Лекції по цитології
Лекція10.doc
Кількість годин: 2
Життєвий цикл клітини
Мітоз. Стадії мітозу, їх тривалість і характеристика
Амитоз. Ендорепродукція
1. Життєвий цикл клітини
Клітини багатоклітинного організму надзвичайно різноманітні по виконуваних функцій. Відповідно до спеціалізації клітини мають різну тривалість життя. Так нервові клітини після завершення ембріогенезу перестають ділитися і функціонують протягом усього життя організму. Клітини ж інших тканин (кісткового мозку, епідермісу, епітелію тонкого кишечника) в процесі виконання своєї функції швидко гинуть і змінюються новими в результаті клітинного ділення. Розподіл клітин лежить в основі розвитку, зростання і розмноження організмів. Розподіл клітин також забезпечує самовідновлення тканин протягом життя організму і відновлення їх цілісності після пошкодження. Існує два способи поділу соматичних клітин: амитоз і мітоз. Переважно поширене непрямий поділ клітин (мітоз). Розмноження за допомогою мітозу називають безстатевим розмноженням, вегетативним розмноженням або клонуванням.
^ Життєвий цикл клітини (клітинний цикл) - це існування клітини від поділу до наступного поділу або смерті. Тривалість клітинного циклу в розмножуються клітинах складає 10-50 ч і залежить від типу клітин, їх віку, гормонального балансу організму, температури і інших чинників. Деталі клітинного циклу варіюють серед різних організмів. У одноклітинних організмів життєвий цикл збігається з життям особини. У безперервно розмножуються тканинних клітинах клітинний цикл збігається з мітотичним циклом.
^ Мітотичний цикл - сукупність послідовних і взаємопов'язаних процесів в період підготовки клітини до поділу і період поділу (рис 1). У відповідність з наведеним вище визначенням мітотичний цикл поділяють на інтерфазу і мітоз (грец. "Митос" - нитка).
Интерфаза - період між двома поділами клітини - підрозділяється на фази G1. S і G2 (нижче вказана їх тривалість, типова для рослинних і тваринних клітин.). За тривалістю интерфаза становить більшу частину мітотичного циклу клітини. Найбільш варіабельні за часом G1 і G2 -періоди.
G1 (від англ.grow- рости, збільшуватися). Тривалість фази становить 4-8 ч. Це фаза починається відразу після утворення клітини. У цій фазі в клітці посилено синтезуються РНК і білки, підвищується активність ферментів, які беруть участь в синтезі ДНК. Якщо клітина надалі не ділиться, то переходить в фазу G0 - період спокою. З урахуванням періоду спокою клітинний цикл може тривати тижні або навіть місяці (клітини печінки).
S (від англ.synthesis- синтез). Тривалість фази становить 6-9 год. Маса клітини продовжує збільшуватися, і відбувається подвоєння хромосомної ДНК. Дві спіралі старої молекули ДНК розходяться, і кожна стає матрицею для синтезу нових ланцюгів ДНК. В результаті кожна з двох дочірніх молекул обов'язково включає одну стару спіраль і одну нову. Проте хромосоми залишаються одинарними за структурою, хоча і подвоєними за масою, так як дві копії кожної хромосоми (хроматиди) все ще з'єднані один з одним по всій довжині. Після завершення фази S мітотичного циклу клітина не відразу починає ділитися.
G2. У цій фазі в клітці завершується процес підготовки до мітозу: накопичується АТФ, синтезуються білки ахроматинового веретена, подвоюються центріолі. Маса клітини продовжує збільшуватися до тих пір, поки вона приблизно вдвічі не перевищить початкову, а потім настає мітоз.
^ Рис. Мітотичний цикл: М - мітоз, П - профази, Мф - метафаза, А - анафаза, Т- телофаза, G1- пресинтетичний період, S - синтетичний період, G2- постсинтетичний
^ 2. Мітоз. Стадії мітозу, їх тривалість і характеристика. Мітоз умовно поділяють на чотири фази: профазу, метафазу, анафазу і телофазу.
Профаза. Дві центриоли починають розходитися до протилежних полюсів ядра. Ядерна мембрана руйнується; одночасно спеціальні білки об'єднуються, формуючи мікротрубочки у вигляді ниток. Центриоли, розташовані тепер на протилежних полюсах клітини, надають організуючий вплив на мікротрубочки, які в результаті шикуються радіально, утворюючи структуру, що нагадує за зовнішнім виглядом квітка айстри ( «зірка»). Інші нитки з мікротрубочок простягаються від однієї центріолі до іншої, утворюючи веретено поділу. В цей час хромосоми спирализуются і внаслідок цього товщають. Вони добре видно в світловому мікроскопі, особливо після фарбування. Зчитування генетичної інформації з молекул ДНК стає неможливим: синтез РНК припиняється, ядерце зникає. У профазі хромосоми розщеплюються, але хроматиди все ще залишаються скріпленими попарно в зоні центромери. Центромери теж роблять організуючий вплив на нитки веретена, які тепер тягнуться від центріолі до Центромера і від неї до іншої центріолі.
Метафаза. У метафазі спирализация хромосом досягає максимуму, і укорочені хромосоми спрямовуються до екватора клітини, розташовуючись на рівній відстані від полюсів. Утворюється екваторіальна, або метафазних, платівка. На цій стадії мітозу чітко видно структуру хромосом, їх легко порахувати і вивчити їх індивідуальні особливості. У кожній хромосомі є область первинної перетяжки - центромера, до якої під час мітозу приєднуються нитка веретена поділу і плечі. На стадії метафази хромосома складається з двох хроматид, з'єднаних між собою тільки в області центромери.
^ Рис. 1. Мітоз рослинної клітини. А - интерфаза;
Б, В, Г, Д профази; Е, Ж-метафаза; 3, І - анафаза; К, Л, М-телофаза
У анафазе в'язкість цитоплазми зменшується, центромери роз'єднуються, і з цього моменту хроматиди стають самостійними хромосомами. Нитки веретена поділу, прикріплені до Центромера, тягнуть хромосоми до полюсів клітини, а плечі хромосом при цьому пасивно слідують за центромерой. Таким чином, в анафазе хроматиди подвоєних ще в інтерфазі хромосом точно розходяться до полюсів клітини. У цей момент в клітці знаходяться два диплоїдних набору хромосом (4n4с).
Таблиця 1. Мітотичний цикл і мітоз
При Цитокінез утворюється борозна
в різних тканинах організму
Так з однієї клітини формуються дві дочірні, в яких спадкова інформація точно копіює інформацію, що містилася в материнській клітині. Починаючи з першого мітотичного поділу заплідненої яйцеклітини (зиготи) все дочірні клітини, що утворилися в результаті мітозу, містять однаковий набір хромосом і одні і ті ж гени. Отже, мітоз - це спосіб поділу клітин, що полягає в точному розподілі генетичного матеріалу між дочірніми клітинами. В результаті мітозу обидві дочірні клітини отримують диплоїдний набір хромосом.
Весь процес мітозу займає в більшості випадків від 1 до 2 годин. Частота мітозу в різних тканинах і у різних видів різна. Наприклад, в червоному кістковому мозку людини, де щосекунди утворюється 10 млн еритроцитів, в кожну секунду повинно відбуватися 10 млн. Митозов. А в нервовій тканині мітози трапляються рідко: так, в центральній нервовій системі клітини в основному перестають ділитися вже в перші місяці після народження; а в червоному кістковому мозку, в епітеліальної вистилки травного тракту і в епітелії ниркових канальців вони діляться до кінця життя.
Регуляція мітозу, питання про пусковому механізмі мітозу.
Фактори, які спонукають клітину до мітозу точно не відомі. Але вважають, що велику роль відіграє фактор співвідношення обсягів ядра і цитоплазми (ядерно-плазмове співвідношення). За деякими даними, відмирають клітини продукують речовини, здатні стимулювати поділ клітин. Білкові фактори, що відповідають за перехід в фазу М, спочатку були ідентифіковані на основі експериментів по злиттю клітин. Злиття клітини, що знаходиться в будь-якій стадії клітинного циклу, з кліткою знаходиться в М фазі, призводить до входження ядра першої клітини в М фазу. Це означає, що в клітці знаходиться в М фазі існує цитоплазматический фактор здатний активувати М фазу. Пізніше цей фактор був вдруге виявлено в експериментах по перенесенню цитоплазми між ооцитами жаби, що знаходяться на різних стадіях розвитку, і був названий "фактором дозрівання" MPF (maturation promoting factor). Подальше вивчення MPF показало, що цей білковий комплекс детермінує всі події М-фази. На малюнку показано, що розпад ядерної мембрани, конденсація хромосом, збірка веретена, цитокинез регулюються MPF.
Мітоз гальмується високою температурою, високими дозами іонізуючої радіації, дією рослинних отрут. Один з таких отрут називається колхіцин. З його допомогою можна зупинити мітоз на стадії метафазної пластинки, що дозволяє підрахувати число хромосом і дати кожній з них індивідуальну характеристику, т. Е. Провести каріотипування.
^ Амитоз. Ендорепродукція
Амитоз (від грец. А - негативні. Частка і мітоз) - прямий поділ інтерфазних ядра шляхом перешнуровиванієм без перетворення хромосом. При амитозе не відбувається рівномірне розбіжність хроматид до полюсів. І цей поділ не забезпечує утворення генетично рівноцінних ядер і клітин. У порівнянні з митозом амитоз більш короткочасний і економічний процес. Амитотическое розподіл може здійснюватися кількома способами. Найбільш поширений тип амітозу - це перешнуровиванієм ядра на дві частини. Цей процес починається з поділу ядерця. Перетяжка заглиблюється, і ядро розділяється надвоє. Після цього починається поділ цитоплазми, проте це відбувається не завжди. Якщо амитоз обмежується тільки розподілом ядра, то це призводить до утворення дво- і багатоядерних клітин. При амитозе може також відбуватися брунькування і фрагментація ядер.
Клітка, що зазнала амитоз, в подальшому не здатна вступити в нормальний мітотичний цикл.
Амитоз зустрічається в клітинах різних тканин рослин і тварин. У рослин амитотическое розподіл досить часто зустрічається в ендоспермі, в які спеціалізуються клітинах корінців і в клітинах запасають тканин. Амитоз також спостерігається в високоспеціалізованих клітинах з ослабленою життєздатністю або дегенерують, при різних патологічних процесах, таких як злоякісний ріст, запалення і т. П.
Основним процесом в підготовці клітини до мітозу є реп-цію ДНК і подвоєння хромосом. Але синтез ДНК і мітоз Непос-редственно не пов'язані, тому що остаточний синтез ДНК не є безпосередньою причиною вступу клітини в мітоз. Тому в ряді випадків клітини після подвоєння хромосом не діляться, ядро і всі клітини збільшуються в обсязі, стають поліплоїдні. Таке явище - редуплікація хромосом, без поділу, виробилася в про-процесі еволюції як засіб, що забезпечує зростання органів без збіль-личен числа клітин. Всі випадки, коли відбувається редуплікація хромосом або реплікація ДНК, але не настає мітоз, називаються ендорепродукціямі. Клітини стають поліплоїдні. Як постійний процес ендорепродукція спостерігається в клітинах пече-ні, епітелію сечовивідних шляхів ссавців. У разі ендомітозу хромосоми після редуплікаціі стають видно, але ядерна оболонка не руйнується.
Якщо діляться клітини на деякий час охолодити або про-працювати їх яким-небудь речовиною, що руйнує мікротрубочки веретена (наприклад, колхіцином), то поділ клітин припинить-ся. При цьому зникне веретено, а хромосоми без розбіжності до полюсів будуть продовжувати цикл своїх перетворень: вони почнуть набухати, одягатися ядерної оболонкою. Так виникають за рахунок об'єднання всіх неразошедшіхся наборів хромосом великі нові ядра. Вони, природно, будуть містити спочатку 4п число хроматид і відповідно 4с кількість ДНК. За визначенням, це вже не диплоидная, а тетраплоїдних клітина. Такі поліплоїдні клітини можуть зі стадії gi переходити в S-період і, якщо прибрати колхіцин, знову ділитися мітотичним шляхом, даючи вже нащадків з 4 п числом хромосом. В результаті можна отримати поліплоїдні клітинні лінії різної величини плоїдності. Цей прийом часто використовується для отримання поліплоїдних рослин.
При природній блокаді мітозу в самому його початку, при переході G2 - профази, клітини приступають до наступного циклу реплікації, який призведе до прогресивного збільшення ко-лічества ДНК в ядрі. При цьому не спостерігається ніяких морфо-логічних особливостей таких ядер, крім їх великих розмірів. При збільшенні ядер в них не виявляються хромосоми митотического типу. Часто такий тип ендорепродукціі без митотической конденсації хромосом зустрічається у безхребетних тварин, обна-ружівается він також і у хребетних тварин, і у рослин. У безхребетних в результаті блоку мітозу ступінь полиплоидии може досягати величезних значень. Так, в гігантських нейронах молюска Тритон, ядра яких досягають величини до 1 мм (!), Міститься більше 2-10 5 гаплоїднийнаборів ДНК. Іншим прикладом гігантської поліплоїдні клітини, образо-вавшейся в результаті редуплікаціі ДНК без вступу кле-ток в мітоз, може служити клітина шелкоотделітельной залози тутового шовкопряда. Її ядро має химерну гіллясту форму і може містити велику кількість ДНК. Гігантські клітини залози стравоходу аскариди можуть містити до 100000с ДНК.
Відрізняються політенія і своєю будовою: вони структурно неоднорідні по довжині, складаються з дисків, междіс-кових ділянок і пуфів. Малюнок розташування дисків строго характерний для кожної хромосоми і відрізняється навіть у близьких видів тварин. Диски являють собою ділянки конденсованого хро-Матина. Диски можуть відрізнятися один від одного по товщині. Загальна їх кількість у політенних хромосом хирономид досягає 1,5-2,5 тис. У дрозофіли є близько 5 тис. Дисків. Диски розділені междискових просторами, що складаються, так само як і диски, з фібрил хроматину, тільки більш рихла упакованих. На політенних хромосомах двокрилих часто видно здуття, пуфи. Виявилося, що пуфи виникають на місцях деяких дисків за рахунок їх деконденсаціі і розпушення. У пуфах виявлено-ється РНК, яка там же і синтезується. Малюнок розташування і чергування дисків на політенних хромосомах постійний і не залежить ні від органу, ні від віку тварини. Це є хорошою ілюстрацією однаковості якості генетичної інформації в кожній клітині організму. Пуфи є тимчасовими утвореннями на хро-мосом, і в процесі розвитку організму існує визначений-ва послідовність в їх появу і зникнення на гені-тично різних ділянках хромосоми. Ця послідовність різна для різних тканин. Зараз доведено, що освіта пуфів на політенних хромосомах - - це вираз генної активності: в пуфах синтезуються РНК, необхідні для проведення білкових синтезів на різних етапах розвитку комахи. У природних умовах у двокрилих особливо активні щодо синтезу РНК два найбільших пуфа, так називає-мі кільця Бальбіані, який описав їх 100 років тому.
В інших випадках ендорепродукціі поліплоїдні клітини мож-ника в результаті порушень апарату ділення - веретена: при цьому відбувається митотическая конденсація хромосом. Таке явище носить назву Ендомітоз, тому що конденсація хро-мосом і їх зміни відбуваються всередині ядра, без зникнення ядерної оболонки. Вперше явище ендомітозу було добре вивчено в клітинах: різних тканин водяного клопа - - Герра. На початку ендом-тоза хромосоми конденсуються, завдяки чому стають хо-рошо помітні всередині ядра, потім хроматиди відокремлюються, витягуються. Ці стадії станом хромосом можуть відпо-відати профазі і метафазі звичайного мітозу. Потім хромосоми в таких ядрах зникають, і ядро набуває вигляду звичайного інтер-фазного ядра, але розмір його збільшується відповідно до збіль-личением плоїдності. Після чергової редуплікаціі ДНК такий цикл ендомітозу повторюється. В результаті можуть виникнути поліплоїдні (32 п) і навіть гігантські ядра. Подібний тип ендомітозу описаний при розвитку макронуклеу-сов у деяких інфузорій, у цілого ряду рослин.
^ Результат ендорепродукціі: полиплоидия і збільшення розмірів клітини.
Значення ендорепродукціі: не переривається діяльність клітини. Так, наприклад, деле-ня нервових клітин привело б до тимчасового виключення їх функцій; ендорепродукція дозволяє без перерви в функціонує-ровании наростити клітинну масу і тим самим збільшити об'єк-ем роботи, що виконується однією клітиною.
збільшення продуктивності клітин.