Підручник з Біології і екології. 10 клас. Шаламов - Нова програма

§ 45. Життя та смерть клітини. Рак

Клітинний цикл складається з кількох фаз

У процесі індивідуального розвитку багатоклітинний організм формується з однієї клітини в результаті численних мітотичних поділів. Як ми вже з’ясували в § 30, мітотичний поділ становить послідовність фаз, що змінюють одна одну: профаза змінюється метафазою, далі відбувається анафаза, а за нею телофаза. Результатом мітозу є утворення двох дочірніх клітин, що супроводжується рівномірним розподілом генетичного матеріалу материнської клітини: кожна з дочірніх клітин отримує ідентичний набір хромосом. Далі за мітозом (М-фазою) у житті клітини зазвичай слідує G1-фаза, або пресинтетична фаза, коли клітини збільшуються в розмірі й може відбуватися їхня спеціалізація на виконання певної функції в організмі. Після цієї фази клітина будь-якого багатоклітинного організму постає перед вибором: продовжувати клітинні поділи або припинити їх і почати виконувати якісь фізіологічні функції. Такий стан, коли клітина змушена «приймати рішення» про свою подальшу долю, називають контрольною точкою. На це рішення впливають численні фактори, як внутрішні, так і зовнішні — гормони й сусідні клітини, температура й концентрація метаболітів у цитоплазмі тощо.

Якщо клітина виходить із почергових поділів і припиняє їх, то про неї кажуть, що вона переходить у G0-фазу. Більша частина клітин організму людини протягом усього онтогенезу, за винятком ранніх стадій ембріогенезу, знаходяться в G0-фазі. Класичний приклад — нейрони, які перебувають у цьому стані протягом усього життя й нездатні ділитися. Але перехід до G0-фази не завжди є незворотним. Так, клітини печінки знаходяться в G0-фазі, але можуть повертатися до клітинних поділів при пошкодженні органу — це сприятиме його регенерації.

Рис. 45.1. Клітинний цикл

Якщо ж клітина після пресинтетичної фази повертається до клітинних поділів, то вона починає реплікацію ДНК і вступає в синтетичну, або S-фазу. Протягом синтетичної фази здійснюється подвоєння всієї ДНК клітинного ядра. Після закінчення реплікації починається безпосередня підготовка до мітозу — постсинтетична фаза, або G2-фаза. Після цієї нетривалої фази відбувається безпосередньо мітотичний поділ.

Послідовне чергування розглянутих нами фаз є циклічним процесом, відомим як клітинний цикл (рис. 45.1). G1, S і G2-фази об’єднують в інтерфазу — період клітинного циклу між двома клітинними поділами. Клітинний цикл знаходиться під чітким генетичним контролем, оскільки його порушення можуть бути фатальними не лише для клітини, але, як ми впевнимося пізніше, і для всього організму.

Існує два механізми клітинної смерті — некроз і апоптоз

Деякі клітини організму продовжують ділитися протягом усього життя людини. Це забезпечує ріст, оновлення клітинного складу й відновлення пошкоджень. Такі клітини наявні в кістковому мозку, шкірі, кишківнику тощо. Інші клітини, як-от: нейрони або м’язові клітини серця, — залишаються диференційованими протягом усього людського життя і не здійснюють клітинних поділів. Але значна кількість клітин нашого організму постійно гине. Це пов’язано з різними чинниками: накопичення пошкоджень, у результаті інфекцій і стресів, після закінчення «терміну придатності» або навіть в результаті запрограмованої клітинної смерті. Так, деякі лейкоцити гинуть під час контакту з бактеріями, спрацьовуючи як бомба: знищують себе та вивільняють ферменти, які руйнують патогени та забезпечують широкий «радіус ураження». Шкірне сало формується в сальних залозах із відмерлих клітин, які після завершення дозрівання саморуйнуються та утворюють сальний секрет. У процесі ембріонального розвитку людини на ранніх стадіях формування кісток рук між пальцями наявні перетинки. Згодом вони розсмоктуються, оскільки клітини, що їх складають, вчиняють «масовий суїцид».

Рис. 45.2. Клітинна смерть

А. Два способи клітинної смерті. Б. Зміни в організмах, які відбуваються завдяки апоптозу.

Існує два принципово різних способи загибелі клітин, що відрізняються своїми механізмами: некроз і апоптоз (рис. 45.2, А). Під час некрозу клітина набрякає, її мембрана лопається, а вміст виходить назовні. Зазвичай некроз відбувається під час інфекції й запального процесу, коли клітина гине через тяжкі пошкодження, несумісні з її існуванням. Після некрозу вона залишає після себе багато «сміття» — це фрагменти зруйнованих органел, клітинні ферменти, які пошкоджують міжклітинне середовище, і навколишні клітини. Результатом масового некрозу є формування гною. Інший, більш охайний спосіб закінчення життєвого шляху клітини — апоптоз. Під час апоптозу клітина стискається, її ядро конденсується й розпадається на кілька частин. Потім від клітини починають відбруньковуватися шматочки (вона стає схожою на плід шовковиці), після чого розділяється на окремі апоптотичні тільця — мембранні пухирі з внутрішньоклітинним вмістом. При цьому цілісність плазматичної мембрани не порушується.

Апоптотичні тільця поглинаються навколишніми клітинами, після чого від загиблої клітини не лишається й сліду.

Апоптоз відіграє величезну роль у житті й розвитку організмів (рис. 45.2, Б). Саме шляхом апоптозу гинуть клітини перетинок між пальцями ембріона людини або клітини хвоста пуголовка. Крім того, у ряді випадків апоптоз відіграє захисну роль. Якщо клітина виявляється інфікованою вірусом, то вона може вступити в апоптоз, знищивши себе разом із вірусом і, зупинивши тим самим поширення вірусної інфекції організмом. Апоптоз є чимось на кшталт «усвідомленого самогубства» — це рішення клітини знищити себе на благо організму. На відміну від некрозу, апоптоз — це складно організований процес, що контролюється на генетичному рівні. Іноді його ще називають запрограмованою клітинною смертю1.

Рак є наслідком порушення контролю клітинного циклу й клітинної смерті, що породжує нестаріючі клітини, які постійно діляться

Клітинний цикл у багатоклітинних організмів знаходиться під чітким генетичним контролем: перехід із фази до фази й проходження контрольних точок відбувається лише за певних умов. Проте, спонтанно, або під дією мутагенів (хімічних сполук, УФ і рентгенівського випромінювань, деякі віруси тощо) в клітинах можуть відбуватися генетичні мутації, що спричиняють порушення контролю за клітинними поділами. Така клітина може спонтанно багаторазово ділитися та породжувати подібні до себе, що призводитиме до формування пухлини. Пухлини можуть мати різну природу й ступінь небезпеки. Найбільш розповсюджені доброякісні пухлини. Вони зазвичай повільно ростуть та чинять тиск на оточуючі тканини, але не проникають у них. Прикладом доброякісних пухлин є родимки, які є практично в кожної людини. У 15 % жінок після 30 років розвивається міома матки — доброякісна пухлина м’язової частини матки, у половини чоловіків після п’ятдесяти — аденома передміхурової залози. Ступінь розвитку доброякісних пухлин може значно варіювати — у найлегших випадках вони існують безсимптомно. У випадку ускладнень, викликаних стисканням оточуючих тканин (класичний приклад — порушення сечовипускання при аденомі передміхурової залози), доброякісні пухлини варто хірургічно видаляти.

1 Ця назва не є коректною, оскільки лейкоцит, у наведеному раніше прикладі, під час контакту з бактеріями «підриває» себе шляхом некрозу, який, у цьому випадку, також є запрограмованим на генетичному рівні.

Доброякісні пухлини становлять собою загрозу, оскільки здатні перероджуватися на злоякісні. Вони відрізняються інтенсивнішим ростом і здатністю проникати в оточуючі тканини, розноситься організмом із током крові й лімфи, формувати вторинні пухлини — метастази. На відміну від доброякісної пухлини, клітини злоякісної втрачають здатність до апоптозу та стають «безсмертними». Захворювання, що пов’язане з розвитком злоякісних пухлин, також відоме як рак (рис. 45.3).

Онкогенні фактори провокують рак у тканинах, клітини яких часто діляться

Ракові (злоякісні) пухлини можуть з’являтися в різних органах, але найбільше підлягають раковому переродженню ті тканини й органи, клітини яких інтенсивно діляться — епітелій шкіри, молочної залози, товстого кишківника, ендометрій матки. До найбільш розповсюджених видів раку належать рак молочної залози (у жінок), рак гортані, рак передміхурової залози, рак шкіри, рак прямої кишки.

Ракові пухлини виникають у результаті мутацій, що спонтанно відбуваються в клітинах організму. Ніхто не є застрахованим від цього захворювання! Але деякі фактори сприяють виникненню раку, відповідно, їхнє усунення значно збільшує шанси уникнути розвитку злоякісних пухлин. Такі чинники, що призводять до злоякісного переродження нормальної тканини в ракову, називають онкогенними1. Добре відомо, що багато хімічних сполук провокують переродження клітин. Так, куріння провокує розвиток раку легень або гортані. За даними ВООЗ третина смертей від ракових пухлин спричинена тютюнопалінням. Крім того, паління збільшує ймовірність виникнення злоякісних новоутворень у людей, які вдихають тютюновий дим — так званий ефект пасивного курця. До інших факторів, що провокують злоякісне переродження клітин, належать радіоактивне опромінювання, алкоголізм, надлишкова вага й пасивний спосіб життя, дія пестицидів тощо.

1 Від грец. onkos — пухлина, genos — походження.

Рис. 45.3. Розвиток ракової пухлини

Діагностувати рак важливо на ранніх стадіях, поки він іще піддається хірургічному лікуванню, тобто не утворились метастази. Всім жінкам після сорока років рекомендується робити мамографію — медичне обстеження молочних залоз. Також бажано видаляти висячі родимки. Люди, що палять, повинні регулярно проходити обстеження дихальних шляхів. Зараз уже розроблені методи визначення ракових клітин, які циркулюють у крові. Таким чином, у недалекому майбутньому простий аналіз крові дозволить виявляти наявність злоякісних пухлин.

Існують різні способи лікування раку

Ракові пухлини посідають друге місце серед причин смертності після серцево-судинних захворювань. їхній розвиток важко передбачити, позаяк на ранніх стадіях пухлини складно діагностувати, а після метастазування практично неможливо вилікувати. Проблема полягає в тому, що немає універсального раку — кожного разу його поява викликана унікальними мутаціями, у результаті чого злоякісні пухлини індивідуальні. Крім того, рак постійно еволюціонує — клітини в пухлині, яка інтенсивно росте, продовжують мутувати, вони підлягають відбору на користь найбільш стійких і тих, які швидко поділяються. Усі згадані фактори створюють перепони на шляху до лікування цього захворювання. Але людство не здається, і наукова думка разом із самовідданою роботою вчених дозволяють отримувати нові й нові перемоги в боротьбі з раковими пухлинами.

Рис. 45.4. Профілактика і лікування раку

А. Пацієнтка проходить огляд на мамографі з метою діагностики раку молочної залози. Усім жінкам після 40 років рекомендовано проходити подібне обстеження. Б. Пацієнт проходить процедуру променевої терапії. Він розміщується у камері, де пухлини прицільно опромінюються рентгенівським чи γ-випроміненням. Ця методика успішно застосовується для лікування раку грудей чи передміхурової залози. В. Пацієнт до і після терапії раку. На рисунку до лікування (ліворуч) видно численні метастази. Дві великих плями — це нирки. Вони у здоровому стані виглядають чорними на зображенні. Знімки отримані з використанням позитронно-емісійної томографії (ПЕТ).

Класичні методи лікування раку ґрунтуються на здійсненні атаки на клітини, які діляться, оскільки більша частина клітин організму не ділиться, а ракові клітини неконтрольовано здійснюють мітоз за мітозом. До таких методів лікування відносять хіміотерапію — уведення лікувальних препаратів, що запобігають реплікації ДНК і поділу клітин, і радіотерапію — вплив на організм рентгенівського й γ-випромінювання, що пошкоджують генетичний апарат клітин, які діляться (рис. 45.4). На жаль, ці методи мають численні побічні ефекти, оскільки пошкоджують і здорові клітини: клітини шкіри та кісткового мозку. Анемія й випадіння волосся — звичайні наслідки інтенсивної хіміотерапії.

Рис. 45.5. Ракова клітина заповнена наночастинками золота

Червоним флуоресцентним барвником зафарбовано цитоскелет, синім — ДНК, зеленим — наночастинки золота.

На сьогодні розробляють нові, експериментальні способи лікування раку, більш специфічні стосовно ракових клітин, тому не мають таких побічних ефектів, як хіміо- і радіотерапія. Наприклад, колоїдне золото може використовуватися для лікування багатьох форм раку.

До організму вводять суспензію наночастинок1 золота, які розносяться тканинами. Ракові клітини, що швидко ростуть, оточують і поглинають ці частинки (рис. 45.5). Після дії ультразвуку або вихрового магнітного поля частинки розігріваються до сотень градусів та вбивають ракові клітини зсередини. Революційним проривом у лікуванні раку став метод модифікації лімфоцитів поза організмом. Лімфоцити людини, хворої на рак, ізолюють із крові, «навчають» їх розпізнавати й знищувати ракові клітини, після чого повертають назад до організму. Цей метод дає чудові результати, але поки є вкрай дорогим і все ще знаходиться у стані розробки. Також нині розробляють методи адресної доставки ліків: лікувальний препарат прикріплюють до переносника, що доставляє молекулу безпосередньо до ракової клітини та забезпечує прицільну дію.

1 Дрібні частинки золота, що мають розмір порядку кількох нанометрів (10-9 м).

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Якщо тривалість G1-фази клітинного циклу зменшиться, а інших фаз — не зміниться, то

А клітини частіше помиратимуть

Б в клітинах частіше відбуватиметься реплікація

В в клітинах рідше відбуватиметься мітоз

Г клітини рідше вступатимуть у S-фазу

Д інтерфаза стане більш тривалою

• 2. Під час інтерфази відбувається

А розподіл хромосом між дочірніми клітинами

Б розподіл цитоплазми між дочірніми клітинами

В реплікація спадкового матеріалу

Г формування веретена поділу

Д поділ клітини

• 3. Унаслідок апоптозу травні ферменти з лізосом

А потрапляють у міжклітинне середовище

Б повністю знищуються

В поглинаються сусідніми клітинами

Г залишаються в мертвій клітині

Д вивільняються назовні через розриви в мембрані

• 4. Основною відмінністю між доброякісними і злоякісними пухлинами є

А їхній розмір

Б здатність клітин доброякісних пухлин до безперервного поділу

В здатність клітин доброякісних пухлин вростати в суміжні тканини

Г здатність доброякісних пухлин утворювати метастази

Д нездатність клітин злоякісних пухлин до апоптозу

• 5. Хіміотерапія раку найбільш негативно впливає на

А нейрони

Б клітини червоного кісткового мозку

В клітини кісткової тканини

Г еритроцити

Д гамети

• 6. Увідповідніть фазу клітинного циклу з тим, що в ній відбувається.

1. G1-фаза

2. G2-фаза

3. S-фаза

4. G0-фаза

А подвоєння ДНК

Б підготовка до мітозу

В поділ клітини

Г зупинка клітинного циклу

Д ріст клітини

У житті все просто

• 7. Який тип пухлин людини (доброякісні чи злоякісні) зустрічається частіше й чому?

• 8. Як пояснити те, що один і той самий вид клітин може за різних умов гинути різноманітними типами клітинної смерті? Який із типів клітинної смерті є більш розповсюдженим у організмі людини?

• 9. Чому під час застосування протиракової хіміотерапії в людей, що лікуються, випадає волосся?

У житті все не так просто

• 10. Чому імунна система організму не здатна самостійно побороти рак? Які «хитрощі» застосовують клітини пухлини, аби уникнути знищення імунітетом?

• 11. Індивідуальність видів раку зумовлена індивідуальністю мутацій. Мутації в яких генах і як спричиняють рак? Чому існує так багато протоонкогенів?