Жизненный цикл клетки

Жизненный цикл клетки, или клеточный цикл, — это период существования клетки от момента образования путем деления материнской клетки до ее собственного деления или смерти. Клеточный цикл соматической клетки состоит из двух периодов — митотического деления и интерфазы (рис. 1.10). Митоз — обязательный компонент клеточного цикла боль;

Рис. 1.10. Схема клеточного цикла (длительностью 24 ч)

шинства соматических клеток, во время которого клетки делятся. Во время интерфазы (от лат. inter — между и греч. phasis — появление) происходят рост клетки, удвоение ДНК, синтез белков и осуществляется подготовка к делению клетки (это также период выполнения клеткой специфических функций).

Интерфаза состоит из нескольких периодов. После деления клетки наступает Gj-фаза (от англ, gap — промежуток), или фаза начального роста, во время которой синтезируются мРНК, белки, другие клеточные компоненты. Во время S-фазы (синтетической фазы) происходят репликация ДНК в ядре клетки и удвоение центриолей. В 0₂-фазе клетка готовится к митозу. У дифференцировавшихся клеток, которые более не делятся, в клеточном цикле может отсутствовать Gj-фаза. Такие клетки находятся в фазе покоя — G₀.

Период клеточного деления (фаза М) включает две стадии: кариокинез (деление клеточного ядра) и цитокинез (деление цитоплазмы).

Длительность клеточного цикла у разных клеток различна и определяется продолжительностью каждого из его периодов. У взрослого человека быстро размножаются кроветворные клетки, а также базальные клетки некоторых эпителиев (кожи, кишечника). Их клеточный цикл может длиться 12— 36 ч. Короткие клеточные циклы (около 30 мин) наблюдаются при дроблении зародыша. У большинства активно делящихся клеток длительность периода между митозами составляет примерно 10—24 ч. Так, время деления у многих клеток составляет 1—1,5 ч; удвоение ДНК занимает 6—10 ч, а непосредственная подготовка к делению — 2—5 ч.

Биологическое значение митотического цикла состоит в том, что он обеспечивает образование клеток, равноценных по объему и содержанию наследственной информации. Главные события цикла — удвоение хромосом материнской клетки в интерфазе и их равномерное распределение между дочерними клетками в результате собственно митоза. В S-фазе интерфазы на каждой молекуле Д11К синтезируется вторая, дочерняя молекула ДНК. Каждая из молекул образует хроматиду. Таким образом, каждая хромосома перед началом митоза состоит из двух хроматид, которые соединены друг с другом в одной точке — центромере.

Деление соматических клеток — митоз, включает четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 1.11).

В профазе (от греч. pro — перед, раньше) хромосомы приобретают вид спирально закрученных нитей. Ядрышко разрушается, распадается ядерная оболочка. Центриоли клеточного центра расходятся к полюсам клетки, между ними микротрубочки образуют веретено деления.

В метафазе (от греч. meta — между, после) заканчивается образование веретена, хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки (метафазная пластинка). Каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных в области центромеры.

В анафазе (от греч. ала — противо-) связь между хроматидами нарушается, по одной хроматиде из каждой хромосомы перемещаются к полюсам клетки. По завершении движения на полюсах собираются два полных равноценных набора хромосом.

В телофазе (от греч. telos — конец) восстанавливаются структуры ядер дочерних клеток, хромосомы десгшрализуются, образуются ядрышки.

Рис. 1.11. Способы деления клетки. Стадии митоза

Веретено деления разрушается. Цитоплазма материнской клетки делится между двумя дочерними клетками.

Нарушение той или иной фазы митоза приводит к патологическому изменению клеток. Отклонение от нормального течения процесса спирализации хромосом может привести к их набуханию, слипанию и отрыву отдельных участков. При отставании движения к полюсам отдельных хроматид могут возникать ядра с несбалансированными хромосомными наборами. Повреждение веретена деления остановит митоз в анафазе. Изменение количества центриолей приводит к образованию многополюсных митозов, а нарушение разделения цитоплазмы в телофазе — к появлению двухи многоядерных клеток.

После завершения митоза клетка восстанавливает черты своей организации, характерные для нее в интерфазе: завершается формирование ядрышка, начинается интенсивный синтез белка, что способствует увеличению массы клетки. Если клетке предстоит снова вступить в митоз, происходят удвоение ДНК, интенсивный синтез РНК, белков, увеличение объема цитоплазмы. Если следующий цикл деления клетки не наступает, в цитоплазме развиваются структуры, необходимые для ее нормального функционирования: эндоплазматическая сеть, лизосомы, реснички и т. д.

Другим способом деления клеток является мейоз (от греч. meiosis — уменьшение), при котором исходное диплоидное число хромосом (2/2) уменьшается в два раза и становится гаплоидным (п) (рис. 1.12). Уменьшение числа хромосом называется редукцией. Мейоз — обязательное звено полового.

Рис. 1.12. Способы деления клетки. Стадии мейоза

процесса и условие формирования половых клеток — гамет. Восстановление диплоидного числа хромосом происходит в результате оплодотворения. Биологическое значение мейоза заключается в поддержании постоянства набора хромосом в ряду поколений. В результате мейоза за счет случайного распределения гомологичных хромосом по дочерним клеткам, а также за счет обмена участками хромосом у потомства создаются новые комбинации материнских и отцовских генов, появляются новые сочетания наследственных задатков при последующем оплодотворении. Ход мейоза находится под контролем половых гормонов и генотипа организма.

Мсйоз состоит из двух последовательных клеточных делений — мейоз I и мейоз II. При первом делении происходит уменьшение числа хромосом в два раза, поэтому первое мейотическое деление называют редукционным. Во втором делении число хромосом не изменяется; такое деление называют эквационным (уравнивающим). Главной особенностью мейоза является конъюгация (от лат. conjugatio — соединение, спаривание, временное слияние) гомологичных хромосом с последующим расхождением их в разные клетки. Гомологичные хромосомы — это хромосомы, сходные между собой в морфологическом и генетическом отношении. У человека гомологичные хромосомы парные: одну хромосому из пары организм получает от матери, а другую — от отца при оплодотворении.

Первая фаза мейоза I (профаза I) — наиболее сложная и длительная (у человека 22,5 суток), она состоит из пяти стадий — лептотены, зиготены, пахитены, диилотены и диакинеза (см. рис. 1.12). В это время происходят спирализация и соединения (конъюгации) гомологичных хромосом и кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами. В конце профазы I гомологичные хромосомы отталкиваются друг от друга, но остаются связанными в 2—3 точках, где видны хиазмы (перекресты хроматид). К концу профазы 1 центриоли расходятся к полюсам, формируются нити веретена деления, ядерная мембрана и ядрышки разрушаются.

Во время следующей фазы мейоза I (метафазы I) гомологичные хромосомы выстраиваются на экваторе клетки. В анафазе I гомологичные хромосомы расходятся к полюсам. В отличие от анафазы митоза, центромеры хромосом не расщепляются и продолжают скреплять две хроматиды в хромосоме, отходящей к полюсу. Разъединения хромосом на хроматиды не происходит. В телофазе I у каждого полюса начинается деспирализация хромосом, появляется ядерная оболочка.

Сущность редукционного деления заключается в уменьшении числа хромосом в два раза. Формируются две гаплоидные клетки, ядра которых содержат в два раза меньше хромосом, чем ядро исходной диплоидной клетки. Каждая дочерняя клетка получает одну гомологичную хромосому из каждой пары гомологов. В состав каждой хромосомы входит две хроматиды.

После короткой интерфазы без репликации ДНК начинается второе деление мейоза (эквационное деление, или мейоз 11), во время которого уменьшения числа хромосом не происходит. Сущность эквационного деления заключается в образовании четырех гаплоидных клеток, их хромосомы состоят из одной хроматиды каждая.

Профаза II, метафаза II, анафаза II и телофаза II проходят быстро. В профазе II хромосомы конденсируются, центриоли расходятся к полюсам клетки, разрушается ядерная оболочка, образуется веретено деления. В метафазе II хромосомы, состоящие из двух хроматид каждая, располагаются на экваторе клетки, образуя так называемую метафазную пластинку. В конце метафазы II расщепляются центромеры, и в анафазе II к полюсам расходятся хроматиды каждой хромосомы. В телофазе II хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.

Таким образом, в результате мейоза из одной диплоидной клетки после двух быстро следующих друг за другом делений образуется четыре клетки с гаплоидным набором хромосом. У человека и других животных мейоз сопряжен е образованием половых клеток — гамет. При развитии яйцеклеток первое и второе деления мейоза резко неравномерны. В результате формируется одна гаплоидная яйцеклетка и три так называемых редукционных тельца.

Различия между сперматогенезом и оогенезом будут рассмотрены в гл. 2.

Рост и развитие организма связаны не только с увеличением числа клеток, но и с их гибелью. Этот процесс происходит как в эмбриональный и плодный периоды, так и после рождения и до самой смерти человека.

Существует несколько путей гибели клеток. Один из них — терминальная, или окончательная, дифференцировка клеток. Ей подвергаются клетки эпидермиса кожи в процессе ороговения. При нарушении кровотока, доступа кислорода и питательных веществ или при сильном повреждении клеток наступает некроз (так погибают клетки при инфаркте миокарда, травмах и т. д.). При этом из-за повышенной проницаемости поврежденных клеточных мембран происходят набухание клетки и выделение лизосомальных ферментов, которые переваривают содержимое клетки. Продукты переваривания высвобождаются в межклеточное пространство, где могут вызвать повреждение соседних клеток и воспалительный процесс.

Другим процессом, приводящим к гибели клеток, является апоптоз, или программируемая клеточная смерть. Апоптоз — активный, генетически регулируемый процесс самоликвидации клетки, в результате которого она фрагментируется на отдельные апоптозные тельца, ограниченные плазматической мембраной (рис. 1.13). Фрагменты погибшей клетки фагоцитируются макрофагами, соседние клетки не повреждаются, воспалительная реакция не развивается. Морфологически регистрируемый процесс апоптоза продолжается 1—3 ч. Основными функциями апоптоза являются уничтожение стареющих, поврежденных, мутантных, инфицированных клеток, разрушение клеток и тканей в процессе морфогенеза, в поддержании клеточного гомеостаза, в том числе иммунной системы.

Апоптоз может происходить в ответ на действие внешних стимулов, которые воспринимаются белками плазматической мембраны клетки. Значение апоптоза заключается в регуляции гистои органогенеза во внутриутробном развитии. Одним из примеров этого является гибель части клеток стопы и кисти во время эмбриогенеза при разделении пальцев. Нарушение этого процесса ведет к синдактилии — пальцы остаются сросшимися или между ними остается перепонка.

Рис. 1.13. Клетки, подвергшиеся генетически запрограммированной гибели (апоптозу)

При формировании иммунной системы погибают клетки, способные разрушать клетки и другие структуры своего организма (аутоиммунная реакция). Уменьшение способности к апоптозу ниже физиологического уровня — путь к аутоиммунным заболеваниям и злокачественной трансформации клеток.