Воспроизведение на клеточном уровне.
ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КЛЕТКИ
Цель занятия:
Знать
Характеристику основных периодов жизненного цикла клетки.
Динамику структуры хромосом, функции, количества ДНК и числа хромосом в жизненном цикле клетки.
Биологическое значение митоза.
Уметь определять на микропрепаратах фазы митоза.
Ознакомиться с основными механизмами регуляции митоза и его патологией.
Внеаудиторная работа
Задание 1. Жизненный цикл клетки
Жизненный цикл клетки (ЖЦК) – период существования клетки от ее образования (путем деления материнской клетки) до собственного деления или смерти.
Жизненный цикл клеток, способных к делению, складывается из гетерокаталитической интерфазы и митотического цикла. В период гетерокаталитической интерфазы клетка растет, дифференцируется и выполняет свои специфические функции.
В митотическом цикле выделяют период подготовки клетки к делению (автокаталитическая интерфаза) и само деление – митоз. Автокаталитическая интерфаза подразделяется на периоды: G1 (пресинтетический), S (синтетический), G2 (постсинтетический).
В многоклеточном организме есть клетки, которые после своего рождения вступают в период покоя (G0), они представлены: клетками, выполняющими специфические функции в составе той или иной ткани; клетками, выходящими из митотического цикла; небольшим числом стволовых клеток (недифференцированные клетки с широкими потенциями). Все эти клетки рассеяны среди пролиферирующих клеток и практически неотличимы от них по морфологическим признакам.
Ответьте на вопросы:
Какие клетки человека очень быстро обновляются? Из каких периодов складывается их жизненный цикл?
Приведите примеры высокодифференцированных клеток человека, не способных к делению. Каковы особенности их жизненного цикла?
Способны ли к делению стволовые клетки?
На какие периоды подразделяется подготовка клетки к делению? Чем характеризуется G1-, S-, G2-периоды?
Задание 2. Типы деления клеток
Выделяют следующие типы деления клеток: митоз – непрямое деление; амитоз – прямое деление (встречается в основном в обреченных на гибель клетках); мейоз (лежит в основе гаметогенеза – образования половых клеток).
Ответьте на вопросы:
За счет какого типа деления клеток происходит дробление оплодотворенной яйцеклетки, развитие эмбриона, рост организма, регенерация тканей и органов?
Почему дочерние клетки, образовавшиеся в ходе митоза, генетически идентичны между собой и материнской клеткой?
Задание 3. Проверка усвоенного материала
Проверьте усвоение материала занятия по тестовым заданиям с выбором одного или нескольких правильных ответов (стр. 48).
Аудиторная работа
Задание 4. Митотический цикл клеток
Изучите материал таблицы 1 «Митотический цикл». Обратите внимание, что в период S на молекулярном уровне происходит удвоение ДНК – репликация, а на хромосомном уровне – авторепродукция хромосом, в итоге каждая хромосома становится двухроматидной, но так как эти хроматиды соединены центромерой в единую структуру, в итоге в клетке 2n4c (n – число хромосом, с – число молекул ДНК в гаплоидном наборе).
Ответьте на вопросы:
В каком состоянии (конденсированном или деконденсированном) находятся хромосомы в период подготовки клетки к делению?
Одинакова ли продолжительность автокаталитической интерфазы и митоза делящихся клеток: а) у разных организмов, б) разных органов одного организма?
В какой период митотического цикла клетки происходит репликация ДНК и авторепродукция хромосом?
Как называются дочерние хроматиды в составе одной хромосомы, образовавшиеся в S-период?
Сколько хроматид (1) и молекул ДНК (2) в одной хромосоме в периоды и фазы митотического цикла: а) G1; б) S; в) G2; г) профазы; д) метафазы; е) анафазы; ж) телофазы.
Решите задачу:
Общая масса всех молекул ДНК в 46 хромосомах одной соматической клетки человека (2n2c) составляет ~ 6 ∙ 10-9 мг. Определите, чему равна масса всех молекул ДНК в сперматозоиде; яйцеклетке; в соматической клетке: а) перед началом ее деления (2n4c); б) после его окончания (2n2c).
Таблица 1
Митотический цикл
| Фазы и периоды | nc | Цитологическая характеристика | ||
| Подготовка к делению (автокаталитическая интерфаза) | Пресинтетичес-кий период – G1 | 2n2c | Хромосомы однохроматидные, деконденсированные, при световой мик-роскопии не выявляются. Накапливают-ся белки и РНК, увеличивается количе-ство митохондрий | |
| Синтетический период – S | 2n4c | Репликация ДНК, хромосомы двухро-матидные, деконденсированные, при световой микроскопии не выявляются. Продолжается синтез РНК и белков | ||
| Постсинтети- -ческий период – G2 | 2n4c | Остановка синтеза ДНК, хромосомы двухроматидные, деконденсированные, при световой микроскопии не выявляя-ются. Накапливается энергия, синтези-руется РНК и белки, формирующие нити веретена деления | ||
| Митоз (М – фаза) | Профаза | 2n4c | Начало конденсации хромосом, они различимы при световой микроскопии, двухроматидные. Демонтаж ядерной оболочки, исчезновение ядрышка, деле-ние центриолей и расхождение их к полюсам клетки, построение веретена деления | |
| Метафаза | 2n4c | Хромосомы максимально конденси-рованы, двухроматидные, располагаются в плоскости экватора клетки, хорошо различимы при световой микроскопии. К центромерам прикрепляются нити веретена деления | ||
| Фазы и периоды | nc | Цитологическая характеристика | ||
| Митоз (М – фаза) | Анафаза | 2n4c | Деление центромер, расхождение сес-тринских хроматид к разным полюсам клетки. Хромосомы конденсированы, однохроматидные, различимы при свето-вой микроскопии | |
| Телофаза | 2n2c | Хромосомы однохроматидные, декон-денсированные, не выявляемые при световой микроскопии. Формирование ядрышка, цитотомия, образование двух дочерних клеток | ||
Задание 5. Митоз в растительной клетке
Изучите на слайдах и постоянном микропрепарате фазы митоза в клетках кончика корешка лука. Зарисуйте клетки на разных фазах митоза (профазы, метафазы, анафазы, телофазы).
Задание 6. Митоз в животной клетке
Изучите при малом и большом увеличениях объективов микроскопа фазы митоза на препарате «Дробление оплодотворенных яиц аскариды». Зарисуйте бластомеры на стадии метафазы или анафазы.
Задание 7. Ограничение на число делений («лимит Хейфлика»)
Ознакомьтесь с информацией.
Обычно клетки не преодолевают барьер из 20 – 90 делений. Для человека он составляет в среднем 50 ± 10. Срок жизни клеточных клонов зависит от длины теломерной ДНК на концах хромосом (А. М. Оловников, Л. Хейфлик). У большинства соматических клеток человека в автокаталитическую интерфазу теломерная ДНК не дореплицируется и с каждым новым делением клетки хромосомы укорачиваются на 50 – 60 нуклеотидов. При достижении теломерами минимальных размеров репликация ДНК прекращается, клетка перестает делиться, стареет и гибнет (запрограммированный апоптоз).
Клетки, часто делящиеся, быстрее исчерпывают свой потенциал к делению. Так, при ВИЧ-инфекции у человека возникает защитная реакция – лимфоциты, обеспечивающие иммунитет, ускоренно размножаются, быстрее стареют и через несколько лет перестают делиться. При наследственных болезнях преждевременного старения – прогериях – лимит Хейфлика снижен до 10 – 15 делений. Но ряд клеток человека (сперматогонии, клетки красного костного мозга, раковой опухоли) способны к неограниченному делению. В этих клетках высока активность фермента теломеразы, обеспечивающего синтез теломерной ДНК на матрице иРНК (обратная транскрипция), поэтому теломерные районы хромосом этих клеток способны восстанавливаться.
Ответьте на вопросы:
Какие клетки относят к одному клеточному клону: а) произошли от одной материнской клетки, б) произошли от нескольких клеток разных тканей?
Какой период жизненного цикла практически отсутствует у клеток раковой опухоли?
Как теоретически можно затормозить рост раковой опухоли?
Задание 8. Патология митоза
Ознакомьтесь с некоторыми нарушениями митоза:
нарушение процесса конденсации хромосом в профазе ведет к набуханию и слипанию хромосом;
повреждение веретена деления является причиной задержки митоза в метафазе и рассеивания хромосом;
нарушение расхождения хроматид в анафазу митоза ведет к появлению клеток с различным количеством хромосом;
отсутствие цитотомии в конце телофазы и образование двуядерных и многоядерных клеток.
Решите задачу:
В процессе эмбрионального развития человека на стадии двух бластомеров, при дальнейшем делении дробления одного из них, в анафазе митоза произошло нерасхождение хроматид одной из пары 21-х аутосом.
Напишите хромосомные наборы клеток, образующихся в процессе делений дробления после геномной мутации. Какой хромосомный набор будет в соматических клетках ребенка, родившегося при таких условиях эмбриогенеза, если учесть, что клетки с недостающим числом аутосом нежизнеспособны?
Задание 9. Амитоз
Амитоз – прямое деление клетки путем перетяжки ядра (без его перестройки как при митозе) и, в большинстве случаев, без последущего цитокинеза. В итоге могут образовываться двух- и многоядерные клетки, которые часто встречаются в высокодифференцированных тканях.
Рассмотрите на микропрепарате клетки, образовавшиеся в результате амитоза. Обратите внимание на то, что дочерние клетки имеют разный размер и морфологию.
Задание 10. Эндомитоз и политения
При эндомитозе происходит удвоение числа хромосом и их конденсация внутри ядра без образования веретена деления. В конце эндомитоза ядро принимает вид интерфазного, но размер его увеличивается в соответствии с увеличением плоидности. В организме млекопитающих и человека эндомитоз с возрастом свойственен клеткам печени.
Политения сопровождается повторяющимися циклами синтеза ДНК без митоза. В результате формируются гигантские (политенные) хромосомы, которые встречаются в клетках слюнных желез личинок ряда двукрылых насекомых (дрозофил, хирономид), простейших и растений. Политенные хромосомы по длине неоднородны – после окраски состоят из чередующихся темных дисков и более светлых междисков. Диски – более конденсированные участки, междиски – менее конденсированные. В участках с рыхло упакованными фибриллами хроматина идет активный синтез РНК.
Изучите на микропрепарате и микрофотографии политенные хромосомы хирономид (или дрозофил). Зарисуйте участок хромосомы, обозначьте темные диски, междиски.
Ответьте на вопросы:
Интерфазными или метафазными являются политенные хромосомы?
Какое значение имеют политенные хромосомы в цитогенетических исследованиях?
Учебно-исследовательская работа студентов (УИРС)
Задание 11. Митотическая активность клеток в ходе восстановительных процессов
Клетки печени, почек, надпочечников и ряда других органов обновляются медленно. Однако в процессе восстановления после повреждения (например, удаления части органа) происходит усиление клеточного деления.
Рассмотрите фотографии и постоянные микропрепараты среза печени крысы: а) в норме; б) через два дня после удаления 70% массы печени. Сделайте вывод о состоянии митотической активности клеток печени после частичной гепатэктомии.
Решите задачу:
В клинику обратился больной с жалобой на длительно незаживающую кожную рану. Цитологический анализ отпечатков, взятых с поврежденного участка кожи, выявил отсутствие делящихся клеток. Сделайте вывод о состоянии восстановительных процессов поврежденного участка кожи.
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ