жизненный цикл клетки Процессы жизненного цикла клеток - размножение, дифференцировка и гибель - определяют образование, развитие, функционирование и смерть организмов. От них зависит сохранение структурного и генетического гомеостаза, возможность регенерации и восстановления после действия повреждающих факторов. Любые нарушения этих процессов ведут к заболеваниям. Возможность контролировать эти процессы и направленно влиять на них открывает новые возможности профилактики и лечения многих заболеваний, включая онкологические, сердечно-сосудистые, нейродегенеративные и другие, разрабатывать более эффективные способы реабилитации. Значение изучения жизненного цикла отражено в 6-ти Нобелевских премиях по физиологии и медицине (биологии), присужденных за последние 20 лет 1858 г. Р.Вирхов: клетка происходит из клетки путем деления. 1879 г. В.Флеминг: термины митоз и хроматин Виды деления клеток - Митоз – Не прямое деление. Образование дочерних клеток, генетически идентичных материнской. (рост, обновление, регенерация, бесполое размножение).
- Мейоз – два последовательных деления, ведущие к уменьшению набора хромосом в 2 раза. При половом размножении обеспечивает постоянство набора хромосом и генетическую рекомбинацию в потомстве.
- Эндомитоз – деление “внутри” клетки или ядра. Образуются двуядерные или полиплоидные клетки.
- Патологические деления - амитоз, трехполюсной митоз и др.
Возникновение и судьба клеток Материнская клетка Митоз Дочерние клетки Митоз Смерть Жизненный цикл клеток – период от возникновения при делении до следующего деления или смерти 1. Митотический цикл 2n4c 2. Терминальная дифференцировка S G2 Митоз G1 Дифференцировка 2n2c функционирование смерть – апоптоз (некроз) 3. G0 – временный выход из митотического цикла
G0
Виды тканей в зависимости от жизненного цикла клеток Стабильные – все клетки находятся в состоянии необратимой дифференцировки. Гибель части клеток в течение жизни организма ведет к убыванию общего количества клеток в ткани (нервная, сердечная мышечная). Растущие – количество клеток в ткани увеличивается, так как доля клеток, идущих в митотический цикл, превышает долю клеток, идущих в дифференцировку (эмбриональные, регенерирующие, опухолевые) Обновляющиеся – происходит размножение клеток, однако их общее количество остается постоянным, так как половина клеток переходит в необратимую дифференцировку и погибает (все эпителиальные и соединительные ткани) а) быстрообновляющиеся б) медленнообновляющиеся Стабильные ткани митоз митотический терминальная цикл дифференцировка нейроны Клетки не делятся, находятся в состоянии необратимой дифференцировки. происходит убывание общего количества клеток. кардиомиоциты В исключительных случаях возможно образование новых клеток за счет деления стволовых – возможность регенерации после инсультов и инфарктов. Растущие ткани митоз митотический терминальная цикл дифференцировка Большая часть клеток идет в митотический цикл. Количество клеток увеличивается. . - эмбриональное развитие и рост организмов - восстановление потери клеток при репаративной регенерации - опухолевой рост Обновляющиеся ткани митоз митотический терминальная цикл дифференцировка Равная часть клеток идет в митотический цикл и терминальную дефференцировку. Количество клеток остается постоянным. Постоянное размножение клеток обеспечивает Эпителий кожи обновление – физиологическую регенерацию. . 1 Быстрообновляющиеся – клетки интенсивно размножаются. Полное обновление клеток занимает от нескольких дней до недель (эпителий кишечника, кожи, красный костный мозг) 2. Медленнообновляющиеся – делится очень небольшая часть клеток. Обновление - в течение нескольких лет (печень) Митотический цикл – период подготовки клетки к делению и митоз (Говард и Пелк, 1953) Митотический цикл = интерфаза + митоз Интерфаза = G1 + S + G2 S G2 (2n, 4c) G1 - пресинтетический Митоз S - синтетический G2 - постсинтетический периоды R G1 (2n, 2c) R - точка рестрикции – “старт” основная точка контроля цикла Митотический цикл (МЦ) - Клетки могут вступить в МЦ сразу после митоза или из G0 периода.
- После прохождения точки “старт” (точки рестрикции) клетки неизбежно и необратимо проходят МЦ и делятся.
При возникновении препятствий к делению (недостатке питательных веществ и факторов роста, повреждениях ДНК и т.д.) клетки могут задержаться в любой фазе МЦ для устранения нарушений, а затем продолжить путь к митозу. Невозможность устранения препятствий ведет к гибели клеток – апоптозу. - Клетки, способные делиться, составляют пролиферативный пул. Его величина зависит от вида ткани и периода развития и может составлять от 0 до 100%.
- Средняя длительность у млекопитающих: МЦ = 1 сутки, G1 = 12-14 час, S = 8 час, G2 = 1-3 час, Митоз = 1 час.
Длительность МЦ и его периодов может меняться в зависимости от ткани (органа) и вида организма. Основные процессы митотического цикла Интерфаза G1 –рост клеток, удвоение органелл, подготовка к синтезу ДНК S – удвоение ДНК, хромосом и центриолей G2 – подготовка к митозу (синтез тубулинов и др.) Митоз Профаза - 1. Спирализация хромосом (конденсин) 2. Расхождение центриолей к полюсам и образование веретена деления 3. Разрушение (фрагментация) ядерной оболочки 4. Исчезновение ядрышка Метафаза - 1. Расположение хромосом в плоскости экватора 2. Прикрепление нитей веретена к кинетохорам Анафаза – Распад когезинов - расхождение хроматид (сестринских хромосом) к полюсам Телофаза – 1. Восстановление ядер и ядрышек 2. Деспирализация хромосом 3. Разрушение тянущих нитей веретена 4. Цитокинез: образование и сжатие сократимого кольца, восстановление мембранных органелл из их фрагментов (везикул), Основные процессы митотического цикла G1 - период - Происходит активный обмен веществ и энергии. Синтез белков, липидов, углеводов.
- Восстановление (после митоза), рост и удвоение органелл.
- Рост клеток.
- Подготовка к синтезу ДНК и удвоению хромосом.
- Перед переходом в S – период клетки проходят основную точку контроля МЦ – точку рестрикции (Start). Проверяется готовность к удвоению хромосом и последующему продвижению по циклу, отсутствие в клетках повреждений. Клетки, не прошедшие контроль, возвращаются в начало G1 или G0 период для исправления нарушений.
Основные процессы митотического цикла S - период - Удвоение (репликация) ДНК (2с 4с).
- Происходит полуконсервативно - Начинается с определенных точек (Ori). У прокариот – одна точка Ori, у дрожжей – сотни, у млекопитающих – десятки тысяч. Синтез ДНК начинается одновременно во многих, но не всех, точках Ori - Скорость синтеза ДНК у эукариот – 100 пар нуклеотидов в секунду, в 10 раз медленнее, чем у прокариот (требуется освободить ДНК от гистонов) - Удвоение хромосом
- Образующиеся 2 молекулы ДНК соединяются с гистонами и составляют 2 хроматиды в каждой хромосоме - 2 хроматиды обвиваются и соединяются белком когезином - Удвоение центриолей
Основные процессы митотического цикла G2 - период - Рост клеток (сохранение ядерно-цитоплазматического соотношения)
- Пострепликативная репарация ДНК
- Завершение образования центриолей
- Проверка завершенности удвоения хромосом и готовности к делению
- Образование и активация регуляторов перехода к митозу
Организация центросомы Дочерняя и материнская центриоли окружены перицентриолярным материалом (PCM) - комплекс разных белков, выполняющих функции молекулярных моторов, образования тубулиновых микротрубочек и др. - Разрушение ядерной ламины
- Мембраны ядра и органелл (кроме митохондрий) разбираются на везикулы
- Пары центриолей расходятся к полюсам, наращивают тубулиновые микротрубочки веретена
- Спирализация хромосом белковым комплексом конденсинов (мигрируют в ядро в начале митоза и активируются киназой Cdk1), а так же за счет фосфорилирования гистонов H1 и H3
- К кинетохорам хромосом прикрепляются нити веретена. Движение хромосом к экватору за счет белков-моторов (белки динеины и кинезины) центриолей и кинетохоров. При этом происходит укорочение (или удлинение с противоположной стороны) нитей веретена за счет отделения (или присоединения) тубулиновых субъединиц микротрубочек веретена
Организация кинетохоров В области центромер хромосом находится сателлитная ДНК, связанная с комплексом центромерных (CENPs) и других белков. При наступлении митоза они организуют кинетохоры Кинетохоры состоят из многих белков (CENPs, белки-моторы, регуляторные белки контроля клеточного цикла и др.), обеспечивающих присоединение пучков нитей веретена и движение хромосом - Разрушение когезина (Scc1), оплетающего и соединяющего две хроматиды: в профазе в области плеч хромосом, при переходе к анафазе – в области центромеры (Убиквитин запускает протеолиз секурина, который перестает ингибировать сепаразу, она активируется и расщепляет когезин в области центромеры). Хроматиды (сестринские хромосомы) расходятся к полюсам
- Кариокинез – сборка 2-х ядерных оболочек (возможно слияние микроядер - оболочки вокруг отдельных хромосом)
- Цитокинез – образование и сжатие сократимого кольца из актина и миозина в плоскости экватора, ориентированного осью микротрубочек веретена (у животных)
- Окончательный контроль процессов деления. Разрушение регуляторных молекул митоза (циклина B и киназы Cdk1)
Митоз Автор: Brat Ural - собственная работа, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18747902 После митоза возможны три направления развития клеток: митотический терминальная цикл дифференцировка G0 – период. Временный выход клеток из митотического цикла с сохранением способности к пролиферации Направление развития клеток определяется комплексом внутренних и внешних факторов: - видом ткани и местом расположения в ней клетки - периодом индивидуального развития - состоянием клетки - набором и концентрацией регуляторных факторов - фазой суточного (циркадианного) ритма и т.д. G0 – период - Стволовые (резервные) клетки
- Функционирующие клетки обновляющихся тканей
- Клетки, вышедшие из митотического цикла для репарации ДНК
- Недостаточное количество ростовых или сывороточных факторов не позволяют клеткам вступить в митотический цикл
- Вступление клеток в митотический цикл заблокировано факторами контроля (супрессорами) клеточного цикла
- В G0- периоде клетки могут находиться от нескольких часов (исправление повреждений, накопление сывороточных и других регуляторных факторов) до многих месяцев и лет (функционирующие клетки медленно обновляющихся тканей, резервные стволовые клетки: скелетных мышц, нейральные)
- При определенных условиях клетки из G0- периода могут покинуть пролиферативный пул и перейти в терминальную дифференцировку или апоптоз
Смерть клеток - Апоптоз – генетически запрограммированный механизм
гибели клеток Значение: - Морфогенез – уничтожение лишних клеток.
- Поддержание структуры - уничтожение “старых” клеток, заменяющихся на новые.
- Уничтожение поврежденных, патологических и “беспризорных” клеток.
- Некроз – незапрограмми-рованная гибель клеток при повреждениях, не совместимых с жизнью
|
Скачать 0.86 Mb.