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

Де початок того кінця, яким завершується початок?

Козьма Прутков

§ 58. СТАРІННЯ ТА СМЕРТЬ КЛІТИН

Основні поняття й ключові терміни: СТАРІННЯ КЛІТИН. СМЕРТЬ КЛІТИН. Апоптоз. Некроз.

Пригадайте! Що таке клітинний цикл?

Поміркуйте!

У світлі сучасних гіпотез старіння організмів, яких налічують понад 200, науковці виокремлюють найчастіше 9 ключових ознак: геномну нестабільність, теломерні скорочення, мітохондріальну дисфункцію, епігенетичні зміни, втрату білкового гомеостазу, нестачу й порушення надходження поживних речовин — нутрієнтів, виснаження стовбурових клітин, зміни міжклітинної комунікації та клітинне старіння. А що таке старіння клітин (англійською мовою — cellular senescence)?

ЗМІСТ

Які ознаки старіння клітин?

Уперше клітинне старіння описав в 1965 р. Л. Гейфлік (нар. 1928). Було встановлено, що нормальні клітини втрачають здатність до репродукції після певної кількості поділів. Подальші дослідження у цьому напрямі виявили, що в процесі старіння клітин змінюється не лише їхня здатність до поділу, а й структура та функціонування усіх її складників.

Поверхневий апарат. У клітинній мембрані спостерігаються ущільнення і потовщення, зменшення інтенсивності транспортування речовин, кількості міжклітинних контактів

Цитоплазма. Змінюється щільність гіалоплазми, що позначається на інтенсивності біохімічних реакцій й біофізичних процесів. Однією зі сталих ознак старіння клітин є морфологічні й функціональні зміни мітохондрій. Коли старіюча клітина виявляє значне ушкодження своєї ДНК, вона продукує сигнали, що спонукають мітохондрії до утворення вільних радикалів, які «змушують» клітину гинути або припинити процес поділу. Ще однією з вікових змін клітини є збільшення кількості лізосом, їх руйнування й вивільнення ферментів, що спричиняє пошкодження органел і мембрани. Ознаками клітинного старіння є й накопичення в залишкових тільцях пігменту старіння (ліпофусцину), зміна відповіді на дію чинників росту.

Генетичний апарат. З віком клітин змінюється структура хроматину, зменшується транскрипційна активність еухроматину та швидкість реплікації ДНК, втрачає ефективність система репарації ДНК. Потужними активаторами старіння є двониткові розриви ДНК, що виникають внаслідок дії йонізуючої радіації (альфа-, бета-, гамма- й рентген-промені).

У клітинах з віком проявляються не лише процеси старіння, а й розвиваються процеси антистаріння. Їх перебіг забезпечують природні генотипні (наприклад, системи репарації ДНК, система антиоксидантів, система мікросомального окиснення чужорідних речовин) та фенотипні (наприклад, підвищення інтенсивності гліколізу, поява багатоядерності й поліплоїдії у клітинах, збільшення об'єму мітохондрій за умов зниження їхнього числа, гіпертрофія апарату Гольджі) механізми.

Таким чином, навіть цей далеко не повний перелік вікових змін указує на те, що старіння клітин є дуже складним процесом, що охоплює усі її складові. Попри багаторічні ґрунтовні дослідження ще не з'ясовано причини старіння. Існує ряд гіпотез клітинного старіння, серед яких: молекулярно-генетичні гіпотези (вікові зміни є спадково запрограмованими), теломерна гіпотеза (скорочення теломер після кожного подвоєння хромосом і втрата здатності до поділу), гіпотеза вільних радикалів (причиною клітинного старіння є шкідливі впливи вільних радикалів), гіпотеза виснаження стовбурових клітин (уповільнюють свій поділ і не так часто перетворюються на соматичні клітини), гіпотеза порушення білкового гомеостазу (накопичення пошкоджених й змінених білків) та ін.

Отже, СТАРІННЯ КЛІТИН — це природний закономірний і незворотний процес вікових змін будови й функцій клітин, що спричиняє зниження їхніх адаптивних можливостей.

Чому клітини гинуть?

Смерть клітин може наставати як у нормі, так і в разі патології. Гинуть клітини в ембріональному розвитку (під час формування тканин і органів) й у дорослому організмі внаслідок старіння, в разі втрати функцій і під дією шкідливих чинників. Розрізняють два види загибелі клітин: апоптоз і некроз (іл.131).

Іл. 131. Загибель клітин: 1 — апоптоз; 2 — некроз

Апоптоз — генетично запрограмована загибель клітини, в якій провідну роль виконують внутрішньоклітинні механізми. Цей вид загибелі клітин є енергетично залежним й регульованим процесом. У разі апоптозу ядро й цитоплазма діляться на кілька частин, не відбувається руйнування клітинної мембрани, вміст клітин не потрапляє в позаклітинне середовище й не спричиняє запалення. Особливе значення апоптоз має в ембріональному розвитку, коли відбувається зміна ембріональних зачатків. У зрілому організмі апоптоз забезпечує клітинний гомеостаз — відносну сталість складу тканин і органів, а в разі старіння чи патології регулює кількість клітин в органах відповідно до зниження функціональних можливостей організму. Апоптоз також відіграє важливу роль в разі зараження інфекційними агентами, зокрема вірусними, у ліквідації пухлинних клітин.

Некроз — це загибель клітин у результаті незворотного пошкодження під дією шкідливих чинників. До них належать перегрівання, переохолодження, нестача кисню, порушення кровопостачання, дія отрут, хімічних препаратів, механічні травми. Цей процес генетично не запрограмований, є пасивним і не потребує затрат енергії. У разі некрозу відбуваються хаотичне руйнування клітинних мембран й органел, вивільнення ферментів й розщеплення вмісту. Некроз клітин супроводжується запаленням, що спричинене продуктами розпаду клітин. Реакція запалення — це основна фізіологічна відмінність некрозу від апоптозу.

Отже, загибель клітин може бути природним або патологічним процесом, що відбувається під дією генів або шкідливих чинників середовища.

Які причини і наслідки порушень клітинного циклу?

Клітинний цикл — це період існування клітини від одного поділу до іншого (іл. 132). Регуляція клітинного циклу здійснюється гормонами, чинниками росту, білками-циклінами і циклін-залежними ферментами, без яких неможливий перехід до поділу.

Іл. 132. Етапи й фази клітинного циклу: М — мітоз; І — інтерфази (G1 — пресинтетична фаза; S — синтетична фаза; G2 — постсинтетична фаза; G0 — фаза спокою)

Наслідками порушення клітинного циклу є втрата здатності певних клітин до поділу, старіння клітин, загибель клітин, виникнення пухлин.

Причинами порушень клітинного циклу можуть бути нестача поживних речовин, зміни впливів чинників росту, пошкодження ДНК, порушення подвоєння молекул ДНК і розходження хроматид, вірусні гени, зовнішні шкідливі впливи тощо.

Основними етапами клітинного циклу є інтерфаза та мітоз. Однак не всі клітини проходять ці етапи. Так, нестача поживних речовин або чинників росту змушує клітину переходити у фазу спокою (G0-фаза), упродовж якої поділу не відбувається.

Прикладом порушення регуляції клітинного циклу є неконтрольований поділ клітин й виникнення пухлин. У нормі клітина, в якої пошкоджена ДНК, не вступає в S-фазу. У разі мутацій або епігенетичних змін генів, що відповідають за поділ клітин і цілісність геному (протоонкогени, антионкогени, гени-мутатори), анормальні клітини починають швидко розмножуватись. Як наслідок розвиваються новоутворення. Одним із механізмів захисту від них є апоптоз. Водночас є гени (антионкогени), що пригнічують утворення ракових пухлин.

Отже, порушення клітинного циклу зумовлюють генетичну нестабільність та порушення диференціації клітин.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійна робота з ілюстрацією

Геронтологія — наука, що вивчає процес старіння організму людини. В сучасній геронтології швидко розвивається новий напрям досліджень, пов'язаний з описом епігенетичних механізмів вікових змін. Розгляньте схему, яка ілюструє епігенетичні чинники, що впливають на процес старіння людини, перекладіть й назвіть їх. Сформулюйте власні судження про вплив способу життя на процес старіння людини.

Біологія + Геронтологія. Адаптаційно-регуляторна гіпотеза старіння

Одночасно з руйнуванням і деградацією, характерними для процесу старіння, в ході еволюції виникли й процеси, спрямовані на виживання й підвищення стійкості біологічних систем. Це механізми антистаріння. Вперше на них звернув увагу видатний український учений В. В. Фролькіс (1924—1999). У чому суть адаптаційно-регуляторної гіпотези старіння Фролькіса?

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Генеалогія. Успадкування ознак у людини

Синдактилія у людини є вадою розвитку й спадковим захворюванням, що характеризується повним чи частковим зрощенням між собою двох і більше сусідніх пальців рук або ніг. Розвивається внаслідок порушення загибелі клітин, завдяки чому в нормі досягається розділення пальців. А який тип успадкування у цієї ознаки?

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1—6

1. Що таке старіння клітин? 2. Наведіть приклади ознак старіння клітин. 3. Що таке апоптоз? 4. Що таке некроз? 5. Наведіть приклади чинників, що порушують клітинний цикл. 6. Назвіть основні наслідки порушення клітинного циклу.

7—9

7. Які ознаки старіння клітин? 8. Чому клітини гинуть? 9. Які причини і наслідки порушень клітинного циклу?

10—12

10. Обґрунтуйте судження про вплив способу життя на процес старіння людини.