Жизненный цикл клетки.

Клеточная теория гласит, что клетки появляются от клеток путем деления исходной. Это положение исключает образование клеток из неклеточного вещества. Делению клеток предшествует редупликация их хромосомного аппарата, синтез ДНК как в эукариотических, так и в прокариотических организмах.

Время существования клетки от деления до деления называется клеточным или жизненным циклом. Величина его значительно варьирует: для бактерий это 20-30 минут, для туфельки 1-2 раза в сутки, для амебы около 1,5 суток. Клетки многоклеточных обладают также разной способностью к делению. В раннем эмбриогенезе они делятся часто, а во взрослом организме большей частью утрачивают эту способность, так как становятся специализированными. Но даже в организме, достигшем полного развития, многие клетки должны делиться, чтобы замещать изношенные клетки, которые постоянно слущиваются и, наконец, нужны новые клетки для заживления ран.

Следовательно, у некоторых популяций клеток деления должны происходить в течение всей жизни. Учитывая это, все клетки можно разделить на три категории:

1. К моменту рождения ребенка нервные клетки достигают высокоспециализированного состояния, утрачивая способность к размножению, В процессе онтогенеза количество их непрерывно уменьшается. Это обстоятельство имеет и одну хорошую сторону; если бы нервные клетки делились, то высшие нервные функции (память, мышление) нарушились бы.

2. Другая категория клеток тоже высокоспециализированная, но в силу их постоянного слущивания замещаются новыми и эту функцию выполняют клетки этой же линии, но еще не специализированные и не утратившие способность делиться. Эти клетки называют обновляющимися. Примером являются постоянно обновляющиеся клетки кишечного эпителия, кроветворные клетки. Даже клетки костной ткани способны образовываться из неспециализированных (это можно наблюдать при репаративной регенерации костных переломов). Популяции неспециализированных клеток, сохраняющие способность к делению называются, как правило, стволовыми.

3. Третья категория клеток - исключение, когда высокоспециализированные клетки при определенных условиях могут вступить в митотический цикл. Речь идет о клетках, отличающихся большой продолжительностью жизни и где после полного завершения роста деление клеток происходит редко. Примером являются гепатоциты. Но если у экспериментального животного удалить 2/3 печени, то менее чем за две недели она восстанавливается до прежних размеров. Такими же являются и клетки желез, вырабатывающих гормоны: в нормальных условиях лишь немногие из них способны воспроизводиться, а при измененных условиях большинство из них могут начать делиться.

Клеточный цикл означает многократное повторение последовательных событий, занимающих определённый отрезок времени. Обычно циклические процессы графически изображают в виде окружностей.

Клеточный цикл делится на две части: митоз и промежуток между окончанием одного митоза и началом следующего - интерфаза. Метод авторадиографии позволил установить, что и интерфазе клетка не только выполняет свои специализированные функции, но и синтезирует ДНК. Этот период интерфазы назвали синтетическим (S). Он начинается спустя примерно 8 часов после митоза и завершается через 7-8 часов. Промежуток между S-периодом и митозом назвали пресинтетическим (G1 - 4 часа) после синтетического, перед собственно митозом - постсинтетическнм (G2). происходящим примерно в течение часа.

Таким образом, в клеточном цикле стали различают четыре стадии; митоз, G1-период, S -период, G2- период.

Установление факта удвоения в интерфазе ДНК, означает, что во время ее клетка не может выполнять специализированные функции, она занята построением клеточных структур, синтезом строительных материалов, обеспечивающих рост дочерних клеток, накоплением энергии, затраченной во время собственно митоза, синтезированием специфических ферментов для репликации ДНК. Поэтому интерфазные клетки для выполнения своих предначертанных генетической программой функций (стать высокоспециализированными) должны на время или навсегда выйти из цикла в период G0, или остаться в продленном G1 (существенных различий в состоянии клеток периодов G0 и G1 не отмечено, так как из G0 можно вернуть клетки в цикл). Следует отметить особо, что у многоклеточных зрелых организмов заведомо большая часть клеток находится в G0-периоде.

Как уже говорилось, увеличение числа клеток идет только за счет деления исходной клетки, чему предшествует фаза точного воспроизведения генетического материала, молекул ДНК, хромосом.

Митотическое деление включает в себя новые состояния клеток: интерфазные, деконденсированные и уже редуплицированные хромосомы переходят в компактную форму митотических хромосом, образуется ахроматиновый митотический аппарат, участвующий в переносе хромосом, хромосомы расходятся к противоположным полюсам и происходит цитокинез. Процесс непрямого деления принято подразделять на следующие основные фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Деление условное, так как митоз представляет непрерывный процесс и смена фаз происходит постепенно. Единственная фаза, имеющая реальное начало - анафаза, в которой

начинается расхождение хромосом. Длительность отдельных фаз различна (в среднем профаза и телофаза - 30-40', анафаза и метафаза - 7-15'). К началу митоза клетка человека содержит 46 хромосом, каждая из которых состоит из 2-х идентичных половинок - хроматид (хроматиду еще называют S-хромосомой, а хромосому, состоящую из 2-х хроматид - d-хромосомой).

Одно из самых замечательных явлений, наблюдаемых в митозе, это образование веретена деления. Оно обеспечивает выстраивание d-хромосом в одной плоскости, в середине клетки и передвижение S-хромосом к полюсам. Веретено деления образуется центриолями клеточного центра. Микротрубочки образуются в цитоплазме из белка тубулина.

В G1-периоде каждая клетка содержит по две центриоли, ко времени перехода в G2 - период возле каждой центриоли образуется дочерняя центриоль и всего их формируется две пары.

В профазе одна пара центриолей начинает перемещаться к одному полюсу, другая к другому.

Между парами центриолей навстречу друг другу начинает формироваться набор межполюсных и хромосомных микротрубочек.

Ядерная оболочка в конце профазы распадается, ядрышко прекращает свое существование, хромосомы (d) спирализуются, веретено деления перемещается в середину клетки и d-хромосомы оказываются в промежутках между микротрубочками веретена.

D-хромосомы в течение профазы проходят путь конденсации от нитевидных структур до палочковидных. Укорочение и утолщение (d-хромосом продолжается и некоторое время в метафазе, в результате чего метофазные d-хромосомы обладают достаточной плотностью. В хромосомах четко видна центромера, разделяющая их на равные или неравные плечи, состоящие из 2-х примыкающие друг к другу S-хромосом (хроматид). В начале анафазы S-хромосомы (хроматиды) начинают перемещаться от экваториальной плоскости к полюсам. Начинается анафаза с расщепления центромерной области каждой из хромосом, в результате чего две S-хромосомы каждой d-хромосомы полностью отделяются одна от другой. Благодаря этому каждая дочерняя клетка получает по идентичному набору из 46-ти S-хромосом. После разделения центромер одна половина из 92-х S-хромосом начинает двигаться к одному полюсу, другая половина к другому.

До сегодняшнего дня точно не установлено, под действием каких сил осуществляется передвижение хромосом к полюсам. Есть несколько версий:

1. В веретене деления есть актиносодержащиеся нити (а также другие мышечные белки), возможно, что сила эта генерируется так же как в мышечных клетках.

2. Движение хромосом обусловлено скольжением хромосомных микротрубочек по непрерывным (межполюсным) микротрубочкам с противоположной полярностью (Мак-Итош, 1969, Марголис, 1978).

3. Скорость передвижения хромосом регулируют кинетохорные микротрубочки, чтобы обеспечить упорядоченное расхождение хроматид. Скорее всего, все перечисленные механизмы осуществления математически точного распределения наследственного вещества по дочерним клеткам кооперируются.

К концу анафазы и к началу телофазы в середине вытянувшейся клетки начинается образование перетяжки, она образует так называемую борозду дробления, которая углубляясь, делит клетку на две дочерние. В образовании борозды принимают участие актиновые нити. Но мере углубления борозды клетки связаны между собой пучком микротрубочек, называемым срединным тельцем, остаток его некоторое время присутствует и в интерфазе. Параллельно цитокинезу, у каждого полюса происходит деспирализация хромосом в обратном порядке от хромосомного до нуклеосомного уровня. Наконец, наследственное вещество принимает вид глыбок хроматина, либо плотно упакованных, либо деконденсированных. Вновь формируется ядрышко, ядерная оболочка, окружающая хроматин и кариоплазма. Таким образом, в результате митотического деления клеток, вновь образованные дочерние между собой идентичные и являются копией материнской клетки, что важно для последующего роста, развития и дифференцировки клеток, тканей.