Что такое рост и развитие клетки
Жизнедеятельность клетки: рост, развитие, деление
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Жизнедеятельность клетки: рост, развитие, деление»
Клетка — наименьшая единица жизни.
Каждая клетка питается, дышит, реагирует на воздействие внешней среды, выделяет ненужные ей вещества, размножается, то есть живет.
Внутренняя среда клетки ― полужидкое содержимое ─ называется цитоплазмой (от греч. κύτος ─ «клетка» и πλάσμα ─ «содержимое»).
В состав цитоплазмы входят органические и неорганические вещества многих видов. Основное вещество цитоплазмы — вода.
В ней находятся обязательные клеточное компоненты ― органеллы, каждый из которых выполняет какие-то определенные функции.
Важнейшая роль цитоплазмы — объединение всех клеточных структур (компонентов) и обеспечение их химического взаимодействия.
Одно из важнейших проявлений жизнедеятельности клетки — движение цитоплазмы. Благодаря движению цитоплазмы ко всем частям клетки доставляются нужные ей вещества.
Движение цитоплазмы можно наблюдать под микроскопом в клетках листа элодеи. С этим водным растением вы уже знакомы. Элодею часто выращивают в аквариумах.
Чтобы увидеть движение цитоплазмы, надо приготовить препарат с живыми клетками и рассмотреть при увеличении в 300 раз. Для этого окуляр микроскопа должен иметь 20-кратное увеличение, а объектив — 15-кратное (20 х 15 = 300).
Зеленые пластиды клеток листа элодеи, перемещаясь вместе с цитоплазмой, позволяют увидеть медленное движение бесцветной цитоплазмы.
Движение цитоплазмы может замедляться или ускоряться под воздействием экологических факторов окружающей среды — света, температуры, снабжения кислородом, водой.
Если зеленый лист элодеи подсветить ярким светом или положить в слегка подогретую каплю воды, то цитоплазма в клетках такого листа будет двигаться быстрее.
И наоборот, при охлаждении листа скорость движения цитоплазмы замедляется. В этом проявляется реакция живых клеток растения на изменение условий среды обитания.
Движение цитоплазмы свойственно как клеткам растений, так и клеткам животных. Например, благодаря цитоплазматическому потоку перемещается микроскопический одноклеточный организм ─ амёба. Водится он в прудах, во влажной почве, а также во внутренностях животных.
Цитоплазма одной живой клетки обычно не изолирована от цитоплазмы других живых клеток, расположенных рядом. В клеточных оболочках есть поры, через которые нити цитоплазмы соединяются с соседними клетками.
Нередко живые растущие клетки всех органов растения меняют форму. Их оболочки округляются и местами отходят друг от друга. В этих участках межклеточное вещество разрушается, клетки разъединяются. Возникают межклетники, заполненные воздухом.
Так происходит при варке клубней картофеля. В спелых плодах арбузов и томатов, рассыпчатых яблоках клетки также легко разъединяются.
Любая живая клетка питается, то есть захватывает из внешней среды съедобные для себя вещества (в виде отдельных молекул или больших групп молекул ― пищевых частиц, иногда даже целых клеток меньшего размера) и так или иначе использует эти вещества.
Питанием называют совокупность процессов, которые включают поступление в организм, переваривание, всасывание и усвоение им пищевых веществ. В процессе питания организмы получают химические соединения, используемые ими для всех процессов жизнедеятельности.
Питание клетки происходит в результате целого ряда сложных химических реакций. В ходе этих реакций неорганические вещества, поступившие в клетку из внешней среды (углекислый газ, минеральные соли, вода), преобразуются в органические и входят в состав тела самой клетки в виде белков, сахаров, жиров, масел и др.
Большая часть веществ, поступающих из окружающей среды, расходуется не для получения энергии, а на синтез новых веществ, необходимых клетке или организму.
Помимо поступления различных питательных веществ в клетку в ней происходит и другой немаловажный процесс ― дыхание.
Дыхание клетки — это сложный процесс химических реакций, дающих клетке энергию. Реакции протекают в цитоплазме и митохондриях (специальных органеллах ― энергетических станциях клетки).
В ходе этих реакций поступившие в клетку органические вещества (углеводы, липиды, аминокислоты) окисляются кислородом до углекислого газа и воды. В итоге происходит выделение энергии, которая используется клеткой и всем организмом по мере необходимости.
В результате питания и дыхания происходит рост и развитие клетки.
Клетка возникает благодаря делению другой клетки. Затем она несколько увеличивается, главным образом за счет увеличения веществ цитоплазмы.
В старой клетке обычно имеется одна большая вакуоль, поэтому цитоплазма, в которой находится ядро, прилегает к клеточной оболочке, а молодые содержат много мелких вакуолей. Молодые клетки, в отличие от старых, способны делиться.
Клетка увеличивается в размере (растягивается), а затем дифференцируется. Так происходит ее развитие. То есть в ней появляются какие-то отличия от других клеток. В результате чего клетки начинают выполнять определенные возложенные на них функции.
После дифференциации клетка снова делится. Согласно клеточной теории, возникновение новых клеток происходит путём деления предыдущей, материнской клетки.
Жизнь клетки от момента её появления и до собственного деления, включая само деление, а также гибель клетки называется жизненным циклом клетки.
В результате деления происходит рост организмов.
Деление клетки — сложный процесс, состоящий из ряда этапов, последовательно идущих друг за другом. Главную роль в нем играют события, происходящие в ядре.
Сначала ядро увеличивается, и в нём становятся хорошо заметны тельца (обычно цилиндрической формы) — это хромосомы.
Хромосомы — это очень важные структуры. В них заложена вся необходимая информация об организме. Они передают наследственные признаки от клетки к клетке.
В результате сложного процесса каждая хромосома как бы копирует себя. Образуются две одинаковые части.
Благодаря специальным структурам хромосомы выстраиваются на экваторе клетки. Эти структуры тянут хромосомы с двух сторон к полюсам клетки.
При этом каждая хромосома расщепляется на две хроматиды ─ половинки двойной хромосомы.
Таким образом у двух полюсов клетки оказывается одинаковый генетический наследственный материал. Такой же, как был в клетке до начала деления.
В каждой вновь образованной клетке формируются ядерные оболочки и ядрышки. Ядро молодой клетки располагается в центре.
Всё содержимое также равномерно распределяется между двумя новыми клетками.
Благодаря делению клеток и их растяжению осуществляется рост организма. Например, растения, в отличие от других живых существ, растут всю жизнь. Отсюда и происходит их название ─»растения».
Биология. 5 класс
Конспект урока
Урок 8. Деление и рост клеток
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
Клетка, деление клеток, рост клеток
Деление клетки – процесс образования из родительской клетки двух и более дочерних клеток.
Рост клетки – это увеличение объёма, массы и размера клетки.
Обязательная и дополнительная литература по теме
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Подобно большинству других животных, мы рождаемся очень маленькими и затем растём. Схема будущего тела человека в целом сформирована уже тогда, когда конечности и главные органы достигают всего лишь нескольких миллиметров в длину. Части тела новорождённого ребёнка вырастут в дальнейшем в разной степени, пропорции его тела изменятся, и, например, голова перестанет казаться такой уж большой относительно туловища. Рост каждой части тела в значительной степени программируется в клетках эмбриона на ранней стадии развития.
Человекообразные черты на стадии эмбрионального развития мы начинаем приобретать, когда эмбрион достигает 1,5 сантиметра в длину. В момент появления на свет наша длина составляет уже около 50 сантиметров. Затем мы вырастаем примерно до 180 сантиметров – при этом рост зависит от половой принадлежности. Расти человек перестает после достижения стадии половой зрелости.
Основной способ роста – это размножение клеток. Но важную роль играет также увеличение размеров самих клеток. Например, нервные клетки и их отростки увеличиваются особым образом: после того как нервная клетка сформирована, она уже никогда больше не делится, однако она может очень серьезно вырасти. Точно так же никогда больше не делятся и клетки мышц, однако они увеличиваются в размерах и объединяются со специальными клетками, подобными стволовым, и все это для того, чтобы создавать более крупные мышцы. Ещё один «способ» роста человек – увеличение пространства между клетками, как это происходит с хрящами и костями. Все эти процессы происходят с нами благодаря росту и развитию клеток.
Жизнь клетки от момента её появления и до собственного деления, включая само деление, а также гибель клетки называется жизненным циклом клетки.
Деление клетки – сложный процесс, состоящий из ряда этапов, последовательно идущих друг за другом. Главную роль в нём играют события, происходящие в ядре. Каждая хромосома как бы копирует себя. Образуются две одинаковые части. В ходе деления части хромосомы расходятся к разным полюсам клетки. В ядрах каждой из двух новых клеток их оказывается столько же, сколько было в материнской клетке. Всё содержимое также равномерно распределяется между двумя новыми клетками. Таким образом, в результате деления клетки образуются две дочерние клетки, полностью похожие на материнскую клетку. За счёт процесса деления обеспечивается передача наследственного материала, а значит и всех признаков, от материнской клетки к дочерним.
Молодые клетки отличаются от старых. Они меньше размером, в них много мелких вакуолей. Клеточного сока в клетке очень мало. Ядро расположено посередине клетки. В старых клетках имеется несколько крупных вакуолей или одна большая, наполненная клеточным соком, а цитоплазма с ядром оказывается оттесненной к оболочке.
Вновь образовавшиеся молодые клетки растут, растягиваются, достигают размера взрослых и сами начинают делиться. Так, например, в результате деления и роста клеток растут корни, стебли и листья растения. Число клеток в органах растения увеличивается – растение растёт.
Рост происходит всюду, где идёт размножение клеток. Рост имеет три фазы: деление, растяжение, дифференцировка клеток.
Разбор типового тренировочного задания:
Тип задания: Установите соответствие
Наивные Т-клетки — ключ к долголетию
Наивные Т-клетки — ключ к долголетию
Автор
Редактор
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Наивные Т-лимфоциты могут поведать о том, что вы хотели бы скрыть. Впервые было осуществлено секвенирование профиля Т-клеточных рецепторов периферической крови человека. Успехи в развитии технологий секвенирования нового поколения дают возможность проследить за динамикой колебаний численности и разнообразия наивных Т-клеток по мере старения организма. Вместе с этими знаниями появляется ответ на вопрос, почему женщины живут дольше мужчин, и приходит мысль о том, что увеличить продолжительность жизни можно, используя собственные Т-клетки. «Иммунологические часы» несложно обмануть, пойдя на хитрость.
Обратите внимание!
Эта работа опубликована в номинации «лучшая статья по иммунологии» конкурса «био/мол/текст»-2015.
Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.
Всегда ли можно дать сорокалетнему мужчине его сорок? А пятидесятилетнему? А скольким тридцатилетним женщинам вы бы не дали двадцати? Определять возраст человека по внешней составляющей не самая лёгкая задача. Однако, людям, перешагнувшим определённый порог, различный для мужчин и женщин, когда репродуктивная функция начинает стремительно угасать, становится сложнее скрывать свой возраст.
Для внутренних процессов человеческого организма характерны совершенно иные темпы изменений. «Возрастной порог» нашей иммунной системы расположен гораздо ближе к детству, чем к старости. Уже с первого года жизни в тимусе ребёнка начинают происходить драматические изменения: функциональная ткань органа заменяется на соединительную, уменьшаясь каждый год на 3% до 35–45 лет, а после 45 — на 1% (рис. 1). В 70 лет соединительная ткань занимает 90% тимуса [1]. Наиболее активно тимус функционирует в пренатальный период и до наступления половой зрелости. За это время происходит наработка максимальных возможностей Т-клеточного иммунитета, что будет во многом определять эффективность иммунного ответа человека на протяжении всей его жизни.
Рисунок 1. Сравнение размеров тимуса у новорождённого (а) и взрослого (б). К 50 годам тимус уменьшается в 5-7 раз по сравнению с первоначальным размером. Рисунок с сайта my.bpcc.edu.
Тимус — военная база иммунной системы
В тимусе иммунная система обучает своих «солдат». Предшественники Т-лимфоцитов размножаются в костном мозге и с кровью попадают в тимус. В нём происходит ключевое событие в жизни Т-клеток, определяющее их специфичность к антигену, с которым они никогда ещё не встречались — соматическая рекомбинация (также V(D)J-рекомбинация, рис. 2). Она заключается в перетасовке участков генов, кодирующих гипервариабельные участки α и β цепей Т-клеточного рецептора (TCR). С помощью TCR Т-клетки распознают «свой» антиген, к которому они специфичны, в составе главного комплекса гистосовместимости (MHC) антиген-презентирующих клеток (рис. 3). Благодаря этому процессу создаётся гигантское разнообразие TCR — около 6 × 10 5 возможных вариантов на каждые 10 6 Т-клеток [2]. В силу такой огромной вариабельности Т-клеточных рецепторов существует высокая вероятность того, что при проникновении в организм какого-либо чужеродного агента найдётся Т-клетка, TCR которой окажется специфичным именно ему. Соматическая рекомбинация происходит в кортикальной части тимуса, из неё клетки мигрируют в медуллярную часть и претерпевают негативный отбор: в экземплярах, реагирующих на собственные антигены, экспрессируемые организмом, запускается апоптоз.
Рисунок 2. Соматическая рекомбинация на примере β цепи TCR. Исходная последовательность в гене, кодирующем β цепь TCR содержит V (variable), D (diversity), J (Joining) и C (constant) сегменты. Сначала один из двух D-сегментов соединятеся с одним из 13 J-сегментов. Получившийся DJ-сегмент присоединяется к одному из 50 V-сегментов. Сегменты выбираются случайным образом, и механизм их сшивки также предполагает случайное варьирование количества пар оснований, это обеспечивает разнообразие TCR. Аналогичный процесс происходит c последовательностью, кодирующей α-цепь только без D-сегмента. Рисунок с сайта Slideshare.
Рисунок 3. Взаимодействие TCR и антиген-презентирующей клетки. а — Т-клетка (фиолетовая) взаимодействует с антиген-презентирующей клеткой (APC, синяя). б — APC презентирует антиген в составе MHC. Гетеродимер TCR состоит из α и β цепей, охватывающих MHC с антигеном. С антигеном главным образом взаимодействуют области CDR3 — это домены, отвечающие за специфичность TCR к данному антигену. Рисунок с сайта Genomemedicine.
После наступления пубертатного периода производство тимусом наивных Т-клеток резко снижается и на протяжении всей взрослой жизни человека активность этого органа остаётся на самом базальном уровне. Чем это грозит? Созданное за такой короткий период огромное разнообразие TCR действительно обеспечивает эффективный иммунный ответ на большинство потенциальных угроз. Но это разнообразие остаётся константным только некоторое время.
Мы теряем наших бойцов!
По результатам последних исследований [2], доля наивных Т-клеток как в CD4 + (Т-хелперы) так и в CD8 + (Т-киллеры) субпопуляциях периферической крови человека линейно уменьшается с возрастом. В детстве она составляет 50–80% от всего Т-клеточного пула и уменьшается на 0,75% каждый год, к 70 годам она составляет одну четверть первоначального изобилия. Авторы исследования [2] создали новый подход к использованию технологии секвенирования нового поколения компании Illumina для получения наиболее точных индивидуальных профилей репертуара TCR у людей различных возрастных групп. Было показано, что разнообразие TCR в периферической крови человека коррелирует с процентным содержанием в ней наивных Т-клеток и почти линейно уменьшается с возрастом — примерно на 5 × 10 3 вариантов TCR в год. Наивные Т-клетки сосуществуют в крови с Т-клетками памяти, клоны которых образуются в результате пролиферации наивных Т-клеток, повстречавших «свой» антиген. Размножившиеся клоны с каждым годом занимают всё большую долю доступного для пролиферации пространства в крови, это отражается на численности наивных Т-клеток, так как общее количество Т-клеток в крови человека относительно стабильно.
* — Но не стоит забывать, что кроме популяций в периферической крови, у человека есть гораздо более мощная локальная армия Т-лимфоцитов «на местах»: «Т-лимфоциты: путешественники и домоседы» [4]. — Ред.
Общее разнообразие TCR определяется количеством редких клонов в пуле Т-клеток, поэтому отсутствие возрастных изменений в разнообразии наиболее многочисленных Т-клеточных клонов указывает на то, что клоны наивных Т-клеток теряются с возрастом. Это связано с тем, что клоны наивных Т-клеток обычно малочисленны, поэтому вероятность того, что ни одна клетка данного клона не сможет поделиться или погибнет в результате каких-то случайных событий гораздо выше, чем для клонов с большим числом клеток.
Старики с высоким разнообразием TCR
Другое объяснение явления увеличения разнообразия TCR после 70 лет заключается в том, что люди этой возрастной группы уже перешагнули определённый возрастной порог, пройдя в некотором смысле проверку на прочность — уникальный набор физиологических параметров, включая особенности иммунной системы, сделал их наиболее приспособленными среди всех особей популяции в данных условиях. Из этого можно заключить, что повышенное содержание наивных Т-клеток в субпопуляции CD4 + периферической крови человека коррелирует с долгожительством. Увеличение доли наивных Т-клеток в пуле CD4+, а значит и увеличение разнообразия TCR обеспечивает лучшую иммунорегуляторную функцию, что снижает общее воспаление, усиливающееся по мере старения организма из-за активации аутоиммунных процессов, увеличивает эффективность распознавания раковых клеток и обеспечивает более сбалансированный иммунный ответ [2].
Долгая, но бездетная жизнь
Рисунок 4. Придворные евнухи в Китае. Некоторые евнухи жили более ста лет. Рисунок с сайта Lacasamundo.
Исследование о придворных евнухах династии Чозунь в Корее 2012 года [6] показало, что продолжительность жизни евнухов составляла на 15–20 лет больше, чем продолжительность жизни мужчин с нормальной репродуктивной функцией, живущих в тех же условиях (рис. 4). Возможно, их продолжительность жизни увеличивалась именно благодаря отсутствию инволюции тимуса под влиянием половых гомонов, а следовательно благодаря большему разнообразию TCR наивных Т-клеток. В пользу этой гипотезы можно привести данные о том, что у женщин производство тимусом наивных Т-клеток происходит более эффективно, чем у мужчин, и уменьшение их содержания в периферической крови у женщин выражено в меньшей степени, чем у мужской части населения [7]. Возможно, лучшая работа иммунной системы у женщин связана с тем, что во время беременности иммунитет женщины необходимо «обуздать», сделав его толерантным к фактически чужеродному телу — плоду, что требует участия сложных регуляторных путей. Высокая точность регуляции иммунного ответа очень важна, так как ошибка приведёт к потере потомства. К этим рассуждениям можно прибавить и тот факт, что у женщин с наступлением менопаузы яичники перестают вырабатывать эстрогены, а у мужчин выработка половых гормонов не прекращается. Это объясняет большую продолжительность жизни у женщин, чем у мужчин, характерную для любых национальностей. В Европе и США женщины живут дольше мужчин на 4,5–5 лет, в России — на 13 [6].
Мальчик, которому сделают орхеэктомию (удаление яичек), может быть, и получит дополнительные 10–15 лет жизни, вместе с тем лишившись возможности иметь детей и получив набор других не совсем приятных последствий. Существуют менее радикальные решения, основанные на приёме определённых препаратов, способствующих восстановлению функции тимуса. Одно из таких веществ — грелин, этот гормон вырабатывается слизистой оболочкой желудка и вызывает чувство голода, действуя на центры гипоталамуса. Оказалось, что грелин участвует в Т-клеточном сигналлинге, способен снижать связанное с возрастными изменениями воспаление, способствует восстановлению структуры тимуса и стимуляции его функций. Ряд цитокинов и факторов роста (интерлейкины 7 и 22, фактор роста кератиноцитов) являются потенциальными кандидатами для решения проблемы восстановления функции тимуса у взрослых людей. Интерлейкины обеспечивают дифференцировку и выживание тимоцитов. Фактор роста кератиноцитов необходим для пролиферации и дифференцировки функциональных тканей тимуса, его использование вызывает пролиферацию тимоцитов и увеличивает размеры органа. Возможно также использование веществ, блокирующих выработку стероидных гормонов, таких как аналоги гонадотропин-релизинг гормона, например, люпрона. Люпрон действует на гипофиз, блокируя рецепторы к гонадотропин-релизинг гормону, из-за чего уменьшается выработка лютеинизирующего и фолликуло-стимулирующего гормонов, что ведёт к снижению продукции эстрогена и тестостерона. И всё же, все вышеперечисленные вещества имеют неоднозначное воздействие на организм, и пока ещё нет данных о долгосрочных последствиях их приёма, поэтому их назначают только в случае восстановления после химиотерапии или при ВИЧ-инфекции, когда стимуляция работы тимуса необходима для реконституции иммунной системы [1].
Хранение наивных Т-клеток — полезная инвестиция в будущее
Есть ли иной способ продлить мужскую жизнь? Авторов статьи [2] посетила смелая идея решения этой проблемы. Кроме того, что редко встречающиеся клоны наивных Т-клеток в результате случайных событий теряются с возрастом, они, как и все клетки организма, могут поделиться лишь ограниченное количество раз (примерно 50 — лимит Хейфлика), что обусловлено укорочением теломерных участков хромосом после каждой репликации ядерной ДНК, а делятся наивные Т-клетки раз в 1–2 года. Значит примерно к 70 годам основная часть Т-клеток выйдет из строя. Решение есть — можно запасать наивные Т-клетки! У молодых людей в возрасте до 15–20 лет, когда процессы формирования основного пула наивных Т-клеток уже заканчиваются, нужно брать образцы крови в таком объёме, чтобы количества наивных Т-клеток в них хватило для полного восстановления их пула уже в пожилом возрасте, и заморозить. Очень важно, чтобы забор произошёл именно в этот промежуток времени. Если брать кровь у более взрослых людей, количества циркулирующих наивных Т-клеток просто не хватит для полной реставрации их пула в будущем. Конечно же, такой подход будет эффективен и для женского пола. Эти образцы крови будут не только средством продления жизни, но ещё и подстраховкой в случае аутоиммунных заболеваний или рака, они помогут восстановить иммунную систему после химиотерапии. Создание подобных банков с замороженными образцами крови стало бы ключевым событием в становлении абсолютно новых подходов к лечению заболеваний иммунной системы. Например, СПИД можно было бы вылечить введением в здоровые размороженные Т-клетки заразившегося СПИДом мутации по гену мембранного рецептора CCR5 (CD195), люди с такой мутацией обладают природной резистентностью к ВИЧ [8], и их пересадкой больному, предварительно прошедшему курс химиотерапии.
Итоги
Как бы молодо не выглядел человек, параметры его иммунной системы будут объективно отражать возраст. Такие параметры как количество наивных Т-клеток и разнообразие TCR практически линейно снижаются по мере старения. Если вы являетесь счастливым обладателем повышенного разнообразия TCR, можете надеяться на несколько бонусных лет жизни. В будущем человечество ожидают новые дерзкие подходы к увеличению продолжительности жизни с использованием собственных наивных Т-лимфоцитов, собранных и замороженных много лет назад.