12. Строение ядрышка



Скачать 327.82 Kb.
Дата15.11.2016
Размер327.82 Kb.
12. Строение ядрышка.

Ядрышко – это производное хромосомы, один из ее локусов, активно функционирующий в интерфазе. Ядрышко клетки является местом образования рибосомных: РНК и рибосом, на которых происходит синтез полипептидных цепей. У прокариотических клеток образование рибосом не связано с обособлением специального локуса в виде ядрышка, но, несмотря на отсутствие ядрышек у этих клеток, сам процесс синтеза рибосом во многом сходен.



Данные гистохимии и авторадиографии

В ядрышках содержатся белки нескольких типов: кислые фосфопротеиды и основные белки негистоновой природы. Концентрация РНК в ядрышке может быть в 2 – 8 раз выше, чем в ядре, и в 1 – 3 раза выше, чем в цитоплазме. Ядрышковая РНК является предшественником цитоплазматической РНК. Так как от 70 до 90% цитоплазматической РНК является рибосомной, то ядрышко является местом синтеза рибосомной РНК (рРНК).



РНК ядрышек

На цистроне рибосомного гена первоначально синтезируется гигантская молекула – предшественник с коэффициентом седиментации 45 S (мол. вес 4,5 • 106), которая затем расщепляется на две части, дающие начало 18S и 28 S рРНК. При этом около половины первоначально синтезированной молекулы уничтожается. Из ядрышек выделены гетерогенные рибонуклеопротеидные частицы с различными коэффициентами седиментации от 40 S до 80 S и выше, что представляют собой рибонуклеопротеиды – предшественники рибосомных субъединиц. Начиная с 45 S РНК, белок ассоциирует с рРНК, при этом образуются сначала тяжелые предшественники рибосом (около 80 S и 90 S), а потом уже и субъединицы рибосом (60 S и 40 S).



ДНК ядрышек

Содержание ДНК в выделенных ядрышках составляет 5 – 12% от сухого веса и 6 – 17% от всей ДНК ядра. ДНК ядрышкового организатора – это та самая ДНК, на которой происходит синтез ядрышковой, т. е. рибосомной РНК. На основе анализа насыщения ДНК при гибридизации с рРНК в этой работе делается также вывод о том, что цистроны, отвечающие за синтез рРНК, располагаются компактно и, возможно, представлены в виде полицистронного участка, входящего в состав ядрышкового организатора. В ядрышке на ДНК вторичной перетяжки локализованы многочисленные одинаковые гены для синтеза рРНК. Синтез же идет путем образования огромного предшественника и дальнейшего его превращения (созревания) в более короткие молекулы РНК для большой и малой субъединиц рибосом.



Ультраструктура ядрышек

Отмечена волокнистая или сетчатая структура ядрышек, заключенная в более или менее плотную диффузную массу. Были предложены названия для этих частей: волокнистая часть – нуклеолонема и диффузная, гомогенная часть – аморфное вещество, или аморфная часть. Оба эти участка ядрышка Фельген-отрицательны. У некоторых клеток отдельные нити нуклеолонем сливаются и ядрышки могут быть совершенно однородными. Основные структурные компоненты ядрышка – плотные гранулы диаметром около 150 А и тонкие фибриллы толщиной 40 – 80 А. Во многих случаях фибриллярный компонент собран в плотную центральную зону (сердцевина), лишенную гранул, а гранулы занимают периферическую зону ядрышка. Между гранулами в этой зоне всегда наблюдаются рыхло расположенные фибриллы толщиной 40 – 80 А. В ряде случаев в этой гранулярной зоне не наблюдается никакой дополнительной структуризации. Но часто эта зона представлена обособленными нитчатыми структурами толщиной около 1500 – 2000 А, состоящими из гранулы и рыхло расположенных фибрилл. В данном случае эти нитчатые гранулярные периферические компоненты ядрышка соответствуют нуклеолонеме, а центральная фибриллярная часть – аморфной части. Фибриллярная часть ядрышка также не всегда собрана в компактную центральную зону.



Строение ядрышка при различной функциональной нагрузке

Ультраструктура ядрышек зависит от активности синтеза РНК: при высоком уровне синтеза рРНК в ядрышке выявляется большое число гранул, при прекращении синтеза количество гранул падает, ядрышки превращаются в плотные фибриллярные тельца.


13. Строение рибосом, их состав и роль в синтезе белка.

Рибосомы, элементарные аппараты синтеза белковых, полипептидных молекул, обнаруживаются во всех живых клетках, однако их размеры и характеристика различаются у про- и эукариотических клеток. Рибосомы – это сложные рибонуклеопротеиды, в состав которых входят белки и молекулы РНК примерно в равных весовых отношениях. Работающая рибосома состоит из двух неравных субъединиц, которые легко разъединяются при понижении концентрации солей Мg++ в растворах. Размер полной рибосомы прокариотических клеток 20*17*17 нм, эукариотических – 25*20*20. Полная рибосома прокариотов имеет коэффициент седиментации 70 ед. Сведберга (S) рибосома эукариотических клеток – 80S. Прокариотические 70S рибосомы диссоциируют на 50 S большую и 30 S малую субъединицы, эукариотические 80 S рибосомы – на 60 S и 40 S субъединицы. Каждая из субъединиц построена из единого рибонуклеопротеидного тяжа, где рибосомная РНК (рРНК) взаимодействует с разными белками и образует тело рибосомы. Характеристики рибосом даны в табл. 2. Необходимо подчеркнуть, что рибосомные белки в 70 S рибосоме представляют собой 55 неповторяющихся индивидуальных молекул. Разные белки в рибосоме несут различную функциональную нагрузку (например, связывание с факторами при синтезе белков, участие в перемещении тРНК, в транслокации белковой цепи и т. д.), их место вдоль молекул РНК строго специфично. Рибонуклеопротеидный тяж субъединиц сложно изогнут так, что образуется компактная частица. Рибосомные субъединицы можно разобрать, экстрагируя из них отдельные фракции, на составляющие их РНК и белки. Из смесей специфических белков рибосом и из рибосомных РНК снова можно получить рибосомные субъединицы спонтанно, путем самосборки, по-видимому, аналогично тому, что происходит в живой клетке. Выделенная суммарная РНК рибосом представляет собой смесь трех типов молекул, которые легко разделить, используя метод ультрацентрифугирования. При этом в графике распределения молекул РНК в растворе видны три пика: первый тяжелый соответствует РНК с большим молекулярным весом 1,6 106, РНК из 60 S субъединицы, а второй – РНК с молекулярным весом 0,6 106 из 40 S субъединицы. Такой метод исследования молекулярных весов РНК показал, что профиль седиментационных свойств рРНК почти полностью совпадает с профилем тотальной цитоплазматической РНК. Следовательно, основная часть РНК цитоплазмы – рРНК. Что касается других видов клеточных РНК, то тРНК обычно локализуется в зоне с коэффициентом седименчации 4 – 5 S, а количество иРНК так мало, что ее локализация по поглощению в ультрафиолете не выявляется. Использование меченой иРНК показывает, что она может иметь у эукариотических клеток коэффициенты седиментации от 6 до 75 S.



объект

Коэффициент седиментации полной рибосомы

Коэффициент седиментации субъединиц

Количество молекул РНК на субъединицу

Молекулярный вес РНК

Кояффициент седиментации РНК

Количество белковых молекул на субъединицу

Рибосомы прокариотических клеток

30S


70S

50S

1
2

0.56*106


1.1*106

4*105


16S
23S

5S

21
34



Рибосомы эукариотических клеток

40S


80S

60S

1
2

0.6*106


1.6*106

4*105


18S
28S

5S

Всего около 100






11. Доказательство непрерывности хромосом в течение клеточного цикла.

Теория индивидуальности хромосом (Бовери, 1887): материал хромосом сохраняет свою структурную целостность в течение всего клеточного цикла, но меняет сложность и степень упаковки, находясь в максимально конденсированном состоянии при делении клетки, когда осуществляется функция переноса генетического материала и когда хромосомы находятся в состоянии метаболического покоя и, с другой стороны, деконденсируясь частично или почти полностью, в интерфазном ядре участвуют в основных синтетических процессах, связанных с редупликацией ДНК и транскрипцией. Хромосомы могут находиться в двух функциональных состояниях: конденсированном при делении клетки и деконденсированном, рабочем состоянии, в составе интерфазного ядра. Степень деконденсации хромосом может быть различной в интерфазных ядрах разных объектов, но чем рыхлее расположен материал хромосом (хроматин) в ядрах, тем выше в них обменные и синтетические процессы.

1. Характер расположения хромосом в телофазе определяет форму интерфазного ядра и порядок расположения хромосом в следующей профазе (это послужило основой для появления данной теории).

2. Постоянство числа и морфологии хромосом для данного кариотипа можно объяснить только исходя из принципа постоянства и непрерывности структуры каждой индивидуальной хромосомы.

3. Обнаружение закономерно повторяющегося взаимного расположения хромосом в метафазных пластинках также может говорить о неслучайном, фиксированном в пространстве ядра расположении хромосом в интерфазе.

4. При включении Н3-тимидина в ДНК во время S-периода интерфазы и при дальнейшем содержании клеток в отсутствие меченого предшественника в первом митозе обе сестринские хроматиды оказываются мечены. Во втором же митозе, после того как прошел следующий S-период и синтезировалась новая ДНК, но уже с участием немеченых предшественников, метка Н3-тимидина (включенная во время первого S-периода) обнаруживалась только в одной из хроматид, старой, которая, несмотря на почти два клеточных цикла, не распалась, а сохранилась как индивидуальная целостная структура. В то же время редуплицированная хромосома не содержала метки, не включала в себя никаких "демонтированных" фрагментов исходной хромосомы.

5. Индивидуальные хромосомы в ряде случаев можно наблюдать в интерфазных ядрах. Наиболее демонстративным является выявление как в живой клетке, так и на фиксированных препаратах, в ядрах некоторых млекопитающих Х-хромосомы у женских особей. В этом случае видно не только присутствие этой почти не деконденсированной неактивной хромосомы, но даже ее удвоение в S-периоде.

6. В ряде объектов возможно выявление теломерных участков: хромосом в интерфазных ядрах. Так, авторадиографически было показано, что все хромоцентры интерфазных ядер клеток меристемы корешков лука Allium fistulosum представляют собой не что иное, как теломерные участки хромосом. Подробный анализ этих структур с помощью электронного микроскопа на сериях ультратонких срезов показал, что все такие теломерные хромоцентры (кроме связанного с ядрышком), располагаются в тесном контакте с ядерной оболочкой. Такой характер их расположения остается неизменным, начиная с телофазы, кончая профазой. В поздней телофазе все периферические хромоцентры сосредоточены на теломерном полюсе ядра, и такая зона занимает около, половины поверхности ядра. В двух дочерних клетках на этой стадии обнаруживается в ядрах зеркальное расположение хромоцентров, что соответствует зеркальному расположению теломерных концов в группах разошедшихся хромосом. В клетках перед митозом такая полярность ядер сохраняется, хотя зона, свободная от теломерных хромоцентров (вероятнее всего, зона центромер), становится меньше.



7. Прямые биохимические данные, говорящие о непрерывности хромосом, были получены при определении максимального молекулярного веса ДНК дрозофилы. Здесь кроме подтверждения того, что на хромосому приходится одна молекула ДНК, вытекает и другой вывод о том, что длина молекулы ДНК (или ее молекулярный вес) на хромосому остается без изменений как в митозе, так и в интерфазе. Действительно, расчетные данные о молекулярном весе ДНК, полученные для митотической хромосомы, полностью совпадают с прямым определением молекулярного веса ДНК, выделенной из интерфазных ядер.

14. Клеточный цикл, его стадии и способы их изучения.

Один из постулатов клеточной теории гласит, что увеличение числа клеток, их размножение, происходит путем деления исходной клетки. Обычно делению клеток предшествует редупликация их хромосомного аппарата, синтез ДНК. Время существования клетки как таковой – от деления до деления – обычно называют клеточным циклом. Величина его может быть различной для разных типов клеток. Время прохождения клеточного цикла зависит от температуры и условий окружающей среды. Клетки многоклеточных организмов обладают разной способностью к делению. Клетки животных и растений, так же как одноклеточные эукариотические организмы, вступают в процесс деления после ряда подготовительных процессов, важнейшим из которых является синтез ДНК. Весь смысл клеточного деления заключается в равномерном распределении редуплицированного генетического материала по двум новым клеткам. Синтез ДНК происходит в интерфазе, в которой существуют периоды, когда синтеза ДНК не происходит. Таким образом, весь клеточный цикл состоит как бы из четырех отрезков времени: собственно митоз (М), пресинтетический (G1), синтетический (S) и постсинтетический (G2) периоды. Подготовка клеток к делению регулируется на генном уровне путем последовательных транскрипций специфических РНК, а также путем регуляции трансляции этих РНК, путем регуляции синтеза специфических белков. Различные периоды клеточного цикла отличаются друг от друга по общему содержанию в клетках белка, ДНК и РНК и по уровню (интенсивности) их синтеза. В G1-периоде клетки имеют диплоидное содержание ДНК на ядро (2с), в S-периоде содержание ДНК колеблется от 2с до 4с, в G2-периоде содержание ДНК соответствует тетраплоидному (4с). Количество РНК в клетках на разных этапах цикла также может меняться; в интенсивно делящихся клетках содержание РНК в течение интерфазы увеличивается по крайней мере в 2 раза. После деления, в период G1 поступают дочерние клетки, по объему и по общему содержанию белков и РНК вдвое меньшие, чем исходная родительская клетка. В это время начинается рост клеток, главным образом за счет накопления клеточных белков, что определяется увеличением количества РНК на клетку. Необходимо вспомнить, что в течение всего митоза (от поздней профазы до средней телофазы) в клетке синтез РНК полностью подавлен, поэтому накопление клеточных белков и РНК связано с возобновлением синтеза РНК в начале нового клеточного цикла. В S-периоде уровень синтеза РНК возрастает соответственно увеличению, количества ДНК, достигает своего максимума в середине G2-периода. В конце G2-периода или в профазе синтез РНК резко падает по мере конденсации митотических хромосом и снова полностью прекращается во время митоза. Синтез белка во время митоза падает до 25% от исходного уровня и затем в последующих периодах достигает своего максимума в G2-периоде, в общем повторяя характер синтеза РНК. Пресинтетический период (G1) характеризуется ростом клетки и подготовкой к синтезу ДНК.( для прохождения клеточного цикла необходим определенный объем клеточной массы). Некоторые исследователи считают, что рост клетки в фазе G1 необходим для достижения определенной «критической массы» цитоплазмы, определяющей начало синтеза ДНК в S-периоде. Это привело к представлениям о существовании белка (или белков)- инициатора, необходимого для начала репликации ДНК. Предполагается, что синтез белка-инициатора происходит в течение всего G1-периода и прекращается, когда его концентрация в клетке становится пороговой. В течение G1-периода происходят синтезы ферментов, необходимых для образования предшественников ДНК (например, нуклеотидфосфокиназ), ферментов метаболизма РНК и белка. Это совпадает с увеличением синтеза РНК и белка в клетке. Резко при этом повышается активность ферментов, участвующих в энергетическом обмене. Все эти метаболические особенности G1-периода дают основание считать его подготовительным этапом для синтеза ДНК. Как уже указывалось, длительность G1-периода может сильно варьировать. В некоторых случаях синтез ДНК может начинаться без предварительного G1-периода. Интересно, что в этом случае дробление не связано с ростом дочерних клеток, наоборот, до определенной стадии размер клеток уменьшается. Вероятно, что синтез РНК и белков, определяющих вступление клеток в S-период, здесь происходит еще до митоза в предыдущем клеточном цикле. Синтетический период является узловым в клеточном цикле. Его блокада приводит к остановке цикла. Можно затормозить S-период, давая клеткам избыток предшественника ДНК, тимидина. При этом все клетки в 5-периоде блокируются. Без прохождения синтеза ДНК неизвестно ни одного случая вступления клеток в митотическое деление. Единственным исключением или особым случаем является второе деление созревания половых клеток при мейозе, когда между двумя делениями нет S-периода. Длительность S-периода зависит от скорости репликации ДНК (она может у разных объектов колебаться в пределах 0,5 – 2 мкм/мин), от числа и величины репликонов, от числа включенных репликонов, от общего количества ДНК. Прямая зависимость длительности S-периода (как и других) от содержания ДНК на клетку наблюдается у высших растений. Однако и у растений и у животных в полиплоидных клетках время S-периода не меняется по сравнению с диплоидными. Для прохождения S-периода необходим синтез РНК и белков, начавшийся еще в G1-периоде. Параллельно синтезу ДНК в клетке идет интенсивный синтез гистонов в цитоплазме и происходит их миграция в ядро, где они связываются с ДНК. В S-периоде происходит синтез рРНК, использующейся уже в G2-периоде для синтеза белков, необходимых для митоза. Постсинтетическая (G2) фаза еще называется премитотической, при этом подчеркивается ее большое значение для прохождения следующей стадии – митотического деления. Длительность G2-периода обычно всегда меньше остальных периодов интерфазы. В некоторых случаях она может вообще выпадать. Иногда клетки могут длительное время пребывать в G2-периоде. В G2-периоде продолжается синтез клеточных РНК и белков. В это время происходит синтез иРНК, необходимой для прохождения митоза, несколько ранее этого синтезируется рРНК рибосом, участвующих в синтезе белков, определяющих деление клетки. Среди синтезирующихся в это время белков особое внимание привлекают тубулины, белки митотического веретена. Оказалось, что в некоторых случаях новосинтезированные тубулины могут использоваться даже в следующем клеточном цикле. В этом периоде происходит синтез РНК для осуществления следующего G1-периода и даже некоторой части белков, необходимых для инициации очередного S-периода. Таким образом, видно, что в течение интерфазы синтез макромолекул, необходимых для прохождения ее отдельных фаз, происходит с некоторым предварительным опережением: в G2-периоде происходит синтез макромолекул для митоза и следующего G1-периода, в G1-периоде – синтезы для S-периода, в S-периоде – синтезы для G2- и G1-периодов и т.д. Такое регулярное повторение последовательности клеточных циклов легко можно наблюдать во время прогрессивного роста клеток культуры ткани. В естественных условиях в растущих тканях растений и животных всегда есть клетки, которые находятся вне цикла», не проходят регулярно из G1- в S-, затем в G2- и потом в М-фазу; такие клетки принято называть клетками G0-периода. Именно эти клетки представляют собой так называемые покоящиеся, переставшие размножаться клетки. В некоторых тканях такие клетки G0-фазы могут находиться длительное время, не изменяя особенно своих морфологических свойств: они сохраняют в принципе способность к делению. Изучение способности клеток к размножению подтвердило старые выводы цитологов о том, что чем выше специализация клетки, тем ниже ее способность делиться, как будто у клетки есть выбор: или размножаться, или дифференцироваться. Итак, в естественных условиях смена фаз клеточного цикла строго детерминирована, так же как детерминирован переход в G0-фазу. Если взять ядро из нервной, клетки головного мозга взрослой лягушки, которая находится в G0-фазе (и находилась бы в ней до конца жизни лягушки) и пересадить его в зрелый лягушачий ооцит, то такое ядро начинает под воздействием каких-то факторов цитоплазмы ооцита синтезировать ДНК. Другим приемом для изучения детерминированности клеточного цикла может служить метод получения гетерокарионон. Суть его заключается в том, что после контакта клеток с некоторыми инактивированными вирусами соседние клетки начинают слипаться, их цитоплазмы сливаются и образуются двуядерные клетки – дикарионы (так объединиться могут три или четыре клетки, в этом случае образуются три- и тетракарионы). Если в гетерокарионе из двух клеток оба ядра войдут в митоз, то может произойти объединение митотических фигур в одну – возникает истинный клеточный гибрид.
16. Кариотип, определение, методы изучения.

Совокупность числа, размеров и морфологии хромосом называется кариотипом данного вида. Кариотип – это как бы лицо вида. Даже у близких видов хромосомные наборы отличаются друг от друга или по числу хромосом, или по величине хотя бы одной или нескольких хромосом, или по форме хромосом и по их структуре. Следовательно, структура кариотипа может быть таксономическим (систематическим) признаком, который все чаще используется в систематике животных и растений. Недавно в практику хромосомного анализа стали широко входить метод дифференциального окрашивания хромосом. Впервые метод был предложен Касперссоном, который показал, что при обработке препаратов митотических хромосом с помощью флоурохрома акрихиниприта во флоуресцентном микроскопе видна исчерченность по длине хромосом. Затем оказалось, что исчерченность тела хромосомы, ее способность дифференциально окрашиваться по длине, можно выявить с помощью нефлоуресцирующих красителей. Одним из таких красителей является смесь по Гимза (метилен-азур, метиленовый фиолетовый, метиленовый синий и эозин). Перед окраской препараты обрабатывают разными способами (короткая обработка трипсином, щелочными или кислыми растворами и др.). В зависимости от метода окраски можно выявить окрашивание прицентромерных участков (С-полосы или перевязки) или различные полосы в плечах и теломерах хромосом (G-полосы). При этом, так же как при окраске акрихинипритом, расположение полос характерно для каждой хромосомы. Такая дифференциация позволила детально изучить строение хромосом человека. При обычных методах окраски весь набор из 46 хромосом человека принято подразделять по их размерам на 7 групп (А, В, С, Д, Е, F, G). Большое число наблюдений говорит о том, что избирательное окрашивание связано с локализацией так называемого гетерохроматина.

Термин гетерохроматин вначале был предложен для обозначения участков хромосом, интенсивно связывающихся с красителями. При переходе клетки от митоза к интерфазе определенные зоны различных хромосом или даже целые хромосомы остаются компактными и хорошо окрашиваются. Эти участки или хромосомы получали название гетерохроматические. В отличие от них те участки хромосом, которые в интерфазе деконденсируются, названы эухроматическими (эухроматин). Считается, что эухроматические районы хромосом активны и содержат весь основной комплекс генов клетки или организма. Гетерохроматические участки обычно располагаются в теломерных, центромерных, околоядрышковых районах хромосом, но могут входить и в состав их внутренних частей. Как уже указывалось, они в течение большей части хромосомного цикла остаются конденсированными и даже в интерфазе могут образовывать массивные тела. Сейчас принято различать структурный (конститутивный) гетерохроматин и факультативный гетерохроматин. Последним термином обозначают участок хроматина, который временно переходит в конденсированное состояние. Например, в лейкоцитах, в ядерных эритроцитах и других клетках по мере структуризации ядер все большая часть хроматина переходит в конденсированное состояние, гетерохроматизируется. При этом значительно, а иногда и вовсе прекращается синтез РНК на таких участках хроматина. Но такое гетерохроматизированное состояние ядра может быть временным. При восстановлении функциональной активности ядер хроматин разрыхляется, переходит в эухроматическое состояние. Структурный гетерохроматин такими переходами не обладает или почти не обладает. В первую очередь местом локализации структурного гетерохроматина являются околоцентромерные участки. Далее, часто гетерохроматиновые участки примыкают к зоне ядрышкового организатора, образуя околоядрышковый хроматин. Теломерное расположение гетерохроматина часто наблюдается у хромосом растений. Небольшие участки гетерохроматина разбросаны среди массы эухроматических районов хромосом. Функциональное значение структурного гетерохроматина неясно. Предполагают, что он играет важную роль в поддержании общей структуры ядра, участвует в прикреплении хроматина к ядерной оболочке, может быть местом узнавания и ассоциации гомологичных хромосом при мейозе или играть роль разделительных зон между соседними генами и тем самым принимать важное участие в регуляции генной активности.

17. Цитотомия бактериальных, растительных и животных клеток.

У растений деление клетки происходит путем внутриклеточного образования клеточной перегородки, а у клеток животных путем перетяжки, впячивания плазматической мембраны внутрь клетки. Митоз не всегда заканчивается разделением тела клетки. Так, в эндосперме многих растений могут некоторое время идти множественные процессы митотического деления ядер без деления цитоплазмы: образуется гигантский многоядерный симпласт. В большинстве случаев закладка перетяжки при делении клеток животных происходит строго в экваториальной плоскости веретена. Считается, что митотический аппарат (веретено вместе с хромосомами) детерминирует место появления клеточной перетяжки. Вопрос, за счет каких процессов происходит деление тела клетки, решить еще до конца нельзя. Здесь существуют две возможности, две гипотезы. Одна из них предполагает, что деление клетки происходит за счет растяжения мембраны клетки: на полюсах начинается волна растяжения мембран, которая, распространяясь к экватору, вызывает повышение поверхностного натяжения, что приводит к образованию перетяжки. Большее обоснование имеет гипотеза «сократимого кольца». При этом считается, что в кортикальном, подмембранном слое располагаются сократимые элементы типа мышечных фибрилл, ориентированные циркулярно в зоне экватора клетки. Сокращение такого кольца приведет к впячиванию плазматической мембраны в области этого кольца, что завершится разделением клетки надвое. В пользу этого представления говорит ряд фактов. В зоне перетяжки обнаружен утолщенный участок кортикального слоя, и в нем видны многочисленные тонкие микрофиламенты (4 – 6 нм), расположенные циркулярно. Оказалось, что при действии на клетку цитохалазина, останавливающего деление клеток, и движение участков их цитоплазмы полностью исчезают эти микрофиламенты. Таким образом, по-видимому, функция фибрилл кортикального слоя в борозде дробления яиц или в клеточной перетяжке аналогична мышечному сокращению. Интересно, что образование клеточной перетяжки зависит от присутствия АТФ. Можно обработать клетки глицерином, получить так называемую глицериновую модель: клетки с нарушенной проницаемостью клеточной мембраны. Если таким обработанным (и, естественно, умершим) клеткам на стадии анафазы или телофазы добавить АТФ, то происходит сокращение кортикального кольца и образуется клеточная перетяжка. Итак, при митозе главными действующими структурами являются хромосомы, аппарат веретена, плазматическая мембрана.



15. Мейоз, последовательность фаз мейоза и его значение.

Это достигается при специальном делении созревающих половых клеток, при редукционном делении в процессе мейоза, который приводит к уменьшению в клетке числа хромосом вдвое. Этот процесс состоит из двух следующих друг за другом делений ядра, сопровождающихся лишь одним удвоением количества ДНК. Рекомбинации генетического материала, обмен участками между гомологичными хромосомами (кроссинговер). Кроме того, для мейоза характерна активация транскрипции в профазе первого деления и отсутствие S-фазы между первым и вторым делением. При развитии любого организма, обладающего половым размножением, можно встретить клетки двух типов. Одни из них гаплоидные, с одинарным набором хромосом, дающие начало половым клеткам, участвующим в процессе оплодотворения. Другие – диплоидные, возникшие в результате размножения клетки, зиготы, образовавшейся при слиянии половых клеток. В зависимости от положения в жизненном цикле развития организмов выделяют три типа мейоза: зиготный, гаметный, промежуточный.



Зиготный (исходный) тип. Мейоз наступает сразу после оплодотворения в зиготе; он характерен для аскомицетов, базидиомицетов, некоторых водорослей, споровиков и других организмов, в жизненном цикле которых преобладает гаплоидная фаза. Исходная клетка многократно делится, образуя 2 – 8 зооспор. Зооспоры дорастают до размера материнской особи и снова могут размножаться без полового процесса. При половом процессе вначале образуются гаметы за счет деления исходной клетки. Затем две гаметы сливаются, копулируют, образуя зиготу с двойным набором хромосом. В таком виде диплоидная зигота (покоящаяся спора) приступает к мейозу, в результате чего образуются 4 вегетативные гаплоидные клетки, и цикл повторяется снова. В этом случае диплоидная фаза (диплофаза, или фаза спорофита) занимает очень малый промежуток времени, тогда как гаплоидная фаза (гаплофаза, или фаза гаметофита) приходится на большую часть жизненного цикла.

Другой тип мейоза, гаметный, происходит во время созревания гамет. Он встречается у многоклеточных животных, среди простейших и некоторых низших растений. В жизненном цикле организмов с таким типом мейоза преобладает диплоидная фаза. При этом гаплоидные крупные женские и мелкие мужские гаметы, сливаясь, образуют зиготу, которая прорастает в новое диплоидное растение. В дальнейшем при развитии половых органов, гаметангиев, происходит редукционное деление и образуются гаплоидные гаметы. Таким образом, гаплофаза здесь значительно редуцированна. При мейотическом делении мужских половых клеток в конечном: результате получаются четыре гаплоидных сперматозоида, отличающихся друг от друга лишь хромосомными наборами. При мейозе женских половых клеток образуются одна крупная яйцеклетка и три мелких клетки, полярные тельца, которые отмирают и в половом процессе участия не принимают.



Промежуточный (споровый) тип мейоза встречается у высших растений. Он совершается во время спорообразования, включаясь между стадиями спорофита и гаметофита. В данном случае в органах размножения диплоидных организмов происходит образование гаплоидных мужских (микроспоры) и женских (мегаспоры) половых клеток. Отличием от предыдущего типа является то, что после мейоза гаплоидные клетки еще несколько раз делятся во время редуцированной гадлофазы.

В связи с этим принято профазу первого (1) мейотического деления подразделять на пять стадий: лептотена – стадия тонких нитей, зиготена – стадия сливающихся нитей, пахитена – стадия толстых нитей, диплотена – стадий двойных нитей, диакинез – стадия обособления двойных нитей. Затем следуют метафаза 1 деления и последующие фазы деления клетки, наступает следующий 2 цикл, в конечном результате приводящий к появлению зрелых половых клеток.



Лептотена, или стадия тонких нитей, морфологически напоминает раннюю профазу митоза, но отличается тем, что при мейозе ядра обычно крупнее и хромосомы очень тонкие, так что проследить их по всей длине трудно. В лептотене содержится диплоидное количество (2n) сдвоенных сестринских хроматид, общее количество последних, как и при митозе, равно 4п вследствие редупликации в S-периоде. Расположение хромосом в лептотене часто повторяет телофазную поляризацию ядра. Для лептотены характерно появление на тонких хромосомах сгустков хроматина – хромомеров, которые как бы нанизаны в виде бусинок и располагаются по-всей длине хромосомы. Число, размер и расположение таких хромомерных участков специфично для каждой хромосомы. В лептотене начинается процесс конъюгации гомологичных хромосом. На этой стадии каждая (двойная) хромосома вдоль своей поверхности связана со специальной структурой – тяжем белковой природы, который позднее в зиготене примет участие в образовании синаптонемального комплекса (СК).

Зиготена – стадия прохождения конъюгации гомологичных хромосом (синапсис). При этом гомологичные хромосомы (уже двойные после S-периода) сближаются и образуют новый хромосомный ансамбль, никогда до этого не встречавшийся при клеточном делении – бивалент. Биваленты – это парные соединения удвоенных гомологичных хромосом, т. е. каждый бивалент состоит из четырех хроматид. Таким образом, число бивалентов на ядро будет равно гаплоидному числу хромосом. Такой порядок объединения виден на следующей, пахитенной, стадии, а на стадии зиготены он только начинается. В отличие от митоза, в профазе мейоза, а именно на зиготенной стадии, синтезируется небольшое (0,3% от всей ДНК клетки) количество специфической ДНК, получившей название z ДНК. Синаптонемальный комплекс встречается практически у всех представителей эукариотов, которые обладают половым процессом. По своей морфологии он имеет вид трехслойной ленты, состоящей из двух боковых компонентов – тяжей (толщиной 30 – 60 нм), центрального элемента (толщиной 10 – 40 нм); боковые компоненты отстоят друг от друга на 60 – 120 нм, общая ширина комплекса – 160 – 240 нм. Материал хромосом располагается кнаружи от боковых элементов. В таком полностью сформированном виде синаптонемальный комплекс существует в течение следующей стадии, пахитены.

Пахитена – стадия толстых нитей, называется так потому, что благодаря полной конъюгации гомологов профазные хромосомы как бы увеличились в толщине. Число толстых пахитенных хромосом гаплоидно (1n), но они состоят из двух объединившихся гомологов, каждый из которых состоит из двух сестринских хроматид, Следовательно, и здесь количество ДНК равно 4с, а число хроматид – 4n На этой стадии происходит второе - чрезвычайно важное событие, характерное для мейоза, – кроссинговер, взаимный обмен идентичными участками по длине гомологических хромосом. Генетическим следствием кроссинговера является рекомбинации сцепленных генов. Здесь возникают отличные от исходных хромосомы, содержащие отдельные участки, пришедшие от их гомологов. Морфологически этот процесс в пахитене уловить нельзя. Но в дальнейшем, в диплотене, когда начинают расходиться биваленты, они остаются связанными в нескольких точках, хиазмах, которые считают соответствующими местам обмена. Было обнаружено, что в пахитене также происходит синтез небольшого количества ДНК (0,1% от генома), отличающейся тем, что она содержит повторяющиеся последовательности нуклеотидов. Но этот синтез является репаративным, в результате которого не образуются дополнительные или недостающие количества ДНК, а происходит восполнение утраченных. Именно в это время в женских половых клетках происходит амплификация рибосомных генов, что приводит к появлению дополнительных ядрышек. На этой же стадии начинают активироваться некоторые хромомеры, что приводит к изменению структуры хромосом; они приобретают вид «ламповых щеток» («ершиков» для чистки посуды). Особенно отчетливо эти изменения видны на стадии диплотены.

Диплотена – стадия двойных нитей. На этой стадии мейоза происходит отталкивание гомологов друг от друга, которое часто начинается в зоне центромер. Но при этом пары сестринских хроматид каждой гомологической хромосомы остаются соединенными между собой в центромерных районах и по всей длине. В это время сестринские хроматиды отчетливо выявляются в световом микроскопе. По мере отталкивания хромосом в бивалентах хорошо видны хиазмы – места перекреста и сцепления хромосом. Только в этих участках сохраняется. структура синаптонемального комплекса; в разошедшихся районах он исчезает. Расположение хиазм может быть различным у разных видов на разных хромосомах. Если имеется одна точка контакта, то бивалент приобретает вид креста, если две – то вид петли или ряда петель, если хиазм больше двух. В диплотенной стадии происходит некоторое укорачивание и конденсация хромосом, в результате чего отчетливо выявляется их 4-нитчатая структура. В зоне хиазм при этом видно, что в перекрест вовлекаются только две хроматиды из четырех – по одной от каждого гомолога. На этой стадии хромосомы приобретают вид «ламповых щеток». Таким образом, парность и симметричность петель объясняется парным расположением двух одинаковых сестринских хроматид. Морфология петель различная: встречаются гигантские петли длиной до 100 мкм, большей частью размер петель достигает 20-30 мкм. Характерным является то, что они содержат большие количества РНК, которая здесь же и синтезируется. Эта РНК относится по своим характеристикам к информационной. Если такие хромосомы типа «ламповых щеток» выделить, разрыхлить и поместить на подложку для электронно-микроскопичеокого исследования, то можно наблюдать картины, аналогичные тому, что было найдено для ядрышек. Петли этих хромосом образованы длинной осевой хромосомной нитью, на которой лежат множественные точки репликации, от которых отходят растущие молекулы РНК.

Диакинез характеризуется уменьшением числа хиазм, укорочением бивалентов, потерей ядрышек. Биваленты приобретают более компактную форму, места соединения гомологических хромосом оказываются расположенными на их концах терминально. Хромосомы теряют связи с ядерной оболочкой. Эта стадия является переходной к собственно делению клетки.

В метафазе 1 деления мейоза биваленты выстраиваются (как и полагается для метафазы) в экваториальной плоскости веретена. В анафазе 1 деления совершается еще одно важнейшее событие – расхождение хромосом. Но в отличие от митоза расходятся не сестринские хроматиды; а гомологичные хромосомы, состоящие из двух сестринских хроматид. Распределение же гомологов по клеткам совершенно случайное, так что происходит смешение, перекомбинация хромосом из разных пар. Если оценивать образовавшиеся хромосомные наборы, то оба они содержат по 2с количества ДНК и по 2n число хроматид, ибо каждая расходящаяся хромосома в паре гомологов состоит из двух хроматид. В этом отношении редукции числа хромосом (хроматид) еще не произошло, но в два раза произошло уменьшение генетической разнородности, так как теперь в каждом хромосомном наборе нет аллельных генов. Вслед за телофазой 1 деления следует короткая интерфаза, в которой не происходит синтеза ДНК, и клетки приступают к следующему делению, которое по морфологии и последовательности не отличается от митотического деления: парные сестринские хроматиды, связанные в центромерных участках, проходят профазу и метафазу; в анафазе они разъединяются и расходятся по одной в дочерние клетки. Таким образом, при 2 мейотическом делении клетка с 2с количеством ДНК и 2n числом хроматид, делясь, дает начало двум клеткам с гаплоидным содержанием ДНК и хромосом. В отношении числа структурных единиц хроматид 2 деление мейоза является редукционным. Однако термин «редукционный» употребляется также и в общегенетическом смысле и относится к расщеплению аллелей, и в этом смысле редукционным является 1 деление мейоза, когда в клетки попадает по одной из аллелей. В результате всего процесса мейоза после двух делений из одной клетки образуются четыре гаплоидных, каждая из которых отличается по своей генетической конституции.




18. Митоз, механизм движения хромосом в этом процессе.

Интерфазные деконденсированные и уже редуплицированные хромосомы переходят в компактную форму митотических хромосом, образуется специальный аппарат, участвующий в сегрегации и переносе хромосом (ахроматиновый митотический аппарат), хромосомы расходятся к противоположным полюсам клетки и происходит деление тела клетки (цитокинез, цитотомия). У клеток, вступивших в цикл деления, фаза собственно митоза, непрямого деления, занимает, относительно короткое время, всего около 0,1 времени клеточного цикла. При дроблении яйцеклеток весь клеточный период, включая митоз, может быть меньше часа. Процесс непрямого деления клеток принято подразделять на несколько основных фаз: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Единственная фаза, которая имеет реальное начало, это анафаза - начало движения хромосом к полюсам. Длительность отдельных фаз митоза различна: наиболее короткая по времени анафаза. Зная время митоза, можно рассчитать длительность отдельных фаз по проценту их встречаемости среди делящихся клеток.



Профаза. В нее входят клетки из G2-периода интерфазы, и они после репликации в S-периоде содержат удвоенное количество ДНК (4с). В начале профазы в ядре начинают выявляться тонкие нити – профазные хромосомы. Это результат процесса конденсации хромосом, который совпадает с падением их транскрипционной активности. По мере прохождения профазы хромосомы укорачиваются и утолщаются, что связано со спирализацией исходных тонких профазных хромосом. Необходимо подчеркнуть, что на ранней профазе каждая хромосома представляется одиночной структурой, в которой в микроскоп не видно подразделения на более низкие уровни. И число таких первичных хромосом равно степени плоидности исходной клетки в G1-периоде. Профазные хромосомы двойные, только на ранней профазе две дочерние хромосомы – хроматиды так тесно объединены, что в световой микроскоп хромосомы кажутся одинарными. Таким образом, число хроматид (4n) в профазе точно соответствует количеству ДНК (4с). По мере прохождения профазы хроматиды каждая в отдельности укорачиваются и утолщаются и, одновременно деспирализуясь одна относительно другой, лежат уже параллельно друг другу. Параллельно конденсации хромосом происходит исчезновение, дезинтеграция ядрышек в результате конденсации и инактивации рибосомных цистронов в зоне ядрышковых организаторов. Одновременно с этим в средней профазе начинается разрушение ядерной оболочки: исчезают ядерные поры, оболочка распадается сначала на фрагменты, а потом на мелкие мембранные пузырьки. Меняются в это время и структуры, связанные с синтезом белка. Происходит уменьшение количества гранулярного эндоплазматического ретикулума, он распадается на короткие цистерны и вакуоли, количество рибосом на его мембранах резко падает. Значительно (до 25%) редуцируется число полисом как на мембранах, так и в гиалоплазме, что определяет общее падение синтеза белка в делящихся клетках. Второе важнейшее событие при митозе тоже происходит во время профазы – это образование веретена деления. Образование веретена в профазе может проходить разными путями: с участием центриолей и без них. Без центриолей веретено деления образуется 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). При этом ведущее значение здесь отводится центриолям. В профазе уже репродуцировавшиеся в S-периоде центриоли начинают расходиться к противоположным концам клетки, где будут в будущем формироваться полюса веретена. К каждому полюсу отходит по двойной центриоли, диплосоме. По мере расхождения диплосом между ними начинают формироваться микротрубочки, отходящие от периферических участков одной из центриолей каждой диплосомы (центродесмальные нити). Диплосомы расходятся на большие расстояния и к моменту исчезновения ядерной оболочки уже лежат на противоположных полюсах. В ранней профазе в центромерных участках конденсирующихся профазных хромосом начинают хорошо выявляться кинетохоры. Это специализированные участки на поверхности хромосом, с которыми связываются микротрубочки веретена. На каждую хроматиду приходится по одному кинетохору. Так что ранняя, профазная хромосома имеет в зоне центромеры два кинетохора, расположенные на двух противоположных латеральных поверхностях хромосомы, т. е. на двух различных хроматидах. Профаза завершается распадом ядерной оболочки и смешением кариоплазмы (ядерного сока) с цитоплазмой.

Метафаза часто занимает около трети времени всего митоза. Во время метафазы завершается формирование веретена деления, а хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости веретена. Раннюю метафазу называют прометафазой или метакинезом. В это время хромосомы разбросаны в центральной части клетки, располагаясь в зоне бывшего ядра. Они еще никак не ориентированы и расположены без особого порядка. По мере прохождения метафазы все хромосомы собираются в центральной экваториальной части веретена, образуя так называемую метафазную пластинку. В поздней метафазе хромосомы перестают двигаться, они строго лежат в одной плоскости на равных расстояниях друг от друга. Если на такую метафазную клетку посмотреть со стороны полюса, то можно видеть, что 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. У растений часто в метафазе хромосомы лежат в экваториальной плоскости веретена без строгого порядка. К концу метафазы завершается процесс обособления друг от друга сестринских хроматид. Их плечи лежат параллельно друг другу, между ними хорошо видна их разделяющая щель. Последним местом, где контакт между хроматидами сохраняется, является центромера. Если на стадии метафазы остановить течение митоза, разрушить клетки и изучать выделенные хромосомы, то они представлены в виде Х-образных тел: это пара хроматид, сцепленных в центромерном районе. В электронном микроскопе видно, что в зоне центромеры происходит как бы перекрест или спутывание элементарных хромосомных фибрилл ДНП. Интересно, что вплоть до самого конца метафазы хроматиды во всех хромосомах остаются связанными в центромерных участках. Анафаза начинается внезапно, что хорошо можно наблюдать при витальном исследовании. Хромосомы все вдруг теряют центромерные связки и синхронно начинают удаляться друг от друга по направлению к противоположным полюсам клетки.

Анафаза – самая короткая стадия митоза (несколько ,% от всего времени), но за это время происходит целый ряд событий. Главными из них являются сегрегация двух идентичных наборов хромосом и транспорт их в противоположные концы клетки. При движении хромосом они меняют свою ориентацию и часто принимают V-образную форму. Вершина их направлена в сторону полюсов деления, а плечи как бы откинуты к центру веретена. Если перед анафазой произошел разрыв плеча хромосомы, то во время анафазы он не будет участвовать в движении хромосом и останется в центральной зоне. Именно центромерный участок вместе с кинетохором отвечает каким-то образом за движение хромосомы. У некоторых высших растений (ожика) нет выраженной центромерной перетяжки и волокна, веретена контактируют со многими точками на поверхности хромосом (полицентрические хромосомы). В этом случае хромосомы располагаются поперек волокон веретена. Движение хромосом складывается из двух процессов: расхождение их по направлению к полюсам и дополнительное расхождение самих полюсов. Эти типы движения не всегда следуют один за другим; они могут происходить и одновременно.

Телофаза начинается с остановки хромосом (ранняя телофаза, поздняя анафаза) и кончается началом реконструкции нового интерфазного ядра (ранний G-период) и разделением исходной клетки на две дочерние (цитокинез). В ранней телофазе хромосомы, не меняя своей ориентации (центромерные участки – к полюсу, теломерные – к центру веретена), начинают деконденсироваться и увеличиваться в объеме. В местах их контактов с мембранными пузырьками цитоплазмы начинает строиться новая ядерная оболочка, которая раньше всего образуется на латеральных поверхностях хромосом и позже – в центромерных и теломерных участках. После замыкания ядерной оболочки начинается формирование новых ядрышек. Клетка переходит в G1-период. В телофазе начинается и заканчивается процесс разрушения митотического аппарата. Он идет от полюсов к экватору бывшей клетки; именно в средней части веретена микротрубочки сохраняются дольше всего. Главное событие телофазы – разделение клеточного тела, цитотомия или цитокинез. У растений деление клетки происходит путем внутриклеточного образования клеточной перегородки, а у клеток животных путем перетяжки, впячивания плазматической мембраны внутрь клетки. Митоз не всегда заканчивается разделением тела клетки. В большинстве случаев закладка перетяжки при делении клеток животных происходит строго в экваториальной плоскости веретена. Считается, что митотический аппарат (веретено вместе с хромосомами) детерминирует место появления клеточной перетяжки. Вопрос, за счет каких процессов происходит деление тела клетки, решить еще до конца нельзя. Здесь существуют две возможности, две гипотезы. Одна из них предполагает, что деление клетки происходит за счет растяжения мембраны клетки. Большее обоснование имеет гипотеза «сократимого кольца». При этом считается, что в кортикальном, подмембранном слое располагаются сократимые элементы типа мышечных фибрилл, ориентированные циркулярно в зоне экватора клетки. Сокращение такого кольца приведет к впячиванию плазматической мембраны в области этого кольца, что завершится разделением клетки надвое. Интересно, что образование клеточной перетяжки зависит от присутствия АТФ. Итак, при митозе главными действующими структурами являются хромосомы, аппарат веретена, плазматическая мембрана. Однако митоз – это процесс деления целой клетки, поэтому все ее' компоненты участвуют в событиях митоза. Система цистерн и каналов эндоплазматического ретикулума резко редуцируется во время митоза, она распадается на разрозненные вакуоли и небольшие цистерны. Аппарат Гольджи распадается на отдельные диктиосомы. По мере развития митотического веретена мембранные элементы цитоплазмы и органоиды все больше оттесняются к периферии клетки, так как ее центральная часть становится занятой огромным количеством достаточно тесно расположенных микротрубочек. В метафазе цитоплазматические мембраны, митохондрии, пластиды, лизосомы оказываются локализованными или в полярных зонах клеток, или по их периферии, как бы обрамляя веретено деления. Они встречаются также между пучками микротрубочек и в середине веретена. Там же обнаруживается значительное количество рибосом, вероятно, -пассивно по- павших в эти участки.При делении клетки пополам происходит пассивное распределение органоидов по дочерним клеткам. Есть лишь одиночные наблюдения о сочетании деления нитчатых митохондрий с цитотомией; обычно мелкие митохондрии, так же как пластиды и диктосомы, случайно и относительно равномерно распределяются во время митоза. Часто разнообразные патологические изменения клеток являются результатом нарушения тех или иных фаз митоза. При повреждениях хромосом могут возникать различные изменения их структур или поведения. Так, может нарушиться спирализация хромосом (например, при действии аналогов нуклеотидов), фрагментация и «пульверизация» хромосом при некоторых вирусных заражениях, хромосомные и хроматидные мосты при лучевых поражениях, набухание и слипание хромосом и др. При повреждении митотического аппарата (действие холода или агентов, вызывающих деполимеризацию тубулинов) может произойти задержка митоза в метафазе, рассеивание хромосом. При нарушениях репродукции центриолей могут возникать многополюсные и асимметричные митозы и т. д. Нарушения цитомии могут приводить к появлению гигантских ядер или многоядерных клеток.


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница