Клеточная пролиферация - увеличение числа клеток путем митоза,

приводящее к росту ткани, в отличие от другого способа увеличения ее

массы (например, отек). У нервных клеток пролиферация отсутствует.

Во взрослом организме продолжаются процессы развития, связанные

с делением и специализацией клеток. Эти процессы могут быть как нор-

мальными физиологическими, так и направленными на восстановление ор-

ганизма вследствие нарушения его целостности.

Значение пролиферации в медицине определяется способностью кле-

ток разных тканей к делению. С делением клеток связан процесс заживле-

ния ран и восстановление тканей после хирургических операций.

Пролиферация клеток лежит в основе регенерации (восстановления)

утраченных частей. Проблема регенерации представляет интерес для ме-

дицины, для восстановительной хирургии. Различают физиологическую,

репаративную и патологическую регенерацию.

Физиологическая - естественное восстановление клеток и тканей в

онтогенезе. Например, смена эритроцитов, клеток кожного эпителия.

Репаративная - восстановление после повреждения или гибели кле-

ток и тканей.

Патологическая - разрастание тканей не идентичных здоровым тка-

ням. Например, разрастание рубцовой ткани на месте ожога, хряща – на

месте перелома, размножение клеток соединительной ткани на месте мы-

шечной ткани сердца, раковая опухоль.

В последнее время принято разделять клетки тканей животных по спо-

собности к делению на 3 группы: лабильные, стабильные и статические.

К лабильным относятся клетки, которые быстро и легко обновляются

в процессе жизнедеятельности организма (клетки крови, эпителия, слизи-

стой ЖКТ, эпидермиса и др.).

К стабильным относятся клетки таких органов как печень, поджелу-

дочная железа, слюнные железы и др., которые обнаруживают ограничен-

ную способность к делению.

К статическим относятся клетки миокарда и нервной ткани, кото-

рые, как считает большинство исследователей, не делятся.

Изучение физиологии клетки имеет важное значение для понимания он-

тогенетического уровня организации живого и механизмов саморегуляции

клетки, обеспечивающих целостное функционирование всего организма.

Глава 6

ГЕНЕТИКА КАК НАУКА. ЗАКОНОМЕРНОСТИ

НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ

6.1 Предмет, задачи и методы генетики

Наследственность и изменчивость являются фундаментальными свой-

ствами живого, т. к. характерны для живых существ любого уровня орга-

низации. Наука, изучающая закономерности наследственности и изменчи-

вости, называется генетикой.

Генетика как наука изучает наследственность и наследственную из-

менчивость, а именно, она имеет дело со следующими проблемами :

1) хранение генетической информации;

2) передача генетической информации;

3) реализация генетической информации (использование ее в конкрет-

ных признаках развивающегося организма под влиянием внешней среды);

4) изменение генетической информации (типы и причины изменений,

механизмы).

Первый этап развития генетики - 1900–1912 гг. С 1900 г. - переот-

крытие законов Г. Менделя учеными Х. Де Фризом, К. Корренсом, Э. Чер-

маком. Признание законов Г. Менделя.

Второй этап 1912–1925 гг. - создание хромосомной теории Т. Мор-

гана. Третий этап 1925–1940 гг. - открытие искусственного мутагенеза и

генетических процессов эволюции.

Четвертый этап 1940–1953 гг. - исследования по генному контролю

физиологических и биохимических процессов.

Пятый этап с 1953 г. и по настоящее время - развитие молекулярной

биологии.

Отдельные сведения по наследованию признаков были известны

очень давно, однако научные основы передачи признаков впервые были

изложены Г. Менделем в 1865 г. в работе: «Опыты над растительными

гибридами». Это были передовые мысли, но современники не придали

значение его открытию. Понятия «ген» в то время еще не было и Г. Мен-

дель говорил о «наследственных задатках», содержащихся в половых клет-

ках, но их природа была неизвестна.

В 1900 г. независимо друг от друга Х. Де Фриз, Э. Чермак и К. Кор-

ренс заново открыли законы Г. Менделя. Этот год и считается годом рож-

дения генетики как науки. В 1902 г. Т. Бовери, Э. Вильсон и Д. Сеттон сде-

лали предположение о связи наследственных факторов с хромосомами.

В 1906 г. У. Бетсон ввел термин «генетика», а в 1909 г. В. Иогансен -

«ген». В 1911 г. Т. Морган и сотрудники сформулировали основные поло-

жения хромосомной теории наследственности. Они доказали, что гены

расположены в определенных локусах хромосом в линейном порядке, по-

ние определенного признака.

Основные методы генетики: гибридологический, цитологический и

математический. Генетика активно использует и методы других смежных

наук: химии, биохимии, иммунологии, физики, микробиологии и др.

Эндокринная, паракринная и аутокринная регуляция. В норме клетки делятся исключительно под воздействием различных факторов внутренней среды организма (и внешних - по отношению к клетке). В этом состоит их коренное отличие от трансформированных клеток, деля­щихся под воздействием эндогенных стимулов. Существуют два типа физиологической регуляции - эндокринная и паракринная. Эндокринная регуляция осуществляется специализированными органами (железами внутренней секреции), в числе которых гипофиз, надпочечники, щитовид­ная, паращитовидная, поджелудочная и половые железы. Они секретируют продукты своей активности в кровь и оказывают генерализованное воздействие на весь организм.
Паракринная регуляция характеризуется тем, что в одной и той же ткани соседние клетки воздействуют друг на друга посредством секретируемых и распространяющихся диффузией активных веществ. К числу таких митогенных стимуляторов (полипептидные ростовые факторы) относятся эпидермальный фактор роста, фактор роста тромбоцитов, ин­терлейкин-2 (фактор роста Т-клеток), фактор роста нервов и множество других.
Аутокринная регуляция, характерная для опухолевых клеток, отли­чается от паракринной тем, что одна и та же клетка является и источни­ком ростового фактора, и его мишенью. Результат - непрекращающееся, самоподдерживающееся митогенное «возбуждение» клетки, приводящее к нерегулируемому размножению. При этом клетка не нуждается во вне­шних митогенных стимулах и становится полностью автономной.
Перенос митогенного сигнала - процесс многоэтапный. В зави­симости от типа клетки и от конкретного митогенного стимула реализу­ется один из множества сигнальных путей. Ниже в качестве «прототипа» описан так называемый МАР-киназный каскад.
Ростовые факторы (регуляторы пролиферации) секретируются одними клетками и действуют паракринным образом на другие. Это небольшие белки. Полипептидная цепь EGF (epidermal growth factor) состоит, например, из 53 аминокислот. Существует несколько семейств ростовых факторов, представитель каждого из которых объединен структурным и функциональным сходством. Одни из них стимулируют пролиферацию (например, EGF и PDGF, platelet-derived growth factor, тромбоцитарный фактор роста), а другие (TGF-p, TNF, интерфероны) - подавляют.
Рецепторы расположены на клеточной поверхности. Каждая клет­ка имеет присущий ей репертуар рецепторов и соответственно свой осо­бый набор ответных реакций. Очень важное в функциональном отноше­нии семейство образуют так называемые тирозинкиназные рецепторы (ТКР), обладающие ферментативной (протеинкиназной) активностью. Они состоят из нескольких доменов (структурно-функциональных блоков): внеклеточного (взаимодействующего с лигандом - в данном случае с ростовым фактором), трансмембранного и подмембранного, обладающего тирозинпротеинкиназной активностью. В зависимости от структу­ры ТКР подразделяют на несколько субклассов.
При связывании с ростовыми факторами (например, EGF) молеку­лы рецепторов димеризуются, их внутриклеточные домены сближаются и индуцируют межмолекулярное автофосфорилирование по тирозину. Этоттрансмембранный перенос сигнала - начало волны «возбуждения», распространяющейся затем в виде каскада реакций фосфорилирования внутрь клетки и достигающей в итоге хромосомного аппарата ядра. ТКР обладают тирозинкиназной активностью, но по мере продвижения сигнала внутрь клетки тип фосфорилирования меняется на серин/треониновый.
Ras-белки. Одним из наиболее важных является сигнальный путь с участием Ras белков (это подсемейство так называемых G-белков, обра­зующих комплексы с гуаниловыми нуклеотидами; Ras-GTP - активная форма, Ras-GDP - неактивная). Этот путь - один из основных в регуля­ции клеточного деления у высших эукариот - настолько консервативен, что его компоненты способны заменить соответствующие гомологи в клет­ках дрозофилы, дрожжей и нематод. Он опосредует многочисленные сиг­налы, исходящие из окружающей среды, и функционирует, по-видимо­му, в каждой клетке организма. Ras играет роль своеобразного турникета, через который должен пройти почти любой из поступающих в клетку сиг­налов. Критическая роль этого белка в регуляции клеточного деления из­вестна с середины 80-х годов, когда активированная форма соответству­ющего гена (онкоген Ras) была обнаружена во многих опухолях человека. Активация онкогена (онкогены - гены, вызывающие нерегулируемое клеточное деление) - одно из главных событий канцерогенеза. Это такое повреждение нормального, участвующего в регуляции клеточного размно­жения гена (протоонкогена - нормального клеточного гена, способного при нарушении структуры индуцировать опухолевый рост), которое де­лает его перманентно работающим (активным) и, тем самым, индуциру­ющим столь же непрерывное (нерегулируемое) клеточное деление. Поскольку в регуляции клеточного размножения принимает участие мно­жество клеточных генов (протоонкогенов), повреждение которых потенциально способно вызывать опухолевый рост, то соответственно существует и множество (несколько десятков, а возможно и сотен) онко­генов.
В конкретной ситуации Ras-опосредованного сигнального пути (на­пример, при взаимодействии EGF с рецептором) димеризация последнего приводит к автофосфорилированию одного из остатков тирозина в его подмембранном домене. В результате этого становится возможной са­мосборка («рекрутирование» в комплекс) ряда белков, расположенных ниже в сигнальном пути (адаптерный белок Grb2, белок Sos1). Этот муль­тибелковый комплекс локализован в плазматической мембране.
МАР-киназный каскад. МАР-киназы (mitogen activated protein kinases) - серин/треониновые протеинкиназы, активируемые в резуль­тате митогенной стимуляции клетки. Киназный каскад возникает как следствие последовательной активации одного фермента другим, стоящим «выше» в сигнальном пути. Как следствие стимуляции белка Ras и фор­мирования подмембранного комплекса повышается активность двух ци­топлазматических серин/треониновых МАР-киназ (известных так же как ERK1 и ERK2, extracellular signal-regulated protein kinases 1 and 2), кото­рые перемещаются из цитоплазмы в ядро клетки, где фосфорилируют ключевые факторы транскрипции - белки-регуляторы активности различных генов.
Активация транскрипции. Группа генов, определяющих вхождение клетки в фазу S, активируется транскрипционным фактором АР-1 - ком­плексом белков Jun и Fos (гены, их кодирующие - c-Jun и c-Fos, относятся к числу протоонкогенов; с - от cell, обозначает их клеточное про­исхождение в отличие от вирусных онкогенов v-Jun и v-Fos). Эти транскрипционные факторы могут взаимодействовать между собой с образованием множества гомо- и гетеродимеров, связывающихся с опре­деленными участками ДНК и стимулирующих синтез РНК на прилежащих к этим участкам генах. МАР-киназы повышают активность АР-1 двояким образом:
опосредованным, активируя гены, кодирующие эти транскрипцион­ные факторы, и увеличивая тем самым их содержание в клетке;
прямым, фосфорилируя входящие в их состав сериновые и треониновые остатки.
В результате активации генов продуцируются белки, необходимые для синтеза ДНК и последующего митоза. Некоторые из новообразованных белков (Fos, Jun, Мус), известные как белки раннего ответа (immediateearly proteins), выполняют регуляторные функции; связываясь со специ­фическими участками ДНК, они активируют прилежащие гены. Другую группу составляют такие ферменты, как тимидинкиназа, рибонуклеотидредуктаза, дигидрофолатредуктаза, тимидилат-синтаза, орнитиндекарбоксилаза, ДНК-полимеразы, топоизомеразы и ферменты, которые имеют непосредственное отношение к синтезу ДНК. Кроме того, усили­вается общий белковый синтез, поскольку при каждом цикле удвоения воспроизводятся все клеточные структуры.
Реализация митогенного сигнала. Результатом переноса мито­генного сигнала является реализация сложной программы клеточного деления.
Клеточный цикл. Клетки могут находиться в одном из трех состоя­ний - в цикле деления, в стадии покоя с сохранением возможности воз­врата в цикл и, наконец, в стадии терминальной дифференцировки, при которой способность к делению полностью утрачена. Образовывать опу­холи могут только те клетки, которые сохранили способность к делению.
Цикл удвоения разных клеток человека варьирует от 18 ч (клетки ко­стного мозга) до 450 ч (клетки крипт толстой кишки), в среднем - 24 ч. Митоз (М) и синтез ДНК (фаза S), между которыми выделяют 2 промежу­точных (gap) периода - G1 и G2, наиболее заметны; во время интерфазы (период между двумя делениями) клетка растет и готовится к митозу. В период фазы G1 существует момент (так называемая точка рестрикции R), когда осуществляется выбор между вхождением в следующий цикл деления или переходом в стадию покоя G0. Вхождение клетки в цикл де­ления - процесс вероятностный, определяемый сочетанием ряда усло­вий (внутренних и внешних); однако после того, как выбор сделан, по­следующие этапы совершаются автоматически. Хотя клетка может блокироваться на той или иной стадии цикла деления, обычно это может быть следствием каких-то особых обстоятельств.
Особенно важными в цикле являются моменты вхождения клетки в фазу синтеза ДНК (граница фаз G/S) и митоз (граница фаз G2/M), где действуют своеобразные «контрольно-пропускные пункты» (checkpoints), которые проверяют в первом случае целость ДНК (ее готовность к репли­кации), а во втором - завершенность репликации. Клетки с поврежден­ной или недореплицированной ДНК блокируются на границе соответству­ющих фаз, что предотвращает возможность передачи потомству дефектов ее структуры в виде мутаций, делеций и иных нарушений. Некая система надзора, по-видимому, существующая в клетке, индуцирует систему ре­парации ДНК, после завершения которой продвижение клетки по циклу может быть продолжено. Альтернативой репарации является апоптоз, радикальным образом устраняющий опасность возникновения в организ­ме клона дефектных (потенциально опухолевых) клеток. Конкретный вы­бор зависит от множества условий, в том числе от индивидуальных осо­бенностей клетки.
Процесс репликации ДНК сложен и длителен (занимает несколько часов), поскольку весь генетический материал клетки должен быть воспроизведен абсолютно точно. При возникновении в нем каких-либо от­клонений клетка блокируется на подходе к митозу (на границе фаз G2/M) и также может подвергнуться апоптозу. Защитное значение checkpoints трудно переоценить, поскольку их функциональные дефекты в конечном итоге имеют следствием и опухолевую трансформацию клетки и прогрес­сию уже сформировавшейся опухоли.
Циклические реакции. Существуют два семейства белков, «движу­щих» клеточный цикл - циклин(сусНп)-зависимые серин/треониновые протеинкиназы (Cdk, cyclin-dependent kinases) и сами циклины. Циклины регулируют активность Cdk и тем самым их способность модифициро­вать структуры-мишени, непосредственно участвующие в метаморфозах цикла. С их участием осуществляются такие важные этапы цикла, как дезинтеграция ядерной мембраны, конденсация хроматина, формирование веретена и ряд других. Cdk активны только в комплексе с одним из циклинов. В связи с этим сборка и активация многочисленных комплексов Cdkcyclin, а также их диссоциация - ключевые моменты клеточного цикла.
Как следует из их названия, циклины синтезируются и распадаются в строго определенные моменты цикла, различные для разных циклинов. Имеется три основных их класса: йЛциклины, необходимые для прохож­дения GyS, S-циклины - для прохождения S-фазы и G2 (или митотичес­кие) - циклины для вхождения в митоз. В клетках млекопитающих име­ется также несколько семейств Cdk, участвующих в разных регуляторных влияниях. Удаление того или иного циклина из внутриклеточной среды строго в определенный момент столь же важно, как и его появление (уст­ранение циклинов из внутриклеточной среды достигается как их дегра­дацией, так и блоком синтеза), например в митозе (на границе мета- и анафазы) в результате протеолиза один из циклинов быстро деградиру­ет; если же этого не происходит, то митоз не может завершиться и разде­ления дочерних клеток не происходит.
Продвижение в фазе S требует активации киназ Cdk2, Cdk4 и Cdk6, которые взаимодействуют с вЛфазными циклинами (в частности, с cyclin D). Комплекс Cdc2 с первым йЛфазным циклином индуцируеттранскрипцию гена следующего циклина и т.д., продвигая клетки все дальше по цик­лу. Cdc2-cyclin D в самом начале замещается на Cdc2-cyclin Е, а тот в свою очередь - на Cdc2-cyclin А, активирующий аппарат синтеза ДНК. Когда клетка входит в S-фазу, йЛциклины деградируют и появляются вновь лишь в фазе G1 следующего цикла.
Контрольно-пропускные пункты (checkpoints - англ.). Любое стрессорное воздействие (например, отсутствие питательных веществ, гипоксия, особенно повреждение ДНК) блокирует движение’по циклу в одном из двух упомянутых выше контрольных пунктов (checkpoints). Во время этих остановок активируются механизмы надзора, способные:
обнаружить повреждение ДНК;
передать сигнал неблагополучия, блокирующий синтез ДНК или
митоз;
активировать механизмы репарации ДНК.
Благодаря этому обеспечивается стабильность генома. Как упоминалось выше, механизм контроля G/S блокирует репликацию ДНК и ак­тивирует процессы репарации (или индуцирует апоптоз), тогда как меха­низм контроля G2/M запрещает митоз до завершения репликации Дефекты этих механизмов могут привести к появлению дочерних клеток с поврежденным геномом.
В механизме checkpoint участвуют комплексы Cdk-cyclin и ряд допол­нительных белков - Rb, р53 и другие. Их совокупность образует систему «тормозов», не позволяющих клетке делиться в отсутствие адекватных стимулов. Гены, кодирующие эти белки, называют генами-супрессора­ми. Особая значимость этой системы заключается в том, что раковая трансформация клетки становится возможной лишь после ее инактива­ции. В соматической клетке существуют по два аллеля каждого из генов, втом числе и генов-супрессоров, и, следовательно, для их инактивации необходимы два независимых события (например, делеция одного алле­ля и мутация другого). Именно по этой причине «спорадические» опухоли появляются относительно редко (вероятность возникновения в одной клетке нескольких независимых мутаций, причем поражающих один и тот же локус обеих хромосом, относительно невелика), а «семейные» чрез­вычайно часты (в «раковых» семействах один из двух наследуемых алле­лей того или иного гена-супрессора исходно дефектен). В последнем слу­чае система «тормозов» у всех клеток данного организма обеспечивается лишь одним нормальным аллелем, что резко снижает ее надежность и повышает риск возникновения опухоли. Именно это и происходит при наследственной ретинобластоме (делеция одного аллеля Rb) и других наследственных синдромах (делеция или повреждение одного аллеля р53 или других генов-супрессоров).
У клеток с дефектным или отсутствующим белком-супрессором р53 контрольный пункт GyS неполноценен. Это проявляется в том, что повреж­дения ДНК, индуцированные ионизирующей радиацией или каким-либо другим способом, не приводят ни к задержке клеток на границе фаз G 1/S, ни капоптозу. В результате в популяции накапливаются клетки с мно­жественными нарушениями структуры ДНК; появляется и со временем нарастает нестабильность генома, которая способствует возникновению новых клеточных клонов. Их естественный отбор лежит в основе опухоле­вой прогрессии - постоянного «дрейфа» опухоли ко все большей авто­номности и злокачественности.
Апоптоз (или программируемая клеточная гибель) - широко распространенный биологический феномен клеточного «самоубийства», ко­торое индуцируется либо разнообразными внешними стимулами, либо неразрешимыми «внутренними» конфликтами (например, невозможностью репарации повреждений ДНК). Роль апоптоза велика не только в фор­мообразовательных процессах во время эмбриогенеза (формирование органов, замена одних тканей другими, резорбция временных органов и т.д.), но и в поддержании тканевого гомеостаза во взрослом организме.
В регуляции тканевого гомеостаза гибель клетки выполняет функцию, комплементарную митозу. У опухолевых клеток программа гибели клеток в большинстве случаев блокирована, что вносит существенный вклад в увеличение массы опухоли.
Механизмы апоптоза. Принципиальное значение имеет тот факт, что механизмы апоптоза чрезвычайно консервативны и сохраняют свои основные закономерности у весьма далеких в эволюционном отношении организмов. Это обстоятельство позволило идентифицировать у млекопитающих (в частности у человека) гены, гомологичные генам апоптоза у нематоды, - организма, у которого впервые была обнаружена и изучена генетическая система, управляющая этим процессом.
В результате у млекопитающих были идентифицированы гены семейства Вс1 -2. Роль самого Вс1-2 и некоторых его гомологов - антиапоптическая (предотвращение гибели клеток), тогда как у других членов се­мейства, например Вах, - проапоптическая. Белки Вах и Вс1-2 способны к комплексообразованию друг с другом. В зависимости от относительно­го внутриклеточного содержания про- и антиапоптических белков реша­ется судьба данной клетки. Механизм действия белков семейства Вс1-2 не до конца ясен.
Большое функциональное значение имеет механизм апоптоза, индуцируемого через специфические рецепторы CD95 (трансмембранный белок-рецептор размером 45 кДа, который при связывании со специфическим лигандом или антителами передает сигнал к апоптозу) и TNF-R (tumor necrosis factor receptor, рецептор фактора некроза опухолей). Эти рецепторы, объединяемые сходством внеклеточных доменов, входят в состав большого семейства. Лигандами (молекулами, специфически вза­имодействующими с рецепторами TNF-R и CD95) являются соответствен­но TNF и CD95-L, которые представляют собой трансмембранные белки, но могут функционировать и в растворимой, «свободной» форме. Осо­бенно интересен, с онкологической точки зрения, TNF - цитокин, произ­водимый многими клетками (макрофагами, моноцитами, лимфоидными клетками, фибробластами) в ответ на воспаление, инфекцию и другие стрессорные воздействия. Он индуцирует широкий спектр иногда проти­воположных по направленности реакций, включая лихорадку, шок, некроз опухоли, анорексию; а также иммунорегуляторные сдвиги, клеточное раз­множение, дифференцировку и апоптоз. В этом случае апоптоз осуще­ствляется с участием специфической цистеиновой протеазы ICE, разру­шающей многие внутриклеточные белки-мишени. Гиперэкспрессия ICE в клетке вызывает апоптоз. size=5 face="Times New Roman">

1. Факторы роста (макрофаги, лимфоциты, фибробласты, тромбоциты и др.) –стимуляция пролиферации и ограничение апоптоза.

2. Кейлоны – гликопротеидные тканеспецифические ингибиторы роста.

3. Фибронектин- хемоаттрактант фибробластов.

4. Ламинин -главный адгезивный белок базальных мембран.

5. Синдекан -интегральный протеогликан клеточных мембран, связывает коллаген, фибронектин и тромбоспондин.

6. Тромбоспондин – гликопротеид, образует комплексы с синдеканом, коллагеном и гепарином, играет существенную роль в сборке костной ткани.

Образование и реализация эффектов биологически активных веществ (БАВ) - одно из ключевых звеньев воспаления. БАВ обеспечивают закономерный характер развития воспаления, формирование его общих и местных проявлений, а также исходы воспаления. Именно поэтому БАВ нередко именуют как «медиаторы воспаления».

Медиаторы воспаления - это местные химические сигналы, образую­щиеся, высвобождаемые либо активируемые в очаге воспаления, действую­щие и разрушаемые также в пределах очага. Под медиаторами (посредниками) воспаления понимают биологически активные вещества, ответственные за возникновение или поддержание тех или иных воспалительных явлений, например повышенной сосудистой проницаемости, эмиграции и т. д.

Это те же вещества, которые в условиях нормальной жизнедеятельности организма, образуясь в различных органах и тканях в физиологических концентрациях, ответственны за регуляцию функций на клеточном, тканевом уровне. При воспалении, местно высвобождаясь (вследствие активации клеток и жидких сред) в больших количествах, они приобретают новое качество - медиаторов воспаления. Практически все медиаторы являются и модуляторами воспаления, т. е. способны усиливать или ослаблять выраженность воспалительных явлений. Это обусловлено комплексностью их влияния и взаимодействием их как с клетками-продуцентами этих веществ, так и между собой. Соответственно эффект медиатора может быть добавочным (аддитивным), потенцирующим (синергистическим) и ослабляющим (антагонистическим), а взаимодействие медиаторов возможно на уровне их синтеза, секреции или эффектов.

Медиаторное звено является основным в патогенезе воспаления. Оно координирует взаимодействие множества клеток - эффекторов воспаления, смену клеточных фаз в очаге воспаления. Соответственно патогенез воспаления можно представить себе как цепь множественных межклеточных взаимодействий, регулируемых медиаторами-модуляторами воспаления.

Медиаторы воспаления обусловливают развитие и регуляцию процессов альтерации (включая изменение обмена веществ, физико‑химических параметров, структуры и функции), развитие сосудистых реакций, экссудации жидкости и эмиграции клеток крови, фагоцитоза, пролиферации и репаративных процессов в очаге воспаления.

Большинство медиаторов выполняют свои биологические функции специфически воздействуя на рецепторы клеток-мишеней. Однако некоторые из них имеют прямую ферментативную или токсическую активность (напри­мер, лизосомальные гидролазы и активные кислородные радикалы). Функции каждого медиатора регулируются соответствующими ингибиторами.

Источниками медиаторов воспаления могут служить плазма крови и клетки-участники воспаления. В соответствии с этим выделяют 2 большие группы медиаторов воспаления: гуморальные и клеточные . Гуморальные

медиаторы в основном представлены полипептидами, которые постоянно цир­кулируют в крови в неактивном состоянии и синтезируются преимуществен­но в печени. Эти медиаторы составляют так называемую «сторожевую поли­систему плазмы крови». Клеточные медиаторы могут синтезироваться de novo (например, метаболиты арахидоновой кислоты) или высвобождаться из клеточных депо (например, гистамин). Источниками клеточных медиаторов в очаге воспаления являются, в основном, макрофаги, нейтрофилы и базофилы.

Из гуморальных медиаторов воспаления наиболее важными являютсяпроизводные комплемента. Среди почти 20 различных белков, образующихся при активации комплемента, непосредственное отношение к воспалению имеют его фрагменты С5а, С3а, С3b и комплекс С5b-С9. При этом С5а и в меньшей степени С3а являются медиаторами острого воспаления. СЗb опсонизирует патогенный агент и соответственно способствует иммунной адгезии и фагоцитозу. Комплекс С5b-С9 ответствен за лизис микроорганизмов и патологически измененных клеток. Источником комплемента является плазма крови и в меньшей мере тканевая жидкость. Усиленная поставка плазменного комплемента в ткань является одним из важных назначений экссудации. С5а, образующийся из него в плазме и тканевой жидкости под влиянием карбоксипептидазы N, C5a des Arg и С3а повышают проницаемость посткапиллярных венул. При этом C5a и С3а, будучи анафилатоксинами (т. е. либераторами гистамина из тучных клеток), повышают проницаемость как прямо, так и опосредованно через гистамин Эффект C5a des Arg не связан с гистамином, но является нейтрофилзависимым, т. е. осуществляется за счет факторов проницаемости, вьсвобождаемых из полиморфноядерных гранулоцитов, - лизосомальных ферментов и неферментных катионных белков, активных метаболитов кислорода. Кроме того, C5a и C5a des Arg привлекают нейтрофилы. В отличие от них С3а практически не обладает хемотаксическими свойствами. Активные компоненты комплемента высвобождают не только гистамин и гранулоцитарные продукты, но и интеряейкин-1, простагландины, лейкотриены, фактор, активирующий тромбоциты, и синергистически взаимодействуют с простагландинами и веществом Р.

Кинины - вазоактивные пептиды, образующиеся из кининогенов (альфа2-глобулинов) под влиянием калликреинов в плазме (нонапептид брадикинин) и в тканевой жидкости (декапептид лизилбрадикинин, или каллидин). Пусковым фактором активации калликреин-кининовой системы является активация при повреждении ткани фактора Хагемана (XII фактор свертывания крови), превращающего прекалликреины в калликреины.

Кинины опосредуют расширение артериол и повышение проницаемости венул путем контракции эндотелиальных клеток. Они сокращают гладкую мускулатуру вен и повышают внутрикапиллярное и венозное давление. Кинины угнетают эмиграцию нейтрофилов, модулируют распределение макрофагов, стимулируют миграцию и митогенез Т-лимфоцитов и секрецию лимфокинов. Они также усиливают пролиферацию фибробластов и синтез коллагена и, следовательно, могут иметь значение в репаративных явлениях и в патогенезе хронического воспаления.

Один из наиболее значимых эффектов кининов- активация рефлексов путем раздражения окончаний чувствительных нервов и опосредование, таким образом, воспалительной боли. Кинины вызывают или усиливают высвобождение гистамина из тучных клеток, синтез простагландинов многими типами клеток, поэтому некоторые из их основных эффектов- вазодилятация, сокращение гладкой мускулатуры, боль - связывают с высвобождением других медиаторов, особенно простагландинов.

Активация фактора Хагемана запускает не только процесс кининообразования, но и свертывания крови и фибринолиза. При этом образуются такие медиаторы, как фибринопептиды и продукты деградации фибрина, которые являются мощными хематтрактантами. Кроме того, фибринолиз и образование тромбов в сосудах очага имеют существенное значение как в патологических, так и в защитных явлениях воспаления.

Из клеточных медиаторов первостепенный интерес вызываютэйкозаноиды поскольку скорее всего именно они являются центральным медиаторным звеном воспалительной реакции. В пользу этого свидетельствуют продолжительное поддержание продукции эйкозаноидов в очаге, их тесная связь с ключевым событием воспалительного процесса - лейкоцитарной инфильтрацией, мощный противовоспалительный эффект ингибиторов их синтеза.

Основную роль в продукции эйкозаноидов в очаге воспаления играют лейкоциты, особенно моноциты и макрофаги, хотя они образуются почти всеми типами ядерных клеток при стимуляции последних. Преобладающими эйкозаноидами в очаге воспаления почти всегда оказываются простагландин (ПГ) Е2, лейкотриен (ЛТ) B4 и 5-гидроксиэйкозатетраеновая кислота (5-ГЭТЕ). Образуются также, хотя и в меньшем количестве, тромбоксан (Ткс) А2, ПГF2альфа, ПГD2, простациклин (ПГ12), ЛТС4, ЛТD4, ЛТЕ4, другие ГЭTЕ.

Главными эффектами эйкозаноидов при воспалении являются влияния на лейкоциты. ПГ, Ткс и особенно ЛТ являются мощными хематтрактантами и играют, таким образом, важную роль в механизмах самоподдержания лейкоцитарной инфильтрации. ПГ сами не повышают сосудистую проницаемость, но, будучи сильными вазодилятаторами, усиливают гиперемию и, следовательно, экссудацию. ЛТС4, JITD4, ЛТЕ4 повышают проницаемость сосудов путем прямой контракции эндотелиальных клеток, а ЛТВ4 - как нейтрофилзависимый медиатор. ПГ и ЛТ имеют значение в генезе воспалительной боли. При этом ПГЕ2, не обладая прямой болевой активностью, повышает чувствительность рецепторов афферентных болевых нервных окончаний к брадикинину и гистамину. ПГЕ2 является сильным жароповышающим агентом, и лихорадка при воспалении может быть отчасти обусловлена его высвобождением. ПГ играют ключевую роль в модуляции воспалительного процесса, осуществляя двунаправленную регуляцию экссудации, эмиграции и дегрануляции лейкоцитов, фагоцитоза. Так, например, ПГЕ способны потенцировать развитие отека, вызванного гистамином или брадикинином, а ПГF2альфа, напротив, ослаблять. Аналогичные отношения между ПГЕ и ПГF2альфа распространяются также на эмиграцию лейкоцитов.

Особо широкий спектр взаимодействий с другими медиаторами воспаления характерен для ЛТ. Они синергистически взаимодействуют в отношении бронхоспазма с гистамином, ацетилхолином, ПГ и Ткс, стимулируют высвобождение ПГ и Ткс. Модуляторная функция эйкозаноидов осуществляется через изменения соотношения циклических нуклеотидов в клетках.

Источникамигистамина являются базофилы и тучные клетки.Серотонин (нейромедиатор) у человека кроме незначительного количества в тучных клетках содержится также в тромбоцитах и энтерохромаффинных клетках. Благодаря быстрому высвобождению при дегрануляции тучных клеток, способности изменять просвет микрососудов и вызывать непосредственную контракцию эндотелиальных клеток венул гистамин и серотонин считаются основными медиаторами первоначальных микроциркуляторных нарушений в очаге острого воспаления и немедленной фазы повышения проницаемости сосудов. Гистамин играет дуалистическую роль как в отношении сосудов, так и клеток. Через Н2-рецепторы он расширяет артериолы, а через H1-рецепторы суживает венулы и, таким образом, повышает внутрикапиллярное давление. Че­рез Hi -рецепторы гистамин стимулирует, а через Нг-рецепторы угнетает эмиграцию и дегрануляцию лейкоцитов. При обычном течении воспаления гистамин действует преимущественно через Нг-рецепторы на нейтрофилах, ограничивая их функциональную активность, и через Hi -рецепторы на моно­цитах, стимулируя их. Таким образом, на­ряду с провоспалительными сосудистыми эффектами он оказывает противовоспали­тельные клеточные. Серотонин также сти­мулирует моноциты в очаге воспаления. Гистамин осуществляет двунаправленную регуляцию пролиферации, дифференцировки и функциональной активности фибробластов и, следовательно, может иметь значение в репаративных явлениях. Моду­ляторные эффекты гистамина также опосредуются циклическими нуклеотидами.

Что касается взаимодействий биогенных аминов в очаге воспаления, то известно, что гистамин через Hi-рецепторы может за­пускать или усиливать синтез простагландинов, а через На -рецепторы - угнетать. Биогенные амины взаимодействуют как меж­ду собой, так и с брадикинином, нуклео­тидами и нуклеозидами, веществом Р в по­вышении проницаемости сосудов. Сосудорас­ширяющее действие гистамина усиливается в комплексе с ацетилхолином, серотонином, брадикинином.

Основным источникомлизосомальных ферментов в очаге воспаления являются фагоциты - гранулоциты и моноциты-макрофаги. Несмотря на огромную важность в патогенезе воспаления фагоцитоза, фагоциты являются прежде всего подвиж­ными носителями медиаторов-модуляторов, секретируемых внеклеточно. Вывобождение лизосомального содержимого осуществляется в ходе их хемотаксической стимуляции, ми­грации, фагоцитоза, повреждения, гибели. Главными компонентами лизосом у челове­ка являются нейтральные протеиназы- эластаза, катепсин G и коллагеназы, содер­жащиеся в первичных, азурофильных, гра­нулах нейтрофилов. В процессах противомикробной защиты, в том числе при воспа­лении, протеиназы относятся к факторам “второй очереди” после кислородзависимых (миелопероксидаза - перекись водорода) и таких кислороднезависимых, как лактоферрин и лизоцим, механизмов. Они обеспе­чивают главным образом лизис уже убитых микроорганизмов. Основные же эффекты протеиназ - медиация и модуляция воспалительных явлений, в том числе повреждения собственных тканей. Медиаторный и модуляторный эффекты протеиназ осуществляются в отношении сосудистой проницаемости, эмиграции, фагоцитоза.

Повышение проницаемости сосудов под влиянием лизосомальных ферментов происходит за счет лизиса субэндотелиального матрикса, истончения и фрагментации эндотелиальных клеток и сопровождается геморрагией и тромбозом. Образуя или расщепляя важнейшие хемотаксические вещества, лизосомальные ферменты являются модуляторами лейкоцитарной инфильтрации. В первую очередь это касается компонентов системы комплемента и калликреин-кининовой.

Лизосомальные ферменты, в зависимости от концентрации, могут и сами усиливать или угнетать миграцию нейтрофилов. В отношении фагоцитоза нейтральные протеиназы также обладают рядом эффектов. В частности, эластаза может об­разовывать опсонин С3b; С3b является также важным для адгезии частиц к поверхности нейтрофила. Следовательно, нейтрофил сам обеспечивает себе механизм усиления фагоцитоза. Как катепсин G, так и эластаза повышают сродство Fc-рецептора мембраны нейтрофила к комплексам иммуноглобулинов и, соответственно, усиливают эффективность поглощения частиц.

Благодаря также способности лизосомальных ферментов активировать системы комплемента, калликреин-кининовую, свертывания и фибринолиза, высвобождать цитокины и лимфокины, воспаление развертывается и самоподдерживается в течение длительного времени.

Важнейшим свойствомнеферментных катионных белков, содержащихся как в азурофильных, так и в специфических гранулах нейтрофилов, являетсяих высокая микробицидность. В этом отношении они находятся в синергистическом взаимодействии с системой миелопероксидаза - перекись водорода. Катионные белки адсорбируются на отрицательно заряженной мембране бактериальной клетки путем электростатического взаимодействия. В результате этого нарушаются проницаемость и структура оболочки и наступает гибель микроорганизма, что является предпосылкой для последующего эффективного лизиса его лизосомальными протеиназами. Высвободившиеся внеклеточно катионные белки опосредуют повышение проницаемости сосудов (главным образом путем индукции дегрануляции тучных клеток и высвобождения гистамина), адгезию и эмиграцию лейкоцитов.

Главным источникомцитокинов (монокинов) при воспалении являются стимулированные моноциты и макрофаги. Кроме того, эти полипептиды продуцируются нейтрофилами, лимфоцитами, эндотелиальными и другими клетками. Наиболее изученными из цитокинов являются интерлейкин-1(ИЛ-1) и фактор некроза опухоли (ФНО). Цитокины повышают сосудистую проницаемость (неитрофилзависимым путем), адгезию и эмиграцию лейко­цитов. Наряду с провоспалительными свойствами цитокины могут иметь значение и в непосредственной защите организма, стимулируя нейтрофилы и моноциты к умерщвлению, поглощению и перевариванию внедрившихся микроорганизмов, а также усиливая фагоцитоз путем опсонизации патогенного агента.

Стимулируя раневое очищение, пролиферацию и дифференцировку клеток, цитокины усиливают репаративные процессы. Наряду с этим они могут опосредовать тканевую деструкцию (деградацию хрящевого матрикса и резорбцию кости) и, таким образом, играть роль в патогенезе заболеваний соединительной ткани, в частности ревматоидного артрита.

Действие цитокинов вызывает также ряд метаболических эффектов, лежащих в основе общих проявлений воспаления - лихорадки, сонливости, анорексии, изменения обмена веществ, стимуляции гепатоцитов к усиленному синтезу белков острой фазы, активации системы крови и т. д.

Цитокины взаимодействуют между собой, с простагландинами, нейропептидами и другими медиаторами.

К медиаторам воспаления относится также рядлимфокинов - полипептидов, продуцируемых стимулированными лимфоцитами. Наиболее изученными из лимфокинов, модулирующих воспалительный ответ, являются фактор, угнетающий макрофаги, макрофагактивирующий фактор, интерлейкин-2. Лимфокины координируют взаимодействие нейтрофилов, макрофагов и лимфоцитов, регулируя таким образом воспалительную реакцию в целом.

Активные метаболиты кислорода, прежде всего свободные радикалы - супероксидный анион радикал, гидроксильный радикал НО, пергидроксил, вследствие наличия на их внешней орбите одного или нескольких непарных электронов обладают повышенной реактивностью с другими молекулами и, следовательно, значительным деструктивным потенциалом, который имеет значение в патогенезе воспаления. Источником свободных радикалов, а также других кислородпроизводных медиаторов и модуляторов воспаления - перекиси водорода (Н 2 0 2), синглетного кислорода (f0 2), гипохлорида (НОС1) служат: дыхательный взрыв фагоцитов при их стимуляции, каскад арахидоновой кислоты в процессе образования эйкозаноидов, ферментные процессы в эндоплазматическом ретикулуме и пероксизомах, митохондриях, цитозоле, а также самоокисление малых молекул, таких, как гидрохиноны, лейкофлавины, катехоламины и др.

Роль активных метаболитов кислорода в воспалении состоит, с одной стороны, в повышении бактерицидной способности фагоцитов и, с другой стороны, - в их медиаторной и модуляторной функциях. Медиаторная роль активных метаболитов кислорода обусловлена их способностью вызывать перекисное окисление липидов, окисление белков, углеводов, повреждение нуклеиновых кислот. Указанные молекулярные изменения лежат в основе вызываемых активными метаболитами кислорода явлений, характерных для воспаления, - повышения проницаемости сосудов (вследствие повреждения эндотелиальных клеток), стимуляции фагоцитов.

Модуляторная ролъ, активных метаболитов кислорода может заключаться как в усилении воспалительных явлений (путем индукции высвобождения ферментов и взаимодействия с ними в повреждении ткани; не только инициации, но и модуляции каскада арахидоновой кислоты), так и в противовоспалительных эффектах (за счет инактивации лизосомальных гидролаз и других медиаторов воспаления).

Важное значение имеют активные метаболиты кислорода в поддержании хронического воспаления.

К медиаторам и модуляторам воспаления относят такженейропептиды - вещества, высвобождаемые С-волокнами в результате активации воспалительным агентом полимодальных ноцицепторов, играющих важную роль в возникновении аксонрефлексов в конечных разветвлениях первичных афферентных (чувствительных) нейронов. Наиболее изученными являются вещество Р, кальцитонин-генсвязанный пептид, нейрокинин А. Нейропептиды повышают проницаемость сосудов, и этаих способность во многом опосредована медиаторами, происходящими из тучных клеток. Между немиелинными нервами и тучными клетками имеются мембранные контакты, которые обеспечивают сообщение центральной нервной системы с очагом воспаления.

Нейропептиды синергистически взаимодействуют в повышении проницаемости сосудов как между собой, так и с гистамином, брадикинином, С5а, фактором, активирующим тромбоциты, лейкотриеном В4; антагонистически - с АТФ и аденозином. Они оказывают также потенцирующее воздействие на привлечение и цитотоксическую функцию нейтрофилов, усиливают адгезию нейтрофилов к эндотелию венул. Кроме того, нейропептиды повышают чувствительность ноцицепторов к действию различных медиаторов, в частности простагландина Е2 и простациклина, участвуя, таким образом, в воссоздании воспалительной боли.

Кроме вышеперечисленных веществ к медиаторам воспаления относятся также ацетилхолив и катехоламины, высвобождающиеся при возбуждении холин- и адренергических структур. Ацетилхолин вызывает расширение сосудов и играет роль в аксонрефлекторном механизме артериальной гиперемии при воспалении. Норадреналин и адреналин тормозят рост сосудистой проницаемости, выступая главным образом как модуляторы воспаления.

. Глава II
Репродукция клеток. Проблемы клеточной пролиферации в медицине.
2.1. Жизненный цикл клетки.
Клеточная теория гласит, что клетки появляются от клеток путем деления исходной. Это положение исключает образование клеток из неклеточного вещества. Делению клеток предшествует редупликация их хромосомного аппарата , синтез ДНК как в эукариотических, так и в прокариотических организмах.

Время существования клетки от деления до деления называется клеточным или жизненным циклом. Величина его значительно варьирует: для бактерий это 20-30 минут, для туфельки 1-2 раза в сутки, для амебы около 1,5 суток. Клетки многоклеточных обладают также разной способностью к делению. В раннем эмбриогенезе они делятся часто, а во взрослом организме большей частью утрачивают эту способность, так как становятся специализированными. Но даже в организме, достигшем полного развития, многие клетки должны делиться, чтобы замещать изношенные клетки, которые постоянно слущиваются и, наконец, нужны новые клетки для заживления ран.

Следовательно, у некоторых популяций клеток деления должны происходить в течение всей жизни. Учитывая это, все клетки можно разделить на три категории:

1. К моменту рождения ребенка нервные клетки достигают высокоспециализированного состояния, утрачивая способность к размножению, В процессе онтогенеза количество их непрерывно уменьшается. Это обстоятельство имеет и одну хорошую сторону; если бы нервные клетки делились, то высшие нервные функции (память, мышление) нарушились бы.

2. Другая категория клеток тоже высокоспециализированная, но в силу их постоянного слущивания замещаются новыми и эту функцию выполняют клетки этой же линии, но еще не специализированные и не утратившие способность делиться. Эти клетки называют обновляющимися. Примером являются постоянно обновляющиеся клетки кишечного эпителия, кроветворные клетки. Даже клетки костной ткани способны образовываться из неспециализированных (это можно наблюдать при репаративной регенерации костных переломов). Популяции неспециализированных клеток, сохраняющие способность к делению называются, как правило, стволовыми.

3. Третья категория клеток - исключение, когда высокоспециализированные клетки при определенных условиях могут вступить в митотический цикл. Речь идет о клетках, отличающихся большой продолжительностью жизни и где после полного завершения роста деление клеток происходит редко. Примером являются гепатоциты. Но если у экспериментального животного удалить 2/3 печени, то менее чем за две недели она восстанавливается до прежних размеров. Такими же являются и клетки желез , вырабатывающих гормоны: в нормальных условиях лишь немногие из них способны воспроизводиться, а при измененных условиях большинство из них могут начать делиться.

Клеточный цикл означает многократное повторение последовательных событий, занимающих определённый отрезок времени. Обычно циклические процессы графически изображают в виде окружностей.

Клеточный цикл делится на две части: митоз и промежуток между окончанием одного митоза и началом следующего - интерфаза. Метод авторадиографии позволил установить, что и интерфазе клетка не только выполняет свои специализированные функции, но и синтезирует ДНК. Этот период интерфазы назвали синтетическим (S). Он начинается спустя примерно 8 часов после митоза и завершается через 7-8 часов. Промежуток между S-периодом и митозом назвали пресинтетическим (G1 - 4 часа) после синтетического, перед собственно митозом - постсинтетическнм (G2). происходящим примерно в течение часа.

Таким образом, в клеточном цикле стали различают четыре стадии; митоз, G1-период, S -период, G2- период.

Установление факта удвоения в интерфазе ДНК, означает, что во время ее клетка не может выполнять специализированные функции, она занята построением клеточных структур, синтезом строительных материалов, обеспечивающих рост дочерних клеток, накоплением энергии, затраченной во время собственно митоза, синтезированием специфических ферментов для репликации ДНК. Поэтому интерфазные клетки для выполнения своих предначертанных генетической программой функций (стать высокоспециализированными) должны на время или навсегда выйти из цикла в период G0, или остаться в продленном G1 (существенных различий в состоянии клеток периодов G0 и G1 не отмечено, так как из G0 можно вернуть клетки в цикл). Следует отметить особо, что у многоклеточных зрелых организмов заведомо большая часть клеток находится в G0-периоде.

Как уже говорилось, увеличение числа клеток идет только за счет деления исходной клетки, чему предшествует фаза точного воспроизведения генетического материала, молекул ДНК, хромосом.

Митотическое деление включает в себя новые состояния клеток: интерфазные, деконденсированные и уже редуплицированные хромосомы переходят в компактную форму митотических хромосом, образуется ахроматиновый митотический аппарат, участвующий в переносе хромосом, хромосомы расходятся к противоположным полюсам и происходит цитокинез. Процесс непрямого деления принято подразделять на следующие основные фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Деление условное, так как митоз представляет непрерывный процесс и смена фаз происходит постепенно. Единственная фаза, имеющая реальное начало - анафаза , в которой

начинается расхождение хромосом. Длительность отдельных фаз различна (в среднем профаза и телофаза - 30-40", анафаза и метафаза - 7-15"). К началу митоза клетка человека содержит 46 хромосом, каждая из которых состоит из 2-х идентичных половинок - хроматид (хроматиду еще называют S-хромосомой, а хромосому, состоящую из 2-х хроматид - d-хромосомой).

Одно из самых замечательных явлений, наблюдаемых в митозе, это образование веретена деления. Оно обеспечивает выстраивание d-хромосом в одной плоскости, в середине клетки и передвижение S-хромосом к полюсам. Веретено деления образуется центриолями клеточного центра. Микротрубочки образуются в цитоплазме из белка тубулина.

В G1-периоде каждая клетка содержит по две центриоли, ко времени перехода в G2 - период возле каждой центриоли образуется дочерняя центриоль и всего их формируется две пары.

В профазе одна пара центриолей начинает перемещаться к одному полюсу, другая к другому.

Между парами центриолей навстречу друг другу начинает формироваться набор межполюсных и хромосомных микротрубочек.

Ядерная оболочка в конце профазы распадается, ядрышко прекращает свое существование, хромосомы (d) спирализуются, веретено деления перемещается в середину клетки и d-хромосомы оказываются в промежутках между микротрубочками веретена.

D-хромосомы в течение профазы проходят путь конденсации от нитевидных структур до палочковидных. Укорочение и утолщение (d-хромосом продолжается и некоторое время в метафазе, в результате чего метофазные d-хромосомы обладают достаточной плотностью. В хромосомах четко видна центромера, разделяющая их на равные или неравные плечи, состоящие из 2-х примыкающие друг к другу S-хромосом (хроматид). В начале анафазы S-хромосомы (хроматиды) начинают перемещаться от экваториальной плоскости к полюсам. Начинается анафаза с расщепления центромерной области каждой из хромосом, в результате чего две S-хромосомы каждой d-хромосомы полностью отделяются одна от другой. Благодаря этому каждая дочерняя клетка получает по идентичному набору из 46-ти S-хромосом. После разделения центромер одна половина из 92-х S-хромосом начинает двигаться к одному полюсу, другая половина к другому.

До сегодняшнего дня точно не установлено, под действием каких сил осуществляется передвижение хромосом к полюсам. Есть несколько версий:

1. В веретене деления есть актиносодержащиеся нити (а также другие мышечные белки), возможно, что сила эта генерируется так же как в мышечных клетках.

2. Движение хромосом обусловлено скольжением хромосомных микротрубочек по непрерывным (межполюсным) микротрубочкам с противоположной полярностью (Мак-Итош, 1969, Марголис, 1978).

3. Скорость передвижения хромосом регулируют кинетохорные микротрубочки, чтобы обеспечить упорядоченное расхождение хроматид. Скорее всего, все перечисленные механизмы осуществления математически точного распределения наследственного вещества по дочерним клеткам кооперируются.

К концу анафазы и к началу телофазы в середине вытянувшейся клетки начинается образование перетяжки, она образует так называемую борозду дробления, которая углубляясь, делит клетку на две дочерние. В образовании борозды принимают участие актиновые нити. Но мере углубления борозды клетки связаны между собой пучком микротрубочек, называемым срединным тельцем, остаток его некоторое время присутствует и в интерфазе. Параллельно цитокинезу , у каждого полюса происходит деспирализация хромосом в обратном порядке от хромосомного до нуклеосомного уровня. Наконец, наследственное вещество принимает вид глыбок хроматина, либо плотно упакованных, либо деконденсированных. Вновь формируется ядрышко, ядерная оболочка, окружающая хроматин и кариоплазма. Таким образом, в результате митотического деления клеток, вновь образованные дочерние между собой идентичные и являются копией материнской клетки, что важно для последующего роста, развития и дифференцировки клеток, тканей.
2.2. Механизм регуляции митотической активности
Поддержание числа клеток на определенном, постоянном уровне обеспечивает в целом гомеостаз. Например, число эритроцитов и лейкоцитов в здоровом организме относительно стабильно, несмотря на то, что эти клетки отмирают, происходит их постоянное пополнение. Следовательно, скорость образования новых клеток должна регулироваться, с тем чтобы она соответствовала скорости их гибели.

Для поддержания гомеостаза необходимо, чтобы число различных специализированных клеток в организме и те функции, которые они должны выполнять, находились под контролем различных регуляторных механизмов, поддерживающих все это в стабильном состоянии.

Во многих случаях клеткам подается сигнал о том, что они должны повысить свою функциональную активность, а для этого может понадобиться увеличение числа клеток. Например, если содержание Са в крови падает, то клетки паращитовидной железы усиливают секрецию гормона , уровень кальция достигает нормы. Но если в рационе животного не достает кальция, то дополнительное продуцирование гормона не повысит содержание этого элемента в крови, В этом случае клетки щитовидной железы начинают усиленно делиться, с тем чтобы увеличение их числа привело к дальнейшему повышению синтеза гормона. Таким образом, понижение той или иной функции может привести к увеличению численности популяции клеток, обеспечивающих эти функции.

У людей попадающих в высокогорную местность, резко увеличивается количество эритроцитов (на высоте меньше 02) для того, чтобы обеспечить организм необходимым количеством кислорода. На снижение кислорода реагируют клетки почек и усиливают секрецию эритропоэтина, усиливающего кроветворение. После образования достаточного количества дополнительных эритроцитов гипоксия исчезает и клетки, вырабатывающие указанный гормон, снижают его секрецию до обычного уровня.

Клетки, полностью дифференцированные, не могут делиться, но тем не менее количество их может увеличиться за счет стволовых клеток, от которых они произошли. Нервные клетки не могут ни при каких обстоятельствах делиться, но функцию свою могут повысить за счёт увеличения своих отростков и умножения соединений между ними.

Следует отметить, что у взрослых особей соотношение общих размеров различных органов остаётся более или менее постоянным. При искусственном нарушении существующего соотношения размеров органа оно стремится к норме (удаление одной почки приводит к увеличению другой).

Одна из концепций, объясняющая это явление, состоит в том, что пролиферация клеток регулируется особыми веществами - кейлонами. Предполагается, что они обладают специфичностью в отношении клеток разных типов, тканей органов. Считается, что понижение количества кейлонов стимулирует пролиферацию клеток, например, при регенерации. В настоящее время эта проблема тщательно изучается разными специалистами. Получены данные, что кейлоны - это гликопротеиды с молекулярной массой 30000 – 50000.

2.3. Нерегулярные типы репродукции клеток
Амитоз . Прямое деление или амитоз, описано раньше митотического деления, но встречается гораздо реже. Амитоз - это деление клетки, у которой ядро находится в интерфазном состоянии. При этом не происходит конденсации хромосом и образования веретена деления. Формально амитоз должен приводить к появлению двух клеток , однако чаще всего он приводит к разделению ядра и появлению двух- или многоядерных клеток.

Начинается амитотическое деление с фрагментации ядрышек, вслед за этим делится перетяжкой ядро (или инвагинацией). Может быть множественное деление ядра, как правило неравной величины (при патологических процессах). Многочисленные наблюдения показали, что амитоз встречается почти всегда в клетках отживающих, дегенерирующих и не способных дать в дальнейшем полноценные элементы. Так в норме амитотическое деление встречается в зародышевых оболочках животных, в фолликулярных клетках яичника, в гигантских клетках трофобластов. Положительное значение амитоз имеет в процессе регенерации тканей или органа (регенеративный амитоз). Амитоз в стареющих клетках сопровождается нарушениями биосинтетических процессов, включая репликацию, репарацию ДНК, а также транскрипцию и трансляцию. Изменяются физико-химические свойства белков хроматина ядер клеток, состав цитоплазмы, структура и функции органоидов, что влечет за собой функциональные нарушения на всех последующих уровнях - клеточном, тканевом, органном и организменном. По мере нарастания деструкции и угасания восстановления наступает естественная смерть клетки. Нередко амитоз встречается при воспалительных процессах и злокачественных новообразованиях (индуцированный амитоз).

Эндомитоз. При воздействии на клетки веществами разрушающими микротрубочки веретена, деление прекращается, а хромосомы будут продолжать цикл своих превращений: реплицироваться, что приведет к поэтапному образованию полиплоидных клеток - 4 п. 8 п. и т.д. Такой процесс преобразований иначе называется эндорепродукцией. Способность клеток к эндомитозу используют в селекции растений для получения клеток с кратным набором хромосом. Для этого применяют колхицин, винбластин, разрушающие нити ахроматинового веретена. Полиплоидные клетки (а затем и взрослые растения) отличаются большими размерами, вегетативные органы из таких клеток крупные, с большим запасом питательных веществ. У человека эндорепродукция имеет место в некоторых гепатоцитах и кардиомиоцитах.

Другим, более редким результатом эндомитоза являются политенные клетки. При политении в S-периоде в результате репликации и нерасхождения хромосомных нитей образуется многонитчатая, политенная структура. От митотических хромосом они отличаются большими размерами (длиннее в - 200 раз). Встречаются такие клетки в слюнных железах двукрылых насекомых , в макронуклеусах инфузорий. На политенных хромосомах видны вздутия, пуфы (места транскрипции) - выражение генной активности. Эти хромосомы - важнейший объект генетических исследований.
2.4. Проблемы клеточной пролиферации в медицине.
Как известно, ткани с высокой скоростью обновления клеток более чувствительные к воздействию различных мутагенов, чем ткани, в которых клетки обновляются медленно. Однако, например, лучевое повреждение может проявляться не сразу и необязательно ослабевает с глубиной, иногда даже гораздо сильнее повреждает глубоколежащие ткани, чем поверхностные. При облучении клеток рентгеновскими или гамма-лучами в жизненном цикле клеток происходят грубые нарушения: митотические хромосомы изменяют форму, возникают их разрывы с последующим неправильным соединением фрагментов, иногда отдельные части хромосом исчезают вовсе. Могут возникнуть аномалии веретена (образоваться не два полюса в клетке, а три), что приведет к неравномерному расхождению хроматид. Иногда повреждение клетки (большие дозы облучения) бывает столь значительным, что все попытки клетки приступить к митозу оказываются безуспешными и деление прекращается.

Подобным действием облучения и объясняется от части его применение в терапии опухолей. Цель облучения не в том, чтобы убить опухолевые клетки в интерфазе, а в том, чтобы они утратили способность к митозу, что приведет к замедлению или прекращению роста опухоли. Излучение в дозах не летальных для клетки может вызвать мутации, приводящие к усиленной пролиферации измененных клеток и дать начало злокачественному росту, как это часто случалось с теми, кто работал с рентгеновскими лучами, не зная об их опасности.

На пролиферацию клеток влияют многие химические вещества, в том числе лекарственные препараты. Например, алкалоид, колхицин (его содержат клубнелуковицы безвременника) был первым лекарственным препаратом, который снимал боль в суставах при подагре. Выяснилось, что он обладает и другим действием – останавливать деление путём связывания с белками тубулинами из которых формируются микротрубочки. Таким образом, колхицин, как и многие другие препараты блокируют образование веретена деления.

На этом основании, такие алкалоиды как винбластин и винкристин применяются для лечения некоторых видов злокачественных новообразований, входя в арсенал современных химиотерапевтических противораковых средств. Следует отметить, что способность веществ типа колхицина останавливать митоз , используется как метод для последующей идентификации хромосом в медицинской генетике.

Большое значение для медицины имеет способность дифференцированных (причем половых) клеток сохранять свои потенции к пролиферации, что приводит иногда к развитию в яичниках опухолей, на разрезе которых видны клеточные пласты, ткани, органы представляющие собой "мешанину". Выявляются клочки кожи, волосяных фолликулов, волос, уродливых зубов, кусочков костей, хряща, нервной ткани, фрагментов глаза и т.д., что требует срочного хирургического вмешательства.

2.5. Патология репродукции клеток
Аномалии митотического цикла .. Митотический ритм, обычно адекватный потребности восстановления стареющих, погибших клеток, в условиях патологии может быть изменен. Замедление ритма наблюдается в стареющих или маловаскуляризированных тканях, увеличение ритма - в тканях при разных видах воспаления, гормональных воздействиях, в опухолях и др.

Клетка является элементарной единицей всего живого. Вне клетки жизни нет. Размножение клеток происходит только путем деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение ее генетического материала. Активация деления клетки происходит вследствие воздействия на нее внешних или внутренних факторов. Процесс деления клетки с момента ее активации называется пролиферацией. Иными словами, пролиферация – это размножение клеток, т.е. увеличение числа клеток (в культуре или ткани), происходящее путем митотических делений. Время существования клетки как таковой, от деления до деления, обычно называют клеточным циклом.

ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА I. Пролиферация 4
Клеточный цикл 5
Регуляция клеточного цикла 6
Экзогенные регуляторы пролиферации 7
Эндогенные регуляторы пролиферации 7
Пути регуляции CDK 8
Регуляция G1 фазы 10
Регуляция S фазы 11
Регуляция G2 фазы 12
Регуляция митоза 12
Повреждение ДНК 13
1.10.1 Пути восстановления двуцепочечных разрывов ДНК 13
1.10.2 Клеточный ответ на повреждение ДНК и его регуляция 14
1.11. Регенерация тканей 15
1.11.1Формы регенерации 16
1.11.2. Регуляция регенерации тканей 17
ГЛАВА II. АПОПТОЗ 18
2.1. Характерные признаки апоптоза 19
2.2. Механизм апоптоза 19
2.3. Роль апоптоза в защите от онкологических заболеваний 20
2.4. Регуляция апоптоза 21
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 24

Работа содержит 1 файл

Российский государственный педагогический университет имени А. И. Герцена

Факультет биология

КУРСОВАЯ РАБОТА

Пролиферация клетки

СПб 2010
ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА I. Пролиферация 4

1. Клеточный цикл 5
2. Регуляция клеточного цикла 6
3. Экзогенные регуляторы пролиферации 7
4. Эндогенные регуляторы пролиферации 7
5. Пути регуляции CDK 8
6. Регуляция G1 фазы 10
7. Регуляция S фазы 11
8. Регуляция G2 фазы 12
9. Регуляция митоза 12
10. Повреждение ДНК 13

1.10.1 Пути восстановления двуцепочечных разрывов ДНК 13

1.10.2 Клеточный ответ на повреждение ДНК и его регуляция 14

1.11. Регенерация тканей 15

1.11.1Формы регенерации 16

1.11.2. Регуляция регенерации тканей 17

ГЛАВА II. АПОПТОЗ 18

2.1. Характерные признаки апоптоза 19

2.2. Механизм апоптоза 19

2.3. Роль апоптоза в защите от онкологических заболеваний 20

2.4. Регуляция апоптоза 21

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 24

Введение

Клетка является элементарной единицей всего живого. Вне клетки жизни нет. Размножение клеток происходит только путем деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение ее генетического материала. Активация деления клетки происходит вследствие воздействия на нее внешних или внутренних факторов. Процесс деления клетки с момента ее активации называется пролиферацией . Иными словами, пролиферация – это размножение клеток, т.е. увеличение числа клеток (в культуре или ткани), происходящее путем митотических делений. Время существования клетки как таковой, от деления до деления, обычно называют клеточным циклом .

Во взрослом организме человека клетки различных тканей и органов имеют неодинаковую способность к делению. Кроме того при старении интенсивность пролиферации клеток снижается (т.е. увеличивается интервал между митозами ). Встречаются популяции клеток, полностью потерявшие свойство делиться. Это, как правило, клетки, находящиеся на терминальной стадии дифференцировки , например, зрелые нейроны , зернистые лейкоциты крови , кардиомиоциты . В этом отношении исключение составляют иммунные В- и Т-клетки памяти , которые, находясь в конечной стадии дифференцировки, при появлении в организме определенного стимула в виде ранее встречавшегося антигена , способны начать пролиферировать. В организме есть постоянно обновляющиеся ткани – различные типы эпителия, кроветворные ткани. В таких тканях существует пул клеток, которые постоянно делятся, заменяя отработавшие или погибающие типы клеток (например, клетки крипт кишечника , клетки базального слоя покровного эпителия, кроветворные клетки костного мозга ). Также в организме существуют клетки, которые не размножаются в обычных условиях, но вновь приобретают это свойство при определенных условиях, в частности при необходимости регенерации тканей и органов.

Процесс пролиферации клеток жестко регулируется как самой клеткой (регуляция клеточного цикла, прекращение или замедление синтеза аутокринных ростовых факторов и их рецепторов), так и ее микроокружением (отсутствие стимулирующих контактов с соседними клетками и матриксом, прекращение секреции и/или синтеза паракринных ростовых факторов). Нарушение регуляции пролиферации приводит к неограниченному делению клетки, что в свою очередь инициирует развитие онкологического процесса в организме.

Пролиферация

Основную функцию, связанную с инициацией пролиферации, берет на себя плазматическая мембрана клетки. Именно на ее поверхности происходят события, которые связаны с переходом покоящихся клеток в активированное состояние, предшествующее делению. Плазматическая мембрана клеток за счет располагающихся в ней молекул-рецепторов воспринимает различные внеклеточные митогенные сигналы и обеспечивает транспорт в клетку необходимых веществ, принимающих участие в инициации пролиферативного ответа. Митогенными сигналами могут служить контакты между клетками, между клеткой и матриксом, а также взаимодействие клеток с различными соединениями, стимулирующими их вступление в клеточный цикл , которые получили название факторов роста. Клетка, получившая митогенный сигнал на пролиферацию, запускает процесс деления.

Клеточный цикл

Весь клеточный цикл состоит из 4 этапов: пресинтетического (G1),
синтетического (S), постсинтетического (G2) и собственно митоза (М).
Кроме того, существует так называемый G0-период, характеризующий
состояние покоя клетки. В G1-периоде клетки имеют диплоидное
содержание ДНК на одно ядро. В этот период начинается рост клеток,
главным образом, за счет накопления клеточных белков, что обусловлено
увеличением количества РНК на клетку. Кроме того, начинается подготовка к синтезу ДНК. В следующем S-периоде происходит удвоение количества ДНК и соответственно удваивается число хромосом. Постсинтетическая G2 фаза называется также премитотической. В этой фазе происходит активный синтез мРНК (матричная РНК). Вслед за этой стадией следует собственно деление клетки надвое или митоз.

Деление всех эукариотических клеток связано с конденсацией удвоенных (реплицированных ) хромосом. В результате деления эти хромосомы переносятся в дочерние клетки. Такой тип деления эукариотических клеток – митоз (от греч. mitos – нити) – является единственным полноценным способом увеличения числа клеток. Процесс митотического деления подразделяют на несколько этапов: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза .

Регуляция клеточного цикла

Назначение регуляторных механизмов клеточного цикла состоит не в регуляции прохождения клеточного цикла как такового, а в том, чтобы обеспечить, в конечном счете, безошибочность распределения наследственного материала в процессе репродукции клеток. В основе регуляции размножения клеток лежит смена состояний активной пролиферации и пролиферативного покоя . Регуляторные факторы, контролирующие размножение клеток можно условно разделить на две группы: внеклеточные (или экзогенные) или внутриклеточные (или эндогенные). Экзогенные факторы находятся в микроокружении клетки и взаимодействуют с поверхностью клетки. Факторы, которые синтезируются самой клеткой и действуют внутри нее, относятся к
эндогенным факторам . Такое подразделение весьма условно, поскольку некоторые факторы, будучи эндогенными по отношению к продуцирующей их клетке, могут выходить из нее и действовать как экзогенные регуляторы на другие клетки. Если регуляторные факторы взаимодействуют с теми же клетками, которые их продуцируют, то такой тип контроля называется аутокринным. При паракринном контроле синтез регуляторов осуществляется другими клетками.

Экзогенные регуляторы пролиферации

У многоклеточных организмов регуляция пролиферации различных типов клеток происходит вследствие действия не одного какого-либо ростового фактора, а их совокупности. Кроме того, некоторые ростовые факторы , будучи стимуляторами для одних типов клеток, ведут себя как ингибиторы по отношению к другим. Классические ростовые факторы представляют собой полипептиды с молекулярной массой 7-70 кДа. К настоящему моменту известно более сотни таких ростовых факторов

PDGF тромбоциты. Освобождаясь при разрушении сосудистой стенки, PDGF участвует в процессах тромбообразования и заживления ран. PDGF является мощным ростовым фактором для покоящихся фибробластов . Наряду с PDGF, не менее обстоятельно изучен эпидермальный фактор роста (EGF ), который также способен стимулировать пролиферацию фибробластов. Но, кроме этого также стимулирующе влияет и на другие типы клеток, в частности на хондроциты .

Большую группу ростовых факторов составляют цитокины (интерлейкины , факторы некроза опухоли , колоние-стимулирующие факторы и т.д.). Все цитокины полифункциональны. Они могут, как усиливать, так и угнетать пролиферативные ответы. Так, например, разные субпопуляции CD4+ Т-лимфоцитов, Th1 и Th2 , продуцирующие разный спектр цитокинов, по отношению друг к другу являются антагонистами. То есть, Th1 цитокины стимулируют пролиферацию клеток, которые их продуцируют, но в то же время подавляют деление Th2 клеток, и наоборот. Таким образом, в норме в организме сохраняется постоянный баланс этих двух типов Т-лимфоцитов. Взаимодействие факторов роста с их рецепторами на поверхности клетки приводит к запуску целого каскада событий внутри клетки. В результате чего происходит активация факторов транскрипции и экспрессия генов пролиферативного ответа, что в конечном итоге инициирует репликацию ДНК и вступление клетки в митоз.

Эндогенные регуляторы клеточного цикла

В нормальных эукариотических клетках прохождение клеточного цикла жестко регулируется. Причиной онкологических заболеваний является трансформация клеток, как правило, связанная с нарушениями регуляторных механизмов клеточного цикла. Одним из основных результатов дефективности клеточного цикла является генетическая нестабильность, поскольку клетки с ущербным контролем клеточного цикла теряют способность корректно удваивать и распределять между дочерними клетками свой геном . Генетическая нестабильность приводит к приобретению новых особенностей, которые отвечают за прогрессирование опухоли.