Тема 7. Жизненный цикл клетки
1. Понятие о жизненном цикле клетки. Интерфаза
2. Митоз
3. Мейоз
1. Жизненный цикл клетки (клеточный цикл) – период существования клетки, от её образования до собственного деления или смерти. Жизненный цикл клетки состоит из митоза и промежуточного периода – интерфазы. Интерфаза занимает около 90% времени жизненного цикла клетки.
1. Пресинтетический или постмитотический период (G1) начинается после завершения митоза и длится от нескольких часов до нескольких дней. Он характеризуется интенсивным синтезом РНК и белка, увеличением количества органоидов и активным ростом клетки.
2. Синтетический период (S) характеризуется удвоением молекул ДНК (репликация), синтезом белков-гистонов и удвоением центриолей.Соответственно увеличению количества ДНК возрастает и уровень синтеза РНК.
3. Постсинтетический (премитотический, G2) включает процессы непосредственной подготовки клетки к делению: запасание энергии в АТФ, созревание центриолей, синтез иРНК и белков (в первую очередь тубулина). Продолжительность премитотического периода составляет 10-20% длительности жизненного цикла. Уровень синтеза РНК достигает своего максимума в середине G2-периода. В конце G2-периода синтез РНК резко падает в связи с началом конденсации хроматина.
В растущих тканях есть клетки, которые не проходят из G1- в S-период и далее в митоз, а находятся «вне цикла». Такие клетки существуют в т.н. G0-периоде и представляют собой покоящиеся, переставшие размножаться клетки. Под действием специфических факторов они могут снова вступать в клеточный цикл и начать делиться. Эти клетки составляют «резервный пул». Иногда клетки G0-фазы не изменяют своих свойств длительное время и превращаются в стволовые клетки (например, в кроветворной ткани). Однако чаще потеря способности делиться сопровождается специализацией клеток. В этом случае клетки выходят из цикла, но в особых условиях могут снова входить в цикл (например, деление клеток печени после ее частичной резекции). В других органах, выходя из клеточного цикла, клетки необратимо дифференцируются и теряют способность к делению навсегда (клетки ЦНС).
|
|
|
У многоклеточных организмов большая часть клеток находится в G0-фазе. Критическая точка в фазе G1, когда в клеточном цикле наступает пауза (G0), называется точкой рестрикции.В фазе G1 может быть несколько точек рестрикции.
Митоз.
Митоз подразделяют на несколько основных фаз: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Границы между ними условны, т.к. смена фаз происходит постепенно и митоз представляет собой непрерывный процесс.
1. Профаза. Хроматин конденсируется в отчетливо видимые хромосомы. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. В начале профазы сестринские хроматиды соединены по всей длине с помощью белков-когезинов. Эти связи образуются еще в S-периоде, во время удвоения хромосом. В поздней профазе на каждой сестринской хроматиде образуется по одному зрелому кинетохору. Кинетохор – крупный белковый комплекс, располагающийся в зонах центромер хромосом и обеспечивающий связь хромосом с нитями веретена деления.
|
|
|
В поздней профазе связь между сестринскими хроматидами сохраняется только в зоне кинетохоров. Транскрипция полностью прекращается. Исчезают ядрышки, ядерная оболочка фрагментируется на мелкие вакуоли. В конце профазы цитоплазматические микротрубочки, составляющие часть интерфазного цитоскелета, распадаются и начинается образование веретена деления.Вокруг каждой центросомы начинается быстрый рост множества микротрубочек. Центросомы начинают расходиться друг от друга на некоторое расстояние.
В клетках высших растений центриолей нет, а центры организации микротрубочек присутствуют в виде бесструктурных аморфных зон, от которых отходят многочисленные микротрубочки. В это время при образовании веретена микротрубочки с кинетохорами хромосом еще не связаны.
|
|
|
Происходит дезорганизация ЭПС: она распадается на мелкие вакуоли, лежащие по периферии клетки. Аппарат Гольджи теряет околоядерную локализацию, распадается на отдельные диктиосомы, разбросанные в цитоплазме.
2. Метафаза. После разрушения ядерной оболочки хромосомы беспорядочно расположены в зоне бывшего ядра. В прометафазе начинается их активное движение и перемещение – метакинез. Кинетохоры прикрепляются к некоторым из микротрубочек веретена, которые называются теперь кинетохорными микротрубочками. Остальные микротрубочки веретена называют полюсными, а те, которые лежат вне веретена, и радиально отходят от центросомы - астральными. В метафазе хромосомы занимают упорядоченное расположение в центральной части веретена - конгрессия хромосом.
Хромосомы располагаются так, что их центромерные участки обращены к центру веретена, а плечи – к периферии. Такое расположение хромосом носит название “материнской звезды” и характерно для клеток животных. В клетках растений в метафазе хромосомы лежат в экваториальной плоскости без строгого порядка. К концу метафазы завершается процесс обособления друг от друга сестринских хроматид. Их плечи лежат параллельно друг другу, между ними видна разделяющая щель. Контакт между хроматидами сохраняется в обрасти центромеры.
|
|
|
3. Анафаза начинается с разъединения сразу всех хромосом в центромерных участках. Хромосомы синхронно расходятся к противоположным полюсам веретена. Анафаза – самая короткая стадия митоза. При движении хромосомы часто принимают V-образную форму. Вершина их направлена в сторону полюсов деления, а плечи - к центру веретена.
Расхождение хромосом слагается из двух процессов:
1- расхождение хромосом за счет укорочения кинетохорных микротрубочек (“анафаза А”),
2 – расхождение хромосом за счет удлинения межполюсных микротрубочек и удаления полюсов друг от друга (“анафаза В”).
У млекопитающих стадии А и В протекают практически одновременно. У простейших анафаза В может приводить к 15-кратному увеличению длины веретена. В растительных клетках стадия В отсутствует.
4. Телофаза начинается с остановки хромосом, заканчивается восстановлением интерфазного ядра и разделением исходной клетки на две дочерние (цитокинез).
В ранней телофазе хромосомы, не меняя своего положения, начинают деконденсироваться и увеличиваться в объеме. В местах их контактов с мембранными пузырьками цитоплазмы начинает строиться новая ядерная оболочка. После замыкания ядерной оболочки начинается формирование ядрышек. В телофазе разрушается митотический аппарат. Разборка микротрубочек идет от полюсов к экватору клетки. Деление клетки у растений происходит путем внутриклеточного образования клеточной перегородки - фрагмопласта, а у клеток животных – путем перетяжки плазматической мембраны.
После цитотомии две дочерние клетки переходят в стадию G1 клеточного цикла. Возобновляется синтез белков, восстанавливается вакуолярная система, диктиосомы аппарата Гольджи снова концентрируются в околоядерной зоне. От центросомы начинается отрастание цитоплазматических микротрубочек и восстановление интерфазного цитоскелета.
3. Мейоз (от греч. meiosis – уменьшение) – способ деления клеток, в результате которого происходит редукция числа хромосом и образование из 1 диплоидной клетки 4-х гаплоидных. Мейоз лежит в основе образования половых клеток.
Мейоз состоит из двух делений.
I деление меойза.
1) Профаза I
Занимает большой отрезок времени (от суток до нескольких лет).
В отличие от митоза, хромосомы не находятся в состоянии покоя, а сохраняют ряд функциональных нагрузок: они способны к синтезу РНК, частичному синтезу ДНК. Состоит из нескольких структурно-функциональных фаз:
а) Лептотена или стадия тонких нитей. Напоминает раннюю профазу митоза, но отличается тем, что при мейозе ядра крупнее и хромосомы очень тонкие, т.к. имеют меньшую степень конденсации. На тонких хромосомах появляются сгустки хроматина – хромомеры, которые располагаются по всей длине хромосомы. Число, размер и расположение таких хромомер постоянны для каждой хромосомы. В лептотене начинается сближение гомологичных хромосом в области теломерных участков. В этих местах образуется специальная структура – синаптонемный комплекс (тяж белковой природы).
б) Зиготена или стадия объединяющихся нитей. Осуществляется конъюгация гомологичных хромосом – синапсис. Формируются биваленты – это соединения двух гомологичных хромосом. При этом каждая хромосома состоит их дух хроматид, таким образом бивалент включает 4 хроматиды. Число бивалентов равно гаплоидному числу хромосом.
Объединение гомологов чаще всего начинается в теломерах и центромерах. В этих участках, а позднее и по всей длине соединяющихся хромосом образуются связки, и происходит формирование синаптонемного комплекса.
в) Пахитена или стадия толстых нитей. Самая длительная стадия профазы (до 50% времени). Завершается образование бивалентов и их скрепление гомологов с помощью синаптонемного комплекса. Благодаря полной конъюгации гомологов профазные хромосомы имеют вид «толстых нитей». Число таких нитей равно гаплоидному набору, каждая нить – это бивалент, состоящий из 4 хроматид. На этой стадии происходит кроссинговер - взаимный обмен идентичными участками по длине гомологических хромосом. Результатом кроссинговера является рекомбинация сцепленных генов. В пахитенной стадии начинается активация транскрипции. Изменяется структура хромосом; они приобретают вид «ламповых щеток».
г) Диплотена или стадия двойных нитей. На этой стадии мейоза происходит отталкивание гомологов друг от друга, которое начинается в зоне центромер. Но при этом сестринские хроматиды каждой гомологичной хромосомы остаются соединенными между собой по всей длине. По мере отталкивания хромосом в бивалентах хорошо видны хиазмы – места перекреста и сцепления гомологичных хромосом. Только в этих участках сохраняется синаптонемный комплекс. Длинные хромосомы имеют больше хиазм, чем короткие. Происходит конденсация хромосом, в результате отчетливо выявляется 4-нитчатая структура бивалентов.
На этой стадии хромосомы имеют вид «ламповых щеток». Каждый гомолог в биваленте окружен петлями, которые представляют собой деконденсированные участки активного хроматина. Они содержат большие количества РНК. Активация транскрипции в пахитене и в диплотене часто совпадает с ростом половых клеток, особенно это характерно для ооцитов. В это время клетка интенсивно синтезирует и запасает белки, необходимые для будущего развития зародыша.
д) Диакинез или стадия расходящихся нитей. Характеризуется уменьшением числа хиазм, укорочением бивалентов, исчезновением ядрышек. Гомологичные хромосомы соединяются только теломерами. Эта стадия является переходной к собственно делению клетки.
2) Метафаза I . Биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости веретена.
3) Анафаза I. Биваленты разделяются и гомологичные хромосомы расходятся к полюсам веретена деления. Каждая хромосома состоит из двух хроматид. Распределение же гомологов по клеткам случайное, поэтому происходит перекомбинация хромосом из разных пар.
4) Телофаза I.
За телофазой I деления следует короткая интерфаза, в которой не происходит синтеза ДНК, и клетки приступают к следующему делению, которое похоже на митотическое.
В результате после двух делений мейоза из одной клетки образуются четыре гаплоидных, генетически отличных друг от друга.
Лабораторное занятие № 7
1. Политенные хромосомы в слюнных железах личинки комара (давленныйпрепарат), ×280
Усиление синтетических процессов в ядре клетке может сопровождаться специфической реорганизацией генетического материала. Одним из примеров такой реорганизации является образование политенных хромосом.Политенные хромосомы никогда не участвуют в митозе, это интерфазные хромосомы, участвующие в синтезе ДНК и РНК.Общее число политенных хромосом в клетках равно гаплоидному набору из-за того, что при политенизации происходит объединение, конъюгация гомологичных хромосом. Встречаются гигантские полиплоидные ядра с политенными хромосомами у некоторых личинок двукрылых насекомых в клетках слюнных желез, кишечника, мальпигиевых сосудов, жирового тела.
Политенные хромосомы и своим строением структурно неоднородны по длине, состоят из дисков, междисковых участков и пуфов. Диски представляют собой участки конденсированного хроматина. Диски разделены междисковыми пространствами, состоящими из фибрилл хроматина, только более рыхло упакованных. На политенных хромосомах двукрылых часто видны вздутия, пуфы. Пуфы возникают на местах некоторых дисков за счет их деконденсации и разрыхления. В пуфах выявляется РНК, которая там же и синтезируется. Следовательно, пуф является местом транскрипции на этих интерфазныххромосомах.В естественных условиях удвукрылых особенно активны в отношении синтеза РНК два самых крупных пуфа, так называемые кольца Бальбиани. Здесь синтезируется иРНК, кодирующая образование секреторных белков слюнных желез.
Приготовление препаратов политенных хромосом Chironomus sp.
1. Выложить пинцетом личинку мотыля на предметное стекло и отделить лезвием первые два сегмента.
2. Препаровальной иглой выдавить слюнные железы.
Рис. 36. Слюнная железа мотыля: А – общий вид железы при малом увеличении, Б – клетка железы при большом увеличении
3. Окрасить слюнные железы в капле ацетокармина до однородного темно-красного цвета. Процесс можно ускорить, еслинагреть препарат, не допуская высыхания препарата.
4. Дифференцировать окраску, промыв слюнные железы 40%-нымраствором уксусной кислоты. Излишки кислоты удалить фильтровальной бумагой.
5. На готовый препарат нанести каплю 40%-го раствора уксусной кислоты и накрыть покровным стеклом. Аккуратно надавить напокровное стекло чистым концом спички без бокового смещения,добиваясь полного и равномерного распределения клеток.
6. Найти в клетках слюнных желез политенные хромосомы и зарисовать их, указав на рисунке диски, междисковые пространства и пуфы.
Рис. 37. Политенные хромосомы в клетках слюнных желез личинок двукрылых. ДНК-пуфы указаны стрелками.
2. Митоз в корешке лука (окраска гематоксилин-эозином), ×280
При малом увеличении микроскопа найдите срез корешка лука в виде конуса. Рассмотрите препарат при большом увеличении. Найдите клетки на разных этапах жизненного цикла.
|
Обозначьте на рисунке: 1 – интерфаза, 2 – профаза, 3 – метафаза, 4 – анафаза, 5 – телофаза.
Задания
Закончите предложения.
1. Период существования клетки, от её образования до собственного деления или смерти - … .
2. Интерфаза занимает около … % времени жизненного цикла клетки.
3. Интенсивный синтез РНК и белка, увеличение количества органоидов и активный рост клетки происходит в …. период интерфазы.
4. Удвоение молекул ДНК, синтез белков-гистонов и удвоение центриолей происходит в …. период интерфазы.
5. Запасание энергии в АТФ, созревание центриолей, синтез иРНК и белков происходит в …. период интерфазы.
6. Критическая точка в фазе G1, когда в клеточном цикле наступает пауза (G0), называется точкой … .
7. В профазе хроматин конденсируется в отчетливо видимые … . Каждая хромосома состоит из двух сестринских …..
8. Крупный белковый комплекс, располагающийся в зонах центромер хромосом и обеспечивающий связь хромосом с нитями веретена деления - … .
9. Активное движение и перемещение хромосом в метафазе – ….
10. В метафазе хромосомы располагаются так, что их центромерные участки обращены к …, а плечи – к ….
11. Самая продолжительная стадия митоза - … .
12. Самая короткая стадия митоза - … .
13. Разделение исходной клетки на две дочерние - … .
14. Первое деление мейоза, в ходе которого число хромосом уменьшается в 2 раза, называется … .
15. Стадия профазы I мейоза, в ходе которой происходит коньюгация, называется … .
16. Процесс сближения гомологичных хромосом, в ходе которого образуются биваленты, называется … .
17. Хромосомы, одинаковые по форме, размерам и расположению генов, называются … .
18. Обмен участками между гомологичными хромосомами называется … .
19. В стадию диплотены профазы I мейоза становятся видны места перекреста - … .
20. Кроссинговер происходит на стадии … профазы I мейоза.
21. В ходе анафазы I мейоза к полюсам клетки расходятся … .
22. В ходе анафазы II мейоза к полюсам клетки расходятся … .
23. Биваленты выстраиваются в области экватора на стадии … мейоза.
Ситуационные задачи.
1. В препарате видна клетка с расположенными в центре хромосомами, образующими фигуру звезды. Назовите стадию митоза.
2. В препарате видна клетка с расположенными в ней хромосомами, образующими фигуры дочерних звёзд. Назовите стадию митоза.
3. В препарате видны конденсированные хромосомы, расположенные в цитоплазме беспорядочно. Назовите стадию митоза.
4. На клетки, находящиеся в состоянии митоза, подействовали препаратом, разрушающим веретено деления. К чему это приведёт? Какой набор хромосом будут содержать клетки?
5. Представлены два мазка крови. В первом - в нейтрофилах определяется половой хроматин в виде барабанной палочки на одном сегменте ядра. Во втором мазке половой хроматин не обнаружен. Какой из этих мазков принадлежит женщине?
6. В результате митоза возникли две дочерние клетки. Одна из них вступает в стадию интерфазы клеточного цикла, вторая – на путь дифференцировки. Какова дальнейшая судьба каждой из клеток?
7. С помощью шпателя сделано соскоб из слизистой оболочки рта человека. В неразрушенных эпителиальных клетках окрашенного мазка хорошо видно овальные ядра, неодинаковые по размерам. Каким путем происходило деление этих клеток?
8. При микроскопическом исследовании ткани печени было обнаружено, что некоторые клетки распались на небольшие фрагменты с отдельными органеллами и остатками ядра, окруженные мембраной. Воспалительная реакция отсутствует. Для какого патологического процесса характерны эти изменения?
Основные понятия:
жизненный цикл клетки
интерфаза
митоз
репликация
точка рестрикции
резервный пул клеток
белки-когезины
кинетохор
веретено деления
метакинез
конгрессия хромосом
«материнская звезда»
цитокинез
фрагмопласт
мейоз
редукционное деление
эквационное деление
синапсис
синаптонемный комплекс
биваленты
кроссинговер
хиазмы
амитоз
эндорепродукция
политения
эндомитоз
апоптоз
некроз
Рекомендуемая литература
1. Гистология, цитология и эмбриология: учебник / под ред. Ю. И. Афанасьева. - М.: Медицина, 2006. – 768с.
2. Кузнецов С. Л. Атлас по гистологии, цитологии и эмбриологии: учеб.пособие для мед. вузов / С.Л. Кузнецов, Н.Н. Мушкамбаров, В.Л. Горячкина. – М.: МИА, 2006. – 376с.
3. Молекулярная биология клетки: в 3 т / Б. Альбертс и др. – М.: Мир, 1994.
4. Молекулярная биология клетки: сб. задач / Дж. Уилсон и др.; под ред. И.А. Крашенниникова. – М.: Мир, 1994. – 518с.
5. Сборник ситуационных задач по гистологии, эмбриологии, цитологии для студентов 1-2 курсов / Медведева Н.Н. и др. – Красноярск: КрасГМА, 2007. – 86с.
6. Цитология с основами гистологии [Электронный ресурс]: лаб. практикум / Т. И. Голованова, Н. А. Сетков, Г. И. Боровкова и др. – Красноярск: ИПК СФУ, 2009 (режим доступа http://lib.sfu-kras.ru).
7. Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию: учебник / Ю.С. Ченцов. - М.: Академкнига, 2004. – 494с.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 1155; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!