ЦИТОЛОГИЯ ЯДРО ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК Ядро – важнейший

ЦИТОЛОГИЯ ЯДРО ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК

Ядро – важнейший компонент клетки, содержащий её генетический аппарат. n Функции ядра: n хранение генетической информации (в молекулах ДНК, находящихся в хромосомах); n реализация генетической информации, контролирующей различные процессы в клетке: транскрипция информационных, рибосомальных, транспортных РНК → синтетическая активность; апоптоз и т. д. ); n воспроизведение и передача генетической информации при делении клетки.

Компоненты ядра В ядре неделящейся (интерфазной) клетки выявляются следующие компоненты: n ядерная оболочка (кариолемма) n хроматин n ядрышко n кариоплазма

Ядерная оболочка (кариолемма, нуклеолемма) на светооптическом уровне практически не определяется. Под электронном микроскопом обнаруживается, что она состоит из двух мембран – наружной и внутренней мембран, разделенных полостью шириной 15 -40 нм – перинуклеарной цистерной. n Наружная мембрана составляет единое целое с мембранами гр. ЭПС: на её поверхности имеются рибосомы, а перинуклеарная цистерна сообщается с цистерной гр. ЭПС n

Внутренняя мембрана – гладкая, её интегральные белки связаны со слоем, состоящим из сети промежуточных филаментов (ламинов), ламиной, или ядерной пластинкой. n Ламина играет большую роль в поддержании формы ядра, укладке хроматина и структурной организации поровых комплексов n

В определенных точках наружная и внутренняя мембрана смыкаются, образуя ядерные поры. n Ядерная пора образована двумя параллельными кольцами диаметром 80 нм, содержащих по 8 белковых гранул, от которых к центру поры тянутся фибриллы, формирующие диафрагму толщиной около 5 нм. В середине диафрагмы лежит центральная гранула. Белковые гранулы ядерной поры структурно связаны с белками ядерной ламины. n Совокупность компонентов, входящих в состав ядерной поры, называется комплексом ядерной поры. n

Ядерная оболочка клетки содержит 20004000 поровых комплексов. n Число поровых комплексов возрастает с увеличением функциональной активности: в клетках с высокой синтетической активностью ядерные поры занимают до 35% поверхности кариолеммы. n

Комплекс ядерной поры обеспечивает избирательный транспорт веществ между цитоплазмой и ядром. n По каналу, образованному поровым комплексом, движутся мелкие водорастворимые молекулы и ионы; активно переносятся в ядро белки, синтезируемые в цитоплазме (белки с маркировкой в виде с особой последовательности аминокислот – NLS, распознаваемой рецепторами NLS в комплексе поры); из ядра в цитоплазму переносятся субъединицы рибосом. n

Хроматин в интерфазной (неделящейся) клетке соответствует хромосомам и состоит из комплекса ДНК и белка. Выраженность спирализации каждой из хромосом неодинакова по длине. Соответственно, различают два вида хроматина: эухроматин и гетерохроматин. n Эухроматин соответствует участкам хромосом, которые деспирализованы и открыты для транскрипции. Эти участки не окрашиваются и не видны в световой микроскоп. n Гетерохроматин соответствует конденсированным сегментам хромосом, что делает их недоступными для транскрипции. Гетерохроматин интенсивно окрашивается основными красителями, и в световом микроскопе имеет вид мелких гранул и глыбок.

Структура ядер

эухроматин-гетерохроматин по соотношению эу- и гетерохроматина в ядре можно оценить активность процессов транскрипции, и, следовательно, синтетической функции клетки. n При её повышении это соотношение изменяется в пользу эухроматина, при снижении – нарастает содержание гетерохроматина. n Соотношение эухроматин-гетерохроматин может, например, служить основой для дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных опухолевых клеток. n При полном подавлении функции ядра в поврежденных и гибнущих клетках, оно уменьшается в размерах и содержит только гетерохроматин. Такое явление называется кариопикнозом. n

n Половой хроматин (тельце Барра) – скопление гетерохроматина, соответствующее одной из пары Х-хромосом, которая в интерфазе плотно скручена и неактивна. Выявление полового хроматина используется как диагностический тест для определения генетического женского пола, что существенно при изучении генетических аномалий и, особенно, в спортивной медицине. n Обычно анализируют эпителиальные клетки слизистой оболочки полости рта, где, как и в большинстве других клеток, половой хроматин выявляется как крупная глыбка гетерохроматина, лежащая рядом с ядерной оболочки. n В нейтрофильных лейкоцитах крови половой хроматин имеет вид маленькой добавочной дольки ядра ( «барабанной палочки» ). n

Упаковка хроматина в ядре В деконденсированном состоянии длина одной молекулы (двойной спирали) ДНК, образующей одну хромосому, составляет около 5 см, а общая длина молекул ДНК в ядре – более 2 м. Такие длинные нити ДНК компактно и упорядоченно упакованы в ядре диаметром всего 5 -10 мкм. n Компактная упаковка молекул ДНК осуществляется благодаря связи ДНК со специальными основными белками – гистонами. n

Начальный уровень упаковки хроматина – нуклеосома с диаметром 11 нм. n Нуклеосома состоит из блока, образованного комплексом из 8 молекул гистонов, на который намотана двойная нить ДНК (цепочка из 166 пар нуклеотидов). n Нуклеосомы разделены короткими участками свободной ДНК (48 пар оснований). Нуклеосомная нить имеет вид нитки с бусинами, где каждая бусина – нуклеосома. n Второй уровень упаковки также обусловлен гистонами и приводит к скручиванию нуклеосомной нити (виток из 6 нуклеосом) с формированием хроматиновой фибриллы диаметром 30 нм. n Хроматиновые фибриллы образуют петли диаметром 300 нм. При делении клетки в результате еще более компактной укладки и сверхспирализации ДНК появляются хромосомы (диаметр 700 нм), видимые под световым микроскопом. n Компактная упаковка ДНК в ядре обеспечивает упорядоченное расположение очень длинных молекул ДНК в небольшом объеме ядра, а также функциональный контроль активности генов. n

Ядрышко выявляется в интерфазном ядре на светооптическом уровне как мелкая (~ 1 мкм в диаметре), плотная сферическая структура, интенсивно окрашивающееся основными красителями

Ядрышко образовано специализированными участками хромосом – ядрышковыми организаторами, на которых происходит синтез рибосомальной РНК, а также её сборка в предшественники рибосомальных субъединиц.

Компоненты ядрышка n n Аморфный компонент, слабо окрашиваемый, представляет собой участки расположения ядрышковых организаторов: крупные петли ДНК, активно участвующих в транскрипции рибосомальной РНК; n Фибриллярный компонент состоит из множества нитей диаметром 5 -8 нм, преимущественно во внутренней части ядрышка, и представляет собой длинные молекулы р. РНК (первичные транскрипты); n Гранулярный компонент образован скоплением плотных мелких гранулярных частиц, представляющие собой зреющие субъединицы рибосом. Рибосомальные субъединицы образуется из р. РНК, синтезированной в ядрышке, и белков, синтезированных в цитоплазме. Фибриллярный и гранулярный компоненты ядрышка образуют ядрышковую нить – нуклеолонему, которая образует петлистую сеть, выделяющуюся большой плотностью на фоне менее плотного ядерного матрикса

n Размеры и объем ядрышек увеличиваются при повышении функциональной активности клетки. Особенно крупные ядрышки характерны для эмбриональных и активно синтезирующих белки клеток, а также клеток быстрорастущих злокачественных опухолей. n Ядрышко исчезает в профазе митоза, в результате инактивации рибосомных генов при конденсации соответствующих хромосом, и вновь формируется в поздней телофазе.

Ядерный матрикс – компонент ядра, в котором располагаются хроматин и ядрышко. Ядерный матрикс образован кариоплазмой и кариоскелетом. n Кариоплазма – жидкий компонент ядра, содержащий РНК, ионы, ферменты, метаболиты, растворенные в воде. n Кариоскелет состоит из ламины и других фибриллярных белков. n

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ Клеточный цикл – совокупность процессов, происходящих в клетке между двумя последовательными делениями или между её образованием и гибелью. n Клеточный цикл включает в себя собственно митотическое деление и интерфазу – промежуток между делениями. n

n Интерфаза занимает около 90% всего времени клеточного цикла и подразделяется на три периода: n пресинтетический или постмитотический – G 1 (от англ. gap – промежуток); n синтетический – S; n постсинтетический или премитотический - G 2.

n Пресинтетический период – G 1 – характеризуется активным ростом клетки, синтезом белка и РНК, благодаря чему клетка восстанавливает необходимый набор органелл и достигает нормальных размеров. G 1 период длится от нескольких часов до нескольких дней. n В течение этого периода синтезируются особые «запускающие» белки – активаторы S периода. Они обеспечивают достижение клеткой точки R (точки ограничения), после которого она вступает в S-период.

Период репродуктивного покоя Если клетка не достигает точки R, она выходит из цикла и вступает в период репродуктивного покоя (G 0). Клетки некоторых тканей под влиянием определенных факторов способны возвращаться из периода G 0 в клеточный цикл, клетки других тканей утрачивают эту способность по мере дифференцировки. n Абсолютное большинство дифференцированных клеток организма, выполняющих свои специфические функции, не делятся. n n

Синтетический период –Sхарактеризуется репликацией (удвоением содержания) ДНК, синтезом гистонов и других белков. В результате происходит удвоение числа хромосом. Одновременно удваивается число центриолей. n S-период длится у большинства клеток 8 -12 часов. n

Постсинтетический период – G 2 длится 2 -4 часа и продолжается вплоть до митоза. n В течение этого периода запасается энергия, и синтезируются белки, в частности тубулины, необходимые для процесса деления. n

Митоз (кариокинез) является универсальным механизмом деления соматических клеток. n Во время митоза родительская клетка делится, и каждая из дочерних клеток получает набор хромосом идентичный родительскому, и, таким образом, происходит равномерное распределение генетического материала. Продолжительность митоза – 1 -3 часа. n Митоз

Митоз включает 4 основные фазы: n профазу n метафазу, n анафазу и n телофазу.

Профаза начинается с конденсации хромосом, которые становятся видимыми в световой микроскоп как нитевидные структуры. n Каждая хромосома состоит из двух параллельно лежащих сестринских хроматид, связанных в области центромеры. n Ядерная оболочка распадается на мембранные пузырьки и исчезает к концу профазы, так же как и ядрышко. Кариоплазма смешивается с цитоплазмой. n Пары центриолей расходятся к противоположным полюсам клетки и дают начало микротрубочкам митотического веретена. n

В метафазе хромосомы выстраиваются в области экватора митотического веретена (в равной удаленности от центриолей противоположных полюсов), и образуют картину экваториальной (метафазной) пластинки (вид сбоку) или материнской звезды (вид со сторону полюсов). Сестринские хроматиды к концу этой фазы разделяются щелью, однако удерживаются в области центромеры. n n

Анафаза начинается с синхронного расщепления всех хромосом на сестринские хроматиды (в области центромеры) и движения дочерних хромосом к противоположным полюсам клеток, происходящего вдоль микротрубочек. Анафаза завершается скоплением на полюсах клетки двух идентичных наборов хромосом, которые образуют картину звезд (стадия дочерних звезд). n В конце анафазы начинает образовываться клеточная перетяжка, благодаря сокращению актиновых микрофиламентов, концентрирующихся по окружности клетки. n n

Телофаза характеризуется реконструкцией ядер дочерних клеток и завершением их разделения. Ядерная оболочка восстанавливается, хромосомы постепенно деспирализуются, замещаясь картиной хроматина интерфазного ядра, а в конце телофазы вновь появляется ядрышко. n Углубление клеточной перетяжки завершается полной цитотомией с формированием двух дочерних клеток. При этом происходит распределение органелл между дочерними клетками n n n

Эндомитоз и полиплоидизация Эндомитоз – процесс увеличения числа хромосом внутри ядерной оболочки без последующего деления клетки, что приводит к повышенному содержанию ДНК в ядре – полиплоидии. n Полиплоидные ядра имеют больший объем. Полиплоидные клетки могут также возникнуть вследствие митотического деления без последующей цитотомией. При таком делении образуются двуядерные клетки с увеличенным вдвое набором хромосом. Основной смысл развития полиплоидии заключается в усилении функциональной активности клеток. Наличие полиплоидных – тетра- (4 n, если 1 n – гаплоидный набор хромосом) и октаплоидных (8 n) клеток – нормальное явление для гепатоцитов (клеток печени), переходного эпителия мочевого пузыря, секреторных клеток поджелудочной и слюнных желез. n Уровень полиплоидизации мегакариоцитов красного костного мозга достигает – 16 -32 n. n n n

Регуляция клеточного цикла По уровню обновления ткани организма подразделяются на три группы – три типа клеточных популяций: n (1) Обновляющиеся клеточные популяции характеризуются постоянным обновлением. Естественная убыль дифференцированных клеток, специализированных к выполнению определенных функций и неспособных к делению уравновешена образованием новых клеток в результате деления малодифференцированных камбиальных клеток и последующей дифференцировки (физиологическая регенерация). n К таким популяциям относят клетки костного мозга и крови, эпителий кишки, эпидермис кожи. n

n (2) Растущие клеточные популяции способны к увеличению массы ткани за счет нарастания числа клеток и их полиплоидизации. Их долгоживущие клетки выполняют специализированные функции, но сохраняют способность при стимуляции, под действием некоторых факторов вновь вступать в клеточный цикл, чтобы восстановить свою нормальную численность. n n К растущим популяциям относят эпителий почек, различных желез, печени.

(3) Стабильные клеточные популяции состоят из высокоспециализированных клеток с полной потерей способности к делению. n К таким популяциям относятся нейроны, кардиомиоциты. n

Регуляция клеточного цикла в различных тканях организма осуществляется сложной системой механизмов, стимулирующих или ингибирующих клеточное деление. Протоонкогены (около 50) – группа генов-активаторов, контролирующих клеточное деление и дифференцировку. Изменения структуры и усиление активности экспрессии протоонкогенов вызывает развитие опухолей. Повышение активности протоонкогенов может быть связано с изменениями строениями ДНК (в результате мутаций), увеличением количества генов (генной амплификации) или их перегруппировкой, при которой гены размещаются вблизи активного промотора (т. e. , участка ДНК, ответственного за инициацию транскрипции). n Злокачественная трансформация клетки может возникнуть не только вследствие повышения активности протоонкогенов, но и в результате снижения активности другой группы генов, называемых антионкогенами. n n

Антионкогены – гены, которые продуцируют супрессоры опухолевого роста, угнетающие митотическую активность клеток. Пример антионкогенов – ген р53. Ген р53 обеспечивает поддержание стабильности генетического аппарата и контролирует клеточный цикл. Его экспрессия резко усиливается при повреждении ДНК. Активация гена р53 приводит к остановке клеточного цикла (выходу в G 0 ) для репарации ДНК, а при тяжелых повреждениях запускает программу апоптоза (клеточной гибели). Выявлена четкая связь между утратой функции гена р53 (в результате мутации или делеции) и развитием более 50 видов злокачественных опухолей у человека. n n n

Факторы роста представляют собой гликопептиды, продуцируемые клетками различных тканей, усиливающие митотическую активность в определенных клетках-мишенях, имеющих специфические рецепторы на плазмолемме. n К ним относятся фактор роста нервов, инсулиноподобные факторы роста, колониестимулирующие факторы, интерлейкины и другие цитокины. n

Кейлоны, напротив, подавляют клеточное деление. Кейлоны образуются всеми зрелыми дифференцированными клетками и локально воздействуют на камбиальные элементы (стволовые и полустволовые клетки) этой же ткани. n Они обеспечивают стабильную численность клеточной популяции, а их выделение контролируется механизмом отрицательной обратной связи. n При уменьшении численности зрелых клеток данной популяции (например, потеря лейкоцитов при кровотечении или эпидермиса при ранении) продукция кейлонов снижается, что приводит к усилению митотической активности клеток, способных к делению, - репаративной регенерации n

Клеточная гибель n n Число клеток в организме, органах и тканях регулируется гомеостатическими механизмами и динамическим равновесием между образованием клеток и их гибелью. Гибель клеток, наряду с их размножением и дифференцировкой, является одним из ключевых процессов в обеспечении нормальной жизнедеятельности различных тканей

n При гибели клеток могут наблюдаться два вида морфологических изменений, которые соответствуют различным механизмам её развития: n некроз и n апоптоз

Некроз Возникает под действием резко выраженных повреждающих факторов: n перегревания (гипертермии) n переохлаждения (гипотермии) n недостатка кислорода (гипоксии) n нарушения кровоснабжения (ишемии) n метаболических ядов n механической травмы и др. n Некроз – «смерть в результате несчастного случая» n

Поздние явления при некрозе включают: n разрыв ядерной оболочки, плазмолеммы и мембран органелл, n разрушение и растворение ядра (кариолизис) n исчезновение клеточных границ и распад клетки

Апоптоз Физиологическая (запрограммированная) гибель клеток – «смерть клетки в результате самоубийства (самоуничтожения)» - активный, генетически контролируемый процесс, регулируемый внутренней программой, которая запускается внешними факторами (воздействие разнообразных повреждающих физических и химических факторов, умеренные по интенсивности; некоторые инфекции (вирусные); воздействие физиологических активаторов (индукторов) апоптоза; дефицит стимулирующих факторов, потеря контакта с другими клетками и др. n

Апоптоз Развитие апоптоза индуцируется особыми генами (киллерными генами – р53 и др. ) n Это энергоёмкий процесс и сопровождается активацией сигнальных систем в клетке. n

n Развитие апоптоза морфологически на светооптическом уровне проявляется уплотнением ядра (кариопикноз и кариорексис без разрушения кариолеммы), конденсацией цитоплазмы, которая уплотняется, сморщивается и уменьшается в размерах, органеллы при этом сохраняют свою целостность. n При прогрессировании апоптоза изменяется форма клетки – образуются многочисленные крупные вздутия и выросты на поверхности – и происходит распад клетки на фрагменты – апоптозные тела.

Т киллер индуцирует апоптоз раковой клетки