Цитология. Строение ядра, жизненный цикл клетки, формы гибели клеток, деление клетки

1. ЦИТОЛОГИЯ Строение ядра, жизненный цикл клетки, формы гибели клеток, деление клетки

СВФУ Медицинский институт: Заведующая кафедрой гистологии и
микробиологии, доцент,
к.б.н. Пшенникова Елена Виссарионовна

2. Ядро клетки

• Кариолемма (ядерная оболочка)- двумембранная,
поровые комплексы
• Кариоплазма (ядерный матрикс) – вода, белки,
нуклеопротеиды, гликопротеиды, аминокислоты,
нуклеотиды, сахара
• Хроматин (ДНК – 40%, белки – 60%, РНК – 1%)
• Ядрышко (фибриллярный и гранулярный компонент)

3. Кариолемма

• Наружная мембрана –
продолжение грЭПС
• Перинуклеарное
пространство (между
двумя мембранами)
• Внутренняя мембрана
• Ядерная (фиброзная)
ламина
• Поры.

4. Синдром прогерии Хатчинсона-Гилфорда (преждевременное старение)

• Возникает из-за мутации
одного гена, кодирующего
преламин, приводяций к
делеции 50 аминокислот в
предшественнике белка
ламина (преламина А),
который является
структурным белком ядерной
мембраны
• Ядерная ламина
обеспечивает поддержку и
организацию хроматина во
время митоза
• Дефекты ядерной ламины
ограничивают способность
деление клетки

5. Кариолемма

• Ядерные поры
образуются при слиянии
внутненней и наружной
мембран яд. оболочки
• Комплекс поры (NPC)
– два кольца по
периметру по 8
нуклеиновых белковых
гранул, в центре
крупная белковая
гранула, соединенная
микрофиламентами с
периферическими.
Обеспечивают
избирательный обмен
веществ.

6.

7.

8. Транспорт через ядерные поры

Ядерные поры регулируют
транспорт белков между ядром и
цитоплазмой
Для попадания в ядро белки
должны иметь
последовательность ядерной
локализации, которые
распознаются специальными
белками импортизанами
Чтобы покинуть ядро, белки
должны иметь ядерную
экспортную последовательность,
распознаваемую, экспортинами
ГТФ (гуанозинтрифосфат - это
источник энергии при биосинтезе
белка) необходим для
транспортировки внутри(или вне)
ядра

9. ГЕН

• Ген – это совокупность геномных
последовательностей, кодирующих согласованный
набор потенциально перекрывающихся
функциональных продуктов
• Общая длина ДНК составляет 1,5-3 м (в зависимости
от методики расчета)
• Только менее 2% кодирует белки
• В то время как более 90% генома человека
транскрибируется РНК

10. Хроматин

Хроматин – комплекс
макромолекул: ДНК, белка и РНК
(1:1,3:0,2)
Эухроматин деконденсированый, открытый
для транскрипции
Гетерохроматин конденсированный, закрытый
для транскрипции
Конститутивный – содержит
повторяющиеся
последовательности ДНК, всегда
конденсирована
Факультативный – может
превратиться в эухроматин
По расположению:
Маргинальный
Ядрышковый
Кариосомы

11. Тельце Барра

• Одним из компонентов
гетерохроматина может
быть т.н. половой
хроматин (тельце
Барра), встречающийся
только у женщин.
• Инактивированная Ххромосома

12. Уровни упаковки хроматина

• ДНК – двойная спираль
• Нуклеосома
(гистоновые белки+ДНК)
• Фибрилла хроматина 30
нм (нити хроматина
закручены спирально)
• Петлевые домены
(фибриллы хроматина
прикреплены к каркасу
или белкам ядерного
матрикса)

13. Уровни укладки хроматина

1. Цепь нуклеосом - в каждой нуклеосоме молекула
ДНК делает по 2 оборота вокруг белкового октамера
2. Нуклеомерная нить (хроматиновая фибрилла, или
нить) - цепочка нуклеомеров, содержащих по 5-8
нуклеосом, закрученных в суперспираль.
3. Хромонема (хромосомная фибрилла) хроматиновая нить образует петли, собирающиеся в
розетки, плотно прилегающие друг к другу.
4. Хроматида - хромонема складывается в петли
протяжённостью в 1 сегмент хроматиды.
Хромосома состоит из двух связанных друг с другом
хроматид.

14.

15. Повторить из курса общей биологии!

• Комплементарность означает, что против
аденилового (А) нуклеотида одной цепи всегда стоит
тимидиловый (Т) нуклеотид другой цепи,
• а против гуанилового (Г) нуклеотида всегда стоит
цитидиловый (Ц).
• В этих пaрах (А-Т и Г-Ц) нуклеотиды как бы
дополняют друг друга по своей пространственной
конфигурации, что обеспечивает максимально
плотную упаковку цепей в двойной спирали.

16. ХРОМОСОМА

• Хромосома представляет
собой длинную нить
"бусинок"- нуклеосом
толщиной 10 нм,
деконденсированный
хроматин имеет
мелкогранулярную структуру
(2).
• Основа нуклеосомы –
глобула (1): из 8 белковых
молекул (октамер), которые
содержат по 2 молекулы
гистонов четырёх видов
(Н2А, Н2В, Н3 и Н4).
• Вокруг одной такой глобулы
молекула ДНК делает
примерно 2 оборота, что и
образует в итоге
нуклеосому.

17. Хромосомы

• В ядре любой диплоидной соматической клетки человека
присутствует 46 молекул ДНК.
• Каждая из молекул ДНК связана с определёнными белками,
образуя дезоксинуклеопротеидный (ДНП) тяж – хромосому.
• Хромосом в ядре диплоидной клетки человека – 46.
• Наборы ДНК и хромосом во всех диплоидных клетках организма
одни и те же.
• Средняя же длина одной молекулы ДНК человека – 4 см
(120.000.000 н.п). Общая протяжённость всех 46 молекул ДНК,
находящихся в хромосомах одной клетки, – примерно 1,5-3 м.
• Такая огромная (для молекулярного уровня) длина обусловлена
тем, что совокупность внутриядерных молекул ДНК (а значит, и
ядро каждой клетки) содержит информацию обо всём организме
человека.

18. Хромосома

центромера (первичная
перетяжка),
плечи (части хромосомы
по сторонам от
центромеры),
теломеры – конечные
участки плеч
кинетохор – место
прикрепления клеточного
веретена, находится в
области центромеры.

19.

Теломеры - повторяющиеся нуклеотидные
последовательности на каждом конце хромосомы.
Теломеры укорачиваются с каждым делением клетки, а
после 50-го деления (лимит Хейфлика) они становятся очень
короткими и предотвращают дальнейшие деления, иначе
клетка потеряет значимые кодирующие последовательности
Теломеры прикрепляют хромосомы к ядерной пластинке,
предотвращая их спутывание

20.

21. Для информации

• Теломераза – это фермент, отвечающий за
поддержание длины теломер, путем добавления
повторяющихся последовательностей, богатых
гуанином
• Теломеразная активность проявляется в половых,
стволовых и опухолевых клетках
• Teloyears TM – компанияTelomere Diagnostics,
основанная в 2010 году группой из четырёх учёных,
включая Элизабет Блэкберн, лауреата Нобелевской
премии по медицине за работу в области биологии
теломер,
• запускает новый генетический тест, который
выявляет клеточный возраст, закодированный в ДНК
человека. Тест позволяет узнать, на сколько хорошо
вы стареете, на основе ваших теломер

22. Виды хромосом

метацентрические – с
равными плечами
(1-е хромосомы),
субметацентрические –
с плечами неодинаковой
длины
(7-е хромосомы),
акроцентрические –
одно плечо практически
отсутствует
(21-е хромосомы).

23. Информационная функция ядра

• В ядерной ДНК каждой клетки содержится следующая
информация:
• о первичной структуре (последовательности
аминокислот) всех белков организма (исключение –
некоторые белки митохондрий, кодируемые м-ДНК),
• о первичной структуре (последовательности
нуклеотидов) примерно 60 видов транспортных
РНК (тРНК) и 4 видов рибосомных РНК (рРНК),
• о программе использования данной информации в
разных клетках в разные моменты онтогенеза.

24. Этапы передачи информации о структуре белка

• Транскрипцию ДНК – образование на участке ДНК
как на матрице матричной РНК (мРНК), а точнее, её
предшественника (пре-мРНК);
• Созревание мРНК (процессинг) и перемещение её
в цитоплазму.
• Трансляцию матричной-РНК – синтез на
рибосомах (в цитоплазме) полипептидной цепи (т.е.
последовательности а/к-т) в соответствии с
последовательностью нуклеотидных триплетов
(кодонов) в мРНК.

25. Сохранение и воспроизведение наследственного материала

• Обеспечивает целая серия процессов:
• Репарация ДНК – это обнаружение и исправление
возникающих повреждений структуры ДНК.
• Репарация совершается практически постоянно, но её
эффективность меньше 100%, у взрослых людей постепенно
снижается – примерно на 1% за год.
• Репликация (удвоение) ДНК происходит перед любым
делением клетки (кроме второго деления мейоза).
• В продуктах репликации – дочерних молекулах ДНК одна из
цепей оказывается старой, а вторая – новой. Это означает, что
репликация является полуконсервативным процессом.
• Конденсация хромосом осуществляется уже в ходе деления
клетки, в его начальной фазе, и облегчает последующее
расхождение хромосом к полюсам делящейся клетки.

26. Ядрышко

• Ядрышко состоит из
фибриллярного
компонента
(центральной части)
и гранулярного (по
периферии),
участвует в синтезе
р-РНК и образовании
субъединиц рибосом.

27. Ядро клетки

Функции:
Хранение генетической информации (ДНК)
Репарация молекул ДНК
Редупликация ДНК в интерфазе
Передача генетической информации
Реализация генетической информации

28. Клеточный (жизненный) цикл клетки

• Митоз - профаза,
метафаза,
анафаза, телофаза
• Интерфаза –
пресинтетический,
синтетический,
постсинтетический

29. Деление клетки

• Формы деления клеток –
• митоз (непрямое деление и образование
равноценных по генетическому материалу
клеток),
• мейоз (деление созревающих половых
клеток),
• амитоз (прямое деление с образованием
перетяжки ядра и цитоплазмы).

30. Другие формы деления клеток

• Амитоз или прямое
деление клеток, которое
осуществляется посредством
перетяжки ядра и
цитоплазмы, с образованием
двух дочерних клеток или
одной двуядерной.
• В настоящее время принято
считать, что прямой способ
деления характерен только
для старых и
дегенерирующих клеток и
является отражением
патологии клетки.

31. Жизненный цикл клетки

• Жизненный цикл клетки
– промежуток времени от
деления клетки до другого
деления или до ее гибели
(интерфаза).
Подразделяется на 3
периода:
• Пресинтетический G1
(постмитотический),
• Синтетический S,
• Постсинтетический
G2 (премитотический).

32. Продолжительность стадий цикла

• Пресинтетический G1-период – 9 часов,
• Синтетический S-период – 10 часов,
• G2-период – 4,5 часа,
М (митоз) – 0,5 часа.
• Итого – 24 часа.
• Для каких-то клеток цикл может быть менее,
а для каких-то – более продолжительным.

33. Регуляция клеточного цикла

• Фактор MPF,
способствующий
созреванию, состоит из
циклина В и
циклинзависимой
киназы (Cdk1), которая
стимулирует
митотическую фазу
клеточного цикла.
• Комплексы циклинCdk1 стимулируют
переход клеток к
следующей фазе

34.

35. Контрольные точки клеточного цикла

• Контрольная точка (КТ)
рестрикции «точка невозврата»
комплекс pRb+E2F блокирует
клеточный цикл
• КТ повреждения ДНК (G1, S, G2)
• КТ сборки веретена деления
(митоз, метафаза)
• Митотическая катастрофа –
неспособность остановить
клеточный цикл, что приводит в
аберрантной сегрегации
хромосом (хромосомные
мутации)
• Контактное ингибирование –
ингибирование деления клеток за
счет образования межклеточных
соединений

36. Пресинтетический период - G1

• Формирование синтетического аппарата - увеличение рибосом,
РНК,
• Рост клетки - синтез структурных белков
• Подготовка к синтетическому периоду - синтез ферментов для
образования ДНК
• В данный период клетка принимает “решение” о вступлении в
очередной митотический цикл или о прекращении делений.
• Это происходит под влиянием внешних факторов, которые
“направляют” клетку на подготовку к делению – митогены
• В конце G1-периода наступает момент (точка рестрикции), после
которого процесс становится необратимым.
• Это значит, что если на клетку перестанут действовать митогены,
она всё равно войдёт в S-период.

37. Пресинтетический период - G1

• В этом периоде клетка при воздействии
неблагоприятных условиях среды или при
незначительном повреждении, для репарации
ДНК клетка может выйти из цикла в
состояние покоя.
• Если действие повреждающих факторов
значительно или клетка старая, клетка включает
механизм гибели (некроз, апоптоз).

38. Выход клетки в G0 - период покоя

• Обычно это бывает в следующих ситуациях:
• Стволовая клетка как бы “засыпает” на длительный
срок; при этом G0-период является периодом покоя;
• Клетка вступает на путь дифференцировки;
• тогда G0-период разбивается на различные стадии
дифференцировки – G0(D1), G0(D2) и т.д.;
• Клетке не хватает ресурсов или внешних
(митогенных) сигналов для подготовки к делению;
• Клетке требуется время для осуществления
репарации ДНК.

39.

40. Жизненный цикл клетки

Синтетический период - S
• Синтез ДНК,
• Удвоение (редупликация) ДНК,
• Синтез ядерных белков,
• Ядра становятся диплоидные
Постсинтетический период – G2
• Синтез информационной РНК
• Синтез белков тубулинов
• Подготовка к делению, накопление энергии

41. Митоз

Профаза
конденсация хромосом,
распад ядерной оболочки
исчезает ядрышко
кинетохора появляется
на каждой хроматиде
• Метафаза
• Формирование митотического
веретена деления (астральные, полярные, кинетохорные
микротрубочки)
• Анафаза
• разделение сестринских хроматид (разрушение когезии сепаразой),
контролируемое киназой
• Телофаза
• Цитокинез – сокращение кольца, состоящего из актина и миозина),
появление ядерной оболочки, раскрутка хромосом

42. Типы разрушения ядра

• Кариолизис – исчезновение ядра из-за полного растворения
ДНК за счет повышения активности ДНК-киназы
• Кариопикноз – конденсация хроматина, ядро сокращается
уплотняется
• Кариорексис – фрагментация ядра

43. Формы гибели клеток

Некроз
Массовая гибель клеток на
участке ткани/органа
Патологическая гибель клетки, в
результате «несчастного
случая»
Пассивный процесс не требует
АТФ, опосредуется клеточными
ферментными системами
Кариопикноз, карирексис и
кариолизис ядра
ДНК разрезается на фрагменты
произвольной длины
Набухание и лизис органелл
Разрушение клеточной
мембраны, нарушение
проницаемости
Приводит к воспалению и
повреждению соседних клеток
Апоптоз
Гибели подвергаются единичные
клетки, мозаично
Генетически
запрограммированная гибель
Энергозавсимый процесс,
связанный с синтезом белков
апоптоза
Кариопикноз, кариорексис
ДНК фрагментируется на
нуклеосомные фрагменты
Клетка распадается на
мембранные везикулы
(апоптозные тельца)
Воспаление вокруг погибших
клеток отсутствует

44.

45. Причины некроза

• Некроз развивается при очень сильном повреждении
клетки или столь же сильном изменении условий её
существования (гипотермия, гипертермия,
механическое повреждение и т.д.)
• Таким сильным изменением условий является, в
частности, продолжительное отсутствие кровотока в
ближайших сосудах (например, при инфаркте
миокарда) или во всём организме (после смерти).

46. Апоптоз

• Апоптоз – это запрограммированная гибель клетки, при
воздействии повреждающих факторов (облучение, вирусные
инфекции – СПИД и др.)
• Это эволюционно выработанный механизм клеточного
самоубийства, позволяющий уничтожать ненужные или ставшие
опасными клетки без ущерба для окружающих клеток.
• Клетка включает специальные энергозависимые механизмы
самоуничтожения, которые осуществляют генетически
контролируемое разрушение компонентов клетки.
• Взаимодействие между рецепторами Fas (CD95) на клеточной
мембране и его лигандом FasL (экспонированным на
поверхности другой клетки) приводит к активации каспазы 8 и
каспазы 3 и гибели клеток в результате апоптоза.
• Таким образом, клетки экспонирующие FasL стимулируют
апоптоз в клетках с рецепторами Fas

47. Причины апоптоза

• Апоптоз может запускаться в клетке в двух основных
ситуациях:
• когда в ДНК (хромосомах) или во внутриклеточных
мембранах накапливается слишком много
неустранимых повреждений;
• И когда клетка получает соответствующую команду
извне, воспринимаемую специальными рецепторами
плазмолеммы.
• Два типа апоптоза:
• Эти ситуации можно определить, соответственно, как
“апоптоз изнутри” и
“апоптоз по команде”.

48.

49. Митохондриальный апоптоз

• Под воздействиеи апоптотических стимулов Bax и
Bak активируются и олигомеризуются на внешней
мембране митохондрий , опосредуя ее
проницаемость, что является ключевым этапом
апоптоза
• Повышанная проницаемость внешней мембраны
митохондрий приводит к высвобождению цитохрома
с в цитоплазму
• Цитохром с взаимодействует с APAF-1 и
активирует каспазу 9.
• Каспаза 9 активирует каспазу 3 и стимулирует
апоптоз
• Антиапоптотические члены семейства Bcl-2 (Bcl-2
Bcl-XL), предотвращают высвобождение
митохондриального цитохрома с в цитоплазму

50. «Апоптоз изнутри»

• Гибель стареющих клеток у взрослого человека как долгоживущих и невозобновляемых клеток нейронов в головном мозгу, кардиомиоцитов,
лейкоцитов, клеток кишечного эпителия
• Гибель клетки в ходе митотического цикла интенсивные деления клеток повышают вероятность
апоптоза (из-за постоянно происходящих
преобразований ДНК и хромосом в целом).

51. Повреждение ДНК вызывает апоптоз

• Белок р53, опухолевый супрессор, активируется
повреждением ДНК и способствует остановке
клеточного цикла, репарации ДНК и апоптозу
• Прогрессивное сокращение теломер распознается
клеткой как повреждение ДНК и поэтому запускается
р53-опосредованный апоптоз
• Ген супрессора опухолей ТР53 мутирован примерно
в 50% случаев рака человека
• Мутации р53 делают опухоли устойчивыми к лучевой
терапии, поскольку повреждение ДНК вызванное
терапевтическим излучением, обычно должно
обраруживаться р53 и приводить к апоптозу. В случае
мутации р53 этот путь не работает, и поврежденные
клетки выживают, несмотря на то, что в них много
мутаций

52. «Апоптоз изнутри» «Апоптоз по команде»

«Апоптоз изнутри»
• Гибель определённых клеток в процессе
эмбриогенеза – в частности, клеток хорды,
межпальцевых перепонок, хвоста, многих
нейронов ЦНС и т.д.;
• гибель клеток формирующейся иммунной системы
– например, клеток, способных атаковать
собственные антигены организма;
• гибель созревающих кроветворных клеток в
отсутствие определённых стимуляторов –
цитокинов,
• гибель клеток большинства фолликулов в яичниках
(и т.д.).

53. Сигналы к апоптозу

• Сигналом к “апоптозу по команде” может служить
• связывание определённого (“негативного”) фактора с
соответствующим рецептором клетки;
• прекращение действия “позитивного” фактора, т.е.
освобождение клеточного рецептора от связи с ним
(как, например, в случае с цитокинами)

54. Другие виды гибели клеток

• Аноикис – форма апоптоза, вызвана отсутствием
взаимодействий между клетками и внеклеточным матриксом (не
работает при метастатическим раке)
• Митотическая катастрофа – тип гибели клеток, происходящий
во время митоза
• Пироптоз – форма гибели клеток, вызванная инфицированием
определенными микроорганизмами
• Каспаза 1 активирует воспалительные цитокины , которые
опосредуют интенсивные воспалительные реакции в
окружающих тканях
• Энтоз – процесс, при котором одна клетка может активно
поглощать аналогичную клетку, которая отделилась от
внеклеточного матрикса. После интернализации
«проглоченная» клетка остается живой в клетке «хозяине» до
тех пор пока она не разрушится лизосомным механизмом или
не высвободится.

55. Спасибо за внимание!