ядро клетки + деление
advertisement
Волгоградский государственный медицинский университет Кафедра гистологии, гистологии, эмбриологии, эмбриологии, цитологии лекция для студентов I курса лечебного факультета Волгоград, Волгоград, 2012 2012 1 Цели: Цели: 1. Описать способность ядра клетки контролировать воспроизведение клеток и все жизненные процессы в них. 2. Объяснить потребность в существовании двух видов хроматина, ядрышка и нуклеолеммы. 3. Понять, как ядро становится местом образования хромосом, формирующихся их хроматина, содержащего ДНК и белок. 4. Показать роль ядра при митозе и мейозе. 5. Продемонстрировать потребность в различных видах РНК, синтезируемых в ядре. 6. Охарактеризовать хромосомные аберрации, вызывающие формирование определенных клинических синдромов, 2 например, синдром Дауна. 1 Диаграмма клетки Большинство функций клеток находится под контролем ядра – административного центра клетки. Ядро – это самый крупный компартмент клетки, ограниченный мембраной и содержит почти всю ДНК клетки и механизмы синтеза РНК. 3 Компартменты клетки и их распределение Ядро ограничено двойной ядерной мембраной – ядерной оболочкой – и заполнено нуклеоплазмой, содержащей генетическую информацию, 4 закодированную молекулами ДНК. 2 Ядерная оболочка Ядерная оболочка представлена внутренним и наружным листками, между которыми вставлена перинуклеарная цистерна (пространство) толщиной 10-30 нм. Оба листка соединяются друг с другом в местах, где находятся ядерные поры. У обоих листков разное предназначение. При каждом митотическом делении ядерная оболочка распадается на цистерны (пузырьки) до дальнейшей сборки вокруг ядер дочерних клеток. 5 Ядерная оболочка Наружный листок испещрен рибосомами с цитоплазменной поверхности. – он продолжается в ГЭС. Это специализированный отдел ГЭС. Рибосомы, соединенные с наружным листком, активно синтезируют трансмембранные белки для внутреннего и наружного 6 листков ядерной оболочки. 3 Ядро и ЭПС Наружный листок ядерной оболочки сливается с гранулярной ЭПС, тем самым сообщая с ней перинуклеарные цистерны кариолеммы. Обозначения на рисунке: 1 – ядерная оболочка 2 – рибосомы 3 – ядерная пора 4 – ядрышко 5 – хроматин 6 – ядро 7 – ЭПС 8 – нуклеоплазма 7 КАРИОЛЕММА Внутренний листок ядерной оболочки обращен к кариоплазме. Он подстилается ядерной пластинкой (аналогична кортикальному слою плазмалеммы клетки). Ядерная пластинка – это сеть переплетающихся промежуточных филаментов, толщиной 80100 нм, состоящая из трех видов белков – ядерные ламины А, B и C. Филаменты образуют поддерживающую решетку для кариолеммы. Ядерная пластинка взаимодействует с мембранными белками кариолеммы и функционирует как ядерный цитоскелет, взаимодействующий с хроматином в пространственной организации ядра. Она участвует в распаде ядра при митозе. 8 4 ЯДРО Ядерные поры располагаются в местах перерыва кариолеммы, они представляют собой каналы для обмена материалами между нуклеоплазмой и цитоплазмой. Они вовлечены в перемещение РНК в цитоплазму механизмом активного транспорта и в импорт белков из цитоплазмы в ядро. Транспортируются и рибосомы (три в минуту). 9 Диаметр пор 70-100 нм. Хотя пора достаточно велика, она вся заполнена структурами комплекса ядерной поры. Поры контактируют друг с другом через ядерную пластинку. Число ядерных пор варьирует от десятков до тысяч в зависимости от метаболической активности клетки. У ядра сперматозоида пор нет. 10 5 ЯДЕРНАЯ ПОРА, TЭM Комплекс ядерной поры Ядерная пора изнутри выстлана немембранными структурами, погруженными в ее кольцо и образующие комплекс ядерной поры (1). В комплексе ядерной поры есть гранулярные (2) и волокнистые субъединицы. Эти структуры так организованы, что оставляют несколько каналов шириной 9-11 нм для простой диффузии ионов и мелких молекул. Более крупные молекулы не могут транспортироваться путем диффузии, а транспортируются селективным рецептор-медиированным транспортом. Ядерная пора (Р) выглядит в виде зазора между двумя соседними сегментами двойной ядерной оболочки (NM), ограничивающей перинуклеарное пространство (PNS). Белки, активно импортируемые в ядро, содержат короткую пептидную последовательность – ядерный импортный сигнал (последовательность ядерной локализации NLS), распознаваемый рецепторами поры. В нуклеоплазму из цитоплазмы проходят разные белки: ДНК- и РНКполимеразы, гистоны, белки, регулирующие гены и процессирующие РНК. 11 2 1 Двусторонний транспорт через пору обеспечивается белками экспортинами (транспортируют РНК из ядра) и импортинами (транспортируют белковые субъединицы рибосом), регулируемыми белками Ran из семейства GTPсвязывающих белков. Это транспорт 12 чаще активный, реже – пассивный. 6 Пора ограничена восемью вертикальными белковыми комплексами, которые представляют собой крупные белковые молекулы или компоненты рибосом, находящихся в процессе транспорта. По горизонтали пора ограничена тремя кольцевидными структурами – одна над другой. Три кольца поры соединены вертикально восемью «спицами». Кроме того, пора содержит цитоплазменные волокна, транспортер и ядерную корзинку. Первое кольцо со стороны цитоплазмы содержит волокнистую структуру – Ran-связывающий белок (из семейства GTP), которая тянется в цитоплазму и обеспечивает импорт в ядро различных субстратов вдоль себя. Комплекс ядерной поры 13 Среднее кольцо также состоит из 8 трансмембранных белковых молекул (1), которые выбухают и в просвет поры, и в перинуклеарную цистерну (2). Эти спицевидные белки прикрепляют гликопротеиновые компоненты (3) комплекса ядерной поры к наружному ободку поры. Центр среднего кольца занят «транспортером» (4), прикрепленным к спицевидным белкам среднего кольца. Комплекс ядерной поры 3 4 1 2 14 7 Последнее кольцо со стороны нуклеоплазмы (1) аналогично цитоплазменному (2). Оно помогает экспортировать РНК. От него в сторону нуклеоплазмы свисает ядерная корзинка, которая деформируется при транспорте веществ через пору. КОМПЛЕКС ЯДЕРНОЙ ПОРЫ 2 1 3 15 КОМПЛЕКС ЯДЕРНОЙ ПОРЫ Центральный просвет среднего кольца ограничивает пассивную диффузию через пору. Частицы, размером 17,000 дальтон быстро проходят через пору, более крупные – медленнее, свыше 60,000 дальтон – с трудом проходят через нее. 16 8 РЕЗЮМЕ ПО КАРИОЛЕММЕ: - Кариолемма состоит из двух параллельных элементарных мембран (внутренний и наружный листок), ограничивающих перинуклеарную цистерну; -Ядерные поры обеспечивают кариоплазмой и цитоплазмой; сообщение между -Комплекс ядерной поры представляет собой саму пору и связанные с ней гликопротеины; -Ядерная пора обеспечивает нуклеоплазменный транспорт; двусторонний -Ядерная пластинка – это подпорка, поддерживающая форму ядра. 17 ЯДРО = КАРИОЛЕММА + НУКЛЕОПЛАЗМА 18 9 Нуклеоплазма: - Содержит макромолекулы и ядерные частицы, поддерживающие жизненные процессы в клетке, - Подразделяется на два субкомпартмента: - Хроматин, генетический материал клетки; - Ядрышко, центр синтеза рибосомальной РНК; 19 ДНК, генетический материал клетки, содержится в ядре в форме хромосом, которые хорошо видны только во время деления клетки. В промежутках между делениями хромосомы деспирализуются в форме хроматина. Ядерная ДНК плотно упакована и связана с особыми белками, образующими хроматин. В зависимости от транскрипциональной активности хроматин бывает конденсировнный (гетерохроматин, электроноплотный - Н) и деконденсированным (эухроматин – электронопрозрачный - Е). H E ЯДРО 20 10 Нейтрофильный гранулоцит, ТЭМ E H Распределение хроматина в клетках варьирует и отражает разную степень деспирализации в зависимости от того, идет ли на данных генах транскрипция или нет. Гетерохроматин чаще всего прилежит к кариолемме. Остальной хроматин рассеян по нуклеоплазме в виде эухроматина. 21 Гепатоцит, TЭM x50,000. Э Эухроматин представляет активную форму хроматина, на которой идет транскрипция генетического материала молекул ДНК на РНК. При ТЭМ эухроматин выглядит в виде нитевидного материала толщиной около 30 нм. 22 11 ОБРАЗОВАНИЕ ХРОМАТИНА 2 6 1 4 5 3 Ядро содержит молекулы ДНК (двойные завитки, 1), закрученные вокруг молекул белков-гистонов с образованием нуклеосом (2), которые являются регулярно повторяющимися глобулярными структурами, похожими на бусины на нити. Нуклеосомная нить потом закручивается с образованием филаментов толщиной 30 нм в диаметре, что и составляет нить хроматина (3). Дальнейшая конденсация происходит с образованием различимых хромосом: раскрученных (4), скрученных (5) и наконец суперскрученных, какими бывают 23 хромосомы в метафазе деления. УПАКОВКА ХРОМАТИНА С ОБРАЗОВАНИЕМ ХРОМОСОМ Нуклеосомы это бусины на нити. Ширина бусин 11 нм, они представляют собой молекулы ДНК, обернутые вокруг белковых молекул. 24 12 ПРОЦЕСС ТРАНСКРИПЦИИ Ядро содержит хромосомы и является местом биосинтеза РНК. Транскрипция м-РНК и т-РНК осуществляется в ядре, а р-РНК - в ядрышке. 25 РЕЗЮМЕ ПО ХРОМАТИНУ: -Ядерная ДНК организована вокруг молекул гистонов образованием нуклеосом. Нуклеосомы закручиваются образованием нитей хроматина. с с -Хроматин – это комплекс ДНК и белка, представляет собой раскрученную хромосому интерфазного ядра. -Хроматин может быть в двух видах: эу- и гетерохроматин. Эухроматин – электронопрозрачный, а гетерохроматин – электроноплотный. -Эухроматин – это ДНК, на которой идет активная транскрипция. -гетерохроматин – это высоко конденсированная транскрипционно неактивная форма ДНК. -Дальнейшее скручивание хроматина приводит к образованию суперскрученных структур – хромосом. -Хромосомы – это хроматиновые нити, которые так конденсировались и скрутились во время митоза или мейоза, 26 что стали видны в световой микроскоп. 13 Энтероцит Лимфоцит 27 Гепатоцит, TEM Хорошо виден и периферический хроматин и хроматиновые островки в виде хроматина, связанного с ядрышками (Я). я Светлая зона в ядре – это нуклеоплазма, представляющая собой жидкий компонент ядра. В ней различимы перихроматиновые гранулы, интерхроматиновые гранулы, перихроматиновые 28 фибриллы – иРНП-частицы. 14 Рибонуклеопротеин (ribonucleoprotein, RNP) Комплекс РНК и белка; белка; среди рибонуклеопротеинов наибольшей функциональной значимостью обладают информосомы, а также РНПинформосомы, РНП-частицы, частицы, участвующие в процессинге мРНК (сплайсомы, сплайсомы, РНКаза и др.). др.). 29 Нейроны мозжечка Интерхроматиновые гранулы имеют 20-25 нм в диаметре, содержат РНП и ферменты, включая ATФазу, ГТФазу, бета-глицерофосфатазу и пирофосфатазу. Они располагаются скоплениями по всему ядру вокруг хроматина, соединены друг с другом тонкими фибриллами. 30 15 Шванновская клетка, ТЭМ Перихроматиновые гранулы – диаметром 3050 нм, расположены по краям гетерохроматина. Они окружены светлым ободком шириной 250 нм. Они состоят из плотно упакованных фибрилл, состоящих 31 из низкомолекулярных РНК-комплексов. Нейроны сетчатки, ТЭМ Мелкие РНП-частицы участвуют в сплайсинге, расщеплении гетерогенных молекул РНП. Большинство из них располагаются в ядре, а некоторые – в ядрышке. Некоторые мелкие подгруппы этих частиц были обнаружены недавно, 32 функция их до конца не ясна. 16 Гонадотропная клетка Ядерный матрикс содержит 10% белка, 30% РНК, 1-3% ДНК и 2-5% всего ядерного фосфата. Функционально он связан с участками репликации ДНК, транскрипции мРНК и тРНК, связывания рецепторов к стероидам, белков теплового шока, канцерогенов и т.д. 33 Ядрышко Ядрышко – это губчатая субстанция, состоящая из чередующегося электроноплотного и прозрачного материала, свободно суспендированного в нуклеоплазме. В электроноплотных участках выделяют pars granulosa и pars 34 fibrosa. 17 МАКРОФАГ, ТЭМ Ядрышко бывает 1-3 мкм в диаметре. При активной транскрипции в ядре оно может увеличиваться, занимая до ¼ объема ядра. У метаболически неактивных клеток ядрышко маленькое или отсутствует, а у активных клеток 35 ядрышек несколько и они крупные. Гландулоцит сальной железы Париетальная клетка желудка 36 18 ядрышко Ядрышко Ядрышко – это темноокрашенная немембранная структура в ядре, участвующая в синтезе рРНК и сборке малых и больших субъединиц рибосом. Ядрышко можно наблюдать только в интерфазе. Так как при делении клеток оно исчезает. Темно окрашенные участки ядрышка – это ядрышкосвязанные участки хроматина, на которых идет транскрипция в рРНК. 37 Аденогипофиз, ТЭМ Pars amorpha (светлая часть ядрышка) – это так называемая область ядрышкового организатора, содержащая специфические РНКсвязывающие белки, которые соответствуют крупным петлям транскрибируемой ДНК, содержащей ген рибосомальной т-РНК. Pars fibrosa (темная часть) содержит ядрышковые РНК, которые образуются при транскрипции; Pars granulosa (зернистая область) – это зона, где собираются созревающие рибосомальные субъедницы. В клетке, где активно идут биосинтетические процессы, все три зоны ядрышка хорошо различимы. 38 19 Транскрипция рибосомальной РНК с помощью РНКполимеразы I происходит либо в фибриллярном компартменте (FCs), либо на границе между фибриллярным компартментом и FC плотным фибриллярным компартментом (DFC). Транскрипты прерибосомальной РНК подвергаются сплайсингу и модификации малыми ядерными рибонуклеопротеинами (snoRNPs) плотного фибриллярнорго компартмента (DFC). Окончательное созревание прерибосомальных рибонуклеопротеинов и сборка рибосомальных белков происходит в основном в гранулярном 39 компартменте (GC). В светлых участках ядрышка находятся кончики хромосом 13-15, 21, 22 (у человека), содержащие области ядрышкового организатора (NORs), где располагаются локусы генов, кодирующих рРНК. Ядрышко, ТЭМ, x 80,000 40 20 КЛИНИЧЕСКИЕ КОРРЕЛЯЦИИ: У клеток злокачественных новообразования ядра становятся гипертрофичными! 41 Двигательный нейрон, окраска метиленовым синим – эритрозином. Хорошо различимо светлое ядро с темным ядрышком. 42 21 Базофильный эритробласт. Хроматин рыхлый. Мазок крови, окраска по Райту, ув. 1416 Мелкое пикнотичное ядро оксифильного эритробласта (нормобласта). Хроматин очень компактный и темно окрашенный (перед выталкиванием ядра из клетки). 43 Моноциты в мазке крови человека, окраска по Райту, ув. 4416 Справа – моноцит, захвативший ядро эритроцита. 44 22 ЯДРО Женский половой хроматин в мазке крови, окраска по Райту, х1416 x. Тельце Барра образовано одной из Ххромосом, остающейся кондесированной в интерфазе. Присутствует во всех клетках женщин, но не всегда различимо. Ядро нейтрофильного гранулоцита сегментировано. К одному сегменту прикреплена «барабанная палочка» - половой хроматин. Его можно обнаружить у 3% нейтрофилов. 45 ХРОМОСОМЫ Метафазные хромосомы, культура периферических лимфоцитов, окраска по Гимза, 2142 x. 68-часовая культура периферических лимфоцитов. Митоз стимулирован фитагемагглютином. Митоз остановлен в метафазе (когда хромосомы максимально конденсированы) колхицином. Хромосомы становятся дисперсными после добавления гипотонического раствора KCl, после чего хромосомы распределяются по парам и становятся доступны кариотипированию – анализу числа 46 хромосом. 23 НОРМАЛЬНЫЙ КАРИОТИП МУЖЧИНЫ При изменении числа хромосом (удвоение, выпадение) и при аномальном строении наблюдаются пороки развития (умственная отсталость, бесплодие). 47 КЛИНИЧЕСКИЕ КОРРЕЛЯЦИИ: -При кариотипировании может выявляться анеуплоидия – аномальное число хромосом. -Люди с синдромом Дауна имеют трисомию по 21-ой паре хромосом – у них развивается умственная отсталость, короткие пальцы, множественные пороки развития (особенно сердечнососудистной системы). -Изменение числа половых хромосом имеет место при синдроме Клайнфельтера (XXY). Эти пациенты имеют мужской фенотип, но вторичные половые признаки у них не развиваются и они остаются стерильными. -Синдром Шершевского-Тернера – другой пример анеуплоидии – моносомии половых хромосом (XO). Пациентки с таким генотипом отличаются дегенерацией яичников недоразвитием молочных желез, маленькими размерами матки и умственной отсталостью. 48 24 РЕЗЮМЕ ПО ЯДРУ ЯДРО: - Ограниченно двойной ядерной мембраной (кариолеммой), - Содержит почти всю ДНК клетки в виде хроматина, - Содержит ядрышко, ответственное за образование рибосом, - Экспортирует и импортирует вещества через ядерные поры. 49 Практическая гистология - Ядро метаболически неактивной клетки компактное и округлое с интенсивно окрашенным хроматином (так как мало хроматина участвует в транскрипции). транскрипции). Ядрышки не различимы (так как продукция рибосом минимальна). минимальна). - БелокБелок-синтезирующие клетки имеют крупное светлое ядро с большим ядрышком или несколькими ядрышками, ядрышками, так как идет активная транскрипция хроматина. хроматина. - Мертвая клетка имеет сморщенное ядро, ядро, которые выглядит аморфной компактной массой интенсивно окрашенного материала. материала. Потом оно расщепляется на фрагменты и полностью лизируется, лизируется, оставляют клетку без ядра, ядра, после чего и сама клетка дезинтегрирует и исчезает. исчезает. 50 25 КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ 51 Клеточный цикл Характерным свойством пролиферирующих клеток является их способность к делению. делению. У животных клеток интервал между митозами (клеточный цикл, цикл, точнее митотический цикл) цикл) составляет примерно 1010-24 ч. За это время клетка проходит четыре фазы жизненного цикла: цикла: – – – – G1G1-фазу начального роста, роста, S-фазу удвоения молекул ДНК (репликации), репликации), G2G2-фазу роста М-фазу клеточного деления. деления. В совокупности фазы G1, G0, S и G2 носят название интерфазы. интерфазы. В клеточном цикле интерфаза сменяется существенно более короткой фазой митоза (М). 52 26 КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ Неделящиеся клетки (нервные клетки) выходят из цикла и вступают в Go фазу (покоя). митоз деление интерфаза 53 КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ = ИНТЕФАЗА + МИТОЗ Митоз – короче интерфазы, это период разделения ядра и цитоплазмы и появления двух дочерних клеток. В интерфазу клетка увеличивается в размерах, удваивает генетический материал. В большинстве тканей делится лишь небольшая часть клеток – остальные дифференцируются и пребывают в Gо фазе. Стволовые клетки также находятся в Go фазе, но могут возвращаться в клеточный цикл, чтобы восполнить убывающую клеточную популяцию. 54 27 КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ В интерфазе выделяют G1, S и G2. G1 клетки только что вошли в фазу клеточного роста. Клетки S фазы активно синтезируют ДНК, G2 клетки имеют двойной набор ДНК и «отдыхают» перед делением. Митоз. 55 Митогенная активность В G1G1-фазе, фазе, продолжительность которой может сильно варьировать, варьировать, происходит синтез мРНК, мРНК, белков и других компонентов клетки. клетки. У некоторых клеток в жизненном цикле может отсутствовать G1G1-фаза. фаза. Клетки, Клетки, которые прошли дифференцировку и больше не делятся, делятся, постоянно находятся в фазе покоя G0 . При стимуляции митогенами (например, например, ростовыми факторами, факторами, онкогенными вирусами) вирусами) покоящиеся клетки могут вернуться в состояние, состояние, свойственное фазе G1. ЕСЛИ такие клетки пройдут критическую точку, точку, они вступают в S-фазу. фазу. G2G2-фаза является конечным этапом подготовки клетки к делению. делению. 56 28 Жизненный цикл клетки Жизненный цикл (делящиеся клетки) Вышедшие из клеточного цикла (неделящиеся клетки) 57 Регуляция клеточного цикла Регуляция осуществляется посредством обратимого фосфорилирования/ фосфорилирования/дефосфорилирования регуляторных белков. белков. Ключевым белком, белком, регулирующим вступление клетки в митоз является фактор созревания [ФС (MPF, от англ. англ. maturation promoting factor)]. actor)]. В активной форме фермент катализирует фосфорилирование белков, белков, принимающих участие в митозе: митозе: – гистон H1 (составная часть хроматина) хроматина), – ламин (компонент цитоскелета, цитоскелета, обнаруженный в ядерной мембране) мембране), – факторы транскрипции, – белки митотического веретена. 58 29 Регуляция клеточного цикла Фосфорилирование этих белков запускает процесс митоза. митоза. После завершения митоза регуляторная субъединица ФС, циклин, маркируется ФС, циклин, убиквитином и подвергается протеолизу. протеолизу. Теперь наступает очередь протеинфосфатаз, протеинфосфатаз, которые дефосфорилируют белки, белки, принимавшие участие в митозе, митозе, после чего клетка возвращается в состояние интерфазы. . интерфазы 59 Регуляция клеточного цикла В клетках позвоночных присутствует ряд различных циклинов (A, B, C, D, E) и циклинзависимых киназ (протеинкиназа). протеинкиназа). Разнообразные сочетания двух субъединиц фермента регулируют: регулируют: – запуск митоза, митоза, – начало процесса транскрипции в G1G1-фазе, фазе, – переход критической точки после завершения транскрипции, транскрипции, – начало процесса репликации ДНК в S-периоде интерфазы (стартовый переход). переход). 60 30 КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ 61 Митоз от греч. греч. Mítos – нить Митоз = кариокинез = непрямое деление клетки наиболее распространённый способ воспроизведения (репродукции) репродукции) клеток, клеток, обеспечивающий – тождественное распределение генетического материала между дочерними клетками, клетками, – преемственность хромосом в ряду клеточных поколений. поколений. Биологическое значение митоза определяется сочетанием в нём удвоения хромосом путём продольного расщепления их и равномерного распределения между дочерними клетками. клетками. 62 31 МИТОЗ. ТЭМ x 9423. 63 СХЕМА МИТОЗА КЛЕТКИ, содержащей 6 хромосом 64 32 2 к 3 1 ПРОФАЗА Удвоенный хроматин конденсируется с образованием параллельных сестринских хромосом (1), придавая ядру вид рыхлого клубка (К). Ядрышко утрачивается. Центриоли (2) удваиваются и образуют два центра организации микротрубочек на противоположных полюсах клетки. 3 – веретено деления. 65 3 2 1 ПРОМЕТАФАЗА Ядерная мембрана распадается с образованием мелких пузырьков (1), что позволяет микротрубочкам веретена (2) получить доступ к хромосомам. Каждая пара хромосом своим центромерным участком (кинетохором) прикрепляется к микротрубочкам, тянущимся от полюсов веретена (3). Пары хромосом направляются на экватор клетки. 66 33 1 МЕТАФАЗА Движение хромосом вдоль трубочек ведет к их выстраиванию на экваторе (1) клетки между полюсами веретена. Метафаза заключается в движении хромосом к экваториальной плоскости (метакинез, или прометафаза), формировании экваториальной пластинки ("материнской звезды") и в разъединении хроматид, или сестринских хромосом. 67 3 2 1 АНАФАЗА Центромерные участки сестринских хромосом разделяются, и хромосомы (1) направляются к полюсам клетки. В позднюю анафазу микротрубочки веретена (2) удлиняются, вызывая удлинение клетки и дальнейшее взаимоудаление полюсов веретена друг от друга. Пузырьки бывшей кариолеммы (3) также направляются к полюсам клетки. Анафазное движение связано с удлинением центральных нитей веретена, раздвигающего митотические полюсы, и с укорочением хромосомальных микротрубочек митотического аппарата. Удлинение центральных нитей веретена происходит либо за счёт поляризации "запасных" макромолекул, достраивающих микротрубочки веретена, либо за счёт дегидратации этой структуры. Укорочение хромосомальных микротрубочек обеспечивается свойствами сократительных белков 68 митотического аппарата, способных к сокращению без утолщения. 34 1 ТЕЛОФАЗА Разделенные хроматиды отделяются от кинетохорных микротрубочек, и вокруг дочерних групп хромосом восстанавливается кариолемма (1). Клетка продолжает удлиняться за счет удлинение микротрубочек веретена. Эта фаза сигнализирует окончание митоза. Телофаза заключается в реконструкции дочерних ядер из хромосом, собравшихся у полюсов, разделении клеточного тела (цитотомия, цитокинез) и окончательном разрушении митотического аппарата с образованием промежуточного тельца. Реконструкция дочерних ядер связана с деспирализацией хромосом, восстановлением ядрышка и ядерной оболочки. 69 1 ЦИТОКИНЕЗ Разделение на две клетки происходит за счет аггрегации актинмиозинового пояска (1) прямо на экваторе телофазной клетки. Вдоль этого пояска клетки разделяются, плазмалеммы дочерних клеток сливаются, закрывая дефект. В дочерних ядрах появляются ядрышки на фоне плотных хроматиновых масс. Клетки входят в G1 фазу цикла. Цитотомия осуществляется путём образования клеточной пластинки (в растительной клетке) или путём образования борозды деления (в животной клетке). Механизм цитотомии связывают либо с сокращением желатинизированного кольца цитоплазмы, опоясывающего экватор (гипотеза "сократимого кольца"), либо с расширением поверхности клетки вследствие распрямления петлеобразных белковых цепей (гипотеза 70 "расширения мембран"). 35 Результаты цитокинеза: 1) Органеллы равномерно распределены между соседними клетками. 2) Сразу после деления дочерние клетки входят в фазу активного синтеза РНК и белка, что приводит к увеличению объема и ядра, и цитоплазмы. 3) Концентрация эндоплазматической сети и комплекса Гольджи восстанавливается в исходных значениях. 4) Митохондрии воспроизводятся делением, центриоли удваиваются прямо перед следующим делением. 71 МИТОЗ, СЭМ. 72 36 Продолжительность митоза Продолжительность митоза зависит от: от: размеров клеток, клеток, их плоидности, плоидности, числа ядер, ядер, условий окружающей среды (температура). температура). В животных клетках митоз длится 3030-60 мин, мин, в растительных - 2-3 часа. часа. Более длительны стадии митоза, митоза, связанные с процессами синтеза (препрофаза, препрофаза, профаза, профаза, телофаза). телофаза). Самодвижение хромосом (метакинез, метакинез, анафаза) анафаза) осуществляется быстро. быстро. 73 Митоз бластулы белорыбицы, белорыбицы x270. Профаза (Р) – нитевидные хромосомы в центре клетки. Ядерная мембрана отсутствует. Метафаза (М) – хромосомы выстроились по экватору клетки. Анафаза (А) – хромосомы мигрируют к полюсам клетки. В позднюю анафазу хромосомы еще дальше расходятся и приближаются к центриолям – темным областям (стрелки). 74 37 Митоз бластулы белорыбицы, x540. В раннюю телофазу хромосомы достигают полюса клетки. Плазмалемма сокращается и между двумя дочерними клетками появляется борозда деления. Нити ахроматинового веретена видны между дочерними группами хромосом. 75 ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК ЛИМФОУЗЛА A): интерфазные клетки: (рыхлый хроматин, интактные ядерные мембран, заметные ядрышки. Хромосомы не видны. Ранняя профаза (B): исчерают кариолемма и ядрышки, усиливается гранулярность ядерного материала – это укороченные и утолщенные хроматиновые нити. Поздняя профаза (C): Нитевидные и палочковидные хромосомы очевидны. После исчезновения кариолеммы ядерный материал смешался с цитоплазменным. 76 38 Деление клеток лимфоузла. Окраска по Маллори. х 1416 x. Метафаза (D): Хромосомы конденсированы и выстроены по экватору (метафазная пластинка). Каждая хромосома еще состоит из двух парных хроматид. Анафаза (E): Дочерние хромосомы (хроматиды) разделяются и оттягиваются к противоположным полюсам клетки. Начинается деление цитоплазмы. Телофаза (F): Отчетливо видны группы дочерних хромосом (хроматид), которые выглядят слившимися и плотно упакованными. Деление цитоплазмы завершено. Ядерная мембрана восстанавливается и ядрышки вновь появляются. 77 Регуляция митоза Митоз контролируются системой нейрогуморальной регуляции (нервная система, гормоны надпочечников, гипофиза, система, надпочечников, гипофиза, щитовидной и половых желёз), желёз), а также местными факторами (продукты тканевого распада, распада, функциональная активность клеток). клеток). Взаимодействие различных регуляторных механизмов обеспечивает как общие, общие, так и местные изменения митотической активности. активности. Митоз опухолевых клеток выходят изиз-под контроля нейрогуморальной регуляции. регуляции. Выражением регуляции митоза в связи с взаимодействием организма и среды служит суточный ритм деления клеток. клеток. В большинстве органов ночных животных максимум митоза. митоза. отмечается утром, утром, а минимум - в ночное время. время. У дневных животных и человека отмечается обратная динамика суточного ритма. ритма. Суточный ритм митоза - следствие цепной реакции, реакции, в которую вовлекаются ритмические изменения внешней среды (освещённость, освещённость, температура, температура, режим питания и др.), др.), ритм функциональной активности клеток и изменения процессов обмена веществ. веществ. 78 39 Нарушения митоза Повреждения хромосом (набухание, набухание, склеивание, склеивание, фрагментация, фрагментация, образование мостов, мостов, повреждения центромеров, центромеров, отставание отдельных хромосом при движении, нарушение их спирализации и движении, деспирализации, деспирализации, раннее разъединение хроматид, хроматид, образование микроядер. микроядер. Повреждения митотического аппарата (задержка митоза в метафазе, метафазе, многополюсный, многополюсный, моноцентрический и асимметричный митоз, трёхгрупповая и полая митоз, метафазы). метафазы). Нарушения цитотомии. Патологические митозы цитотомии. возникают после воздействия митотических ядов, ядов, токсинов, токсинов, экстремальных факторов (ионизирующее излучение, излучение, аноксия, аноксия, гипотермия), гипотермия), при вирусной инфекции и в опухоли. опухоли. Резкое увеличение числа патологических митозов типично для злокачественных опухолей. опухолей. 79 КЛИНИЧЕСКИЕ КОРРЕЛЯЦИИ Противораковые препараты. Многие из них препараты. направлены на регуляцию клеточного цикла (блокаду). блокаду). Но блокируется митоз не только раковых, раковых, но и здоровых клеток. клеток. Поэтому данные препараты прежде всего нарушают клеточные циклы клеток крови, крови, эпителиальной выстилки ЖКТ и волос. волос. Изменения в клетках раковой опухоли (на примере эпителия шейки матки). матки). В норме клетки имеют мелкие ядра. . При злокачественной трансформации ядра ядра клеток увеличиваются, увеличиваются, ядра соседних клеток теряют однородность размеров и окрашивания (ядерный полиморфизм) и демонстрируют ядерный полиморфизм) гиперхроматизм. гиперхроматизм. . 80 40 81 82 41 Пролиферация клеток и апоптоз Количество клеток в ткани регулируется двумя процессами — пролиферацией клеток и "программированной, , или физиологической, программированной физиологической, гибелью клеток" клеток" (апоптозом). апоптозом). Оба процесса в организме находятся под контролем стимулирующих или ингибирующих факторов, факторов, которые присутствуют в растворимой форме или экспрессируются на поверхности соседних клеток. клеток. 83 Апоптоз • Апоптоз — генетически запрограммированная гибель клеток, клеток, которая приводит к "аккуратной" аккуратной" разборке и удалению клеток. клеток. • Морфологическими признаками этого активного процесса являются изменения клеточной мембраны ("отшнуровывание ("отшнуровывание"" пузырьков, пузырьков, так называемых апоптотических телец), телец), распад клеточного ядра, ядра, уплотнение хроматина и фрагментация ДНК. ДНК. • Клетки, Клетки, подвергшиеся апоптозу, апоптозу, распознаются макрофагами и другими фагоцитирующими клетками и быстро элиминируются • Очень важно то, то, что при апоптозе не развивается воспалительный процесс. процесс. 84 42 Некроз • Некроз развивается в результате повреждения клеточной мембраны химическими агентами или физическими факторами. факторами. • При некрозе поврежденные клетки набухают, набухают, а затем лизируются; лизируются; при этом часто развивается воспалительный процесс. процесс. 85 апоптоз АПОПТОЗ Клетка уменьшается в размерах; размерах; цитоплазма уплотняется; уплотняется; органеллы, органеллы, которые выглядят относительно нормальными, нормальными, располагаются более компактно. компактно. апоптотические тельца макрофаг Предполагается, Предполагается, что нарушение формы и объема клетки происходит в результате активации в апоптотических клетках трансглютаминазы. Этот фермент вызывает трансглютаминазы. прогрессивное образование перекрестных связей в цитоплазматических белках, белках, что приводит к формированию своеобразной оболочки под клеточной мембраной, мембраной, подобно 86 ороговевающим клеткам эпителия («сморщивание клетки» клетки»). 43 АПОПТОЗ апоптотические тельца Формирование в цитоплазме полостей и апоптотических телец. телец. В апоптотической клетке первоначально формируются глубокие впячивания поверхности с образованием полостей, полостей, что приводит к фрагментации клетки и формированию окруженных мембраной апоптотических телец, телец, состоящих из цитоплазмы и плотно расположенных органелл, органелл, с или без фрагментов ядра. ядра. 87 АПОПТОЗ макрофаг Фагоцитоз апоптотических клеток или телец осуществляется окружающими здоровыми клетками, клетками, или паренхиматозными, паренхиматозными, или макрофагами. макрофагами. Апоптотические тельца быстро разрушаются в лизосомах, лизосомах, а окружающие клетки либо мигрируют, мигрируют, либо делятся, делятся, чтобы заполнить освободившееся после гибели клетки пространство. пространство. Фагоцитоз апоптотических телец макрофагами или другими клетками активируется рецепторами на этих клетках: клетках: они захватывают и поглощают апоптотические клетки. клетки. Один из таких рецепторов на макрофагах – рецептор витронектина, витронектина, который является β3-интегрином и 88 активирует фагоцитоз апоптотических нейтрофилов. нейтрофилов. 44 Клинические корреляции • С помощью апоптоза осуществляется регуляция объема или, или, точнее, точнее, количества клеток в той или иной ткани. ткани. В особенности это касается быстро пролиферирующих клеток, клеток, таких, таких, как клетки кроветворной системы или гепатоциты печени. печени. • Посредством апоптоза организм избавляется от ненужных, ненужных, или «отработавших» отработавших», клеток, клеток, например во время эмбрионального развития, развития, при формировании нервной системы и при иммунном ответе. ответе. • Путем апоптоза элиминируются трансформированные клетки, клетки, например при канцерогенной дегенерации, дегенерации, вирусной инфекции или необратимом повреждении ДНК в случае облучения. облучения. • Примером апоптоза является шелушение кожи при солнечном загаре. загаре. 89 Регуляция апоптоза Апоптоз запускается внешними сигналами, сигналами, которые используют различные сигнальные пути, пути, большинство этих путей действительно запускают апоптоз, апоптоз, однако некоторые пути его блокируют. блокируют. Фактор некроза опухолей [α-ФНО (TNFα TNFα),] связывается с ФНОФНОрецептором первого типа и запускает апоптоз. апоптоз. Центральное место в регуляции апоптоза принадлежит цистеиновым протеиназам, родственным интерлейкинпротеиназам, интерлейкин-1βконвертазе (ИК). ИК). Предполагают, Предполагают, что активация этих протеиназ через ФНОФНО-рецептор происходит как многоступенчатый процесс белокбелок-белкового взаимодействия. взаимодействия. ИКИК-подобные протеиназы специфическим образом расщепляют поли(ПАРП), белки snполи-(АДФАДФ-рибозил) рибозил)-полимеразу ПАРП), snрибонуклеопротеидного комплекса, комплекса, ламин (белок ядерной мембраны) мембраны) и другие белки. белки. Эти измененные за счет протеолиза белки запускают процесс апоптоза. апоптоза. 90 45 Регуляция апоптоза Источником сигнала может быть и клеточное ядро. ядро. Так, Так, белок р53, продукт онкоонко-супрессорного гена, гена, который тоже активирует цистеиновые протеиназы, протеиназы, может быть активирован посредством нерепарабельного разрыва ДНК (DNA). Утрата клеткой белка p53 ведет к повышенной скорости роста опухоли. опухоли. Сигналам, Сигналам, которые активируют апоптоз, апоптоз, противостоят другие сигналы, сигналы, блокирующие апоптоз. апоптоз. Таким сигналом может быть белок bclbcl-2 или родственные белки. белки. Ген этого белка присутствует в геноме некоторых вирусов. вирусов. С помощью продукта этого гена вирусы препятствуют преждевременной гибели клеткиклетки91 хозяина посредством апоптоза. апоптоза. Сравнительная характеристика апоптоза и некроза Признак Индукция Распространенность Биохимические изменения Распад ДНК Целостность клеточной мембраны Морфология Воспалительный ответ Удаление погибших клеток Апоптоз Некроз Активируется физиологическими или патологическими стимулами Различная в зависимости от повреждающего фактора Одиночная клетка Группа клеток Энергозависимая фрагментация ДНК эндогенными эндонуклеазами. эндонуклеазами. Лизосомы интактные. интактные. Нарушение или прекращение ионного обмена. обмена. Из лизосом высвобождаются ферменты. ферменты. Внутриядерная конденсация с расщеплением на фрагменты Диффузная локализация в некротизированной клетке Сохранена Нарушена Сморщивание клеток и фрагментация с формированием апоптотических телец с уплотненным хроматином Набухание и лизис клеток Нет Обычно есть Поглощение (фагоцитоз) фагоцитоз) соседними клетками Поглощение (фагоцитоз) фагоцитоз) 92 нейтрофилами и макрофагами 46 Мазок крови, окраска по Романовскому-Гимзе, x 800. 93 Мазок крови, окраска по Романовскому-Гимзе, x 800. 94 47 95 96 48
