Как известно, клетки не возникают сами по себе, а образуются только при делении других. После деления во вновь образованной клетке не всегда сразу существуют все системы, обеспечивающие ее специфическую функцию. Должно пройти некоторое время, чтобы сформировались все органеллы и были бы синтезированы все необходимые ферменты. Этот отрезок времени называется созреванием. Созревание клетки осуществляется на основе уже сложившейся ее полной детерминации.
Зрелая клетка может функционировать различное время. Некоторые клетки сохраняются в течение всей жизни особи (например, нейроны). Таких видов клеток немного. Большинство клеток гибнет и по мере убыли замещается новыми. Скорость замещения у разных клеток неодинакова.
Конечно, клетка может погибнуть в результате многих внешних случайных причин, например от травмы, химического или радиационного поражения. В таком случае разрушение клетки происходит хаотично, а продукты ее распада сами оказывают раздражающее действие на окружение. Развивается воспалительная реакция. Подобная случайная гибель клеток называется некрозом и служит предметом изучения патологической анатомии.
Большинство клеток, однако, погибает тогда, когда проявляются особые естественные генетические механизмы. Генетически запрограммированную клеточную гибель называют апоптозом. Механизм возникновения апоптоза весьма сложен. Каждая клетка несет в хромосомах гены, которые могут запускать синтез ферментов, стимулирующих ее к делению. Есть также гены, которые обеспечивают синтез ферментов, препятствующих делению. Пока клетка функционирует, эти синтезы уравновешены.
Для поддержания жизненного равновесия клетка должна также получать сигналы от других клеток, нередко другого вида. Обычно в качестве сигнальных выступают специфические молекулы олигопептидов. Поскольку они поддерживают жизнь клеток, их назвали цитокинами. Известно несколько десятков цитокинов. Действие их разнообразно: на одни виды клеток более сильное, на другие - слабое или даже может и не проявляться. Сейчас при описании межклеточных взаимодействий все чаще применяют термин щитокинная сеть».
В жизненном пути многих видов клеток наступает момент, когда их функциональные возможности исчерпываются. У таких клеток нарушается чувствительность к цитокинам и изменяется соотношение активности генов, обеспечивающих внутреннее равновесие. Гены, обеспечивающие размножение клетки, блокируются. Напротив, гены, обеспечивающие синтез литических ферментов, стимулируются, поступают в ядро и лизируют хроматин.
Хромосомы распадаются, синтезы в клетке прекращаются. Внешние проявления такой гибели клеток разнообразны и известны давно. Их называли пикнозом (сморщивание ядра), хроматолизисом (снижение окрашиваемости ядра), кариорексисом (распад ядра на части).
Лишь недавно было показано, что это частные проявления апоптоза.
Вслед за гибелью ядра разрушается и цитоплазма. Остатки фагоцитируются макрофагами. Материал погибших клеток перерабатывается макрофагами и может выводиться ими на поверхность. В таком случае этот материал может опять использоваться другими клетками. Вокруг клеток, подвергшихся апоптозу, воспалительный процесс не возникает, и жизнедеятельность ткани, часть которой составляли погибшие клетки, продолжается без нарушений.
События, изложенные в предыдущем разделе, описывают как бы линейный путь жизни клетки. В результате таких событий численность клеточной популяции должна снижаться. Это действительно происходит в некоторых тканях. В нервной ткани в течение жизни организма нейроны постоянно гибнут, но не восстанавливаются. Количество их при рождении, однако, настолько велико, что до наступления смерти способно обеспечить все необходимые связи и реакции. Такие клеточные популяции называют стационарными. Ранее считали, что не восстанавливается численность мышечных клеток сердца - кардиомиоцитов. Однако в 1988 г. П. П. Румянцев доказал, что кардиомиоциты также восстанавливаются.
В большинстве клеточных сообществ популяция способна восстанавливаться. Естественно, восстановление ее численности совершается за счет новых клеточных делений. В сообществах, способных поддерживать свою численность, кроме клеток функционирующих, линейно развивающихся и следующих к своей гибели, всегда есть и такие, которые регулярно претерпевают циклические изменения. Подобные клеточные популяции называют обновляющимися.
Рис. 5 2. Клеточный цикл:
I - последовательность фаз клеточного цикла: II - клетка в интерфазе после репликации хромосом и центриолей: III - профаза: IV - метафаза: V - метафазная хромосома: VI - анафаза: VII - тепофаза;
VIII - сестринские клетки: 1 - ядро; 2 - сформировавшееся митотическое веретено: 3 - хромосомы; 4 - астральные микротрубочки; 5 - полюсные микротрубочки; 6 - полюс веретена; 7 - хроматиды; 8 - центромера; 9 - центромерные микротрубочки; 10 - сестринские хроматиды; 11 - центромерные (кинетохорные) микротрубочки; 12- раздвижение полюсов в анафазе; 13 - вновь образованные ядра; 14 - восстановление интерфазных микротрубочек, растущих от центросомы; 15 - остатки полюсных микротрубочек; 16-борозда деления (по Б. Албертсу и соавт., с изменениями)
Клеточный цикл (рис. 52) представляет собой совокупность процессов, происходящих в клетке при подготовке ее к делению и во время собственно деления, в результате чего материнская клетка делится на две дочерние. В цикле выделяют две фазы: автосинтетическую, или интерфазу (подготовка клетки к делению), включающую пресинтетический (G1, англ, gap - промежуток), синтетический (S) и постсинтетический (G2) периоды, и деление клетки - митоз.
Хайфлик высказал точку зрения, согласно которой клетки от начала своего возникновения после первого деления могут проходить несколько десятков клеточных циклов. После этого они погибают. Полагали, что утрата клетками способности вступать в новые циклы и делиться - одна из причин старения организма. Гипотеза эта была высказана в качестве экстраполяции наблюдений в клеточных культурах фибробластов in vitro; полагали, что и в живом организме дело должно обстоять так же. Реальными наблюдениями in vivo гипотеза пока не подтверждена.
Интерфаза - последовательность событий, подготавливающих митоз. Весьма важным в интерфазе является матричный синтез ДНК и удвоение хромосом - S-фаза. Промежуток между делением и наступлением S-фазы называется фазой G1 (постмитотическая, или пресинтетическая фаза), а между S-фазой и митозом - фазой G2(постсинтетическая, или премитотическая фаза). В течение фазы G1 клетка диплоидна, в течение фазы S плоидность возрастает до четырех, в фазе G2клетка тетраплоидна.
В интерфазе скорость биосинтетических процессов возрастает в направлении G1 → S → G2. В это время удваивается масса клетки и всех ее компонентов, а также происходит удвоение центриолей (рис. 53).
В течение пресинтетической фазы G, в клетке уже усилены биосинтетические процессы и происходит подготовка к удвоению ДНК. При этом развиваются преимущественно те органеллы, которые необходимы для синтеза ферментов, обеспечивающих, в свою очередь, предстоящее удвоение ДНК (прежде всего это рибосомы). На материнской центриоли клеточного центра увеличивается количество сателлитов. Фаза Gj длится от нескольких часов до суток и более.
Общая сущность S-фазы уже раскрыта в предыдущем абзаце. Само удвоение (репликация) хромосом весьма сложное и протекает постепенно. Суть удвоения состоит в том, что на цепочке ДНК синтезируется точно такая же параллельная цепочка. Репликация (лат. replicatio - повторение) — это процесс передачи генетической информации, хранящейся в родительской ДНК, путем точного ее воспроизведения в дочерней клетке. При этом каждая родительская цепь ДНК является матрицей для синтеза дочерней (матричный синтез ДНК).
Рис. 53. Изменения клеточного центра по ходу клеточного цикла: G0, G1, S, G2 - периоды интерфазы клеточного цикла; М - митоз; 1 - материнская центриоль; 1.1 - сателлит (область образования микротрубочек); 1.2- придатки материнской центриоли; 1.3 - микротрубочки, отходящие от клеточного центра; 1.4- фибриллярное гало (область образования микротрубочек); 2 - дочерняя центриоль первого поколения, в S-периоде она становится материнской (2.1); 3 - дочерняя центриоль второго поколения. В периоде митоза изображена только одна пара центриолей у одного из полюсов; центриоль 3 в новом цикле рассматривается как дочерняя 2 (по Ю. С. Ченцову, с изменениями)
Хромосома имеет структуру, обеспечивающую этот процесс. На хромосоме находится небольшая область, которая не участвует в матричном синтезе, - центромера (или центромер). Она подразделяет хромосому на два плеча. На концах хромосомы тоже находятся области, не участвующие в синтезе, - теломеры.
Репликация основана на комплементарном спаривании оснований. Вначале в одной точке ДНК обе ее цепи расходятся, образуя асимметричную репликационную «вилку». Фермент ДНК-полимераза катализирует процесс полимеризации нуклеотидов только в направлении 5' → 3'. Напомним, что обе цепи ДНК антипараллельны, поэтому синтез одной из дочерних цепей происходит непрерывно (лидирующая цепь), другой (отстающей) - в виде отдельных фрагментов размерами 10 - 200 нуклеотидов (фрагменты Оказаки). Впоследствии йти фрагменты соединяются под действием фермента ДНК-лигазы.
Репликация начинается от середины каждого плеча, от участка, называемого сайтом инициации репликации. Распространяясь к теломерам, репликация доходит до них и останавливается. Двигаясь к середине хромосомы, репликация доходит до центромеры и тоже останавливается, однако центромерная область не удваивается. В результате каждая хромосома имеет теперь две цепи ДНК. Каждая цепь с окружающими их белками образует сестринские хроматиды. S-фаза длится 8-12 часов.
В каждой хромосоме во время S-периода образуются группы репликационных «вилок» (20-80), которые возникают одновременно у всех хромосом. При этом «вилки» расположены парами, которые движутся в противоположных направлениях до тех пор, пока не встретят соседнюю «вилку», так что образуются две дочерние спирали. В результате репликации каждая из двух дочерних молекул ДНК состоит из одной старой и одной новой цепи.
Мы привели лишь схематическое описание процесса репликации. Он очень сложен, в нем участвует множество белков, способствующих расплетанию ДНК, предотвращающих ее спутывание, а также сшивающих фрагменты ДНК, инициаторных, корректирующих и др. В S-периоде наиболее интенсивно синтезируется РНК и белки, связанные с ДНК, и удваиваются центриоли.
В цитоплазме в течение S-фазы удваиваются не только цепи ДНК, но и каждая из центриолей клеточного центра. Материнская центриоль строит свою новую дочернюю. Центриоль, бывшая до этого дочерней, тоже строит свою пару, так что сама становится материнской. Из этих четырех центриолей лишь исходная материнская участвует в сборке микротрубочек. На мембранах ЭПС одновременно синтезируются белки (в том числе гистоны), необходимые для включения в состав новой хроматиды.
В течение премитотической фазы G2совершаются синтезы, необходимые для обеспечения непосредственно процесса деления. Количество ДНК и центриолей в клетке уже удвоено. Обе материнские центриоли окутаны фибриллярным гало и осуществляют сборку микротрубочек. В этом периоде усиливается формирование лизосом, делятся митохондрии и синтезируются новые белки, абсолютно необходимые для осуществления митоза. К концу интерфазы хроматин конденсирован, ядрышко хорошо видно, ядерная оболочка не нарушена, органеллы не изменены. Фаза G2продолжается до 6 часов.
На протяжении каждой из названных фаз имеются так называемые критические точки (регуляторные точки). Они были выявлены при изучении действия повреждающих факторов на клеточное деление. Отрезки времени до и после такой точки различаются отношением к возможным повреждающим воздействиям. Если повреждающий импульс (например, радиационный) действует перед прохождением критической точки, процессы продолжаются до нее и дальнейшая подготовка к делению останавливается (наступает блок). Если импульс совпадает со второй половиной фазы, процессы продолжаются (при условии, что этот импульс не разрушает клетку как таковую).
Вместе с тем прохождение критических точек существенно и для нормальной жизнедеятельности клетки. В ходе межклеточных взаимодействий под влиянием соответствующих цитокинов при прохождении критической точки цикл может прерваться. В ядре после этого начинаются синтезы РНК и клетка обретает специфическую функцию. Она может выполнять ее до естественной гибели, но может и прекратить ее, вернуться к точке прерванного цикла и продолжить деление.
В ходе последовательных делений свойства клеток могут изменяться. Это происходит за счет того, что у дочерних клеток в геноме начинают экспрессироваться новые гены (существовавшие, конечно, и ранее, но до сих пор блокированные). Поэтому клетки-потомки обычно более разнообразны, чем исходные формы. Клетки-предшественники менее разнообразны, причем часто можно выявить клетки, лежащие в основании всего дерева. Их называют стволовыми. И стволовые, и клетки-предшественники образуют камбий клеточной популяции. Именно за счет деления клеток камбия и происходит замена гибнущих элементов в обновляющихся популяциях, например форменных клеток крови или клеток кожного эпителия.
Клетки, вышедшие из цикла в точке регуляции, не являются ни стволовыми, ни клетками-предшественниками. Между тем они тоже могут играть роль камбия, поскольку способны возвращаться в цикл. Обычно это происходит при возрастании потребностей организма и стимулируется гормонами и цитокинами. Этот способ увеличения численности популяции обычен для многих внутренних органов, например наблюдается в паренхиме печени, почек и ряда других внутренних органов. За счет этого, в частности, увеличивается масса органов в детском возрасте. Такие клеточные популяции получили название растущих. У взрослых организмов растущие популяции мобилизуются для пополнения убыли численности клеток после повреждения части органа - иначе говоря, они служат резервом не только для физиологической, но и для репаративной регенерации ткани.
Когда подготовка к делению заканчивается, начинается непосредственно митоз (греч. mitos - нить). В нем различают четыре основные фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (см, рис. 52). Иногда выделяют шесть фаз: профазу, прометафазу, метафазу, анафазу, телофазу и цитокинез.
В течение профазы основные события происходят в ядре. На участках эухроматина прекращается транскрипция. Они покрываются белками и по плотности становятся неотличимыми от гетерохроматина. Даже при разрешении светового микроскопа в ядре становятся видимыми многочисленные плотные базофильные скопления. Затем начинается спирализация хромосом. Вследствие этого они становятся индивидуально различимыми. Спирализация, естественно, захватывает и области ядрышковых организаторов, так что ядрышко в результате распадается. Итак, к началу профазы хроматин конденсируется, в результате чего в ядре образуется плотный клубок. К концу профазы этот клубок разрыхляется (рыхлый клубок), становятся видимыми d-хромосомы, каждая из которых состоит из двух хроматид (s-хромосом), лежащих параллельно друг другу и связанных между собой в области центромеры. В цитоплазме активизируется образование лизосом. Центриоли попарно расходятся к противоположным концам клетки, которые теперь называют полюсами. Одновременно на сателлитах центриолей идет интенсивная сборка микротрубочек.
События метафазы начинаются в цитоплазме. Лизосомы растворяют ядерную оболочку, так что спирализованные хромосомы и клеточные центры оказываются в общем компартменте. Этому предшествует фосфорилирование белков ядерной пластинки (ламины), происходящее еще в профазе, что приводит к распаду пластинки, а затем и самой нуклеолеммы. Фрагменты распавшейся ядерной оболочки формируют мелкие мембранные пузырьки, цитоплазма клетки смешивается с кариоплазмой. Комплекс Гольджи и ЭПС распадаются на мелкие фрагменты в виде пузырьков.
На каждой центромере выявляется скопление специальных белков - кинетохор (греч. kineo - подвижный и choreo - иду вперед). Эти белки существуют и у хромосом неделящихся клеток, но в этих условиях они выявляются лишь с помощью специального мечения особыми антителами к ним.
Сборка микротрубочек на материнских центрио- лях продолжается, так что в результате возникает биполярное митотическое веретено, состоящее из этих микротрубочек и ассоциированных с ними белков. Различают несколько видов микротрубочек. Многие нити расходятся от центриолей (как от полюсов) во все стороны. Часть их образует направленную к поверхности клетки астральную лучистость. Другая их часть направлена к экватору клетки - это так называемые полярные микротрубочки. У экватора полярные микротрубочки, связанные с разными полюсами, перекрывают друг друга. Кроме астральных и полярных микротрубочек от полюсов отходят кинетохорные - те, которые в области экватора прикрепляются к кинетохорам хромосом. В клетках человека каждый кинетохор связан с 20-40 микротрубочками. Прикрепления микротрубочек к сестринским хроматидам гомологичных хромосом происходят в случайном порядке.
Вся система микротрубочек и ассоциированного с ними тубулина находится в динамическом равновесии. Иными словами, происходит постоянная полимеризация тубулина и его деполимеризация. По обеим сторонам d- хромосомы около ее центромеры расположены небольшие участки материала умеренной электронной плотности, аналогичные перицентриолярному материалу. Именно они и являются центрами организации хромосомных микротрубочек из тубулина, тубулин же синтезируется только в цитоплазме. Поэтому лишь после разрушения ядерной оболочки может произойти взаимодействие кинетохора с тубулином и организация микротрубочек веретена. При более детальном описании митоза эта стадия выделяется в качестве прометафазы. Она длится 10 - 20 мин.
В ходе собственно метафазы хромосомы перемещаются и располагаются в одной плоскости перпендикулярно к оси между полюсами. Образуется фигура, называемая материнской звездой. При этом все хромосомы располагаются так, что их центромеры находятся в экваториальной плоскости, пересекающей продольную ось веретена под прямым углом (метафазная пластинка), причем каждый кинетохор одной d-хромосомы обращен к одному из полюсов клетки.
В результате упорядочения положения хромосом система микротрубочек тоже упорядочивается. Они теперь образуют веретено деления (митотическое веретено). Хроматиды прочно присоединяются к веретену благодаря взаимодействию кинетохорных трубочек с перицентриолярным веществом.
Каждая из метафазных хромосом состоит из двух фибрилл диаметром 20 - 50 нм, которые уложены в плотный складчатый клубок. Фибриллы имеют зернистый вид, так как срез препарата проходит через этот клубок множество раз. При этом ДНК имеет более высокую электронную плотность, чем связанный с нею белок. Напомним, что именно в метафазе митоза определяют кариотип (см. ранее).
В S-периоде удваивается не вся ДНК одной хромосомы, а остается нереплицированным центромерный участок. В начале анафазы происходит быстрая репликация ДНК в области центромеры, что и служит сигналом к началу анафазы. Анафаза начинается внезапно с резкого разделения общей центромеры d-хромосомы, в результате чего сестринские хроматиды становятся самостоятельными s-хромосомами.
Микротрубочки начинают укорачиваться: у кинетохоров происходит их разборка. В результате этого хроматиды подтягиваются к центриолям. В это время s- хромосомы начинают передвигаться и с одинаковой скоростью (около 1 мкм в минуту) направляются к полюсам клетки. Сами центриоли удаляются друг от друга в сторону полюсов клетки. Образуются две дочерних звезды.
На хромосомы воздействуют две силы: тянущие, возникающие вследствие деполимеризации хромосомных трубочек около полюсов веретена, и расталкивающие - в связи с полимеризацией тубулина на концах непрерывных микротрубочек вблизи экватора. При этом по мере расхождения хромосом веретено удлиняется, а степень перекрывания друг друга непрерывных трубочек уменьшается. Возможно, источником сил, раздвигающих полюсы, является динеин, в то время как движение хромосом к полюсам обусловлено микротрубочками.
В конце анафазы плазматическая мембрана как бы инвагинируется перпендикулярно к продольной оси митотического веретена, образуя борозду. В этой области под плазмалеммой появляется сократимое кольцо, состоящее из актин- и миозинсодержащих нитей, которое распадается после разделения клетки.
Телофаза завершает деление. Под плазмалеммой кольцом по проекции бывшей материнской звезды активируются элементы цитоскелета - актиновые микрофиламенты. Рядом с ними полимеризуется миозин. Актино-миозиновое кольцо сжимается, и возникает перетяжка плазмалеммы.
В телофазе разделившиеся группы хромосом подходят к полюсам, теряют хромосомные микротрубочки, разрыхляются, деконденсируются, переходя в хроматин, и начинают транскрибировать РНК. Примерно в середине телофазы начинается образование нитчатой, а затем гранулярной частей нуклеолонемы. К концу телофазы (после восстановления ядерной оболочки!) ядрышко полностью сформировано. Из мембранных пузырьков собираются комплекс Гольджи и ЭПС.
Ядерная оболочка образуется из мембранных фрагментов вначале в виде небольших шапочек, расположенных на поверхности формирующихся глыбок хроматина.
Фрагменты оболочки растут, сливаются между собой, окружая все ядро к концу телофазы. При этом восстанавливаются ядерные поры и поровые комплексы, де- фосфорилируются белки ядерной пластинки, что приводит к ее восстановлению.
В телофазе перед цитокинезом увеличивается биосинтез мембран, которые необходимы для того, чтобы покрыть обе дочерние клетки. Вновь синтезированные мембраны до момента разделения клетки образуют на ее поверхности пузырьки, которые затем встраиваются в плазмалеммы дочерних клеток. Перетяжка становится все более глубокой, и в результате одна клетка разделяется на две (цитокинез). Обе дочерние клетки диплоидны. Однако не всегда деление ядра сопровождается разделением клетки. Поэтому, помимо телофазы (при полном делении клетки), и выделяют цитокинез.
После митоза в течение нескольких часов дочерние клетки связаны между собой небольшим остаточным тельцем, образованным непрерывными микротрубочками и электроноплотным материалом матрикса. Остаточное тельце покрыто плазмалеммой. Есть все основания считать, что сила, необходимая для разделения клеток, возникает в результате взаимного скольжения актиновых и миозиновых филаментов.
У организмов, размножающихся половым путем, имеются две категории клеток: диплоидные и гаплоидные. К первым относятся соматические и предшественницы половых клеток, ко вторым — зрелые половые (гаметы). Уменьшение количества хромосом в два раза достигается благодаря мейозу (рис. 54). Он включает в себя два последовательных деления. После слияния гамет возникает новый одноклеточный диплоидный организм (зигота), который не просто несет сумму признаков своих родителей, а является индивидуумом с присущими только ему свойствами.
При дальнейшем митотическом делении зиготы образуются диплоидные же клетки, содержащие по два экземпляра каждой хромосомы, которые называются гомологичными. Гомологичные хромосомы, имеющие одинаковую длину и одинаковое расположение центромер, содержат одинаковое количество генов, а эти гены имеют одну и ту же линейную последовательность. Каждая из пары гомологичных хромосом диплоидного организма происходит либо из ядра спермин, либо из ядра яйцеклетки.
Рис. 54. Мейоз:
І и II - хроматиды в профазе мейоза; III - спаренные гомологичные хромосомы при переходе к первой метафазе мейоза; IV - расхождение гомологичных хромосом в первой анафазе мейоза; V - вторая метафаза: VI - расхождение сестринских хроматид во второй анафазе; 1, 2, 3, 4 - хроматиды: 5 - соединяющиеся кинетохорные нити; 6 - кинетохор: 7,8 - плечи сестринских хроматид (по Б. Албертсу и соавт., с изменениями)
При образовании гамет в зрелом организме в результате мейоза в каждую дочернюю клетку от всех пар гомологичных хромосом попадает лишь по одной из них. Это становится возможным потому, что при мейозе происходит лишь одна репликация ДНК, за которой следуют два последовательных деления ядер (мейоз I и II) без повторного синтеза ДНК. В результате из одной диплоидной образуются четыре гаплоидные клетки.
Напомним, что перед началом мейоза в интерфазе клетка прошла обычные фазы Gx, S и G2, так что стала тетраплоидной. Иначе говоря, произошла репликация ДНК и белков-гистонов хромосом, а сестринские хроматиды при этом остались связанными своими центромерами, так что в ядре имеется по четыре набора каждой хромосомы. Увеличена масса клетки и ее органелл.
Каждое из двух делений мейоза (деления I и II) имеет свои отличительные черты. Особенность деления I состоит в необычном и сложном прохождении профазы (профаза-1). Она подразделяется на несколько стадий: пролептпонему, лептонему, зигонему, пахинему, диплонему и диакинез.
Во время пролептонемы ( греч. pro - период, 1ер- tos - тонкий, пета - нить) происходит значительная, но не полная спирализация хромосом. Ядерная оболочка сохраняется, ядрышко не распадается. Поэтому во время профазы мейоза возможны синтезы некоторых РНК и белков. За счет этих синтезов в половых клетках (особенно в женской) создаются запасы веществ, которые будут необходимы для оплодотворения и ранних стадий развития зародыша.
Во время лептонемы хромосомы еще больше спирализуются, и в ядре становятся видными тонкие нитевидные d-хромосомы (их 46, т. е. два набора). Подчеркнем, что каждая гомологичная хромосома уже реплицирована и состоит из двух сестринских хроматид. Каждая хромосома представляет собой тонкую фибриллу, состоящую из осевой белковой нити, к которой прикрепляется хроматин сестринских хроматид (петли ДНК). Хромосомы с помощью белковых скоплений - прикрепительных дисков - закреплены обоими своими концами на внутренней мембране ядерной оболочки (ядерная оболочка сохраняется, ядрышко хорошо видно).
Во время зигонемы (греч. zygon - парный) гомологичные диплоидные хромосомы выстраиваются рядом, обвивают друг друга, укорачиваются и сцепляются между собой (конъюгация). Образуются так называемые тетраплоидные биваленты (лат. bi - двойной, valens - сильный). Напомним, что каждая диплоидная хромосома из одного бивалента происходит либо от отца, либо от матери. Половые хромосомы располагаются около внутренней ядерной мембраны. Область, занятая ими, называется половым пузырьком.
В зигонеме гомологичные d-хромосомы выстраиваются рядом, сближаются, между ними образуются специализированные синаптонемальные комплексы (греч. synapsis - связь, соединение), которые представляют собой белковые структуры. При небольшом электронномикроскопическом увеличении синаптонемальный комплекс выглядит в виде двух электроноплотных полос, разделенных светлой полосой. При большом увеличении в комплексе видны две параллельные боковые белковые нити длиной 120 - 150 нм и толщиной 10 нм каждая, соединенные тонкими поперечными полосами размерами около 7 нм, по обе стороны от них лежат d- хромосомы. Их ДНК формирует множество петель.
В центре комплекса проходит осевой элемент толщиной 20 - 40 нм. Синаптонемальный комплекс удачно сравнивают с веревочной лестницей, стороны которой образованы гомологичными хромосомами. Именно в результате этого гомологичные хромосомы сцепляются между собой и образуют биваленты, 46 d-хромо- сом образуют 23 бивалента. Каждый бивалент состоит из двух d-хромосом, т. е. из четырех хроматид.
К концу зиготены каждая пара гомологичных хромосом связана между собой с помощью синаптонемальных комплексов. Лишь половые хромосомы X и Y конъюгируют неполностью, так как они не полностью гомологичны.
Рис. 55. Схема кроссинговера (по Г. Ж. Тортора и соавт.)
Пахинема (греч. pahys - толстый) продолжается не менее чем несколько суток. Процессы развертываются постепенно. Хромосомы несколько укорачиваются и утолщаются. Между хроматидами материнского и отцовского происхождения в нескольких местах возникают соединения - хиазмы (греч. chiasma - перекрест), или рекомбинантные узелки. Они представляют собой белковые комплексы размерами около 90 нм. В области каждой хиазмы происходит обмен соответствующих участков гомологичных хромосом - от отцовской к материнской и наоборот. Этот процесс называют кроссинговером (англ, crossing-over - перекрест). Таким образом, кроссинговер обеспечивает многочисленные генетические рекомбинации (рис. 55).
В каждом биваленте человека в профазе-1 кроссинговер происходит в среднем в двух-трех участках. Количество рекомбинантных узелков равно количеству перекрестков.
По окончании кроссинговера хроматиды разъединяются, но остаются связанными в области хиазм. Наступает стадия диплонемы.
В диплонеме (греч. diploos - двойной) синаптонемальные комплексы распадаются, конъюгировавшие хромосомы раздвигаются и гомологичные хромосомы каждого бивалента отодвигаются друг от друга, но связь между ними сохраняется в зонах хиазм.
Между диплонемой и диакинезом нет четкой морфологической границы, равно как и разграничений во времени. В диакинезе продолжается конденсация хромосом, они отделяются от нуклеолеммы, но гомологичные d-хромосомы продолжают еще оставаться связанными между собой хиазмами, а сестринские хроматиды каждой d-хромосомы - центромерами. Благодаря наличию нескольких хиазм биваленты образуют петли. В это время разрушаются ядерная оболочка и ядрышки. Реплицированные центриоли направляются к полюсам, образуется веретено деления.
Вследствие сильно затянутой диплонемы профаза мейоза очень длительна. При развитии спермиев она может длиться несколько суток, а при развитии яйцеклеток - в течение многих лет. Половые клетки в профазе мейоза называются гаметоцитами первого порядка (первичными гаметоцитами, гаметоцитами I).
Метафаза-1 напоминает аналогичную стадию митоза. Хромосомы устанавливаются в экваториальной плоскости, образуя метафазную пластинку. В отличие от митоза, хромосомные микротрубочки прикрепляются к центромере лишь с одной стороны (со стороны полюса), а центромеры гомологичных d-хромосом расположены по обеим сторонам экватора. Связь между хромосомами с помощью хиазм продолжает сохраняться.
В анафазе-1 хиазмы распадаются, гомологичные d-хромосомы отделяются друг от друга и расходятся к полюсам. Центромеры этих хромосом, однако, в отличие от анафазы митоза, не реплицируются, а значит, сестринские хроматиды не расходятся.
В телофазе-1 формируются ядерная оболочка и ядрышко, образуется и углубляется борозда деления, происходит кариокинез. Сначала наборы гомологичных d-хромосом находятся у полюсов. Хотя их число уменьшилось вдвое, каждая из них состоит из двух генетически различных хроматид. В результате цитокинеза в каждой дочерней клетке сосредоточивается по 23 d-хромосомы. Образовавшиеся клетки называют гаметоцитами второго порядка (вторичными гаметоцитами, гаметоцитами II).
Таблица 8
Сравнительная характеристика митоза и мейоза
|
Этап |
Показатель |
Митоз |
Мейоз |
|
Весь процесс |
Длительность |
Короткий (при образовании соматических клеток) |
Длительный период (при образовании гамет) |
|
Интерфаза |
Расхождение хромосом |
Хроматиды (имеется длительная) |
Гомологичные (имеется длительная перед мей- озом-1, короткая между мейозом-l и мейозом-II) |
|
S-фаза |
Предшествует каждому делению |
Только перед мейозом-l, отсутствует в интерфазе-II |
|
|
Рост клетки |
Происходит |
Происходит |
|
|
Репликация органелл |
Происходит |
Происходит |
|
|
Профаза |
Длительность |
Одна короткая |
Профаза-1 длительная (до 90 % времени), профаза-ll короткая |
|
Хромосомы |
Состоят из двух сестринских хроматид, соединенных центромерой |
Состоят из двух сестринских хроматид, соединенных центромерой |
|
|
Взаимоотношения гомологичных хромосом |
Обособлены |
Конъюгируют с образованием синаптонемальных компонентов |
|
|
Биваленты |
Отсутствуют |
Имеются |
|
|
Хиазмы |
Отсутствуют |
Образуются |
|
|
Кроссинговер |
Отсутствует |
Происходит |
|
|
Метафаза |
Образование метафазной пластинки |
Происходит |
В метафазе-I отсутствует. Только в метафазе-II |
|
Расположение центромер |
В одной плоскости, перпендикулярной оси веретена на его экваторе |
В метафазе-I над и под экватором симметрично. В метафазе-II на экваторе веретена |
|
|
Хромосомные микротрубочки сестринских хроматид |
Направлены в разные стороны к противоположным полюсам |
В метафазе-I направлены в одну сторону. В метафазе-II направлены в разные стороны |
Продолжение таблицы 8
|
Этап |
Показатель |
Митоз |
Мейоз |
|
Анафаза |
Репликация ДНК в области центромер и разделение s-хромосом |
Происходит |
В анафазе-l отсутствует, происходит в анафазе-II |
|
Расхождение d-хромосом |
- |
В анафазе-l вследствие распада хиазм |
|
|
Расхождение s-хромосом |
Происходит вследствие разделения центромер |
В анафазе-I не происходит. Происходит в анафазе-II |
|
|
Г енетическая идентичность |
Хроматиды идентичны |
Вследствие кроссинговера хроматиды неидентичны |
|
|
Телофаза |
Количество хромосом |
Аналогично материнской клетке (s-хромосомы) |
Вдвое меньше, чем в родительской клетке (в те- лофазе-I d-хромосомы, втелофазе-II s-хромосомы) |
|
Гомологичные хромосомы в дочерних клетках |
Две разделившиеся хроматиды попадают в каждую клетку |
Мейоз-I - в каждую клетку попадают две сестринские хроматиды, соединенные в области центромеры. Мейоз-II - в каждую клетку попадает одна хроматида |
Интерфаза-II очень короткая. Ее важнейшая особенность состоит в том, что не редуплицируется ДНК, т. е. отсутствует S-фаза.
Деление гаметоцита второго порядка совершается через профазу-II, метафазу-II, анафазу-II и телофазу-II. Профаза-II не длительна, и конъюгации хромосом при этом не наступает. В метафазе-II 23 хромосомы выстраиваются в плоскости экватора. В анафазе-II ДНК в области центромеры реплицируется, как это происходит и в анафазе митоза, хромосомы расходятся к полюсам. В телофазе-II образуются две дочерние клетки.
Напомним, что в деление вступали не тетраплоидные клетки, как при обычном митозе, а диплоидные. Поэтому каждая из новых клеток гаплоидна.
Восстановление диплоидности произойдет лишь в результате слияния мужской и женской гамет, то есть при оплодотворении - образовании нового организма.
Итак, в результате двух последовательных делений мейоза-II образуются 4 клетки, каждая из которых несет гаплоидный набор s-хромосом. В табл. 8 приведены основные сходства и различия между митозом и мейозом.
Вопросы для самоконтроля и повторения
1. Назовите иерархические уровни организации человека.
2. Дайте определение клетки.
3. Назовите основные положения клеточной теории Т. Шванна и ее современную интерпретацию.
4. Каковы основные химические компоненты клетки?
5. Каковы структура и функции нуклеиновых кислот?
6. Назовите основные структурные элементы (части) клетки.
7. Какими свойствами обладает клетка как элементарная частица живого?
8. Какие структуры клетки называют органеллами, какие - включениями? Перечислите те и другие.
9. Чем отличаются по своему строению мембранные органеллы клетки от немембранных? Приведите примеры.
10. Какие структуры выделяют у ядра?
11. Как построены митохондрии? Какие функции они выполняют?
12. Каково строение лизосом? Какие функции они выполняют?
13. Какие выделяются фазы клеточного цикла (деления клетки)?
14. Что такое мейоз? Чем он отличается от митоза?
15. Назовите основные принципы синтеза белка.
16. Как осуществляется транспорт веществ в клетку? Какие виды транспорта вы знаете?
17. Каковы пути передачи информации в клетке?