Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛЕКЦИЯ
КЛЕТКА. ЯДРО. КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ.
ДЕЛЕНИЕ. ДИФФЕРЕНЦИРОВКА.
СТАРЕНИЕ И ГИБЕЛЬ КЛЕТОК.
Ядро — жизненно важная часть клетки. В нем хранится, реализуется и воспроизводится генетическая информация. С ядром сопряжен синтез нуклеиновых кислот и белков, формирование рибосом и передача наследственной информации при воспроизведении клеток. Последний процесс обеспечивает развитие и рост организма, регенерацию тканей и органов, а также лежит в основе опухолевого роста. С нарушением морфологического и химического состава ядра связаны развитие аномалий количества и структуры хромосом, дефек ты генов, гибель клеток, что обусловливает развитие врожденных и на следственных заболеваний.
Некоторые клетки зрелого организма являются низкодифференци-рованными, они способны к пролиферации (делению). Эти клетки на ходятся в клеточном цикле, нарушение регуляции которого вызывает развитие таких патологических процессов, как опухолевая трансфор мация, гипо- и атрофия органов.
Хроматин представляет собой комплекс ядерной ДНК с гистоновыми и негистоновыми белками. Исходя из нуклеосомной модели структурной организации, молекула ДНК спирально закручивается вокруг 8 молекул гистоновых белков, образуя глобулы диаметром 10 нм. Эти структуры называются нуклеосомы; они связаны между собой короткими участками свободной ДНК. При дальнейшей упаковке нуклеосомные нити конденсируются в структурные комплексы второго уровня—хроматиновые фибриллы диаметром 25—30 нм и более. Далее они образуют петли (петлевые домены) диаметром 300 нм. Во время митоза в результа те плотной упаковки хроматин полностью конденсируется, формируя хромосомы. Максимальная конденсация нуклеосом затрудняет доступность ДНК для ферментов, обеспечива ющих ее транскрипцию и репликацию. В связи с этим конденсированный хроматин интерфазного ядра, который в световом микроскопе выглядит как базофильные глыбки, является неактивным (гетерохроматин). Ме нее конденсированная часть хроматина, кото рая соответствует более светлым участкам ядра, является активной (эухроматин).
При световой микроскопии ядрышко - это наиболее плотная структура ядра, округлой формы, диаметром 1—5 мкм, хорошо окрашивается основными красителями. Размер и количество ядрышек увеличиваются при повышении функ циональной активности клетки. При электронной микроскопии в яд рышке различают три компонента: аморфный, фибриллярный (волок нистый) и гранулярный (зернистый). Снаружи ядрышко окружено перинуклеолярным хроматином. Аморфный компонент — наиболее светлая область ядрышка; содержит специализированные участки ДНК, которые называются ядрышковыми организаторами. У человека такие области имеются в пяти хромосомах: 13-й, 14-й, 15-й, 21-й и 22-й. Здесь закодирована информация о строении рибосомальной РНК (рРНК). Фибриллярный компонент состоит из тонких нитей и располо жен во внутренней части ядрышка. По химическому составу — это со вокупность первичных транскриптов рРНК. Гранулярная часть распо ложена по периферии и образована плотными гранулами диаметром 10—20 нм, которые по химическому составу являются комплексами рРНК с белками (рибонуклеопротеиды), и предшественницами субъединиц рибосом. Ядрышко – место синтеза рибосомальной РНК и формирования субъединиц рибосом. Гранулярный и фибриллярный компоненты вместе образуют так называемую ядрышковую (нуклеолонему) толщиной 60-80 нм, формирующую в пределах ядрышка широкопетельную сеть, которая выглядит более плотной на фоне более светлого матрикса. Транскрипция рРНК происходит в хромосомах 13, 14, 15, 21 и 22. Петли ДНК этих хромосом, содержащая соответствующие гены, формируют ядрышковый организатор, получившие название в связи с тем, что восстановление ядрышка в фазу G1 клеточного цикла начинается с этой структуры.
В состав ядерной оболочки входят наружная и внутренняя ядерные мембраны, перинуклеарные цистерны, ядерная пластинка, ядерные поры.
Ядерная оболочка состоит из наружной и внутренней ядерных мембран, между которыми находится перинуклеарное пространство. Наружная мембрана может образовывать инвагинации и выросты, ограничивает ядро, связывает его с мембранами эндоплазматической сети, обеспечивает двусторонний транспорт веществ из ядра в цитоплазму, и наоборот. На поверхности наружной ядерной мембраны расположены рибосомы, где синтезируются белки, поступающие в перинуклеарные цистерны и рассматриваемые как часть гранулярной эндоплазматической сети. Внутренняя мембрана ядерной оболочки обращена к нуклеоплазме от содержимого ядра ядерной пластинки (ламиной), которая контактирует с наружной мембраной только в зоне ядерных пор. Ядерная пластинка образована сетью промежуточных филаментов и является частью кариоскелета. Эта структура участвует в поддержании формы ядра, фиксации и упорядочении хроматина, организации пороговых комплексов, формировании ядерной оболочки после деления клеток.
Усиление функциональной активности клеток сопровождается увеличением площади ядерной оболочки за счет формирования инвагинаций и складок, а также увели чением количества ядерных пор. Ядерная оболочка активной клетки насчитывает до 3—4 тыс. ядерных пор. Канал поры пропускает небольшие водорастворимые молекулы. Канал, как проб кой, закрыт комплексом поры, образованным из 8 крупных белковых гранул, расположенных по кругу вблизи от края поры. Они соединяют наружную и внутреннюю ядерные мембраны. В центре — центральная крупная гранула. Часто в центре поры большая центральная гранула это вновь синтезированная субъединица рибосомы приносимой в цитоплазму. Между периферическими и центральной гранулами расположены фибриллы, формирующие диафрагму ядерной поры. Комплекс поры содержит белок-рецептор, который реагирует на сиг налы ядерного импорта, и обеспечивает перенос в ядро крупных моле кул. Перенос макромолекул через ядерные поры осуществляют специальные транспортные белки – кариоферины, которые специфически распознают и связывают свои молекулы и курсируют между ядром и цитоплазмой, перенося связанную молекулу в одном направлении: из цитоплазмы в ядро – импортины, из ядра в цитоплазму – экспортины. Сквозь поры из ядра в цитоплазму транспортируются молекулы мРНК, субъединицы рибосом, которые образуются в ядрышке, а из ци топлазмы к ядру — структурные белки ядра и рибосом, комплексы сте роидный гормон-рецептор, транскрипционные факторы и т. д.
Нуклеоплазма - это жидкий компонент ядра, который содержит воду, ионы, РНК, гликопротеины, ферменты, метаболиты, ядерные рецепторы. В структуре нуклеоплазмы выделяют волокнистые и гранулярные элементы. Волокнистые элементы форми руют поддерживающий каркас ядра — кариоскелет, в составе которого ядерная пластинка и фибриллярная сеть ядра, образованная промежу точными филаментами.
Ядро со всеми его компонентами обеспечивает реализацию генети ческой информации и синтез белков в клетке. Реализация генетической информации происходит при участии ДНК и различных видов РНК образующихся в ядре, и осуществляется в следующей последователь ности: транскрипция (синтез первичного транскрипта на матрице ДНК) → процессинг (образование мРНК) → трансляция (считывание информации с мРНК; которая осуществляется в цитоплазме на рибосо мах) → сборка полипептидной цепочки → посттрансляционная моди фикация (присоединение к полипептиду различных химических соеди нений; происходит в комплексе Гольджи).
Все клетки организма человека находят ся на разных фазах жизненного цикла, который продолжается от образо вания до смерти клетки. При этом часть клеток в различных тканях оста ется недифференцированной и является источником роста и регенерации органов. Такие клетки находятся в клеточном цикле, то есть периоде су ществования индивидуальной клетки от деления до деления. Клеточный цикл состоит из интерфазы и митоза. Интерфаза подразделя ется на постмитотический (G1), синтетический (S) и премитотический (С2) периоды. Стволовые клетки и клетки, подвергающиеся дифференци рованию, находятся «вне цикла», в G0- периоде, хотя при определенных условиях могут снова возвращаться в клеточный цикл. Высокодифференцированные клетки (например, нервные клетки, гранулоциты крови) те ряют эту способность. Продолжительность клеточного цикла колеблется в широких пределах в зависимости от вида клетки, возраста человека нейрогуморального статуса организма и других факторов.
Постмитотический (G1) период характеризуется ростом клетки, который обеспечивается интенсивным синтезом различных веществ и восстановлением количества органелл в цитоплазме. В этот период в клетке увеличивается количество РНК и белков-ферментов, необходи мых для синтеза предшественников ДНК. Повышается активность фер ментов энергообразования. Подавление синтеза белка или мРНК в G1-периоде предотвращает переход в S-период.
В синтетическом периоде осуществляется репликация ДНК, соот ветственно удваивается число хромосом, реплицируются центриоли. Без прохождения этапа синтеза ДНК клетка не может перейти к митозу. S-период является критическим в клеточном цикле.
В премитотическом периоде продолжается синтез РНК и белков, в частности, синтез тубулина для микротрубочек веретена деления; центриоли достигают размеров дефинитивных органелл, накапливает ся АТФ для энергетического обеспечения последующего митоза.
Митоз — непрямое деление клеток, которое обеспечивает эквива лентное распределение наследственного материала между дочерними клетками и сохранение преемственности хромосом в клеточных поко лениях. Митоз лежит в основе образования клеток и многоклеточного организма, а также процессов роста, регенерации, неоплазии. Он имеет четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.
Для профазы характерны конденсация хроматина до формирова ния хромосом и исчезновение ядрышек. Вследствие репликации ДНК в S-периоде интерфазы, каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединенных центромерой. Хромосомы в профазе визуали зируются в световом микроскопе. Центриоли расходятся к полюсам клетки, индуцируя сборку микротрубочек митотического веретена. Вокруг центриолей из радиально расположенных микротрубочек образуется лучистый венец — астросфера. В поздней профазе исчезает ядерная оболочка и мембранные органеллы.
Ключевым признаком метафазы является образование метафазной пластинки (материнской звезды), путем расположения хромосом в площади экватора клетки. В зоне центромеры каждой хромосомы по являются кинетохоры — сложные белковые образования, связанные с одной стороны с центромерой хромосомы, а с другой — с микротру бочками веретена деления. Каждая хромосома в метафазной пластинке удерживается парой кинетохоров и связанных с ними микротрубочка ми, направленными к противоположным полюсам клетки. Во время метафазы осуществляется обособление сестринских хроматид, они связаны между собой лишь в зоне центромеры.
Во время анафазы сестринские хроматиды теряют связь между со бой в области центромеры и расходятся к противоположным полюсам клетки. Это обусловлено тем, что прекращается процесс соборирония и начинается деполимеризация (разбирание) микротрубочек вблизи кинетохоров. Параллельно активизируются белки-транслокаторы, кото рые способствуют транспорту хроматид к полюсам.
Во время телофазы наблюдается реконструкция дочерних ядер и цитокинез, что приводит к образованию дочерних клеток и разруше нию митотического аппарата. Хромосомы в этот период деконденсируются, восстанавливается ядерная оболочка. Распределение цитоп лазмы происходит за счет структур цитоскелета — актиновых микрофиламентов, локализованых циркулярно в зоне экватора. Сокращение такого кольца приводит к инвагинации плазмолеммы и формированию перетяжки, что завершается делением на две клетки. Нарушение или отсутствие цитотомии приводит к появлению многоядерных клеток.
Скорость деления клеток в разных тканях отличается и зависит не только от длительности каждого периода, но и от прохождения крити ческих точек цикла — точек рестрикции. Первой критической точкой R1 является переход из G1-периода в S-период. Точкой R2 — переход S-периода в С2-период, и R3 — между G2- nepиодом и митозом. Прохождение точек рестрикции зависит от доступнос ти субстратов и необходимых регуляторов — гормонов, медиаторов, факторов роста, действующих на клетку через рецепторы плазмолем мы или ядра. Кроме того, клеточный цикл жестко контролируется спе цифическими регуляторами — комплексами циклинов и циклинзависимых киназ. Прохождение каждой точки рестрикции регулируется определенным циклином, который связывается со специфической киназой. Сформированный активный комплекс обеспечивает фосфорилирование определенных белков и инициацию следующего периода клеточного цикла.
Ключевым условием прохождения клеткой клеточного цикла явля ется соблюдение «закона интактности генома». Нарушение интактности генома в результате мутаций в любом периоде ведет к остановке клеточного цикла и сопровождается экспрессией р53. Это ключевой проапоптоген, способный останавливать репликацию ДНК, включать ее репарацию или инициировать апоптоз клетки, в зависимости от сте пени повреждения генома. р53 повышает также экспрессию р21, р15, и р16, блокирующих экспрессию циклинов и циклинзависимых киназ, способствуя остановке клеточного цикла.
Разновидностью митоза является эндомитоз, при котором после репликации хромосом не происходят разрушение ядерной оболочки и образование веретена деления. Вследствие этого клетка становится по липлоидной — с увеличенным числом хромосомных наборов. Поли плоидия — состояние клетки после нескольких эндомитозов. Полиплоидизация, в отличие от митоза, осуществляется без снижения спе цифической функциональной активности клетки и характерна для вы сокоспециализированных тканей и органов (печень, сердце и т. д.).
Амитоз — прямое деление клетки (ядра), при котором происходит деление (фрагментация) ядра без формирования хромосом и веретена деления.
Образование половых клеток происходит за счет мейотического деления (мейоза). Он состоит из двух делений, причем только перед первым делением возникает удвоение хромосом в S-период интерфазы. Отсутствие редупликации хромосом перед вто рым делением созревания ведет к возникновению дочерних клеток с гаплоидным набором хромосом. Мейоз обеспечивает сохранение био логического вида и возникновение после оплодотворения уникального по наследственным признакам организма.
Первое деление мейоза называется редукционным. Профаза I про ходит в несколько стадий:
1) лептотена — хроматин конденсируется, образующиеся хромосо мы состоят из двух хроматид, соединенных центромерой;
2) зиготена — гомологичные парные хромосомы сближаются, об разуются биваленты, обеспечивающие конъюгацию хромосом. Кон такт позволяет хромосомам обмениваться генетическим материалом (кроссинговер);
3) пахитена — хромосомы в результате продолжающейся спирали-зации утолщаются, образуется 23 синаптонемных комплекса, продол жается кроссинговер;
4) диплотена — конъюгирующие хромосомы начинают расходить ся, в зоне хиазм связи сохраняются. В составе бивалента различают че тыре хроматиды. Такой бивалент называют тетрадой, в хроматидах по являются зоны деспирализации, где синтезируется РНК;
5) диакинез — хромосомы продолжают укорачиваться, хромосом ные пары полностью расходятся, ядерная оболочка разрушается и ис чезает, появляется митотическое веретено.
Метафаза I характеризуется тем, что тетрады образуют метафазную пластинку.
В анафазу I хромосомы (а не хроматиды как при митозе) отходят к полюсам, причем отцовские и материнские хромосомы случайным об разом транспортируются к полюсам.
Телофаза I не отличается от телофазы митоза.
Второе деление клетки — эквационное — похоже на митоз, но не включает редупликацию хромосом и происходит значительно быстрее.
После дифференцирования и активного функционирования клетки подвергаются процессу старения. Завершением жизненного цикла клетки яв ляется гибель клетки — апоптоз.
В органах и тканях существует динамичес кое равновесие между образованием клеток путем пролиферации и их гибелью. Существует два механизма клеточной ги бели: некроз и апоптоз. Некроз развивается при действии повреждаю щих факторов, тогда как апоптоз является физиологическим (запрог раммированным) путем гибели клеток. Апоптоз возможен во время эм бриогенеза, возрастной инволюции зрелых тканей и органов, иммун ных реакций, при удалении старых клеток в зрелых тканях, а также он может быть реакцией на повреждение клеток и при опухолевой транс формации. Апоптоз сопровождается активацией специальных генов — апоптогенов (bcl-2, fas, p53) и определенных сигнальных систем клетки (энзим, конвертирующий интерлейкин 1, эндонуклеазы, каспазы), а кроме того, является энергозависимым процессом. Морфологически он проявляется утратой специализированных структур на поверхности клетки, уплотнением ядра, что сопровождается разрывом цепи ДНК и конденсацией цитоплазмы. В дальнейшем происходит фрагментация ядра (без разрушения ядерной оболочки) и цитоплазмы с образованием апоптозных тел, которые в последующем фагоци тируются макрофагами.
PAGE 6