2 курс / Гистология / Лекции_по_гистологии_ТГМУ_ч_1

Лекция по теме: Строение и функции ядра. Жизненный цикл клетки. Деление клетки.

Ядро клетки является её важнейшим структурным компонентом. Его функции следующие:

1.Хранение наследственной информации в молекулах ДНК хромосом.

2.Реализация наследственной информации путём контроля в клетке синтетических процессов, а также процессов воспроизводства и

3.гибели (апоптоза).

4.	Воспроизводство		и передача	генетической информации при	делении
	клетки.
5.	Контроль	и	реализация	структурно-функционального	состояния
	цитоплазмы, клеточной оболочки, циторецепторов.
	Количество ядер, их форма, величина зависят от вида клетки и её функционального

состояния. Наиболее часто встречаются одноядерные клетки однако у некоторых клеток (например, гепатоцитов и др.) в связи с интенсификацией функции может встречаться несколько ядер. Известны гистологические структуры (например, симпласты в поперечнополосатой мышечной ткани), для которых многоядерность является постоянным признаком.

Форма ядер, как правило, зависит от формы клеток. Ядро может быть уплощённым в плоских, округлым в кубических, эллипсоидным в призматических клетках. Встречаются сегментированные, палочковидные, лопастные ядра. Расположение ядра также может быть различно: они могут лежать в центр е клетки, эксцентрично, в базальной части.

Размеры ядра в целом зависят от функционального состояния клетки: функционально активных клеток ядро имеет крупные размеры и наоборот. Размеры ядра колеблются в широких пределах от 3 до 25 мкм. Крупные размеры характерны также для полиплоидных ядер.

Ворганизме человека встречаются так называемые пост клеточные структуры, иногда также неправильно называемые клетками: эритроциты, роговые чешуйки эпителия кожи, кровяные пластинки (тромбоциты). В них отсутствуют ядра, которые теряются в ходе специфической дифференцировки. В постклеточных структурах подавляющие большинство характерных для клетки процессов отсутствует, они в течении определённого времени выполняют одну или несколько функции, а затем гибнут.

Винтерфазной клетке ядро состоит из 4 компонентов (рис.25):

1.Хроматин (как часть хромосом).

2.Ядрышко.

3.Кариолемма.

4.Кариоплазма

1. Хроматин. Хроматином называется интерфазная форма существования хромосом. Структурное состояние хромосом существенно меняется в интерфазных и митотически делящихся клетках.

Рис. 25. Строение клеточного ядра а – световая микроскопия. Нейроцит спинномозгового узла:

1 – кариолемма; 2 – кариоплазма; 3 – х роматин; 4 – Ядрышко.

б – электронная микрофотограмма лимфобласта селезенки. XI5000:

1 – кариоплазма; 2 – ядрышко; 3 – кариолемма; 4 – комплекс Гольджи; 5 – митохондрии; 6 – хроматин (по Ю.И. Афанасьеву).

В интерфазе хромосомы находятся в частично или полностью деконденсированном состоянии. При этом большая их часть становится невидимой в световом микроскопе. Области декондинсации хромосам являются активными, здесь идёт транскрипция ДНК. Такие области называются эухроматином. Конденсированный, или плотный хроматин имеет выраженную базофилию и виден в микроскопе. Эти неактивные участки хромосом иначе называются гетерохроматином.

Гетерохроматин делится на два вида:

1.

Конститутивный

хроматин

–

это

такой

гетерохроматин,

с

которого

никогда

ни

в

одной

клетке

не

идёт

считывание

информации

в

виде

и-РНК.

В

хромосомах

это

обычно

области

вблизи центромеров.

2.

Факультативный

гетерохроматин – это хроматин,

количество

которого заметно варьирует в разных клетках: его

совсем

мало

в

эмбриональных

клетках,

а

по

мере

дифференцировки

клеток

содержание

этого

хроматина

увеличивается.

В

синтезирующих

белок клетках количество факультативного хроматина снижено.

Поскольку красителями окрашивается только гетерохроматин, то степень окраски ядра зависит от его количества. Темноокрашенное ядро обычно характерно для функционально неактивной клетки. При активации клетки соотнашение эухроматин /гетерохроматин изменяется в пользу эухроматина, и ядра функционально активных клеток светлые, слабоокрашенные.

2. Ядрышко. Это плотный структурный компонент ядра. В клетках может быть от одного до нескольких ядрышек. Ядрышко-это совокупность участков 10 хромосом (13, 14, 15, 21, 22 пары) (рис. 26, а). Эти участки называют ядрышковыми организаторами. Они находятся в области вторичных перетяжек хромосом и представлены многочисленными копиями генов рибосомальных РНК (р РНК). Следовательно, в ядрышках с ДНК ядрышковых организаторов происходит считывание информации в виде рибосомальной РНК.

Всветовом микроскопе ядрышко определяется как плотно окрашенная основными красителями глобула размером от 1 до 3 мкм, не имеющая оболочки. Располагается как в центре, так и эксентрично. Размеры ядрышка тем больше, чем выше функциональная активность клетки.

Вэлектронном микроскопе ядрышко состоит из двух основных частей: фибриллярного(представлен первичными цепями рибосомальной РНК) и гранулярного(предшественники рибосом). Иногда выделяют третий, аморфный компонент ядрышка который представляет собой собственно ядрышковые организаторы.

Ядрышко подвергается характерным изменениям в митотическом цикле (рис. 26,

б).

Во время митоза оно исчезает, потому что хромосомы спирализируются и расходится, прекращается синтез РНК на ядрышковых организаторах. Рис.25. Схема образования ядрышка (а) и его изменения в митотическом цикле (б, по Б.Альбертсу и соавт.).

При этом ядрышко постепенно распадается на 10 частей(столько же, сколько и

хромосом, его образующих), которые постепенно исчезают. После митоза ядрышко вновь восстанавливается: в начале образуется 10 мелких ядрышек; они сливаются и образует одно – два ядрышка.

Рис. 26. Схема образования ядрышка (а) и его изменения в мистическом цикле (б, по Б.Альбертсу и соавт.)

Функция ядрышка – синтез рибосомальной РНК и образование рибосом. При транскрипции генов ядрышковых организаторов вначале образуется гигантская молекулапредшественница рРНК. Она связывается с белками, синтезированными в цитоплазме и поступившими в ядро Образуются рибонуклеопротеиды (РНП), которые подвергаются расщеплению на более мелкие фрагменты, соединяющиеся с добавочными молекулами белка. Одна часть этих фрагментов превращается в большие, другая часть- в малые субъединицы рибосом.

Ядерная оболочка, или Кариолемма. На светомикроскопическом уровне она видна как тонкая пластинка, окружающая ядро. В электронном микроскопе состоит из двух мембран, которые имеют такое же строение, как все биологические мембраны (рис.27). Наружная мембрана переходит в мембраны эндоплазматической сети. На ней могут быть рибосомы. Со стороны цитоплазмы наружная мембрана окружена сетью промежуточных

виментиновых филаменитов. Между двумя мембранами есть перинуклеарное пространство, шириной 20-40мм. Оно является аналогом полостей гранулярной ЭПС и может содержать продукты белкового синтеза.

Рис.27. Строение кариолеммы и комплекса пор.

а – схема: 1-центральная гранула комплекса поры; 2 – периферическая гранула комплекса; 3 – соеденягощие фабриллы; 4 – наружная мембрана кариолемма; 5 – внутренняя мембрана кариолеммы; 6 – перинуклеарное пространство.

б – трансмиссионная электроннограмма наружной, внутренней мембран кариолеммы и комплексов поры × 65000; 1 – внутренная ядерная мембран; 2 – наружная ядерная мембрана; 3 – перинуклеарное пространство; 4 – хроматин; 5 – комплекс поры; 6 – рибосомы (по Ж.К.Роллану и соавт.).

Внутренняя мембрана кариолеммы гладкая. При помощи структурных белков она связана с плотно прилежащей к ней ламиной или ядерной пластинкой, которая имеет толщину до 300мм и состоит из сгущения промежуточных филаментов. С ламиной контактируют промежуточные филаменты, формирующие в ядре фибриллярную сеть образующие кариоскелет. Ламина поддерживает форму ядра, участвует в организации пор, способствует упорядоченному расположению хроматина. Она также участвует в формировании кариолеммы при делении клеток.

Две ядерные мембраны в отдельных участках переходят одна в другую. Эти места являются порами кариолеммы. В порах находятся гранулярные и фибриллярные структуры, которые вместе образуют комплекс поры. По краю поры лежат 8 гранул, а в центре находится центральная гранула. К ней от периферических гранул идут фибриллы. Формируется структура, похожая на колесо со спицами. В комплексе поры имеется три

таких структуры, которые лежат на разных уровнях, формируя три этажа. Гранулы пор связаны с белками ламины, участвующей в их организации. В комплексе поры содержатся особые рецепторы, распознающие поступающие в ядро белки и осуществляющие их активный перенос. Число пор зависит от метаболической активности клеток: чем выше синтетические процессы, тем выше содержание пор. В среднем в ядерной оболочке содержится 2000-4000 пор. В сперматозоидах Ядерные поры полностью отсутствуют.

Функции кариолеммы:

1.	Разграничительная.
2.	Защитная.
3.	Регулярная транспорта веществ, в том числе и		рибосом,	из ядра в
	цитоплазму и наоборот. Комплекс пор играет		в этом	наибольшее
	значение (роль диафрагмы и активного транспортёра).
	Ядерный сок – кариоплазма.	Это жидкий компонент ядра. Представляет собой

коллоидный раствор сложных белков, углеводов, нуклеотидов. В состав кариоплазмы входят также различные ионы и метаболиты. Среди белков наибольшее значение имеют

чистоты, ферменты, структурные белки.
	Функции кариоплазмы:
1.	Создаёт	микросреду	для	всех	структур	ядра,	в	которой	может
происходить быстрая диффузия метаболитов.
2.	Перемещение рибосом, м-РНК и т-РНК к ядерным порам.

Хромосомы. Хромосомы видны полностью только в митозе. Наиболее удобно изучать их в метафезе (метафозньге хромосомные пластинки). Основными химическими элементами хромосомами являются ДНК и белки (рис. 28) Комплекс ДНК с белками (в основном с гистонами) формирует фибриллярную структуруэлементарную хромосомную фибриллу имеющую нуклеосомную организацию. Каждая нуклеосома представляет собой комплекс из 8 молекул гистонов (гистоновый октамер). Вокруг него молекула ДНК образует около 2 оборотов. Участки ДНК, связывающие соседние нуклесомы, называются линкерной ДНК. Следующим уровнем организации хромосомы является нуклеомерная организация, или уровень хроматиновой фибрилл. В ней нуклеосомы обьеденяются в нуклеомеры, причём каждый нуклеомер состоит из 8-10 нуклеосом и имеет диаметр около 30 мм. Хромосомы образованы хроматиновами фибриллами (хроматиды) в интерфазе. В ходе последующей упаковки нуклеомер подвергается супер спирализации и превращается в хромомер, содержащий петельные домены.

Рис. 28. Схема различных уровней организации хромосом.

Петельный домен имеет диаметр до 300мм и соответствует одному или нескольким генам. Хромомер далее за счёт суперспирализации укорачивается, образуются конденсиророванные хромосомы, видимые только в митозе клетки.

Морфология и классификация хромосом.

Каждая хромосома в световой микроскоп выглядит в виде палочки (рис. 29). У большинства хромосом можно увидеть первичную перетяжку-центромер, или кинетохор. Он делит хромосомы на две плеча. Если длина плеч одинакова, такие хромосомы называются метацентрическими. Если одна плечо больше, то хромосомы является субметацентрическими. Хромосомы с очень коротким одним плечом называются акроцентрическими. Иногда хромосомах есть вторичные перетяжки, отделяющие от хромосомы маленький участок-сателлит. В области вторичных перетяжек находятся ядрышковые организаторы. В хромосоме имеется эу-и гетерохроматичновые участки. Последние в неделящемся ядре и в профазе митоза остаются компактными. Поверхность хромосом покрыта различными молекулами, главным образом рибонуклеопротеинами. В соматических клетках имеются по две копии каждой хромосомы, их называют гомологичными. Они одинаковы по длине, форме, строению несут одни и те же гены, которые расположены одинаково. Особенности строения, число иразмеры хромосомкариотипом. Нормальный кариотип человека включает 22 пары аутосом и одну пару половых хромосом (XX у женщин или ХУ у мужчин). Соматическиеклетки человека (диплоидные) имеют удвоенное число хромосом-46. Половые клетки содержат гаплоидный (одинарный) набор-23 хромосомы, в половых клетках ДНК в 2 раза меньше, чем в диплоидных соматических клетках.

Разные участки хромосом обеспечивают синтез различных РНК. Особенно выделяются участки синтезирующие рибосомные РНК (рРНК); ими обладают не все хромосомы. Эти участки называют ядрышковыми организаторами.

Рис. 29. Схема метацентрической хромосомы.

а – внешний вид; 1 – вторичная перетяжка; 2 – спутник; 3 – нить веретена; 4 – центромера;

б – внутренняя структура той же хромосомы с двумя хромоненами (5) и большими и малыми спиралями.

в – три морфологических типа хромосом, определяемые положением центромеры: 1 – акроцентрическая; 2 – субметацентричекая; 3 – метацентраческая.

Способы репродукции клеток

Как известно, клетки возникают только в результате деления. Рост организма, увеличение числа клеток, их размножение происходит путём деления. Основными способами деления клеток в человеческом организме являются митоз и мейоз. Процессы, происходящие при этих способах деления клеток протекают одинаково, приводит к разным результатам. Разновидностями митоза является эндомитоз. Иногда как самостоятельный способ репродукции рассматривают амитоз, или прямое деление. Однако в последнее время большинство цитологов отрицают существование амитоза у эукариотических клеток.

Митотическое деление клеток (митоз) приводит к увеличению числа клеток, к росту организма. Таким способом обеспечивается обновление клеток при их износе, гибели. Известно, что клетки эпидермиса живут 10-30 дней, эритроцитыдо 4-5 мес. Нервные и мышечные клее тки (волокна) живут в течение жизни человека.

Митоз представляет собой, когда материнская клетка разделяется на две дочерние (рис. 30, 31). Митотическое деление клеток обеспечивает равномерное распределение структур клетки, её ядерного вещества-хроматина – между двумя дочерними клетками. Длительность митоза от 30 мин до 3 ч. Митоз подразделяют на профразу, метафазу анафазу, телофазу.

Рис. 30. Митоз растительной клетки (клеток корешка лука).

1 – интерфаза; 2 – профаза; 3 – метафаза; 4 – анафаза; 5 – телофаза.

В профазу происходят следующие события:

1.

В

результате

спирализации

и

конденсации

хроматина

становятся

видны

хромосомы.

Каждая

хромосама

состоит

из

двух

лежащих рядом сестринских хроматид.

2.

Исчезает

ядрышко

т.к.

на

ядрышковых

организаторах

прекращается

синтез

р-РНК

и

они

расходятся

в

связи

с

конденсацией

хромосом.

3.

Из

микротрубочек

цитоплазмы формируется веретено деления.

Центрами

его

организации

становятся

разошедшиеся

к

полюсфм

центриолы.

Микротрубочки

веретена

деления

прикрепляются

к

центромерам

хромосом,

в

области

которых

из

особых

белков

формируются

кинетохоры.

В

дальнейшем

кинетоходы

сами

могут

служить центрами организации микротрубочек.

4.	Распадается на			мелкие	фрагменты,			превращается в		мембранные
пузырьки	и	становится		не	отличимой		от	ЭПС	Ядерная	оболочка.
Поровый комплекс и ламина распадаются на субъединицы.
Метафаза. Все хромосомы располагаются в экваторе										клетки	и
удерживаются		в	этом	положении		микротрубочками			веретена	деления.
Сестринские		хроматиды		отходят	друг	от	друга, разделяясь щелью,				но
остаются соединёнными в облаете центромеры. Хромосомы										формируют
метафазную пластинку, или материнскую звезду.
Анафаза. Сестринские хроматиды, из которых состоит хромосомы,										из которых

состоят хромосомы, отделяются друг от друга и в области центромеры и начинают расходятся к полюсам клетки со скоростью 1 мкм/мин. Анафаза обычно длится несколько минут. Механизм движения хроматид к полюсам не совсем ясен. Предполагают, что сигналом к движению является резкое повышение в гиаглоплазме концентрации ионов кальция. Возможно, причина движения заключается в деполимеризации микротребочек веретена с конца, прикреплённого к кинетохорам. По другим представлениям, она кроется во взаимодействии таких сократимых белков, как актин, миозин и динеин, которые сосредоточиваются вокруг веретена деления. Разошедшиеся к полюсам сестринские хроматиды формируют дочерние звёзды.

Рис. 31. Схематическое изображение фаз митоза.

Телофаза. Когда разделённые дочерные хроматиды подходят к полюсам, кинетохорные трубочки исчезают. Вокруг каждой группы дочерных хроматид из мембранных пузырьков и агранулярной ЭПС образуется новая ядерная оболочка, а из имеющихся в цитоплазме субъединиц-поровые комплексы и ламина. Конденсированный хроматин начинает деспирализоваться, разрыхляться. Появляются ядрышки. Происходит распределение органелл между клетками. Затем, благодаря актиновым филаментам, в центре клетки по периметру образуется сократимое кольцо (рис. 31). Оно постепенно сжимается и образует борозду деления, которая углубляется и в конце концов разделяет материнскую клетку на две клетки. Это явление называется питотомией.

Наряду с описанным нормальным митозом могут наблюдаться атипичные и патологические митозы. При них может иметь место неравномерное распределение генетического материал амежду дочерними клетками-анэуплоидия. Могут наблюдаться также аномалии хромосомхромосомные абберации, часто возникающие после рентгеновского облучения. Патологические митозы характерны для опухлевых клеток.

Эндомитоз – это вариант митоза, когда редупликация хромосом не заканчивается образованием двух клеток. Есть несколько вариантов эндомитоза, отражающих степень «продвинутости» митоза.

1.политения – явление при котором в результате редупликации ДНК происходит увеличение размеров хромосом во много раз. Имеет место у беспозвоночных животных.

2.полиплоидия – увеличение количества хромосом, обычно кратное двум. В

полиплоидных клетках в последующем может происходить разделение(сегрегация) геномов, и такие клетки распадаются на несколько клеток с диплоидным набором хромосом. Эти изменения некоторые исследователи рассматривают как проявление амитоза.

3. Образование двуядерных и многоядерных клеток. Они возникают тогда, когда ядро делится, но цитотомия не происходит. Многоядерные клетки в последующем могут путём цитотомии разделиться с образованием одноядерных (вариант амитоза).

Эндомитоз в конечном счёте приводит к увеличению размеров клетки и её функциональных возможностей, поэтому его можно рассматривать как механизм приспособления или адаптации клетки к изменяющимся условиям внешней среды.

Амитоз, или прямое деление клетки. В последнее время большинство исследователей отрицают его существование и значение для организма. Поэтому во многих руководствах амитоз вообще не рассматривается как способ репродукции клеток.

Амитоз – деление клетки без изменений со стороны хромосомного аппарата. Он происходит путём простой перетяжки ядра и цитоплазмы без выявления хромосом и образования веретена деления. Одной из форм амитоза является сегрегация геномовмноженственная перешнуровка полиплоидного ядра с образованием мелких дочерних ядер с обычным генотипом.

Те исследователи, которые допускают существование амитоза, различают реактивный (ответная реакция на внешние факторы), патологический амитоз (в условиях патологии), регенераторный амитоз (при регенерации поперечно-полосатой мышечной ткани), дегенеративный амитоз (в стареющих клетках).

Мейоз – это деление половых клеток, вариант митоза. При помощи мейоза образуются клетки с гаплоидным набором хромосом.

Мейоз состоит из двух последовательных митотических делений: мейоз I и мейоз

II.

Мейоз I называют редукционным делением, т.к. в нём происходит редукция, уменьшение хромосомного набора в два раза. Мейоз I имеет сложную профазу, состоящую из 5 периодов, или фаз:

-лептотена – хромосомы приобретают вид длинных тонких нитей;

-зиготена – в ней происходит конъюгация гомологичных хромосом;

-пахитена – в эту фазу хромосомы укорачиваются и утолщаются;

-диплонема – характеризуется расщепления хромосом на две половинки

-хроматиды – образуются тетрады, состоящие из четырёх хроматид;

-диакинез - хромосомы сильно укорачиваются в результате спирализации и отходят друг от друга.

Дальнейшие фазы Мейоза \ (метафафза, анафаза, челофаза) такие же, как в митозе, но к полюсам отходят не хроматиды, а целые хромосомы.

Этой приводит к редукции хромосомного набора.

Вмейозе II к полюсам отходят хроматиды, как в митозе. Подробнее о

мейозе- в разделе «Эмбриология».

Ядерно-цитоплазматическое отношение как показатель функционального состояния клетки.

Отношение площади или объёма ядра к площади или объёму цитоплазмы называются ядерно-цитоплазматическим отношением (ЯЦО).

Ядерно-цитоплазматическое отношение показывает, в каком состоянии находится клетка. Если это отношение равно или больше 1, это значит, что в клетке большое ядро и мало цитоплазмы. Такое отношение могут иметь стволовые клетки, малые лимфациты, стареющие клетки. Эти клетки функционально неактивны, однако обладают способностью делиться, например, стволовые клетки. Наоборот, клетки, у которых ЯЦО

меньше 1, имеют большой объем цитоплазмы и, следовательно, большое количество органелл. Они высокодифференцированы и способны активно функционировать.

Митотический цикл. Жизненный цикл клетки.

Митотический цикл – это время от одного до второго деления клетки. Его подразделяют на, собственно митоз и интерфазу. В свою очередь, интерфаза делится на три периода:

1.G1 – период. В нем активизируются обменные процессы, необходимые для синтеза ДНК, характеризуется ростом клеток, синтезом белка и РНК. Клетка восстанавливает нужный объем органелл и достигает обычных размеров, синтезируются также специальные белки-активаторы S-периода.

2.S-период – период синтеза, удвоение ДНК в ядре, хромосомы полностью реплицируются. Одновременно удваиваются центриоли.

3.G2-синтез и-РНК, р-РНК, белков тубулинов, из которых синтезируется веретено деления. Полностью созревают дочерние центриоли. Запасается энергия, затем наступает М-период, или собственно митоз.

Жизненный цикл – это время от одного деления до второго или до смерти клетки.

Есть три основных вида тканевых клеток, различающихся по жизненному циклу (рис. 32.)

Рис. 32. Стадии клеточного цикла.

В клеточном цикле различают митоз – сравнительно короткую фазу М и более длительный период – интерфазу. Интерфаза складывается из фаз G1, S и G2. Клетки, выходящие из цикла, более не делятся и вступают в дифференцировку. Клетки в фазе G0 обычно не возвращаются в цикл.

1.Стволовые клетки. Эти клетки способны к постоянному делению митозом. За счет них поддерживается тканевой гомеостаз. Жизненный цикл таких клеток будет составлять время от одного деления до второго, т.е. совпадает с митотическим циклом. Несмотря на неограниченные способности к делению и дифференцировки, стволовые

клетки делятся очень редко и после завершения митоза пребывают в продленном G1 – периоде (иногда его называют G0 периодом). После деления стволовые клетки превращаются в полустволовые клетки, которые, наоборот, интенсивно делятся, восполняя клеточные потери.

2.Дифференцированные клетки.

а) необратимые постмитотические клетки. Такие клетки делятся митозом только в эмбриональном периоде, а затем после достижения популяцией необходимого объема полностью теряют способность к делению. Примером таких клеток являются нейроны,