КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ Лекция для студентов 1 курса медико-биологического факультета
Клеточный цикл n Характерным свойством пролиферирующих клеток является их способность к делению. n У животных клеток интервал между митозами (клеточный цикл, точнее митотический цикл) составляет примерно 10 -24 ч. За это время клетка проходит четыре фазы жизненного цикла: – – n G 1 -фазу начального роста, S-фазу удвоения молекул ДНК (репликации), G 2 -фазу роста М-фазу клеточного деления. В совокупности фазы G 1, G 0, S и G 2 носят название интерфазы. В клеточном цикле интерфаза сменяется существенно более короткой фазой митоза (М).
КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ Неделящиеся клетки (нервные клетки) выходят из цикла и вступают в Go фазу (покоя). митоз деление интерфаза
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.
КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ В интерфазе выделяют G 1, S и G 2. G 1 клетки только что вошли в фазу клеточного роста. Клетки S фазы активно синтезируют ДНК, G 2 клетки имеют двойной набор ДНК и «отдыхают» перед делением. Митоз.
Митогенная активность n В G 1 -фазе, продолжительность которой может сильно варьировать, происходит синтез м. РНК, белков и других компонентов клетки. У некоторых клеток в жизненном цикле может отсутствовать G 1 -фаза. n Клетки, которые прошли дифференцировку и больше не делятся, постоянно находятся в фазе покоя G 0. При стимуляции митогенами (например, ростовыми факторами, онкогенными вирусами) покоящиеся клетки могут вернуться в состояние, свойственное фазе G 1. n ЕСЛИ такие клетки пройдут критическую точку, они вступают в S-фазу. n G 2 -фаза является конечным этапом подготовки клетки к делению.
Жизненный цикл клетки Жизненный цикл (делящиеся клетки) Вышедшие из клеточного цикла (неделящиеся клетки)
Регуляция клеточного цикла n Регуляция осуществляется посредством обратимого фосфорилирования/дефосфорилирования регуляторных белков. n Ключевым белком, регулирующим вступление клетки в митоз является фактор созревания [ФС (MPF, от англ. maturation promoting factor)]. n В активной форме фермент катализирует фосфорилирование белков, принимающих участие в митозе: – гистон H 1 (составная часть хроматина), – ламин (компонент цитоскелета, обнаруженный в ядерной мембране), – факторы транскрипции, – белки митотического веретена.
Регуляция клеточного цикла n Фосфорилирование этих белков запускает процесс митоза. n После завершения митоза регуляторная субъединица ФС, циклин, маркируется убиквитином и подвергается протеолизу. n Теперь наступает очередь протеинфосфатаз, которые дефосфорилируют белки, принимавшие участие в митозе, после чего клетка возвращается в состояние интерфазы.
Регуляция клеточного цикла n В клетках позвоночных присутствует ряд различных циклинов (A, B, C, D, E) и циклинзависимых киназ (протеинкиназа). n Разнообразные сочетания двух субъединиц фермента регулируют: – запуск митоза, – начало процесса транскрипции в G 1 -фазе, – переход критической точки после завершения транскрипции, – начало процесса репликации ДНК в S-периоде интерфазы (стартовый переход).
КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ
Митоз n от греч. Mítos – нить n Митоз = кариокинез = непрямое деление клетки n наиболее распространённый способ воспроизведения (репродукции) клеток, обеспечивающий – тождественное распределение генетического материала между дочерними клетками, – преемственность хромосом в ряду клеточных поколений. n Биологическое значение митоза определяется сочетанием в нём удвоения хромосом путём продольного расщепления их и равномерного распределения между дочерними клетками.
МИТОЗ. ТЭМ x 9423.
СХЕМА МИТОЗА КЛЕТКИ, содержащей 6 хромосом
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.
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.
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.
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 митотического аппарата, способных к сокращению без утолщения.
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.
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 G 1 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 "расширения мембран").
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.
МИТОЗ, СЭМ.
Продолжительность митоза n n Продолжительность митоза зависит от: размеров клеток, их плоидности, числа ядер, условий окружающей среды (температура). В животных клетках митоз длится 30 -60 мин, в растительных - 2 -3 часа. Более длительны стадии митоза, связанные с процессами синтеза (препрофаза, телофаза). n Самодвижение хромосом (метакинез, анафаза) осуществляется быстро. n
Митоз бластулы белорыбицы, x 270. белорыбицы 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).
Митоз бластулы белорыбицы, x 540. 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.
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.
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.
Регуляция митоза n Митоз контролируются системой нейрогуморальной регуляции (нервная система, гормоны надпочечников, гипофиза, щитовидной и половых желёз), а также местными факторами (продукты тканевого распада, функциональная активность клеток). n Взаимодействие различных регуляторных механизмов обеспечивает как общие, так и местные изменения митотической активности. Митоз опухолевых клеток выходят из-под контроля нейрогуморальной регуляции. n Выражением регуляции митоза в связи с взаимодействием организма и среды служит суточный ритм деления клеток. В большинстве органов ночных животных максимум митоза. отмечается утром, а минимум - в ночное время. У дневных животных и человека отмечается обратная динамика суточного ритма. Суточный ритм митоза - следствие цепной реакции, в которую вовлекаются ритмические изменения внешней среды (освещённость, температура, режим питания и др. ), ритм функциональной активности клеток и изменения процессов обмена веществ.
Нарушения митоза n Повреждения хромосом (набухание, склеивание, фрагментация, образование мостов, повреждения центромеров, отставание отдельных хромосом при движении, нарушение их спирализации и деспирализации, раннее разъединение хроматид, образование микроядер. n Повреждения митотического аппарата (задержка митоза в метафазе, многополюсный, моноцентрический и асимметричный митоз, трёхгрупповая и полая метафазы). n Нарушения цитотомии. Патологические митозы возникают после воздействия митотических ядов, токсинов, экстремальных факторов (ионизирующее излучение, аноксия, гипотермия), при вирусной инфекции и в опухоли. Резкое увеличение числа патологических митозов типично для злокачественных опухолей.
КЛИНИЧЕСКИЕ КОРРЕЛЯЦИИ Противораковые препараты. Многие из них направлены на регуляцию клеточного цикла (блокаду). Но блокируется митоз не только раковых, но и здоровых клеток. Поэтому данные препараты прежде всего нарушают клеточные циклы клеток крови, эпителиальной выстилки ЖКТ и волос. Изменения в клетках раковой опухоли (на примере эпителия шейки матки). В норме клетки имеют мелкие ядра. При злокачественной трансформации ядра клеток увеличиваются, ядра соседних клеток теряют однородность размеров и окрашивания (ядерный полиморфизм) и демонстрируют ядерный гиперхроматизм. .
Пролиферация клеток и апоптоз n Количество клеток в ткани регулируется двумя процессами — пролиферацией клеток и "программированной, или физиологической, гибелью клеток" (апоптозом). n Оба процесса в организме находятся под контролем стимулирующих или ингибирующих факторов, которые присутствуют в растворимой форме или экспрессируются на поверхности соседних клеток.
Апоптоз • Апоптоз — генетически запрограммированная гибель клеток, которая приводит к "аккуратной" разборке и удалению клеток. • Морфологическими признаками этого активного процесса являются изменения клеточной мембраны ("отшнуровывание" пузырьков, так называемых апоптотических телец), распад клеточного ядра, уплотнение хроматина и фрагментация ДНК. • Клетки, подвергшиеся апоптозу, распознаются макрофагами и другими фагоцитирующими клетками и быстро элиминируются • Очень важно то, что при апоптозе не развивается воспалительный процесс.
Некроз • Некроз развивается в результате повреждения клеточной мембраны химическими агентами или физическими факторами. • При некрозе поврежденные клетки набухают, а затем лизируются; при этом часто развивается воспалительный процесс.
апоптоз АПОПТОЗ Клетка уменьшается в размерах; цитоплазма уплотняется; органеллы, которые выглядят относительно нормальными, располагаются более компактно. апоптотические тельца макрофаг Предполагается, что нарушение формы и объема клетки происходит в результате активации в апоптотических клетках трансглютаминазы. Этот фермент вызывает прогрессивное образование перекрестных связей в цитоплазматических белках, что приводит к формированию своеобразной оболочки под клеточной мембраной, подобно ороговевающим клеткам эпителия ( «сморщивание клетки» ).
АПОПТОЗ апоптотические тельца Формирование в цитоплазме полостей и апоптотических телец. В апоптотической клетке первоначально формируются глубокие впячивания поверхности с образованием полостей, что приводит к фрагментации клетки и формированию окруженных мембраной апоптотических телец, состоящих из цитоплазмы и плотно расположенных органелл, с или без фрагментов ядра.
АПОПТОЗ макрофаг Фагоцитоз апоптотических клеток или телец осуществляется окружающими здоровыми клетками, или паренхиматозными, или макрофагами. Апоптотические тельца быстро разрушаются в лизосомах, а окружающие клетки либо мигрируют, либо делятся, чтобы заполнить освободившееся после гибели клетки пространство. Фагоцитоз апоптотических телец макрофагами или другими клетками активируется рецепторами на этих клетках: они захватывают и поглощают апоптотические клетки. Один из таких рецепторов на макрофагах – рецептор витронектина, который является β 3 -интегрином и активирует фагоцитоз апоптотических нейтрофилов.
Клинические корреляции • С помощью апоптоза осуществляется регуляция объема или, точнее, количества клеток в той или иной ткани. В особенности это касается быстро пролиферирующих клеток, таких, как клетки кроветворной системы или гепатоциты печени. • Посредством апоптоза организм избавляется от ненужных, или «отработавших» , клеток, например во время эмбрионального развития, при формировании нервной системы и при иммунном ответе. • Путем апоптоза элиминируются трансформированные клетки, например при канцерогенной дегенерации, вирусной инфекции или необратимом повреждении ДНК в случае облучения. • Примером апоптоза является шелушение кожи при солнечном загаре.
Регуляция апоптоза n Апоптоз запускается внешними сигналами, которые используют различные сигнальные пути, большинство этих путей действительно запускают апоптоз, однако некоторые пути его блокируют. Фактор некроза опухолей [α-ФНО (TNFα), ] связывается с ФНОрецептором первого типа и запускает апоптоз. n Центральное место в регуляции апоптоза принадлежит цистеиновым протеиназам, родственным интерлейкин-1βконвертазе (ИК). n Предполагают, что активация этих протеиназ через ФНО-рецептор происходит как многоступенчатый процесс белок-белкового взаимодействия. n ИК-подобные протеиназы специфическим образом расщепляют поли-(АДФ-рибозил)-полимеразу (ПАРП), белки snрибонуклеопротеидного комплекса, ламин (белок ядерной мембраны) и другие белки. Эти измененные за счет протеолиза белки запускают процесс апоптоза. n
Регуляция апоптоза Источником сигнала может быть и клеточное ядро. Так, белок р53, продукт онко-супрессорного гена, который тоже активирует цистеиновые протеиназы, может быть активирован посредством нерепарабельного разрыва ДНК (DNA). n Утрата клеткой белка p 53 ведет к повышенной скорости роста опухоли. n Сигналам, которые активируют апоптоз, противостоят другие сигналы, блокирующие апоптоз. n Таким сигналом может быть белок bcl-2 или родственные белки. n Ген этого белка присутствует в геноме некоторых вирусов. С помощью продукта этого гена вирусы препятствуют преждевременной гибели клеткихозяина посредством апоптоза. n
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. Лизосомы интактные. Нарушение или прекращение ионного обмена. Из лизосом высвобождаются 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) соседними клетками Поглощение (фагоцитоз) нейтрофилами и макрофагами
Мазок крови, окраска по Романовскому-Гимзе, x 800.
Мазок крови, окраска по Романовскому-Гимзе, x 800.
Скачать презентацию КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ Лекция для студентов 1 курса медико-биологического
МБФ - Клеточный цикл.ppt