СТАРЕНИЕ И ГИБЕЛЬ КЛЕТОК

ЛЕКЦИЯ

КЛЕТКА. ЯДРО. КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ.

ДЕЛЕНИЕ. ДИФФЕРЕНЦИРОВКА.

СТАРЕНИЕ И ГИБЕЛЬ КЛЕТОК.

Ядро — жизненно важная часть клетки. В нем хранится, реализуется и воспроизводится генетическая информация. С ядром сопряжен синтез нуклеиновых кислот и белков, формирование рибосом и передача наследственной информации при воспроизведении клеток. Последний процесс обеспечивает развитие и рост организма, регенерацию тканей и органов, а также лежит в основе опухолевого роста. С нарушением морфологического и химического состава ядра связаны развитие аномалий количества и структуры хромосом, дефек­ты генов, гибель клеток, что обусловливает развитие врожденных и на­следственных заболеваний.

Некоторые клетки зрелого организма являются низкодифференци-рованными, они способны к пролиферации (делению). Эти клетки на­ходятся в клеточном цикле, нарушение регуляции которого вызывает развитие таких патологических процессов, как опухолевая трансфор­мация, гипо- и атрофия органов.

Хроматин представляет собой комплекс ядерной ДНК с гистоновыми и негистоновыми белками. Исходя из нуклеосомной модели структурной организации, молекула ДНК спирально закручивается вокруг 8 молекул гистоновых белков, образуя глобулы диаметром 10 нм. Эти структуры называются нуклеосомы; они связаны между собой короткими участками свободной ДНК. При дальнейшей упаковке нуклеосомные нити конденсируются в структурные комплексы второго уровня— хроматиновые фибриллы диаметром 25—30 нм и более. Далее они образуют петли (петлевые домены) диаметром 300 нм. Во время митоза в результа­те плотной упаковки хроматин полностью конденсируется, формируя хромосомы. Максимальная конденсация нуклеосом затрудняет доступность ДНК для ферментов, обеспечива­ющих ее транскрипцию и репликацию. В связи с этим конденсированный хроматин интерфазного ядра, который в световом микроскопе выглядит как базофильные глыбки, является неактивным (гетерохроматин). Ме­нее конденсированная часть хроматина, кото­рая соответствует более светлым участкам ядра, является активной (эухроматин).

При световой микроскопии ядрышко - это наиболее плотная структура ядра, округлой формы, диаметром 1—5 мкм, хорошо окрашивается основными красителями. Размер и количество ядрышек увеличиваются при повышении функ­циональной активности клетки. При электронной микроскопии в яд­рышке различают три компонента: аморфный, фибриллярный (волок­нистый) и гранулярный (зернистый). Снаружи ядрышко окружено перинуклеолярным хроматином. Аморфный компонент — наиболее светлая область ядрышка; содержит специализированные участки ДНК, которые называются ядрышковыми организаторами. У человека такие области имеются в пяти хромосомах: 13-й, 14-й, 15-й, 21-й и 22-й. Здесь закодирована информация о строении рибосомальной РНК (рРНК). Фибриллярный компонент состоит из тонких нитей и располо­жен во внутренней части ядрышка. По химическому составу — это со­вокупность первичных транскриптов рРНК. Гранулярная часть распо­ложена по периферии и образована плотными гранулами диаметром 10—20 нм, которые по химическому составу являются комплексами рРНК с белками (рибонуклеопротеиды), и предшественницами субъединиц рибосом. Ядрышко – место синтеза рибосомальной РНК и формирования субъединиц рибосом. Гранулярный и фибриллярный компоненты вместе образуют так называемую ядрышковую (нуклеолонему) толщиной 60-80 нм, формирующую в пределах ядрышка широкопетельную сеть, которая выглядит более плотной на фоне более светлого матрикса. Транскрипция рРНК происходит в хромосомах 13, 14, 15, 21 и 22. Петли ДНК этих хромосом, содержащая соответствующие гены, формируют ядрышковый организатор, получившие название в связи с тем, что восстановление ядрышка в фазу G₁ клеточного цикла начинается с этой структуры.

В состав ядерной оболочки входят наружная и внутренняя ядерные мембраны, перинуклеарные цистерны, ядерная пластинка, ядерные поры.

Ядерная оболочка состоит из наружной и внутренней ядерных мембран, между которыми находится перинуклеарное пространство. Наружная мембрана может образовывать инвагинации и выросты, ограничивает ядро, связывает его с мембранами эндоплазматической сети, обеспечивает двусторонний транспорт веществ из ядра в цитоплазму, и наоборот. На поверхности наружной ядерной мембраны расположены рибосомы, где синтезируются белки, поступающие в перинуклеарные цистерны и рассматриваемые как часть гранулярной эндоплазматической сети. Внутренняя мембрана ядерной оболочки обращена к нуклеоплазме от содержимого ядра ядерной пластинки (ламиной), которая контактирует с наружной мембраной только в зоне ядерных пор. Ядерная пластинка образована сетью промежуточных филаментов и является частью кариоскелета. Эта структура участвует в поддержании формы ядра, фиксации и упорядочении хроматина, организации пороговых комплексов, формировании ядерной оболочки после деления клеток.

Усиление функциональной активности клеток сопровождается увеличением площади ядерной оболочки за счет формирования инвагинаций и складок, а также увели­чением количества ядерных пор. Ядерная оболочка активной клетки насчитывает до 3—4 тыс. ядерных пор. Канал поры пропускает небольшие водорастворимые молекулы. Канал, как проб­кой, закрыт комплексом поры, образованным из 8 крупных белковых гранул, расположенных по кругу вблизи от края поры. Они соединяют наружную и внутреннюю ядерные мембраны. В центре — центральная крупная гранула. Часто в центре поры большая центральная гранула это вновь синтезированная субъединица рибосомы приносимой в цитоплазму. Между периферическими и центральной гранулами расположены фибриллы, формирующие диафрагму ядерной поры. Комплекс поры содержит белок-рецептор, который реагирует на сиг­налы ядерного импорта, и обеспечивает перенос в ядро крупных моле­кул. Перенос макромолекул через ядерные поры осуществляют специальные транспортные белки – кариоферины, которые специфически распознают и связывают свои молекулы и курсируют между ядром и цитоплазмой, перенося связанную молекулу в одном направлении: из цитоплазмы в ядро – импортины, из ядра в цитоплазму – экспортины. Сквозь поры из ядра в цитоплазму транспортируются молекулы мРНК, субъединицы рибосом, которые образуются в ядрышке, а из ци­топлазмы к ядру — структурные белки ядра и рибосом, комплексы сте­роидный гормон-рецептор, транскрипционные факторы и т. д.

Нуклеоплазма - это жидкий компонент ядра, который содержит воду, ионы, РНК, гликопротеины, ферменты, метаболиты, ядерные рецепторы. В структуре нуклеоплазмы выделяют волокнистые и гранулярные элементы. Волокнистые элементы форми­руют поддерживающий каркас ядра — кариоскелет, в составе которого ядерная пластинка и фибриллярная сеть ядра, образованная промежу­точными филаментами.

Ядро со всеми его компонентами обеспечивает реализацию генети­ческой информации и синтез белков в клетке. Реализация генетической информации происходит при участии ДНК и различных видов РНК образующихся в ядре, и осуществляется в следующей последователь­ности: транскрипция (синтез первичного транскрипта на матрице ДНК) → процессинг (образование мРНК) → трансляция (считывание информации с мРНК; которая осуществляется в цитоплазме на рибосо­мах) → сборка полипептидной цепочки → посттрансляционная моди­фикация (присоединение к полипептиду различных химических соеди­нений; происходит в комплексе Гольджи).

Все клетки организма человека находят­ся на разных фазах жизненного цикла, который продолжается от образо­вания до смерти клетки. При этом часть клеток в различных тканях оста­ется недифференцированной и является источником роста и регенерации органов. Такие клетки находятся в клеточном цикле, то есть периоде су­ществования индивидуальной клетки от деления до деления. Клеточный цикл состоит из интерфазы и митоза. Интерфаза подразделя­ется на постмитотический (G₁), синтетический (S) и премитотический (С₂) периоды. Стволовые клетки и клетки, подвергающиеся дифференци­рованию, находятся «вне цикла», в G₀^- периоде, хотя при определенных условиях могут снова возвращаться в клеточный цикл. Высокодифференцированные клетки (например, нервные клетки, гранулоциты крови) те­ряют эту способность. Продолжительность клеточного цикла колеблется в широких пределах в зависимости от вида клетки, возраста человека нейрогуморального статуса организма и других факторов.

Постмитотический (G₁ ) период характеризуется ростом клетки, который обеспечивается интенсивным синтезом различных веществ и восстановлением количества органелл в цитоплазме. В этот период в клетке увеличивается количество РНК и белков-ферментов, необходи­мых для синтеза предшественников ДНК. Повышается активность фер­ментов энергообразования. Подавление синтеза белка или мРНК в G₁-периоде предотвращает переход в S-период.

В синтетическом периоде осуществляется репликация ДНК, соот­ветственно удваивается число хромосом, реплицируются центриоли. Без прохождения этапа синтеза ДНК клетка не может перейти к митозу. S-период является критическим в клеточном цикле.

В премитотическом периоде продолжается синтез РНК и белков, в частности, синтез тубулина для микротрубочек веретена деления; центриоли достигают размеров дефинитивных органелл, накапливает­ся АТФ для энергетического обеспечения последующего митоза.

Митоз — непрямое деление клеток, которое обеспечивает эквива­лентное распределение наследственного материала между дочерними клетками и сохранение преемственности хромосом в клеточных поко­лениях. Митоз лежит в основе образования клеток и многоклеточного организма, а также процессов роста, регенерации, неоплазии. Он имеет четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Для профазы характерны конденсация хроматина до формирова­ния хромосом и исчезновение ядрышек. Вследствие репликации ДНК в S-периоде интерфазы, каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединенных центромерой. Хромосомы в профазе визуали­зируются в световом микроскопе. Центриоли расходятся к полюсам клетки, индуцируя сборку микротрубочек митотического веретена. Вокруг центриолей из радиально расположенных микротрубочек образуется лучистый венец — астросфера. В поздней профазе исчезает ядерная оболочка и мембранные органеллы.

Ключевым признаком метафазы является образование метафазной пластинки (материнской звезды), путем расположения хромосом в площади экватора клетки. В зоне центромеры каждой хромосомы по­являются кинетохоры — сложные белковые образования, связанные с одной стороны с центромерой хромосомы, а с другой — с микротру­бочками веретена деления. Каждая хромосома в метафазной пластинке удерживается парой кинетохоров и связанных с ними микротрубочка­ми, направленными к противоположным полюсам клетки. Во время метафазы осуществляется обособление сестринских хроматид, они связаны между собой лишь в зоне центромеры.

Во время анафазы сестринские хроматиды теряют связь между со­бой в области центромеры и расходятся к противоположным полюсам клетки. Это обусловлено тем, что прекращается процесс соборирония и начинается деполимеризация (разбирание) микротрубочек вблизи кинетохоров. Параллельно активизируются белки-транслокаторы, кото­рые способствуют транспорту хроматид к полюсам.

Во время телофазы наблюдается реконструкция дочерних ядер и цитокинез, что приводит к образованию дочерних клеток и разруше­нию митотического аппарата. Хромосомы в этот период деконденсируются, восстанавливается ядерная оболочка. Распределение цитоп­лазмы происходит за счет структур цитоскелета — актиновых микрофиламентов, локализованых циркулярно в зоне экватора. Сокращение такого кольца приводит к инвагинации плазмолеммы и формированию перетяжки, что завершается делением на две клетки. Нарушение или отсутствие цитотомии приводит к появлению многоядерных клеток.

Скорость деления клеток в разных тканях отличается и зависит не только от длительности каждого периода, но и от прохождения крити­ческих точек цикла — точек рестрикции. Первой критической точкой R₁ является переход из G₁-периода в S-период. Точкой R₂ — переход S-периода в С₂-период, и R₃ — между G₂- nepиодом и митозом. Прохождение точек рестрикции зависит от доступнос­ти субстратов и необходимых регуляторов — гормонов, медиаторов, факторов роста, действующих на клетку через рецепторы плазмолем­мы или ядра. Кроме того, клеточный цикл жестко контролируется спе­цифическими регуляторами — комплексами циклинов и циклинзависимых киназ. Прохождение каждой точки рестрикции регулируется определенным циклином, который связывается со специфической киназой. Сформированный активный комплекс обеспечивает фосфорилирование определенных белков и инициацию следующего периода клеточного цикла.

Ключевым условием прохождения клеткой клеточного цикла явля­ется соблюдение «закона интактности генома». Нарушение интактности генома в результате мутаций в любом периоде ведет к остановке клеточного цикла и сопровождается экспрессией р53. Это ключевой проапоптоген, способный останавливать репликацию ДНК, включать ее репарацию или инициировать апоптоз клетки, в зависимости от сте­пени повреждения генома. р53 повышает также экспрессию р21, р15, и р16, блокирующих экспрессию циклинов и циклинзависимых киназ, способствуя остановке клеточного цикла.

Разновидностью митоза является эндомитоз, при котором после репликации хромосом не происходят разрушение ядерной оболочки и образование веретена деления. Вследствие этого клетка становится по­липлоидной — с увеличенным числом хромосомных наборов. Поли­плоидия — состояние клетки после нескольких эндомитозов. Полиплоидизация, в отличие от митоза, осуществляется без снижения спе­цифической функциональной активности клетки и характерна для вы­сокоспециализированных тканей и органов (печень, сердце и т. д.).

Амитоз — прямое деление клетки (ядра), при котором происходит деление (фрагментация) ядра без формирования хромосом и веретена деления.

Образование половых клеток происходит за счет мейотического деления (мейоза). Он состоит из двух делений, причем только перед первым делением возникает удвоение хромосом в S-период интерфазы. Отсутствие редупликации хромосом перед вто­рым делением созревания ведет к возникновению дочерних клеток с гаплоидным набором хромосом. Мейоз обеспечивает сохранение био­логического вида и возникновение после оплодотворения уникального по наследственным признакам организма.

Первое деление мейоза называется редукционным. Профаза I про­ходит в несколько стадий:

1) лептотена — хроматин конденсируется, образующиеся хромосо­мы состоят из двух хроматид, соединенных центромерой;

2) зиготена — гомологичные парные хромосомы сближаются, об­разуются биваленты, обеспечивающие конъюгацию хромосом. Кон­такт позволяет хромосомам обмениваться генетическим материалом (кроссинговер);

3) пахитена — хромосомы в результате продолжающейся спирали-зации утолщаются, образуется 23 синаптонемных комплекса, продол­жается кроссинговер;

4) диплотена — конъюгирующие хромосомы начинают расходить­ся, в зоне хиазм связи сохраняются. В составе бивалента различают че­тыре хроматиды. Такой бивалент называют тетрадой, в хроматидах по­являются зоны деспирализации, где синтезируется РНК;

5) диакинез — хромосомы продолжают укорачиваться, хромосом­ные пары полностью расходятся, ядерная оболочка разрушается и ис­чезает, появляется митотическое веретено.

Метафаза I характеризуется тем, что тетрады образуют метафазную пластинку.

В анафазу I хромосомы (а не хроматиды как при митозе) отходят к полюсам, причем отцовские и материнские хромосомы случайным об­разом транспортируются к полюсам.

Телофаза I не отличается от телофазы митоза.

Второе деление клетки — эквационное — похоже на митоз, но не включает редупликацию хромосом и происходит значительно быстрее.

После дифференцирования и активного функционирования клетки подвергаются процессу старения. Завершением жизненного цикла клетки яв­ляется гибель клетки — апоптоз.

В органах и тканях существует динамичес­кое равновесие между образованием клеток путем пролиферации и их гибелью. Существует два механизма клеточной ги­бели: некроз и апоптоз. Некроз развивается при действии повреждаю­щих факторов, тогда как апоптоз является физиологическим (запрог­раммированным) путем гибели клеток. Апоптоз возможен во время эм­бриогенеза, возрастной инволюции зрелых тканей и органов, иммун­ных реакций, при удалении старых клеток в зрелых тканях, а также он может быть реакцией на повреждение клеток и при опухолевой транс­формации. Апоптоз сопровождается активацией специальных генов — апоптогенов (bcl-2, fas, p53) и определенных сигнальных систем клетки (энзим, конвертирующий интерлейкин 1, эндонуклеазы, каспазы), а кроме того, является энергозависимым процессом. Морфологически он проявляется утратой специализированных структур на поверхности клетки, уплотнением ядра, что сопровождается разрывом цепи ДНК и конденсацией цитоплазмы. В дальнейшем происходит фрагментация ядра (без разрушения ядерной оболочки) и цитоплазмы с образованием апоптозных тел, которые в последующем фагоци­тируются макрофагами.

Поиск по сайту: