Глава 4

ЦИТОЛОГИЯ.

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ЯДРА.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КЛЕТКИ.

РЕАКТИВНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛЕТОК.

СТАРЕНИЕ И СМЕРТЬ КЛЕТКИ

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ КЛЕТОЧНОГО ЯДРА

Ядро клетки является ее важнейшим структурным компонентом. Его функции следующие:

1. Хранение наследственной информации в молекулах ДНК хромосом.

2. Реализация наследственной информации путем контроля в клетке синтетических процессов, а также процессов воспроизводства и гибели (апоптоза).

3. Воспроизводство и передача генетической информации при делении клетки.

4. Контроль и регуляция структурно-функционального состояния ци­топлазмы, клеточной оболочки, циторецепторов.

Количество ядер, их форма, величина зависят от вида клетки и ее функционального состояния. Наиболее часто встречаются одноядерные клетки, однако у некоторых клеток (например, гепатоцитов и др.) в свя­зи с интенсификацией функций может встречаться несколько ядер. Из­вестны гистологические структуры (например, симпласты в поперечно­полосатой мышечной ткани), для которых многоядерность является по­стоянным признаком.

Форма ядер, как правило, зависит от формы клеток. Ядро может быть уплощенным в плоских, округлым в кубических, эллипсоидным в призма­тических клетках. Встречаются сегментированные, палочковидные, лопаст­ные ядра. Расположение ядра также может быть различно: они могут ле­жать в центре клетки, эксцентрично, в базалыюй части.

Размеры ядра в целом зависят от функционального состояния клетки: в функционально активных клетках ядро имеет крупные размеры и наобо­рот. Крупные размеры характерны также для полиплоидных ядер. В организме человека встреча­ются так называемыепостклеточ­ные структуры, иногда также не­правильно называемые клетками: зритроциты, роговые чешуйки эпи­телия кожи, кровяные пластинки (тромбоциты). В них отсутствуют ядра, которые теряются в ходе спе­цифической дифференцировки. В постклеточных структурах подав­ляющее большинство характерных для клетки процессов отсутствует, они в течение определенного вре­мени выполняют одну или не­сколько функций, а затем гибнут.

В интерфазной клетке ядро со­стоит из 4 компонентов (рис. 4.1):

1. Хроматин (как часть хро­мосом).

2. Ядрышко.

3. Кариолемма.

4. Кариоплазма.

1. ХРОМАТИН.Хроматином называется интерфазная форма су­ществования хромосом. Структур­ное состояние хромосом существен­но меняется в интерфазных ими-тотически делящихся клетках. В интерфазе хромосомы находятся в частично или полностьюдеконден-сированном состоянии. При этом большая их часть становится неви­димой в световом микроскопе. Об­ласти деконденсации хромосом яв­ляются активными, здесь идет транскрипция ДНК. Такие области называютсяэухроматином. Конден­сированный, или плотный хрома­тин имеет выраженную базофилию и виден в микроскопе. Эти неак­тивные участки хромосом иначе называютсягетерохроматином. В

световом микроскопе гетерохроматин иидеи и форме гранул или глыбок, ок­рашенных основными красителями в характерный для красителя цвет и рас­пределенных но ядру или относительно равномерно, или зонально. Иногда распределение гетерохроматина создает картину спин колеса (в плазмоцитах). Часть гетерохроматина прилежит к кариолемме —примем-бранный хроматин, — а также сосредоточена вокруг ядрышек —иеринукле-олярный хроматин.

Гетерохроматин делится на два вида:

1. Конститутивный хроматин — это такой гетерохроматин, с которо­го никогда ни в одной клетке не идет считывание информации и виде и-РНК. В хромосомах это обычно области вблизи центромеров.

2. Факультативный гетерохроматин — это хроматин, количество кото­рого заметно варьирует в разных клетках: его совсем мало в эмбриональ­ных клетках, а по мере дифференцировки клеток содержание этого хрома­тина увеличивается. В синтезирующих белок клетках количество факуль­тативного хроматина снижено.

Поскольку красителями окрашивается только гетерохроматин, то степень окраски ядра зависит от его количества. Темноокрашенное ядро обычно характерно для функционально неактивной клетки. При актива­ции клетки соотношение эухроматин/гетерохроматин изменяется в пользу эухроматина, и ядра функционально активных клеток светлые, слабоокрашенные.

2. ЯДРЫШКО. Это плотный структурный компонент ядра. В клетке может быть от одного до нескольких ядрышек. Ядрышко — это совокуп­ность участков 10 хромосом (13, 14, 15, 21, 22 пары) (рис. 4.2, а). Эти уча­стки называют ядрышковыми организаторами. Они находятся в областивторичных перетяжек хромосом и представлены многочисленными копия­ми генов рибосомальных РНК (рРНК). Следовательно, в ядрышках с ДНК ядрышковых организаторов происходит считывание информации в виде рибосомальной РНК.

В световом микроскопе ядрышко определяется как плотноокрашенная основными красителями глобула размером от 1 до 3 мкм, не имеющая оболочки. Располагается как в центре ядра, так и эксцентрично. Интен­сивно окрашивается на рибонуклеопротеиды. Размеры ядрышка тем боль­ше, чем выше функциональная активность клетки.

В электронном микроскопе ядрышко состоит из двух основных частей: фибриллярного (представлен первичными цепями рибосомальной РНК) игранулярного (предшественники рибосом). Иногда выделяют третий,амор­фный компонент ядрышка, который представляет собой собственно ядрыш-ковые организаторы.

Ядрышко подвергается характерным изменениям в митотическом цик­ле (рис. 4.2, б). Во время митоза оно исчезает, потому что хромосомы спирализируются и расходятся, прекращается синтез РНК на ядрышковых орга­низаторах. При этом ядрышко постепенно распадается на 10 частей (столько же, сколько и хромосом, его образующих), которые постепенно ис­чезают. После митоза ядрышко вновь восстанавливается: вначале образует­ся 10 мелких ядрышек; они сливаются и образуют одно—два ядрышка.

Функции ядрышка — синтез рибосомальной РНК и образование рибо­сом. При транскрипции генов ядрышковых организаторов вначале образу­ется гигантская молекула-предшественница рРНК. Она связывается с бел­ками, синтезированными в цитоплазме и поступившими в ядро. Образу­ются рибопуклеопротеиды (РНП), которые подвергаются растеплению на более мелкие фрагменты, соединяющиеся с добавочными молекулами бел­ка. Одна часть этих фрагментов превращается вбольшие, другая часть — вмалые субъединины рибосом.

3. ЯДЕРНАЯ ОБОЛОЧКА, или кариолемма. На светомикроскопичес-ком уровне она видна как тонкая пластинка, окружающая ядро. В электрон­ном микроскопе состоит из двух мембран, которые имеют такое же строение, как все биологические мембраны (рис. 4.3). Наружная мембрана переходит в мембраны эндоплазматической сети. На ней могут быть рибосомы. Со сто­роны цитоплазмы наружная мембрана окружена сетью промежуточных виментиновых филамеитов. Между двумя мембранами есть перинуклеарное пространство шириной 20—40 им. Оно является аналогом полостей грану­лярной ЭГТС и может содержать продукты белкового синтеза.

Внутренняя мембрана кариолеммы гладкая. При помощи стрруктурных белков она связана с плотно прилежащей к ней ламиной, илиядерной пластинкой, которая имеет толщину до 300 нм и состоит из сгущения про­межуточных филаментов. С ламиной контактируют промежуточные фи-ламенты, формирующие в ядре фибриллярную сеть и образующиекариос-келет. Ламина поддерживает форму ядра, участвует в организации пор, способствует упорядоченному расположению хроматина. Она также уча­ствует в формировании кариолеммы при делении клеток.

Две ядерные мембраны в отдельных участках переходят одна в другую. Эти места являются порами кариолеммы (рис. 4.3). В порах находятся гра­нулярные и фибриллярные структуры, которые вместе образуюткомплекс поры. По краю поры лежат 8 гранул, а в центре находится центральная гранула. К ней от периферических гранул идут фибриллы. Формируется структура, похожая на колесо со спицами. В комплексе поры имеется три таких структуры, которые лежат на разных уровнях, формируя три этажа. Гранулы пор связаны с белками ламины, участвующей в их организации. В комплексе поры содержатся особые рецепторы, распознающие поступаю­щие в ядро белки и осуществляющие их активный перенос.

Число пор зависит от метаболической активности клеток: чем выше синтетические процессы, тем выше содержание пор. В среднем в ядерной оболочке содержится 2000—4000 пор. В сперматозоидах ядерные поры пол­ностью отсутствуют.

Функции кариолеммы:

1. Разграничительная.

2. Защитная.

3. Регуляция транспорта веществ, в том числе и рибосом, из ядра в цитоплазму и наоборот. Комплекс пор играет в этом наибольшее значение (роль диафрагмы и активного транспортера).

4. ЯДЕРНЫЙ СОК - КАРИОПЛАЗМА. Это жидкий компонент ядра. Представляет собой коллоидный раствор сложных белков, углеводов, нуклеотидов. В состав кариоплазмы входят также различные ионы и мета­болиты. Среди белков наибольшее значение имеют гистоны, ферменты, структурные белки. Функции кариоплазмы:

1. Создает микросреду для всех структур ядра, в которой может проис­ходить быстрая диффузия метаболитов.

2. Перемещение рибосом, м-РНК и т-РНК к ядерным норам.

ХРОМОСОМЫ. Хромосомы видны полностью только в митозе. Наи­более удобно изучать их в метафазе (метафазн^" хромосомные пластин­ки). Основными химическими элементами хромосимы являются ДНК и белки (рис. 4.4). Комплекс ДНК с белками (в основном с гистонами) фор­мирует фибриллярную структуру —элементарную хромосомную фибриллу,имеющую нуклеосомную организацию. Каждая нуклеосома представляет собой комплекс из 8 молекул гистонов(гистоновый октамер). Вокруг него молекула ДНК образует около 2 оборотов. Участки ДНК, связывающие соседние нуклеосомы, называютсялинкерной ДНК. Следующим уровнем организации хромосомы являетсянуклеомерная организация, или уровень хроматиновой фибриллы. В ней нуклеосомы объединяются внуклеомеры, причем каждый нуклеомер состоит из 8—10 нуклеосом и имеет диаметр около 30 нм. Хромосомы образованы хроматиновыми фибриллами (хрома-тидами) в интерфазе. В ходе последующей упаковки нуклеомер подверга­ется суперспирализации и превращается вхромомер, содержащий петельные домены. Петельный домен имеет диаметр до 300 им и соответствует одному или нескольким генам. Хромомер далее за счет сунерспирализации укорачивается, образуются конденсированные хромосомы, видимые только в митозе клетки.

МОРФОЛОГИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ХРОМОСОМ

Каждая хромосома в световой микроскоп выглядит в виде палочки (рис. 4.5). У большинства хромосом можно увидеть первичную перетяжку — центромер, иликинетохор. Он делит хромосомы на два плеча. Если длина плеч одинакова, такие хромосомы называютсяметацентрическими. Если одно плечо больше, то хромосомы являютсясубметацентрическими. Хромосомы с очень коротким одним плечом называютсяакроцентрически-ми. Иногда на хромосомах естьвторичные перетяжки, отделяющие от хро­мосомы маленький участок —сателлит. В области вторичных перетяжек находятся ядрышковые организаторы.

Согласно Денверской классификации хромосом (Денвер, США, 1960), учитывающей размеры хромосом, расположение первичных, вторичных пе­ретяжек и наличие спутника, все хромосомы делятся на 7 групп (А, В, С,D,E,F,G) (рис. 4.5,б). Существует такжеПарижская (1971) классифика­ция хромосом. В ее основу положенадифференциальная окраска хромосом некоторыми красителями. Эта окраска выявляет в хромосомах чередующи­еся светлые и темные полосы (гетеро- и эухроматиновые районы), уни­кальные для каждой пары хромосом. Дифференциальная окраска позволя­ет достоверно отличить одну пару хромосом от другой.

Все хромосомы вместе образуют кариотип. Среди хромосом естьсома­тические, илиаутосомы (рис. 4.5, б), иполовые хромосомы. Соматические хромосомы образуютгомологические (похожие) пары. У человека таких пар 22. Половые хромосомы различаются в мужском и женском организме. В женском организме есть две Х-хромосомы, в мужском — половые хромо­сомы различные,XиY, причемY-хромосомы определяют пол мужчины.

СПОСОБЫ РЕПРОДУКЦИИ КЛЕТОК

Универсальным механизмом размножения клеток является митоз, илинепрямое деление. Разновидностями митоза являютсямейоз иэндо-митоз. Иногда как самостоятельный способ репродукции рассматриваютамитоз, или прямое деление. Однако в последнее время большинство ци­тологов отрицают существование амитоза у эукариотических клеток.

МИТОЗ. Это непрямое деление клетки, связанное с изменениями ее ядра. В митозе имеется 4 фазы: профаза; метафаза; анафаза; телофаза (рис. 4.6, 4.7).

В ПРОФАЗУ происходят сле­дующие события:

1. В результате спирализации и конденсации хроматина стано­вятся видны хромосомы. Каждая хромосома состоит из двух лежа­щих рядом сестринских хроматид.

2. Исчезает ядрышко, т.к. на ядрышковых организаторах прекра­щается синтез р-РНК и они расхо­дятся в связи с конденсацией хро­мосом.

3. Из микротрубочек цитоплаз­мы формируется веретено деления. Центрами его организации стано­вятся разошедшиеся к полюсам центриоли. Микротрубочки верете­на деления прикрепляются к цент­ромерам хромосом, в области кото­рых из особых белков формируются кинетохоры. В дальнейшемкинето-хоры сами могут служить центрами организации микротрубочек.

4. Распадается на мелкие фраг­менты, превращается в мембранные пузырьки и становится неотличи­мой от ЭПС ядерная оболочка. По-ровый комплекс и ламина распада­ются на субъединицы.

МЕТАФАЗА. Все хромосомы располагаются в экваторе клетки и удерживаются в этом положении микротрубочками веретена деления. Сестринские хроматиды отходят друг от друга, разделяясь щелью, но остаются соединенными в облас­ти центромеры. Хромосомы форми­руют метафазную пластинку, илиматеринскую звезду.

АНАФАЗА. Сестринские хро­матиды, из которых состоят хромо-сомы, отделяются друг от друга и в области центромеры и начинают расхо­диться к полюсам клетки со скоростью до 1 мкм/мин. Анафаза обычно длится несколько минут.

Механизм движения хроматид к полюсам не со­всем ясен. Предполагают, что сигналом к движению является резкое повы­шение в гиалоплазме концентрации ионов кальция. Возможно, причина движения заключается в деполимеризации микротрубочек веретена с кон­ца, прикрепленного к кинетохорам. По другим представлениям, оиа кроет­ся во взаимодействии таких сократимых белков, как актин, миозин и динеин, которые сосредоточиваются вокруг веретена деления. Разошедшиеся к полюсам сестринские хроматиды формируют дочерние звезды.

ТЕЛОФАЗА. Когда разделенные дочерние хроматиды подходят к по­люсам, кинетохорные трубочки исчезают. Вокруг каждой группы дочерних хроматид из мембранных пузырьков и агранулярной ЭПС образуется новая ядерная оболочка, а из имеющихся в цитоплазме субъединиц — норовые комплексы и ламипа. Конденсированный хроматин начинает деспирализо-ваться, разрыхляться. Появляются ядрышки. Происходит распределение органелл между клетками. Затем, благодаря актииовым филаментам, в цент­ре клетки по периметру образуется сократимое кольцо (рис. 4.7, 4.8). Оно постепенно сжимается и образует борозду деления, которая углубляется и в конце концов разделяет материнскую клетку па две клетки. Это явление на­зывается цитотомией.

Наряду с описанным нормальным митозом могут наблюдаться ати­пичные и патологические митозы. При них может иметь место неравно­мерное распределение генетического материала между дочерними клетка­ми —анэуплоидия. Могут наблюдаться также аномалии хромосом —хро­мосомные аберрации, часто возникающие после рентгеновского облучения. Патологические митозы характерны для опухолевых клеток.

ЭНДОМИТОЗ — это вариант митоза, когда редупликация хромосом не заканчивается образованием двух клеток. Есть несколько вариантов эн-домитоза, отражающих степень "продвинутое™" митоза: 1. ПОЛИТЕНИЯ — явление, при котором в результате редупликации ДНК происходит увеличение размеров хромосом во много раз. Имеет мес­то у беспозвоночных животных.

2. ПОЛИПЛОИДИЯ — увеличение количества хромосом, обычно кратное двум. В полиплоидных клетках в последующем может происхо­дить разделение (сегрегация) геномов, и такие клетки распадаются на не­сколько клеток с диплоидным набором хромосом. Эти изменения некото­рые исследователи рассматривают как проявление амитоза.

3. Образование ДВУЯДЕРНЫХ И МНОГОЯДЕРНЫХ КЛЕТОК. Они возникают тогда, когда ядро делится, но цитотомия не происходит. Многоядерные клетки в последующем могут путем цитотомии разделить­ся с образованием одноядерных (вариант амитоза).

Эидомитоз в конечном счете приводит к увеличению размеров клетки и ее функциональных возможностей, поэтому его можно рассматривать как механизм приспособления или адаптации клетки к изменяющимся ус­ловиям внешней среды.

АМИТОЗ, или прямое деление клетки. В последнее время большин­ство исследователей отрицают его существование и значение для организ­ма. Поэтому во многих руководствах амитоз вообще не рассматривается как способ репродукции клеток.

Амитоз — деление клетки без изменений со стороны хромосомного ап­парата. Он проходит путем простой перетяжки ядра и цитоплазмы без вы­явления хромосом и образования веретена деления. Одной из форм амитоза является сегрегация геномов — множественная перешнуровка полиплоидно­го ядра с образованием мелких дочерних ядер с обычным генотипом.

Те исследователи, которые допускают существование амитоза, разли­чают реактивный амитоз (ответная реакция на внешние факторы),патоло­гический амитоз (в условиях патологии),регенераторный амитоз (при ре­генерации поперечно-полосатой мышечной ткани),дегенеративный амитоз (в стареющих клетках).

МЕЙОЗ. Это деление половых клеток, вариант митоза. При помощи мейоза образуются клетки с гаплоидным набором хромосом.

Мейоз состоит из двух последовательных митотических делений: МЕЙОЗ Iи МЕЙОЗ И.

Мейоз Iназываютредукционным делением, т.к. в нем происходит ре­дукция, уменьшение хромосомного набора в два раза. МейозIимеет слож­ную профазу, состоящую из 5 периодов, или фаз:

— ЛЕПТОТЕНА — хромосомы приобретают вид длинных тонких нитей;

— ЗИГОТЕНА — в ней происходит конъюгация гомологичных хромосом;

— ПАХИТЕНА — в эту фазу хромосомы укорачиваются и утолщаются;

— ДИПЛОНЕМА — характеризуется расщеплением хромосом на две по­ловинки — хроматиды. Образуются тетрады, состоящие из четырех хроматид; — ДИАКИНЕЗ — хромосомы сильно укорачиваются в результате спи рализации и отходят друг от друга.

Дальнейшие фазы мейоза I(метафаза, анафаза, телофаза) такие же. как в митозе, но к полюсам отходят не хроматиды, а целые хромосомы. Это и приводит к редукции хромосомного набора.

В мейозе IIк полюсам отходят хроматиды, как в митозе. Подробнее о мейозе — в разделе "Эмбриология", см. рис. 5.5.

ЯДЕРНО-ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЕ ОТНОШЕНИЕ

КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО

СОСТОЯНИЯ КЛЕТКИ

Отношение площади или объема ядра к площади или объему цитоп­лазмы называется ядерно-цитоплазматическим отношением (ЯЦО). Ядер-но-цитоплазматическое отношение показывает, в каком состоянии нахо­дится клетка. Если это отношение равно или больше 1, это значит, что в клетке большое ядро и мало цитоплазмы. Такое отношение могут иметь стволовые клетки, малые лимфоциты, стареющие клетки. Эти клетки функционально неактивны, однако обладают способностью делиться, на­пример, стволовые клетки. Наоборот, клетки, у которых ЯЦО меньше 1, имеют большой объем цитоплазмы и, следовательно, большое количе­ство органелл. Они высокодифференцированы и способны активно фун­кционировать.

МИТОТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КЛЕТКИ

Митотическнй цикл — это время от одного до второго деления клетки. Его подразделяют насобственно митоз иинтерфазу. В свою очередь, ин­терфаза делится на 3 периода (рис. 4.9,1):

1. G,-период. В нем активируются обменные процессы, необходимые для синтеза ДНК. Характеризуется ростом клеток, синтезом белка и РНК. Клетка восстанавливает нужный объем органелл и достигает обычных размеров. Синтезируются также специальныебелки-активаторы S-периода.

2. S-период — период синтеза, удвоения ДНК в ядре, хромосомы пол­ностью реплицируются. Одновременно удваиваются центриоли.

3. С₂-период — синтез и-РНК, р-РНК, белков тубулинов, из которых синтезируется веретено деления. Полностью созревают дочерние центрио­ли. Запасается энергия. Затем наступает М-период, или собственно митоз.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ — это время от одного деления до второго или до смерти клетки. Есть три основных вида тканевых клеток, различа­ющихся по жизненному циклу (рис. 4.9):

1. Стволовые клетки. Эти клетки способны к постоянному делению митозом. За счет них поддерживается тканевой гомеостаз. Жизненный цикл таких клеток будет составлять время от одного деления до второго, т.е. совпадает с митотическим циклом. Несмотря на неограниченные спо-собности к делению и дифференпировке, стволовые клетки делятся очень редко и после завершения митоза пребывают в продленном С,-нериодс (иногда его называютGo-периодом). После деления стволовые клетки пре­вращаются вполустволовые клетки, которые, наоборот, интенсивно делят­ся, восполняя клеточные потери. 2.Дифференцированные клетки.

а) Необратимые постмитотические клетки. Такие клетки делятся мито­зом только в эмбриональном периоде, а затем после достижения популя­цией необходимого объема полностью теряют способность к делению. Примером таких клеток являются нейроны, сердечные мышечные клетки. Жизненный цикл этих клеток состоит из следующих периодов:митотичес-кий цикл + детерминация (или определение пути дифференцировки) + диф-ференцировка (появление специфических черт строения клетки для выпол­нения специфической функции) + специализация ("обучение" функции, заключительные этапы дифференцировки) + период активного функциони­рования + старение + смерть клетки.

б) Обратимые постмитотические клетки. Эти клетки (например, клетки печени) характеризуются тем, что могут выходить из митотического цикла и переходить в состояниеG₀, или покоя. При этом они имеют возмож­ность для двух путей своего развития: или возвратиться в митотический цикл и делиться, или необратимо дифференцироваться и приступить к функции. Такие клетки являются резервом ткани.

ТИПЫ КЛЕТОЧНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ (СООБЩЕСТВ).

МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ ГОМЕОСТАЗА В РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ КЛЕТОЧНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ

В многоклеточном организме численность любой клеточной популя­ции жестко регулируется. Механизмы тканевого гомеостаза сложны и многогранны. На их полюсах находятся митоз и аноптоз (запрограммиро­ванная клеточная гибель, см. ниже).

Как отмечалось, существует три вида соматических клеток в зависимо­сти от их жизненного цикла: стволовые; постмитотически обратимые; по­стмитотически необратимые. Из сочетания этих клеточных типов форми­руются клеточные популяции (например, ткани). По соотношению в кле­точных популяциях клеток с различными клеточными циклами французс­кий ученый К. Лсблоп разделил все клеточные системы (ткани и органы) па три большие группы.

1. Статические (стационарные) клеточные популяции. К этой группе он отнес такие клеточные популяции, в которых в зрелом состоянии имеются только дифференцированные клетки и полностью отсутствуют стволовые клетки. К таким клеточным популяциям относятся нервная и сердечная

мышечная ткани. В них клетки в процессе дифференцировки необратимо к'ряют способность к делению, и общее число клеток не может увеличивать­ся. Напротив, с течением времени определенная часть клеток погибает путем амонтоза, а при старении организма этот процесс усиливается.

2. Растущие (увеличивающиеся в размерах) клеточные популяции. К :>той группе относятся клеточные популяции с очень низким в норме тем­пом пролиферативных процессов. Одновременно и потеря клеток очень низка. Такие популяции содержат: 1) очень незначительное количество стволовых клеток (по мнению некоторых авторов, они вообще отсутству­ют); 2) дифференцированные клетки; 3) покоящиеся клетки.

Примером такого типа популяций может служить паренхима печени, почек, щитовидной железы. В эмбриогенезе популяция гепатоцитов раз­множается с большой скоростью, в начале постнаталыгого развития число активно размножающихся гепатоцитов снижается, а продолжительность митотического цикла возрастает. У взрослых животных количество их па­дает до очень незначительных величин. Вместе с тем, при определенных ситуациях (удаление части органа) покоящиеся клетки быстро возвраща­ются в митотический цикл и, размножаясь, восстанавливают численность клеточной популяции.

3. Обновляющиеся популяции клеток. В этих популяциях достаточно интенсивное воспроизводство клеток уравновешивается такой же интен­сивной их потерей за счет апоптоза. Такие популяции состоят из: 1) отно­сительно небольшой фракции стволовых клеток, которые, делясь и диф­ференцируясь в зрелые клетки, поддерживают численность клеточной по­пуляции. Эти клетки большую часть своего жизненного цикла проводят в состоянии продленного С,-периода. 2) постмитотически необратимых кле­ток, выполняющих основные функции популяции.

В зависимости от типа клеточной популяции различны и механизмы поддержания ее гомеостаза.

1. В статических клеточных популяциях регуляторные механизмы на­правлены на регуляцию апоптоза.

2. В растущих клеточных популяциях регуляторные механизмы могут быть направлены на:

1) изменение процесса входа или выхода клеток в(из) состояние(я) по­коя; 3) изменение длительности митотического цикла клеток; 2) измене­ние скорости дифференцировки клеток; 4) изменение интенсивности апоп­тоза клеток.

3. В обновляющихся клеточных популяциях регуляция может быть при­ложена к: 1) выходу или входу стволовой клетки из(в) продленного(ый) Go-период; 2) изменению длительности митотического цикла стволовых клеток; 3) изменению интенсивности апоптотической гибели клеток, кото­рая в нормальных условиях достаточно высока.

В последнем случае численность клеточной популяции будет зависеть от соотношения митотической активности и апоптотической гибели кле­ток: а) при уравновешивании их популяция находится в стационарном со­стоянии; б) при преобладании пролиферативных процессов отмечается при­рост клеток, гипертрофия ткани, адаптация к вредным факторам; в) при преобладании апоптотической гибели наблюдается убыль клеточной популя­ции, что может иметь место при возвращении ткани после гипертрофии к исходному состоянию, атрофии ткани (малокровие, язвы и т.д.).

ОБЩИЕ ЧЕРТЫ ПОКОЯЩИХСЯ КЛЕТОК (G₀-W1ETOK)

В покоящихся клетках существует ряд механизмов, поддерживающих макромолекулы в состоянии равновесия, необходимого для жизнедеятельно­сти, и предотвращающих их гибель в неблагоприятных условиях. Благодаря этому покоящиеся клетки могут пребывать в состоянии покоя неограничен­но долго, при этом в определенной мере выполняя некоторые специфичес­кие функции (в первую очередь это относится к клеткам, вышедшим в со­стояние покоя после С₂-периода). В состоянии покоя может происходить репарация поврежденной ДНК.

Для покоящихся клеток характерны следующие признаки:

1. По размерам они меньше пролиферирующих клеток.

2. В них более, чем в делящихся клетках, конденсирован хроматин.

3. В этих клетках низкий уровень синтеза ДНК.

4. Снижено содержание РНК при одновременном повышении процес­сов ее синтеза и распада.

5. Снижена проницаемость цитолеммы.

6. Снижена интенсивность метаболизма и дыхательная активность.

ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ, МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ

И ОРГАНИЗМЕННЫЕ МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ

ДЕЛЕНИЯ КЛЕТОК.

ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИИ НА ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК

Регуляция деления клеток осуществляется на разных уровнях.

1. ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ УРОВЕНЬ.

а) ГЕНОМНО-ЯДЕРНЫЙ УРОВЕНЬ. Осуществляется путем дей­ствия генов, ответственных за митоз. В клеточном геноме имеются "ранние" и "поздние" гены пролиферативного ответа. "Ранними" генами являются гены fosи туе, "поздними" —ras,myb-гены. Продуцируемые этими генами белки стимулируют вступление клетки в митоз и увеличивают его скорость.

б) Цитоплазма может влиять на ядро с помощью различных раствори­мых факторов, так называемых триггерных белков, которые подавляют или активируют митоз.

в) Компоненты цитолеммы (белки и гликопротеины) клетки могут ока­зывать регулирующее влияние на ее митотическую активность. Очевидно, они участвуют в таком феномене, как контактное торможение размножения, но могут выступать в роли самостоятельного регуляторного механизма.

2. МЕЖКЛЕТОЧНЫЙ УРОВЕНЬ регуляции митоза:

а) Эффект контактного торможения размножения. Заключается в том, что при тесном контакте мембран двух клеток их деление подавляется. Это влияние опосредуется через плазмолемму, цитоскелет и передается на ядро. Эффект контактного торможения размножения объясняет, почему в культуре ткани клетки растут только в виде монослоя. Раковые же клетки не обладают этим эффектом, они растут беспорядочно, нарушая монослой. Аналогичным образом они ведут себяinvivo.

б) Кейлонная регуляция. Кейлоны — вещества белковой природы. Они вырабатываются дифференцированными клетками, но способны действо­вать на стволовые клетки, подавляя их митоз. Кроме кейлонов, клетки выделяют еще специфические факторы роста,индукторы, которые стиму­лируют митоз. За счет кейлонов и индукторов регулируется постоянство клеточного состава тканей.

3. На ОРГАНИЗМЕННОМ УРОВНЕ регуляция деления идет за счет нервной, эндокринной, иммунной систем. Нервная система может как подав­лять, так и стимулировать деление клеток в тканях-мишенях. Клетками эндокринной и иммунной системы вырабатывается большое количестворостовых факторов, которые стимулируют клеточное деление:эпидер-мальный, тромбоцитарный факторы роста, фактор роста нервов, фибробластов, инсулиноподобные факторы и др. Некоторые гормоны стимулируют, другие — подавляют размножение клеток. К гормонам-сти­муляторам митотической активности клеток относят гормон роста, инсу­лин, тиреоидные гормоны и др. Подавляют размножение клеток глюкокор-тикоиды (гормоны коры надпочечников). Один и тот же гормон может оказывать на клетки разных органов различное влияние. Например, поло­вые гормоны стимулируют деление клеток в половых органах, но подавля­ют его в зонах роста костей. Глюкокортикоиды подавляют деление клеток в большинстве органов, но могут стимулировать его в печени.

Митоз является достаточно чувствительным к действию вредных вне­шних факторов процессом. Он может подавляться действием различных химических веществ, в том числе и лекарственных препаратов. Вещества, деполимеризующие микротрубочки веретена деления (например, колхи­цин), останавливают митоз в метафазе. Это используется для получения препаратов так называемых метафазных хромосом, которые наиболее удобны для изучения их строения. Эти же вещества используются для лече­ния опухолей. Радиация оказывает повреждающее влияние на митоз. Мито-тические хромосомы изменяют форму, возникают их разрывы, иногда с пос­ледующим неправильным соединением фрагментов. Порой отдельные хро­мосомы исчезают вообще. Наблюдаются аномалии веретена деления. Оно может иметь не два, а три полюса. В некоторых случаях хромосомы делятся, а деления ядра не происходит. В результате возникают большие ядра с поли­плоидным набором хромосом. Если поражение радиацией сильное, то клет­ка теряет способность к делению.

МЕХАНИЗМЫ КЛЕТОЧНОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ

Способность клетки или ткани восстанавливать утраченные части назы­вается регенерацией. В зависимости от уровня ее реализации регенерация подразделяется навнутриклеточную регенерацию ирегенерацию на клеточном уровне. Внутриклеточная регенерация — восстановление ста­рых, разрушившихся органелл клетки, например, митохондрий, а также поврежденных частей клетки.

В зависимости от назначения регенераторного процесса регенерация подразделяется на физиологическую ирепаративную (посттравматическую) регенерацию. Физиологическая регенерация — это восстановление старых, подлежащих замене компонентов клетки или целых клеток. Репаративная регенерация — восстановление клеток после повреждения. После поврежде­ния наряду с регенераторным процессом, как правило, происходят икомпен­саторные, адаптивные изменения в клетке, направленные на уменьшение по­следствий возможного повторного повреждения. Если в результате количе­ство органелл увеличивается, то это явление называетсягиперплазией орга­нелл. Если количество органелл остается тем же, но увеличиваются их раз­меры, то это явление называетсягипертрофией органелл. Может наблюдать­ся сочетание гипертрофии и гиперплазии органелл. В результате указанных изменений клетка увеличивается в размерах(гипертрофия клетки) и стано­вится менее чувствительной к действию вредных факторов.

Клеточная регенерация — это регенерация ткани за счет увеличения чис­ла клеток путем митоза. Подробнее о регенерации — в общей гистологии.

РЕАКТИВНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛЕТОК.

ПОНЯТИЕ О ГИПЕРПЛАЗИИ И ГИПЕРТРОФИИ КЛЕТОК.

СМЕРТЬ КЛЕТОК. НЕКРОЗ

Реактивные изменения клеток — изменения структуры и функции кле­ток под воздействием внешних факторов. Если внешний фактор не вызы-иает гибели клеток, то в клетках происходят компенсаторные изменения, на­правленные на уменьшение последствий вредного воздействия внешнего фактора. Эти изменения могут быть следующими:

1. Внешний фактор активирует деление клеток. При этом клеток ста­новится больше, и в результате распределения фактора на большее коли­чество клеток они легче переносят его воздействие.

2. Внешний фактор воздействует на клетку, которая не может делиться. При этом в клетке активируется синтез белка, органелл, происходит их ги­перплазия и гипертрофия. В результате клетка увеличивается в размерах и становится менее чувствительной к действию фактора. В первом случае мы имеем дело с гиперплазией клеток, во втором — с их гипертрофией.

3. Внешний фактор может привести к образованию полиплоидных и двуядерных клеток. Такие клетки больше по размерам, функционально бо­лее активны и менее чувствительны к повреждающему фактору.

4. Внешний фактор может вызвать усиление метаболизма и функцио­нальной активности клеток. Это один из вариантов реакции клеток на внешний раздражитель. Может происходить увеличение клеточной повер­хности и усложнение ее формы, что в определенной степени ведет к сни­жению интенсивности внешнего воздействия на единицу площади клетки. Как проявление реакции на внешние стимулы может активироваться фа­гоцитоз клеток, особенно тех, у которых он является основной функцией. Может возрастать двигательная активность клеток. Мышечные клетки на стимуляцию ответят сокращением, нервные — нервным импульсом, секре­торные — усилением выработки и выделения секрета и т.д.

5. Любые достаточно сильные внешние воздействия вызывают в клет­ках стрессорные реакции, протекающие стереотипно. При этом происходит активация определенных генов, обеспечивающих синтез специальных за­щитных белков при одновременной блокаде других синтетических процес­сов. Эти защитные белки названыбелками теплового шока (БТШ), по­скольку первоначально были обнаружены в клетках при воздействии на них высокой температуры. БТШ носят универсальный характер, обладают собственной повышенной устойчивостью и одновременно предотвращают повреждение (агрегацию, коагуляцию) других клеточных белков, способ­ствуют расщеплению возникших патологических белковых конгломератов.

6. При воздействии на клетку запредельных факторов она подвергает­ся разрушению — некрозу. Обычно некроз захватывает целые группы кле­ток. Морфологические изменения при этом касаются и ядра, и цитоплаз­мы. В ядре могут происходить такие изменения. Под действием активиро­ванного лизосомалыгаго фермента ДНКазы ядерная ДНК расщепляется на фрагменты различной длины, что ведет к изменению расположения хроматина: он скапливается в виде крупных глыбок под кариолеммой. В дальнейшем с ядром могут происходить следующие изменения: — КАРИОПИКНОЗ — сморщивание ядра, уменьшение его в размерах до полного исчезновения;

— КАРИОЛИЗИС — растворение ядра с постепенным исчезновением в нем всех структур. Ядро приобретает вид бесструктурного пузырька;

— КАРИОРЕКСИС — разрыв ядра на отдельные фрагменты, которые затем разрушаются.

Лишенная в результате одного из этих трех процессов ядра клетка становится нежизнеспособной и постепенно гибнет.

В цитоплазме происходит дегенерация органелл. Цистерны ЭПС рас­ширяются, гранулярная ЭПС полностью лишается рибосом. Матрикс ми­тохондрий просветляется, расширяется межмембранное пространство, в дальнейшем разрушаются кристы; в конечном итоге мембраны митохонд­рий разрываются и митохондрии разрушаются. Повреждаются мембраны лизосом, ферменты которых выходят в цитозоль и участвуют в разруше­нии структур .цитоплазмы. Повреждение клеточных мембран связано с на­коплением в гиалоплазме клетки кальция, который активирует связанные с мембранами ферментыфосфолипазы. В цитоплазме идет образование вакуолей —вакуольная дистрофия, накопление нетипичных белковых или жировых включений —белковая, жировая дистрофия. Активация лизосом приводит к аутолизу клетки и фагоцитозу ее макрофагами.

ГЕНЕТИЧЕСКИ ЗАПРОГРАММИРОВАННАЯ КЛЕТОЧНАЯ ГИБЕЛЬ (АПОПТОЗ)

Апоптоз часто называют физиологической, альтруистической гибелью клетки (в отличие от некроза, представляющего собой патологическую ги­бель клетки, смерть клетки от "несчастного случая"). Термин "апоптоз" (от греч.apoptosis— листопад) предложил в 1971 году Г. Керр, основываясь на внешнем сходстве апоптозных клеток с опадающими листьями: апоптозная клетка сморщивается и как бы выпадает из общего контекста ткани.

Апоптоз является противоположностью митоза и генетически опосре­дован. В геноме каждой клетки наряду с генами пролиферации имеются гены апоптоза. Один из наиболее изученных механизмов индукции апоп-тоза — экспрессия гена Fas/Apo-1 (CD95). Находясь на противоположиых полюсах жизненного цикла клеток, митоз и апоптоз осуществляют регу­ляцию тканевого гомеостаза. Интересно, что одни и те же факторы в зави­симости от конкретной ситуации могут выступать индукторами (ингиби­торами) как митоза, так и апоптоза.

МЕХАНИЗМ АПОПТОЗА

Апоптоз индуцируется через рецепторы клеточной оболочки. Общую схему опосредования апоптоза можно представить следующим образом:

МОРФОЛОГИЯ АПОПТОЗА

Изменения ядра. В результате правильной межнуклеосомной фраг­ментации ДНК происходит закономерная "упаковка" хроматина в ядре в виде своеобразных полулуний под кариолеммой. Ядро сильно уплотняет­ся, иногда с зазубринами (рис. 4.10а). В дальнейшем ядро распадается на несколько частей, окруженных мембраной (проявления кариопикноза и ка-риорексиса, но не кариолизиса).

Изменения в цитоплазме. В результате прогрессивного активного рас­пада клеточных органелл цитоплазма сжимается и уплотняется. В ней по­являются оксифильные включения. Из-за сжатия цитоплазмы клетка ока­зывается окруженной своеобразным светлым бесструктурным ободком.

Изменения клеточной поверхности. На поверхности клетки появляют­ся многочисленные выпячивания и углубления (блеббинг). Выпячивания могут содержать неразрушенные органеллы и остатки ядра. В последую­щем эти выпячивания отшнуровываются, и клетка распадается на окру­женные мембраной фрагменты —апоптозные тела, которые фагоцитиру­ются местными макрофагами.

РЕГУЛЯЦИЯ АПОПТОЗА

Апоптоз, являясь одним и.ч важнейших факторов регуля­ции тканевого гомсостаза, так же, как и митоз, подвергается жесткой регуляции на разных уровнях. ' 3

1 Геномно-ядерный уровень. Наиболее изученным механиз­мом индукции апоптоза являет-ся экспрессия генаFas/APO-1. Этот ген продуцирует специаль­ный рецептор на клеточной по­верхности, АРО-1, возбуждение которого запускает программу клеточного суицида. Одним из специфически связывающихся с рецептором АРО-1 факторов, за­пускающим апоптоз, являетсяфактор некроза опухолей, продуцируемый макрофагами. На молекулярном уровне задей­ствованы различные цитокины, ростовые и апоптозиндуцирую-щие факторы.

2. На межклеточном и тка­невом уровне регуляция апоп­тоза осуществляется различны­ми популяциями клеток. Например, клетки Лангерганса эпидермиса могут запускать апоптоз кератиноцитов. Подобная роль, во всяком случае, установлена для клеток Лагерганса многослойного эпите­лия шейки матки. Индуциро­вать апоптоз могут лимфоциты и, возможно, другие клетки.