Урок " Старіння і смерть клітин. Причини порушення клітинного циклу та їх наслідки.

Розробка уроку: Старіння і смерть клітини. Причини порушення клітинного циклу та їхні наслідки.

Мета: сформувати уявлення про механізми клітинної смерті та їх біологічну роль, розглянути причини порушення клітинного циклу;

-створити умови для розвитку ключових компетентностей, розвивати критичне мислення;

- виховувати дбайливе ставлення до живого.

Тип уроку: комбінований.

Місце: поточний в темі.

Терміни: апоптоз, некроз.

               Існує загальний закон, за велінням якого народжуються і помирають… П. Сір

        Хід уроку.

1. Організаційний.

Ми починаємо урок … А на уроці ми:

Уважні

Розумні

Організовані

Кмітливі.

2. Актуалізація опорних знань.

1 – Вставте пропущені слова в тексті.

Клітинний цикл складається з __________ фаз. Найдовша з них - ____________. Мітоз – це основний механізм поділу­_________ клітин. Він лежить в основі процесів росту та __________. Під час мітозу з однієї материнської клітини з ____________ набором хромосом утворюються дві клітини з ____________ набором. Фаз мітозу – 4. Це профаза, __________ , анафаза,  _________. Мітоз забезпечує сталість ___________ організмів.

(Диплоїдний, соматичних, метафаза, телофаза, 5, регенерація, інтерфаза, каріотип.)

2. Знайдіть відповідність між фазами мітозу та процесами, що відбуваються під час кожної фази.

А. Приєднання веретена поділу до хромосом              1  метафаза

Б. Розходження хроматид до полюсів клітини             2   профаза

В. Спіралізація хромосом                                             3   анафаза

Г. Початок формування ядерної оболонки                   4  телофаза

                                                                                     5   інтерфаза

3. Мотивація

  Питання клітинної загибелі надзвичайно актуальні і важливі для розуміння багатьох загальнобіологічних проблем – індивідуального розвитку організмів, морфогенезу, регенерації, утворення пухлин тощо. Кожна особина має певну тривалість життя, характерну для даного виду, до якого вона належить. Для клітин також характерна певна тривалість існування, яка залежить від ступеня диференціації, через який вони пройшли. Спочатку біологи думали, що клітини безсмертні, оскільки здатні безмежно ділитися, а тому старіння і смерть – це властивості лише великих об’єднань клітин, що формують організм. Однак з’ясувалося, що ці фізіологічні прояви живої речовини притаманні й клітинному рівню організації життя. Деякі клітини організму здатні 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.

ІV. Вивчення нового матеріалу.

1. Поняття про загибель та старіння клітин.( Застосовуємо метод КМ «читання з визначенням опорних слів».)

 Старіння клітини – закономірний не обернений руйнівний процес вікових змін, що призводить до порушень метаболізму клітини, її пристосувальних можливостей, підвищує вірогідність її смерті.

Найпоширенішими видами клітинної загибелі є апоптоз і некроз (рис. 1). Природна запрограмована смерть клітини називається апоптозом, на відміну від некрозу – пасивної загибелі клітин внаслідок інтенсивної дії шкідливих факторів навколишнього середовища (травм, нестачі кисню, високої температури тощо). Слід зазначити, що обидва процеси (апоптоз і некроз) можуть відбуватися незалежно один від одного, послідовно, і навіть одночасно.

Мал. 1. Морфологічні зміни клітини під час некрозу (1) та апоптозу (2)

На клітинному рівні смерть – процес нормальний і необхідний, відсутність якого порушила б певним чином функції організму. Розглядаючи смерть клітини як біологічну проблему, що не пов’язана зі смертю цілого організму, можна виділити дві категорії цього явища: смерть клітин внаслідок старіння, яка впродовж життя організму врівноважується відповідними  новоутво-реннями і заміщеннями молодих клітин; та смерть, яка настає у результаті нормальних процесів розвитку й диференціації, наприклад, під час

Мал. 2. Апоптоз клітин шкірних перетинок (їх вказано стрілками) під час ембріонального розвитку кінцівки миші

ембріонального розвитку організмів, метаморфозу личинок тощо.  Відомі усім випадки перетворення пуголовка на жабу, гусені на метелика супроводжуються загибеллю великої кількості клітин. Цікаво, що шляхом апоптозу клітин шкірних перетинок між пальцями формуються п’ятипалі кінцівки наземного типу (мал. 2).

Отже, апоптоз – це нормальний генетично запрограмований процес загибелі клітин під час розвитку організму. Термін походить від грецького слова, що означає «листопад». Подібно до того, як рослина звільняється від листя з метою оновлення і збереження цілісного організму, апоптоз має велике значення у видаленні дефектних чи непотрібних клітин з цією ж метою! Щодня 50-70 млрд. клітин організму гине шляхом апоптозу.

Дослідження запрограмованої клітинної загибелі (ЗКЗ або PCD, від англ. programmed cell death) розпочалися з кінця 60-х років ХХ ст. американськими клітинними біологами Річардом Локшином і Керролом Вільямсом у Гарвардському університеті. У 1974 р. група дослідників з лабораторії молекулярної біології Кембриджа – Сідней Бреннер, Джон Салстон і Роберт Хорвіц розпочали вивчення розвитку досить вдалого об’єкту – Caenorhabditis elegans. Це один з видів нематод, круглих червів, в організмі якого всього 1090 клітин, причому під час ембріогенезу шляхом апоптозу гине 131. Як підсумок успішної праці, С. Бреннера, Дж. Салстона і Р. Хорвіца у 2002 р. було удостоєно Нобелівської премії за відкриття в галузі генетичної регуляції онтогенезу і дослідження механізмів запрограмованої клітинної загибелі.

Порівняльна характеристика апоптозу та некрозу клітини Ознаки	Апоптоз	Некроз
Причини загибелі клітин	Руйнування ДНК, порушення роботи генів, метаболізму клітини внаслідок сприйняття мембранними рецепторами сигналів зовні, порушення ферментних систем клітини	Порушення цілісності мембран внаслідок агресивних зовнішніх чинників (температури, опромінення, токсичних речовин)
Локалізація первинного ушкодження	В ядрі	В плазмалемі
Швидкість розвитку	1-12 год	В межах 1 год
Зміни розміру клітини	Зменшення (зморщення)	Збільшення (набухання)
Зміни ядра	Спіралізація хроматину, каріопікноз, фрагментація	Набухання
Зміни в цитоплазмі	Конденсація гіалоплазми, ущільнення гранул	Розрив мембран гранул, їх лізис
Зміни плазмалеми	Втрата мікро ворсинок, утворення пухирців	Порушення цілісності
Стан ДНК	Розрив на великі фрагменти	Невпорядкована деградація
Залежність від органічних сполук та енергії	Залежить від енергії АТФ, синтезу РНК і білка	Не залежить
Завершальні стадії загибелі	Фагоцитоз апоптозних тілець макрофагами сполучної тканини без запального процесу й імунної відповіді організму	Фагоцитоз залишків клітини, супроводжується запальним процесом та імунними реакціями

 

 

2- Які ж основні функції апоптозу, його біологічна роль? (Спочатку можна використати метод «мікрофон»). Завдяки апоптозу здійснюються формоутворюючі процеси під час ембріонального розвитку; точно регулюється кількість клітин в тих чи інших органах і тканинах (підтримується тканинний гомеостаз); відбувається видалення старіючих клітин у зрілих тканинах, забезпечення важливих імунних реакцій, знищення генетично змінених чи потенційно небезпечних клітин (клітин пухлин, деяких лімфоцитів, пошкоджених, інфікованих бактеріями і вірусами клітин). Саме апоптоз називають запрограмованою клітинної загибеллю І типу.

 

*(додатковий матеріал)3-Різновиди запрограмованої клітинної загибелі. В останні роки вчені розглядають апоптоз як провідний, проте не єдиний варіант загибелі клітин. До різновидів клітинної смерті належать некроз, аутофагія, мітотична катастрофа, параптоз, апонекроз, клітинний «канібалізм» (ентоз), злущування, корніфікація та ін.

Відмінності між апоптозом і некрозом – найпоширенішими видами клітинної смерті, узагальнено у таблиці.

Окрім класичного апоптозу та некрозу, в експериментах було описано форми ЗКЗ, що схожі морфологічно до некрозу, але вимагають активації генів і синтезу певних білків. Впливаючи на дихальний ланцюг мітохондрій антибіотиком антиміцином, дослідники отримали форми клітинної смерті, які поєднали ознаки як апоптозу, так і некрозу. Вони отримали назву апонекрози або некроптози. Було ідентифіковано також каспазо-незалежні форми ЗКЗ – параптоз в нейронах та псевдоапоптоз у дріжджах. При цьому провідна роль у руйнівних змінах клітини належить не каспазам, а мітохондріальному чиннику AIF (апоптозо-індукуючий фактор) та ендонуклеазам.

 

Досить поширеною формою клітинної смерті (запрограмована загибель клітин ІІ типу) є аутофагія. Аутофагія – процес «самоперетравлення», при якому органели та ділянки цитоплазми оточуються мембранами, спрямовуються до власних лізосом, формуючи аутофагосому, та розщеплюються гідролітичними ферментами. Цей процес детально досліджено відомим бельгійським біохіміком, Нобелівським лауреатом в галузі фізіології і медицини, Крістіаном де Дювом. Він відкрив лізосоми і назвав їх «знаряддям самогубства» клітини. В нормальній клітині аутофагія використовується для омолодження вмісту клітини. Проте стресові чинники (пероксиди, опромінення, деякі протипухлинні препарати, зниження

 

вмісту амінокислот і АТФ у цитоплазмі, тощо) значно активізують цей процес. У клітині виявляються численні мембранні пухирці (везикули, вакуолі) з компонентами клітини, що перетравлюються. Ядро при аутофагії не гетерохроматизоване, не містить фрагментів ДНК (на відміну від апоптозу). Аутофагія відіграє важливу роль при знищенні тканин під час індивідуального розвитку організму, метаморфозі комах, боротьбі з паразитарними інфекціями, пухлинами.

Ще одним різновидом ЗКЗ є ентоз, або «клітинний канібалізм». При цьому феномені клітина відкріпляється від субстрату, всередину її проникає інша жива клітина, індукуючи загибель першої. Ентоз виявлено в клітинах молочної залози, яєчників, злоякісних пухлин. На цей процес впливають актин і міозин цитоскелету та білок кадгерин, що сприяє контакту клітин.

Мітотична катастрофа – загибель клітини в результаті серйозних порушень мітозу, переважно під час мета- і анафази. При цьому відсутні процеси фрагментації і конденсації хроматину, проте морфологічно виявляються одне чи кілька мікроядер. Цей вид ЗКЗ має місце при дії іонізуючого опромінення, деяких протипухлинних препаратів, а також речовин, що діють на мікротрубочки веретена поділу (колхіцин, вінбластин, вінкристин). Цікаво, що підрахунок кількості клітин з мікроядрами традиційно використовується як показник для оцінки мутагенності середовища. Проте загибель клітин з мікроядрами не є однозначною: мікроядра можуть зникати, інтегруватися в геном при наступному мітозі. Саме тому не всі біологи вважають мітотичну катастрофу різновидом ЗКЗ.

Своєрідними формами ЗКЗ є злущування та корніфікація. Злущування – процес механічного видалення старих епітеліальних клітин у верхньому шарі слизової оболонки кишечника. Це один з найінтенсивніших процесів організму – щоденно одна ворсинка кишечника втрачає 1400 клітин! Механізм цього процесу вивчений недостатньо. Подібно до апоптозу, він регулюється каспазами, білками Bcl-2 та ще особливим чинником LKB1. Корніфікація – спеціалізована загибель клітин епідермісу ссавців. При цьому кератиноцити більш глибоких шарів епітелію сплющуються, втрачають ядро і органели, претворюючись на рогові лусочки, або корнеоцити. Вони інтенсивно видаляються з поверхні шкіри.

4-Порушення клітинного циклу та їхні наслідки. Контроль за нормальним перебігом клітинного циклу має виняткове значення для підтримання нормального клітинного складу організму. Наприклад, епітеліальні клітини, які вистилають кишечник, діляться частіше ніж двічі на добу, оскільки за цей час гине багато цих клітин, термін існування яких вичерпано. Натомість клітини печінки (гепатоцити) діляться лише раз чи два протягом року. Більшу частину клітинного циклу вони перебувають у G₁-періоді інтерфази. Дозрілі нейрони та м’язові клітини зазвичай ніколи не виходять з інтерфази і не діляться. Таким чином, інтервал між двома послідовними поділами клітин певного типу залежить від тривалості їхнього життя, стадії розвитку організму (період росту, дозрівання, старіння) тощо.

Наслідком порушення регуляції клітинного циклу може бути нестримний поділ клітин, що призводить до розвитку онкологічних захворювань.

V. Закріплення матеріалу.

Тести

1. Прикладом апоптозу є :

   А-загибель клітин при гипоксії

+Б -интерфазна загибель клітин

   В -токсичне  пошкодження клітин

   Г - перекисне пошкодження клітин

2. Основною біохімічною ознакою апоптозу є:

   А - деградація білка

   Б - фрагментація полісахаридів

   В - ензиматичне розщеплення РНК

+ Г - міжнуклеосомна деградація ДНК

3.Під час апоптозу відбувається:

 +А - зморщування клітин

    Б - набухання клітин

    В - розрив мембран

    Г - запалення

4.  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?

5. Складання сенкану з теми.

VІ.  Рефлексія.

1) Чи отримали ви сьогодні новий досвід? Який саме?
2) Що нового ви дізналися на уроці?
3) Про що ви хотіли б дізнатися більше?
4) Які думки, почуття викликала у вас ця робота?

Домашнє завдання. Вивчити відповідний параграф, скласти питання до нього.