Теория предельного деления клеток

                Клетки: особенности строения и деления

Клеточная теория является одной из основополагающих в современной биологии. Ее разработка стала неопровержимым доказательством единства всего живого на Земле.

Согласно клеточной теории,  клетка это — структурно-функциональная элементарная единица строения, функционирования, размножения и развития всех живых организмов. Вне клетки нет жизни.

Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на две большие группы на основании структуры их строения.

Прокариоты (доядерные) — более простые по строению, которые возникли на ранних стадиях процесса эволюции.

Эукариоты (ядерные) — более сложные, которые возникли и развивались на более поздних стадиях процесса эволюции.

Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими. По последним данным ученых в теле обычного человека насчитывается в среднем 37,2 триллиона клеток.

Справочно: группа ученых из Италии, Греции и Испании поставила себе задачу определить реальное количество клеток в человеческом организме. Они изучили все ранние научные труды в этой области за последние сто лет.

В результате обнаружили большой разброс в оценках данного показателя, который вирировался от 5 миллиардов  до 200 триллионов клеток.

Поэтому авторам пришлось проделать скрупулезную работу, сделав отдельный подсчет клеток для каждого органа человеческого тела и для разных типов клеток организма.

Были посчитаны число и плотность клеток в сердце, легких, мозге,  центральной нервной системе, кишечнике, желчном пузыре, костях, соединительных тканях, крови и многих других частях человеческого организма.

Просуммировав полученные результаты, ученые пришли к выводу, что в организме человека в среднем насчитывается 37.2 триллионов клеток.

Например, вспомогательных клеток -  нейроглия (глия) около 3 трлн,  здоровая печень состоит из 240 миллиардов клеток, нервных клеток около 100 млрд,, нейронов - 65 млрд., в сердечной мышце  около  2 млрд.  клеток и др. (данные из научного журнала «Annals of Human Biology».


В организме человека присутствует примерно 300 типов клеток, которые подразделяются на две большие группы:

• клетки, которые могут делиться и размножаться, то есть, они митотически компетентны;
• клетки, которые не делятся, их называют  постмитотические. Это достигшие крайней стадии дифференцировки нейроны, кардиомиоциты, зернистые лейкоциты и другие.

Несмотря на многообразие форм, организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.

Большинство клеток человеческого организма постоянно делятся, на смену старым приходят новые. Благодаря этому процессу в течение жизни организм имеет возможность обновляться и восстанавливаться.

По подсчетам ученых, клетки человека за 70 лет жизни суммарно претерпевают порядка 1014 клеточных делений.*

Таким образом, каждая мышца, каждый орган, каждая функциональная система, человека в течение жизни несколько раз «молодеет», как бы рождаясь заново.

Наиболее распространённый способ репродукции эукариотических клеток человека, один из фундаментальных процессов онтогенеза это митоз – непрямое деление клетки.

Биологическое значение митоза заключается в строго одинаковом распределении хромосом между дочерними ядрами, что обеспечивает образование генетически идентичных дочерних клеток и сохраняет преемственность в ряду клеточных поколений* . Продолжительность митоза в среднем составляет 1—2 часа.

Процесс размножения клеток называют пролиферацией.  Размножение регулируется как самой клеткой (аутокринными ростовыми факторами), так и ее микроокружением (паракринными сигналами).

Активация пролиферации происходит через клеточную мембрану, в которой присутствуют рецепторы, воспринимающие митогенные сигналы. Это в основном ростовые факторы и межклеточные контактные сигналы.

Ростовые факторы обычно имеют белковую, пептидную природу (определенную последовательность соединения аминокислот).  В настоящее время ученым известно около 100 таких факторов, в том числе:

• фактор роста тромбоцитов, который участвует в тромбообразовании и заживлении ран;
• эпителиальный фактор роста;
• фактор некроза опухолей;
• колониестимулирующие факторы;
• различные цитокины — интерлейкины и т.д.

Время существования клетки от деления до деления называется клеточным циклом.
После активации пролиферации клетка выходит из фазы покоя G0 и начинается клеточный цикл. Клеточный цикл может активироваться или инактивироваться.

Активация происходит за счет ключевых ферментов - цнклинов, которые получили свое название в связи с тем, что их внутриклеточная концентрация периодически изменяется, достигая максимума на  определенных стадиях цикла.

В процессе активации могут участвовать киназы – ферменты катализаторы переноса фосфатной группы от молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), обеспечивая включение клюкозы и гликогена в процесс гликолиза в живых клетках.

Инактивированиия регулируется за счет различных ингибиторов – веществ подавляющих или задерживающих течение физиологических и физико-химических, ферментативных процессов. 

Молекулярные механизмы, приводящие к необратимой остановке клеточного цикла, контролируются генами-супрессорами.

Цель такой сложной организации процесса регуляции — обеспечить синтез ДНК с минимально возможным числом ошибок, чтобы и дочерние клетки имели абсолютно идентичный наследственный материал.

Проверка правильности копирования ДНК осуществляется в четырех «контрольных точках» клеточного цикла. Если обнаруживаются ошибки, то клеточный цикл останавливается, и включается репарация ДНК.

Если нарушения структуры ДНК удается исправить — клеточный цикл продолжается. Если нет — клетка может «покончить с собой» путем апоптоза, чтобы избежать вероятности превращения в раковую.

Супрессию клеточного цикла в фазе G1 осуществляет белок p53, действующий через ингибитор циклин-зависимой киназы р21.

Следует отметить, что в последние годы, пожалуй, ни один другой белок не изучался так интенсивно, как р53. За четверть века с момента  открытия ему было посвящено более 40 тысяч научных работ, и их число неуклонно продолжает расти.

Очевидно, белок р53 не только получает сигналы о превышении некоторых пороговых величин в каждом из клеточных процессов, но и обеспечивает адекватные этим величинам ответы, обеспечивающие координированную коррекцию этих процессов, дальнейшее поведение и судьбу клеток.

Роль р53 в организме можно сравнить с ролью дирижера в оркестре – его функции осуществлять контроль за выполнением выработанных эволюцией программ, схем поведения клеток в разнообразных условиях.

Основная его биологическая роль заключается в обеспечении стабильности генома и генетической однородности клеток в целостном организме.

Контролирующая функция р53 заключается в предотвращении отклонений и связанных с ними патологий,

Транскрипционный фактор р53 активируется при повреждениях ДНК, и в этом случае его функция заключается в удалении из реплицирующихся клеток тех, которые являются потенциально онкогенными.

Не случайно ген р53 часто метафорически называют  как «стражом генома», «ангелом-хранителем», «геном совести клетки».; Эти эпитеты наглядно отражают роль белка в предотвращении многих болезней.

Биологические пределы способности клетки к делению,
порог Хейфлика

Одна из современных гипотез старения организма носит название  «клеточной смерти» или теории предельного деления клеток.

Эта теория, также как и свободно-радикальная теория рассматривает процесс старения на клеточном уровне.

Еще в 1957 г. знаменитый американский физик Лео Силард (1898-1964), изучавший влияние на клетки радиации, приводящей к прогерии — ускоренному старению, предположил, что в старости организм может быть еще вполне здоров, только количество клеток в каждой мышце, в каждом органе становится все меньше.

Развивая эту гипотезу, американский профессор анатомии медицинской школы Калифорнийского университета Леонард Хейфлик (20 мая 1928 г.) выдвинул гипотезу о том, что процесс старения связан с биологическим пределом способности клетки к делению.

В 1961 г., проводя серию экспериментов, ученый обнаружил определенные  закономерности в процессах деления клеток.

Он предположил, что легочная ткань, по-видимому, отмирает после того, как ее клетки поделились определенное количество раз. Затем он экспериментально установил, что соматические (телесные) клетки могут делиться только ограниченное число раз.

Вероятно, в клетках существует своеобразный  молекулярный счетчик. Он фиксирует, сколько делений уже сделано, и не дает клетке делиться сверх определенного генетически заданного предела.

Позднее, в 1969–1977 гг., проводя исследования человеческого эмбриона в Институте Уистара в Филадельфии, Хейфлик установил, что основная клеточная форма соединительной ткани организма, так называемые фибробласты клеток кожи делятся примерно 50 раз плюс-минус 10 раз, после чего процесс деления останавливается.

При этом у новорожденных клетки могут делиться 80–90 раз, а у стариков (70 лет и старше) только 20–30 раз.

Кроме того, в культуре ткани, т.е. вне организма, клетки человека могут делиться также не больше 50 раз, после чего погибают.

Усложнив эксперимент, ученый взял клеточные культуры, которые были заморожены после того, как клетки разделились 25 раз.

Оттаяв, эти клетки продолжили делиться, пока не достигли предела в 50 делений, а затем все же погибли.

Особо следует подчеркнуть, что когда клетки приближались к своему пределу деления, они начинали напоминать старую ткань с возрастными пигментами, которые обнаруживаются в постаревших клетках сердца и головного мозга.

Гибель клеток или ослабление функции в тех клетках, которые не подвержены делению, по окончании развития приводит к ослаблению организма.

В результате постепенно тело утрачивает способность к обновлению, а весь организм теряет возможность к восстановлению, что приводит к старению органов и систем.

Выявленные американским профессором закономерности предельного деления клеток в научной среде получили  название «порог Хейфлика».