авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |

«Учебно-методическое обеспечение для подготовки кадров по программам высшего профессионального образования для тематического направления ННС «Нанобиотехнологии» _ ...»

-- [ Страница 3 ] --

б) Аппарат Гольджи (АГ) состоит из уложенных в стопку 4-6 уплощенных в центре и несколько расширяющихся ближе к периферии одномембранных цистерн диаметром около 1 мкм. С АГ всегда ассоциирована масса мелких, ограниченных одинарной мембраной пузырьков диаметром около 60 нм, груп пирующихся между ЭР и АГ, а также по периферии стопок. При этом некото рые так называемы «окаймленные» пузырьки покрыты специальным белком клатрином, опосредующим их взаимодействие с микротрубочками цитоскеле та эукариотической клетки, что обеспечивает упорядоченный и направленный характер осуществляемого везикулярного транспорта (Слайд 23, 24).

Аппарат Гольджи обычно расположен рядом с эндоплазматическим ре тикулумом ближе к клеточной поверхности и образует вместе с ним единый биосинтетический комплекс. При этом АГ строго поляризован и имеет две функционально различные стороны: обращенную к ЭР формирующую (цис сторону) и зрелую (транс-сторону), обращенную к внешней стороне клетки.

Поступающие из ЭР в составе небольших пузырьков молекулы попадают в АГ с цис-стороны, где, переходя из одной стопки в другую, претерпева ют последовательную серию посттрансляционных модификаций, большую часть из которых составляет прикрепление углеводных комплексов к белкам и липидам с образованием широкого круга молекул – гликопротеинов, про теогликанов, гликолипидов и сульфанированных гликозаминогликанов. В дальнейшем эти молекулы покидают АГ вместе с пузырьками, образующи мися на транс-стороне, после чего направляются к плазматической мембра не, лизосомам и секреторным пузырькам. При этом, учитывая многообразие образуемых в АГ продуктов, еще одной его важнейшей функцией является их сортировка и упаковка, происходящая в транс-сети Гольджи и обеспечи вающая точное распределение вновь образуемых молекул между отдельны ми клеточными компартментами.

Все молекулы, проходящие через АГ, кроме тех, которые остаются там на постоянной основе, в конечном счете сортируются в соответствии с ме стом своего конечного назначения как минимум на три группы. Первая из них включает белки для лизосом (лизосомальные гидролазы), вторая – глико протеины, предназначенные для секреторных пузырьков, а в третью входят молекулы, доставляемые к клеточной поверхности. Подобная сортировка происходит в транс-сети Гольджи и особенно хорошо изучена для белков, направляемых в полость лизосом.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ Лизосомальные гидролазы первоначально синтезируются в ЭР, где вме сте с другими белками подвергаются N-гликозилированию. Особенностью же подобных белков является то, что при сворачивании на их поверхности образуются специфические сигнальные участки, состоящие из нелиней ных последовательностей аминокислот, сближающихся при укладке по липептидной цепи. Сразу же при переносе в АГ эти участки распознают ся особыми ферментами, которые определенным образом модифицируют N-связанные олигосахариды, создавая тем самым специфический «лизо сомный адрес». При этом сначала сигнальный участок связывается с ло кусом на N-ацетилглюкозаминтрансферазе, которая переносит фосфо-N ацетилглюкозамин на концевой остаток маннозы N-связанного олигосахари да. После этого второй фермент (N-ацетилглюкозамингликозидаза) удаляет N-ацетилглюкозамин, оставляя на поверхности будущей лизосомальной гидролазы уникальный маркер – маннозо-6-фосфат. Именно на основе на личия данного маркера лизосомальные гидролазы будут отделены от других молекул в транс-сети Гольджи. Кроме того, произошедшее на цис-стороне фосфорилирование маннозы предотвращает последующий возможный про цессинг олигосахаридов лизосомальных гидролаз в сложные формы в про межуточных цистернах и транс-компартменте, что обеспечивает их прохож дение через АГ без существенных изменений.

Узнающие данную метку маннозо-6-фосфатные рецепторы локализуются в транс-сети Гольджи и представляют собой трансмембранные белки с моле кулярными массами 215 кДа и 46 кДа, связывающие участки которых обра щены в полость АГ, а карбоксильные концы выступают в цитозоль. Важной особенностью маннозо-6-фосфатных рецепторов является то, что они свя зывают специфический олигосахарид при рН 7,0 (как в полости транс-сети Гольджи), а отщепляют (диссоциируют) при рН6,0 (как в лизосомах).

Связывание достаточного количества несущих маннозо-6-фосфат белков с соответствующими рецепторами запускает механизм формирования на ци тозольной поверхности АГ особых, так называемых клатриновых, структур.

Участвующий в этом процессе белок клатрин представляет собой своеобраз ный гексамер, состоящий из трех крупных и трех небольших полипептидов.

Подобное образование, называемое «трискелионом», способно к взаимодей ствию с пятью или шестью другими клатриновыми единицами, что изменяет их взаимную геометрию и ведет к формированию корзиноподобной структу ры, втягивающей мембранный бислой. Как только пузырек отшнуровывает ся, клатриновая оболочка незамедлительно разрушается, расходуя энергию АТФ, а сам пузырек начинает движение по системе микротрубочек, которые, как по «рельсам», направляют его к лизосоме.

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

После слияния мембраны пузырька с мембраной лизосомы при суще ствующем здесь пониженном значении рН происходит диссоциация ком плекса лизосомальной гидролазы и рецептора. Отделившиеся от ферментов маннозо-6-фосфатные рецепторы восстанавливают свою структуру и по той же системе микротрубочек, но уже в противоположном направлении возвра щаются в транс-сеть Гольджи для проведения повторных циклов транспорта.

Возможность же возвращения самой лизосомальной гидролазы исключается за счет быстрого удаления фосфата от маннозного остатка, что делает подоб ный везикулярный транспорт из АГ в лизосомы строго однонаправленным.

Помимо лизосомальных гидролаз, от АГ непрерывным потоком отделя ются небольшие (диаметром 50-100 нм) транспортные пузырьки, предназна ченные для слияния с цитоплазматической мембраной. При этом входящие в состав мембраны данных пузырьков трансмембранные белки и липиды встраиваются в наружную клеточную мембрану, а растворимые белки и по лисахариды секретируются во внеклеточное пространство, где принимают участие в формировании внеклеточного матрикса. При слиянии мембраны пузырька с цитоплазматичекой мембраной внутренняя поверхность мембра ны пузырька оказывается на наружной стороне ЦПМ, так что обращенные в полость пузырька модифицированные в АГ гликопротеиды и гликолипиды оказываются ориентированными своей углеводной составляющей во внеш нюю среду. Подобная идущая постоянно (так называемая «конститутивная») секреция не требует внешних для клетки сигналов и не зависит от присут ствия Са2+. Транспорт же при таком неизбирательном пути происходит с уча стием окаймленных неклатриновых пузырьков, которые не специализируют ся в зависимости от содержимого.

Второй путь существует только в специализированных эндокринных и экзокринных клетках, а также нейронах, где происходит так называемая «регулируемая» секреция. В этих клетках секретируемые продукты в тече ние нескольких часов или даже дней накапливаются в крупных секретор ных гранулах (до 0,5 мкм в диаметре), что сопровождается их конденсацией (примерно в 200 раз по сравнению с концентрацией в полости ЭР) и ведет к формированию полукристаллических структур, видимых в электронном микроскопе. При этом белки, предназначенные для секреции, первоначаль но накапливаются в больших окаймленных клатрином везикулах, которые, утрачивая кайму, превращаются в собственно «секреторные пузырьки».

В секреторных пузырьках белок хранится до тех пор, пока клетка не бу дет активирована с помощью внешних гормональных или нервных стиму лов, вызывающих секрецию. При этом сигнальный стимул вызывает времен ный приток через цитоплазматическую мембрану ионов Са2+, что приводит к КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ слиянию гранулярной и клеточной мембран с высвобождением содержимого гранул во внешнюю среду путем экзоцитоза.

Подобно лизосомальным гидролазам, белки, предназначенные для секре торных пузырьков, должны быть соответствующим образом отсортированы в транс-сети Гольджи. Однако непосредственный специфический маркер по добной сортировки до сих пор неизвестен (предполагается, что это некий сигнальный участок, общий для всех секреторных белков).

в) Лизосомы – это специализированные компартменты эукариотической клетки, в которых обеспечиваются оптимальные условия для контролируемо го внутриклеточного расщепления макромолекул и корпускулярных частиц.

По своей морфологии лизосомы представляют собой округлые, окружен ные одиночной мембраной образования, размеры которых варьируются в до статочно широких пределах. В обычной эукариотической клетке лизосомы обнаруживаются в количестве до 300 на клетку и в совокупности занимают около 1% ее внутреннего объема.

В полости лизосомы содержится более 50 различных гидролитических ферментов (протеаз, нуклеаз, гликозидаз, липаз, фосфолипаз и др.), обла дающих наибольшей активностью при рН 5,0, в соответствии с чем все они объединяются в единую группу «кислых гидролаз». Соответственно, при возможном повреждении лизосом и выходе гидролитических ферментов в цитозоль, где рН составляет 7,2-7,3, их активность оказывается существенно ограниченной и не сопровождается фатальными для всей клетки последстви ями. В свою очередь, кислое значение рН в полости лизосом обеспечивается мембранносвязанной АТФ-зависимой протонной помпой, использующей энергию гидролиза АТФ для накачки протонов Н+ в полость лизосомы в про цессе их обмена на Nа+.

Несмотря на присутствие в полости лизосом значительного количества липаз и протеаз, их собственная мембрана также не разрушается. Данное свойство лизосомальных мембран определяется присутствием в них значи тельных количеств особых интегральных белков размером 100-120 кДа, на зываемых lgpA и lgpB. Большая часть их структуры направлена в полость ли зосомы и необычайно сильно гликозилирована, что защищает данные белки и мембрану в целом от действия лизосомальных ферментов.

Перенос различных веществ в лизосому может быть осуществлен дву мя принципиально различными механизмами. Первый (биосинтетический) включает доставку растворимых гидролитических ферментов и специали зированных белков для лизосомальных мембран, которые начинают свой путь в ЭР и направляются к лизосоме от транс-сети Гольджи в составе транс портных пузырьков. Второй (эндоцитозный) механизм связан с собственно гидролитической функцией лизосом и обеспечивается импортом различных Федорова М.З., Чернявских С.Д.

макромолекул и корпускулярных частиц в полость лизосомы для их после дующего переваривания. Вариантами этого механизма являются аутофагия (переваривание материала собственных внутриклеточных компартментов, при котором образуются внутренние перинуклеарные эндосомы) и гетерофа гия (переваривание веществ и частиц, различными путями попавших в клет ку, при котором образуются периферические эндосомы). Образовавшиеся в процессе гидролиза в лизосомах продукты могут утилизироваться клеткой или выводиться из нее путем экзоцитоза.

Процесс аутофагии начинается с окружения отработанных частей самой клетки (дисфункциональных митохондрий, участков ЭР) мембранами, в ре зультате чего в глубине клетки образуется перинуклеарная аутофагосома, которая, сливаясь с расположенными здесь лизосомами, образует аутофаго лизосому.

В свою очередь, при гетерофагии возможно выделение трех морфологи чески различаемых типов эндоцитоза: пиноцитоз, клатрин-зависимый эндо цитоз и фагоцитоз.

Пиноцитоз, дословно обозначаемый как «клеточное питье», в настоящее время также называемый «клатрин-независимым эндоцитозом», связан с не специфическим поглощением из внешней среды жидкостей и растворенных в них веществ. Это конституитивный процесс, заключающийся в постоянном динамическом образовании небольших эндоцитозных пузырьков, которые после поглощения сливаются с другими такими же, находящимися близко к клеточной поверхности, с формированием так называемых «первичных» или «ранних» эндосом. Со временем они смещаются в глубь клетки и сливаются с новообразованными лизосомами, в полости которых начинается процесс раз рушения захваченных веществ. Эти пузырьки, формирующиеся позже, назы ваются «поздними» эндосомами и содержат кислые гидролазы, поступившие из транс-сети Гольджи. При этом, несмотря на маленькие размеры пиноци тозных пузырьков, их многочисленность позволяет доставлять в клетку боль шое количество разнообразных небольших растворимых молекул.

Клатрин-зависимый эндоцитоз (его еще называют «опосредованный ре цепторами эндоцитоз») обеспечивает избирательное поглощение из внешней среды конкретных типов макромолекул (лигандов), первоначально связывае мых на поверхности ЦПМ с соответствующими специфическими трансмем бранными рецепторами.

Таким путем в клетку переносятся транспортирую щий железо белок трансферрин, липопротеины низкой плотности и многие другие макромолекулы. Последовательность событий при данном типе эн доцитоза такова: после взаимодействия лиганда с мембранным рецептором, образовавшийся комплекс начинает быстро перемещаться в плоскости ЦПМ к так называемым «окаймленным ямкам», цитозольная сторона которых по КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ крыта белком клатрином. После же взаимодействия обращенного в цито плазму участка трансмембранного рецептора с клатрином молекулы послед него формируют корзиноподобную структуру, в которую втягивается мем бранный бислой с локализованным в нем комплексом «лиганд-рецептор».

Соответственно, при насыщении окаймленных ямок комплексами «лиганд рецептор» продолжающееся группирование молекул клатрина заканчивает ся отщеплением от цитоплазматической мембраны окаймленного клатрином пузырька, в дальнейшем погружающегося в цитоплазму.

Следует отметить, что этап отшнуровывания и отрыва окаймленных пу зырьков от ЦПМ происходит при взаимодействии клатрина с особым бел ком динамином, обладающим химомеханической активностью. Последний образует вокруг шейки формирующегося эндоцитозного пузырька механо химическую молекулярную пружину из плотно упакованных колец с шагом 11 нм, которая при гидролизе ГТФ распрямляется с увеличением расстояния между смежными кольцами до 22 нм и ведет к отрыву пузырька от наружной мембраны.

Как только пузырек отщепляется, клатриновая корзина незамедлительно разрушается, расходуя при этом энергию АТФ, после чего мономерный кла трин возвращается к цитоплазматической мембране. Сами же эндоцитозные пузырьки сливаются с ранней эндосомой, содержащей в своей мембране АТФ-зависимую протонную помпу и имеющей в полости сниженное значе ние рН=6,0, что ведет к диссоциации комплекса «лиганд-рецептор». После этого рецептор обычно возвращается в ЦПМ, а последующее слияние пе риферических и перинуклеарных эндосом приводит к образованию особой разновидности лизосом – так называемых «мультивезикулярных телец», где и происходят процессы расщепления лиганда.

Третий тип эндоцитоза – фагоцитоз (что дословно означает «клеточная еда») – связан с поглощением клеткой крупных (0,5 мкм) частиц, таких, как бактерии или обломки других клеток. Соответственно, фагоцитоз пред ставляет собой ключевой механизм защиты эукариот от прокариотических микроорганизмов. Фагоцитоз поврежденных или постаревших клеток необ ходим для обновления тканей и заживления ран многоклеточных эукариоти ческих макроорганизмов.

Почти все клетки могут осуществлять фагоцитоз, но существует особая группа клеток, специально предназначенных для этой цели и называемых «профессиональными фагоцитами». Среди них наиболее известны моноци ты (макрофаги) и нейтрофильные сегментоядерные лейкоциты, на поверх ности которых располагаются специальные рецепторы, предназначенные для распознавания фагоцитируемых объектов и осуществления начальных этапов фагоцитоза. Одни из этих рецепторов распознают константный неан Федорова М.З., Чернявских С.Д.

тигенсвязывающий (Fс) фрагмент иммуноглобулинов (антител) и в соответ ствии с этим обозначаются как «Fс-рецепторы». Другие взаимодействуют с ключевым компонентом системы комплемента (С3), находящимся на пересе чении начальных этапов классического и альтернативного путей активации комплемента, в соответствии с чем именуются «С3b-рецепторами». Сами же антитела и белки системы комплемента, в совокупности называемые «оп сонинами», взаимодействуют с поверхностью фагоцитируемого микроорга низма еще во внеклеточной среде, а сам подобный процесс, предшествую щий собственно фагоцитозу, называется «опсонизацией».

Следует указать, что фибробласты и эпителиальные клетки, обозначае мые как «непрофессиональные фагоциты», также способны к захвату круп ных внеклеточных частиц, но не имеют вышеописанных поверхностных ре цепторов профессиональных фагоцитов. По всей видимости, фибробласты используют для связывания с микроорганизмами некоторые рецепторы для белков внеклеточного матрикса, таких как фибронектин, ламинин и некото рые гликозаминогликаны.

Собственно фагоцитоз осуществляется с помощью рецептор опосредо ванного клатрин-независимого, но актин-зависимого механизма. Этот про цесс запускается при взаимодействии опсонизированной частицы с поверх ностными рецепторами фагоцитирующей клетки, что ведет к полимериза ции находящегося в ее вертикальном слое белка актина. Первоначальный захват опсонизированных частиц происходит по механизму «молнии», в котором частица сначала связывается с небольшим количеством Fс- и С3b рецепторов на относительно ровной поверхности клетки, а затем при после довательном соединении с соседними рецепторами окружается цитоплаз матической мембраной, принимающей форму захваченной частицы. В это же время связавшиеся с фагоцитируемой частицей рецепторы генерируют сигнал, опосредуемый цитоплазматической src-тирозинкиназой. При акти вации этот фермент фосфорилирует тирозиновые остатки находящихся на цитоплазматической стороне участков трансмембранных рецепторов, а так же других близко расположенных к мембране белков. Сигналы фосфорили рования в конечном счете передаются молекулам, связанным с глобулярным актином, что ведет к полимеризации последнего с формированием волокон, называемых F-актином. Отметим, что образование данных структурных эле ментов необходимо для образования выростов, окружающих поглощаемую частицу и обеспечивающих ее интернализацию внутрь клетки.

Поглощенная частица, окруженная фрагментом цитоплазматической мем браны, называется фагосомой. После продвижения вглубь клетки и слияния с наполненными кислыми гидролазами лизосомами она превращается в фа КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ голизосому, в которой и происходят окончательные процессы контролируе мого внутриклеточного расщепления корпускулярных частиц.

г) Пероксисомы представляют собой округлые, окруженные одинарной мембраной органеллы диаметром 0,1-1,5 мкм с электронно-плотной сердце виной, встречающиеся в клетке в количестве от нескольких десятков до сот ни и в совокупности занимающие около 1% ее внутреннего объема. Внешне пероксисомы напоминают лизосомы и секреторные пузырьки. Однако пе роксисомы принципиально отличаются от них как по выполняемым функци ям, так и по механизмам возникновения. Небольшим же морфологическим отличием пероксисом от названных выше структур является то, что находя щиеся в полости пероксисомы белки достаточно часто формируют крупные кристаллические образования, нередко заполняющие все их внутреннее про странство и хорошо различимые при электронной микроскопии.

Основная функция пероксисом в эукариотической клетке – осуществле ние широкого спектра биохимических реакций с использованием кислорода.

Протекание подобных реакций в цитоплазме невозможно, так как образую щиеся при этом промежуточные продукты обладают выраженным повреж дающим действием в отношении широкого круга биологических макромо лекул. В то же время в матриксе пероксисомы данные продукты как генери руются, так и обезвреживаются присутствующими здесь ферментами, что делает весь этот процесс достаточно управляемым и безопасным.

Само название пероксисомы получили благодаря высокому содержанию в них ферментов-оксидаз, использующих молекулярный кислород для от щепления атомов водорода от органических субстратов с образованием в качестве одного из конечных продуктов реакции достаточно агрессивного соединения – перекиси водорода. Последнее, в свою очередь, расщепляется ферментом каталазой на кислород и воду, а также используется для окисле ния множества субстратов: фенолов, альдегидов, спиртов и др. Этот тип рас щепления особенно важен для клеток печени и почек, в которых происходит огромное количество реакций детоксикации.

Однако этим функции пероксисом в клетке не исчерпываются. Они содер жат до 50 отдельных ферментов, которые участвуют в различных анаболи ческих (биосинтез желчных кислот) или катаболических (окисление цепей жирных кислот) процессах. В частности, участие пероксисом в -окислении жирных кислот приводит к их расщеплению на два фрагмента, которые пре вращаются в ацетил-коэнзимА, выходят из пероксисомы и используются в качестве строительного материала для других отделов клетки. Пероксисома также содержит первые два фермента, участвующие в превращениях осо бой группы фосфолипидов-плазмалогенов, высокие концентрации которых обнаруживаются в головном мозге и сердце.

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

В растительных клетках пероксисомы содержат ферменты глиоксилат ного цикла, превращающего жирные кислоты в углеводы, чего никогда не происходит в клетках животных. При этом образующийся при окислении жиров двууглеродный остаток уксусной кислоты, находящийся в связи с ацетил-КоА, в ходе пяти ферментативных реакций превращается в четы рехуглеродную молекулу янтарной кислоты. В другом случае пероксисомы растительных клеток катализируют окисление побочных продуктов реакции фотосинтеза, в результате чего они часто пространственно ассоциированы с хлоропластами.

Почкование считается основным механизмом размножения пероксисом, однако в последнее время описаны небольшие пероксисомные «лакуны предшественники», содержащие больше вновь синтезированных матрикс ных белков, чем зрелые пероксисомы. Эти предшественники могут быть другим местом происхождения пероксисом, способствуя, таким образом, увеличению количества данных органелл в эукариотической клетке при по добной необходимости.

2.4.4. Немембранные органеллы:

а) микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные филаменты. Ми кротрубочки представляют собой прямые, не ветвящиеся, длинные полые цилиндры. Их внешний диаметр составляет 24±2 нм, внутренний просвет имеет ширину около 15 нм, а толщина стенки около 5 нм. Стенка микротру бочек построена за счет плотно уложенных округлых субъединиц величиной около 5 нм. В электронном микроскопе видны 13 субъединиц, выстроенных в виде однослойного кольца на поперечных сечениях микротрубочек. Стенки микротрубочек состоят из набора нитчатых образований (протофиламентов), состоящих из продольно расположенных глобул размером в 5 нм. Эти глобу лярные фибриллы, тесно соприкасаясь друг с другом, образуют сплошной кольцевидный слой, составляющий стенку микротрубoчки. Протофиламен ты в cocтaвe стeнoк микротрубочек расположены по пологой спирали (угол наклона около 5°).

В химическом отношении микротрубочки имеют сходный состав и свой ства. Они состоят из белков, тубулинов. Это белки с молекулярным весом око ло 60·103 и коэффициентом седиментации 3 – 4S. При электрофоретическом анализе было обнаружено, что в составе микротрубочек есть два тубулина, - и -тубулины. В составе тубулинов всегда обнаруживается значительное количество ГДФ, который необходим для построения микротрубочек. Кроме тубулинов, в состав микротрубочек входят дополнительные белки с большой молекулярной массой (400000).

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ Процесс образования микротрубочек идет путем самосборки. Для этого необходим целый ряд условий: наличие тубулинов, ГТФ, дополнительных белков, ионов Mg2+ и отсутствие ионов Са2+. Сначала возникают слои, состоящие из нескольких рядов фибрилл, составленных из тубулинов, затем слои сворачиваются в трубки, которые начинают расти в длину. Значительно быстрее происходит переход тубулинов в полимерное состояние, если к ним добавить в качестве «затравок» фрагменты готовых микротрубочек. Рост микротрубочек происходит путем связывания тубулинов на одном из их концов, т. е. происходит поляризационный рост микротрубочек.

В естественных условиях в цитоплазме постоянно происходит сборка и разборка микротрубочек. В результате такого динамического равновесия поддерживается вся структура микротрубочек. В живых клетках процесс но вообразования микротрубочек связан с так называемыми «центрами органи зации микротрубочек» (ЦОМТ). При разрушении микротрубочек с помощью колхицина или холода новые микротрубочки (после снятия действия этих факторов) возникают в строго определенных местах, ЦОМТ. Этими центра ми являются центриоли, базальные тельца и кинетохоры митотических хро мосом.

Промежуточные филаменты – толщиной 8-10 нм – представлены длин ными белковыми молекулами. Белки промежуточных филаментов принад лежат к четырем основным группам. Они сохраняют свою специфичность даже при изменении клетки. Каждый белок является антигеном.

Микрофиламенты – это белковые нити толщиной 4 нм. Образованы мо лекулами актина. Актиновые филаменты группируются в пучки, образую щие опорные структуры цитоскелета. Актин в клетке существует в двух фор мах: мономерной (глобулярный актин) и полимеризованной (фибриллярный актин). Кроме актина, в построении макрофиламентов принимают участие тропонин и тропомиозин. Филаменты актина способны образовывать ком плексы с полимерными белками миозина. Когда миозин присутствует в гиа лоплазме в виде мономеров, он не вступает в комплекс с актином. Микро филаментов особенно много в области цитоплазмы, относящейся к поверх ностному аппарату. Соединенные с плазмолеммой, они способны менять ее конфигурацию. Это важно для обеспечения поступления веществ в клетку и образования ламелоподий.

б) Клеточный центр. Совокупность центриолей и центросферы носит название клеточного центра. Центриоли в делящихся клетках принимают участие в формировании веретена деления и располагаются на его полюсах.

В неделящихся клетках центриоли часто определяют полярность клеток эпи телия и располагаются вблизи аппарата Гольджи. Часто центриоли лежат ря дом с ядром, располагаясь в зонах его впячивания.

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

Основу строения центриолей составляют расположенные по окружно сти девять триплетов микротрубочек, образующих таким образом полый цилиндр. Его ширина около 0,15 мкм, а длина такого цилиндра 0,3-0,5 мкм (хотя встречаются центриоли, достигающие в длину нескольких микрон).

Первая микротрубочка триплета (А-микротрубочка) имеет диаметр около 25 нм и толщину стенки 5 нм, которая состоит из 13 глобулярных субъеди ниц. Длина каждого триплета равна длине центриоли. Вторая и третья (В и С) микротрубочки являются неполными, содержат 11 субъединиц и вплот ную примыкают к своим соседям. Каждый триплет располагается к радиусу такого цилиндра под углом около 40°. Кроме микротрубочек, в состав цен триоли входит ряд дополнительных структур. От А-микротрубочки отходят так называемые «ручки», выросты, один из которых (внешний) направлен к С-микротрубочке соседнего триплета, а другой (внутренний) – к центру цилиндра. Центральная часть цилиндра центриоли занята структурой, напо минающей тележное колесо;

она имеет центральную «втулку» диаметром около 25 нм и 9 спиц, направленных по одной к А-микротрубочке каждого из триплетов. Такие структуры внутри центриоли расположены в одном из ее концов, проксимальном, что делает строение цилиндра центриоли поляр ным. На дистальном конце центриоли внутри ее нет таких структур. Систему микротрубочек центриоли обычно описывают формулой 9+0, или (9х3)+0, подчеркивая отсутствие микротрубочек в ее центральной части.

Обычно в интерфазных клетках всегда присутствуют две центриоли, рас полагающиеся рядом друг с другом, образуя дуплет центриолей, или диплосо му. В диплосоме центриоли располагаются под прямым углом по отношению друг к другу. Из двух центриолей различают «материнскую» и «дочернюю», продольная ось последней перпендикулярна продольной оси материнской центриоли. Обе центриоли сближены своими концами так, что проксималь ный конец дочерней центриоли как бы смотрит на поверхность материнской.

В дистальном участке материнской центриоли на триплетах располагается аморфный материал в виде выростов или шпор – это придатки.

Вокруг каждой центриоли расположен бесструктурный, или тонковолок нистый, матрикс. Часто около центриолей и в связи с ними можно обнару жить несколько дополнительных структур: сателлиты, фокусы схождения микротрубочек, исчерченные волокнистые корешки, дополнительные микро трубочки, образующие особую зону – центросферу вокруг центриоли.

Лучистое сияние центросферы, обнаруживаемое в световой микроскоп, представляет собой большое число микротрубочек, радиально расходящихся от зоны диплосомы. В диплосоме лишь одна из центриолей, материнская, со держит ряд дополнительных структур. Одни из них, перицентриолярные са теллиты, состоят из имеющей тонкое фибриллярное строение конусовидной КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ ножки, расположенной на стенке центриоли, и головки, заканчивающейся на этой ножке. Ножки сателлитов часто имеют поперечную исчерченность.

Количество таких перицентриолярных сателлитов непостоянно, они могут располагаться на разных уровнях по длине центриоли. Кроме этих структур, рядом с диплосомой, но не связанные с ней структурно, могут располагаться плотные мелкие (20-40 нм) тельца, к которым подходят одна или несколько микротрубочек (фокусы схождения микротрубочек). Микротрубочки подхо дят и к головкам сателлитов. Эти дополнительные микротрубочки не отхо дят непосредственно от микротрубочек центриолей, а связаны или с сател литами, или с матриксом. Такие микротрубочки и образуют как бы лучистую сферу (центросферу) вокруг центриоли. При образовании центросферы в интерфазной клетке только специальные структуры центриоли, сателлиты и матрикс, каким-то образом связаны с образованием микротрубочек;

микро трубочки самих центриолей в этом процессе не участвуют. Эти дополнитель ные структуры являются центрами, на которых происходит сборка микро трубочек из тубулинов (центры организации микротрубочек – ЦОМТ).

В интерфазных клетках центриоли оказываются связаны с ядром и с ядер ной мембраной. Связь центриолей с ядром осуществляется микрофиламен тами и промежуточными филаментами.

в) Рибосомы – тельца размером 20Х30 нм. Рибосома состоит из двух субъ единиц – большой и малой. Каждая субъединица представляет собой ком плекс рибосомной РНК (рРНК) с белками. Большая субъединица (константа седементации 60) содержит три различные молекулы рРНК, связанных с молекулами белков;

малая содержит одну молекулу рРНК и 33 молекулы бел ков. Синтез рРНК осуществляется на петлях хромосом – ядрышковых орга низаторах (в области ядрышка). Сборка рибосом осуществляется в области пор кариотеки. Рибосомы могут находиться в гиалоплазме поодиночке либо группами в виде розеток, спиралей – полирибосомы. Значительная часть рибосом прикреплена к мембранам ЭПС и кариотеке. Свободные рибосо мы синтезируют белок, необходимый для жизнедеятельности самой клетки, прикрепленные – белок, подлежащий выделению из клетки.

Основная функция рибосом – сборка белковых молекул из аминокислот, доставляемых к ним транспортными РНК (тРНК). Между субъединицами рибосомы имеется щель, в которой проходит молекула иРНК, а на большой субъединице – бороздка, в которой располагается и по которой сползает фор мирующаяся белковая цепь. Сборка аминокислот происходит в соответствии с чередованием нуклеотидов в цепи мРНК. Таким образом осуществляется трансляция генетической информации.

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

РАЗДЕЛ 3. ДИФФЕРЕНЦИРОВКА И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ КЛЕТОК 3.1. Дифференцировка клеток 3.1.1. Дифференцировка клеток. Механизмы дифференцировки.

3.1.2. Регуляция активности генов.

3.1.3. Генетическая регуляция развития.

3.1.1. Дифференцировка клеток. Механизмы дифференцировки В организме насчитывается более 100 типов клеток, все они отличаются друг от друга. Их отличие заключается в специфике синтеза белка. Однако в клетках присутствуют общие и специфические белки. Первые характерны практически для всех клеток, вторые характерны только для определенного типа клеток. Различия в клетках связаны с процессами дифференцировки. В связи с дифференцировкой появляются различные ткани в определенном ко личестве, с определенными функциями, которые формируют органы, со стро гой локализацией и выполняемыми функциями. Ткани и органы имеют строго определенные размеры, они соответствуют виду животного и индивиду.

Все клеточное разнообразие образуется из одной клетки – зиготы. Зигота – это оплодотворенная яйцеклетка (одноклеточный зародыш). Она имеет ге нетическую программу развития клетки, заключенную в структуре молекул ядерных ДНК. Зигота называется тотипотентной клеткой (тоти – всеобщая, потентность – возможность), так как она вступает в дробление и образуется большое количество мелких клеток, каждая из которых в дальнейшем прой дет свой путь дифференцировки. В процессе дробления у большинства видов образуется 128 бластомеров, при этом генетический материал зарепрессиро ван. Гены не работают, цитоплазма не дает. Так как основная задача этого этапа – наращивание достаточного объема клеточной массы. После образо вания достаточного количества бластомеров начинается дифференцировка, в ходе которой наблюдается экспрессия генов, включение репрессированных геномов.

Дифференцировка зародышевых листков и мезенхимы у человека начи нается в конце 2-й, начале 3-й недели внутриутробного развития. Одна часть клеток приобщается в зачатки тканей и органов зародыша, другая – во внеза родышевые органы. Формирование тканевых зачатков происходит на основе процессов детерминации и коммитирования. Детерминация – генетически запрограммированный путь развития клеток и тканей. В основе его лежат стойкие изменения репрессии (блокирования) и дерепрессии (деблокирова КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ ния) генов, определяющие специфику синтеза иРНК и белков. Детерминиро ванность в эмбриогенезе появляется не сразу. В эмбриональных зачатках на стадии гаструляции клетки недостаточно детерминированы и поэтому явля ются источниками развития нескольких тканей. Коммитирование – ограни чение возможных путей развития клеток, оно совершается последовательно:

сначала преобразуются крупные участки генома, детерминирующие наибо лее общие свойства клеток, а позднее – более частные свойства.

В первичных зачатках зародышевых и внезародышевых органов продол жаются процессы дифференцировки, приводящие к образованию тканевых зачатков. Дифференцировка – это изменения в структуре клеток, связанные с их функциональной специализацией, обусловленные активностью опреде ленных генов. В результате репрессии и дерепрессии различных генов воз никают морфологические и химические различия между клетками организ ма, имеющими одинаковый геном. В развивающемся организме дифферен цировка сопровождается определенным размещением специализирующихся клеток, что выражается в установлении определенного плана строения в ходе онтогенеза – морфогенеза.

Различают четыре основных этапа дифференцировки: I – оотипическая дифференцировка, когда материал будущих зачатков представлен презумтив ными (лат. presumptio – вероятность, предположение) участками цитоплаз мы зиготы;

II – бластомерная дифференцировка, когда различие в клеточном материале наблюдается уже в первых бластомерах;

III – зачатковая диффе ренцировка, которая выражается в появлении обособленных участков – за родышевых листков (стадия ранней гаструлы);

IV – гистогенетическая диф ференцировка зачатков тканей (стадия поздней гаструлы), когда в пределах одного зародышевого листка появляются зачатки различных тканей. В осно ве гистогенетической дифференцировки лежит процесс дифференцировки и специализации клеток зародышевых листков.

Эмбриональный гистогенез – процесс возникновения специализирован ных тканей из малодифференцированного клеточного материала эмбрио нальных зачатков, происходящий в течение эмбрионального развития орга низма. Эмбриональные зачатки – источники развития тканей и органов в он тогенезе, представленные группами малодифференцированных клеток. Ги стогенез сопровождается размножением и ростом клеток, их перемещением – миграцией, дифференцировкой клеток и их производных, межклеточными и межтканевыми взаимодействиями – корреляциями, отмиранием клеток. В процессе гистогенетической дифференцировки происходят специализация тканевых зачатков и формирование различных видов тканей. При дифферен цировке клеток из исходной стволовой клетки образуются диффероны – по Федорова М.З., Чернявских С.Д.

следовательные ряды клеток (стволовые диффероны). Их количество в каж дом виде тканей различно.

Результатом гистогенетических процессов является формирование основ ных групп тканей – эпителиальных, соединительных, мышечных и нервных.

Их формирование начинается в эмбриональном периоде и заканчивается после рождения. Источниками постэмбрионального развития тканей слу жат стволовые и полустволовые клетки, обладающие высокими потенциями развития. Направление пути развития на ранних этапах называется детерми нацией клеток. Энтодерма детерминирована, но если пересадить нервную трубку, то будет развиваться нервная трубка. Клетки нервной трубки не вос принимают сигналов межклеточного окружения и внешней среды. Клетки, не реагирующие на внешние воздействия, называются коммитированными.

Такие клетки отдают сигнал в геном ядра на синтез специфических белков.

Влияние цитоплазматических сигналов на генетический материал было про демонстрировано в 1959 г. Карлсоном, который поставил опыты на нейро бластах. Нейробласт делится и дает одну клетку, которая дифференцирует ся в конечную клетку. Другой остается нейробластом и при необходимости снова делится. Карлсон взял метафазный нейробласт и микрохирургическим методом развернул веретено деления. В результате деления полюса клетки сохранились. Таким образом, он пришел к выводу:

1. О неравноценности полюсов цитоплазмы;

2. О влиянии цитоплазмы на генетический материал.

В ходе дифференцировки важную роль оказывают индуктивные факторы.

Согласно теории организационных центров, предложенной Г. Шпеманом, в определенных участках зародыша возникают индукторы (организующие факторы), которые оказывают индуцирующее влияние на другие участки зародыша, обуславливая их развитие в определенном направлении. Суще ствуют индукторы (организаторы) нескольких порядков, действующие по следовательно. Например, доказано, что организатор 1 порядка индуцирует развитие нервной пластинки из первичной эктодермы. В нервной пластинке возникает организатор 2 порядка, способствующий превращению нервной пластинки в глазной бокал.

В настоящее время выяснена химическая природа многих индукторов (белки, нуклеотиды, стероиды). Под действием индукторов, исходящих из одной клетки, индуцируемая клетка, обладающая способностью специфиче ского ответа, изменяет путь развития. Клетка, не подвергающаяся индукци онному воздействию, сохраняет свои прежние потенции. Различают 3 типа индукционных взаимодействий: 1) контакт между клетками;

2) контакт меж ду клеткой и матриксом;

3) диффузию растворимых индукторов.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ 3.1.2. Регуляция активности генов а) Гипотеза Жакоба-Мано. В 1961 г. Жакоб и Мано провели ряд экспери ментов с целью выяснения природы индукции синтеза ферментов у Е. сoli. D клетках Е. соli синтезируется около 800 ферментов. Синтез некоторых из них происходит непрерывно, и их называют конститутивными ферментами;

дру гие же образуются только в присутствии надлежащего индуктора, который может и не быть субстратом данного фермента. Такие ферменты, примером которых служит -галактозидаза, называют индуцибельными ферментами. Е.

соli быстро растет на культурной среде, содержащей глюкозу. При перенесе нии клеток на среду, содержащую вместо глюкозы лактозу, рост начинается не сразу, а после короткой задержки, но затем идет с такой же скоростью, как и на среде с глюкозой. Проведенные исследования показали, что для роста на лактозной среде необходимо наличие двух веществ, которые Е. соli обычно не синтезирует:

-галактозидазы, гидролизующей лактозу до глюкозы и га лактозы, и лaктозопермеазы, делающей клетку способной быстро поглощать лактозу из среды.

Другие эксперименты с Е. coli показали, что высокое содержание в среде аминокислоты триптофана подавляет выработку триптофансинтетазы – фер мента, необходимого для синтеза триптофана. Синтез -галактозидазы слу жит примером индукции, а подавление синтеза триптофансинтетазы – при мером репрессии фермента. На основании этих наблюдений Жакоб и Мано предложили механизм, объясняющий индукцию и репрессию – механизм «включения» и «выключения» генов.

Генетические инструкции, определяющие аминокислотную последова тельность упомянутых выше белков, заключены в структурных генах, причем инструкции для -галактозидазы и лактозопермеазы тесно сцеплены в одной хромосоме. Активность этих генов регулируется еще одним геном, который называют геном-регулятором и который препятствует переходу структурных генов в активное состояние. Ген-регулятор может находиться на некотором расстоянии от структурных генов. Ген-регулятор содержит генетическую ин формацию для синтеза репрессора, который препятствует активности струк турных генов. Репрессор действует на структурные гены не прямо, а опосре дованно, оказывая влияние на участок, примыкающий к структурным генам и называемый оператором. Оператор и управляемые им структурные гены в совокупности называют опероном. Репрессор представляет собой особый аллостерический белок, который либо связывается с оператором, подавляя его активность, «выключает» его, либо не связывается с ним, позволяя ему проявлять активность (оставляет его включенным). Когда оператор включен, на структурных генах осуществляется транскрипция и происходит образова Федорова М.З., Чернявских С.Д.

ние мРНК, которую рибосомы и тРНК транслируют в полипептиды;

а когда оператор выключен, мРНК не образуется и кодируемые ею полипептиды не синтезируются. Механизм, от которого зависит, присоединится ли аллосте рический белок к оператору или нет, прост и при этом чувствителен к изме нениям условий внутри клетки. В молекуле репрессора имеется по меньшей мере два активных участка;

к одному из них может присоединиться молекула индуктора, а другой служит для присоединения к оператору, выключающего весь оперон.

б) Присоединение молекулы индуктора к активному участку молекулы репрессора изменяет третичную структуру репрессора (аллостерический эффект) так, что он не может связаться с геном-оператором и репрессиро вать его;

в результате оператор оказывается в активном состоянии и вклю чает структурные гены. При выращивании Е. coli на среде с глюкозой ген регулятор продуцирует белок, обладающий свойствами репрессора, который связывается с геном-оператором и выключает его. Структурные гены при этом не активируются, и ни -галактозидаза, ни лактозопермеаза не синте зируются. При переносе бактерий на среду с лактозой последняя действует как индуктор, присоединяясь к молекуле репрессора и препятствуя ее соеди нению с оператором. Структурные гены переходят в активное состояние и продуцируют мРНК для синтеза ферментов, ответственных за поглощение и расщепление лактозы. Таким образом, лактоза индуцирует собственное рас щепление.

Если молекула корепрессора присоединяется к соответствующему ак тивному участку репрессора, то это усиливает способность репрессора связываться с оператором;

при этом происходит инактивация оператора и тем самым предотвращается включение структурных генов. Е. соli может синтезировать аминокислоту триптофан при участии фермента триптофан синтетазы. Если клетка содержит избыток триптофана, некоторая его часть действует как корепрессор, связываясь с молекулой репрессора. Молекулы корепрессора и репрессора присоединяются к оператору и подавляют его ак тивность. Структурные гены выключаются, мРНК не образуется, и синтез триптофансинтетазы прекращается. Это пример ингибирования по типу об ратной связи на генном уровне.

в) Исходный субстрат и конечный продукт могут играть роль соответ ственно индуктора и корепрессора. Благодаря этому клетка может синтези ровать фермент в таком количестве, которое необходимо в данное время для того, чтобы поддерживать на нужном уровне количество конечного продукта.

Такой способ регуляции метаболизма чрезвычайно экономен. Отрицатель ная обратная связь, осуществляемая путем инактивации первого фермента (а) при его связывании с конечным продуктом (Е), быстро блокирует данный КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ метаболический путь, но не приостанавливает синтез других ферментов (Ь, с и d). В модели, предложенной Жакобом и Моно, конечный продукт (Е), при соединяясь к репрессору и тем самым усиливая его ингибирующее действие на оператор, подавляет синтез всех ферментов (а, Ь, с и d) и выключает дан ный метаболический путь.

3.1.3. Генетическая регуляция развития а) Значение ядра как хранилища генетического материала и его главная роль в определении фенотипических признаков были установлены немецким биологом Хаммерлингом. Он одним из первых продемонстрировал важней шую роль ядра, выбрав в качестве объекта своих экспериментов крупную одноклеточную (или неклеточную) морскую водоросль Acetabularia. Хам мерлинг показал, что для нормального развития шляпки необходимо ядро.

В дальнейших экспериментах, в которых соединяли нижнюю, содержащую ядро, часть одного вида с лишенным ядра стебельком другого вида, у таких химер всегда развивалась шляпка, типичная для того вида, которому принад лежало ядро (Слайд 25).

Метод пересадок был применен позднее в экспериментах, проведенных в 1952 г. двумя американскими исследователями, Бриггсом и Кингом, с клет ками лягушки Raпa pipieпs. Эти авторы удаляли из неоплодотворенных яй цеклеток ядра и заменяли их ядрами из клеток поздней бластулы, уже прояв лявших признаки дифференцировки. Во многих случаях из яиц реципиентов развивались нормальные взрослые лягушки.

б) У очень многих организмов цитоплазма яйца выrлядит неоднородной уже на самой ранней стадии зародышевого развития: в ней можно различить слои и зоны, создаваемые неравномерным распределением зернистого или по-разному окрашенного материала. Если первые деления дробления про исходят в вертикальной плоскости, как, например, у амфибий, то каждый из образующихся при этом бластомеров при его отделении от других обычно дает начало целому нормальному эмбриону;

у других видов, например у мол люсков, изолированные бластомеры не способны к нормальному развитию и образуют только часть зародыша. В первом случае разные зоны цитоплазмы распределяются между обоими бластомерами поровну, тогда как во втором они распределены неравномерно. Яйца, в которых цитоплазма дифференци рована, так что разные их участки всегда дают начало определенным частям зародыша, называют мозаичными. Тем не менее, во всех случаях (за редкими исключениями) ядра всех клеток содержат одинаковые наборы генов. Сле дует поэтому полагать, что различие в дальнейшей судьбе эмбриональных клеток – результат какого-то влияния на гены со стороны цитоплазмы.

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

В 1924 г. в ряде эмбриологических экспериментов Шпеман и Мангольд показали, что дифференцировка в значительной степени контролируется влиянием цитоплазмы клеток одного типа на клетки другого типа. В одном из своих экспериментов эти авторы брали гаструлу амфибии, вырезали кусо чек ткани из дорсальной губы бластопора и пересаживали ее в вентральную область другой гаструлы. Клетки дорсальной губы при нормальном разви тии образуют хорду и мезодермальные сомиты (миотомы). В этом опыте у гаструлы-реципиента из тканей трансплантата (донора) развивались вторая хорда и миотомы. Над ними из эктодермы реципиента возникала новая, до полнительная нервная трубка, что в итоге приводило к образованию органов второго головастика. Структуры, образовавшиеся в эксперименте на необыч ном для них месте, называют атопическими.

На основании этих данных Шпеман и Мангольд выдвинули гипотезу о механизме дифференцировки, получившем название эмбриональной индук ции. Согласно этой гипотезе, определенные клетки действуют как органи заторы на другие, подходящие для этого клетки. Организатор способен по буждать такие клетки к развитию в направлении, отличном от того, в котором они развивались бы в отсутствие организаторов.

Согласно представлениям Шпемана, в процессе эмбрионального развития организма определенный участок, называемый первичным организатором, детерминирует все дальнейшее течение развития. У амфибий это дорсальная губа бластопора, а у птиц – область, называемая первичной полоской. Эти первичные организаторы определяют положение оси зародыша и побуждают другие ткани действовать как вторичные и третичные организаторы и так далее, пока не завершится дифференцировка всех органов эмбриона.

в) На развитие и рост растений и животных влияют такие факторы, как свет, температура, снабжение водой, питательными веществами, углекислым газом и кислородом. Факторы среды обычно оказывают влияние на диффе ренцировку, воздействуя через цитоплазму, которая влияет на гены.

3.2. Воспроизведение клеток 3.2.1. Клеточный цикл.

3.2.2. Деление клеток:

а) деление у прокариот;

б) митоз;

в) амитоз;

г) эндорепродукция;


д) мейоз.

3.2.3. Регуляция клеточного цикла.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ 3.2.1. Клеточный цикл Время существования клетки от деления до деления или от деления до смерти называют клеточным циклом (Рис. 5, Слайд 26).

Рис. 5. Схематическое изображение клеточного цикла.

Клетки различных тканей и органов взрослого организма высших позво ночных имеют неодинаковую способность к делению. Встречаются популя ции клеток, полностью потерявшие способность делиться (это специализи рованные, дифференцированные клетки – например, зрелые клетки крови).

Но в организме есть и постоянно обновляющиеся ткани. В таких тканях имеются клетки, которые постоянно делятся, заменяя погибшие клеточные типы (например, клетки базального слоя покровного эпителия, кроветворные клетки костного мозга). Клетки, в которых каждая хромосома имеет себе го мологичную, называются диплоидными (2 n). Клетки с единичным набором хромосом называют гаплоидными (1n). Соответственно, количество ДНК на клетку (с) зависит от ее плоидности: клетки с 2n набором хромосом содержат 2с количества ДНК. При оплодотворении происходит слияние двух клеток, каждая из которых имеет 1n набор хромосом, в результате образуется дипло идная (2n 2с) клетка-зигота, из которой будет развиваться организм.

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

В процессе клеточного цикла в популяции диплоидных клеток иногда встречаются и тетраплоидные (4n), и интерфазные клетки с промежуточным содержанием ДНК. Такая гетерогенность определяется тем, что репликация ДНК происходит в строго определенный период интерфазы, а собственно к делению клетки приступают только после этого процесса.

Весь клеточный цикл состоит из четырех отрезков времени (Рис. 6, Слайд 27, 28, 29): собственно митоза (М), пресинтетического (G1), синтетического (S) и постсинтетического (G2) периодов интерфазы. В G1 периоде, наступаю щем сразу после деления, клетки имеют диплоидное содержание ДНК на одно ядро (2с). После деления в период G1 в дочерних клетках общее содер жание белков и РНК вдвое меньше, чем в исходной родительской клетке. В период G1 начинается рост клеток за счет накопления клеточных белков, что обусловлено увеличением количества РНК на клетку. В этот период начина ется подготовка клетки к синтезу ДНК (S-период). В течение G1 периода про исходят синтезы ферментов, необходимых для образования предшественни ков ДНК (например, нуклеотидфосфорокиназ), ферментов метаболизма РНК и белка. Повышается активность ферментов, участвующих в энергетическом обмене.

Рис. 6. Схематическое изображение клеточного цикла.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ В S-периоде происходит удвоение количества ДНК на ядро и соответ ственно удваивается число хромосом. S-период является узловым. Ни одна клетка не вступает в деление без удвоения ДНК. Единственным исключе нием является второе деление созревания половых клеток в мейозе, когда между двумя делениями нет синтеза ДНК.

В S-периоде уровень синтеза РНК возрастает соответственно увеличению количества ДНК, достигая своего максимума в G2-периоде.

Постсинтетическая фаза G2 называется премитотической. В ней происхо дит синтез и-РНК, необходимый для прохождения митоза. Несколько ранее этого синтезируется р-РНК. Среди синтезирующихся в это время белков осо бое место занимают тубулины – белки митотического веретена.

В конце G2 периода и в митозе по мере конденсации митотических хро мосом синтез РНК падает и полностью прекращается во время митоза. Соот ветственно, синтез белка во время митоза понижается до 25% от исходного уровня и достигает своего максимума в G2-периоде.

В ходе жизненного цикла клетки специализируются или дифференциру ются, то есть каждая клетка проходит путь детерминации – генетический путь развития. Это определяет многообразие клеток в многоклеточном организме – более 100 типов клеток, являющихся потомками исходной одной клетки – зиготы, одноклеточного зародыша. Все процессы деления и специализации клеток происходят под влиянием факторов внешней среды. В зависимости от особенностей их проявления в организме выделяют три типа клеток:

1) дифференцируются один раз, затем умирают;

2) стволовые клетки – это кроветворные клетки, которые в зависимости от поступающего к ним сигнала могут вступать на путь эритроцитарной, гра нулоцитарной, мегакариоцитарной или лимфоцитарной дифференцировки;

3) дремлющие клетки называют клетками G0-периода. Это клетки, которые после митоза не вступают в пресинтетический период (G1). Они представля ют собой покоящиеся, временно или окончательно переставшие размножать ся клетки. В некоторых тканях такие клетки могут находиться длительное время, не изменяя своей морфологии, но сохраняя способность делиться.

Это камбиальные клетки (например, стволовые кроветворные клетки).

Потеря способности к делению (даже временная) обычно сопровожда ется специализацией и дифференцировкой. Дифференцирующиеся клетки выходят из клеточного цикла, но в особых условиях могут вновь вступать в него. Например, большинство клеток печени находятся в G0-периоде, они не синтезируют ДНК и не делятся. Однако при резекции печени у экспери ментальных животных клетки вступают в фазу G1 и могут делиться. Пред полагают, что имеется кейлон (ингибитор), постоянно выделяющийся клет ками печени. Он угнетает деление клеток. При резекции количество келона Федорова М.З., Чернявских С.Д.

уменьшается, что активизирует генетические программы деления клеток, определяя процесс регенерации печени. По восстановлению объема печени и количества кейлона клетки снова выходят в G0.

Многие клетки полностью утрачивают способность возвращаться в ми тотический цикл. Например, нейроны головного мозга и кардиомиоциты по стоянно находятся в G0-периоде (до смерти организма).

У многоклеточных организмов, находящихся в зрелом периоде, большая часть клеток находится в G0-фазе. Чем выше специализация клетки, тем ниже ее способность делиться.

3.2.2. Деление клеток:

Одним из свойств живого организма является способность к размноже нию. Одноклеточные организмы, размножаясь, увеличивают численность своих популяций. Деление клеток в многоклеточных организмах обеспечи вает рост и появление новых типов клеток.

Прокариоты делятся без образования сложных аппаратов путем прямого бинарного деления (амитоза). После репликации молекулы ДНК остаются связанными с плазмалеммой, которая начинает расти между точками связы вания дочерних ДНК и тем самым разносит их в разные участки клетки. В результате после образования клеточной перетяжки каждая из дочерних мо лекул ДНК окажется в новой отдельной клетке.

Репликация бактериальной ДНК почти непрерывна в течение всего кле точного цикла. После репликации исходной молекулы на обеих дочерних может снова начаться новый цикл репликации еще до завершения деления исходной клетки. В этом случае каждая клетка сразу после деления будет со держать уже частично реплицированный геном.

Эукариотические клетки могут делиться двумя способами:

1) универсальный – митоз (кариокинез, непрямое деление) (Слайд 28, 29);

2) редко встречающийся – амитоз (прямое деление).

Митоз принято подразделять на четыре фазы: профаза, метафаза, анафа за, телофаза (Рис. 7, Слайд 34).

Границы между фазами установить очень трудно. Единственная фаза, ко торая имеет реальное начало, – анафаза (начало движения хромосом к по люсам).

Профаза: в нее входят клетки из G2-периода интерфазы, которая после репликации в S-периоде содержит удвоенное количество ДНК (4с). В начале профазы в ядре выявляются тонкие нити – профазные хромосомы, которые образуются в результате конденсации хроматид. Каждая профазная хромо сома состоит из взаимоспирализованных двух хроматид. Число хроматид в КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ профазе (4n) точно соответствует количеству ДНК (4с). По мере прохождения профазы хроматиды, каждая в отдельности, укорачиваются и утолщаются, и, деспирализуясь одна относительно другой, лежат параллельно друг другу.

При этом по мере конденсации их транскрипционная активность падает. В профазе хромосомы укорачиваются и утолщаются.

Соответственно, в профазе происходит исчезновение (дезинтеграция) ядрышек, что обусловлено конденсаций и инактиваций рибосомных генов в зоне ядрышковых организаторов. Одновременно с этим в средней профазе начинается разрушение ядерной оболочки: исчезают ядерные поры, оболочка распадается сначала на фрагменты, а затем на мелкие мембранные пузырьки.

Меняются структуры, связанные с синтезом белка. Происходит уменьшение гранулярного ЭПС, он распадается на короткие цистерны и вакуоли, коли чество рибосом на его мембранах резко падает. До 25% редуцируется число полисом как на мембранах, так и в гиалоплазме, что является признаком па дения уровня синтеза белка в делящихся клетках.

Во время профазы происходит образование веретена деления. Образова ние веретена может происходить разными путями: с участием центриолей и без них (у клеток высших растений и некоторых простейших). У простейших и низших грибов образование веретена может происходить внутри ядра, в этом случае ядерная оболочка во время митоза не разрушается (закрытый митоз).

В животных клетках, в профазе репродуцировавшихся в S-периоде, удво енные центриоли (диплосомы) клеточного центра расходятся к противопо ложным полюсам клетки. По мере расхождения диплосом начинают форми роваться микротрубочки, отходящие от периферических участков одной из центриолей каждой диплосомы.

Сформированный аппарат деления в животных клетках имеет веретено видную форму и состоит из нескольких зон: двух зон центросфер с центрио лями внутри них и промежуточной между ними зоны волон веретена. Во всех этих зонах имеется большое число микротрубочек.

Микротрубочки в веретене деления и в зоне центросфер возникают в ре зультате полимеризации тубулинов в зоне центриолей. Эти микротрубочки связываются с кинитохорами в области центромерных перетяжек хромосом.

Полимеризация тубулинов и образование микротрубочек, ориентированных в сторону центриолей, могут вызывать кинетохоры. В веретене деления раз личают два типа микротрубочек: 1) опорные – идущие от полюса к полюсу;


2) хромосомные, соединяющие хромосомы с одним из полюсов.

Метафаза занимает треть времени всего митоза (Слайд 30). В этот период завершается формирование веретена деления, а хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости веретена. Раннюю метафазу называют промета Федорова М.З., Чернявских С.Д.

фазой или метакинезом. В это время хромосомы беспорядочно расположе ны в зоне бывшего ядра и хаотично двигаются. Полагают, что дрейфующие движения хромосом могут быть результатом взаимодействия с ними микро трубочек.

По мере прохождения метафазы все хромосомы собираются в экватори альной части веретена, образуя метафазную пластинку или материнскую звезду. Хромосомы располагаются так, что центромерные участки обращены к центру веретена, а плечи – к периферии. Такое расположение характерно только для животных клеток. У растений хромосомы лежат в экваториальной плоскости без особого порядка.

К концу метафазы завершается процесс обособления друг от друга се стринских хроматид. Их плечи лежат параллельно друг другу, между ними хорошо видна разделяющая их щель. Контакт между хроматидами сохраня ется в области центромеры.

Анафаза. Хромосомы все одновременно теряют центромерные связки и синхронно начинают удаляться друг от друга по направлению к противопо ложным полюсам клетки. Скорость движения хромосом равномерная – 0,2- мкм/мин., анафаза – это самая короткая стадия митоза (несколько процентов всего времени).

Главное событие анафазы – обособление двух идентичных наборов хро мосом и перемещение их в противоположные концы клетки. Расхождение хромосом по направлению к полюсам происходит одновременно с расхожде нием самих полюсов.

Доказано, что расхождение хромосом связано, с одной стороны, с укорачи ванием, деполимеризацией микротрубочек в районе кинетохоров хромосом и с работой белков-транслокаторов, перемещающих хромосомы. Дополни тельное расхождение полюсов в анафазе обеспечивается за счет скольжения относительно друг друга межполюсных микротрубочек, которое обеспечива ется работой другой группы белков транслокаторов.

Телофаза начинается с остановки разошедшихся диплоидных (2n) набо ров хромосом (ранняя телофаза) и заканчивается началом реконструкции но вого интерфазного ядра (поздняя телофаза, ранний G1-период). Процесс рас хождения исходной клетки на две дочерние связан с делением цитоплазмы (цитокинез, цитомия) (Слайд 36). В ранней телофазе хромосомы, не меняя своей ориентации (центромерные участки – к полюсу, теломерные – к центру веретена), начинают деконденсироваться и увеличиваться в объеме. В ме стах их контактов с мембранными пузырьками цитоплазмы образуется новая ядерная оболочка. После замыкания ядерной оболочки начинается формиро вание новых ядрышек. Клетка переходит в G1-период.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ Основное событие телофазы – разделение клеточного тела, цитотомия (цитокинез), который происходит у клеток животных путем образования пе ретяжки в результате впячивания плазматической мембраны внутрь клетки.

При этом в подмембранном слое располагаются активные фибриллы, ориен тированные циркулярно в зоне экватора клетки.

Сокращение такого кольца приводит к впячиванию плазматической мем браны в области этого кольца, что завершается разделением клетки перетяж кой на две.

Выделяют две формы митоза: плевромитоз и ортомитоз.

При плевромитозе (закрытый тип) расхождение хромосом происходит без нарушения ядерной оболочки. В качестве ЦОМТ выступают структуры, на ходящиеся на внутренней стороне ядерной мембраны. Это две центриоляр ные пластинки неопределенной морфологии, от которых отходят микротру бочки. Они расходятся, не теряя связи с ядерной оболочкой, и в результате образуются два полуверетена, связанные с хроматидами. Весь процесс про исходит под ядерной оболочкой. Такой тип амитоза широко распространен у дрожжей, зигомицет, оомицет, аскомицет, миксомицет (грибы).

Ортомитоз – ЦОМТ расположен в цитоплазме, и идет образование двух полюсного веретена. Существует три формы ортомитоза: открытый (обыч ный митоз), полузакрытый и закрытый.

При полузакрытом ортомитозе образуется бисимметричное веретено с помощью ЦОМТ, ядерная оболочка сохраняется в течение всего митоза, за исключением полярных зон. В качестве ЦОМТ выступают центриоли. Эта форма митоза встречается у зеленых водорослей, бурых, красных водорос лей, низших грибов.

При закрытом ортомитозе полностью сохраняется ядерная оболочка, под которой образуется настоящее веретено. Микротрубочки формируются в ка риолимфе, реже отрастают от внутриядерного ЦОМТ, не связанного (в отли чие от плевромитоза) с ядерной оболочкой. Такие типы митозов характерны для деления микронуклеусов инфузорий.

Биологический смысл митоза: обеспечение генетической стабильности вида, то есть получение равноценных в генетическом отношении клеток. До черние клетки идентичны родительским. В процессе митозов увеличивается число клеток (гиперплазия) что представляет один из главных механизмов роста. Митоз представляет собой путь бесполого размножения у простейших животных и растений и обеспечивает регенерацию тканей у многоклеточных организмов.

в) Амитоз (прямое деление) – деление клетки, у которой ядро находится в интерфазном состоянии. При этом не происходит конденсации хромосом и образования веретена деления. Амитоз приводит к появлению полиядерных Федорова М.З., Чернявских С.Д.

клеток. Встречается эта форма практически у всех эукариот: у животных, растений, простейших.

Амитоз начинается с изменения формы и числа ядрышек, которые могут фрагментироваться и делиться перетяжкой. За делением ядрышек происхо дит деление ядра. Основные способы деления ядра:

1. образование перетяжки – ядро приобретает форму гантели, и после разрыва перетяжки образуется два ядра;

2. образование на поверхности ядра рубцевидной инвагинации, которая, углубляясь внутрь, делит ядро на две части. Такая насечка имеет кольцевид ную форму;

3. фрагментация ядра, при этом образуются дочерние ядра, разные по ве личине.

Амитоз встречается всегда в отживающих клетках, обреченных на гибель, дегенерирующих, стоящих в конце своего развития и не способных дать полноценные элементы.

В норме амитоз встречается в зародышевых оболочках, в фолликулярных клетках яичника, в клетках трофобластов. У растений амитоз встречается в паренхиме клубней, эндосперме, стенке завязи. Часто амитоз наблюдается при патологиях (воспалениях, регенерации, злокачественных опухолях).

г) Эндорепродукция – процесс появления клеток с увеличением содержа ния ДНК. Появление полиплоидных клеток происходит в результате отсут ствия в целом или незавершенности отдельных этапов митоза. Существует несколько точек в процессе митоза, блокада которых приводит к его останов ке и появлению плоидных клеток.

Выделяют несколько типов эндорепродукции: 1) без митотической кон денсации хромосом, 2) политения, 3) эндомитоз, 4) нарушения цитотомии.

Эндорепродукция без митотической конденсации хромосом встречается у беспозвоночных животных, а также у позвоночных и у растений. При есте ственной блокаде митоза в самом его начале, при переходе G2-профазы, клет ки приступают к следующему циклу репликации, в результате увеличивается количество ДНК в ядре. При этом ядра – больших размеров, в них не вы являются хромосомы митотического типа. Примером являются гигантские железистые и нервные клетки у позвоночных.

При политении в S-периоде при репликации ДНК новые дочерние хро мосомы продолжают оставаться в деспирализованном состоянии, но не рас ходятся и не претерпевают митотическую конденсацию. В таком виде хро мосомы снова вступают в следующий цикл репликации, снова удваиваются и не расходятся. Постепенно в результате репликации и нерасхождения хромо сомных нитей образуется многонитчатая, политенная структура хромосомы интерфазного ядра.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ Гигантские политенные хромосомы никогда не участвуют в митозе. Это истинно интерфазные хромосомы, участвующие в синтезе ДНК и РНК. По литенная хромосома представляет собой пучок растянутых в длину и лежа щих параллельно хроматид, причем хромомеры разных хроматид оказыва ются лежащими друг с другом, что создает видимость поперечных «полос»

или «дисков». Политенные хромосомы структурно не однородны по длине, состоят из дисков, междисковых участков и пуфов. Рисунок расположения дисков характерен для каждой хромосомы и отличается даже у близких ви дов животных.

Диски имеют хромомерное строение и представляют собой участки кон денсированного хроматина. Диски могут отличаться друг от друга по толщи не. У дрозофилы имеется около 5000 дисков. Диски разделены междисковы ми пространствами, состоящими из фибрилл хроматина, только более рыхло упакованных по сравнению с дисками. На политенных хромосомах двукры лых часто обнаруживаются вздутия, пуфы. Пуфы возникают на местах неко торых дисков за счет их деконденсации и разрыхления. В пуфах синтезирует ся РНК. Следовательно, пуфы являются местом транскрипции, а диски пред ставляют собой зарепрессированные хромосомные участки. Пуфы являются временными образованиями на хромосомах. В процессе развития организма существует определенная последовательность в их появлении и исчезнове нии на генетически различных участках хромосомы. Рисунок расположения и чередования дисков на политенных хромосомах постоянен и не зависит ни от органа, ни от возраста животного.

Доказано, что образование пуфов на политенных хромосомах – это выра жение генной активности. В естественных условиях у двукрылых особенно активны в отношении синтеза РНК два самых круглых пуфа – кольца Баль биани. В этих кольцах содержится и-РНК, кодирующая образование секре торных белков слюнных желез.

В междисковых участках с помощью фермента ДНКазы была обнаружена ДНК. В междисковых участках были обнаружены гранулы и фибриллы РНП, что указывает на участие междисковой зоны в синтезе РНК. Характер этой РНК неясен, возможно, что это РНК генов, которые кодируют белки основ ного метаболизма клетки.

Гигантские хромосомы встречаются в некоторых клетках зародышевых тканей растений. Например, политенные хромосомы описаны у фасоли и яч меня. В отличие от двукрылых насекомых, у них нет разделения на диски и междисковые участки, нет пуфов. Хроматин обладает хромонемной органи зацией.

Эндомитоз – митотическая конденсация хромосом внутри ядра, без ис чезновения ядерной оболочки. Впервые эндомитоз был изучен в клетках во Федорова М.З., Чернявских С.Д.

дяного клопа. В начале эндомитоза хромосомы конденсируются, затем хро матиды обособляются, вытягиваются. Эти стадии соответствуют профазе и метафазе митоза. Затем хромосомы в ядрах исчезают, ядро принимает вид обычного интерфазного ядра, но его размер увеличивается с повышением плоидности. После редупликации ДНК такой цикл повторяется. В результате возникают полиплоидные гигантские ядра.

В клетках млекопитающих процесс полиплоидизации происходит следу ющим образом. Например, в печени, кроме диплоидных клеток встречаются и тетра- (4n) октаплоидные (8n), а также двуядерные клетки разной плоидно сти. После S-периода клетки, обладающие тетраплоидным, количество ДНК вступают в митоз, проходят все его стадии, за исключением цитокинеза, в результате образуется двуядерная клетка. Если она снова входит в S-период, то оба ядра в этой клетке будут содержать по 4с ДНК и 4n хромосом. Такая клетка входит в митоз, происходит объединение хромосомных наборов (8n), затем проходит нормальное деление, в результате которого образуются две тетраплоидные клетки. Этот процесс приводит к образованию ядер с 8n, 16n и 32n. Таким образом образуются полиплоидные клетки в печени, в эпителии мочевого пузыря, в пигментном эпителии сетчатки, на стадии мегакариоци тов красного костного мозга.

Соматическая полиплоидизация встречается на терминальных периодах развития тканей и клеток. Она характерна для дифференцированных клеток при генеративных процессах. Биологический смысл эндорепродукции со стоит в том, что она позволяет без перерыва в функционировании поражать клеточную массу и тем самым увеличить объем работы, выполняемый одной клеткой.

д) Мейоз – редукционное разделение, в результате которого из каждой соматической клетки с диплоидным набором хромосом образуются 4 гапло идных. Характерен для процесса созревания половых клеток.

Биологический смысл мейоза связан с формированием комбинативной изменчивости как результата кроссинговера – рекомбинации генетического материала между гомологичными хромосомами, независимого расхождения отцовских и материнских дву- и однохроматидных хромосом в дочерние клетки.

Мейоз состоит из двух фаз: митоз I и митоз II. Фаза митоза I мейоза на зывается истинно редукционным делением, т. к. в ней происходит уменьше ние в два раза количества хромосом. Митоз II мейоза – эквационное деление – выравнивающие. Между I и II митозом отсутствует интерфаза, удвоение ДНК.

Различают два типа мейоза: зиготный, гаметный, промежуточный.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ Зиготный (исходный тип) наступает сразу после оплодотворения в зиго те. Характерен для аскомицетов, базидиомицетов, споровиков, т. е. организ мов, в жизненном цикле которых преобладает гаплоидная фаза.

Ярким представителем является хламидомонада. При половом процессе гаметы сливаются, образуя зиготу с двойным набором хромосом. Диплоидная зигота приступает к мейозу, в результате чего образуются 4 вегетативные гаплоидные клетки. Эти гаплоидные клетки могут вегетативно размножаться, образуя 2-8 зооспор.

Гаметный тип происходит во время созревания гамет. В жизненном ци кле организмов с таким типом мейоза преобладает диплоидная фаза. Гамет ный тип наблюдается у млекопитающих, простейших и низших растений. У млекопитающих при созревании половых клеток первичные половые клетки (оогонии – женские половые клетки;

сперматогонии – мужские) подвергают ся редукционному делению, в результате которого образуются гаплоидные гаметы (ооциты и сперматоциты, которые дифференцируются в сперматозо иды). При мейозе мужских половых клеток образуются 4 гаплоидных спер матозоида. При мейозе женских половых клеток образуется одна крупная яйцеклетка и три мелких клетки, полярные тельца, которые отмирают и не принимают участия в половом процессе.

Промежуточный (споровый) тип мейоза встречается у высших растений.

Он совершается во время спорообразования, включаясь между стадиями спорофита и гаметофита.

Сперматогенез (образование мужских половых клеток). Сперматогенез протекает в извитых семенных канальцах и включает 4 фазы: размножение, рост, созревание и формирование.

Начальной формой сперматогенеза является размножение клеток, нахо дящихся в зоне размножения семенников и занимающих периферическое положение в сперматогенном эпителии. Их размножение – сперматогонию – стимулирует тестостерон. В результате митоза из каждой клетки семен ной ткани – спермотогонии, – образуется по 2 сперматоцита I порядка. Они вступает в стадию роста – увеличиваются в размерах цитоплазма и ядро, проходит удвоение ДНК в ядре, в S-фазе клеточного цикла удваиваются цен триоли. В цитоплазме накапливаются энергетические субстраты, и спермато цит I порядка вступает в профазу I митоза. Профазу I митоза подразделяют на 5 стадий, в связи с перестройкой хромосом: 1) липтотена – стадия тонких нитей – в ядре образуются тонкие нити хромосом, которые укорачиваются до определенных размеров, когда они могут сближаться порами. Харак терным для липтотены является появление на тонких хромосомах сгустков хроматина – хромомеров, которые нанизаны в виде бусинок и расположены по всей длине хромосомы. В липтотене начинается конъюгация хромосом.

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

2) зиготена – стадия прохождения конъюгации гомологичных хромосом (си нопсис). Гомологичные хромосомы сближаются и образуют бивалент. Бива ленты – это парные соединения удвоенных гомологичных хромосом, каж дый бивалент состоит из 4 хроматид. Число бивалентов в клетке будет равно гаплоидному числу хромосом. В этой стадии биваленты сближаются, меж ду ними образуется синоптонемальный комплекс, склеивающий эти пары хромосом. Объединение хромосом начинается в теломерах и центромерах.

В этих участках, а позднее и в других происходит сближение осевых тяжей на расстоянии 100 нм, между ними образуются связки. По мере сближения и связывания гомологов этот комплекс растет, две ленты объединяются в одну, как застежка «молния». Синоптонимальный комплекс по своей морфологии имеет вид трехслойной ленты, состоящей из двух боковых компонентов – тяжей (толщиной 30-60 нм), центрального элемента (толщиной 10-40 нм).

В таком виде комплекс существует в течение следующей стадии пахитены.

3) Пахитена – стадия толстых нитей. На этой стадии происходит кроссин говер, взаимный обмен идентичными участками по длине гомологичных хромосом. Генетическим следствием кроссинговера является рекомбинация генома – смысл мейоза. Обмен генетической информацией происходит под действием ферментов в точках хиазм между отцовской и материнской хрома тидами. 4) Диплотена – стадия двойных нитей. Пары гомологичных хрома тид начинают расходиться в зоне центромер. Но пары сестринских хроматид каждого гомолога остаются соединенными в центромерах и по всей длине.

Дальнейшая спирализация хроматид приводит к тому, что пары конъюги рующих хроматид приобретают вид коротких хромосом. Каждая тетрада образована двумя конъюгировавшими двухроматидными хромосомами.

5) Диакинез – характеризуется еще большим расхождением гомологичных пар хромосом, уменьшением числа хиазм, укорочением бивалентов, потерей ядрышек. Хромосомы теряют связь с ядерной оболочкой. После чего клетка вступает в метафазу митоза (или первое деление созревания).

В метафазе I деления мейоза биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости веретена.

В анафазе митоза I происходит расхождение к противоположным полю сам клеток гомологичных 2-хроматидных хромосом.

В результате телофазы митоза I происходит образование двух спермато цитов второго порядка с гаплоидным 2-хроматидным набором хромосом.

В интерфазе II не происходит удвоения молекул ДНК, и клетки с гапло идным 2-хроматидным набором хромосом вступают с таким же кариотипом в митоз II мейоза.

В метафазе митоза II мейоза хромосомы выстраиваются по экватору, за вершается их спирализация, к центрамерам с двух сторон прикрепляются КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ нити веретена деления. В анафазе митоза II происходит деление центромер и 2-хроматидные хромосомы разделяются на монады, или одиночные хрома тиды, расходящиеся к полюсам клетки. В результате образуются сперматиды с гаплоидным набором хромосом. Сперматиды не делятся, а путем сложной перестройки превращаются в сперматозоиды. Эта трансформация составля ет 4 фазу сперматогенеза – период формирования, или спермиогенеза.

Процесс спермиогенеза длится у человека 75 суток и протекает в извитых семенных канальцах.

Овогенез проходит в три стадии. I стадия – период размножения оогони ев – осуществляется в период внутриутробного развития зародыша женской особи. В яичнике зародыша происходит деление оогониев и их вхождение в начальную стадию роста – формирование первичных фолликулов, или ооци тов I порядка (400-500 тыс.). С момента рождения их рост прекращается.

Ооциты I порядка впадают в длительную интерфазу (фаза физиологическо го покоя). Они вступают в продолжение стадии роста по мере накопления в организме женских половых гормонов (с наступлением периода полового созревания). II стадия протекает в функционирующем яичнике и состоит в превращении ооцита I порядка в овоцит I порядка в зрелом фолликуле.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.