Клеточное деление

Задачей этого раздела не является изложе­ние основ генетики. Мы опишем лишь морфо­логические проявления деления клеток.

Необходимо отметить, что биологический смысл клеточного деления сводится к воспро­изведению дочерней клетки, идентичной ма­теринской. В генетическом плане суть деле­ния сводится к тому, что материнская клетка, обладающая определенным набором хромосом (23 пары хромосом у человека), первоначально удваивает генетический материал, и только за­тем происходит разделение клетки. При этом генетический материал равномерно распреде­ляется между двумя идентичными в геноти-пическом плане клетками. Это свойство кле­ток является не только основой возникновения, развития организма, но и поддержания его це­лостности на протяжении всей жизни. Огром­ное значение деление клеток имеет и при ре­генерации поврежденных тканей.

Наиболее распространенной формой само­воспроизведения клетки является митоз, на мор­фологических проявлениях которого мы и оста­новимся несколько ниже. Первоначально необ-

Клетка

ходимо охарактеризовать стадию, предшествую­щую митозу, а именно интерфазу (рис. 1.1.31, 1.1.32).

D

Рис. 1.1.31. Клеточный цикл:

14

G,, G₂ и G,, — периоды интерфазы; М — митоз; D — гибель клетки

Рис. 1.1.32. Фазы митотического деления (по А. Хэм, Д.Кормак, 1982):

а — интерфаза (G₂); 6 —профаза; в — метафаза; г — анафаза; д — телофаза; е — интерфаза (G,) (/ — ядрышко; 2 — центрио-ли; 3 —веретено деления; 4 —звезда; 5—ядерная оболочка; 6 —кинетохор; 7 — непрерывные микротрубочки; 8 — s-хромо-сома; 9 — d-хромосома; 10 — хромосомные микротрубочки; // — формирование ядра; 12 — борозда дробления; 13 — пучок актино-вых нитей; 14 — остаточное (срединное) тельце)

Интерфаза характеризуется наличием по­следовательных структурных и биохимических преобразований, подготавливающих клетку к митозу. Весьма важным в интерфазе являет­ся матричный синтез ДНК и удвоение хромо­сом — S-фаза. Промежуток времени между де-

лением и наступлением S-фазы называется фа­зой G, (постмитотическая или постсинтетичес­кая фаза), а между S-фазой и митозом — фазой G₂ (постсинтетическая или предмитотическая фаза). В течение фазы G, клетка диплоидная, в течение фазы S плоидность возрастает до четырех. Таким образом, в фазе G₉ клетка уже тетраплоидная.

В интерфазе усиливаются биосинтетические процессы. Удваивается масса клетки, происхо­дит деление центриолей. В течение предмитоти-ческой фазы (G₂) обе материнские центриоли осуществляют сборку микротрубочек, усилива­ется формирование лизосом, делятся митохонд­рии и синтезируются новые белки, необходи­мые для осуществления митоза. К концу интер­фазы хроматин конденсирован, ядрышко хоро­шо видно, ядерная оболочка не нарушена.

Наиболее важным и сложным процессом, происходящим в интерфазе, является удвоение набора хромосом. Суть удвоения состоит в том, что на цепочке ДНК синтезируется точно такая же параллельная цепочка. Этот процесс назы­вается репликацией. Биологическая суть репли­кации сводится к тому, что при этом происхо­дит передача генетической информации, храня­щейся в родительской ДНК, путем точного ее воспроизведения в дочерней клетке. При этом каждая родительская цепь ДНК является мат­рицей для синтеза дочерней (матричный синтез ДНК). Процесс репликации довольно сложен.

Рис. 1.1.33. Микроскопия фаз митоза на примере кле­ток бластулы (по Copenhaver, 1971):

а — поздняя профаза; б — метафаза; в — раняя анафаза; г — телофаза

Глава 1. КЛЕТКА И ТКАНИ

Подробное описание этого процесса можно найти в многочисленных руководствах по ге­нетике.

В конце интерфазы клетка практически под­готовлена к митотическому делению, которое в последующем и наступает. Морфологически различают 4 фазы митоза: профаза, метафаза, анафаза и телофаза (рис. 1.1.32, 1.1.33).

Профаза характеризуется тем, что в этот период происходят интенсивные изменения структуры ядра. На участках эухроматина пре­кращается транскрипция. Они покрываются белками и становятся неотличимыми от зерен гетерохроматина. Затем наступает спирализа-ция хромосом. При этом хромосома становит­ся видимой в световом микроскопе. Вышеука­занный процесс сопровождается исчезновением ядрышка. Таким образом, в начале профазы в ядре образуется плотный клубок, который к концу фазы разрыхляется, и становятся види­мыми хромосомы.

Именно в этой фазе центриоли расходятся к противоположным полюсам клетки, формирует­ся веретено, состоящее из микротрубочек.

Метафаза (следует за профазой). В мета-фазе основные изменения происходят в цито­плазме клетки. Лизосомальные ферменты раст­воряют ядерную оболочку, и спирализованные хромосомы оказываются в цитоплазме. Комп­лекс Гольджи и эндоплазматический ретикулум распадаются на мелкие фрагменты.

На каждом центромере выявляется скопле­ние специальных белков — кинетохор. Сборка микротрубочек на материнских центриолях про­должается. В результате этого процесса фор­мируется биполярное митотическое веретено, состоящее из микротрубочек и ассоциирован­ных с ними белков. Различают несколько ви­дов микротрубочек. Часть микротрубочек рас­ходится от центриоли во все стороны. Часть их образует астральную лучистость. Другая их часть направлена к экватору клетки — поляр­ные микротрубочки. Кроме астральных и по­лярных микротрубочек от полюсов отходят ки-нетохорные микротрубочки, т. е. те, которые в области экватора прикрепляются к кинетохо-рам хромосом. В клетках человека каждый ки­нетохор связан с 20—40 микротрубочками.

Этап формирования веретена обозначают как прометафазу. В ходе собственно метафазы хромосомы перемещаются и располагаются в одной плоскости перпендикулярно к оси между полюсами. Образуется фигура, называемая ма­теринской звездой. В результате упорядочения положения хромосом система микротрубочек также упорядочивается. Они теперь образуют веретено деления (митотическое веретено).

Важно отметить, что именно в метафазе определяют кариотип. У человека в норме ка-риотип характеризуется наличием 23 пар хро­мосом, приведенных на рис. 1.1.34. В метафазе изучают кариотип с диагностической целью при

•1 mm U lift

Ну

ДНК

fl/7 П

й	in		К II	и			ii 5&
X			7 8				И 12
	пл	Аи	Л6		га	АЛ
							19 20
л	А А
Y

ДНК

Рис. 1.1.34. Кариотип человека и уровни упаковки хроматина в ядре:

а — классификация пар хромосом человека; б — молекулярная организация хромосом (по В. Л. Быкову. 1999) двойная спираль ДНК образует нить диаметром 2 нм, которая намотана на блоки дисковндшш фирмы — нуклеосомы (/), входящие в состав нук-леосомнои пиiи (2) диаметром 11 нм Скрученная нуклеосомнля нить образует хроматиновую фибриллу (3) диаметром 30 нм, которая формирует петельные домены (4) диаметром 300 нм. Более и.ютно упакованные петельные до.мены образуют конден­сированные участки хромосомы (5) диаметром 700 нм, являющи­ми ч.н тью метафазной хромосомы (б) размером около 1400 нм

различных врожденных и наследуемых заболе­ваниях.

Анафаза. Анафаза довольно сложный в хи­мическом отношении процесс. В начале анафа­зы наступает внезапное разделение центроме­ры d-хромосомы, в результате чего сестринские хроматиды становятся самостоятельными s-xpo-мосомами.

Микротрубочки начинают укорачиваться, в результате чего хроматиды подтягиваются к центриолям. Сами центриоли удаляются друг от друга в сторону полюсов клетки, в резуль­тате чего образуются две дочерние звезды. В конце анафазы плазматическая мембрана как бы инвагинируется перпендикулярно к про­дольной оси митотического веретена, образуя борозду. В этой области под плазмолеммой по­является сократительное кольцо, состоящее из

Клетка

a U

актин- и миозинсодержащих нитей. Завершает деление телофаза.

Телофаза. Как указано выше, к концу ана­фазы и началу телофазы в середине клетки об­разуется цитоплазматическая перетяжка, кото­рая постепенно углубляется и, в конце концов, полностью разделяет клетку на две равные час­ти, содержащие идентичный набор хромосом. После этого вновь появляется ядро, а хромосо­мы «распадаются» с образованием глыбок хро­матина. Примерно в середине телофазы начи­нается образование нитчатой, а затем грану­лярной частей нуклеонеммы. К концу телофазы полностью сформировано ядрышко. Из мемб­ранных пузырьков происходит формирование аппарата Гольджи, эндоплазматической сети. На этом митотический цикл завершается, и клетка входит в интерфазу.

Вышеприведенные данные характеризуют основной тип клеточного деления — митоз. Но существуют и другие типы деления. Это эндомитоз. Морфологически при эндомитозе удвоение числа хромосом происходит внутри ядерной оболочки без ее разрушения и фор­мирования веретена деления. При повторных эндомитозах число хромосом в ядре может зна­чительно увеличиваться и развивается так на­зываемая полиплоидия. Сопровождается этот процесс значительным увеличением объема яд­ра. Полиплоидия сопровождается значитель­ным увеличением функциональной активности клеток. Полиплоидия характерна как в норме, так и при различных патологических состояни­ях эндотелия роговой оболочки.

Полиплоидия развивается и при митоти-ческом делении, при котором не происходит цитотомии. При последующем делении такой двуядерной клетки хромосомные наборы ядер объединяются в метафазе, приводя к образова­нию двух дочерних полиплоидных клеток. На­личие полиплоидных клеток (тетра-, окта- и т.д.) является нормальным состоянием ряда тканей организма человека.

Большое биологическое значение имеет еще один тип деления — мейоз, в результате кото­рого формируются половые клетки. Основной смысл мейоза сводится к делению, при котором достигается уменьшение количества хромосом в клетке в два раза. Обсуждение этого типа деления выходит за рамки данной книги. Более подробные сведения можно получить в боль­шом количестве руководств по цитологии.

В литературе описан еще один тип деле­ния — амитоз. До сих пор обсуждаются вопро­сы возможности существования подобного типа деления. Считают, что при таком делении исче­зает биологический смысл деления, т. е. воз­можность равного распределения генетического материала в двух вновь образованных клетках. Тем не менее морфологи, особенно патологи, довольно часто наблюдают прямое (амитотичес-кое) деление.

1.1.5. Межклеточные соединения

Межклеточное пространство. Между цито-плазматическими мембранами соседних клеток обнаруживается равномерное светлое про­странство шириной 15 нм. Это пространство нередко расширяется или сужается как в нор­ме, так и при патологических состояниях. Не­смотря на наличие межклеточного простран­ства, клетки довольно сильно сцеплены между собой при помощи специализированных органо­идов различного типа (рис. 1.1.35). На особен­ностях строения этих органоидов мы и остано­вимся ниже.

Рис. 1 1.35. Cxi'Mii гическое изображение межклеточных контактов различного типа (по tiogan et al., 1972):

ii.iuiiii.h- кл-динеиие; 2 —:ич мосома; 3 —ще.к-вой контакт I 'м.-I viz)); б — запмр.иощая зона [cmpt'-thu)

Десмосома (macula adhearens). Рядом рас­положенные клетки могут соединяться между собой при помощи локальных уплотнений — десмисим (рис. 1.1.36). Этот тип органоидов относится к адгезивным (контакты типа пятна слипания). При формировании подобного типа контакта цитоплазматические мембраны сосед­них клеток не сливаются, а как бы «прилипа­ют» благодаря наличию межклеточного веще­ства. Особенно выражен подобный тип меж­клеточных контактов в эпителиальных тканях (эпидермис, эпителий роговицы, нейроэпите-лиальные структуры).

Глава 1. КЛЕТКА И ТКАНИ

границе со стромой) обнаруживаются не десмо­сомы, а полудесмосомы (рис. 1.1.37). По строе­нию полудесмосома представляет собой как бы половинку десмосомы. Полудесмосома образо­вана лишь одной пластинкой с входящими в нее тонофиламентами, которые прикрепляют клетку к базальной мембране. Подобные обра­зования в большом количестве можно обнару­жить в переднем и заднем эпителии роговой оболочки.

Рис. 1.1.36. Десмосомы:

а — светооптическая микроскопия плоскостного препарата одно­слойного плоского эпителия (между клетками видны десмосомы в виде мостиков); б —ультраструктурные особенности десмосом

Десмосомы настолько сильно связывают клетки между собой, что их можно разделить только механически. Даже при образовании эпителиальных пузырей на поверхности рого­вой оболочки (буллезная кератопатия), т.е. от­слоения эпителиального пласта от подлежащей стромы, эпителиальный пласт долго сохраняет свою структуру именно благодаря десмосомам.

При ультраструктурном исследовании дес­мосомы представляют собой противостоящие дисковидные уплотнения мембран клеток (пла­стинка прикрепления). Диаметр этих пластинок около 0,5 мкм, а толщина 15 нм. Между ними определяется светлое межклеточное простран­ство (ширина 30 нм), выполненное «цемент­ной» субстанцией умеренной электронноплот-ности в виде полоски. В межклеточном матери­але десмосомы определяются трансмембранные Са²⁺ связывающие адгезивные белки (десмо-коллины, десмоглеины), которые, взаимодейст­вуя с белками пластинок прикрепления, связы­вают их в единую систему. В центре межкле­точной щели видно линейное уплотнение (цент­ральная или промежуточная линия). Радиаль-но от участков уплотнения распространяются внутрицитоплазматические промежуточные фи-ламенты, состоящие из особых белков, — дес-моплакины, плакоглобин и десмокальмин.

При контакте эпителиальной клетки с меж­клеточным материалом (базальная мембрана на

Рис. 1.1.37. Ультраструктурная организация полудес­мосомы и базальной мембраны:

/ — полудесмосома; 2 — промежуточные филамеиты; 3 — плаз-молемма; 4 — якорные фибриллы; 5 — базальная мембрана

Промежуточное соединение, или опоясы­вающая десмосома (zonula adherens — поясок сцепления).

Подобного типа соединения обнаруживают­ся чаще всего на боковой поверхности эпители­альных клеток между областью расположения плотного соединения и десмосом. Это соедине­ние охватывает клетку по периметру в виде пояска. В области промежуточного соединения обращенные к цитоплазме листки плазмолеммы утолщены и образуют пластинки прикрепления, которые содержат актин-связывающие белки альфа-актин, винкулин и плакоглобин. К этим пластинкам прикрепляются актиновые мико-филаменты, вплетающиеся также в терминаль­ную сеть. Межклеточная щель расширена до 15—20 нм и заполнена умеренно электронно-плотным веществом, состоящим из адгезивного трансмембранного гликопротеина (Е-кадгерин) (рис. 1.1.38).

Плотное соединение (zonula occludens — поясок замыкания).

Этот тип контактов относится к так назы­ваемым плотным контактам. В контактах по­добного рода цитоплазматические мембраны соседних клеток как бы сливаются. При этом образуется исключительно плотная стыковка клеток (рис. 1.1.39). Такие контакты наиболее часто встречаются в тканях, в которых необхо­димо полностью предотвратить проникновение метаболитов между клетками (эпителий кишеч-

Клетка

Рис. 1.1.38. Промежуточное соединение:

/ — цитоплазматические мембраны соседних клеток; 2 — микро-филаменты

Рис. 1.1.39. Юнкциональный комплекс эпителиальных клеток:

/ — актиновые филаменты микроворсинок; 2 — цитоплазмати-ческая пластинка десмосомы; 3 — межклеточное пространст­во; 4 — промежуточные филаменты; 5 — десмосома (macula adherens); 6 — микроворсинка; 7 — полирибосомы; 8 — поясок сцепления (zonula adherens); 9 — плотное соединение (zonula occludens)

ника, эндотелий роговой оболочки). Как прави­ло, соединения этого типа располагаются на апикальной поверхности клетки, опоясывая ее. Поясок замыкания представляет собой об­ласть частичного слияния наружных листков плазмолемм двух соседних клеток. Плотное соединение имеет вид пояска шириной 0,1 — 0,5 мкм, окружающего клетку по периметру и состоящего из анастомозирующих тяжей внут-римембранных частиц. Эти частицы образованы белком окклюдином. Каждая из них представ­ляет собой область точечного слияния плаз­молемм двух соседних клеток. Проницаемость плотных соединений тем ниже, чем выше число

тяжей этих частиц. Эти образования могут ди­намично перестраиваться и временно размы­каться.

В литературе нередко используется термин «юнкциональный комплекс». При этом авто­ры используют этот термин, описывая слож­ные межклеточные соединения, включающие одновременно типичные десмосомы, зону замы­кания и ленту замыкания (fascia occludens) (рис. 1.1.39). Последний тип контакта отличает­ся от зоны замыкания лишь тем, что контакт не полностью опоясывает клетку, а местами пре­рывается.

Щелевидное соединение (nexus). Щелевид-ное соединение характеризуется тем, что меж­ду цитоплазматическими мембранами соседних клеток видна щель шириной в 2 нм. При этом обе плазмолеммы соседних клеток соединены между собой коннексонами — полыми гексаго­нальными белковыми структурами размерами около 9 нм, каждая из которых образована шестью белковыми субъединицами (рис. 1.1.40). Число коннексонов в щелевом соединении обыч­но исчисляется сотнями. Через эти образова­ния осуществляется перенос метаболитов из одной клетки в другую. При этом молекуляр­ный вес этих веществ не превышает 1500 Да (неорганические ионы, сахара, витамины, ами­нокислоты, нуклеотиды, АТФ и др.). Эти соеди­нения обеспечивают между клетками ионное и метаболическое сопряжение. Близкое строение имеют синапсы.

Рис. 1.1.40. Схематическое изображение щелевидного соединения:

/—цитоплазматические мембраны соседних клеток; 2 —кон-несоны

Щелевидные контакты играют важную роль в осуществлении функций клеток, особенно обладающих выраженной электрической актив­ностью. По этой причине неудивительно, что большое количество подобных контактов обна­руживается между нейронами сетчатой оболоч­ки (см. Сетчатка). Широко распространены они также в сердечной мышце и ткани цент­ральной нервной системы.

Глава 1. КЛЕТКА И ТКАНИ

Интердигитации(пальцевые соединения). Интердигитации представляют собой межкле­точные соединения, образованные выпячивани­ями цитоплазмы одних клеток, вдающимися в цитоплазму других (рис. 1.1.41). Между плаз-молеммами соседних клеток всегда остается

Рис. 1.2.1. Коллагеновые волокна: а — плотная волокнистая ткань (виден пучок коллагеновых во­локон (/) и фиброциты (2))\ б — ориентированные параллель­но пучки коллагеновых волокон (сканирующая электронная микроскопия)

Рис. 1.1.41. Интердигитации соседних эпителиальных клеток:

а — трансмиссионная электронная микроскопия (/ — интердиги­тации; 2 — митохондрии; 3 — десмосомы); б—метод заморажи­вания-скалывания (сканирующая электронная микроскопия)

межклеточная щель 15—20 нм. За счет интер­дигитации увеличивается прочность межклеточ­ного сцепления и увеличивается поверхность контакта между клетками.

1.2. МЕЖКЛЕТОЧНОЕ ВЕЩЕСТВО

Комплексы клеток вместе с межклеточным веществом образуют ткань. Межклеточное ве­щество состоит из волокон (коллагеновые, ре­тикулиновые, эластические), основного веще­ства. Некоторые авторы к нему также относят кристаллический материал и базальные мемб­раны.

---

Дата добавления: 2015-10-21