n n n n КГМУ Кафедра молекулярной биологии

n n n n КГМУ Кафедра молекулярной биологии и медицинской генетики Лекция Тема: «Клеточный цикл. Регуляция клеточного цикла. Формы клеточного деления. Митоз. Мейоз» Специальность: 051301 - «Общая медицина» Курс: 1 Время: 100 мин. Лектор: доцент Бритько В. В.

n n n n n Тема: «Клеточный цикл. Регуляция клеточного цикла. Формы клеточного деления. Митоз. Мейоз» Цель: изучение периодов клеточного цикла и молекулярно-генетических механизмов. Формы деления. Митоз. Мейоз. План лекции: 1. Характеристика клеточного цикла. 2. Интерфаза и ее периоды. 3. Поступательный характер клеточного цикла. 4. Характеристика митоза. 5. Контрольные пункты в клеточном цикле. 6. Биологическое значение митоза.

Клеточный цикл Жизнь клетки можно представить на схеме в виде цикла, в котором выделяют несколько фаз. Клеточный цикл – переход от деления к синтезу веществ, составляющих клетку, а затем опять к делению. Основные этапы жизни клетки: n n n Фаза роста, Фазы подготовки к делению(2) Фазу деления

n n Период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до ее собственного деления называется клеточными или жизненным циклом. Обязательными компонентами клеточного цикла является пролиферативный или митотический цикл и период выполнения клеткой специальных функций, а также периоды покоя.

n Клеточный цикл состоит из трех главных стадий: интерфаза, митоз и цитокинез. Продолжительность клеточного цикла зависит от типа клетки и стадии развития организма. Например: клеточный цикл оплодотворенного яйца непродолжительный.

n Яйцо делится быстро (у лягушки – 30 мин. ) Много времени занимает S и митоз, а G 1 и G 2 – короткие, т. к. в яйце много белков, различных веществ, необходимых для деления. У человека клеточный цикл составляет около 24 часов (для быстро делящихся клеток).

n n Интерфаза. Этот период характеризуется интенсивным синтезом и ростом. Интерфаза делится на 3 фазы: G 1 , S и G 2. Фаза G 1 пресинтетическая, в ней происходит синтез веществ, образование митохондрий, комплекса Гольджи, эндоплазматического ретикулума, рибосом. Синтезируются структурные и функциональные белки. G 1 у млекопитающих происходит 12 часов.

n S фаза. Переход клеток в фазу S зависит от активатора S- фазы фактора белковой природы. Фаза S характеризуется удвоением или репликацией ДНК. Каждая хромосома превращается в две хроматиды, соединенные центромерой.

n Фаза G 2. В ней идут интенсивные процессы биосинтеза, запасание АТФ, происходит деление митохондрий. Начинает формироваться веретено деления, происходит удвоение центриолей. Переход клетки в фазу Митоза контролируется стимуляции митоза или М-стимулирующим фактором.

Жизнь клетки и переход от одной фазы клеточного цикла к другой регулируется изменением концентраций белков n циклинов. Часть клеток из этой фазы переходит в фазу G 0, эти клетки функционируют и потом погибают без деления (например, эритроциты). n Т. о. , после окончания интерфазы начинается кариокинез или митоз, состоящий из 5 стадий.

Деление клетки n n При подготовке к делению происходит репликация ДНК, на каждой хромосоме синтезируется ее копия. Пока эти хромосомы после удвоения не расходятся, каждая хромосома в этой паре называется хроматидой. После репликации ДНК конденсируется, хромосомы приобретают более компактную укладку, и их можно увидеть в микроскоп

1. Профаза - самая продолжительная по времени. Ее события: 1) спирализация и конденсация хромосом, они становятся короткими и толстыми. 2) центриоли расходятся к полюсам клетки, ядрышко уменьшается. n 2. Прометафаза – растворяется ядерная мембрана на фрагменты (пузырьки), ламина также разрушается на промежуточные филаменты. n

n 3. Метафаза. Завершается формирование веретена деления. Микротрубочки прикрепляются с обоих сторон к сестринским хроматидам и приводят их в движение. Хромосомы максимально спирализуются, выстраиваются у экватора, образуя метафазную или экваториальную пластинку.

Микротрубочки бывают 3 видов: 1) кинетохорные – связывают хроматиды в области кинетохора. 2) полярные – идут от центриолей (диплосом) к центру веретена. 3) астральные – направлены от центриоли к поверхности клетки. n

n 4. Анафаза – самая короткая стадия митоза. Хроматиды теряют связь друг с другом и расходятся к полюсам. Хроматиды становятся самостоятельными хромосомами. Движение хромосом обеспечивается: изменением длины микротрубочек.

n 5. Телофаза. Хромосомы достигают полюсов клетки, деспирализуются, удлиняются. Нити веретена деления исчезают. Восстанавливается ядерная мембрана из пузырьков, формируется ламина, появляются ядрышки

n Цитокинез (цитотомия). Разделение тела клетки между ядрами. На уровне экватора формируется выпячивание, образуется перетяжка, и клетка полностью делится на 2 клетки. Восстанавливаются органеллы клетки – ЭПС, аппарат Гольджи.

n n n Поступательный характер клеточного цикла. Клеточный цикл поступателен. Когда клетки вступают в G 1, должны быть пройдены последовательно все молекулярные процессы, чтобы перейти в стадию S. Если этого не происходит, клетка остается на G 1, и репликация задерживается, фаза G 1 удлиняется. Такое состояние называется G 0 – особое состояние клеточного цикла.

n Нейроны, кардиомиоциты находятся в фазе G 0, они высокодифференцированны, циклы деления в них приостановлены. n Клетки костного мозга, слизистой ЖКТ, наоборот все время делятся (редко бывают в фазе G 0).

Регуляция клеточного цикла. n Ключевую роль в смене фаз клеточного цикла играют белки: циклины и циклинзависимые киназы. n Запускают клеточный циклин Д – функционирует на стадии G 1, а завершает G 1 - циклин Е. n

В периоде S – функционируют циклины А и В. n В фазе G 2 – циклин В вводит в клетку в митоз, именно он и является М – стимулирующим фактором. n Все перечисленные циклины быстро распадаются с помощью убиквитина и протеаз. n

n n Контрольные пункты клеточного цикла. Контрольные пункты в клеточном цикле необходимы для подготовки клетки к переходу в следующую стадию. В случае неподготовленности клетки переход запрещается. Если повреждения обнаружены в фазе G 1, то ген р53 (или белок р53) вызывает задержку клетки в G 1, до тех пор пока ферменты репарации восстановят повреждение.

n В клетках метастатических опухолей оба аллеля р53 неактивны, повреждения ДНК реплицируются, что приводит к росту опухолей. Если ошибки или мутации обнаружены в процессе репликации (в фазе S), то клетка не может выйти из S фазы, до исправления ошибок и проведения точной репликации ДНК.

Так же регулируется переход из G 2 в митоз (М). Если повреждения не устранены, то ген р53 дает сигнал к переходу клетки в апоптоз. n Поэтому ген р-53 назван стражем генома. n Типы повреждений ДНК: n - изменение оснований (замена, вставка, делеция); n - появление димеров; n - действие электромагнитных излучений. n

n n n n Различные ткани обладают разной митотической активностью: Они делятся: 1) стабильные; 2) растущие; 3) обновляющиеся; Стабильные ткани – в них клетки не делятся, количество ДНК в них постоянно (клетки ЦНС). Растущие ткани – отдельные клетки делятся путем митоза (клетки почек, желез внутренней секреции, скелетной и сердечной мускулатуры). За счет деления клеток размер тканей увеличивается.

n n n Обновляющие ткани – погибшие клетки заменяются новыми (эпидермис, костный мозг, слизистые ЖКТ). Значение митоза: 1) генетическая стабильность; 2) рост; 3) бесполое размножение; 4) регенерация.

При образовании гамет, т. е. половых клеток – сперматозоидов и яйцеклеток – происходит деление клетки, называемое мейозом. Из исходных клеток с диплоидным набором хромосом возникают гаметы с гаплоидным набором. Из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидных клетки. Фазы деления клетки, которые следуют за интерфазой, называются профаза, метафаза, анафаза, телофаза и после деления опять интерфаза.

n Кроссинговер – обмен частями между гомологичными хромосомами – происходит в профазе первого деления мейоза (профаза I), которая включает следующие этапы: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез (Л, З, П, Д, Д. ).

n Лептотена – конденсация хромосом с образованием длинных тонких волокон с длинной белковой нитью. Хромосомы прикреплены концами к ядерной мембране. Хроматиды тесно сближены.

n Зиготена – начало синапсиса – тесной конъюгации двух гомологов. После конъюгации белковые нити сближаются с образованием синаптонемального комплекса. Пары гомологов называются бивалентами или тетрадами.

n Пахитена – происходит кроссинговер т. е. обмен участками между несестринскими хроматидами что дает начало новым комбинациям генов.

n Диплотена – распад синаптонемального комплекса. Гомологи отходят друг от другасвязаны между собой хиазмами – местом где прошел кроссинговер.

n Диакинез – хроматиды гомологичных хромосом отталкиваются друг от друга, но остаются связанными в области центромер и хиазм (биваленты приобретают форму креста если хиазма одна, кольцевиднуюесли хиазмы две, петлевидную – если хиазмов больше. )

n Метафаза 1. Биваленты выстраиваются у экватора образуя метафазную пластинку. Формируются нити веретена деления. n Анафаза 1. Центромеры не разделены. Нити веретена деления тянут центромеры к полюсам, каждая из которых связана с двумя хроматидами.

Телофаза 1. Хроматиды связанные центромерами находятся у полюсов, исчезает веретено деления. Образуется две клетки с гаплоидным набором хромосом. n Интерфаза 2. Фаза S отсутствует и репликации ДНК не происходит. n Мейоз 2. По механизмам деления он сходен с митозом. n

Патология деления. Трехполюсный митоз

Амитоз (или прямое деление клетки) — деление клетки без образования веретена деления. Долгое время наряду с митозом и мейозом считался одним из основных способов деления клеток. Встречается как способ деления ядра у простейших, растительных и животных клетках. n

Клетка после амитоза, неспособна вступать в нормальный митотический цикл. n В ностоящее время считается, что амитоз это результат недостаточно качественно приготовленных микроскопических препаратов или патологических процессов. n

n n При амитозе, в отличие от митоза, или непрямого деления ядра, ядерная оболочка и ядрышки не разрушаются, веретено деления в ядре не образуется, хромосомы остаются в рабочем (деспирализованном) состоянии. Амитоз не обеспечивает равномерного деления ядра и отдельных его компонентов.

n Эндомитоз (от эндо. . . и митоз), удвоение числа хромосом в ядрах клеток, без последующего разделения цитоплазмы и ядра. Результатом эндомитоза является образование полиплоидных клеток, с кратным 2 увеличением хромосомного набора.

Апоптоз- это генетически запрограммированный активный процесс смерти клетки, протекающий с потреблением энергии. Это особая форма клеточной смерти. Природа снабдила клетки не только механизмами защиты и репарации, но и механизмом самоубийства или суицида.

n Старение клетки приводит к катабиозу (ката – вниз, биоз – жизнь) и смерти клеток. Смерть клеток – это необратимое прекращение явлений жизнедеятельности, утрата способности к росту, размножению. Клетки имеют разную продолжительность жизни. Есть клетки долгожители, они существуют практически до конца жизни организма, выполняя специфическую функцию.

n Другие клетки появляются, чтобы выполнить определенную задачу. Например, при метаморфозе головастик лягушки теряет жабры и хвост. Клетки этих органов запрограммированы на определенную продолжительность жизни. В гибели таких клеток активную роль играют специальные генетически запрограммированные внутриклеточные механизмы.

Апоптоз – означает «листопад» . Программа апоптоза может запускаться при следующих обстоятельствах: n неудовлетворительное состояние самой клетки т. е. (апоптоз изнутри) n «негативная сигнализация снаружи, она передается через рецепторы клетки, т. е. –апоптоз по команде. n

Апоптоз изнутри Пусковым механизмом может быть: n различные повреждения хромосом (разрыв ДНК, сшивки цепей ДНК) n повреждения внутриклеточных мембран в результате перекисного окисления липидов. n

n n n Эти повреждения вызываются внешними факторами: облучением, изменением температуры, химическими соединениями, оксидом азота, радикалами. Ускорять данные изменения могут стрессы, нарушение питания клеток (например, уменьшение нейронов головного мозга с возрастом. Апоптоз в данном случае вызывает болезнь Паркинсона). Таким образом, апоптоз направлен на уничтожение дефектных клеток.

Апоптоз по команде n n n 1. Такой апоптоз связан с онтогенезом: - гибель клеток куколки при метаморфозе насекомых; - зачатков хорды в эмбриогенезе - быстрая инволюция органов у горбуши после нереста, которая заканчивается смертью. 2. Формирование и функционирование иммунной системы (уничтожение Т- и В лимфоцитов)

n n n 3. Развитие кроветворных клеток всех рядов (лимфоидных). Для развития данных клеток требуются определенные цитокины. 4. В женской репродуктивной системе: - гибель клеток (ооцитов, фолликулярных клеток), - гибель желтого тела, - гибель лактоцитов молочной железы после прекращения лактации.

Морфология апоптоза и некроза. Этапы развития апоптоза n Конденсация хроматина и сжатие клетки (вследствие конденсации цитоплазмы). Хроматин располагается по периферии ядра в виде плотной гомогенной массы. Цитоплазма уменьшается в объеме, клетка меняет свою форму.

n Фрагментация ядра и цитоплазмы с образованием апоптозных телец. Ядро распадается на фрагменты, окруженные ядерной оболочкой и содержащий плотные массы хроматина. В клетке образуются глубокие выпячивания, образуются лопасти, которые постепенно отшнуровываются и их называют апоптозные тельца, в которых могут быть ядерные фрагменты или участки цитоплазмы.

n n Фагоцитоз апоптозных телец окружающими клетками. К фагоцитозу апоптозных телец способны не только фагоциты, но и все окружающие клетки. Клетки распознают апоптозные тела по изменениям в поверхности плазмолеммы

Некроз n n Некроз – это процесс развивается при повреждениях клетки, при изменении условий ее существования (нарушение кровотока). При таких условиях механизмы апоптоза не работают. Главное отличие некроза от апоптоза: - некроз – это смерть клетки вследствие ее повреждении (химического, термического, электро-магнитного излучения). Некроз характерен для группы клеток, апоптоз для одной клетки.

n Некроз протекает очень быстро, повреждается мембрана, нарушается ее проницаемость, клетка набухает, при повреждении лизосом наступает автолиз (самопереваривание) клетки. Могут начаться воспалительные процессы, появляются опухоли.

Ферменты и апоптоз n Каспазы – это цитоплазматические протеазы или ферменты апоптоза каспазы способны разрывать пептидные связи которые образованы аспарагиновой кислотой. В семейство каспаз входят 10 ферментов, они способны активировать друга, под действием сигнала, идущего от плазмолеммы, с помощью посредников (первой активируется каспаза 8). Активацию каспаз вызывают факторы, полученные из митохондрий (при повышенной проницаемости их мембран).

Эти протеазы активируют каспазу 9. n Для работы каспаз необходимо условие: отсутствие в клетке ингибиторов каспаз, которыми являются особые белки (ингибиторы апоптоза). n

Мишенями каспаз служат: n цитоплазматические и ядерные белки (гистон Н 1), ламин n ферменты репликации и репарации (топоизомеразы); n регуляторные белки (контролирующие клеточный цикл; n ингибиторы эндонуклеаз. n

Эндонуклеазы n n 2. При апоптозе эндонуклеазы разрушают ДНК до фрагментов (и крупных и мелких), действуя на линкерные участки (подробно у Мушкамбарова) 3. Кроме каспаз и эндонуклеаз, способствующих апоптозу, в клетке накапливаются сильные окислители, которые являются сильным повреждающим фактором и вызывают апоптоз клетки (это накопление оксида азота NO, супероксидного и гидроксидного радикалов, перексинитрита, нитритов, нитратов и др. )

n n В клетке происходит окислительный стресс, к которому очень чувствительны мембраны, нарушается их проницаемость, что важно для начала апоптоза. В норме в клетке действует система антиоксидантной защиты (каталаза, супероксиддисмутаза, перокисдаза). При окислительном стрессе эти ферменты не справляются с большим количеством окислителей.

n n Примером апоптоза является системная красная волчанка, где клетки кожи гибнут под действием ультрафиолетовых лучей. Здесь страдает система ДНК – репарации и даже слабые мутагенные воздействия вызывают генетические изменения кожи.

n n n Контрольные вопросы: 1. Назовите основные события профазы. 2. Механизм формирования веретена деления. 3. Основные виды микротрубочек. 4. Характеристика цитомии.