Клеточный цикл n Деление клетки

Клеточный цикл n Деление клетки

Клеточный цикл n Клеточный цикл – это совокупность всех морфологических и физиолого- биохимических событий, происходящих в клетке от деления до деления (включая деление) или от деления до гибели

n В клеточном цикле и выделяют два основных этапа: n 1) интерфаза; n 2) период клеточного деления. n Длительность клеточного цикла в размножающихся клетках составляет 10 – 50 часов и зависит от типа клеток, их возраста, уровня гормонального баланса, времени суток, физико-химических и ряда других параметров. Клетки быстро делящихся тканей называют активно пролиферирующими. n Пролиферация (от лат. пролес – отпрыск, потомство и феро – несу) – это увеличение числа клеток путем митоза, ведущее к росту ткани и органа.

Клеточный цикл n 1. Клеточный цикл – состоит из интерфазы и митоза Интерфаза состоит из 3 периодов: n G 1 - пресинтетический (постмитотический). n S - синтетический, n G 2 - постсинтетический (или премитотический), n + M - митоз,

Контрольные точки клеточного цикла n 1. Точка выхода из G 1 -фазы, называемая Старт - у млекопитающих и точкой рестрикции у дрожжей. После перехода через точку рестрикции R в конце G 1 наступление S становится необратимым, т. е. запускаются процессы ведущие к следующему делению клетки. n 2. Точка S – проверка точности репликации. n 3. Точка G 2/M-перехода – проверка завершения репликации. n 4. Переход от метафазы к анафазе митоза.

Интерфаза n Исторически название интерфаза (т. е. промежуток между фазами), означало период, в ходе которого в клетке не видно никаких преобразований между предшествующей телофазой и наступающей профазой. Биохимические исследования первой половины ХХ века продемонстрировали, что все основные метаболические процессы, синтез всех биополимеров происходит, тем не менее, в интерфазе, причем более или менее равномерно.

Интерфаза объединяет общим термином стадии G 1, S и G 2

G 1 -период а) Период G 1 - это интервал времени - от окончания митоза - до начала синтеза ДНК (и ядерных белков) в дочерней клетке. n б) В этот период происходят - Синтез рибосом, восстановление содержания цитоплазматических белков - Удвоение митохондрий, синтез АТФ - Восстановление мембранных структур и, - как следствие, рост объема цитоплазмы клетки (до размера материнской). n в) Содержание ДНК в клетке - 2 n. n У лимфоцитов тимуса составляет менее 3 часов, в кишечном эпителии – 10 часов, в печени – 48 часов, в эпидермисе кожи – 64 часа.

S-период • а) В S-период происходят • в ядре - удвоение (репликация) ДНК и увеличение вдвое количества хромосомных белков, а возле ядра - дупликация центриолей. • б) В клетках, находящихся на этой стадии, обнаруживается разное количество ДНК - от 2 n до 4 n, по мере хода синтеза (репликации) ДНК. • для лимфоцитов тимуса 6 часов, в кишечном эпителии – 8 часов, в печени – 16 часов, в эпидермисе кожи – 8 часов.

G 2 -период а) Следующий период - G 2 - обычно не очень продолжителен и включает синтез ряда других веществ, необходимых для прохождения митоза; среди этих веществ - белок микротрубочек тубулин, используемый для формирования веретена деления. б) Содержание ДНК в этот период - 4 n. Продолжительность G 2 -периода у разных клеток меняется мало, составляя в большинстве случаев 2 -4 часа.

МИТОЗ (непрямое деление) n Впервые фазы митоза были описаны русским ботаником И. Д. Чистяковым в 1874 году. Но систематические детальные исследования были впервые выполнены на растениях Э. Страсбургером (1876 -1879), а на животных – В. Флеммингом (1882). Длительность митоза 1– 2 часа. n Состоит из четырех фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.

Значение митоза n Генетическая стабильность. В результате митоза получаются два ядра, содержащие каждое столько же хромосом (диплоидный набор), сколько их было в родительском ядре. Эти хромосомы происходят от родительских хромосом путем точной репликации ДНК, поэтому гены их содержат совершенно одинаковую наследственную информацию. Дочерние клетки генетически идентичны родительской клетке, так что никаких изменений в генетическую информацию митоз внести не может. Поэтому клеточные популяции(клоны), происходящие от родительских клеток, обладают генетической стабильностью.

Профаза n Профаза Обычно самая продолжительная фаза клеточного деления. Хроматиды укорачиваются ( до 4% своей первоначальной длинны ) и утолщаются в результате их спирализации и конденсации. При окрашивании хроматиды четко видны, но центромеры не выявляются.

Прометафаза (14 -60 мин) n У животных клетках и у низших растений центриоли расходятся к противоположным полюсам клетки. От каждой центриоли в виде лучей расходятся короткие микротрубочки , образуюшие в совокупности звезду. Ядрышки исчезают, так как их РНК частично переходит в определенные пары хроматид. К концу профазы ядерная мембрана распадается и образуется веретено деления.

Динамика ядерной мембраны n При этом в профазе по мере конденсации хромосом ядерная оболочка теряет с ними связь, а затем в ней появляются разрывы. Она приобретает вид плоских мембранных вакуолей, цистерн. В это время ядерные поры еще видны. Позднее они исчезают. Во время митоза 120 м. Да комплекс ядерной поры разбирается на субкомплексы примерно по 1 м. Да.

Метафаза (5 -30 мин) n На стадии метафазы в клетке отсутствует ядерная оболочка. Хромосомы -становятся максимально конденсированными, -выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, образуя метафазную пластинку , - в конце метафазы разделяются на 2 хроматиды, которые остаются связанными только в области центромерных перетяжек n В веретено входят микротрубочки 3 -х видов: -кинетохорные: связывают каждую хроматиду (в области её кинетохоры) -полярные: идут от одной из центросом центру веретена, где перекрываются с микротрубочками от другого полюса; - полюсные (микротрубочки сияния): направлены к поверхности клетки.

n Ядерная оболочка превращается в скопление мелких мембранных пузырьков, окружающих зону бывшего интерфазного ядра. Такие пузырьки морфологически нельзя отличить от других мелких вакуолей в цитоплазме. В метафазе мембранные элементы цитоплазмы оттесняются к периферическим зонам клеток микротрубочками веретена деления.

Анафаза (5 -20 мин) n а) Хроматиды, сохраняя максимальную степень конденсации, теряют связь друг с другом и начинают расходиться к полюсам клетки. n б) При этом они ориентированы n -центромерными участками - к соответствующему полюсу, n - теломерными (концами) - к экватору клетки. n в) Одна из хроматид отходит к одному, а другая - к противоположному полюсу. n Поэтому дочерние клетки получают полные и равные наборы хромосом.

n В конце анафазы, когда прекращается движение хромосом к противоположным полюсам клетки, мембранные пузырьки цитоплазмы, и в первую очередь мембраны гранулярного эндоплазматического начинают контактировать с поверхностью хромосом. Участки растущих плоских мембранных мешков сливаются, замыкая и отгораживая содержимое нового интерфазного ядра. Ядерные поры появляются на самых ранних этапах реконструкции ядерной оболочки.

Телофаза n 1. Набор расходящихся хромосом, приблизившись к полюсам останавливается. n 2. Вокруг него начинает формироваться ядерная оболочка. n 3. Хромосомы постепенно деконденсируются. n 4. В ядрах начинают формироваться ядрышки. а) Затем между ядрами происходит n - разделение тела клетки (цитотомия, цитокинез) б) по экватору клетки формируется актомиозиновое кольцо, которое постепенно сжимается, стягивая за собой плазмолемму - n - образуется перетяжка. n В итоге, получаются две дочерние клетки.

n При реконструкции ядерной оболочки происходит сборка ядерных пор. Она начинается с образования ямки при слиянии внешней и внутренней ядерной мембраны, которая затем превращается в отверстие. n При сборке ядерной оболочки в телофазе белки ламины иммунохимически начинают выявляться в центромерных и теломерных участках хромосом, там же обнаруживаются первые признаки образования новой ядерной оболочки.

Судьба клеток n 1. а) Часто образующиеся при делении дочерние клетки выходят из митотического цикла, т. е. далее не делятся. б) Таким образом они вступили в Go-период. n 2. По этому признаку, т. е. по способности к делению, все клетки делятся на 3 типа. –

Первая категория n Постоянно делящиеся клетки. n Многие клетки организма, которые являются высокоспециализированными с течением времени изнашиваются и погибают. Они не способны к делению, однако они могут заменяться новыми. Эту функцию обеспечивают клетки того же типа, но которые не стали высокоспециализированными, и не утратили способность к делению. Эти клетки являются резервными. n -некоторые клетки базального слоя эпителия n -гемопоэтические клетки начальных стадий созревания (включая стволовые клетки).

Вторая категория n Неделящиеся клетки (в Go-периоде), сохранившие способность к делению при действии определённых стимулов. n В этом случае переход в Go-период обратим. n - клетки печени, а также n - стволовые клетки таких тканей как: (соединительные (фибробласты), костные (остеоциты), мышечные (ГМК) и т. п. ), которые в обычных условиях не подвергаются постоянному клеточному обновлению.

Третья категория n Неделящиеся клетки (конечные), окончательно потерявшие способность делиться. n В данном случае переход из Go-периода необратим. Нет резерва для восстановления этих клеток n -нервные клетки, n -клетки сердечной мышцы.

Особенности митоза у растений и у животных n Растительная клетка Центриолей нет. n Звезды не образуются. Образуется клеточная пластинка. При цитокинезе не образуется борозды (перетяжки). Митозы происходят главным образом в меристемах. n Животная клетка Центриоли имеются n Звезды образуются. Клеточная пластинка не образуется При цитокинезе образуется борозда Митозы происходят в различных тканях и участках организма

АМИТОЗ n Это прямое деление интерфазного ядра путем перетяжки без образования хромосом вне митотического цикла. Амитоз может сопровождаться и делением клетки, но может делиться только ядро, что приводит к образованию многоядерных клеток. Может происходить даже сегментация ядра на несколько ядер. После амитоза клетки не в состоянии вступить в митотический цикл. Амитоз происходит только в узкоспециализированных клетках, которые больше не дадут начала новым типам клеток (например, клетки хрусталика глаза, клетки мочевого пузыря). n Для клеток это энергетически выгодно, так как хромосомы не образуются, не происходит их распределения, не формируется ахроматиновое веретено.

МЕЙОЗ

Биологическая сущность n Мейоз – это редукционное деление (деление созревания), потому что в результате мейоза у животных и некоторых растений образуются гаметы. n Мейоз – это особый способ деления, в ходе которого происходит уменьшение количества хромосом в дочерних клетках вдвое по сравнению с материнскими, т. е. происходит формирование гаплоидных клеток из диплоидных. Следовательно, мейоз обеспечивает чередование ядерных циклов (диплоидного – в организмах и гаплоидного – в гаметах), он гарантирует равновероятность и непрерывность передачи полного набора генетической информации в ряду поколений организмов в пределах биологического вида.

Основные события мейоза n Премейотическая интерфаза n Профаза I n Лептотена n Зиготена n Пахитена n Диплотена n Диакинез n Метафаза I n Анафаза n Телофаза n Интеркинез n Второе деление мейоза n Гаметогенез

Первое мейотическое деление n ПРОФАЗА I n лептотена (стадия тонких нитей) начинается спирализация хромосом. n зиготена (стадия сливающихся нитей), сближение и начало конъюгации гомологичных хромосом, которые объединяются в бивалент. Конъюгация сопровождает-ся образованием лентоподобных структур между спаренными хромосомами - синаптонемальных комплексов (СК). В результате конъюгации образуются 23 тетрады (структуры из 4 -х хроматид). n пахитена (стадия толстых нитей) между гомологичными хромосомами осуществляется кроссинговер

Кроссинговер

n диплотена (стадия двойных нитей) отталкивание гомологичных хромосом, которые отделяются друг от друга в области центромер, но остаются связанными в областях прошедшего кроссинговера – хиазмах n диакинез (стадия обособления двойных нитей) гомологичные хромосомымы удерживаются в месте лишь в отдельных точках хиазм

n Метафаза I - завершается формирование веретена деления, его нити прикрепляются к центромерам хромосом, в результате чего биваленты устанавливаются в плоскости экватора веретена деления, образуя экваториальную пластинку. n Анафаза I - связи в бивалентах ослабляются и гомологичные хромосомы отходят друг от друга, направляясь к противоположным полюсам веретена деления. К каждому полюсу подходит гаплоидный набор хромосом, состоящий из двух хроматид. n Телофаза I - у полюсов веретена деления собирается одинарный гаплоидный набор хромосом, каждая из них содержит удвоенное количество ДНК (n 2 c). n Интеркинез - временной промежуток между первым и вторым делениями мейоза. Не всегда обязателен.

Мейоз 1

Второе мейотическое отделение n (эквационное) протекает как митоз, только клетки, вступающие в него, несут гаплоидный набор хромосом.

n В ходе второго деления хромосомы расходятся на хроматиды : образуются клетки - с гаплоидным содержанием и хромосом, и ДНК. При этом по виду полученной половой хромосомы мужские половые клетки разделяются на две группы - клетки с Х- и клетки с Y- хромосомой.

Мейоз 2

n В результате мейоза образуется n 4 мужских клетки с гаплоидным набором хромосом и n 1 женская клетка с гаплоидным набором хромосом

Ключевые особенности мейоза: n I. Конъюгация гомологичных хромосом и кроссинговер n На стадии профазы мейоза происходит конъюгация (попарное прилегание) гомологичных хромосом. n Кроссинговер - обмен хромосом строго гомологичными участками. n В результате, происходит рекомбинация (перераспределение) участков между гомологичными хромосомами.

n II. Образование клеток с гаплоидным набором хромосом n Гаплоидные клетки образуются вследствие того, что в мейозе объединяются, по существу, два деления: первое - с предшествующим удвоением ДНК и второе - без удвоения ДНК. В ходе первого деления тетрады расходятся на хромосомы , так что клетки получают по 23 хромосомы, состоящие из 2 -х хроматид:

Старение клеток n Известный американский ученый Л. Хейфлик доказал, что естественная продолжительность жизни человека обусловлена числом митозов, которое могут совершить клетки данного организма. Оказалось, что клетки эмбриона могут совершить около 50 делений, а затем в них наблюдаются все признаки апоптотической смерти . У взрослого человека клетки могли совершить уже не 50 а гораздо меньше делений, в зависимости от возраста обследуемого пациента. Впоследствии было показано, что механизм старческого апоптоза запускается и находится в ядре.

Гибель клеток n Помимо процессов создания необходимого числа клеток в организме с помощью митоза существует и обратный процесс, который может приводить к уменьшению количества или к удалению старых, изношенных, поврежденных или просто лишних клеток

Апоптоз n генетически контролируемая гибель клеток. Будучи универсальным процессом элиминации клеток, апоптоз совместно с митозом обеспечивает регуляцию численности клеточных популяций. Апоптоз обеспечивает удаление клеток из нормально развивающихся и функционирующих тканей, не вызывая при этом повреждения соседних клеток и не запуская воспалительный процесс.

Апоптоз n В начале процесса клетка утрачивает микроворсинки и контакты с соседними клетками, округляется и отделяется от клеточного пласта. Одновременно в ядре наблюдается перераспределение хроматина: он смещается к периферии, тогда как центральные области ядра становятся однородными. В результате гетерохроматин формирует по периметру ядра скопления с четко очерченными границами. Эухроматиновые области ядра при этом просветляются.

n Ядра клеток при апоптозе сжимаются, что обозначается термином “пикноз”. n Параллельно наблюдается конденсация цитоплазмы. При этом длительное время сохраняется целостность большинства цитоплазматических органелл, в том числе лизосом и митохондрий. n На более поздних этапах плазмолемма начинает формировать глубокие инвагинации, которые приводят к распаду клетки на гроздь апоптозных телец. В некоторых из них могут содержаться остатки клеточного ядра, состоящие из фрагментов нуклеолеммы и скоплений хроматина. В дальнейшем апоптозные тельца фагоцитируются макрофагами и другими клетками. Иногда апоптозные тельца не фагоцитируются, а слущиваются в полости, кровеносное русло или почечные канальцы. Длительность апоптоза обычно варьирует в пределах от 1 до 12 часов.

Некроз n Некроз - это патологический процесс, выражающийся в местной гибели ткани в живом организме в результате какого-либо экзо- или эндогенного ее повреждения. Некроз проявляется в набухании, денатурации и коагуляции цитоплазматических белков, разрушении клеточных органелл и, наконец, всей клетки. Некроз - это патологический процесс, запускающийся в ответ на какое-либо повреждающее воздействие (инфекция, химическое воздействие, облучение, недостаточное кровоснабжение и т. д. ).

При некрозе происходит выход лизосомальных ферментов из лизосом, которые и переваривают содержимое клетки, клетка набухает и лопается. Содержимое клетки выбрасывается во внеклеточную среду, где поглощается фагоцитами, развивается воспаление. Существуют и другие формы программируемой гибели - аутофагия. Процесс заключается в том, что органеллы соединяются с лизосомами, где перевариваются лизосомальными ферментами. Затем остатки клетки поглощают макрофаги.

некроз апоптоз Морфологические свойства Имеется внешнее повреждающее клеточную мембрану воздействие Нет внешнего повреждающего воздействия Ядро сморщивается, хроматин конденсируется Ядро сморщивается, а хроматин конденсируется на конечных стадиях процесса Повреждаются внутриклеточные мембранные структуры Не повреждаются внутриклеточные мембранные структуры набухание и дезинтеграция органелл Органеллы остаются морфологически интактными Во внеклеточную среду выходят вещества обусловливающие Не развивается воспалительная реакция воспалительную реакцию Повреждаются митохондрии и нарушается энергообразование Нарушается энергообразование в митохондриях Биохимические свойства потеря регуляции ионного гомеостаза Регулируемый процесс, включающий активацию и энзиматические реакции Не требует энергии – пассивный процесс, может происходить при Энергозависимый процесс – активный, требует физиологической температуре +4 С температуры Расщепление ДНК в случайных точках (большое размытое пятно ДНК Специфическое расщепление ДНК до моно- и олигонуклеотидов при электрофорезе (лестница ДНК при электрофорезе в агарозном геле) Физиологическое значение Отмирание одиночной клетки Отмирание группы клеток Клетка разрушается и ее части поглощаются иммунокомпетентными Элементы цитоплазмы отщепляются в мембранных пузырьках и клетками поглощаются соседними клетками или тканевыми макрофагами На месте погибшей клетки происходит соединительнотканое замещение На месте погибшей клетки не происходит соединительнотканое замещение

Регенерация тканей n Регенерацией называется образование новой ткани на месте погибшей, отмершей. В здоровом, нормальном организме все время происходит физиологическая регенерация клеток; постоянно слущивается отмерший роговой слой эпидермиса, и взамен него во внутреннем слое кожи размножаются новые клетки. Такое же слущивание покровного эпителия происходит и на слизистых оболочках. В кровеносных сосудах эритроциты обычно живут 60— 120 дней. Следовательно, приблизительно в течение 2 месяцев происходит полное их обновление. Так же систематически восполняются по мере их гибели или отмирания и лейкоциты, и другие форменные элементы крови. При различных патологических процессах клетки и ткани разрушаются в большем количестве, чем в норме. Регенерации тканей принадлежит огромное значение в процессе восстановления поврежденных тканей и органов. В регенерации различают такие понятия, как форма регенерации, уровень регенерации, способ регенерации.

n Формы регенерации: n 1. Физиологическая регенерация - восстановление клеток ткани после их естественной гибели (например, кроветворение); n 2. Репаративная регенерация - восстановление тканей и органов после их повреждения (травмы, воспаления, хирургического воздействия и так далее).

Регуляция регенерации тканей n Регенерация тканей происходит вследствие пролиферации недифференцированных клеток, обладающих способностью не только делится под действием соответствующих стимулов, но также и дифференцироваться в клетки той ткани, регенерация которой происходит. Эти клетки носят название взрослых стволовых клеток. Многие ткани взрослого организма, такие как ткани гемопоэтической системы, пищеварительный эпителий, мозг, эпидермис, легкие содержат пул таких клеток. Стволовые клетки тканей взрослого индивидуума снабжают организм зрелыми дифференцированными клетками в течение нормального гомеостаза, а также во время регенерации и восстановления тканей и органов.