Деление клеток. Митоз

  Наш повседневный опыт печально свидетельствует о  том, что все живое подвержено смерти.* Существа болеют, старятся и, наконец, умирают. У многих жизнь еще более  короткая — их съедают хищники. Чтобы  жизнь на Земле не прекратилась, все существа наделены универсальным  свойством — способностью к размножению.

  При всем разнообразии живых организмов, населяющих планету, при всех различиях в строении и образе жизни, способы их размножения  в природе сводятся к двум формам: бесполой и половой. Некоторые растения сочетают эти две формы, размножаясь  клубнями, черенками или отводками (бесполое размножение) и одновременно — семенами (половое).

  В случае бесполого  размножения потомство развивается  из клеток исходного организма. При  половом размножении развитие нового существа начинается с единственной клетки, образовавшейся от слияния  двух родительских — мужской и  женской.

  Сущность  размножения состоит в сохранении не только жизни в целом, но и каждого  отдельного вида животных и растений, в организации преемственности  между потомством и родительскими  существами. Молекулярную основу процессов  размножения всех организмов составляет способность ДНК к самоудвоению. В результате генетический материал воспроизводится в строении и  функционировании дочерних организмов.

  * Священное  Писание и творения святых  отцов пронизаны мыслью о том,  что смерть и тление не были  сотворены изначально, а вошли  в мир вследствие грехопадения  первого человека (Прем. 1,13 и 2,23, Рим. 5,12 и т. д.).

  Деление клеток. Митоз

  Жизненный цикл клетки. Процесс деления и  интерфаза тесно взаимосвязаны, их совокупность составляет жизненный  цикл клетки. Его продолжительность  в клетках растений и животных составляет в среднем 10-20 часов.

  В химически  активной среде пищевого тракта клетки эпителия кишечника быстро изнашиваются и потому непрерывно делятся —  дважды в сутки, клетки роговицы глаза  приступают к делению один раз  в трое суток, а клетки эпителия кожи — раз в месяц. На процесс деления  клетка тратит в среднем от 1 до 3 часов в зависимости от внешних  условий (освещения, температуры и  пр.).

  В печени животных находятся так называемые покоящиеся клетки, которые делятся только в  кризисных ситуациях. Например, при  удалении части печени эти клетки начинают интенсивно размножаться, быстро восполняя число, необходимое для  нормальной жизнедеятельности органа.

  Некоторые высокоспециализированные клетки (нейроны, часть лейкоцитов) у взрослых существ  никогда не делятся. Их клеточный  цикл заканчивается апоптозом ptosis падение) — запрограммированной гибелью. В некоторых+греч. apo от <( случаях  апоптозу подвергаются и другие клетки организма. Происходит это следующим  образом. Сначала клетка получает определенный химический сигнал на осуществление  самоуничтожения. Затем в ее комплексе  Гольджи и лизосомах активируются ферменты, разрушающие (лизирующие) основные компоненты цитоплазмы и ядра. После  этого клетка распадается на мембранные пузырьки, которые поглощаются клетками-фагоцитами, перерабатывающими посторонние  компоненты. Воспалительного процесса при апоптозе не возникает.

  Посредством апоптоза головастики утрачивают свой хвост, а у личинок насекомых  в ходе их превращения во взрослый организм исчезают лишние ткани. Пальцы человеческого эмбриона соединены  тканевыми перепонками. В процессе эмбриогенеза перепонки запрограммировано  уничтожаются.

  Апоптоз помогает организму избавляться от клеток, в которых накопились генетические повреждения, а также от больных  и состарившихся клеток. Многие вирусы, проникая в клетку, прежде всего  стараются нарушить ее механизм апоптоза, чтобы не быть уничтоженными вместе с больной клеткой.

  При нарушении  апоптоза развиваются такие тяжелые  заболевания как системная красная  волчанка, болезнь Паркинсона, прогрессируют  вирусные инфекции.

  Апоптоз может  быть спровоцирован внешними факторами: химическим воздействием или облучением. На этом основано действие некоторых  препаратов и специальных излучателей, вызывающих апоптоз раковых клеток. Спровоцированный апоптоз иногда приводит к опасным последствиям. Так, продолжительное  нарушение кровообращения сердечной  мышцы приводит к разрушению лишь небольшой части ее клеток, но их гибель вызывает апоптоз многих соседних клеток и как следствие — обширный инфаркт миокарда.

  Кроме апоптоза есть и другие механизмы, ограничивающие жизнедеятельность клеток. Так, в  результате каждого акта деления  концевые участки ДНК хромосом укорачиваются. Когда потеря генетического материала  становится критической, клетка перестает  делиться. Некоторые группы клеток многоклеточных существ, как и одноклеточные  организмы, обладают способностью давать неограниченное количество поколений. Это так называемые стволовые  клетки. У человека стволовыми являются клетки красного костного мозга, из которых  формируются эритроциты, лейкоциты  и тромбоциты. В стволовых клетках, как и в одноклеточных организмах, синтезируется особый фермент, удлиняющий концевые участки ДНК, — теломераза.

  Инфузории, в отличие от амеб и бактерий, не могут делиться бесконечно долго. После определенного, достаточно большого количества делений у них наблюдаются  признаки старения (дегенерации). Тогда  две состарившиеся инфузории "слипаются" и конъюгируют — обмениваются частью ядерных ДНК, т.е. генетической информацией. После конъюгации у  каждой инфузории восстанавливается жизнеспособность: повышается интенсивность обмена веществ, увеличивается темп делений и т.д.

  Деление клеток составляет основу процессов размножения  и развития организмов. Деление происходит в два этапа. Сначала разделяется  ядро, а затем происходит цитокинез  — разделение самой клетки.

  Митоз. Основной способ деления ядер эукариотических  клеток называют митозом. Различают  четыре фазы митоза: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.

  Профаза. В  профазе заканчиваются приготовления  к делению. Хромосомы сильно утолщаются и становятся видимыми в световой микроскоп. Теперь они представляют собой две спирализованные ДНК (хроматиды), образовавшиеся в процессе удвоения и соединенные центромерами друг с другом.

  Считывание  информации с ДНК прекращается, синтез РНК заканчивается. Субъединицы  рибосом выходят в цитоплазму, и ядрышки исчезают. Микротрубочки  цитоскелета распадаются. Из составлявших их белков на центриолях начинает формироваться  веретено деления. Центриоли расходятся к противоположным полюсам клетки. Внешние микротрубочки прикрепляются  к наружной мембране и фиксируют  положение центриолей. Наконец ядерная  оболочка распадается на фрагменты, и хромосомы оказываются в  цитоплазме. Края фрагментов оболочки смыкаются, образуя мелкие пузырьки-вакуоли, которые сливаются с мембранами эндоплазматической сети.

  Метафаза. Эта  стадия деления характеризуется  перегруппировкой хромосом в цитоплазме. Когда до хромосомы дорастают  микротрубочки от ближайшей центриоли, она начинает перемещаться к центру клетки по мере роста микротрубочки, пока не соединится своей центромерной областью с микротрубочками от другой центриоли. Контакты хромосом с микротрубочками  происходят случайным образом, в  микроскоп видно, как хромосомы  энергично вращаются и движутся туда-сюда, пока не оказываются "пойманными" микротрубочками, идущими с двух противоположных сторон. К концу  метафазы все хромосомы собираются в экваториальной зоне клетки. Они  максимально компактны и хорошо видны. По метафазным хромосомам определяют количество и структуру хромосом организма — его кариотип.

  Центромерные  области хромосом разъединяются, и  они становятся самостоятельными. Каждая из них оказывается присоединенной центромерой к своему полюсу деления.

  Анафаза. Наступившая  стадия характеризуется расхождением хроматид каждой хромосомы к противоположным  полюсам. В центромерных участках расположены  сократительные белки. Перемещение  происходит в результате их активной работы за счет энергии АТФ (для перемещения  каждой хромосомы расщепляется 20 молекул). Плечи хромосом пассивно следуют  за центромерой. Освобождающиеся участки  микротрубочек сразу же разрушаются. Создается впечатление, что не хромосомы  движутся по микротрубочкам, а сами микротрубочки, сокращаясь, подтягивают  хромосомы.

  С достижением  хромосомами полюсов деления  анафаза заканчивается.

  Очевидно, что  при отсутствии веретена деления  размножение клеток не происходит. Химическое воздействие, разрушающее  микротрубочки, — один из способов подавления роста опухолей.

  Телофаза. На этом последнем этапе митоза путем  слияния пузырьков эндоплазматической сети формируется новая ядерная  оболочка. Хромосомы деспирализуются  в длинные тонкие нити, на которых  образуются ядрышки. Веретено деления  разрушается. Из составлявших его белков с центриолей начинают разрастаться микротрубочки нового цитоскелета.

  Цитокинез. Окончательное разделение надвое в  клетках животных осуществляется перетяжкой. В растительных клетках из середины к краям разрастается мембрана, на которой затем появляется плотная  клеточная стенка. Органоиды (митохондрии, рибосомы, комплекс Гольджи и др.) распределяются между дочерними  клетками примерно в равных количествах.

  При митозе некоторых клеток сердечной мышцы  и печени перетяжка не образуется, поэтому часть клеток этих органов  — двуядерные.

  Обратим внимание на то, что все процессы митоза определяются преобразованиями хромосом. Удвоившись в интерфазе, хромосомы начинают спирализоваться и выходят в  профазе в цитоплазму. В метафазе они собираются в экваториальной зоне и разъединяются, чтобы в  анафазе разойтись к разным полюсам. На заключительном этапе телофазы хромосомы  принимают исходный вид тонких деспирализованных  нитей, характерных для интерфазы.

  Число хромосом. Посредством митотического деления  дочерние клетки получают набор хромосом материнской клетки, так что клетки всего организма имеют одни и  те же хромосомы.

  Клетки, образующие все ткани и органы тела, называют соматическими. Специализированные половые  клетки участвуют в воспроизведении. Соматические клетки содержат диплоидный (двойной) набор хромосом. В этом наборе каждый ген закодирован в  двух сходных (гомологичных) хромосомах. Набор половых клеток — гаплоидный (одинарный). Хромосомы половых клеток не имеют гомологов, каждый ген в  их наборе — единственный. Число  хромосом гаплоидного и диплоидного  наборов видоспецифично, то есть постоянно  для каждого вида организмов.

  Хромосомный набор соматических клеток человека включает 46 хромосом: 22 гомологичные пары и две непарные хромосомы, определяющие пол. В половых клетках человека содержится только 23 одиночных хромосомы. У курицы диплоидный набор включает 78 хромосом, а гаплоидный — 39. Примеры других наборов приведены в таблице.

  Анализ хромосомных  наборов показывает, что сложность  и совершенство различных организмов не определяется лишь количеством хромосом.

  Биологическое значение митоза. Помимо наращивания  тела, митоз имеет и другое, более  важное предназначение. В процессе митоза генетический материал воспроизводится. Благодаря этому возможно сохранение устройства и функционирования органов  и тканей в бесчисленных поколениях. Особенно важна идентичность генетического  материала для многоклеточных организмов, клетки которых находятся в тесном и слаженном взаимодействии. Точное воспроизведение и передача генетической информации составляет основное биологическое  значение митоза.

  Митотическое  деление обеспечивает важнейшие  процессы жизнедеятельности: эмбриональное  развитие и рост, регенерацию органов  и тканей после повреждения, поддержание  устройства и функционирования организма  при постоянной утрате им рабочих  клеток. Клетки кожи сшелушиваются, клетки эпителия кишечника разрушаются  активной средой, эритроциты интенсивно функционируют и быстро погибают, полностью они заменяются в организме  каждые четыре месяца (2,5 млн. клеток в  секунду).

  Способы размножения организмов

  Все известные  способы размножения организмов в природе сводятся к двум основным формам: бесполой и половой.

  Бесполое  размножение. В бесполой форме размножение  осуществляется родительской особью самостоятельно, без обмена наследственной информацией  с другими особями. Дочерний организм образуется путем отделения от родительской особи одной или нескольких соматических (телесных) клеток и дальнейшего  их размножения посредством митоза. Потомство наследует признаки родителя, являясь в генетическом отношении  его точной копией. Различают несколько  типов бесполого размножения.