Билет № 41

1. Каким образом могут делиться соматические клетки?

Соматические клетки (др.-греч. σ ῶ μ α — тело) — клетки, формирующие тело организма. К соматическим клеткам относятся все клетки тела, за исключением гамет.

Мито́ з (греч. μ ι τ ο ς — нить) — непрямое деление клетки, кариокинез, наиболее распространенный способ репродукции эукариотических клеток. Биологическое значение митоза состоит в строго одинаковом распределении хромосом между дочерними ядрами, что обеспечивает образование генетически идентичных дочерних клеток и сохраняет преемственность в ряду клеточных поколений.

Митоз — один из фундаментальных процессов онтогенеза. Митотическое деление обеспечивает рост многоклеточных эукариот за счёт увеличения популяции тканевых клеток. В результате митотического деления клеток меристем увеличиваются тканевые популяции растительных клеток. Дробление оплодотворённого яйца и рост большинства тканей у животных также происходит путём митотических делений.[2]

На основании морфологических особенностей митоз условно подразделяется на стадии: профазу , прометафазу , метафазу , анафазу, телофазу. Первые описания митотических фаз и установление их последовательности были предприняты в 70—80-х годах XIX века. В конце 1870-х — начале 1880-х годов немецкий гистолог Вальтер Флемминг для обозначения процесса непрямого деления клетки ввёл термин «митоз».

Продолжительность митоза в среднем составляет 1—2 часа. В клетках животных митоз, как правило, длится 30—60 минут, а в растительных — 2—3 часа. Клетки человека за 70 лет суммарно претерпевают порядка 10¹⁴ клеточных делений.

2. Охарактеризуйте типы тканей по характеру пролиферативной активности? Быстро обновл, медленно обновл, стабильные, растущие

3. Какие периоды включает митотический цикл клетки? Назовите процессы, происходящие в каждом периоде.

Одним из основных свойств живой клетки является ее способность к делению. В настоящее время остается неясным, что ограничивает этот процесс и почему во многих органах, когда они достигают в процессе развития определенного объема, процесс деления прекращается. Неясно также, за счет чего деление клеток возобновляется, например, в фазе регенерации после резекции части печени. Многие гормоны вместе с тем являются стимуляторами митотического цикла клетки.

В течение митотического цикла клетка проходит ряд фаз, в которых чувствительность к различным воздействиям значительно меняется. Клеточный цикл в соответствии с современной моделью делится на следующих четыре периода: период митоза или фаза «М»; период «S» (период синтеза), в котором происходит синтез ДНК, РНК и белка; период G₁ (от «gap»-интервал) между М и S, или период покоя клетки, и период G₂ между S и М (премитотический период).

Продолжительность фазы S обычно составляет около 6-8 часов. Те воздействия, которые обладают способностью вмешиваться в синтез ДНК, оказывают повреждающее действие в этот период. В конечном итоге митоз может не наступить или могут возникнуть генетические дефекты, нарушающие жизнеспособность клетки.

Продолжительность фазы G₂ в среднем 0, 5-1, 5 часа. Синтез РНК и белка продолжается в этой фазе, что, как видно, необходимо для обеспечения клетки энергией во время митоза. Длительность митоза (фаза М) определяется для тканей млекопитающих в пределах 0, 5-2, 5 часа. В течение фазы М синтез белка находится на низком уровне, а синтез РНК ограничен ранней профазой и поздней гелофазой. Фаза G₁ является главной переменной в длительности клеточного цикла.

В дальнейшем был выделен дополнительно период, характеризующий выход из митотического цикла — G₀. Так, «дремлющие» опухолевые клетки, не претерпевающие митозов, нередко в течение многих лет находятся в фазе G₀, будучи рефрактерными ко многим воздействиям. Но затем они могут вновь включиться в митотический цикл. Поэтому отношение числа пролиферирующих клеток к общему числу клеток популяции получило наименование пролиферативного пула.

Механизм, который переключает клетки на путь синтеза ДНК и митоза, во многих отношениях остается неясным. Однако многие гормоны играют в этом механизме существенную роль. Хотя механизм, поддерживающий постоянный размер популяции нормальных клеток, невыяснен, имеется ряд доказательств, что этот эффект в значительной степени достигается за счет действия так называемых келонов. Если концентрация келонов уменьшается, то митотическая активность возрастает, и, наоборот, показано, что активность келонов некоторых тканей усиливается гормонами, например адреналином.

В этом отношении представляет интерес, что концентрация адреналина уменьшается во время сна, тогда как количество митозов в этот период возрастает.

Секреция гормона роста, напротив, увеличивается в ночные часы, причем существует «ночной пик» его концентрации в крови. Возможно, увеличение концентрации гормона роста в ночные часы имеет отношение к механизму стимуляции митозов.

Суточный ритм секреции глюкокортикоидов также, вероятно, имеет отношение к митотической активности, что несомненно, по крайней мере, для лимфоидной ткани. Наконец, большая группа гормонов — ФСГ, АКТГ, меланотропин, пролактин, тиреотропин, эстрогены, андрогены, эритропоэтин — обладает способностью стимулировать митозы в специализированных тканях-мишенях.

Очень важно отметить, что в доброкачественных опухолях, по крайней мере, в некоторых из них, сохраняется циркадный (суточный) митотический ритм. Поэтому было высказано предположение, что уменьшение концентрации келонов или снижение чувствительности клеток к их ингибирующему действию происходит при прогрессии опухоли.

Вместе с тем и некоторые злокачественные опухоли сохраняют чувствительность как к митотическому, так и антимитотическому действию тропных гормонов, что имеет много примеров, относящихся, в частности, к раку молочной железы, эндометрия и щитовидной железы.

Существуют также данные и о других факторах, определяющих митотическую активность, причем гормоны, как видно, участвуют в механизмах регуляции и этих систем поддержания размеров нормальной клеточной популяции. Одной из кардинальных систем ограничения клеточной популяции является контактное торможение клеток, происходящее на уровне клеточных мембран.

Существенное значение в осуществлении контактного торможения имеет концентрация в клеточных (плазматических) мембранах кислых мукополисахаридов, сиаловой кислоты, холестерина, определяющих физико-химический ионный эффект на поверхности клеток, а также уровень цАМФ, цГМФ и кальция.

Так как действие большинства гормонов также осуществляется на уровне клеточных мембран, то нельзя исключить, что некоторые гормоны могут существенно изменять их ионный потенциал, в частности путем регуляции утилизации глюкозы.

Активность лизосомального аппарата также принимает участие в регуляции размеров клеточной популяции, энзиматически разрушая клетки собственной популяции. Роль глюкокортикоидов, которые ингибируют активирующее действие некоторых веществ на лизосомы, например витамина А, хорошо известна. Предполагается, что стимуляция пролиферации в специфических тканях под влиянием эстрогенов и андрогенов также регулируется путем освобождения гидролаз из лизосом.

В опухолевой ткани различные факторы, влияющие на скорость гибели клеток, играют очень существенную роль, в конечном итоге определяя реальную скорость роста опухоли. Так, в частности, показано, что клетки лимфомы Бэркита имеют потенциальное время удвоения (т. е. время удвоения при отсутствии потери клеток), равное 24-48 часам, тогда как удвоение объема опухоли происходит за несколько недель.

Среди ряда факторов, вызывающих гибель клеток, определенное значение имеют и взаимоотношения между опухолью и организмом-хозяином, в значительных пределах регулируемые гормонами. Так, например, при избытке в организме глюкокортикоидов создаются условия для пролиферации опухолевых клеток. Этот эффект обеспечивается различными влияниями, в частности, за счет иммунодепрессивного действия глюкокортикоидов с усилением лизиса лимфоцитов, что приводит к увеличеню пула глюкогенных аминокислот и тем самым возникновению относительной гипергликемии.

4. Что такое жизненный цикл клеток?

Клеточный цикл — это период существования клетки от момента её образования путем деления материнской клетки до собственного деления.

Длительность клеточного цикла у разных клеток варьируется. Быстро размножающиеся клетки взрослых организмов, такие как кроветворные или базальные клетки эпидермиса и тонкой кишки, могут входить в клеточный цикл каждые 12—36 ч. Короткие клеточные циклы (около 30 мин) наблюдаются при быстром дроблении яиц иглокожих, земноводных и других животных. В экспериментальных условиях короткий клеточный цикл (около 20 ч) имеют многие линии клеточных культур. У большинства активно делящихся клеток длительность периода между митозами составляет примерно 10—24 ч.

Фазы клеточного цикла эукариот

Клеточный цикл эукариот состоит из двух периодов:

• Период клеточного роста, называемый «интерфаза», во время которого идет синтез ДНК и белков и осуществляется подготовка к делению клетки.

• Периода клеточного деления, называемый «фаза М» (от слова mitosis — митоз).

Интерфаза состоит из нескольких периодов:

• G₁-фазы (от англ. gap — промежуток), или фазы начального роста, во время которой идет синтез мРНК, белков, других клеточных компонентов;

• S-фазы (от англ. synthesis — синтетическая), во время которой идет репликация ДНК клеточного ядра, также происходит удвоение центриолей (если они, конечно, есть).

• G₂-фазы, во время которой идет подготовка к митозу.

У дифференцировавшихся клеток, которые более не делятся, в клеточном цикле может отсутствовать G₁ фаза. Такие клетки находятся в фазе покоя G₀.

Период клеточного деления (фаза М) включает две стадии:

• кариокинез (деление клеточного ядра);

• цитокинез (деление цитоплазмы).

В свою очередь, митоз делится на пять стадий, in vivo эти шесть стадий образуют динамическую последовательность.

Описание клеточного деления базируется на данных световой микроскопии в сочетании с микрокиносъемкой и на результатах световой и электронной микроскопии фиксированных и окрашенных клеток.

Регуляция клеточного цикла

Закономерная последовательность смены периодов клеточного цикла осуществляется при взаимодействии таких белков, как циклин-зависимые киназы и циклины. Клетки, находящиеся в G₀ фазе, могут вступать в клеточный цикл при действии на них факторов роста. Разные факторы роста, такие как тромбоцитарный, эпидермальный, фактор роста нервов, связываясь со своими рецепторами, запускают внутриклеточный сигнальный каскад, приводящий в итоге к транскрипции генов циклинов и циклин-зависимых киназ. Циклин-зависимые киназы становятся активными лишь при взаимодействии с соответствующими циклинами. Содержание различных циклинов в клетке меняется на протяжении всего клеточного цикла. Циклин является регуляторной компонентой комплекса циклин-циклин-зависимая киназа. Киназа же является каталитическим компонентом этого комплекса. Киназы не активны без циклинов. На разных стадиях клеточного цикла синтезируются разные циклины. Так, содержание циклина B в ооцитах лягушки достигает максимума к моменту митоза, когда запускается весь каскад реакций фосфорилирования, катализируемых комплексом циклин-В/циклин-зависимая киназа. К окончанию митоза циклин быстро разрушается протеиназами.

Контрольные точки клеточного цикла

Для определения завершения каждой фазы клеточного цикла необходимо наличие в нем контрольных точек. Если клетка «проходит» контрольную точку, то она продолжается «двигаться» по клеточному циклу. Если же какие-либо обстоятельства, например повреждение ДНК, мешают клетке пройти через контрольную точку, которую можно сравнить со своего рода контрольным пунктом, то клетка останавливается и другой фазы клеточного цикла не наступает по крайней мере до тех пор, пока не будут устранены препятствия, не позволявшие клетке пройти через контрольный пункт. Существует как минимум четыре контрольных точки клеточного цикла: точка в G1, где проверяется интактность ДНК, перед вхождением в S-фазу, сверочная точка в S-фазе, в которой проверяется правильность репликации ДНК, сверочная точка в G2, в которой проверяются повреждения, пропущенные при прохождении предыдущих сверочных точек, либо полученные на последующих стадиях клеточного цикла. В G2 фазе детектируется полнота репликации ДНК и клетки, в которых ДНК недореплицирована, не входят в митоз. В контрольной точке сборки веретена деления проверяется, все ли кинетохоры прикреплены к микротрубочкам.

Нарушения клеточного цикла и образование опухолей

Увеличение синтеза белка p53 ведет к индукции синтеза белка p21 — ингибитора клеточного цикла

Нарушение нормальной регуляции клеточного цикла является причиной появления большинства твердых опухолей. В клеточном цикле, как уже говорилось, прохождение контрольных пунктов его возможно только в случае нормального завершения предыдущих этапов и отсутствия поломок. Для опухолевых клеток характерны изменения компонентов сверочных точек клеточного цикла. При инактивации сверочных точек клеточного цикла наблюдается дисфункция некоторых опухолевых супрессоров и протоонкогенов, в частности p53, pRb, Myc и Ras. Белок p53 является одним из факторов транскрипции, который инициирует синтез белка p21, являющегося ингибитором комплекса CDK-циклин, что приводит к остановке клеточного цикла в G1 и G2 периоде. Таким образом клетка, у которой повреждена ДНК, не вступает в S-фазу. При мутациях, приводящих к потере генов белка p53, или при их изменениях, блокады клеточного цикла не происходит, клетки вступают в митоз, что приводит к появлению мутантных клеток, большая часть из которых нежизнеспособна, другая — дает начало злокачественным клеткам.

5. Приведите примеры жизненных циклов клеток, относящихся к равным по характеру пролиферативной активности типам тканей.

Часть 2

1. Какие экологические типы выделяют в разных географических условиях Земли? По каким показателям?

2. Адаптация к каким экологическим факторам способствовала возникновению экотипов людей?

3. Объясните, почему отмечается сходство у разных экотипов людей?

4. Какой вид адаптации привел к возникновению этих экотипов?

5. Зависит ли возникновение данных экотипов людей от расы и национальности?

Общий ответ на все эти вопросы:

Человечество, заселившее уже около 15 тыс. лет назад все более или менее благоприятные для жизни природно-географические зоны, встретилось с необходимостью адаптироваться к самым разнообразным условиям существования. Адаптации человека к среде, как уже указывалось, проявляются в основном на социальном уровне, однако человечество на ранних этапах эволюции подвергалось непосредственному действию биотических и абиотических экологических факторов в значительно большей степени по сравнению с современной эрой научно-технического прогресса. Комплексы таких факторов имели разнонаправленное действие на человеческие популяции. В результате в разных климатогеографических зонах сформировались разнообразные адаптивные типы людей.

• Адаптивный тип представляет собой норму биологической реакции на комплекс условий окружающей среды и проявляется в развитии морфофункциональных, биохимических и иммунологических признаков, обеспечивающих оптимальную приспособленность к данным условиям обитания.

• В комплексы признаков адаптивных типов из разных географических зон входят общие и специфические элементы. К первым относят, например, показатели костно-мускульной массы тела, количество иммунных белков сыворотки крови человека. Такие элементы повышают общую сопротивляемость организма к неблагоприятным условиям среды. Специфические элементы отличаются разнообразием и тесно связаны с преобладающими условиями в данном месте обитания — гипоксией, жарким или холодным климатом. Именно их сочетание служит основанием к выделению адаптивных типов: арктического, тропического, зоны умеренного климата, высокогорного, пустынь и др.

• Разберем особенности условий жизни человеческих популяций в различных климатогеографических зонах и адаптивные типы людей, сформировавшиеся в них.

• Условия обитания в Арктике характеризуются постоянно низкими температурами воздуха, скудной растительностью, богатством животного мира и сезонной периодичностью поступления продуктов питания: растительная пища доступна только в короткие летние месяцы, а животная — в периоды нереста рыбы, гнездования птиц, размножения оленей и морского зверя. Продукты питания богаты витаминами, белками, жирами и микроэлементами, но бедны углеводами растительного происхождения. Воздух и почва в Заполярье содержат очень мало микроорганизмов, низкие температуры препятствуют сохранению цист патогенных простейших, яиц и личинок гельминтов.

• Из перечисленных факторов наибольшее влияние на формирование комплекса признаков арктического адаптивного типа оказали, по-видимому, холодный климат и преимущественно животная пища. Арктическому комплексу признаков свойственны относительно сильное развитие костно-мускульного компонента тела, большие размеры грудной клетки, высокий уровень гемоглобина, относительно большое пространство, занимаемое костным мозгом, повышенное содержание минеральных веществ в костях, высокое содержание в крови белков, холестерина, повышенная способность окислять жиры. Среди аборигенов Арктики почти не встречаются лица с астеническим телосложением.

• В целом арктический тип характеризуется усиленным энергетическим обменом, который отличается стабильностью показателей в условиях переохлаждения. Имеют свои особенности и механизмы терморегуляции. Так, при одинаковой степени охлаждения у канадских индейцев резко падает температура кожи, но уровень обмена веществ меняется незначительно, а у пришлого белого населения наблюдается меньшая степень снижения кожной температуры, но появляется сильная дрожь, т.е. интенсифицируется обмен.

• В тропиках и субтропиках располагается чуть ли не большая часть Ойкумены. Этот регион отличается в целом большим количеством тепла и влаги и сглаженностью сезонных колебаний условий обитания. Вместе с тем благодаря особенностям рельефа наблюдается значительная контрастность распределения тепла и влаги — массивы влажных лесов нередко соседствуют с засушливыми плато, обширными равнинами и редколесьем. В экваториальной и субэкваториальной областях сосредоточены огромные количества растительной биомассы. Влажные тропические леса относительно бедны животными, тогда как в саваннах животный мир разнообразен и включает крупных стадных животных, издавна используемых человеком как объект охоты. Почва, воздух и вода содержат большое количество микроорганизмов, яиц гельминтов и цист патогенных простейших. Богатство и разнообразие животного мира обеспечивает существование огромного количества промежуточных и окончательных хозяев биогельминтов и переносчиков возбудителей трансмиссивных заболеваний. К преобладающим экологическим факторам, под влиянием которых формировался комплекс признаков тропического адаптивного типа, относят жаркий влажный климат и рацион с относительно низким содержанием животного белка.

• В тропической области наблюдается исключительно широкая вариабельность групп населения в расовом, этническом и экономическом отношениях. Это проявляется в поразительном размахе изменчивости, например по соматическим признакам. Тем не менее преобладающие экологические факторы, особенно климатический, способствовали образованию определенного комплекса морфофизиологических признаков обитателей тропиков и субтропиков. К характерным признакам тропического типа относят удлиненную форму тела, сниженную мышечную массу, относительное уменьшение массы тела при увеличении длины конечностей, уменьшение окружности грудной клетки, более интенсивное потоотделение за счет повышенного количества потовых желез на 1 см² кожи, низкие показатели основного обмена и синтеза жиров, сниженную концентрацию холестерина в крови.

• Антропологическое изучение современных обитателей зоны умеренного климата под углом зрения формирования биологических механизмов адаптации к природным условиям затруднено, так как значительная часть людей проживает в промышленно развитых странах с большой долей городского населения. Результаты наблюдения позволяют, однако, судить о том, что и в этом случае в процессе исторического развития человеческих популяций сформировался комплекс признаков, соответствующий особому адаптивному типу умеренного пояса.

• По соматическим показателям, уровню основного обмена население умеренного пояса занимает промежуточное положение между коренными жителями арктического и тропического регионов. Это соответствует условиям биогеографической среды в зоне умеренного климата. Для нее характерны неравномерное распределение районов, отличающихся по количеству тепла и влаги, типу растительности (от сухих степей и полупустынь до тайги), богатству животного мира. Вместе с тем температура и влажность воздуха здесь не достигают экстремальных величин, хорошо выражен сезонный ритм биоклиматических условий.

• Условия высокогорья для человека во многих отношениях экстремальны. Их характеризуют низкое атмосферное давление, сниженное парциальное давление кислорода, холод, относительное однообразие пищи. Основным экологическим фактором формирования горного адаптивного типа явилась, по-видимому, гипоксия. У жителей высокогорья независимо от климатической зоны, расовой и этнической принадлежности наблюдаются повышенный уровень основного обмена, относительное удлинение длинных трубчатых костей скелета, расширение грудной клетки, повышение кислородной емкости крови за счет увеличения количества эритроцитов, содержания гемоглобина и относительной легкости его перехода в оксигемоглобин.