ЯДРО КЛЕТКИ КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ Лекция проф М Ю

ЯДРО КЛЕТКИ. КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ Лекция проф. М. Ю. Капитоновой

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, например, синдром Дауна.

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.

Компартменты клетки и их распределение Ядро ограничено двойной ядерной мембраной – ядерной оболочкой – и заполнено нуклеоплазмой, содержащей генетическую информацию, закодированную молекулами ДНК.

2 Ядерная оболочка 3 1 Ядерная оболочка представлена внутренним и наружным (1) листками, между которыми вставлена перинуклеарная цистерна (пространство) толщиной 10 - 30 нм. Оба листка соединяются друг с другом в местах, где находятся ядерные поры (2). У обоих листков разное предназначение. Наружный листок испещрен рибосомами с цитоплазменной поверхности. – он продолжается в ГЭС (3). Это специализированный отдел ГЭС. Рибосомы, соединенные с наружным листком, активно синтезируют трансмембранные белки для внутреннего и наружного листков ядерной оболочки.

КАРИОЛЕММА Внутренний листок 2 ядерной оболочки обращен к кариоплазме. Он подстила 1 ется ядерной пластинкой (1) (аналогична кортикальному слою плазмалеммы клетки). Ядерная пластинка – это сеть переплетающихся промежуточных филаментов, толщиной 80 - 100 нм, состоящая из трех видов белков – ядерные ламины А, B и C. Филаменты образуют поддерживающую решетку для кариолеммы (2). 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.

2 ЯДРО 1 Ядерные поры (1) располагаются в местах перерыва кариолеммы (2), 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). Число ядерных пор варьирует от десятков до тысяч в зависимости от метаболической активности клетки. У ядра сперматозоида пор нет. Диаметр пор 70 -100 нм. Хотя пора достаточно велика, она вся заполнена структурами комплекса ядерной поры. Поры контактируют друг с другом через ядерную пластинку.

ЯДЕРНАЯ ПОРА, TЭM 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.

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 транспортировать-ся путем диффузии, а транспортируются селективным рецептор-медиированным транспорта. 2 1 Двусторонний транспорт через пору обеспечивается белками экспортинами (транспортируют РНК из ядра) и им портинами (транспортируют белковые субъединицы рибосом), регулируемыми белками Ran из семейства GTPсвязывающих белков. Это транс-порт чаще активный, реже - пассивный.

Пора ограничена восемью вертикальными белковыми комплексами, которые представляют собой крупные белковые молекулы или компоненты рибосом, находящихся в процессе транспорта. По горизонтали пора ограничена тремя кольце видными 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

Среднее кольцо также состоит из 8 трансмембранных белковых молекул (1), которые выбухают и в просвет поры, и в перинуклеарную цистерну (2). Эти спицевидные белки прикреп ляют гликопротеиновые компоненты (3) комплекса ядерной поры к наружному ободку поры. Центр среднего кольца занят «транспортером» (4), прикрепленным к спицевидным белкам среднего кольца. Центральный просвет среднего кольца ограничивает пассивную диффузию через пору. Комплекс ядерной поры 3 4 1 2

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. Частицы размером 17, 000 дальтон быстро проходят через пору, более крупные – медленнее, свыше 60, 000 дальтон – с трудом проходят через нее. КОМПЛЕКС ЯДЕРНОЙ ПОРЫ 2 1 3

РЕЗЮМЕ ПО КАРИОЛЕММЕ: - Кариолемма состоит из двух параллельных элементарных мембран (внутренний и наружный листок), ограничивающих перинуклеарную цистерну; -Ядерные поры обеспечивают сообщение между кариоплазмой и цитоплазмой; -Комплекс ядерной поры представляет собой саму пору и связанные с ней гликопротеины; -Ядерная пора обеспечиваент нуклеоплазменный транспорт; двусторонний -Ядерная пластинка – это подпорка, поддерживающая форму ядра.

ЯДРО = КАРИОЛЕММА + НУКЛЕОПЛАЗМА Нуклеоплазма: -Содержит макромолекулы и ядерные частицы, поддерживающие жизненные процессы в клетке, -Подразделяется на два субкомпартмента: -Хроматин, генетический материал клетки; -Ядрышко, центр синтеза рибосомальной РНК.

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

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.

Гепатоцит, TЭM x 50, 000. 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. Э

ОБРАЗОВАНИЕ ХРОМАТИНА 2 6 1 3 4 5 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 хромосомы в метафазе деления.

Ядро содержит хромосомы и является место биосинтеза РНК. Транскрипция ДНК на м-РНК и т. РНК осуществляется в ядре, а р-РНК- в ядрышке. The nucleus houses chromosomes and is the location of RNA ПРОЦЕСС ТРАНСКРИПЦИИ

РЕЗЮМЕ ПО ХРОМАТИНУ: -Ядерная ДНК организована вокруг молекул гистонов с образованием нуклеосом. Нуклеосомы закручиваются с образованием нитей хроматина. -Хроматин – это комплекс ДНК и белка, представляет собой раскрученную хромосому интерфазного ядра. -Хроматин может быть в двух видах: эу- и гетерохроматин. Эу хроматин – 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, что стали видны в световой микроскоп.

Hepatocyte, 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 фибриллы – и. РНП-частицы.

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 друглм тонкими фибриллами.

Шванновская клетка, ТЭМ Перихроматиновые гранулы – диаметром 30 -50 нм, расположены по краям гетерохроматина. Они окружены светлым ободком шириной 250 нм. Они состоят из плотно упакованных фибрилл, состоящих 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, функция их до конца не ясна.

Гонадотропная клетка Ядерный матрикс содержит 10% белка, 30% РНК, 1 -3% ДНК и 25% всего ядерного фосфата. Функционально он связан с участками репликации ДНК, трнскрипции м. РНК и т. РНК, связывания рецепторов к стероидам, белков теплового шока, карциногенов и т. д.

Ядрышко – это губчатая субстанция, состоящая из чередующегося электроноплотного и прозрачного материала, свободно суспендированного в нуклеоплазме. В электроноплотных участках выделяют pars granulosa и pars fibrosa.

МАКРОФАГ, ТЭМ Ядрышко бывает 1 -3 мкм в диаметре. При активной транскрипции в ядре оно может увеличиваться, занимая до ¼ объема ядра. У неактивных метаболически клеток ядрышко маленькое или отсутствует, а у активных клеток ядрышек несколько и они крупные.

ядрышко Ядрышко – это темноокрашенная немебранная структура в ядре, участвующая в синтезе р. РНК 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 р. РНК.

Аденогипофиз, ТЭМ Pars amorpha (светлая часть ядрышка ) – это так называемая область ядрышкового организатора, содержащая специфические РНК -связывающие 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.

В светлых участках ядрышка находятся кончики хромосом 13 -15, 21, 22 (у человека), содержащие области ядрышкого организатора (NORs), где располагаются локусы генов, кодирующих р. РНК. У клеток злокачественных новообразования ядра становятся гипертрофичными! Ядрышко, ТЭМ, x 80, 000

ЯДРА КЛЕТОК КРОВИ B 1. Базофильный эритробласт. Хроматин рыхлый. Мазок крови, окраска по Райту, 1416 x. B 2: Мелкое пикнотичное ядро оксифильного эритробласта (нормобласта). Хроматин очень компактный и томно окрашенный (перед выталкиванием ядра из клетки).

Моноциты в мазке крови человека, окраска по Райту, 4416 x. Справа – моноцит, захвативший ядро эритроцита.

ЯДРО Женский половой хроматин в мазке крови, окраска по Райту, х1416 x. Тельце Барра обоазовано 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.

ХРОМОСОМЫ Метафазные хромосомы, культура периферических лимфоцитов, окраска по Гимза, 2142 x. 68 -часовая культура периферическ их 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 чмисла хромосом.

НОРМАЛЬНЫЙ КАРИОТИП МУЖЧИНЫ При изменении числа хромосом (удвоение, выпадении) и при аномальном строении наблюдаются пороки развития (умственная отсталость, бесплодие).

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). Э ти пациенты имеют мужской фенотип, но вторичные половые признаки у них не развиваются и они остаются стерильными. -Синдром Тернера – другой пример анеуплоидии – моносомии половых хромосом (XO). Пациентки с таким генотипом отличаются дегенерацией яичников недоразвитием молочных желез, маленькими размерами матки и умственной отсталостью.

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.

Практическая гистология Ядро : -Метаболически неактивной клетки имеет компактное округлое ядро с интенсивно окрашенным хроматином (так как мало хроматина участвует в транскрипции). Ядрышки не различимы (так как продукция рибосом минимальна). -Белок-синтезирующие клетки имеют крупное светлое ядро с большим ядрышком или несколькими ядрышками, так как идет активная транскрипция хроматина. -Мертвая клетка имеет сморщенное ядро, которые выглядит аморфной компактной массой интенсивно окрашенного материала. Потом оно расщепляется на фрагменты и полностью лизируется, оставляют клетку без ядра, после чего и сама клетка дезинтегрирует и исчезает.

АПОПТОЗ – ЗАПРОГРАММИРОВАННАЯ ГИБЕЛЬ КЛЕТКИ апоптоз Апоптозные тельца макрофаг

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ Неделящиеся клетки (нервные клетки) выходят из цикла и вступают в Go фазу (покоя). I – интерфаза II – профаза III- метафаза IV – анафаза V – телофаза VI - цитокинез митоз деление интерфаза

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.

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ Жизненный цикл

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 возвращатся 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 включает 5 стадий.

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ

2 к 3 1 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. МИТОЗ, ПРОФАЗА

3 2 1 Ядерная мембрана распадается с образованием мелких пузырьков (1), что позволяет микротрубочкам веретена (2) получить доступ к хромосомам. Каждая пара хромосом своим центромерным участком (кинетохором) прикрепдяется к микротрубочкам, тянущимся от полюсов веретена (3). Пары хромосом направляются на экватор клетки. МИТОЗ. ПРОМЕТАФАЗА.

1 Движение хромосом вдоль трубочек ведет к их выстраиванию на экваторе (1) клетки между полюсами веретена. МИТОЗ. МЕТАФАЗА

3 2 1 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. МИТОЗ. АНАФАЗА

1 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. МИТОЗ. ТЕЛОФАЗА.

1 Разделение на две клетки происходит за счет аггрегации актин-миозинового 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. МИТОЗ. ЦИТОКИНЕЗ.

КЛИНИЧЕСКИЕ КОРРЕЛЯЦИИ -Противораковые препараты. Многие из них направлены на регуляцию клеточного цикла (блокаду). Но блокиуется 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. .

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.

1) 2) 3) 4) Результаты цитокинеза: Органеллы равномерно распределены между соседними клетками. Сразу после деления дочерние клетки входят в фазу активного синтеза РНК и белка, что приводит к увеличению объема и ядра, и цитоплазмы. Концентрация эндоплазматической сети и комплекса Гольджи восстанавливается в исходных значениях. Митохондрии воспроизводятся делением, центриоли удваиваются прямо перед следующим делением.