Митотический цикл клетки. Характеристика периодов митоза, его биологическое значение. Эндомитоз, политения

Совокупность процессов, происходя­щих в клетке от одного деления до следующего и заканчивающихся обра­зованием двух клеток новой генерации, называется митотическим циклом. Различают четыре периода этого цик­ла: пресинтетический (или постмитотический), синтетический, постсинтетический (или премитотический) и митоз.

Пресинтетический период (G₁) сле­дует непосредственно за делением. В это время синтез ДНК еще не проис­ходит, но накапливаются РНК и бе­лок, необходимые для образования кле­точных структур. Это наиболее дли­тельная фаза; в готовящихся к деле­нию клетках она продолжается от 10 ч до нескольких суток.

Второй период — синтетический (S) характеризуется синтезом ДНК и редупликацией хромосомных структур, поэтому к концу его содержание ДНК удваивается. Происходит также синтез РНК и белка. Продолжительность этой фазы 6—10 ч.

В следующий, постсинтетический период (G₂), ДНК уже не синтезирует­ся, но происходит накопление энергии и продолжается синтез РНК и бел­ков, преимущественно ядерных. Эта фаза длится 3—4 ч. Наконец, насту­пает деление ядра клетки — митоз (гр. mitos — нить), или кариокинез (гр. karyon — ядро, kinesis— движе­ние). Термины «митоз» и «кариоки­нез»— синонимы.

Если количество ДНК в гаплоидном наборе хромосом (n) обозначить как С, то после деления клетки диплоидный набор хромосом (2n) содержит 2С ДНК. В пресинтетический период (G₁) неизменным сохраняется то же количество ДНК, но в синтетиеский период (S) количество ДНК удваива­ется, и тогда, когда клетка переходит к постсинтетияескому периоду (G₂), диплоидный набор хромосом (2n) со­держит уже 4С ДНК. В это время каж­дая из хромосом редуплицирована и состоит из двух нитей (хроматид). Постсинтетический период и период митоза характеризуются сохранением того же набора хромосом (2n) и того же количества ДНК (4С). В результате митоза каждая дочерняя клетка со­держит 2n хромосом и 2CДКК.

Три периода митотического цикла (G₁, S, G₂), во время которых происхо­дит подготовка клетки к делению, объе­диняются под названием интерфазы. В ряде случаев клетки, образовав­шиеся в результате деления, могут начать подготовку к следующему деле­нию. Так происходит в эмбриональных и других быстро размножающихся тка­нях. При этом митотический цикл клетки совпадает со всем периодом ее существования,.т. е. жизненным циклом клетки. Если же клетки приобрета­ют специализацию, начинают диффе­ренцироваться, то пресинтетический пе­риод удлиняется. Для клеток каждого типа тканей устанавливается опре­деленная продолжительность периода G₁. В высокоспециализированных клет­ках, таких, как нервные, период G1 продолжается в течение всей жизни организма. Другими словами, они все время находятся в пресинтетическом периоде и никогда не делятся. Однако некоторые дифференцированные клет­ки (эпителиальная, соединительно­тканная) при определенных условиях из периода G ₁ переходят к следующим периодам митотического цикла. У та­ких клеток жизненный цикл продол­жительнее митотического.

Деление клетки. Деление клет­ки включает два этапа: деление ядра — митоз и деление цитоплазмы — цито­кинез.

Митоз — сложное деление ядра клетки, биологическое значение кото­рого заключается в точном идентичном распределении дочерних хромосом с содержащейся в них генетической ин­формацией между ядрами дочерних кле­ток. А в результате этого деления ядра дочерних клеток имеют набор хромо­сом, по количеству и качеству иден­тичный таковому материнской клетки. Хромосомы — основной субстрат на­следственности, они — та единствен­ная структура, для которой доказана самостоятельная способность к реду­пликации. Все другие органоиды клет­ки, способные к редупликации, осу­ществляют ее под контролем ядра. В связи с этим важно сохранить посто­янство числа хромосом и равномерно распределить их между дочерними клет­ками, что и достигается всем механиз­мом митоза. Такой способ деления в клетках растений был открыт в 1874 г. русским ботаником И. Д. Чистяковым (1843—1877), а в клетках животных — в 1878 г. русским гистологом П. И. Перемежко (1833—1894). Детальные исследования по делению клеток были выполнены несколько позже на расти­тельных объектах Э. Страсбургером (1844—1912) и на клетках живот­ных — В. Флеммингом.

В процессе митоза после­довательно протекает четыре фазы: про­фаза,,метафаза, анафаза и телофаза. Эти фазы, непосредственно следующие друг за другом, связаны незаметными переходами. Каждая пре­дыдущая обусловливает переход к по­следующей.

В клетке, вступающей в деление, хромосомы приобретают вид клубка из множества тонких, слабо спирализо-ванных нитей. В это время каждая хро­мосома состоит из двух сестринских хроматид. Образование хроматид про­исходит в S-период митотического цикла как следствие репликации ДНК.

В самом начале профазы, а иногда и до ее наступления центриоль делится на две, и они расходятся к полюсам ядра. Одновременно хромосомы пре­терпевают процесс скручивания (спирализации), вследствие чего значитель­но укорачиваются и утолщаются. Хроматиды несколько отходят друг от друга, оставаясь связанными лишь центромерами. Между хроматидами появляется щель. Ядрышки исчеза­ют, ядерная оболочка под действием ферментов из лизосом растворяется, хромосомы оказываются погруженны­ми в цитоплазму. Одновременно появ­ляется ахроматиновая фигура, кото­рая состоит из нитей, тянущихся от полюсов клетки (если есть центриоли, то от них). Ахроматиновые нити при­крепляются к центромерам хромосом. Образуется веретено деления. Электронно-микроскопические исследования пока­зали, что нити веретена — это трубоч­ки, канальцы. Погруженные в цитоплазму хромосомы направляются к эква­тору клетки.

В метафазе хромосомы находятся в упорядоченном состоянии в области экватора. Хорошо видны все хромосо­мы, благодаря чему изучение кариотипов (подсчет числа, изучение форм хро­мосом) проводится именно в этой ста­дии. В это время каждая хромосома состоит из двух хроматид, концы кото­рых разошлись. Поэтому на метафазных пластинках (и идиограммах из метафазных хромосом) хромосомы име­ют X-образную форму. Изучение хромо­сом проводится именно в этой стадии.

В анафазе каждая хромосома про­дольно расщепляется по всей ее длине, в том числе и в области центромеры - происходит расхожде­ние хроматид, которые после этого становятся сестринскими, или дочер­ними, хромосомами. Они имеют палоч­кообразную форму, изогнутую в обла­сти первичной перетяжки. Нити верете­на сокращаются, направляются к по­люсам, а за ними начинают расходить­ся к полюсам и дочерние хромосомы. Расхождение их осуществляется бы­стро и всех одновременно. В телофазе дочерние хромосомы до­стигают полюсов. После этого хромосо­мы деспирализуются, теряют ясные очер­тания, вокруг них формируются ядер­ные оболочки. Ядро приобретает строе­ние, сходное с интерфазным материн­ской клетки. Восстанавливается яд­рышко.

Далее происходит цитокинез, т. е. разделение цитоплазмы. В клет­ках животных этот процесс начинается с образования в экваториальной зоне перетяжки, которая, все более углуб­ляясь, отделяет, наконец, сестринские клетки друг от друга. В клетках расте­ний разделение сестринских клеток начинается во внутренней области материнской клетки. Здесь мелкие пу­зырьки эндоплазматической сети сли­ваются, образуя, в конце концов, кле­точную мембрану. Построение целлю­лозных клеточных оболочек связано с использованием секретов, накапли­вающихся в диктиосомах.

Митоз, сочетающийся с задержкой цитокинеза, приводит к образованию многоядерных клеток. Такой процесс наблюдается, например, при размно­жении простейших путем шизогонии. У многоклеточных организ­мов так образуются синцитии, т. е. ткани, состоящие из протоплазмы, в которой отсутствуют границы между клетками. Такими являются некото­рые мышечные ткани и тегумент плоских червей.

Продолжительность каждой из фаз митоза различна — от нескольких минут до сотен часов, что зависит от ряда причин: типа тканей, физиологи­ческого состояния организма, внешних факторов (температура, свет, химиче­ские вещества). Изучение влияния этих факторов на различные периоды митотического цикла с целью воздействия на него имеет большое практическое значение.

Амитоз — прямое деление клетки надвое путем перетяжки. При этом делении морфологически сохраняется интерфазное состояние ядра, хорошо видны ядрышко и ядерная мембрана. Хромосомы не выявляются и равно­мерного распределения их не происхо­дит. Ядро делится на две относительно равные части без образования веретена деления. Равномерного рапределения генетического материала не происходит (из одной клетки образуются 2 неидентичные друг другу). Образовавшиеся клетки делиться митотически не могут. В норме у человека амитоз встречается в клетках специализированных тканей (зародышевые оболочки, фолликулярные клетки яичника), при необходимости быстрого восстановления тканей (после операций, травм ит.д.), в отживших стареющих клетках и др. При патологии у человека встречается в патологически измененных клетках, не способных в дальнейшем дать полноценные клетки (воспаления, злокачественный рост при опухолях).

Эндомитоз (гр. endon — внут­ри). При эндомитозе после репродук­ции хромосом деления клетки не про­исходит. Это приводит к увеличению числа хромосом иногда в десятки раз по сравнению с диплоидным набором, т. е. приводит к возникновению поли­плоидных клеток. Эндомитоз встре­чается в интенсивно функционирую­щих клетках различных тканей, на­пример в клетках печени.

Политения (гр. роlу — много). Политенией называется воспроизведе­ние в хромосомах тонких структур — хромонем, количество которых может увеличиваться многократно, достигая 1000 и более, но увеличения числа хромосом при этом не происходит. Хромосомы приобретают гигантские размеры. Политения наблюдается в некоторых специализированных клетках, например, в слюнных железах двукры­лых. При политении выпадают все фазы митотического цикла, кроме ре­продукции первичных нитей хромосом. Клетки с политенными хромосомами у дрозофилы используются для построе­ния цитологических карт генов в хро­мосомах.

Процесс деления клетки с момента ее активации называется пролиферацией. Иными словами, пролиферация – это размножение клеток, т.е. увеличение числа клеток (в культуре или ткани), происходящее путем митотических делений. Во взрослом организме человека клетки различных тканей и органов имеют неодинаковую способность к делению. Кроме того при старении интенсивность пролиферации клеток снижается (т.е. увеличивается интервал между митозами). Встречаются популяции клеток, полностью потерявшие свойство делиться. Это, как правило, клетки, находящиеся на терминальной стадии дифференцировки, например, зрелые нейроны, зернистые лейкоциты крови, кардиомиоциты. В этом отношении исключение составляют иммунные В- и Т-клетки памяти, которые, находясь в конечной стадии дифференцировки, при появлении в организме определенного стимула в виде ранее встречавшегося антигена, способны начать пролиферировать. В организме есть постоянно обновляющиеся ткани – различные типы эпителия, кроветворные ткани. В таких тканях существует пул клеток, которые постоянно делятся, заменяя отработавшие или погибающие типы клеток (например, клетки крипт кишечника, клетки базального слоя покровного эпителия, кроветворные клетки костного мозга). Также в организме существуют клетки, которые не размножаются в обычных условиях, но вновь приобретают это свойство при определенных условиях, в частности при необходимости регенерации тканей и органов.
Процесс пролиферации клеток жестко регулируется как самой клеткой (регуляция клеточного цикла, прекращение или замедление синтеза аутокринных ростовых факторов и их рецепторов), так и ее микроокружением (отсутствие стимулирующих контактов с соседними клетками и матриксом, прекращение секреции и/или синтеза паракринных ростовых факторов). Нарушение регуляции пролиферации приводит к неограниченному делению клетки, что в свою очередь инициирует развитие онкологического процесса в организме. В опухолях атипичные клетки делятся митотическим способом. В результате деления образуются идентичные измененной клетки. Деление происходит многократно. В итоге опухоль быстро растет.

В результате нарушения пролиферации клеток возникают также различные иммунодефициты, анемии, кератоз и др.

С начала 60-х гг. появились новые взгляды на значение для старения и продолжительности жизни закономерностей клеточной пролиферации. На основании подсчета числа делений фибробластов, высеваемых в культуру ткани от эмбриона человека и от людей в возрасте 20 лет и выше, было сделано заключение о пределе клеточ­ных делений (лимит Хейфлика), которому соответствует видовая длительность жизни. Старение – свойство самих клеток, запрограммированное в геноме, т.к. наступает после определенного количества делений. Показано, что фибробласты мыши способны удваивать свою численность 14—28 раз, цыпленка —15—35, чело­века—40—60, черепахи— 72 —114 раз.