Studentam.net.ua

3. Репродукція клітин. Характеристика мітозу. Тривалість мітозу в різних клітинах. Біологічне значення мітозу

   Обов’язковою умовою існування біологічних систем є їх репродукція — відтворення. Відтворення на клітинному рівні здійснюється шляхом поділу клітин. Завдяки клітинному поділу забезпечується безперервність існування наступних поколінь клітин і цілісних організмів, оскільки індивідуальне життя більшості клітин обмежене порівняно коротким терміном. Репродукція клітин у багатоклітинних організмів різко збільшує їх адаптивні можливості і створює необхідні передумови для прогресивної диференціації і спеціалізації тканинних систем в онто- і філогенезі.
   Поділ клітин завжди починається з поділу ядра, за яким відбувається (але може не бути) поділ клітинного тіла — цитотомія. Більшість клітин потенційно здатні до поділу, деякі клітини можуть ділитися лише за певних умов. Біологічна роль клітинного поділу полягає у збереженні чи відтворенні клітинної популяції. Популяція клітин (від лат. рopulus — населення) — це сукупність клітин певного виду тканин, яка підтримується на визначеному, приблизно постійному кількісному рівні, необхідному для виконування тканиною функцій. У багатьох тканинах, в яких життя клітин обмежується відносно малими часовими межами, клітинні популяції підтримуються шляхом поділу клітин. Існує зворотна залежність між ступенями спеціалізації клітин і здатністю до мітозу. За здатністю до мітозу клітини тваринного організму поділяють на чотири категорії.
   До першої категорії відносять високоспеціалізовані клітини, наприклад нервові. Вони формують популяцію необхідну для виконування функцій протягом усього життя. Популяція один раз сформована завершується в дитини віком 3–4 роки.
   Другу категорію клітин складають поновлювані клітини, наприклад, клітини епітелію слизової оболонки кишечнику (ентероцити). Вони в диференційованому, функціональному стані довго не живуть (5–10 днів) і обновлюються за рахунок камбію, який знаходиться поряд, в криптах. Таку популяцію клітин називають поновлювальною, а клітини, які служать для її поповнення, називають стовбуровими (інша назва — гермінативні, камбіальні, материнські).
   Стовбурові клітини відносять до третьої категорії. Вони зберігають здатність до поділу протягом всього життя організму і замінюють клітини, які гинуть. Серед стовбурових клітин розрізняють плюрипотентні (від лат. pluralis — множинний) камбіальні клітини, здатні спеціалізуватися в різних, до певної міри, напрямках. Наприклад, стовбурові клітини кісткового мозку можуть давати як еритроцити, так і певні види лейкоцитів. Уніпотентні (від лат. unos — один) стовбурові клітини спеціалізуються у визначеному напрямку. Клітини, які служать резервом поповнення популяцій, здійснюють клітинний цикл, проте можуть виходити з нього в постмітотичному періоді (G₁ — періоді) і спеціалізуватися.
   Четвертий тип — це клітини, які звичайно не розмножуються, але за певних умов можуть дедиференціюватися і вступати у мітоз. Прикладом таких клітин є гепатоцити (печінкові клітини). Вони набувають здатності до поділу при репаративній регенерації, після пошкодження частини органа.
   Репродукція клітини. Існують такі види репродукції клітин: мітоз, амітоз, мейоз і ендорепродукція. Біологічна роль мітозу полягає в точному розподілі генетичного матеріалу (ДНК) між дочірніми клітинами. Біологічна роль амітозу — це швидке поповнення клітинних популяцій у процесі репаративної регенерації. Мейоз приводить до редукції (зменшення) числа хромосом до гаплоїдного набору. Ендорепродукція — це відтворення (збільшення) генетичного матеріалу в межах одного ядра.
   Мітоз (від грец. тitos — нитка), або каріокінез (від грец. karion — ядро і kinesis — рух) чи непрямий поділ є основною формою репродукції клітин. Описуючи мітоз, виділяють чотири послідовні його стадії: профаза, метафаза, анафаза, телофаза (рис. 2.36).
   Профаза (від грец. pro — перед, до і phasis — поява) починається з конденсації хромосом. Хромосоми, які мали вигляд хроматину, потовщуються і вкорочуються та стають видними в світловому мікроскопі спочатку в формі щільного клубка, а далі — пухкого. На цей час каріолема розпадається на частини, схожі на елементи ендоплазматичної сітки, а порові комплекси дисоціюють на субодиниці. Каріоплазма змішується з цитоплазмою в міксоплазму (від лат. mixtum — змішання), а хромосоми виявляються в центрі клітини. Оскільки реплікація ДНК відбулася в S-періоді інтерфази, то кожна з наявних 46 хромосом (у людини) вже є подвійною структурою (d-хромосомою), тобто має по дві хроматиди — частини ДНК в білковому упакуванні, які щільно прилягають одна до одної.
   Важливим моментом у поділі тваринних клітин є формування веретена поділу, або мітотичного (ахроматинового) веретена. Процес починається тоді, коли одна пара центріолей (материнська з дочірньою) переміщується до одного полюса, інша — до другого. Між ними формуються безперервні мікротрубочки, які називають міжполюсними. До складу мітотичного веретена входить ще друга група мікротрубочок, які відходять від хромосом, точніше від центромер (кінетохор), що виникають на первинних (центричних) перетяжках. Таким чином веретено поділу складається з полюсних (центріолярних) і кінетохорних (хромосомних) мікротрубочок. Частина мікротрубочок, які відходять від центріолей і розходяться радіально поза веретеном поділу, отримали назву астральних, або мікротрубочок сяйва. Процес формування мітотичного веретена продовжується в наступній фазі. У кінці профази або на початку метафази розпорошується і зникає ядерце внаслідок інактивації рибосомних генів у зоні ядерцевих організаторів. Одночасно в цитоплазмі зменшується кількість елементів гранулярної ендоплазматичної сітки (цистерн і рибосом), що відповідає значній редукції рівня синтезу білка.
   Метафаза (від грец. meta — між і phasis — поява) характерна максимальним рівнем конденсації хромосом. Процес, коли хромосоми починають спрямовуватись до екватора клітини, називають прометафазою, або метакінезом. У середині метафази хромосоми формують екваторіальну (метафазну) пластинку, (вид збоку), або материнську зірку (при виді з полюса). При тому центромерні ділянки хромосом звернені до центру, а їх плечі — до периферії. В результаті упорядкування положення хромосом система мікротубул також упорядковується. Хромосомні або кінетохорні мікротубули веретена поділу йдуть назустріч центріолярним, але не з’ясовано, чи з’єднуються з ними. Хромосоми пересуваються в екваторіальну площину та утримуються в ній завдяки збалансованому натягу кінетохорних мікротубул. У кінці метафази сестринські хроматиди розділяються щілиною, залишаючись з’єднаними лише в ділянці центромери.
   В анафазі (від грец. ana — знов і phasis — поява) відбувається швидка реплікація ДНК у ділянці центромери (в інтерфазі вона залишається нереплікованою), розриваються центромерні з’єднання, d-хромосоми діляться поздовж і хроматин у вигляді дочірніх хромосом (s-хромосом) відходять до полюсів, рухаючись синхронно вздовж мікротубул мітотичного веретена зі швидкістю 0,2–0,5 мкм/хв. Сигналом до початку анафази можливо служить різке підвищення концентрації іонів Са²⁺ в гіалоплазмі, що виділяються міхурцями, які скупчуються біля полюсів. Існують різні гіпотези про механізми переміщення дочірніх хромосом до полюсів клітини. За однією гіпотезою відбувається сковзання дочірніх хромосом по мікротубулах мітотичного веретена. Інші дослідники вважають, що переміщення здійснюється за допомогою ниткоподібних скоротливих білків (актинових і міозинових). У цьому процесі має значення наявність у мітотичному апараті регуляторних білків: кальмодуліну (білок з підвищеною спорідненістю до кальцію), Ca²⁺-аденінтрифосфатази). Передбачають також такий механізм як вкорочення кінетохорних мікротрубочок внаслідок руйнування (демонтування) їх кінців, розміщених ближче до полюсів, так званих мінус–кінців. Згідно з іншою гіпотезою, видовження веретена майже вдвічі внаслідок відтягування безперервних мікротрубочок в обидві сторони сприяє розходженню двох наборів дочірніх хромосом. Мабуть, у механізмі руху під час мітозу має значення поєднання цих факторів, або в різних клітинах можуть виступати різні механізми забезпечення переміщення хромосом до полюсів.
   Анафаза завершується скупченням на полюсах клітини двох ідентичних наборів дочірніх хромосом (s-хромосом), які утворюють фігуру дочірніх зірок. У кінці стадії актинові міофіламенти збираються в середній частині клітини і формують скоротливе кільце, яке під кінець мітозу приведе до цитотомії.
   Телофаза (від грец. telos — кінець) — кінцева стадія мітозу, характерна тим, що в ній реконструюються ядра дочірніх клітин і завершується їх розділення. На початку телофази дочірні хромосоми орієнтовані так же, як і в анафазі, тобто центромерами до центру і полюсів. Кількість хромосом біля кожного полюса така ж, як у материнської клітини. Це s-хромосоми, вони частково деконденсуються, каріолеми кожного з сестринських ядер утворюються з цистерн ендоплазматичної сітки (за іншими даними, з мембранних міхурців). З’являються ядерця (їх формують хромосоми–організатори ядерець, що мають вторинні перетяжки). Ядра збільшуються в об’ємі, хромосоми деконденсуються, перетворюючись у хроматин. У телофазі відбувається розподіл органел між майбутніми дочірніми клітинами. Найбільше залишається до розподілу мітохондрій, бо ендоплазматичні сітка і комплекс Гольджі під час мітозу в значній мірі розпадається на дрібні фрагменти і міхурці. Завершується мітоз цитотомією.
   Цитотомія (від грец. cytos — клітина і tome — розділення, розрізання), або цитокінез (від грец. cytos — клітина і kinesis — рух), як вже відзначалося, це поділ материнської клітини на дві дочірні. Відбувається цей процес по-різному в рослинних і тваринних клітинах. Цитотомія часто починається в телофазі, а інколи й в анафазі. Посередині тваринної клітини утворюється перетяжка, яка кільцем охоплює всю клітину, заглиблюється і ділить клітину на дві дочірні. Ще до появи борозни в місцях її утворення нагромаджуються нитки, які містять актинові фібрили, котрі разом з іншими компонентами цитоплазми забезпечують заглиблення борозни поділу (рис. 2.35). Інколи на місці поділу в одній з дочірніх клітин залишається так зване серединне тільце, утворене кінцями мікротрубочок, які занурені у щільний волокнистий матеріал.
   Цитотомія в рослинних клітинах починається звичайно під час анафази. У серединній ділянці клітини, що ділиться, збираються мікротубули, утворюючи перехідну структуру — фрагмопласт. У ньому появляються дрібні міхурці діаметром близько 100 нм, що нагромаджуються між дочірніми ядрами. Формуються вони комплексами Гольджі, які розташовані поблизу фрагмопласту і містять полісахариди, а можливо й ендоплазматичною сіткою. Міхурці оточені мембранами, з’єднуються між собою, утворюючи тришарову перегородку між клітинами, що діляться. Внутрішній шар ущільнюється, покривається з обох боків плазматичними мембранами. Цей утвір розростається в периферичному напрямку, утворюючи первинну перегородку. Одночасно комплекс Гольджі вбудовує в перегородку целюлозу. Вторинні стінки виникають двома шляхами: (1) інкрустацією лігніном, чи мінералізацією солями CaCO₃ або SiO₂ або (2) адкрустацією, тобто відкладанням зовні стінки таких сполук як полісахариду калози, кутину, суберину, спорополеніну, слизу.
   Тривалість мітозу. Весь процес мітозу в тваринних клітинах займає від 0,5 до 2 годин залежно від типу клітин, у тому числі профаза продовжується 20–60 хв., метафаза — 2–15 хв., анафаза — 2–14 хв., телофаза — 9–35 хв. У холоднокровних тварин і рослин тривалість фаз мітозу дещо більша.
   Типи мітозу. За результатами, до яких приводить поділ клітин, і наступної їх долі, розрізняють три типи мітозу:
   (1) стовбуровий, внаслідок якого утворюється група однорідних клітин (наприклад, ентероцити — епітеліальні клітини слизової кишечнику);
   (2) асиметричний, при якому утворюються дві різні клітини, наприклад, при поділі зиготи жаби, макро- і мікробластомери;
   (3) трансформативний мітоз особливий тим, що обидві дочірні клітини зазнають незворотних змін (в епітелії шкіри).
   Регуляція мітозу. У механізмах пуску мітозу велику роль відіграє синтез ДНК. Крім цього напевно діють інші фактори, такі як порушення поліелектролітної речовини клітин в кінці інтерфази. Є погляд про роль нуклеозидтрифосфату у настанні мітозу. Регуляція мітозу здійснюєтьсяcdc-генами. Загальновизнаними факторами, які впливають на мітотичний поділ клітин є гуморальні фактори, режим харчування, функціональні фактори. Так, адреналін викликає затримку вступу клітини в мітоз, тиреоідин в експерименті збільшує кількість клітин, що діляться, у великих дозах — гальмує мітоз. Кортизон стимулює процеси диференціації, одночасно гальмуючи здатність клітин до поділу. Статеві гормони — естрогени — діють специфічно — стимулюють проліферацію слизової оболонки матки після менструації.
   Дія різних факторів на мітоз. Мітоз дуже чутливий до дії різних як фізіологічних, так і патологічних факторів.
   Вплив опромінення. Рентгенівські, або гама-промені впливають на мітоз, викликаючи в клітинах глибокі порушення. Мітотичні хромосоми змінюють форму, розриваються, окремі ділянки хромосом можуть зникати. Спостерігаються аномалії веретена поділу і розходження дочірніх хромосом. Інколи хромосоми діляться, а поділ ядра не наступає і тоді ядра стають більшими або поділ зовсім не відбувається. Цей ефект пригнічення мітозу при опроміненні використовується для припинення або сповільнення проліферації клітин при злоякісних пухлинах.
   Мутантні ефекти. Опромінення не завжди викликає летальні зміни в хромосомах, проте часто призводить до мутацій, тобто змін у генетичному апараті клітин, які виникають під час реплікації ДНК. Виявлено, що чутливість до впливу іонізуючої радіації проявляється більшою мірою в клітин, які швидше оновлюються, наприклад, у клітинах епітелію кишечнику чи в кровотворній тканині.
   Вплив колхіцину. Алкалоїд колхіцин (виділений з бульбоцибулин пізньоцвіту осіннього — Colchicum autumnale має здатність пригнічувати утворення мікротубул мітотичного веретена, перешкоджаючи їх збиранню з субодиниць білка тубуліну. У результаті дії цього алкалоїда d-хромосоми продовжують вкорочуватися і формувати фігуру мітозу, яку називають колхіциновою метафазою, або К-метафазою. Виходячи з наведеного, зрозуміло, чому колхіцин використовують для отримання препарату метафазного набору хромосом з метою вивчення каріотипу та для клінічної діагностики хромосомних аномалій.