48. Мітоз, його біологічне значення. Фази мітозу.

Мітоз (mitosis), каріокінез, чи непрямий поділ, - універсальний спосіб поділу будь-яких еукаріотичних клітин. При цьому конденсовані й вже редупліковані хромосоми переходять у компактну форму мітотичних хромосом, утворюється веретено поділу, що бере участь у сегрегації й переносі хромосом (ахроматиновий мітотичний апарат), відбуваються розходження хромосом до протилежних полюсів клітини й поділ тіла клітини (цитокінез, цитотомія).

Поділ всіх еукаріотичних клітин зв’язаний з утворенням спеціального апарату клітинного поділу. Розходження редуплікованих хромосом здійснюється за допомогою веретена поділу, яке складається із мікротрубочок (рис.11.1).

В утворенні веретена поділу у всіх еукаріотичних клітин приймають участь полярні тільця веретена (полюси) і кінетохори хромосом. Полярні тільця, або центросоми, є центрами організації мікротрубочок.

Від них своїми плюс-кінцями відростають мікротрубочки, які тягнуться до хромосом. У клітин тварин до центросом входять і центріолі. Але у багатьох еукаріот центріолей немає, а центри організації мікротрубочок присутні у вигляді безструктурних зон, від яких відходять численні мікротрубочки. Другою структурою, характерною для мітотичного поділу, є кінетохори, які зв’язують мікротрубочки веретена з хромосомою. Саме кінетохори відповідають за переміщення хромосом при клітинному поділі. Отже, полярні тільця (центросоми), мікротрубочки веретена і кінетохори хромосом є у всіх еукаріотичних клітин і забезпечують складний процес розходження реплікованих хромосом.

Різні типи мітозу еукаріот. Найбільш простий тип мітозу – плевромітоз (рис.11.2). Він дещо нагадує бінарний поділ прокаріотичних клітин.

При закритому плевромітозі (закритий тому, що розходження хромосом відбувається без порушення ядерної оболонки) центрами організації мікротрубочок є не центріолі, а інші структури, що знаходяться на внутрішній стороні ядерної мембрани. Це так звані полярні тільця невизначеної морфології, від яких відходять мікротрубочки. Весь процес утворення мітотичного апарату і розходження хромосом відбувається під ядерною оболонкою. Такий тип мітозу зустрічається серед найпростіших, у грибів. Зустрічаються форми напівзакритого плевромітозу, коли на полюсах сформованого веретена ядерна оболонка руйнується.

Другою формою мітозу є ортомітоз (див.рис.11.2). В цьому випадку центр організації мікротрубочок розміщується в цитоплазмі і з самого початку іде утворення двохполюсного веретена. Існує три форми ортомітозу: відкритий (звичайний мітоз), напівзакритий і закритий. При напівзакритому ортомітозі ядерна оболонка зберігається протягом всього мітозу, за виключенням полярних зон. Центром організації мікротрубочок може бути гранулярний матеріал, або навіть центріолі. Ця форма мітозу зустрічається у зооспор зелених, бурих, червоних водоростей, у деяких нижчих грибів. При закритому ортомітозі повністю зберігається ядерна оболонка, під якою утворюється справжнє веретено. Такого типу мітози характерні для ділення мікронуклеусів інфузорій, і у інших найпростіших. При відкритому ортомітозі ядерна оболонка повністю розпадається. Цей тип поділу клітин характерний для клітин тварин, деяких найпростіших і для клітин вищих рослин. Ця форма мітозу представлена астральним і анастральним типами (рис. 11.3).

Таким чином, головною особливістю мітозу є виникнення структур веретена поділу, яке утворюється за участю різноманітних за своєю будовою центрами організації мікротрубочок. Мітотичне веретено – це сукупність хромосом, полюсів і волокон. Волокна веретена можуть бути поодинокі мікротрубочки, або їх пучки. Починаються мікротрубочки від полюсів веретена, частина їх направляється до центромерів, де розміщені кінетохори хромосом (кінетохорні мікротрубочки), частина проходить в напрямку до протилежного полюсу, але до нього не доходить (міжполюсні мікротрубочки). Крім того, від полюсів відходять астральні мікротрубочки, які утворюють “променисте сяйво” навколо полюсів.

Мітотичні фігури поділяються на два типи. Астральний тип веретена характеризується тим, що його полюси представлені невеликою областю, до якої сходяться мікротрубочки. Як правило, в полюсах астральних веретен розміщуються центросоми, які містять центріолі. Полярні зони при анастральному типі веретена широкі, їх називають полярними шапочками, до їх складу не входять центріолі. Волокна веретена розходяться від всієї зони полярних шапочок, а не від однієї точки. Цей тип веретена характерний для клітин вищих рослин.

Динаміка мітозу. Процес непрямого поділу клітин прийнято підрозділяти на кілька основних фаз: профаза, метафаза, анафаза, телофаза (рис. 11.4). Межі між фазами встановити точно дуже важко, тому що сам мітоз – це безперервний процес і зміна фаз відбувається поступово. Єдина фаза, яка має реальний початок, це анафаза - початок руху хромосом до полюсів. Тривалість окремих фаз мітозу різна, найбільш коротка за часом анафаза.

Профаза. Після закінчення S-періоду кількість ДНК в інтерфазному ядрі дорівнює 4 с, тому що відбулося подвоєння хромосомного матеріалу.

Однак морфологічно реєструвати подвоєння числа хромосом у цій стадії не завжди вдається. Власне хромосоми, як щільні ниткоподібні тіла, починають виявлятися мікроскопічно на початку процесу поділу клітини, а саме в профазі мітотичного поділу клітини. Якщо спробувати підрахувати число хромосом у профазі, то їхня кількість буде дорівнює 2 n. Але це помилкове враження, тому що в профазі кожна з хромосом подвійна, що є результатом їхньої редуплікації в інтерфазі. У ранній профазі ці сестринські хромосоми – хроматиди - зв’язані між собою за допомогою білків-когезинів, які утворюють ці зв’язки ще в S-періоді під час подвоєння хромосом.

У пізній профазі зв’язок між сестринськими хроматидами зберігається тільки в зоні кінетохорів. Кінетохори – спеціальні

білкові структури, які розміщуються в зонах центромер хромосом. Кінетохори – це складні комплекси, що складаються із багатьох білків. Морфологічно вони дуже подібні, мають однакову будову, починаючи від діатомових водоростей, закінчуючи людиною. Кінетохори є трьохшаровими структурами, вони мають внутрішній щільний шар, що прилягає до тіла хромосоми, середній пухкий шар і зовнішній щільний. Від зовнішнього шару відходить багато фібрил, утворюючи так звану фіброзну корону кінетохору. В загальній формі кінетохори мають вигляд пластинок або дисків, які знаходяться в центромері. Функціональна роль кінетохорів полягає у зв’язуванні між собою сестринських хроматид, в закріпленні мітотичних мікротрубочок, в регуляції роз’єднання хромосом і у русі хромосом під час мітозу за участю мікротрубочок. Кінетохори, в цілому білкові структури, подвоюються в S-періоді.

Подвійність хромосом у мітозі спостерігається в живих клітинах наприкінці профази, коли видно, що загальне їхнє число в клітині, яка починає поділятися, дорівнює 4 n. Отже, уже на початку профази хромосоми складалися з двох хроматид. Число їх (4 n) у профазі точно відповідає кількості ДНК (4 с).

Паралельно конденсації хромосом у профазі відбуваються зникнення й дезінтеграція ядерець у результаті інактивації рибосомних генів у зоні ядерцевих організаторів. Більша частина ядерцевих білків дисоціює і у вільному вигляді зустрічається в цитоплазмі клітини або зв’язується з поверхнею хромосом.

Одночасно з цим, у середині профази відбувається фосфорилювання деяких білків ядерної ламіни, яка починає розпадатись. При цьому губиться зв’язок ядерної оболонки з хромосомами, зникають ядерні пори, оболонка розпадається спочатку на фрагменти, а потім на дрібні мембранні пухирці.

У цей час змінюються і структури, пов'язані із синтезом білка. Відбувається зменшення кількості грЕПС, він розпадається на короткі цистерни й вакуолі, кількість рибосом на його мембранах різко падає. Значно (до 25%) редукується число полісом як на мембранах, так і в цитозолі, що є ознакою загального падіння рівня синтезу білка в клітинах, що поділяються. Дезорганізується і апарат Гольджі, який втрачає свою локалізацію, розпадається на окремі діктіосоми, які хаотично розміщуються в цитоплазмі.

Друга найважливіша подія мітозу теж відбувається під час профази - це утворення веретена поділу. У профазі центріолі, що вже репродукувалися в S-періоді, починають розходитися до протилежних кінців клітини, де будуть пізніше формуватися полюси веретена. До кожного полюсу відходить по подвійній центріолі, диплосомі. На початку профази розбираються мікротрубочки в цитоплазмі і починається бурхливий ріст астральних мікротрубочок навколо кожної диплосоми. Всі мікротрубочки, які відходять від центросом, ростуть вперед своїми плюс-кінцями. Активовані центросоми – це майбутні полюси ділення - починають розходитись на деяку відстань. Механізм такого профазного розходження полюсів полягає в наступному: антипаралельні мікротрубочки, що ідуть назустріч одні одним, взаємодіють між собою, що призводить до розштовхування полюсів. Це відбувається за рахунок взаємодії з мікротрубочками динеїноподібних білків, які в центральній частині веретена шикують міжполюсні мікротрубочки паралельно одна одній. Одночасно з цим продовжується їх полімеризація і ріст, які супроводжуються їх розштовхуванням в напрямку до полюсів за рахунок роботи кінезиноподібних білків. В цей час при утворенні веретена мікротрубочки з кінетохорами хромосом ще не зв’язані.

До складу сформованого веретена поділу, який у тваринних клітинах має веретеноподібну форму, входять мікротрубочки трьох видів:

1) кінетохорні –зв’язують кожну хроматиду, відходячи від її кінетохору, з однією із диплосом;

2) полярні – йдуть від однієї із диплосом до центра веретена, де перекриваються з мікротрубочками від другого полюса;

3) астральні –направлені від диплосоми до поверхні клітини.

Метафаза займає біля третини часу всього мітозу. Під час метафази закінчується утворення веретена поділу. Не дивлячись на деяку стабілізацію пучків мікротрубочок, продовжується їх постійне оновлення за рахунок збирання і розбирання тубулінів. Під час метафази хромосоми розміщуються таким чином, що їх кінетохори обернені до протилежних полюсів. Якщо подивитись на метафазну клітину зі сторони полюса, то можна бачити, що центромерні ділянки хромосом повернені до центра веретена, плечі – до периферії (рис. 11.5). Таке розміщення хромосом носить назву материнської зірки. До кінця метафази завершується процес розмежування сестринських хроматид, за рахунок руйнування когезинових комплексів між ними. До кінця метафази розділення хроматид завершується. Їхні плечі лежать паралельно одне одному, між ними добре помітна щілина їх розподілу. Останнім місцем, де контакт між хроматидами зберігається, є центромер.

Анафаза починається раптово. Хроматиди всі одночасно втрачають зв'язок одна з однією в області центромер і синхронно починають віддалятися одна від одної у напрямку до протилежних полюсів клітини.

В цей час відбувається одночасна деградація центромерних когезинів, які зв’язували до цього часу сестринські хроматиди. Таке одночасне відділення хроматид дозволяє почати їх синхронне розходження. Швидкість руху хромосом рівномірна, вона може досягати 0,5 – 2 мкм/хв. Анафаза - найкоротша стадія мітозу (кілька відсотків від усього часу), але за цей період відбувається ряд подій. Головними з них є відокремлення двох хроматид кожної хромосоми до протилежних полюсів. Розходження хромосом у напрямку до полюсів відбувається одночасно з розходженням самих полюсів.

При руху хромосоми змінюють свою орієнтацію і часто набувають V-подібної форми. Вершина їх направлена в сторону полюсів ділення, а плечі - до центру веретена.

Власне розходження хромосом складається із двох процесів: 1-розходження хромосом за рахунок кінетохорних мікротрубочок; 2- розходження хромосом разом з полюсами за рахунок подовження міжполюсних мікротрубочок.

Доведено, що розходження хромосом зв'язане з укорочуванням, деполімеризацією мікротрубочок у районі кінетохорів хромосом (рис. 11.6). Мікротрубочки розбираються з плюс-кінців, які прилягають до кінетохорів, а хромосома рухається в напрямку до мінус-кінця мікротрубочок, який розміщений в зоні центросоми. Виявилось, що такий рух хромосом залежить від присутності АТФ і від наявності достатньої кількості Са²⁺ .До складу корони кінетохору, в яку вмонтовані плюс-кінці мікротрубочок, входить білок динеїн, що являється мотором, який підтягає хромосому до полюсу (рис. 11.7). Одночасно з цим відбувається деполімеризація кінетохорних мікротрубочок на плюс-кінці. Додаткове розходження полюсів в анафазі забезпечується за рахунок нарощування

плюс-кінців міжполюсних мікротрубочок, які значно збільшуються в довжину, що призводить до віддалення полюсів один від одного. Взаємодія між цими антипаралельними мікротрубочками, яка призводить до їх ковзання, визначається іншими моторними кінезиноподібними білками. Крім того, полюси додатково підтягуються до периферії клітини за рахунок взаємодії з астральними мікротрубочками динеїподібних білків на плазматичній мембрані.

Телофаза починається із зупинки розходження диплоїдних (2 n) наборів хромосом (рання телофаза) і закінчується початком реконструкції нового інтерфазного ядра (пізня телофаза, ранній G₁-період) й поділом вихідної клітини на дві дочірні (цитокінез, цитотомія). У ранній телофазі хромосоми, не змінюючи своєї орієнтації (центромерні ділянки - до полюса, теломерні - до центра веретена), починають деконденсуватися і збільшуватися в об’ємі. У місцях їхніх контактів із мембранними пухирцями цитоплазми утворюється нова ядерна оболонка, в яку вбудовуються комплекси ядерних пор. Через останні проникають білки, які формують ядерну ламіну. Після замикання ядерної оболонки починається формування нових ядерець. Клітина переходить у новий G₁-період.

В телофазі починається і закінчується процес руйнування мітотичного апарата – мікротрубочок. Він іде від полюсів до екватора, в середній частині веретена мікротрубочки зберігаються найдовше.

Важлива подія телофази - поділ клітинного тіла, цитотомія, чи цитокінез, що відбувається в клітинах тварин шляхом утворення перетяжки в результаті вгинання плазматичної мембрани усередину клітини. При цьому в кортикальному, підмембранному шарі цитоплазми, розташовуються скорочувальні елементи типу актинових фібрил і короткі паличкоподібні молекули із полімеризованого міозину 11. Взаємне ковзання цих компонентів призводить до зменшення діаметра кільця і до вгинання плазматичної мембрани в області цього кільця, що завершується поділом материнської клітини перетяжкою на дві дочірні.

В кінці телофази відбувається розбирання мікротрубочок в полярних областях, але мікротрубочки між двома новими ядрами залишаються, крім того утворюються ще і нові. З пучками мікротрубочок зв’язуються численні дрібні вакуолі, які є похідними апарату Гольджі і містять пектинові речовини. За допомогою мікротрубочок численні вакуолі рухаються до екваторіальної площини, де зливаються один з одним і утворюють в середині клітини плоску вакуоль – фрагмопласт, який розростається до периферії клітини, включаючи все нові і нові вакуолі. Так створюється первинна клітинна стінка. В кінці кінців, мембрани фрагмопласту зливаються з плазматичною мембраною, відбувається відособлення двох нових клітин.

При ушкодженні мітотичного апарату (дія холоду чи агентів, що викликають деполімеризацію тубулінів) може відбутися затримка мітозу в метафазі, чи розсіювання хромосом. При порушеннях репродукції центріолей можуть виникати багатополюсні й асиметричні мітози і т.д. Порушення цитотомії призводять до появи гігантських ядер чи багатоядерних клітин. Тривалість мітозу залежить від ряду факторів, особливо температури середовища. Ушкодження хромосом і мітотичного апарата під впливом несприятливих факторів, у тому числі токсичних хімічних речовин, супроводжуються утворенням атипових мітозів (розсіювання хромосом у профазі, утворення анафазних мостів, багатополюсних мітозів і т.д.).

БІЛЕТ 14