5.3. Брожение
Брожение – это анаэробный окислительно-восстановительный процесс превращения органических веществ, в результате которого организмы получают энергию, необходимую для их жизнедеятельности. Брожению подвергаются углеводы, спирты, органические кислоты и проч. Данный процесс характерен для микроорганизмов, но при недостатке кислорода может проходить в клетках высших растений и животных. При брожении расщепление веществ с целью выделения энергии, осуществляется не полностью, а до органического конечного продукта с еще достаточной энергоемкостью. В зависимости от конечных продуктов различают следующие типы брожения: спиртовое, маслянокислое, молочнокислое и др. Брожение происходит при участии ферментов. У дрожжей при недостатке кислорода и присутствии сахара идет спиртовое брожение, в результате чего образуется этиловый спирт, углекислый газ и две молекулы АТФ:
C6H12O6 → 2C2H5OH + CO2 + 2 АТФ .
У некоторых бактерий, а также в мышцах животных и человека при большой физической нагрузке и недостатке кислорода может происходить молочно-кислое брожение, при котором пировиноградная кислота (C3H4O3), образовавшаяся при распаде глюкозы, восстанавливается до молочной кислоты (C3H6O3):
C3H4O3 + НАД∙Н + Н+ → C3H6O3 + НАД+ .
Большие количества молочной кислоты, накапливающиеся при чрезмерной работе нетренированных мышц, вызывают чувство усталости, мышечные боли и характеризуют кислородную недостаточность, которую можно ликвидировать, усилив приток кислорода к мышцам (дополнительные физические нагрузки, теплые ванны, массаж и др.). Таким образом, при брожении выделяется часть энергии и распад веществ идет до промежуточных продуктов реакций, а при аэробном окислении выделяется вся энергия и распад идет до конечных продуктов (CO2 и H2O).
Деление клетки
Деление клеток – это естественный процесс, который обеспечивает нормальный рост, развитие и размножение организма. За счет деления увеличивается количество клеток, осуществляется рост тканей, половое размножение и передача наследственного материала. Основные типы деления клеток – это мейоз и митоз. Каждый из этих процессов имеет некоторые особенности.
Жизненный цикл клетки
Увеличение числа клеток происходит путем деления. Обычно делению клеток предшествует редупликация хромосомного аппарата, синтез ДНК.
Время существования клетки от деления до следующего деления или смерти называют жизненным циклом (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Схема митотического цикла соматической клетки
В течение жизни клетки растут, дифференцируются, размножаются, гибнут.
В состав жизненного цикла входит митотический цикл, в котором выделяют интерфазу, включающую подготовку клеток к делению, и само деление (митоз). Многие клетки млекопитающих входят в особую фазу митотического цикла, называющейся G0-фаза. В этой фазе гены, кодирующие белки, запускающие процесс деления, «выключаются». У многих типов клеток «выключенные» гены включаются снова. Однако у высокодифференцированных клеток, таких как нейроны или мышечные клетки сердца (кардиомиоциты), цикл деления приостановлен и не возобновляется, клетка так и находится в фазе G0.
Другие клетки способны постоянно делиться; они обнаружены в обновляющихся тканях (эпителиальных), в кроветворных органах. Например, клетки покровного эпителия, кроветворные клетки костного мозга или слизистой желудочно-кишечного тракта почти непрерывно делятся, заменяя погибшие. Обычно в любой ткани делится небольшое количество клеток. Активно делятся клетки после повреждения органов и тканей.
Подготовка клетки к делению. Интерфаза включает в себя пресинтетический (постмитотический) G1-период, синтетический (S) период и постсинтетический (премитотический) G2-период.
Период G1 – самый длительный. У эукариот он может продолжаться от нескольких часов до нескольких суток. Для быстро делящихся клеток (эмбриональных) этот период непродолжителен. В пресинтетическом периоде (G1), наступающем сразу после митоза, клетки имеют диплоидный набор хромосом (2n) и набор генетического материала ДНК (2c). В этот период начинается рост клеток, синтез белков, РНК, происходит подготовка клеток к синтезу ДНК (S-период). Повышается активность ферментов, участвующих в энергетическом обмене.
В синтетический период (S) происходит репликация молекул ДНК, синтез белков-гистонов, с которыми связана каждая нить ДНК. Синтез РНК увеличивается соответственно количеству ДНК. При репликации две спиральные нити ДНК раскручиваются, разрываются водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями, и каждая нить становится матрицей для воспроизводства новых цепочек ДНК. Синтез новых молекул ДНК осуществляется при наличии ферментов. В каждой из двух образовавшихся новых молекул ДНК есть одна старая и одна новая спираль; новые молекулы идентичны старым. Такой способ репликации называют полуконсервативным. В большинстве клеток фаза S длится 8–12 ч.
В постсинтетический период (G2) накапливается энергия в молекулах АТФ, необходимая для деления клетки, завершается удвоение центриолей, митохондрий, пластид, синтезируются белки (например, тубулин), из которых строится ахроматиновое веретено деления, заканчивается рост клетки, но содержание ДНК (4с) и число хромосом (2n) не изменяются. Продолжительность этого периода оставляет 3–6 часов.
Длительность митотического цикла неодинакова у разных клеток, но постоянна для данной ткани. Например, в культуре раковых клеток человека длительность G1-периода равна 8,5 ч, S – 6,2 ч, G2 – 4,6 ч. Длительность митоза составляет 0,6 ч. Весь митотический цикл длится 19,9 ч.
Регуляция митотического цикла. Внутриклеточные молекулярные сигналы многочисленны, среди них, в первую очередь, следует назвать собственно регуляторы митотического цикла (циклины, циклин-зависимые протеинкиназы, их активаторы и ингибиторы) и онкосупрессоры. Под влиянием разных сигналов в клетке происходит накопление определенных регуляторных факторов (белков, ферментов), определяющих вступление клетки в митотический цикл. С некоторого момента времени – так называемой точки рестрикции – сделанный «выбор» становится необратимым.
Белки-циклины активируют циклинозависимые протеинкиназы, которые формируют специфические белки, участвующие в подготовке клетки к делению, в том числе в репликации ДНК. Циклин-Д регулирует переход клетки из G1-фазы в S-фазу; циклины А и Е активируют синтез ДНК на начальной стадии S-фазы; циклин В регулирует переход клетки из G2-фазы в М-фазу.
Онкосупрессоры в нормальной клетке постоянно контролируют множество процессов, в том числе и размножение клеток (точнее, онкосупрессоры блокируют клеточный цикл). Известно множество онкосупрессоров, среди которых ген p53- известен как главный супрессор развития опухоли. Мутации генов онкосупрессоров неизбежно приводят к появлению бесконтрольного деления клеток. Белок р53 специфически связывается с ДНК и подавляет рост клеток в фазе G1. При неблагоприятной информации о состоянии клетки белок р53 блокирует митотический цикл до тех пор, пока нарушения не будут устранены. В повреждённых клетках содержание белка р53 возрастает, и это даёт клеткам шансы восстановить ДНК путём блокирования митотического цикла. При серьёзных повреждениях белок р53 инициирует самоубийство клетки — апоптоз.
Межклеточные сигналы. На множество важных клеточных функций (деление клеток, их жизненный цикл) влияют различные информационные сигналы, поступающие в клетку извне в виде гормонов (например, гормон роста, женские половые гормоны-эстрогены), интерферонов, факторов роста (например, фактор роста эпидермиса — EGF). Некоторые из таких информационных сигналов расцениваются как факторы, стимулирующие митогенную активность (митогены).
Существенное влияние на активность клеток имеют и контакты с элементами межклеточного матрикса (например, с фибронектином). После взаимодействия с соответствующими рецепторами такие митогенные сигналы (зачастую при помощи связанных с G-белками протеинкиназ) передаются на соответствующие участки генома, активируя гены, контролирующие фазы митотического цикла.
Митоз
Митоз (греч. mitos – нити) – непрямое деление клетки. Митоз состоит из четырех фаз: профазы, метафазы, анафазы, телофазы (рис. 6.2). Профаза занимает 60 % времени всего митоза, метафаза – 5 %, анафаза – 5 % и телофаза – 30 % времени всего митоза. Длительность митоза отличается у разных клеток. Для большинства клеток млекопитающих фазы митоза длятся около 12 ч. В интерфазном ядре хромосомы под световым микроскопом не видны.
В профазе увеличивается объем ядра, хромосомы спирализуются, укорачиваются и утолщаются. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных центромерой. Центриоли расходятся к полюсам клетки и формируется веретено деления. К концу профазы ядрышки и ядерная оболочка распадаются и хромосомы оказываются в цитоплазме.
Рис. 6.2. Рис. 6.2. Схема митоза
Из 6.2 и 6.3 сделать один рисунок (6.2)
Профаза – самая продолжительная фаза митоза. В профазе набор хромосом равен 2n, количество ДНК – 4с (2n4с).
В метафазе спирализация хромосом достигает максимума, хромосомы располагаются в экваториальной плоскости веретена деления. Митотическое веретено полностью сформировано и состоит из нитей, соединяющих полюса деления клетки с центромерами хромосом. Хромосомы состоят из двух хроматид, соединенных в области центромеры. Набор хромосом – 2n, а количество ДНК – 4с (2n4с).
В анафазе центромеры разделяются, хроматиды (дочерние хромосомы) становятся самостоятельными хромосомами. Нити веретена деления, прикрепленные к кинетохорам центромер, равномерно тянут дочерние хроматиды к полюсам клетки. Достигнув полюсов, хроматиды становятся самостоятельными хромосомами. Движение хромосом обеспечивается взаимодействием их центромерных участков с микротрубочками веретена деления. Набор хромосом – 4n, а количество ДНК – 4с (4n4с).
В телофазе хромосомы, состоящие из одной хроматиды, находятся у полюсов клетки, деспирализуются и становятся невидимыми. Нити ахроматинового веретена распадаются. Образуется ядерная оболочка, формируется ядро. Происходит деление цитоплазмы (цитокинез) и образование двух дочерних клеток. В клетках животных цитоплазма делится путем перетяжки, т. е. впячивания цитоплазматической мембраны от периферии к центру. В клетках растений образуется мембранная перегородка, которая растет от центра клетки к периферии. Набор хромосом в начале телофазы 4n4с, в конце, когда образовались две дочерние клетки, – 2n2с.
Рис. 6.3. Стадии митоза (к рис. 6.2)