Клетъчно делене. Митоза
3.1.Клетъчно делене. Митоза.
Индивидуалното развитие на човека и животните, както знаем, започва от една оплодена яйцеклетка. В зряла възраст човешките клетки наброяват около 100 000 милиарда, Но клетките не са безсмъртни. Голяма част от тях непрекъснато отмират и приблизително толкова се възстановя ват (фиг. 3.1). Отдавна е установено, че единственият път за размножаване на клетките е деленето на предшестващите ги клетки. Това е отбелязано още в Петъчната теория. По този път не са се „движили" само първите клетки, с които се свързва възникването на живота.
Деленето на клетвите не означава само увеличаване на техния брой. Това е и механизъм, чрез който се предава и разпределя наследственият материал (наследствената програма) в дъщерните клетки. И тъй като преносители на наследствеността са хромозомите, тяхното поведение заема централно място в клетъчното делене.
Клетъчното делене лежи в основата на размножаването и нарастването на организма. То участва при възстановяването на изхабени и увредени тъкани и органи, осъществява приемствеността на Петъчните поколения, прехода от едноклетъчни към многоклетъчни организми и осигурява безсмъртието на живота.
Митозата - универсална форма на размножаване на еукариотните клетки. клетъчното делене поставя редица интригуващи въпроси като например: кой е пусковият механизъм на този процес; кой определя поведението на хромозомите и др. На някои от тези въпроси науката все още не е дала точен отговор. От изключителна важност за майчината клетка е предаването на точни копия наследствена програма на дъщерното поколение по време на клетъчното делене. Този механизъм се осъществява чрез словното клетъчно делене, наречено митоза (митоснишка), което протича по време на растежа в повечето клетки на организма.
Kаименованието на процеса митоза идва от формирането на нишки (хромозоми) в ядрото в хода на клетъчното делене.
Подготовка на клетката за делене. Непосредствено след всяко делене се решава въпросът за бъдещето на клетката -дали тя ще се размножава или ще се специализира. Веднъж поела пътя на размножаването клетката претърпява активен период на под-готовка за делене. Този период е известен като интерфаза и той обхваща бремето между две митози.
През интерфазата клетката синтезира активно белтъци и се увеличава Петъчната маса, т.е. клетката расте. Но заедно с това към края на интерфазата наследственият материал се удвоява, като се синтезира ДНК. През този период хромозомите представляват хроматинови нишки с ниска степен на компактност. В края на интерфазата синтетичните процеси в клетката спират и започва деленето.
Същност на митозата. По време на митозата хромозомите се разделят равно-мерно в двете дъщерни клетки. Процесът е непрекъснат, но за да бъде по-лесно описан се разделя условно на четири фази: профаза, метафаза, анафаза и телофаза (фиг. 3.2).
Разгледайте на фиг. 3.2. схематичното изображение на фазите на митозата и се опитайте да определите структурите и механизмите, отговорни за правилното разпределение на хромозомите в дъщерните клетки.
Най-забележимите събития, които се извършват с майчината клетка през профазата, са две - превръщането на интерфазните хромозоми в митотични и оформянето на делително вретено. Хромозомите (вж. урок2.1в)се спирализират и нагъват като силно се скъсяват и удебеляват, превръщайки се в компактни частици. Те са с удвоено съдържание на ДНК и всяка хромозома се състои от две хроматиди, свързани чрез центромера. Хромозомите не могат да се движат самостоятелно. Тяхното придвижване в клетката се осъществява чрез делителното вретено. То се образува в цитоплазмата от белтъчни нишки, свързващи двата полюса на клет-ката. По време на профазата ядърцето и ядрената мембрана постепенно се разпадат.
През метафазата хромозомите са максимално скъсени и компактни. Те се подреждат независимо една от друга в екватора на делителното вретено, като всяка се свързва чрез центромера си с неговите нишки.
По време на анафазата нишките на делителното вретено се скъсяват откъм полюсите. Сестринските хроматиди на всяка хромозома се разделят в областта на центромера и се насочват към срещуположните полюси на клетката като самостоятелни хромозоми. Всяка от тези хромозоми носи нормално количество ДНК, т.е. наследствена информация.
През телофазата в областта на полюсите на делителното вретено хромозомите се доближават/компактната им структура се разрушава, те се удължават и отъняват, губят видимите си очертания и постепенно преминават в хроматинови нишки, т.е. В интерфазни хромозоми. Ядърцето и ядрената мембрана се възстановяват и оформят две ядра с диплоиден хромозомен набор. При животинските клетки в екваториалната област започва разделяне на цитоплазмата чрез прищипване до обособяването на две самостоятелни дъщерни клетки, докато при растителните се образува вътрешна преградна пластинка(фиг. 3.3). Така след завършване на митозата от една диплоидна майчина клетка (2п) се образуват две също диплоидни дъщерни клетки (2п).
Виждаме, че две събития осигуряват запазването на наследствената програма при преминаването от едно поколение в друго: удвояването на хромозомите в майчината клетка и тяхното разделяне в два еднакви комплекта по време на митозата.
Биологичният смисъл на митозата се изразява в увеличаване броя на клетките и запазване на наследствената програма в тях.
Този вид делене лежи в основата на безполовото размножаване.
Процесите, които подготвят клетката за делене(интерфаза) и процесите, които осъществяват размножаването й (митоза) обхващат нейния митотичен цикъл. Митозата протича бързо и заема до 10% от времето на този цикъл.
Митотичният цикъл има различна продължителност за различните клетки. При човешки клетъчни култури митотичният цикъл трае 20h(19h интерфаза и 1h митоза). При естественото обновяване на клетките на чревната лигавица на човек митотичният цикъл продължава 24h(23h интерфаза и 1h митоза).
Регулация на митозата. Приема се, че една от главните причини за настъпване на клетъчното делене е нарушаването на отношението между масата и обема на ядрото, от една страна, и на цитоплазмата от друга. По време на интерфазата цитоплазмата нараства много по-бързо от ядрото и то като че ли „губи контрол" върху цитоплазмената маса. клетъчното делене възстановява оптималното отношение (фиг. 3.4).
Митозата има продължителност средно от 1/2 до Зh и е зависима от температурата, от присъствието на някои хормони и стимулиращи растежа фактори. Така например повишаването на температурата в известни граници ускорява процеса, а понижаването й го забавя.
Размножаването на клетките е общобиологично свойство. На молекулно равнище то се проявява чрез удвояване на ДНК по време на интерфазата, а на клетъчното равнище - чрез клетъчното делене.
При еукариотните клетки е познат и процес на делене - амитоза. Той се наблюдава при дегенериращи клетки(в зародишни обвивки, при епителни клетки). При него не се образуват хромозоми и делителен апарат, което не позволява на наследствената програма да се предаде в плен комплект на дъщерните клетки. Но амитозата е нормален вид делене при много едноклетъчни (първаци).
3.2.Делене на половите клетки. Мейоза.
Ако проследим устройството и функциите на индивидите от даден биологичен вид, ще установим съществуването на приемственост от поколение в поколение. Тази приемственост при безполово размножаване се постига чрез процеса митоза, който запазва количествено и качествено наследствената програма в получените дъщерни клетки. При половото размножаване обаче непрекъснатостта между поколенията се осъществява не чрез делене, а чрез сливане на две полови клетки (яйцеклетка и сперматозоид) и образуване на зигота. Но тогава би трябвало във всяко следващо поколение наследствената програма да се удвоява, от което би следвало да се променя основно характеристиката на вида. Защо това на практика не се получава?
Голяма част от наследствените болести и аномалии при човека са свързани с отклонения в неговия кариотип. Затова от особено голямо значение е запазването на нормалния брой хромозоми при размножаването му.
Ако при половото размножаване се слеят клетки, които са получени в резултат на митоза (с диплоиден набор = 4в), то при първото поколение броят на хромозомите във всички клетки на организма ще нарасне на 92, при второто на 184 и т. н.
Можем да предположим, че съществува клетъчен механизъм. който за разлика от митозата, намалява наполовина (редуцира) хромозомния набор на половите клетки при тяхното образуване (фиг. 3.7).
клетъчният механизъм, който осъществява редуцирането на хромозомния набор в клетките (от 2п на п), е установен. Това е особен вид клетъчно делене - мейоза (мейозис - намаляване). Този процес в много отношения напомня митозата, но е значително по-сложен. Разгледайте фиг. 3.8 и фиг. 3.2 от предишния урок и се опитайте да установи-те приликите и различията в механизмите на митозата и мейозата. Постарайте се да откриете и причините за редуцирането на хромозомния набор при мейозата.
Същност на мейозата. Мейозата протича като две последователни митотични деления, всяко едно от които преминава през четирите познати фази - профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Двете деления са разграничени от кратка интерфаза. Но преди първото делене генетичният материал се удвоява (синтезира се ДНК), както при обикновена митоза, докато преди второто делене генетичният материал не се удвоява. И при мейозата се формира делително вретено, за чиито нишки се прикрепват хромозомите чрез своите центромери. Скъсявайки се, нишките придвижват хромозомите към полюсите на делителното вретено. Да проследим целия механизъм.
В началото на първото делене на мейозата (I профаза) хомоложните хромозоми от хромозомния набор се приближават и бременно прилепват плътно една с друга - образуват се двойки хромозоми (биваленти). Всяка една от двете хромозоми се състои от две сестрински хроматиди. Това поведение на хомоложните хромозоми е характерно за мейозата. Тяхното свързване се съпровожда с уникално събитие (фиг. 3.9) - двете хромозоми си обменят материал от някои свои участъци, протича т. н. кросинговър (кръстосване). Това има съществени последици за генетичната програма.
След това бивалентите се подреждат по екватора на делителното вретено (I мета-фаза) и се разделят (I анафаза). Разделят се обаче не хроматидите на отделните хромозоми, а самите хромозоми в бивалентите. В полюсите на клетвата се образуват, както при обикновената митоза, дъщерни ядра (I телофаза). Само че всяко ядро съдържа по една хромозома от всяка хомоложна двойка и следователно е с намален наполовина брой хромозоми. Но всяка хромозома е с удвоено количество ДНК, защото е образувана от две хроматиди. Клетвата се разделя на две дъщерни клетки и всяка от тях по-нататък осъществява самостоятелно второто делене.
При първото делене на мейозата се получават две дъщерни клетки, в които броят на хромозомите намалява наполовина и става хаплоиден, а количеството на ДНК във бея/са хромозома е удвоено.
второто делене на мейозата е много сходно с митотичното. В двете клетки се оформя делително вретено (II профаза) и компактните хромозоми се подреждат в неговия екватор (II метафаза). След това хроматидите на всяка хромозома се разделят и като самостоятелни хромозоми се отправят към полюсите на клетката (II анафаза). Там се образуват дъщерни ядра, в които хромозомният набор е хаплоиден и всяка хромозома съдържа нормално количество ДНК. Всяка от двете клетки се разделя на две (II телофаза), като се получават общо четири клетки.
При второто делене на мейозата всяка от двете клетки (получени в резултат на първото делене) се разделя, като възникват общо 4 клетки с хаплоиден хромозомен набор и нормално съдържание на ДНК във всяка хромозома.
Последствия от обмяната на материал межоду хомоложните хромозоми. Получените при мейозата 4 хаплоидни клетки имат еднакъв брой случайно разпределени хромозоми, които не носят еднаква наследственост (фиг. 3.10). Всяка клетка съдържа в хромозомния си набор само по една хромозома (бащина или майчина) от всяка хо-моложна двойка, при това с някои разменени участъци с другата хромозома. Така във всяка клетка се формира случайна наследствена комбинация от гени, което е предпоставка за многообразие в поколението.
С мейозата се осъществява случайно разпределение на генетичния материал в поколението, чрез което се получават нови наследствени комбинации.
Броят на възможните комбинации в наследствената програма, които възникват при мейозата е 2n, където п е броят на хомоложните двойки хромозоми. Например при човека броят на възможните комбинации при половите клетки е 223, което означава, че при мейозата всеки мъж или жена може да произвежда по милиони различни сперматозоиди или яйцеклетки. Теоретично е възможен и случай, когато една полова клетка (сперматозоид или яйцеклетка) съдържа само майчини, а друга - само бащини хромозоми,
Мейозата е характерно делене за първичните клетки, незрели предшественици на по-ловите клетки при животните и човека (вж. урок в.1). Тези клетки са различни в мъжката и в женската полова жлеза - семенника и яйчника. Мейотичното делене на клетвата -предшественик в семенника, боди до възникването на 4 сперматозоида, а в яйчника - не на 4, а само на една пълноценна яйцеклетка. Другите три клетки са функционално негодни и деградират. Мейоза протича и при формирането на спорите на растенията.
Мейозата, заедно с митозата и оплождането, участва в единна биологична система за поддържане постоянството на броя на хромозомите при видовете, размножаващи се по полов път. Същевременно тя е предпоставка за възникване на организми с нови наследствени качества.
3.3.Жизнен път на клетката.
Клетъчен жизнен цикъл. Всички клетки възникват в края на делене на предшестваща клетка, но те нямат един и същ жизнен път. При прокариотните клетки се редуват последователно растеж и делене, но при еукариотните жизненият път е много по-разнообразен. Едноклетъчните еукариоти също нарастват и след това се разделят, като например амебата (фиг. 3.11). Но клетвите на многоклетъчните осъществяват редуване на растеж и делене само в началото на зародишното развитие. По-късно в тях настъпват структурни и функционални промени, водещи до специализирането им за изпълнение на определена функция (при животните - мускулни клетки, нервни клетки, жлезисти клетки и др., при растенията - покривни клетки, паренхим-ни клетки и др.). Придобивайки обаче това ново качество, клетките загубват способността да се делят. Следователно за едни клетки животът протича в рамките на цикъла нарастване-делене, а за други той продължава до смъртта на организма.
Съществуват и специализирани клетки, които живеят по-кратко време от организма (кръвните клетки/ епителните клетки).
всички събития, които протичат в клетката от нейното образуване в резултат на предшестващо делене до загиването или разделянето й на две дъщерни клетки, обхващат Петъчния жизнен цикъл.
В клетките, които интензивно се делят, може да се разграничат две последователни групи процеси: подготовка на клетката за делене - интерфаза, и самото делене - митоза. Тъй като тези процеси са обвързани с деленето на клетката, те съставят митотичен цикъл. В такива случаи митотичният цикъл съвпада с жизнения ци1сьл (зародишни клетки, туморни клетки).Обикновено интерфазата продължава 15-20 часа, докато митозата - 0,5-3 часа.
Подобна картина се наблюдава и в прокариотните клетки - техният жизнен цикъл се покрива изцяло с цикъла на делене (но те не се делят чрез митоза).
Жизненият цикъл съвпада с митотичния, когато клетката непосредствено след възникването си навлиза в подготовка за ново делене.
Какви процеси включва подготовката на клетката за делене? През интерфазата клетката увеличава масата си, като синтезира разнообразни белтъци. Сред тях важно място заемат белтъците, необходими за изграждането на делителното вретено и ядрените белтъци.
Най-важното събитие, подготвящи митозата, е удвояването на генетичния материал на клетвата - синтезата на ДНК. В края на интерфазата клетката се запасява и с енергия, която ще бъде необходима за протичането на митозата.
След като се появят в резултат на делене, повечето клетки на многоклетъчния организъм не навлизат в подготовка за ново делене, а поемат път на специализация (фиг. 3.12). Тъй като при специализирането в организма се обособяват различни групи от клетки със специфична функция, процесът се нарича клетъчно диференциране. Тези групи от клетки оформят тъканите.
Червените кръвни клетки, например, както и други клетки на кръвта, произлизат от недиференцирани кръвотворни клетки на червения костен мозък, Диференцирането на тези клетки се изразява в: намаляване размера на клетката, придобиване на дисковидна форма, изчезване на ядрото и на цитоплазмените органели (при бозайниците), образуване и натрупване на хемоглобин, който пренася О2 и СО2 и същевременно загубване на делителната способност.
Клетъчно диференциране. След като при делене наследственият материал се предава в пълен комплект на следващото поколение клетки, коя е причината за появата на различия в устройството и функционира-нето на клетките? Кой решава тяхната съдба и показва какъв път на развитие да поемат? Науката частично е отговорила на тези сложни въпроси. Диференцирането на клетките не се дължи на частична загуба или изменение на генетичната програма. Генетичният „запис" в ДНК не се изменя нито количествено, нито качествено. Променя се способността на различните гени да дават информация за синтезата на белтъци.
По принцип по-голямата част от генетичната програма на клетките е блокирана. При диференцирането само отделни участъци (гени) от нея се активират и се „презаписват", т.е. синтезира се иРНК, по чиято програма се синтезират белтъци. Това означава, че в клетката ще се синтезират не всички възмогни белтъци, структурата на които е записана в генетичната програма, а само тези, чиито запис в ДНК може да се презапише. като си представим, че в различни групи клетки се активират различни гени, ясно е защо ще се разбият различни по природа клетки. кой определя кои гени да се активират засега не е ясно, но може да се твърди, че начинът на диференциране на отделните клетки е заключен в наследствената програма и се регулира от вътрешни и външни фактори.
Клетъчното диференциране е необратим процес. На някои специализирани клетки могат бременно да възстановят делителната си способност при необходимост. Така при нараняване на кожата, нейните клетки, делейки се активно, запълват раната. При отстраняване на част от черния дроб в животни, неговите клетки след активно делене бързо възстановяват липсващия участък. Това по-казва, че в организма съществуват регулаторни механизми, които балансират клетъчното делене и диференциране според нуждите. когато тази регулация „излезе от строя", настъпват тежки последици. В едни случаи ненормално намалява скоростта на делене на клетките (например, ако се понижи продукцията на червени кръвни клетки, в организма се развива тежка анемия), а в други случаи -ненормално се увеличава скоростта на делене (например развиват се тумори).
При гръбначните животни централно място в регулирането на развитието на организма и диференцирането на клетките имат тиреоидните хормони на щитовидната жлеза.
Метаморфозата на насекомите е свързана с активно диференциране на клетки. Този процес се стимулира от хормони - екдизони.
Стареене и смърт на клетките.
Индивидуалното развитие на диференцираните клетки завършва със стареене и смърт. Стареенето е съпроводено с редица изменения - обезводняване на цитоплазмата, натрупване на инертни и токсични вещества, дегенерация на някои клетъчни органели и в резултат - понижаване на обменните процеси. Стареенето на клетката приключва с нейната смърт.
Стареенето и смъртта на клетките е общобиологичен процес - следствие от закономерно протичащи структурни и биохимични промени.
3.5.Надклетъчни равнища на организация при фивотните.
И при животните надклетъчните равнища на организация са тъканите, органите, функционалните системи и организма. Принципите на тяхното формиране и обединяване са общи с тези при растенията.
Наред с обособяване на специализирани групи клетки, в многоклетъчния животински организъм се създава словна вътрешна среда. Тази среда са телесните течности - тъканната течност, тръбната плазма и лимфата.
Вътрешната среда на организма осигурява Всички оптимални условия за съществуването на клетките на многоклетъчния организъм.
Такива условия са снабдяването с хранителни вещества и кислород, поддържането на подходяща температура, киселинност, осмотично налягане, изнасянето на непотребните вещества от обмяната, вкл. и СО^. За да изпълни тази важна роля, вътрешната среда поддържа относително постоянство на своя химичен състав, а при висшите гръбначни (птици и бозайници) - и постоянна температура. Постоянството на условията на вътрешната среда се нарича хомеостаза.
Характерни особености на надклетъчните равнища на организация при животните. При човека и животните сьществуват четири основни вида тъкани: епителна, съединителна, нервна и мускулна (фиг. 3.19). Нито една обаче не отговаря напълно на посоченото в урок 3.4. определение за тъкан и затова то трябва да се приеме условно. Така например съединителната тъкан включва клетки с различна структура и функция - костни, кръвни, хрущялни и др.
В състава на тъканта се запазват свойствата на отделните клетки. Наред с това обаче тъканите се отличават с общи свойства, характерни за това надклетьчно равнище.
1) Специализираните клетки притежават специфични структури, чрез които изпълняват специфични функции, например мускулните клетки - миофибрили, ресничестите епителни клетки - реснички и др.
2) Специализацията на клетките е необратима - клетки от един основен вид тъкан не могат да се превърнат в друг основен вид, например епителни клетки - в нервни или мускулни, съединителнотъканни клетки - в епителни.
3)Клетвите на всеки вид тъкан синтезират определени вещества, характерни за тях - нервните - невромедиатори, мускулните - съкратителни белтъци, съединително-тъканните - междуклетъчно вещество и др.
Органите са по-високо равнище на организация. Те имат определена форма и устройство. Функцията им е свързана с функцията на изграждащите ги тъкани. Например хранопроводът е изграден от 3 вида тъкан (фиг. 3.20) - епителна, съединителна и мускулна. Благодарение на специализираната функция на тези тъкани той поема храната от гълтача и я пренася до стомаха.
Органите се обединяват в системи.
Всяка система извършва в организма някаква основна функция - храносмилане, дишане, кръвообращение, отделяне и пр.
Органите, образуващи системата, имат функция, която е част от основната.
Организмът е изграден от различни системи. Той е равнище на организация, което позволява самостоятелно съществуване.
Организмът е цялостна биологична система, която обхваща всички надклетъчни равнища на организация, всички техни особености в структурата и функцията.
Естествено възниква въпросът: кои са факторите, които обединяват клетките в тъкани, тъканите в органи, органите в системи и системите в организъм?
Системи за регулация. Обединяващите фактори в надклетьчните равнища на организация са системите за регулация. В организма тъканите, органите и системите от органи не функционират независимо едни от други, а строго съгласувано, в съответствие с общите потребности. Това „подчиняване" на общите нужди - тези на организма, се осьществява чрез регулиране (усилване или отслабване) на функциите.
Системите за регулация при животните са две: химична сигнализация и сигнализация чрез нервни импулси.
Химичната сигнализация се осъществява по два начина.
1)Чрез химични вещества (неголеми молекули), отделени от клетвата, с които може да се влияе пряко върху съседните клетки от същия вид (фиг. 3.21). В плазмената мембрана съществуват канали, свързващи непосредствено цитоплазмата на съседните клетки в една тъкан. Така клетките могат да координират функциите си.
2)Чрез химични вещества, секретирани от специализирани клетки, с които може да се влияе върху процесите и функциите на клетки, разположени на разстояние (фиг. 3.22). Такива вещества са хормоните. Те се секретират от ендокринни жлези и се разнасят от-кръвта, като регулират функциите на тъка-ни и органи, намиращи се на значително разстояние от жлезата. Подобно действие имат и местните хормони. Те се секретират в различни тъкани и действат само на най-близките клетки. Например при различни наранявания от клетки на съединителната тъкан се отделя хистамин. Това вещество предизвиква разширение на близките капиляри и увеличаване на пропускливостта им за фагоцитиращите левкоцити.
В синапсите се отделят небромедиатори. Те се секретират от нервна клетка и действат на много малко разстояние - върху клет-ката, с която в синапса е свързана нервната клетка (мускулно влакно, жлезиста клетка или друга нервна клетка). Чрез невромедиаторите се предават нервни импулси.
Способността на клетката да реагира (да бъде чувствителна) към определени извънклетъчни сигнални молекули зависи от наличието в нея на молекули-рецептори. Това са най-често белтъци, които „разпознават" сигналната молекула (хормон, невромедиатор) и специфично я свързват.
Рецепторите за хидрофилните сигнални молекули са разположени в плазмената мембрана, а тези за хидрофобните сигнални молекули - вътрешноклетъчно.
Взаимното влияние между съседни клетки представлява най-простия вид химична сигнализация. Тя е.възникнала в еволюцията най-рано. От трите типа регулация чрез секретирани вещества от специализирани клетки, най-близо до нея стои регулацията чрез местни хормони. Не само защото се осъществява на малко разстояние, но и клетките, които секретират местни хормони, са доста разнообразни.
Сигнализацията чрез нервни импулси е свързана с функциите на нервната система. Нервните импулси се предават по нервни влакна и достигат до органи или тъкани, които тези влакна инервират.
Регулиращото действие при химичната сигнализация се проявява по-бавно от това при сигнализацията чрез нервни импулси, но се задържа по-дълго време.
Благодарение на съчетаното регулиране на функциите на всички тъкани и органи - чрез химични вещества (хуморално) и чрез нервни импулси (нервно), организмът най-пълноценно се приспособява към променящата се околна среда. Нервната регулация има водеща роля в общата нервно-хуморална регулация на организма.
|