В І Д Т В О Р Е Н Н Я К Л І Т И Н

Здібність клітин до відтворення – найважливіша властивість живої клітини. Завдяки відтворенню забезпечується безперервна наступність клітинних поколінь, збереження клітинної організації в еволюції живого, відбуваються ріст і регенерація. Способом відтворення клітин є поділ. Відомо три типи поділу клітин: мітоз, мейоз і амітоз.

В результаті мітозу кожна дочірня клітина отримує ту ж кількість матеріалу спадковості (ДНК), яке містила материнська клітина. Таким чином, мітоз неможливий без попереднього збільшення удвічі (редуплікація) кількості ДНК в клітині, яка готується до поділу. Подвоєння ДНК і мітоз роз’єднанні в часі. Редуплікація ДНК відбувається в період підготовки до поділу – в інтерфазі.

Інтерфаза і мітоз складають клітинний, або мітотичний цикл, який для клітини, дорівнює терміну її життя, так як в процесі поділу материнська клітина припиняє своє існування, даючи початок двом дочірнім клітинам. Їх життя також закінчується наступним поділом, якщо вони не вступають на шлях диференціювання і виконання специфічних функцій. Тривалість клітинного циклу в різних типах клітин залежить від особливостей тканини, якій належить клітина. Наприклад, клітинний цикл епітелію кишечнику до 19 годин, а епітелію шкіри досягає 586 годин.

Молоді клітини, які утворилися в результаті поділу мають в 2 рази менше ДНК, РНК, білків та інших пластичних та енергетичних матеріалів порівняно з материнською клітиною. Ці клітини потребують певного часу для утворення і накопичення всіх цих речовин. Цей період називають інтермітотичною фазою (проміжком між поділами), або інтерфазою, яка складає велику частину клітинного циклу. Інтерфазу поділяють на три періоди: передсинтетичний, синтетичний і постсинтетичний.

П е р е д с и н т е т и ч н и й (постмітотичний) п е р і о д, або G1 – період, наступає відразу ж після завершення поділу клітини і триває до початку подвоєння ДНК. Це самий тривалий період інтерфази. Він складає від 50 до 90% її часу. В цей період клітина інтенсивно росте, особливо її цитоплазма, в якій відбувається диференціація органел, збільшується кількість цистерн цитоплазматичної сітки, пластинчастого комплексу, мітохондрій, подвоюються центріолі центросоми. В клітині відбуваються активні процеси синтезу РНК, ферментних і пластичних білків, макроергічних сполук та інших речовин.

С и н т е т и ч н и й п е р і о д, або S-період, є ключовим, так якв цей час відбувається подвоєння ДНК. Тривалість синтетичного періоду залежить від швидкості редуплікації ДНК, а це, в свою чергу, залежить від розмірів молекул ДНК, ступені їх конденсації і загальної кількості ДНК в клітині. У ссавців молекули ДНК мають лінійну форму і редуплікуються одночасно в багатьох ділянках, які називаються репліконами. Всі хромосоми однієї клітини (геном) містять десятки тисяч репликонів, що в багато разів прискорює синтез ДНК. Так, редуплікація першої хромосоми людини, довжина ДНК якої досягає 7 см, триває 7-12 годин, а якщо б цей процес відбувався з одного кінця молекули до другої, то тривав би до трьох місяців. Синтез ДНК відбувається асинхронно. Раніше редуплікуються найбільш деконденсовані (деспіралізовані) хромосоми, або їх ділянки, пізніше – найбільш конденсовані хромосоми.

В результаті редуплікації молекул ДНК її кількість в клітині збільшується вдвічі і клітина наприкінці S-періодумістить тетраплоїдну (4с) кількість ДНК при диплоїдній кількості хромосом (2n), так як редупліковані молекули ДНК зберігають зв’язок одна з одною і кожна хромосома містить дві молекули ДНК, які називаються хроматидами.

Відповідно збільшенню кількості ДНК зростає синтез РНК, білків-гістонів та інших макромолекул. Гістони переходять до ядра і там зв’язуються з ДНК, згортаючи певним чином цю гігантську молекулу. Помітно збільшуються розміри ядра.

П о с т с и н т е т и ч н и й п е р і о д (передмітотичний), або G2 – період, нетривалий (1-10% часу клітинного циклу) і характеризується рівномірним ростом ядра і цитоплазми. В цей період відбувається накопичення енергії, синтез спеціальних білків-тубулінів, які необхідні для організації мітотичного апарату та інших макромолекул, які використовуються при мітозі. Після завершення цього періоду наступає мітотичний поділ клітини.

Н е п р я м и й п о д і л (мітоз або каріокінез). Мітоз – самий розповсюджений вид поділу. Непрямим його називають тому, що кінцевому розділенню клітини на дві дочірні – цитотомії передують складні зміни і переміщення матеріалу клітини, особливо ядра. Звідси друга назва поділу – каріокінез, що означає рух ядра. Рухливими виявляються структури, які мають форму ниток. Звідси третя назва поділу – мітоз (mitos – нить), яке дав В.Флемінг у 1882 році. Сутність мітозу полягає в рівномірному розподілі між дочірніми клітинам матеріалу спадковості – ДНК, яке розміщується в хромосомах. Термін “хромосома” був запропонований В.Вальдейером у 1888 році.

Будова хромосом. Хромосома – молекула ДНК, яка з’єднана з білками. Хромосоми існують в ядрі протягом всього життя клітини, але мають різну форму і величину. В період інтерфази це деконденсовані фібрилярні дезоксирибонуклопротеїди (ДНП) довжиною до декількох сантиметрів і товщиною 20-30 нм. Двоспіральна молекула ДНК в інтерфазній хромосомі укладена за допомогою білків – гістонів у вигляді бусинок на нитці (рис. 19).

Рис. 19. Різні рівні конденсації хромосоми:

1-нуклосомна; 2-нукломерна; 3-хромомерна; 4-хромонемна.

Таке укладення ДНК називається нуклосомною. Це перший рівень компактування ДНК. Як правило, інтерфазна хромосома укладена більш компактно: 8-10 бусинок – нуклосом компонуються гістонами в нукломер. В такому вигляді ДНК успішно виконують свої функції в інтерфазній клітині.

В період мітозу хромосоми – це компактні тільця характерної форми, довжиною до декількох мікрометрів і товщиною 0,5-1 мкм. Для того, щоб хромосома прийняла такі розміри їй необхідно укоротитися в 10 000 разів, тобто конденсуватися. В цей час гігантська молекула ДНК вигинається, утворюючи дрібні, щільно укладені петлі, які скріплені негістоновими білками. На початкових стадіях конденсування ДНП іноді виявляються потовщення – хромомери, які розташовані на хромосомі через певні проміжки. До складу одного хромомера входить 50-70 тисяч пар нуклотидів, що відповідає розміру одного гену. Подальше конденсування ДНП приводить до утворення хромонеми – ниті, яка утворюється за рахунок зближення хромомерів. Хромонема, в свою чергу конденсується. Повністю конденсовану хромонему називають хроматидою. Хромосома містить одну або дві хроматиди в залежності від фази поділу (рис. 20).

Повністю конденсована мітотична хромосома має два плеча, між якими виявляється первинна перетяжка.

Хромосомиз рівними або майже рівними плечами називають метацентричними, з плечами не однакової довжини – субметацентричними. Палочкоподібні хромосоми з дуже коротким другим плечем називають – акроцентричними. В ділянці первинної перетяжки міститься центромера, або кінетохор, - ділянка, яка приєднується до мікротрубочок веретена поділу і забезпечує рух хромосоми. Деякі хромосоми мають вторинну перетяжку. Вона, як правило, розташована на одному з кінців хромосоми і відокремлює маленьку ділянку хромосоми – супутник. В ділянці вторинної перетяжки розміщується ДНК, яка відповідає за синтез рибосомної РНК, тому її також називають ядерцевим організатором.

Мітотична хромосома оточена рибонуклопротеїдами, білками та іншими речовинами. Це матрикс хромосоми. З матриксом хромосоми передають дочірнім клітинам матеріал, який необхідний для формування ядерця і початкового етапу білкового синтезу в молодих клітинах.

Сукупність кількості, величини та морфології хромосом називається каріотипом. Він видоспецифічний, навіть у близьких видів відрізняється кількістю та формою хромосом. До каріотипу входять соматичні і статеві хромосоми. Всі соматичні хромосоми (аутосоми) парні. Пару однакових хромосом називають гомологічними. Статеві хромосоми непарні. У чоловіків це X - і Y – хромосоми. У жінок дві Х – хромосоми, одна з яких знаходиться в неактивному стані.

Рис. 20. Двохроматидна

метафазна хромосома:

1-плече хромосоми (теломер);

2-первинна перетяжка;

3-центромера (кінетохор);

4-матрикс хромосоми;

5-хромонема;

6-хроматида.

В л а с н е м і т о з. В мітозі розрізняють чотири фази (стадії): профазу, метафазу, анафазу і телофазу. Мітоз, як правило, займає менше 10% часу клітинного циклу, продовжуючись 1-3 години (рис. 21).

Профаза – перша фаза мітозу, під час якої відбувається конденсування хромосом – поступовий і досить тривалий процес. Тому в профазі розрізняють дві стадії: щільного клубка (тонкі ниті ДНП сильно переплутані в ядрі) і пухкого клубка (більш спіралізовані хромосоми просторово відокремлені одна від одної, але не мають закінченої форми). По мірі проходження профази подвоєні в інтерфазі молекули ДНК конденсуються, укорочуються. При цьому, в кожній хромосомі і попередня, і знову синтезована молекула ДНК скручуються і спаралізуються одна навколо другої, утворюючи єдину структуру. Таким чином, в профазі мітозу кожна хромосома складається з двох хроматид, і якщо кількість хромосом в цей час дорівнює 2n, то кількість ДНК складає 4 с.

Одночасно з конденсуванням хромосом проходить дезінтеграція ядерця і включення ядерцевого матеріалу до складу матриксу хромосом. Значні перетворення в період профази відмічаються і в інших структурах клітини. Гранулярна ендоплазматична сітка і комплекс Гольджі розпадаються на дрібні цистерни і вакуолі, руйнуються полісоми. Все це приводить до різкого падіння синтезу білків. Наприкінці профази ядерна оболонка фрагментується на дрібні мембранні міхурці. Каріоплазма зливається з цитоплазмою – утворюється міксоплазма. Дезінтегровані органели і матеріал, з якого вони складаються, рівномірно розподілений по клітині.

Рис. 21. Схема мітозу:

А – профаза рання (щільного клубка); Б – профаза пізня (пухкого клубка); В – метафаза; Г – анафаза рання; Д – анафаза пізня; Е – телофаза:

1-ядерна оболонка; 2-ядерце; 3-центросома; 4-центросфера; 5-хромосоми; 6-веретено поділу; 7-екваторіальна пластинка (материнська зірка); 8-дочірня зірка; 9-дочірня клітина.

В профазі відбувається утворення мітотичного апарату, без якого неможливо розходження хромосом. Подвоєнні в інтерфазі центріолі центросоми починають розходитися до полюсів клітини і досягають полюсів до моменту зникнення ядерної оболонки. До кожного полюсу відходить по дві центриіолі. Від них відростають мікротрубочки, які вишикуються у вигляді веретеноподібної структури. По мірі розвитку веретена поділу всі органели клітини та їх фрагменти відтісняються на периферію клітини, а її центр виявляється зайнятий величезною кількістю досить тісно розміщених мікротрубочок, які разом з центросомою формують мітотичний ахроматиновий апарат.

Метафаза досить тривала, іноді складає до 1/3 мітозу. В цій фазі завершується утворення веретена поділу. На початку метафази хромосоми розміщуються неупорядковано, але не виходять за межі ядерної оболонки, де вони завершують рухи, які, очевидно, є результатом взаємодії хромосом з мікротрубочками. Поступово формується метафазна пластинка – хромосоми вишикуються по екватору клітини таким чином, що їх центромери спрямовані до центру веретена поділу, а кінці – до його периферії. Таку фігуру називають материнською зіркою. Кожна хромосома з’єднана з двома нитками веретена, так як складається з двох хроматид, і у кожній хроматиді є свій кінетохор. Сестринські хроматиди кожної хромосоми протягом метафази починають відходити одна від одної, але в ділянці кінетохору зберігають зв’язок до кінця метафази. Тому, метафазні хромосоми часто мають Х-подібну форму.

В анафазі всі хромосоми втрачають центромерні зв’язки, а їх хроматиди починають швидко рухатися до полюсів із швидкістю до 0,5 мкм/хв.. Анафаза сама коротка фаза мітозу. Очевидно, ахроматинові ниті веретена поділу тягнуть хромосоми до полюсів клітини, в результаті чого вони приймають V-подібну форму. Центромери хромосом спрямовані до полюсів, а протилежні кінці плеч – до екватору. Утворюється дві фігури, які нагадують материнську зірку (дочірні зірки).

Телофаза починається із зупинки хромосом, які досягають полюсів клітини. В ранній телофазі починається деконденсування хромосом. Вони набрякають, збільшуються в об’ємі, слабше забарвлюються. Їхня орієнтація не змінюється порівняно з анафазою. Навколо хромосом з’являється ядерна оболонка, формуючись з мембранних пухирців. Після утворення каріолеми в ділянці ядерцевого аналізатору деяких хромосом формуються ядерця.

Одночасно з цим, відмічається руйнування мітотичного апарату. Найдовше всіх він зберігається на екваторі клітини, в ділянці минулої метафазної пластинки. Мікротрубочки мітотичного апарату в ділянці екватору разом з субмембранним комплексом клітини приймають участь в утворенні клітинної перетяжки. При розділенні клітини - цитотомії органели пасивно розподіляються між двома дочірніми клітинами.

В деяких органах і тканинах зустрічаються клітини з великими ядрами або багатоядерні клітини. Це – результат соматичної поліплоїдії. Таке явище називають ендорепродукцією. При цьому, клітина може містити в багато разів більше ДНК, але воно буде дорівнювати 2n. У ссавців поліплоїдні клітини зустрічаються в печінці, епітелії сечового міхуру, в пігментному епітелії сітківки ока, в кінцевих відділах слинних і підшлункової залоз, серед мегакаріоцитів та інших спеціалізованих клітин. Поліплоїдія не зустрічається в період ембріогенезу і в стовбурних клітинах. Поліплоїдні і політенні клітини, які утворюються в результаті ендомітозу (порушення веретена поділу), не вступають у мітоз, а можуть поділятися тільки амітозом. Сутність даного явища в тому, що як поліплоїдія – збільшення кількості хромосом, кратне 2 n, так і політенія – збільшення кількості молекул ДНК в хромосомі приводять до значного збільшення функціональної активності клітини, що дозволяє без перерви у функціонуванні наростити клітинну масу і збільшити об’єм роботи, яку виконує клітина, і відповідно – орган.

Амітоз – прямий поділ клітини. При амітозі не відбувається конденсування хромосом, не утворюється веретено поділу. Ядро знаходиться в інтерфазному стані. Поділ починається з розмноження або розділення ядерця перетяжкою. Потім перетяжкою ділиться ядро. При цьому можуть виникати нерівні за величиною ядра, або утворюватися декілька ядер. Потім слідує цитотомія. Однак, розділення кілтин при амітозі необов’язкове. Поділ може завершитися утворенням багатоядерних клітин. Клітини, які поділяються амітозом, не в стані ділитися мітозом. Амітоз зустрічається навіть завжди в клітинах, які відживають свій термін, або знаходяться наприкінці свого життєвого шляху, чи в клітинах тимчасових утворень (в клітинах трофобласту, плодових оболонок, фолікулярних клітин яєчнику та ін.), або при різних патологічних процесах (запалення, регенерація, злоякісний ріст).

Мейоз – процес, який складається з двох поділів, які слідують один за одним, в результаті чого утворюються статеві клітини – гамети, з удвічі зменшеною гаплоїдною кількістю хромосом (1n). Зустрічається мейоз в усіх організмах, які розмножуються статевим шляхом. Необхідність мейозу в розвитку статевих клітин диктується потребою збереження від покоління до покоління каріотипу, який характерний для даного виду. Якщо б цього не було. Злиття при заплідненні двох диплоїдних клітин – чоловічої і жіночої – призвело б до появи тетраплоїдного потомства (4n), потім октаплоїдного (8n) і так далі, в результаті чого кожне наступне покоління представляло б нову форму і самовідтворення виду було б неможливе.

Мейоз включає два поділу: редукційний – зменшувальний і екваційний – зрівняльний. Поділи розділені короткою інтерфазою, в якій відсутній S-період, тобто перед другим поділом не відбувається редуплікації ДНК. Кожний поділ складається з чотирьох фаз: профази, метафази, анафази і телофази (рис. 22). Мейоз значно довше мітозу. Пояснюється це складністю і тривалістю перетворень у профазі першого поділу мейозу (профаза 1), яка може тривати від декількох днів до декількох років (в онтогенезі).

Профаза І характеризується такими процесами, як рекомбінація генетичного матеріалу, обмін ділянками між гомологічними хромосомами, синтез рибосомної та інформаційної РНК, активація ядерця. Протягом профази І зберігається каріолема. Профазу І прийнято розділяти на п’ять стадій: лептонема, зигонема, пахінема, диплонема, діакінез.

Лептонема (leptos – тонкий, nema - нить), або лептотенна стадія, чи стадія тонких ниток, характеризується початком спіралізування ДНК. Хромосоми в ній помітні у вигляді довгих тонких ниток, на яких видні потовщення – хромомери. Кожна хромосома складається з двох хроматид, але лежать вони так щільно одна до одної, що утворюють єдину нитку. Часто хромосоми зв’язані з оболонками ядра і орієнтовані таким чином, що утворюють характерну фігуру, яка називається “букетом”.

Зигонема (zygoo – з’єднувати), або зиготенна стадія, - стадія з’єднаних ниток, характеризується конденсуванням хромосом, зближенням гомологічних хромосом та їх кон’югацією – з’єднанням. Кон’югація починається з кінця хромосом, або з центромери. Очевидно, розташування хромосом у вигляді букету сприяє точності і специфічності сполучення гомологічних хромосом в пару – бівалент. Точність ця досягається і завдяки утворенню між гомологічними хромосомами спеціалізованої структури – синаптонемального комплексу, який і зв’язує їх в біваленти. Тому цю стадію іще називають синаптенна.

Рис. 22. Схема мейозу:

1-профаза І (а-лептонема; б-зигонема; в-пахінема; г-диплонема; д-діапінез); 2-метафаза І; 3-анафаза І; 4-телофаза І; 5-профаза ІІ; 6-метафаза ІІ; 7-анафаза ІІ; 8-телофаза ІІ.

Пахінема (pachys – товстий), або пахітенна стадія, - стадія товстих ниток, яка характеризується завершенням кон’югації по всій довжині гомологічних хромосом. Вони при цьому продовжують спіралізуватися, приймаючи вигляд коротких, товстих ниток. Стає помітним, що кожна хромосома складається з двох хроматид, а так як у біваленті об’єднані дві хромосоми, то фігура ця містить чотири хроматиди і називається тетрадою. Загальна кількість тетрад у клітині дорівнює 1n (гаплоїдне). Хроматиди однієї хромосоми називаються сестринськими. Одночасно з повздовжнім розщепленням хромосом на сестринські хроматиди відбувається кросинговер – обмін ділянками між несестринськими хроматидами в межах тетради. В результаті кросинговеру відбувається перекомбінування (рекомбінація) генетичного матеріалу – здійснюється спадкова мінливість.

Диплонема (diploos – подвійний), або диплотенна стадія, - стадія подвійних ниток. Тут завершується кросинговер, який починається в пахінемі. Синаптонемальний комплекс руйнується і гомологічні хромосоми починають відходити одна від одної. Однак, в точках перехрестя, які називаються хіазмою (містки), зв’язок зберігається. Сестринські хроматиди залишаються зв’язаними по всій довжині.

На відміну від мітозу в профазі мейозу зберігається оболонка ядра, триває синтез всіх видів РНК. Найбільш активно синтетичні процеси йдуть протягом пахінеми і диплонеми. На цих стадіях ядерця не тільки зберігаються, але і збільшується їх кількість і розміри. Збільшуються при цьому і розміри клітини. Найбільш виражені ці процеси під час розвитку жіночих статевих клітин.

Діакінез (“рух вдалину”) – остання стадія профази І мейозу. В цій стадії хромосоми різко скорочуються в розмірах, ДНК повністю конденсується, кількість хіазм зменшується, вони зберігаються в основному тільки на кінцях хромосом, зникають ядерця, припиняється синтез РНК.

Перехід до метафази І характеризується руйнуванням ядерної оболонки і утворенням веретена поділу. В метафазі хромосоми вишикуються у вигляді екваторіальної пластинки. При цьому, гомологічні хромосоми в біваленті з’єднані між собою хіазмами. Кількість бівалентів в клітині дорівнює гаплоїдному набору (1n), а кількість хроматид дорівнює 4n. Бівалент має дві центромери. В результаті цього при ковзанні ниток веретена в анафазі І до полюсів клітини відходить по хромосомі з гомологічної пари. Кількість хромосом у полюсів наприкінці анафази І виявляється гаплоїдним, але кожна хромосома складається з двох сестринських хроматид, так що кількість хроматид диплоїдне. Розходження хромосом з гомологічної пари випадкове, що є іще одним джерелом рекомбінації батьківського і материнського геномів.

Телофаза І починається з того моменту, коли анафазні групи хромосом досягають полюсів клітин. В телофазі відбувається формування ядра, цитотомія і починається деконденсування хромосом.

Наступає коротка інтерфаза – підготовка до другого поділу мейозу. Основна відміна цієї інтерфази від інтерфази мітозу полягає в тому, що в ній не відбувається синтезу ДНК і білків-гістонів, однак накопичується енергія і синтезуються білки – тубуліни, які необхідні для формування веретена поділу.

В профазі ІІ мейозу відбуваються процеси, які характерні для профази мітозу: формування ахроматинового апарату, руйнується ядерна оболонка, конденсуються хромосоми.

В метафазі ІІ нитки веретена прикріплюються до хромосом. Кількість яких гаплоїдне (1n). Кожна хроматида хромосоми має свій кінетохор, який зв’язаний з веретеном.

В анафазі ІІ хроматиди кожної хромосоми розходяться до полюсів, в результаті чого у полюсів виявляється гаплоїдна кількість хроматид, які приймають назву хромосом.

В телофазі ІІ утворюється оболонка ядра і відбувається цитотомія.

В результаті з кожної статевої клітини, яка вступає в мейоз, утворюється чотири клітини, які містять по гаплоїдному набору хромосом. Цей набір містить по одній з кожної пари гомологічних хромосом одного з батьків, але із зміненим завдяки кросинговеру набором генів, так що кожна з чотирьох клітин відрізняється за своєю генетичною конституцією.

Дата добавления: 2015-10-13