Деление клеток. Репликация, митоз, мейоз. Реакции клетки
Зрелая клетка может функционировать различное время. Некоторые клетки сохраняются в течение всей жизни особи (например, нейроны). Большинство клеток гибнет и по мере убыли замещается новыми. Скорость замещения у разных клеток неодинакова. Конечно, клетка может погибнуть в результате многих внешних случайных причин, например, травмы, химического или радиационного поражения. В таком случае разрушение клетки происходит хаотично, а продукты ее распада сами оказывают раздражающее действие на окружение. Развивается воспалительная реакция. Подобная случайная гибель клеток называется некрозом и служит предметом изучения патологи ческой анатомии.
Большинство клеток, однако, погибает тогда, когда проявляются особые естественные генетические механизмы. Генетически запрограммированную клеточную гибель называют апоптозом. Механизм возникновения апоптоза весьма сложен. В жизненном пути клеток многих видов наступает момент, когда их функциональные возможности исчерпываются. Гены, обеспечивающие размножение клетки, блокируются. Напротив, гены, обеспечивающие синтез литических ферментов, стимулируются, поступают в ядро и лизируют хроматин. Хромосомы распадаются, синтез в клетке прекращается. Внешние проявления та кой гибели клеток разнообразны и известны давно. Их называли пикнозом (сморщивание ядра), кариорексисом (распад ядра на части). Вслед за гибелью ядра разрушается цитоплазма. Остатки клетки фагоцитируются макрофагами. Материал погибших клеток перерабатывается макрофагами и может выводиться ими на поверхность. В таком случае этот материал может опять использоваться другими клетками. Вокруг клеток, подвергшихся апоптозу, воспалительный процесс не возникает, жизнедеятельность ткани, часть которой составляли погибшие клетки, продолжается без нарушений.
Деление клеток
В большинстве клеточных сообществ популяция клеток способна восстанавливаться. Восстановление ее численности совершается за счет новых клеточных делений. Совокупность процессов, происходящих в клетке при подготовке ее к делению и во время собственного деления, получила название клеточного цикла. В результате материнская клетка делится на две дочерние клетки. В цикле выделяют две фазы: интерфазу (подготовка клетки к делению) и митоз (деление клетки). В интерфазе удваивается масса клетки и всех ее компонентов, совершается подготовка клетки к удвоению ДНК. В это время биосинтетические процессы усилены, происходит образование органелл, совершается главное событие – репликация ДНК (кроме ДНК в области центромеры).
Репликация (от лат. replicatio – повторение) – это процесс самовоспроизведения макромолекул нуклеиновых кислот, в результате которого осуществляются полное копирование генетической информации, хранящейся в родительской ДНК, и передача ее от поколения к поколению. Каждая родительская цепь ДНК является матрицей для синтеза дочерней цепи. В результате каждая из двух дочерних молекул ДНК состоит из одной старой и одной новой цепей. В этот период происходит подготовка клетки к митозу, делятся митохондрии, синтезируются новые белки, необходимые для осуществления митоза. К концу интерфазы хроматин конденсирован, ядрышко хорошо видно, ядерная оболочка не повреждена, органеллы не изменены.
Митоз (от греч. mitos – нить) подразделяется на профазу, метафазу, анафазу, телофазу (рис. 8). В течение профазы основные события происходят в ядре. К началу профазы хроматин конденсируется, в результате чего в ядре образуется плотный клубок, который к концу профазы разрыхляется (рыхлый клубок), становятся видны хромо сомы. Ядрышко постепенно распадается и к концу профазы исчезает. В конце профазы обе пары центриолей начинают расходиться к полюсам клетки. Одновременно образуется биполярное митотическое веретено, состоящее из микротрубочек и ассоциированных с ними белков. В цитоплазме активизируется образование лизосом. Центриоли попарно расходятся к противоположным концам клетки, которые теперь называют полюсами.
В метафазе лизосомные ферменты растворяют ядерную оболочку, цитоплазма клетки смешивается с кариоплазмой. Комплекс Гольджи и эндоплазматическая сеть распадаются на мелкие фрагменты в виде пузырьков. В метафазе хромосомы перемещаются и располагаются в одной плоскости перпендикулярно оси, соединяющей полюса клетки. Образуется фигура, называемая материнской звездой. В результате упорядочения положения хромосом система микротрубочек тоже упорядочивается. Микротрубочки теперь образуют веретено деления (митотическое веретено).
В анафазе происходит быстрая репликация ДНК в области центромеры, разделяется общая центромера хромосомы, в результате чего сестринские хроматиды становятся самостоятельными хромосомами. В это время хромосомы начинают передвигаться с одинаковой скоростью (около 1 мкм в минуту) к полюсам клетки. Сами центриоли удаляются друг от друга в сторону полюсов клетки. Образуются две дочерние звезды. По мере расхождения хромосом веретено деления удлиняется. В конце анафазы цитоплазматическая мембрана на границе будущих дочерних клеток образует борозду.
Телофаза завершает деление клетки. Под цитолеммой активируются элементы цитоскелета – актиновые микрофиламенты. В телофазе разделившиеся группы хромосом подходят к полюсам, разрыхляются, деконденсируются, переходя в хроматин, и начинается транскрипция (воспроизводство) РНК. К концу телофазы (после восстановления ядерной оболочки) ядрышко полностью сформировано.
Из мембранных пузырьков собираются комплекс Гольджи и эндоплазматическая сеть, образуется ядерная оболочка. При этом восстанавливаются ядерные поры и поровые комплексы. В телофазе перетяжка становится все более глубокой, и в результате одна материнская клетка разделяется на две дочерние.
Мейоз. У организмов, размножающихся половым путем, имеется две категории клеток: диплоидные (с двойным набором хромосом) и гаплоидные (с одинарным набором хромосом). К первым относятся соматические клетки, ко вторым – половые клетки. Уменьшение количества хромосом в два раза достигается благодаря мейозу (рис. 9), который включает в себя два последовательных деления. После слияния гаплоидных (мужской и женской половых клеток) образуется новый одноклеточный диплоидный организм (зигота). Новый организм несет не просто сумму признаков своих родителей, он является индивидуумом с присущими ему свойствами.
При митотическом делении зиготы образуются диплоидные клетки, содержащие по два экземпляра каждой хромосомы (двойной набор), которые называются гомологичными. Гомологичные хромосомы, имеющие одинаковую длину и одинаковое расположение центромер, содержат одинаковое количество генов. Эти гены имеют одну и ту же линейную последовательность. Каждая хромосома из пары гомологичных хромосом диплоидного организма происходит либо из ядра сперматозоида, либо из ядра яйцеклетки.
При образовании гамет (половых клеток) в результате мейоза в каждую дочернюю клетку от всех пар гомологичных хромосом попадает лишь одна из них. Это становится возможным потому, что при мейозе происходит лишь одна репликация ДНК, за которой следуют два последовательных деления ядер (мейоз I и II) без повторного синтеза ДНК. В результате из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидные клетки.
Поскольку перед началом мейоза в интерфазе клетка прошла фазы G1, S и G2, в ядре имеется по четыре набора каждой хромосомы. Каждое из двух делений мейоза (деления I и II) имеет свои отличительные черты. Особенность деления I состоит в необычном и сложном прохождении профазы (профаза-I). Она подразделяется на несколько стадий: пролептонему, лептонему, зигонему, пахинему, диплонему и диакинез.
Во время пролептонемы происходит значительная, но не полная спирализация хромосом. Ядерная оболочка сохраняется, ядрышко не распадается. Поэтому во время профазы мейоза возможны синтезы некоторых РНК. За счет этих синтезов в половых клетках (особенно в женской) создаются запасы веществ, которые будут необходимы для оплодотворения и развития зародыша на ранних стадиях.
Во время лептонемы хромосомы еще больше спирализуются, и в ядре становятся видными тонкие нитевидные d-хромосомы (их 46, т. е. два набора). Хромосомы с помощью белковых скоплений – прикрепительных дисков – закреплены обоими своими концами на внутренней мембране ядерной оболочки (ядерная оболочка сохраняется, ядрышко хорошо видно).
Во время зигонемы гомологичные хромосомы выстраиваются рядом, укорачиваются и сцепляются между собой (конъюгация) посредством синаптонемальных комплексов. Образуются тетраплоидные биваленты. 46 d-хромосом образуют 23 бивалентa. Каждый бивалент состоит из двух d-хромосом, т. е. из четырех хроматид. Каждая диплоидная хромосома из одного бивалента происходит либо от отца, либо от матери. Лишь половые хромосомы X и Y конъюгируют неполностью, так как они неполностью гомологичны. Половые хромосомы располагаются около внутренней ядерной мембраны, эта область называется половым пузырьком.
Пахинема продолжается не менее чем несколько суток. Процессы развертываются постепенно. Хромосомы несколько укорачиваются и утолщаются. Между хроматидами материнского и отцовского происхождения в нескольких местах возникают соединения – хиазмы, или рекомбинантные узелки. Там происходит обмен соответствующих участков гомологичных хромосом – от отцовской к материнской и наоборот. Этот процесс называют кроссинговером, он обеспечивает генетические рекомбинации. В каждом биваленте человека в профазе-I кроссинговер происходит в среднем в двух-трех участках. По окончании кроссинговера хроматиды разъединяются, но остаются связанными в области хиазм. Наступает стадия диплонемы.
В диплонеме синаптонемальные комплексы распадаются, конъюгировавшие хромосомы раздвигаются и гомологичные хромосомы каждого бивалента отодвигаются друг от друга, но связь между ними сохраняется в зонах хиазм. Между диплонемой и диакинезом нет четких границ. В диакинезе продолжается конденсация хромосом, они отделяются от нуклеолеммы, но гомологичные d-хромосомы все еще связаны между собой хиазмами, а сестринские хроматиды каждой d-хромосомы – центромерами. Благодаря наличию нескольких хиазм биваленты образуют петли. В это время разрушаются ядерная оболочка и ядрышки. Реплицированные центриоли направляются к полюсам, образуется веретено деления.
Вследствие сильно затянутой диплонемы профаза мейоза очень длительна. При развитии спермиев она может длиться несколько суток, а при развитии яйцеклеток – в течение многих лет. Половые клетки в профазе мейоза называют гаметоцитами первого порядка (первичными гаметоцитами, гаметоцитами I).
Метафаза-I напоминает аналогичную стадию митоза. Но хромосомные микротрубочки прикрепляются к центромере лишь с одной стороны (со стороны полюса), а центромеры гомологичных d-хромосом расположены по обеим сторонам экватора. Связь между хромосомами с помощью хиазм продолжает сохраняться.
В анафазе-I хиазмы распадаются, гомологичные d-хромосомы отделяются друг от друга и расходятся к полюсам. Центромеры этих хромосом, однако, в отличие от анафазы митоза, не реплицируются, а значит, сестринские хроматиды не расходятся.
В телофазе-I формируются ядерная оболочка и ядрышко, образуется и углубляется борозда деления, происходит кариокинез. Сначала наборы гомологичных d-хромосом находятся у полюсов. Хотя их число уменьшилось вдвое, каждая из них состоит из двух генетически различных хроматид. В результате цитокинеза в каждой дочерней клетке сосредоточивается по 23 d-хромосомы. Образовавшиеся клетки называют гаметоцитами второго порядка (вторичными гаметоцитами, гаметоцитами II).
Интерфаза-II очень короткая. Ее особенность состоит в том, что не редуплицируется ДНК, т. е. отсутствует S-фаза. Деление гаметоцита второго порядка совершается через профазу-II, метафазу-II, анафазу-II и телофазу-II. Профаза-II не длительна, и конъюгации хромосом при этом не наступает. В метафазе-II 23 хромосомы выстраиваются в плоскости экватора. В анафазе-II ДНК в области центромеры реплицируется, как это происходит и в анафазе митоза, хромосомы расходятся к полюсам. В телофазе-II образуются две дочерние клетки.
Поскольку в деление вступали не тетраплоидные клетки, как при обычном митозе, а диплоидные, каждая из новых клеток гаплоидна. Восстановление диплоидности произойдет лишь в результате слияния мужской и женской гамет, т. е. при оплодотворении – образовании нового организма. Итак, в результате двух последовательных делений мейоза-II образуются 4 клетки, каждая из которых несет гаплоидный набор s-хромосом.
РЕАКЦИИ КЛЕТКИ
Все изменения состояния клетки и превращение веществ в ней в конечном счете слагаются из отдельных звеньев биохимических реакций, для осуществления которых необходимы поступление веществ в клетку – эндоцитоз, обмен веществ в клетке – метаболизм и выведение продуктов метаболизма – экзоцитоз.
В клетках постоянно осуществляется обмен веществ, или метаболизм (от греч. metabole – перемена, превращение), который представляет собой совокупность про цессов ассимиляции (реакций биосинтеза сложных биологических молекул из более простых) и диссимиляции (реакций расщепления). В результате диссимиляции осво бождается энергия, заключенная в химических связях структур клетки. Клетки используют энергию, заключенную в химических связях аминокислот, моносахаридов и жирных кислот. Она образуется в результате пищеварения из белков, углеводов и жиров и поступает в клетки.
Эндоцитоз. Существует несколько способов эндоцитоза (от греч. endon – внутри, kytos – клетка). Пассивный и активный трансмембранный транспорт веществ в клетку происходит при участии цитолеммы. Кроме того, существуют более сложные способы эндоцитоза – пиноцитоз (от греч. pino – пью) и фагоцитоз (от греч. phagos – пожирающий). Обычно под пиноцитозом понимают захват клеткой жидких коллоидных частиц, под фагоцитозом – захват корпускул (более плотных и крупных частиц , а также других клеток).
В общем виде поступление в клетку твердых частиц или капель жидкости извне называется гетерофагией (от греч. heteros – иной). Она играет существенную роль в защите организма (сегментоядерные нейтрофильные гранулоциты, макрофагоциты), перестройке костной ткани (остеокласты), образовании тироксина фолликулами щитовидной железы, реабсорбции белка и других макромолекул в проксимальном отделе нефронов почки и других процессах.
Пиноцитоз. Цитолемма вместе с присоеди ненными извне молекулами начинает впячиваться, ее края сближаются и затем смыкаются. В результате от цитолеммы отщепляется пузырек, несущий в себе захваченные мо лекулы. Поверхность пузырьков покрыта белком клатрином, на электронных микрофотографиях она выглядит неровной, поэтому такие пузырьки получили название окаймленных. Они не прилипают к внутриклеточным мембранам, поэтому могут беспрепятственно транспортироваться в клетке именно к тем участкам цитоплазмы, где должно использоваться их содержимое.
У поверхности клетки в цитоплазме имеются более постоянные пузырьки – эндосомы, часть которых сливается с окаймленными пузырьками. Другие эндосомы погружаются в цитоплазму, встречаются с лизосомами, их мембраны сливаются. В возникшей таким образом вторичной лизосоме вещества, поступившие в клетку, подвергаются разнообразным биохимическим превращениям. Часть эндосом направляется от одной поверхности клетки к другой (так происходит, если клетки образуют эпителиальный пласт). В результате вещества переносятся через клетку из одной среды в другую без изменений. Этот процесс называют трансцитозом. Путем трансцитоза могут переноситься белковые молекулы, в частности имму ноглобулины.
Фагоцитоз. Если крупная частица попадает на поверхность клетки (фагоцита), то вокруг частицы вытягиваются выросты клеточной цитоплазмы. Глубокие листки выростов образуют мембрану вокруг поглощенной частицы – формируется фагосома. Фагосома сливается с лизосомами, в результате чего возникает их комп лекс – гетеролизосома (гетеросома), в которой происходит лизис захваченной частицы. Часть продуктов лизиса выводится из гетеросомы и утилизируется клеткой, часть остатков, не поддаю щихся действию лизосомных ферментов, образуют остаточные тельца.
Экзоцитоз. Выведение веществ из клетки осуществляется благодаря пассивному транспорту вследствие разности концентраций веществ внутри и вне цитолеммы и активному транспорту. Таким путем выводятся из клетки ионы и мелкие молекулы. Крупномолекулярные соединения выводятся из клетки с помощью транспортных пузырьков. Сначала крупномолекулярные соединения образуются в комплексе Гольджи в виде транспортных пузырьков, которые с участием микротрубочек направляются к поверхности клетки. Мембрана пузырька встраивается в цитолемму, и содержимое пузырька оказывается за пределами клетки. Так выводится из клетки большинство продуктов ее собственного метаболизма.