ВОПРОС Программируемый некроз. Аутофагия. Митотическая катастрофа. Апоптоз/некрозные континиумы.

ВОПРОС Митоз – биологическое значение, характеристика фаз. Митотический аппарат – ахроматиновые, полюсные, астральные микротрубочки, механизм движения хромосом. Амитоз. Эндорепродукция.

Основные способы деления соматических клеток – митоз и амитоз. Митоз (греч. митос – нить) – непрямое деление клетки, преимущественный тип деления соматических клеток эукариот. Образующиеся при митозе дочерние клетки генетически идентичны материнской. Деление клеток впервые было описано Страсбургером (1875) в растительных клетках. Флемингом (1879) в животных клетках. Термин «митоз» был введен Флемингом в 1880 году. Амитоз – это деление клеточки, у которой ядро находится в интерфазном состоянии. При всем этом не происходит конденсации хромосом и образования веретена деления. Формально амитоз должен приводит к возникновению 2-ух клеток, но в большинстве случаев он приводит к разделению ядра и возникновению двух- либо многоядерных клеток. Начинается амитотическое деление с фрагментацией ядрышек, прямо за либо сразу делится перетяжкой ядро (либо инвагинацией). Может быть множественное деление ядра, обычно, неравной величины (при патологических процессах). Бессчетные наблюдения демонстрируют, что амитоз встречается практически всегда в клеточках отживающих, дегенерирующих либо не способных дать в предстоящем настоящие элементы. Так в норме амитотическое деление встречается в зародышевых оболочках животных, в фолликулярных клеточках яичника, в циклопических клеточках трофобластов. Положительное значение амитоз имеет в процессах регенерации тканей либо органов (регенеративный амитоз). Амитоз в стареющих клеточках сопровождается нарушениями биосинтетических процессов, включая репликацию, репарацию ДНК, также транскрипцию и трансляцию. Меняются физико-химические характеристики хроматина ядер клеток, состав цитоплазмы, структура и функции органоидов, что тянет за собой многофункциональные нарушения на всех следующих уровнях – клеточном, тканевом, органном и организменном. По мере нарастания деструкции и угасания восстановления наступает естественная погибель клеточки. Часто амитоз встречается при воспалительных процессах и злокачественных новообразованиях (индуцированный амитоз» Митоз. При делении эукариотической клетки на две, каждая дочерняя клетка должна получить - полный набор генов (для диплоидных клеток 2n), пару центриолей (в животных клетках) -определенное количество митохондрий. определенное количество рибосом, часть ЭПР, и других органелл. Обеспечение дочерних клеток точным диплоидным набором генов требует большой точности. Митоз включает - Кариокинез (деление ядра) – 4 основные фазы. Цитокинез (деление цитоплазмы). Митотическое деление включает 4 фазы: профаза, метафаза, анофаза и телофаза. Профаз -Самая продолжительная фаза клеточного деления- Начинается образование аппарата веретена деления, с участием центриолей и микротрубочек. Веретено деления обеспечивает выстраивание d-хромосом в одной плоскости, в середине клетки и передвижение S-хромосом к полюсам. Ядерная оболочка в конце профазы распадается и цитоплазма и кариоплазма сливаются. Метафаза. Хромосомы, состоят из из 2-х примыкающих друг к другу S-хромосом (хроматид). Они выстраиваются на экваторе клетке, формируя метафазную пластинку Анафаза. Начинается анафаза с расщепления центромерной области каждой из хромосом, в результате чего две S-хромосомы полностью отделяются одна от другой. Благодаря этому каждая дочерняя клетка получает по идентичному набору из 46-ти S-хромосом. После разделения центромер одна из S-хромосом начинает двигаться к одному полюсу, другая к другому. Телофаза. У каждого полюса происходит диспирализация хромосом в обратном порядке от хромосомного до нуклеосомного уровня. Наконец, наследственное вещество принимает вид глыбок хроматина, либо плотно упакованных, либо деконденсированных. Вновь формируется ядрышко, ядерная оболочка, окружающая хроматин и кариоплазма. В метафазу все диады занимают одинаковое положение в экваторе клетки и образуют метафазную пластинку. В это время хромосомы наиболее компактны. Значение митоза - Размножение – например у одноклеточных организмов (амеба); Развитие, рост и генетическое постоянство – у многоклеточных митоз – это часть эмбрионального развития, роста, регенерации и наследственности; Цитокинез. В след за делением ядра происходит деление цитоплазмы. В животных клеточках происходит образование в кортикальном слое «сократимого кольца» из микрофиламентов. Эти структуры состоят из белков актина и миозина, способных к сокращению. Сокращаясь они обеспечивают разделение цитоплазмы методом инвагинации плазмалеммы». Эндорепродукция. Этот способ характеризуется тем, что после митоза новообразованные клетки вступают как обычно в G1-период, затем и в S-период. Однако после удвоения ДНК такие клетки не вступают в G2-период и в митоз. В результате количество ДНК оказывается вдвое увеличенным 4н, 4с и такие клетки называются полиплоидными. Полиплоидные клетки могут снова вступать в S-период и снова увеличивать свою плоидность (8n, 8с; 16н, 16с и так далее). В полиплоидных клетках увеличивается размер ядра и цитоплазмы, то есть такие клетки являются гипертрофированными. Некоторые полиплоидные клетки после редупликации ДНК вступают в митоз, однако он не заканчивается цитотомией и такие клетки становятся двуядерными. Таким образом, при эндорепродукции увеличения числа клеток не происходит, но увеличивается количество ДНК, число органелл, а следовательно, увеличивается и функциональная способность полиплоидной клетки. Способностью к эндопродукции обладают не все клетки. Наиболее характерна эндопродукция для печеночных клеток, особенно с увеличением возраста (в старости 80 % гепатоцитов у человека являются полиплоидными), а также для ацинозных клеток поджелудочной железы, эпителия мочевого пузыря.

ВОПРОС. Уровни регуляции митотической активности: внутриклеточный (на этапах транскрипции, трансляции, роль триггерных белков), контактное торможение, позиционная информация, полипептидные регуляторы пролиферации (стимуляторы и ингибиторы).

Главные события митотического цикла заключаются в редупликации (самоудвоении) наследственного материала материнской клетки и в равномерном распределении этого материала между дочерними клетками. Указанным событиям сопутствуют закономерные изменения химической и морфологической организации хромосом — ядерных структур, в которых сосредоточено более 90% генетического материала эукариотической клетки (основная часть внеядерной ДНК животной клетки находится в митохондриях). Хромосомы во взаимодействии с внехромосомными механизмами обеспечивают: а) хранение генетической информации, б) использование этой информации для создания и поддержания клеточной организации, в) регуляцию считывания наследственной информации, г) удвоение (самокопирование) генетического материала, д) передачу его от материнской клетки дочерним. В организме митоз контролируются системой нейрогуморальной регуляции, которая осуществляется нервной системой, гормонами надпочечников, гипофиза, щитовидной и половых желёз, а также местными факторами (продукты тканевого распада, функциональная активность клеток). Взаимодействие различных регуляторных механизмов обеспечивает как общие, так и местные изменения митотической активности. Митоз опухолевых клеток выходят из-под контроля нейрогуморальной регуляции. Выражением регуляции митоза в связи с взаимодействием организма и среды служит суточный ритм деления клеток. В большинстве органов ночных животных максимум митоза отмечается утром, а минимум - в ночное время. У дневных животных и человека отмечается обратная динамика суточного ритма. Суточный ритм митоза - следствие цепной реакции, в которую вовлекаются ритмические изменения внешней среды (освещённость, температура, режим питания и др.), ритм функциональной активности клеток и изменения процессов обмена веществ.

В каждой клетке тела заключена генетическая информация, достаточная для того, чтобы был воспроизведен весь организм. Эта информация записана в структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и заключена в генах, расположенных в ядре.
Клетка имеет свои внутриклеточные регуляторы, причем их структура одинакова и у микробов, и в клетках высших организмов. Одна группа этих регуляторов построена из продуктов обмена глюкозы (циклически нуклеотиды), главным образом представителем которых является циклический аденозимонофосфат (или цАМФ); вторая – из продуктов обмена жирных кислот (простагландины). Так, из энергетических субстратов создается система регуляции для использование этих субстратов. Оболочка клетки - мембрана играет большую роль она является своего рода антенной или рецептаром, настроенным на восприятие одних сигналов и нечувствительных к другим. В соответствие с сигналами, поступающими с рецептаров мембраны, клетка меняет свою активность, скорость процесса деления и т.д. Так благодаря мембране клетка отвечает только на нужный ей сигнал или согласовывает первый уровень регуляции - внутриклеточный – с требованиями, предъявляемыми клетке организмом. Второй уровень регуляции – надклеточный – создается гормонами. Гормоны – специальные вещества, вырабатывающиеся главным образом в эндокринных железах; поступают через кровь, они оказывают влияние на деятельность чувствительных к ним клеток.

ВОПРОС Мейоз – биологический смысл. Мейоз I – редукционное деление. Коньюгация, биваленты, хиазм, кроссинговер. Отличие М I от митоза. Мейоз II – эквационное деление. Формирование гаплоидных гамет

. МЕЙОЗ. Мейоз (от греч. meiosis - уменьшение) - процесс деления клеточного ядра с образованием четырех дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом, чем исходное ядро. Мейоз - редукционное деление: происходит уменьшение числа хромосом в клетке с диплоидного (2n) до гаплоидного (n). Мейоз сопровождает образование гамет у животных и образование спор у растений. В результате мейоза получаются гаплоидные ядра, при слиянии которых во время оплодотворения восстанавливается диплоидный набор хромосом. Мейоз включает два последовательных деления. В каждом мейотическом делении выделяют четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Первое мейотическое деление называют редукционным. В результате и одной клетки с диплоидным набором хромосом образуются две с гаплоидным набором. Профаза I - профаза первого мейотического деления – самая продолжительная. Ее условно делят на пять стадий: лептотену, зиготену, пахитену, диплотену и диакинез.

Первая стадия - лептотена - характеризуется увеличением ядра. В ядре виден диплоидный набор хромосом. Хромосомы представляют собой длинные, тонкие нити. Каждая хромосома состоит из двух хроматид. Хроматиды имеют хромомерное строение. Начинается спирализация хромосом. Во время второй стадии профазы 1 - го мейотического деления - зиготене происходит конъюгация гомологичных хромосом. Гомологичными называют хромосомы, имеющие одинаковую форму и размер: одна из них получена от матери, другая от отца. Гомологичные хромосомы притягиваются и прикладываются друг к другу по всей длине. Центромера одной из парных хромосом точно прилегает к центромере другой, и каждая хроматида прилегает к гомологичной хроматиде другой. Третья стадия - пахитена - стадия толстых нитей. Конъюгирующие хромосомы тесно прилегают друг к другу. Такие сдвоенные хромосомы называют бивалентами. Каждый бивалент состоит из четверки (тетрады) хроматид. Число бивалентов равно гаплоидному набору хромосом. Происходит дальнейшая спирализация. Тесный контакт между хроматидами дает возможность обмениваться идентичными участками в гомологичных хромосомах. Это явление называется кроссинговер (англ. crossing over - перекрест). Четвертая стадия - диплотена - характеризуется возникновением сил отталкивания. Хромосомы, составляющие биваленты, начинают отходить друг от друга. Расхождение начинается в области центромер. Хромосомы соединены между собой в нескольких точках. Эти точки называют хиазмами (от греч. chiasma - перекрест), т. е. местами, где произойдет кроссинговер. В каждой хиазме осуществляется обмен участками хроматид. Хромосомы спирализуются и укорачиваются. Пятая стадия - диакинез - характеризуется максимальной спирализацией, укорочением и утолщением хромосом. Отталкивание хромосом продолжается, но они остаются соединенными в биваленты своими концами. Ядрышко и ядерная оболочка растворяются. Центриоли расходятся к полюсам. Таким образом, в профазе 1 - го мейотического деления происходят три основных процесса: 1) конъюгация гомологичных хромосом; 2) образование бивалентов хромосом или тетрад хроматид; 3 ) кроссинговер.

Метафаза I. В метафазе первого мейотического деления биваленты хромосом располагаются по экватору клетки, образуя метафазную пластинку. К ним прикрепляются нити веретена деления. Анафаза I. В анафазе первого мейотического деления к полюсам клетки расходятся хромосомы, а не хроматиды. В дочерние клетки попадают только по одной из пары гомологичных хромосом. Телофаза I. В телофазе первого мейотического деления число хромосом в каждой клетке становится гаплоидным. Хромосомы состоят из двух хроматид.

Вследствие кроссинговера при образовании хиазм, хроматиды генетически не однородны. На короткое время образуется ядерная оболочка, хромосомы деспирализуются, ядро становится интерфазным. Затем у животной клетки начинается деление цитоплазмы, а у растительной клетки формирование клеточной стенки. У многих растений нет телофазы I, клеточная стенка не образуется, нет интерфазы II, клетки сразу переходят из анафазы I в профазу II.

Интерфаза II. Эта стадия есть только у животных клеток. Во время интерфазы между первым и вторым делением в S период не происходит редупликация молекул

ДНК. Второе мейотическое деление называют эквационным. Оно похоже на митоз.

Из хромосом, имеющих две хроматиды, образуются хромосомы, состоящие из одной хроматиды. Профаза II. В профазе второго мейотического деления хромосомы утолщаются и укорачиваются. Ядрышко и ядерная оболочка разрушаются. Образуется веретено деления.

Метафаза II. В метафазе второго мейотического деления хромосомы выстраиваются вдоль экватора. Нити ахроматинового веретена отходят к полюсам. Образуется метафазная пластинка. Анафаза II. В анафазе второго мейотического деления центромеры делятся и тянут за собой к противоположным полюсам отделившиеся друг от друга хроматиды, называемые хромосомами. Телофаза II, В телофазе второго мейотического деления хромосомы деспирализуются, становятся невидимыми. Нити веретена исчезают. Вокруг ядер формируется ядерная оболочка. Ядра содержат гаплоидный набор хромосом.Происходит деление цитоплазмы и образование клеточной стенки у растений. Из одной исходной клетки образуются четыре гаплоидных клетки.

ЗНАЧЕНИЕ МЕЙОЗА 1. Поддержание постоянства числа хромосом. Если бы не возникало редукциичисла хромосом при гаметогенезе, и половые клетки имели гаплоидный набор

хромосом, то из поколения в поколение возрастало бы их число. 2. При мейозе образуется большое число новых комбинаций негомологичных хромосом. 3. В процессе кроссинговера имеют место рекомбинации генетического материала. Практически все хромосомы, попадающие в гаметы, содержат участки, происходящие как первоначально от отцовской, так и от материнской хромосомы.Этим достигается большая степень перекомбинации наследственного материала. В этом одна из причин изменчивости организмов, дающая материал для отбора.

ОТЛИЧИЯ МИТОЗА ОТ МЕЙОЗА

При митозе в профазе нет конъюгации гомологичных хромосом и кроссинговера

Удвоение хромосом соответствует каждому делению клетки. В метафазе при митозе на экваторе выстраиваются хромосомы, состоящие из двух хроматид. В анафазе при митозе к полюсам расходятся хроматиды. В телофазе дочерние клетки содержат то же число хромосом, что и материнские. При мейозе в профазе I происходит конъюгация гомологичных хромосом, имеет место кроссинговер. Образуются биваленты хромосом. В метафазе I при мейозе на экваторе располагаются биваленты хромосом. При мейозе в анафазе I к полюсам расходятся хромосомы, состоящие из двух хроматид. В телофазе I мейоза число хромосом в дочерних клетках вдвое меньше, чем в материнских. Между I и II делениями мейоза в интерфазе нет синтеза ДНК. Мейоз осуществляется в диплоидных и полиплоидных клетках. В результате мейоза из одной клетки образуются четыре гаплоидных. Мейоз у человека имеет место во время овогенеза и сперматогенеза. Биологический смысл митоза состоит в строго одинаковом распределении между дочерними клетками материальных носителей наследственности — молекул ДНК, входящих в состав хромосом материнской клетки. Как известно при оплодотворении ядра родительских клеток (гамет) сливаются, что привело бы к увеличению вдвое количества ДНК и хромосом в зиготе и соответственно во всех клетках организма (2n – 4n – 8n и т.д.). как это объяснить, если учесть, что новый организм содержит такое же количество ДНК, как и материнский? Так, при образовании половых клеток существует механизм уменьшения числа хромосом, который компенсирует удвоение их набора при оплодотворении - мейоз (от греч. meiosis — уменьшение) — это особый способ деления клеток, в результате кото­рого происходит редукция (умень­шение) числа хромосом вдвое и пе­реход клеток из диплоидного состо­яния 2п в гаплоидное п. Путем мейоза образуются споры и половые клетки — гаметы. Из-за редукции хромосомного набора в каждую гаплоидную спору и га­мету попадает по одной хромосоме из каждой пары хромосом, имев­шихся в материнской клетке. В ходе последующего процесса опло­дотворения (слияния гамет) орга­низм нового поколения получит также диплоидный набор хромосом, т.е. сохранит присущий данному виду организмов кариотип. Важ­нейшее значение мейоза заключа­ется в обеспечении постоянства кариотипа в ряду поколений орга­низмов данного вида.

ВОПРОС Гипотезы инволюции онтогенезов (старение): популяционно-генетическая, метилирование, свободно-радикальная, элевационная, накопление соматических мутаций, хромосомная, роль эпифиза. Система антиоксидантной защиты организма от старения. Проблема концевой репликации, теломераза, «гены бессмертия».

Долгожительство человека, как и других биологических видов, определяется высокой индивидуальной гомозиготностью. Частота мутаций в половых клетках мужчин много выше, чем у женщин и пропорциональна возрасту, в случае отцовства в позднем возрасте потомство подвергается большому риску генетических нарушений, и соответственно, риску иметь меньшую продолжительность жизни. Особенно это касается дочерей старых отцов. Установлено, что ген bcl -2 кодирует белки мембраны митохондрий и его функция проявляется в фенотипе бессмертия в тех клетках, где он экспрессируется. Однако, в отличие от всех других онкогенов, он не вызывает клеточную пролиферацию, вместо этого клетки находились в персистентном состоянии, даже находясь под влиянием гормонов. Ген bcl -2 блокирует апоптоз, что продлевает жизнь клеток. Продукт гена bcl -2 препятствует токсичному эффекту гидроксильных радикалов, защищая стареющие клетки от оксидативного (окислительного) стресса. Ген белка р53 также чрезвычайно важен для контроля как эволюции раковых клеток - ограничивает их бесконтрольный рост, так и клеточного старения - выполняет функцию удаления старых нефункционирующих клеток. Белок р53 ведет себя как антионкоген: его введение в трансформированные клетки подавляет их неконтролируемую пролиферацию. Мутации гена р53 являются наиболее распространенными мутациями в клетках опухолей человека, они найдены в опухолях различной локализации. Гены аполипопротеина Е (АпоЕ) н ангиотензинпревращающего фермента (АПФ) играют важную роль в липндном метаболизме и непосредственно влияют на продолжительность жизни.

Свободнорадикальная теория старения. В последние годы фундаментальных теорий является свободнорадикальная теория старения практически одновременно выдвинутая Харманом (1956г.) и Эмануэлем (1958 г.). Эта теория объясняет не только механизм старения, но и широкий круг связанных с ним патологических процессов (сердечно-сосудистые заболевания, возрастные иммунодепрессия и дисфункция мозга, катаракта, рак и некоторые другие). Согласно этой теории продуцируемые главным образом в митохондриях клеток молекулы супероксида, перекиси водорода - гидроксильного радикала (НО ·) и, возможно, синглетного кислорода (·О) повреждают клеточные макромолекулы (ДНК, белки, липиды). Повреждение мембран коллагена, ДНК, хроматина, структурных белков влияют на внутриклеточный уровень кальция и т.д. Подсчитано, что за 70 лет жизни человека организм производит около 1 тонны радикалов кислорода, хотя только 2 -5% вдыхаемого с воздухом кислорода превращается в его токсические радикалы. К основным эндогенным факторам антиоксидантной защиты организма относятся некоторые ферменты и витамины. Видовая продолжительность жизни прямо коррелирует с активностью СОД содержанием бета-каротина, альфа-токоферола и мочевой кислоты в сыворотке крови. После воздействия различных факторов, вызывающих и невызывающих окислительное повреждение ДНК (пируват, перекись водорода, трет-бутилгидропироксид, арсинит Na, гидроксид Na) положительно коррелирует с максимальной продолжительностью жизни вида. Авторы полагают, что генетические механизмы, регулирующие клеточный ответ на стресс, индуцируемый различными факторами, функционально существенны для старения и определяют долголетие. Роль эпифиза в механизмах старения. Наиболее существенное для живой природы явление на Земле - смена дня и ночи, света и темноты. Вращение её вокруг своей оси и одновременно - вокруг солнца отмеряет сутки, сезоны и годы нашей жизни. Всё больше сведений накапливается о роли эпифиза (шишковидной железы) как основного ритмоводителя функций организма. Свет угнетает продукцию и секрецию мелатонина, поэтому его максимальный уровень в эпифизе и крови у человека и животных многих видов наблюдается в ночные часы, а минимальный - в утренние и дневные. При старении функция эпифиза снижается, что выражается, прежде всего, в нарушении ритма секреции мелатонина и снижении уровня его секреции. Если эпифиз - солнечные часы организма, то, очевидно, любые изменения длительности светового дня должны существенным образом сказываться на его функциях и, в конечном счёте, на скорости его старения. Изменение длительности светового дня существенно модифицирует функции организма, в частности, репродуктивную и иммунную, развитие возрастной патологии и, следовательно, может сказываться на продолжительности жизни. В 1959 г. было установлено, что удаление эпифиза в молодом возрасте приводит к существенному изменению продолжительности жизни. В I960 г. румынский геронтолог Пархон сообщил о продлении жизни старых крыс с помощью вытяжки из эпифиза - это экстракт эпифиза (получивший позднее название эпиталамин). Применение эпиталамина наряду с увеличением продолжительности жизни сопровождалось уменьшением частоты развития опухоли. Перспективны результаты применения эпиталамина в клинической практике для профилактики преждевременного старения и развитие возрастной патологии у человека. В 1987 г. Пьерпаоли и Маэстрони сообщили о том, что старые мыши, которым с питьевой водой на ночь давали мелатонин, жили на 2 года дольше контрольных и выглядели явно бодрее последних. Как мелатонин, так и эпиталамин стимулируют клетки иммунной системы организма и замедляют старение иммунной системы, они нормализуют ряд возрастных нарушений жиро-углеводного обмена, продлевают циклическую деятельность яичников у самок мышей и крыс, восстанавливают репродуктивную функцию у старых животных. Молекулярный кислород сам по себе обычно не вступает в неконтролируемые химические реакции внутри организма, для его активации нужны ферментативные процессы – главные ферменты метаболизма кислорода у млекопитающих: оксидазы и оксигеназы. Но в каталитических центрах этих ферментов кислород испытывает превращения до конечных соединений, не выделяясь в среду и не подвергая опасности органические макромолекулы клетки, повреждающими же агентами являются активные формы кислорода (АФК), образующиеся в ряде физико-химических процессов в организме. Главные активные формы кислорода (Осипов и др., 1990): супероксидные радикалы (О₂^-), перекись водорода (Н₂О₂), гидроксильные (свободные) радикалы (* ОН, НО₂*), синглетные формы кислорода (¹О₂), ионы НО₂-. Синглетный кислород образуется в реакциях фотоокисления в присутствии так называемых фотосенсибилизаторов: флавины, гематопорфирин, хлорофилл и др., а также при дисмутации супероксидных радикалов (Khan, 1970). Синглетный кислород агрессивен в отношении биосубстратов, в особенности в отношении молекул с двойной связью; конечным итогом таких реакций обычно является образование гидроперекисей органических молекул – один из важнейших в процессах перекисного окисления ненасыщенных липидов в биомембранах (Осипов, 1990, Roschupkin, Pelenitsin, Potapenko etc, 1975). Главным механизмом защиты организма от данных форм АФК является фермент супероксиддисмутаза (СОД), активность ее обычно достаточна, чтобы инактивировать их в месте образования, не допуская диффузии в среде макромолекул ткани. Супероксиддисмутаза является важнейшим элементом антиоксидантной защиты организма. Это фермент из двух субъединиц с общей молекулярной массой 32 кДа, содержащий по одному атому меди и цинка (существует также марганец-содержащая СОД, обнаруженная в печени крысы и человека; в бактериальных клетках обнаружена железо-содержащая СОД). Фермент ускоряет распад О₂^- на 4 порядка. Активность СОД обычно определяют по ингибированию содержащих СОД биологическими экстрактами и жидкостями образования под действием О₂^- окрашенных продуктов из субстратов, например, тетразолия нитросинего (Чевари., Чаба., Секей 1981).
Основные механизмы появления АФК в организме связаны обычно с нарушениями функционирования электроннотранспортных цепей митохондрий или микросом, а также при изменении свойств дегидрогеназ. Особняком стоит нормальный процесс формирования АФК фагоцитами в ходе стимуляции неспецифической защиты организма. Преемственность генетического материала в поколениях клеток и организмов обеспечивается процессом репликации - удвоения молекул ДНК. В результате этого сложного процесса, осуществляемого комплексом нескольких ферментов и не обладающих каталитической активностью белков, необходимых для придания полинуклеотидным цепям нужной конформации, образуются две идентичные двойные спирали ДНК. Эти так называемые " дочерние" молекулы ничем не отличаются друг от друга и от исходной " материнской" молекулы ДНК. Репликация происходит в клетке перед делением, поэтому каждая дочерняя клетка получает точно такие же молекулы ДНК, какие имела материнская клетка. " Проблема концевой репликации" заключается в том, что все известные ДНК-полимеразы, являющиеся ключевыми ферментами сложного репликативного белкового комплекса, неспособны полностью реплицировать концы линейных молекул ДНК. Для того чтобы клетки не теряли при делении часть генетического материала, 3'-концы ДНК хромосом эукариот наращиваются перед каждым раундом репликации короткими повторяющимися последовательностями. Это осуществляется ферментами - теломеразами. Итак, теломераза решает проблему «концевой репликации»: синтезирует повторы и поддерживает длину теломер. В отсутствие теломеразы с каждым клеточным делением теломеры становятся короче и короче, и в какой-то момент теломерный комплекс разрушается, что служит сигналом к программируемой гибели клетки. То есть длина теломер определяет, какое количество делений клетка может совершить до своей естественной гибели. У разных клеток могут быть разные сроки жизни. В эмбриональных стволовых клеточных линиях теломераза очень активна, поэтому длина теломер поддерживается на постоянном уровне. Вот почему эмбриональные клетки — «вечно молодые» и способны к неограниченному размножению. В обычных стволовых клетках активность теломеразы ниже, поэтому укорачивание теломер скомпенсировано лишь отчасти. В соматических клетках теломераза вовсе не работает, поэтому теломеры укорачиваются с каждым клеточным циклом. Укорочение теломер приводит к достижению предела Хайфлика — к переходу клеток в состояние сенессенса. После этого наступает массовая клеточная смерть. Уцелевшие клетки перерождаются в раковые (как правило, в этом процессе задействована теломераза). Раковые клетки способны к неограниченному делению и поддержанию длины теломер. Проблему «концевой репликации» ещё в 1970-х годах независимо сформулировали Алексей Матвеевич Оловников и нобелевский лауреат Джеймс Уотсон.

ВОПРОС Апоптоз – генетически запрограммированная гибель клетки. Пути запуска апоптоза. Инструктивный апоптоз и «рецепторы смерти»: взаимодействие с лигандом и передача сигнала в клетку, энзимы (каспазы) апоптоза и некроза, отличие морфологического проявления путей гибели, отличие в механизмах гибели клетки.

АПОПОТОЗ - Запрограммированная гибель клеток. Апоптоз может происходить без первичного нарушения клеточного метаболизма. При этом в результате воздействия различных стимулов происходит активация в ядре некоторых генов, ответственных за самоуничтожение клетки. Программа такого самоуничтожения (запрограммированной гибели клетки) может включаться в результате воздействия на клетку сигнальных молекул (часто это различные белковые факторы или различные гормоны). Так, некоторые лейкоциты погибают при действии на них глюкокортикоидов. К активации генов самоуничтожения может приводить прекращение выработки регулирующего сигнала. Например, после удаления семенников полностью погибают клетки предстательной железы. Апоптоз наблюдается при нормальном эмбриональном развитии организма. Так, клетки тканей головастиков погибают в результате активации этого процесса гормонами. Гибнут клетки эмбриональных закладок, например клетки протока первичной почки, нейробласты периферических ганглиев и др. Во взрослом организме апоптозу подвергаются клетки молочной железы при ее инволюции, клетки желтого тела яичника. Морфологически процесс апоптоза значительно отличается от некроза. На ранних его стадиях происходит возрастание уровня кальция в цитоплазме, но при этом мембранные органеллы не изменяются, синтез РНК и белка не снижается. Позднее в ядре хроматин конденсируется, образуя грубые скопления по периферии ядра. Ядра начинают фрагментироваться, распадаться на «микроядра», каждое из которых покрыто ядерной оболочкой. Затем или одновременно с этим цитоплазма также начинает фрагментироваться. От клетки отшнуровываются крупные фрагменты, часто содержащие «микроядра». Это так называемые апоптотические тельца. Апоптотические тельца в норме поглощаются соседними клетками или фагоцитами, а также претерпевают вторичные некротические изменения и в конце концов растворяются.

АПОПОТОЗ - Запрограммированная гибель клеток — естественный процесс массовой гибели клеток и элиминации целых клонов в ходе эмбрионального развития, гистогенеза и морфогенеза органов. В данном случае речь идёт о гибели клеток, не достигших состояния терминальной дифференцировки. Примером служит запрограммированная гибель нейробластов (от 25 до 75%) на определённых этапах развития нервной системы. Запрограммированная гибель клеток реализуется преимущественно путём апоптоза. Апоптоз реализуется при запрограммированной гибели клеток: при гибели клеток, выполнивших свою функцию, и клеток с повреждённым геномом. При апоптозе цитоплазма клетки уплотняется, конденсируется хроматин, фрагментируется ДНК. На заключительных этапах апоптоза клетка распадается на части, фагоцитируемые макрофагами и гранулоцитами.

Апоптоз и продолжительность жизни. Выявление роли соматических мутаций и репараций ДНК в механизмах старения ставит вопрос об их непосредственной связи с процессами дифференцировки и программированной клеточной гибели (апоптоз) и злокачественного роста. Ответ на повреждение ДНК является ключевым звеном для выживания многоклеточного организма. Установлена ключевая роль антионкогена р53 в феномене апоптоза. Опосредованная р53 остановка пролиферации в стадии G1 или G2 клеточног цикла необратима. Такая клетка хотя и не погибнет, но и генетически она уже " мертва", поскольку не способна к развитию опухоли. Мишенями для р53 являются несколько специфичных генов: ген Вах, ген Вс12, рецептор инсулиноподобного фактора роста-1 (IGF-1). Р53 участвует в реакции клетки на воздействия, которые не повреждают непосредственно ДНК, например, при физических травмах, тепловом шоке, гипоксии. Прекращение способности к пролиферации клеток в культуре можно было объяснить потерей экспрессии пострепликагавных генов. Репрессия генов GI фазы, увеличение экспресси гена антиапоптоза Ьс12 и отсутствие протеолиза представляется, по обратному выражению Ванг, крепким " тройным замком", который предотвращает апоптотическую гибель стареющих фибробластов (клеток). Было установлено, что в коже пожилых людей в большом количестве содержится стареющие фибробласты. Накопление в тканях с возрастом резистентных к апоптозу стареющих клеток, возможно, является тем айсбергом, который аккумулирует множественные повреждения, приводящие, в конечном счёте, к неоплазии, нейродегенерагивным процессам или вторичной смерти вследствие инфаркта миокарда.

ВОПРОС Программируемый некроз. Аутофагия. Митотическая катастрофа. Апоптоз/некрозные континиумы.

Некроз вызывается главным образом различными внешними факторами, химическими или физическими, которые прямо или опосредованно влияют на проницаемость мембран или на клеточную энергетику. Во всех этих случаях наблюдается достаточно монотонная последовательность нарушения клеточных функций и структур. Общим является то, что в клетке происходит изменение ионного состава, наблюдаются набухание органелл, прекращение синтеза АТФ, белков, нуклеиновых кислот, деградация ДНК, активация лизосомных ферментов, что в конечном итоге приводит к растворению клетки - лизису.

Изменения в ядре – набухание ядра и сдвиг его на периферию клетки, расширение перинуклеарного пространства, образование инвагинаций кариолеммы (впячивание внутрь ядра его оболочки), конденсация хроматина. К патологическим изменениям ядра относят: · пикноз – сморщивание ядра и коагуляция (уплотнение) хроматина; · кариорексис – распад ядра на фрагменты; · кариолизис – растворение ядра. Изменения в цитоплазме – уплотнение, а затем набухание митохондрий, дегрануляция зернистой эндоплазматической сети (слущивание рибосом), а затем и фрагментация канальцев на отдельные вакуоли, расширение цистерн, а затем распад на вакуоли пластинчатого комплекса Гольджи, набухание лизосом и активация их гидролаз, увеличение числа аутофагосом, в процессе митоза – распад веретена деления и развитие патологических митозов. Изменения цитоплазмы могут быть обусловлены структурными изменениями плазмолеммы, что приводит к усилению ее проницаемости и гидратации гиалоплазмы, нарушением обмена веществ, что сопровождается снижением содержания АТФ, снижением расщепления или увеличением синтеза включений (гликогена, липидов) и их избыточном накоплении. После устранения неблагоприятных воздействий на организм реактивные (адаптивные) изменения структур исчезают и морфология клетки восстанавливается. При развитии патологических (дезадаптивных) изменений даже после устранения неблагоприятных воздействий структурные изменения нарастают и клетка погибает.

Аутофагия (от др.-греч. α ὐ τ ό ς ауто- — сам и φ α γ ε ῖ ν — «есть») — это процесс, при котором внутренние компоненты клетки доставляются внутрь её лизосом (у млекопитающих) или вакуолях (клетки дрожжей) и подвергаются в них деградации. Различают три типа аутофагии — микроаутофагию, макроаутофагию и шаперон-зависимую аутофагию. При микроаутофагии макромолекулы и обломки клеточных мембран просто захватываются лизосомой. Таким путём клетка может переваривать белки при нехватке энергии или строительного материала (например, при голодании). Но процессы микроаутофагии происходят и при нормальных условиях и в целом неизбирательны. Иногда в ходе микроаутофагии перевариваются и органоиды; так, у дрожжей описана микроаутофагия пероксисом и частичная микроаутофагия ядер, при которой клетка сохраняет жизнеспособность^[. При макроаутофагии участок цитоплазмы (часто содержащий какие-либо органоиды) окружается мембранным компартментом, похожим на цистерну эндоплазматической сети. В результате этот участок отделяется от остальной цитоплазмы двумя мембранами. Такие двухмембранные органеллы, окружающие удаляемые органеллыи цитоплазму, называются аутофагосомы. Аутофагосомы соединяются с лизосомами, образуя аутофаголизосомы, в которыхорганеллы и остальное содержимое аутофагосом перевариваются. Видимо, макроаутофагия также неизбирательна, хотя часто подчеркивается, что с помощью неё клетка может избавляться от «отслуживших свой срок» органоидов (митохондрий. рибосом и др.). Третий тип аутофагии — шаперон-опосредованная. При этом способе происходит направленный транспорт частично денатурировавших белков из цитоплазмы сквозь мембрану лизосомы в её полость, где они перевариваются. Этот тип аутофагии, описанный только для млекопитающих, индуцируется стрессом. Она происходит при участии цитоплазматических белков-шаперонов семейства hsc-70, вспомогательных белков и LAMP-2, который служит мембранным рецептором комплекса шаперона и белка, подлежащего транспорту в лизосому. При аутофагическом типе клеточной гибели перевариваются все органеллы клетки, оставляя лишь клеточный дебрис, поглощаемый макрофагами.

Митотическая катастрофа. Понятие «митотической катастрофа» было введено для обозначения гибели клеток, в которых проявлялись признаки патологии митоза. Согласно одним представлениям, митотическая катастрофа - это реализация апоптотической программы собственно в процессе митоза (Castedo et al., 2004). При этом сегрегация хромосом отсутствует, и клетка блокируется в одной из фаз митоза. Как правило, блок происходит в так называемом К-митозе (колхицино-подобном митозе), когда в митотической клетке нарушены организация веретена и выстраивание хромосом в виде метафазной пластинки. Далее происходит активация каспаз и последующие деструктивные события по типу апоптотических. Митохондриальный путь активации программы апоптоза считают преобладающим при гибели клеток собственно в митозе. Завершается апоптоз образованием апоптотических телец и их фагоцитозом. Вторым подтипом митотической катастрофы является гибель клеток, перешедших после аномального митоза в следующую G1-фазу без нормальной сегрегации хромосом и образования дочерних клеток (Roninson et al., 2001), т.е. постмитотическая гибель полиплоидных клеток. При общей эуплоидности полиплоидной клетки ее отдельные ядра являются в основном анеуплоидными. Данный подтип митотической катастрофы может быть назван апоптозом клетки, прошедшей полиплоидизирующий митоз.

Причиной митотической катастрофы считают нарушение процессов контроля в клетках, в которых могли произойти повреждения ДНК или нарушения сборки веретена (Castedo et al., 2004). Ключевым моментом в блокировании клеточного цикла и в индукции в этих клетках апоптоза является экспрессия р53, который служит фактором транскрипции для р21 – ингибитора G1–фазы клеточного цикла и для ряда проапоптотических белков.

Митотическая катастрофа принципиально отличается от апоптоза одноядерных клеток и аутофагической гибели тем, что нарушение ее программы может существенно повлиять на хромосомный состав клеток. Если в тетраплоидной клетке, возникшей в результате нарушения сегрегации хромосом, неактивны механизмы, ведущие к апоптозу или действующие в пункте проверки G1–фазы, то такая клетка может пройти очередной клеточный цикл и митоз. Как известно, деление полиплоидных клеток часто сопровождается многополюсностью веретена, в результате чего после сегрегации хромосом могут возникать анеуплоидные клетки. Анеуплоидия может вести в свою очередь к отсутствию пунктов контроля пролиферации и нарушению механизмов гибели клеток. Клоны потомков таких клеток могут служить основой для трансформации клеток и роста опухолей (Castedo et al., 2004). Недавно появились данные о том, что изменение хромосомного состава диплоидных клеток действительно может влиять на их способность вступать в апоптоз. Обнаружено, что если сестринские клетки, образовавшиеся в результате многополюсного митоза и являющиеся анеуплоидными, подвергнуть апоптотическому воздействию, погибает лишь часть таких клеток. Другие же сестринские клетки остаются жизнеспособными (Александрова, Онищенко, 2004). Пока остается неясным, как долго эти клетки продолжают жить. Но такие жизнеспособные анеуплоидные клетки можно, безусловно, рассматривать в качестве одного из этапов озлокачествления опухолей. Таким образом, преодоление именно митотического пункта проверки без нормализации состояния клетки (например, формирование многополюсного, а не биполярного веретена, образование микроядер) может быть источником клонов клеток, генетический состав которых, а значит, и их свойства, резко отличаются от исходных родительских клеток. Причиной митотической катастрофы считают нарушение процессов контроля в клетках, в которых могли произойти повреждения ДНК или нарушения сборки веретена (Castedo et al., 2004). Ключевым моментом в блокировании клеточного цикла и в индукции в этих клетках апоптоза является экспрессия р53, который служит фактором транскрипции для р21 – ингибитора G1–фазы клеточного цикла и для ряда проапоптотических белков.

Программированный некроз. Длительное время некроз рассматривали лишь как вариант неспецифической гибели клетки. Фактической причиной гибели при некрозе считают резкое падение содержания АТФ в клетках до такого уровня, который не совместим с жизнью (Fiers et al., 1999; Edinger, Thompson, 2004). «Энергетическая катастрофа» может быть вызвана, например, токсинами или физическими повреждениями. Морфологическими признаками некроза является набухание клеток и их мембранных органелл, неспецифическая компактизация хроматина, вакуолизация цитоплазмы, нарушение целостности плазматической мембраны и выход содержимого клеток во внеклеточное пространство. В итоге в многоклеточном организме в области некроза развивается воспалительная реакция.

8. ВОПРОС Предмет и задачи Биологии клетки. Определение понятия клетка.

История возникновения клеточной теории. 1838-1839 г. Т. Шванн, М. Шлейден основали клеточную теорию. Цитология (греч. kytos — ячейка, клетка) — наука о клетке. Предметом ее изучения является клетка как структурная и функциональная единица жизни. В задачи цитологии входит изучение строения и функционирования клеток, их химического состава, функций отдельных клеточных компонентов, познание процессов воспроизведения клеток, приспособления к условиям окружающей среды, исследование особенностей строения специализированных клеток, этапов становления их особых функций, развития специфических клеточных структур и др. Для решения этих задач в цитологии используются различные методы. Основным методом изучения клеток является световая микроскопия. Для исследования химического состава, выяснения локализации отдельных химических веществ в клетке широко используются методы цито- и гистохимии, основанные на избирательном воздействии реактивов и красителей на определенные химические вещества цитоплазмы. Для выявления локализации мест синтеза биополимеров, определения путей переноса веществ в клетке широко используется метод авторадиографии — регистрации веществ, меченых радиоактивными изотопами. Многие процессы жизнедеятельности клеток, в частности деление клетки, фиксируют с помощью кино-и фотосъемки. Изучение клеток разных органов и тканей растений и животных, процессов деления клетки, их дифференцировки и специализации проводят методом клеточных культур — выращиванием клеток (и целых организмов из отдельных клеток) на питательных средах в стерильных условиях. При исследовании живых клеток, выяснении функций отдельных органелл применяют методы микрохирургии — оперативного воздействия на клетку, связанного с удалением или имплантированием отдельных органелл, их пересаживанием из клетки в клетку, введением в клетку крупных макромолекул и т. д. Клетка - основная структурная, функциональная и генетическая единица организации живого, элементарная живая система. Клетка может существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, некоторые водоросли и грибы) или в составе тканей многоклеточных животных, растений, грибов. Термин «клетка» был предложен английским исследователем Робертом Гуком в 1665 г. Впервые используя микроскоп для изучения срезов пробки, он заметил множество мелких образований, похожих на ячейки пчелиных сот. Роберт Гук дал им название ячейки или клетки. Изучение клетки с помощью новейших физических и химических методов исследования позволили сформулировать основные положения современной клеточной теории:

• все живые организмы состоят из клеток. Клетка — единица строения, функционирования, размножения и индивидуального развития живых организмов.

Вне клетки нет жизни.

• клетки всех организмов сходны между собой по строению и химическому

составу;

• на современном этапе развития живого клетки не могут образовываться из неклеточного вещества. Они появляются только из ранее существовавших клеток путем деления;

• клеточное строение всех ныне живущих организмов - свидетельство единства происхождения. Современное определение клетки следующее: клетка — это открытая,

ограниченная активной мембраной, структурированная система биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом. На Земле существует две группы организмов. Первая представлена вирусами и фагами, не имеющими клеточного строения. Вторая группа, самая многочисленная, имеет клеточное строение. Среди этих организмов выделяют два типа организации клеток: прокариотический (бактерии и сине-зеленые водоросли) и эукариотический (все остальные).