетки, которые растут, дифференцируются, выполняют свои специфические функции, и в таком состоянии существуют до смерти, никогда не делясь и постоянно находясь в G0 периоде (высокоспециализированные клетки миокарда – кардиомиоциты, и мозга – нейроны). Продолжительность жизни этих клеток приближается к продолжительности жизни целого организма. После появления в результате деления молодые клетки растут и дифференцируются. Рост клетки означает увеличение размеров её цитоплазмы и ядра, увеличение числа органелл. Дифференцировкаподразумевает морфофункцио нальную специализацию клетки, т. е. увеличение числа определённых органелл общего назначения, или появление ор ганоидов специального назначения, необходимых для выполнения клеткой специальных функций. Основные проявления жизнедеятельности клетки – определённая структурная организация, постоянный обмен веществ и энергии с окружающей средой, раздражимость и возбудимость, движение, способность к самовоспроизведению. Определённая структурная организация – закономерное распределение в пространстве всех макромолекул, глобул, мембран, органелл и включений клетки. Это необходимое условие для нормального её существования и функционирования. Обмен веществв клеткенеобходим как для восстановления изношенных повреждённых структур клетки, так и для образования веществ, которые производятся и выделяются клеткой на экспорт, для нужд организма. Этот процесс называется секрецией. Все описанные выше структурные компоненты цитоплазмы и ядра взаимосвязаны и взаимодействуют между собой в процессе жизнедеятельности клетки. Например, при биосинтезе белка на экспорт (секреторные белки) через цитолемму внутрь клетки поступают необходимые исходные вещества (аминокислоты). В ядре в результате транскрипции образуется иРНК, которая поступает в цитоплазму и несёт информацию о строении будущего белка. Сюда же из ядрышек доставляются субъединицы рибосом, а транспортные РНК приносят аминокислоты. На рибосомах гранулярной цитоплазматической сети происходит биосинтез белка и образующиеся его молекулы поступают внутрь цистерн и каналов этой сети, где образуется его вторичная и третичная структура. Затем белки транспортируются в комплекс Голь джи. Там происходит дозревание (связывание белков с углеводами и липидами), накопление и упаковка секрета в мембраны, образование крупных вакуолей и гранул секрета. Последние накапливаются в апикальной части клетки, а затем секрет выделяется из них через цито лемму путём экзоцитоза. Энергию, необходимую для синтетических процессов, поставляют митохондрии. Микротрубочки и микрофиламенты цитоскелета обеспечивают перемещение в цитоплазме органелл и транс порт веществ. Изнашиваемые в ходе этих процессов органеллы разрушаются лизосомами, а вместо них образуются новые. Таким образом, большинство структурных компонентов клетки принимают участие и взаимодействуют между собой в процессе биосинтеза белка. При этом клетка функционирует как единое целое. В синтезе небелковых веществ (углеводы, липиды) также участвуют ДНК ядра, информационная РНК, свободные рибосомы, на которых образуются ферменты биосинтеза небелковых веществ. Эти ферменты поступают в гладкую эндоплазматическую сеть, где участвуют в синтезе углеводов и липидов, а затем направляются в комплекс Гольджи, где упаковываются в секреторные гранулы и далее выводятся наружу путём экзоцитоза. Внутриклеточная регенерация – восстановление, замена повреждённых структурных компонентов клетки. В процессе жизнедеятельности клетки происходит постоянное изнашивание и обновление её структурных компонентов: в течение нескольких часов или дней постепенно, полностью обновляются все молекулы биополимеров, из которых построены мембраны и немембранные компоненты клетки. Постепенно все структурные компоненты клетки замещаются на новые. Это особенно важно для клеток, которые не способны размножаться и регенерировать на клеточном уровне (нервные клетки, клетки сердца), их структурные компоненты на протяжении долгой жизни клетки могут обновляться многократно. Даже в относительно стабильных молекулах ДНК происходит постоянная замена (репарация) повреждённых фрагментов. Адаптация клеток – процесс приспособления клеток к изменяющимся условиям существования. Например, мышечные клетки приспосабливаются к повышенной физической нагрузке, нервные клетки – к повышенной умственной на грузке, клетки печени и почек – к воздействию токсических веществ, клетки кожи – к повышенному ультрафиолетовому облучению. При этом в клетках усиливаются процессы биосинтеза белка, увеличиваются размеры ядра, ядрышек, площадь поверхности ядерной оболочки, интенсивность транс портных и всех необходимых обменных процессов. Увеличиваются также количество и размеры органелл, необходимых для усиленной работы клетки. Все это приводит к увеличению размеров самой клетки (гипертрофия). Адаптация клеток имеет важнейшее значение для сохранения их жизнедеятельности в изменённых условиях существования, в том числе и при различных заболеваниях организма. Действие радиации Под действием ионизирующего облучения в клетке происходит ионизация воды, что приводит к образованию активных радикалов, которые вызывают повреждения белков и других биополимеров, повреждение мембран, органоидов, ядра и гибель клетки. При этом митохондрии набухают, просветляются, в них разрушаются кристы. Каналы эндо плазматической сети расширяются и фрагментируются, численность рибосом снижается, что приводит к угнетению синтетических процессов в клетке. При этом количество лизосом в клетке, напротив, увеличивается и автофагия повреждённых структур клетки возрастает. Наиболее чувствительными к радиации являются интенсивно делящиеся клетки (в красном костном мозге, эпителии кишечника, сперматогенные клетки семенников). В них наблюдаются аномальные фигуры митоза, изменения формы хромосом, их разрывы, повреждения веретена деления. При этом нарушения в генетическом аппарате клетки могут приводить к развитию опухолей. Старение клеток Старение клеток связано с изнашиванием структур клеток в результате длительной, интенсивной работы, снижением интенсивности репликации ДНК, накоплению её повреждений и генетических ошибок, приводящим к угнетению и нарушению биосинтеза белка. При этом популяция постмитотических клеток может постепенно уменьшаться (нервные клетки, кардиомиоциты), или частично (условно постмитотические: клетки печени, по чек, желез) или полностью (митотические: покровные эпителии) обновляться. При этом процесс обновления клеточной популяции может идти очень быстро: полное обновление эпидермиса кожи происходит за 3-4 недели, а эпителия кишечника – за 3-5 дней. Длительность существования этих обновляющихся популяций равна продолжительности жизни организма. При старении изменяется объём клетки, нарушаются межклеточные контакты, уменьшается текучесть её мембран и интенсивность транспортных и обменных процессов. В результате повреждения рецепторов цитолеммы уменьшается возбудимость и реактивность клетки, дезорганизуется цито скелет. Ядро клетки становится неровным, расширяется перинуклеарное пространство, увеличивается доля гетерохроматина. Митохондрии просветляются, в них уменьшается количество крист, наблюдается расширение цистерн эндоплазматической сети, уменьшение числа рибосом, происходит редукция комплекса Гольджи. Увеличивается число всех видов лизосом, включая остаточные тельца, в которых накапливаются трудно перевариваемые вещества (например, пигмент старения липофусцин), уменьшается стабильность лизосомальных мембран, возрастает аутофагия. В результате клетка постепенно разрушается и её остатки фагоцитируются макрофагами. Смерть клетки Различают две формы гибели клеток – некроз и апоптоз. Некроз вызывается главным образом различными внешними факторами (химическими или физическими), которые нарушают проницаемость мембран и клеточную энергетику. В результате нарушается ионный состав клетки, происходит набухание мембранных органоидов, прекращается синтез АТФ, нуклеиновых кислот, белков, происходит де градация ДНК, активация лизосомных ферментов, что в итоге приводит к растворению, "самоперевариванию" клетки – лизису. Эта форма смерти преобладает при старении клетки. Апоптоз начинается с активации в ядре генов, ответственных за самоуничтожение клетки (генов программированной гибели клетки). Программа такого самоуничтожения может включаться при воздействии на клетку сигнальных молекул или, наоборот, прекращении действия регулирующего сигнала. Процесс апоптоза значительно отличается от некроза. В начале апоптоза синтез РНК и белка не снижается, в цитоплазме клетки возрастает содержание ионов кальция, активируются эндонуклеазы, под действием которых происходит расщепление ДНК на нуклеосомные фрагменты. При этом хроматин конденсируется, образуя грубые скопления по периферии ядра. Затем ядра начинают фрагментироваться, распадаться на «микроядра», каждое из которых покрыто ядерной оболочкой. При этом цитоплазма также начинает фрагментироваться и от клетки отшнуровываются крупные фрагменты, часто содержащие «микроядра» – апоптические тельца, которые потом поглощаются фагоцитами или некротизируются и постепенно исчезают. Апоптоз широко распространён в эмбриогенезе, в процессе которого в организме образуется гораздо больше клеток, чем нужно для взрослого организма. Примером запрограммированной смерти клеток во взрослом организме является атрофия молочной железы после окончания лактации, гибель клеток жёлтого тела в конце менструального цикла. Апоптоз, наряду с митозом, является регулятором тканевого гомеостаза. |