Учебная информация для использования на занятии

Клеточное ядро.

Форма ядра различных клеток неодинакова: встречаются клетки с округлым, овальным, бобовидным, палочковидным, многолопастным, сегментированным ядром. Чаще всего форма ядра в целом соответствует форме клетки: оно обычно сферическое в клетках округлой или кубической формы, вытянутое или эллипсоидное в призматических клетках, уплощенное в плоских. Расположение ядра варьирует в разных клетках, оно может лежать в центре (в клетках округлой, плоской, кубической или вытянутой формы), у ее базального полюса (в клетках призматической формы) или на периферии (жировые клетки). Величина ядра в среднем 5-10 мкм, и она относительно постоянна для каждого типа клеток, однако может меняться в определенных пределах, увеличиваясь при увеличении функциональной активности клетки и уменьшаясь при ее угнетении. В разных видах клеток наблюдается неодинаковое соотношение ядра и цитоплазмы. Так, например, в клетках ядерного типа - крупное ядро и узкий ободок цитоплазмы (лимфоцит), в клетках цитоплазматического типа объем цитоплазмы превосходит объем ядра (н-р, бокаловидные клетки).

Компоненты ядра.Кариолемма - или ядерная оболочка, хроматин, ядрышко и кариоплазма (ядерный матрикс или ядерный сок).

Функции ядра:

1. хранение генетической информации (в молекулах ДНК, находящихся в хромосомах)

2. реализация генетической информации, контролирующей осуществление разнообразных процессов в клетке - от синтетических до запрограммированной гибели (апоптоз)

3. воспроизведение и передачу генетической информации (при делении клетки)

Ядерная оболочка - на светооптическом уровне практически не определяется, под электронным микроскопом обнаруживается, что она состоит из двух мембран - наружной и внутренней разделенных полостью шириной 15-40 нм (перинуклеарным пространством). Наружная - покрыта рибосомами и тесно связана с гр. ЭПС. Нередко можно видеть, как наружная мембрана продолжается в канальцы гр. ЭПС. Внутренняя мембрана является местом прикрепления хромосом. В нуклеолемме имеются ядерные поры. В их состав входят поровые комплексы, в составе которых имеются: отверстие поры диаметром около 90 нм, гранулы поры и мембрана поры. Отверстие поры образуется в результате слияния наружной и внутренней мембран. Гранулы поры располагаются в 3 ряда, по 8 гранул в каждом ряду. Размеры гранул около 25 нм. От гранул к центру сходятся фибриллы, формирующие диафрагму, в середине которой лежит центральная гранула (по некоторым представлениям - это транспортируемая через пору субъединица рибосомы.

Функции комплекса ядерной поры:

1. Обеспечение регуляции избирательного транспорта веществ между цитоплазмой и ядром.

2. Активный перенос в ядро некоторых белков, имеющих особую маркировку и распознаваемой рецепторами в комплексе поры.

3. Перенос в цитоплазму субъединиц рибосом.

Чем больше пор в нуклеолемме, тем активнее ядро, если активность снижена, то количество пор уменьшается, если синтетическая активность ядра близка к нулю, то поры в ядре отсутствуют (н-р, в кариолемме ядра сперматозоида).

Хроматин занимает основную часть объёма ядра. Он представлен тёмными (электроноплотными) глыбками - т.н. гетерохроматином (функционально неактивныеотделы и целые хромосомы, которые конденсированы, образуя глыбки) и светлыми (электронопрозрачными) областями -эухроматиномэто функционально активные, участвующие в транскрипции части хромосом, которые находятся в деконденсированном (диффузном) состоянии. Причём, глыбки гетерохроматина находятся, главным образом, на периферии ядра
и прилежат к ядерной оболочке. При изменении состояния клетки или в процессе дифференцировки возможен переход части гетерохроматина в эухроматин и обратно.Таким образом, чем больше в ядре доля гетерохроматина, тем ниже функциональная активность ядра, т.е. тем меньше скорость синтеза РНК. Так, в ядре нервной клетки гетерохроматина очень мало - ядро и клетка в целом функционально очень активны. Напротив, в лимфоците наблюдается преобладание гетерохроматина. Это вполне коррелирует с очень малым объёмом цитоплазмы, которая к тому же бедна органеллами. Данная клетка циркулирует в крови, и процессы синтеза РНК и белков идут в ней с небольшой скоростью. Хроматин дает положительную реакцию на ДНК (реакция Фельгена) - ДНК окрашивается в вишневый цвет, а все прочие структуры в зеленый, также по методу Браше хроматин окрашивается метиловым зеленым в соответствующий цвет красителя. Весь хроматин в целом - это совокупность 46 хромосом. Каждая из них представляет собой нуклеопротеидный комплекс - двуцепочечную молекулу ДНК, которая определённым образом связана с ядерными белками. Содержание белков в хромосоме по массе в 1,3-1,7 раза больше, чем ДНК. Кроме того, в хромосоме обнаруживается и РНК, являющаяся продуктом транскрипции. Тарнскрипция сопровождается экспрессией рибосомных и нерибосомных генов. Ген - единица наследственной информации, состоящий из нуклеотидов.

Экспрессия нерибосомных генов:

1. Сопровождается синтезом гигантской молекулы гетерогенной и-РНК при участии катализатора ДНК-полимеразы

2. Гигантская и-РНК подвергается сплайсингу, в результате длина гигантской и-РНК укорачивается в 10-30 раз и она превращается в и-РНК.

3. и-РНК взаимодействует с белками и образует РНК-азную гранулу (интерхроматиновая гранула диаметром 30 нм).

4. Перемещаясь на перпиферию ядра интерхроматиновая гранула перезревает в перихроматиновую гранулу диаметром 45 нм.

5. Перихроматиновая гранула покидает ядро в форме информосом.

Одним из компонентов гетерохроматина может быть т.н. половой хроматин.

У мужчин в наборе хромосом каждой клетки содержатся, как известно, по одной Х- и Y-половой хромосоме. Обе они находятся в деконденсированном состоянии, т.е. входят во фракцию эухроматина. У женщин в клетках содержатся по две Х-хромосомы. Одна из них деконденсирована. Вторая же Х-хромосома всегда находится в конденсированном состоянии, образуя в ядре компактное тельце - половой хроматин. Для обнаружения полового хроматина обычно исследуют мазок крови. В нейтрофильных лейкоцитах женщин половой хроматин выявляется в виде барабанной палочки, находящейся в одном из сегментов ядра. По этому признаку в судебной медицине отличают кровь женщин от крови мужчин. В деконденсированном состоянии длина одной молекулы ДНК равна в среднем около 5 см, а общая длина молекулы ДНК всех хромосом в ядре более 2м. В этой связи очевидна необходимость компактной упаковки молекул ДНК.

Выделяют 4 уровня компактизации ДНК:

1. Нуклеосомный (длина уменьшается в 6-7 раз). Нуклеосома - это белковая частица, состоящая из основных белков - гистонов. Основа каждойнуклеосомы- глобула из 8 молекул гистонов (октамер). Двуцепочечная молекула ДНК последовательно "намотана" на огромное количество таких глобул, делая вокруг каждой из них почти по 2 оборота (1,75 раз). В участках между глобулами с ДНК связано ещё по 1 молекуле гистона. В итоге, совокупность нуклеосом выглядит как цепь бусин, а деконденсированный хроматин имеет гранулярную структуру.

2. Нуклеомерный (компактизация в 40 раз). Формируется суперспираль. Ее витки образуют нуклеосомы обвитые ДНК. Каждый виток суперспирали образован 6-ю нуклеосомами и называется нуклеомерой, ее диаметр 25-30 нм. Суперспираль - это элементарная нить эухроматина. Гетерохроматин и полностью конденсированные хромосомы тоже имеют нуклеосомную организацию. Однако здесь добавляются и следующие уровни укладки хромосомы, что приводит к резкому сокращению её длины.

3. Хромомерный (компактизация в 680 раз). Негистоновые белки сшивают

суперспираль в боковые петельные домены, с образованием хромомеры.

4. Хромонемный - связывают со сближением хромомеров, боковые петли переплетаются и образуют кластеры, которые формируют хромонему. Их диаметр от 300 нм. Кластер рассматривают, как компонент гетерохроматина, видимый в световой микроскоп, как глыбка.

5. Хроматидный уровень компактизации образуется только при делении клетки, в результате образуются митотические хромосомы, видимые в световой микроскоп. Во время деления ДНК редуплицируется, каждая дочерняя хромосома, называемая хроматидой связана в области первичной перетяжки (центромеры), она делит хроматиду на два плеча. Каждая хроматида образуется путем закручивания в спираль хромонемы. Виток спирали имеет диаметр 700 нм и содержит 18-20 хромомер.

Совокупность числа, размеров и особенностей строения хромосом называется кариотипом. Оценка кариотипа производится путем изучения хромосом в метафазной пластинке. Для кариотипирования получают культуру клеток, в которую вводят колхицин, блокирующий формирование веретена. Из таких клеток извлекают хромосомы, которые далее окрашивают и идентифицируют. Нормальный кариотип человека представлен 46 хромосомами - 22 пары аутосом и двумя половыми хромосомами. Кариотипорование позволяет диагносцировать ряд заболеваний, связанных с хромосомными аномалиями, в частности синдром Дауна - трисомия 21 хромосомы.

Ядрышко - это место образования рибосом в клетке. Оно образовано специализированными участками хромосом, которые называются ядрышковыми организаторами. У человека такие участки имеются в пяти хромосомах - 13, 14, 15, 21 и 22, где находятся многочисленные копии генов, кодирующих рибосомальные РНК. Ядрышко выявляется в интерфазном ядре на светооптическом уровне как мелкая плотная гранула, интенсивно окрашивающаяся основными красителями. При окраске по методу Браше дает + реакцию на РНК - окрашивается пиронином в розовый цвет. Оно располагается в центре ядра или эксцентрично. Размеры и число ядрышек увеличиваются при повышении функциональной активности клетки. Особенно крупные ядрышки характерны для эмбриональных и активно синтезирующих белки клеток, а также клеток быстро растущих злокачественных опухолей. Под электронным микроскопом в ядрышке обнаруживают 3 компонента.

1. центральный фибриллярный светлый компонент - окрашивается бледно, где находится ДНК ядрышкового организатора, содержащей информацию о р-РНК.

2. периферический фибриллярный компонент - в виде тонких нитей и представляет собой транскрипты р-РНК.

3 гранулярный компонент - субъединицы рибосом.

Кариоплазма - жидкий компонент ядра, в котором располагаются хроматин и ядрышко. Содержит воду и ряд растворенных и взвешенных в ней веществ: РНК, гликопротеины, ионы, ферменты, метаболиты. Некоторые авторы разделяют понятие кариоплазмы и ядерного матрикса, к последнему помимо кариоплазмы относят также и кариоскелет, состоящий из ядерной ламины и фибриллярной сети, пронизывающей ядро. Ламина это пластинка белковой природы, которая связана с внутренней мембраной. К ядерной ламине и внутриядерной фибриллярной сети крепятся хромосомы, а также
разнообразные белковые комплексы с ферментативной или регуляторной функцией.

Клеточный цикл -это время существования клетки от одного деления до другого, или от деления до гибели. Клеточный цикл включает собственно митотическое деление и интерфазу - промежуток между делениями. Интерфаза значительно более длительна, чем митоз (обычно занимает не менее 90% клеточного цикла) и подразделяется на 3 периода: пресинтетический или постмитотический (G1), синтетический (S) и постсинтетический или премитотический (G2).

G1 - наступает сразу после митоза и характеризуется активным ростом клетки и синтезом белка и РНК, благодаря чему клетка достигает нормальных размеров и восстанавливает необходимый набор органелл (продолжительность от неск часов до неск дней)

S - характеризуется удвоением (репликацией) ДНК и синтезом белков, в частности гистонов, которые поступают в ядро и обеспечивают нуклеосомную упаковку ДНК. Одновременно удваивается число центриолей. Этот период у большинства клеток длится 8-12 часов.

G2 - В течение этого периода клетка осуществляет непосредственную подготовку к делению. Происходит созревание центриолей, запасается энергия, синтезируется РНК и белки (в частности тубулины, необходимые для образования веретена деления). Продолжительность 2-4 часа. Некоторые клетки могут выходить из клеточного цикла, это обозначается буквой G0. Клетка, вошедшая в этот период, утрачивает способность к митозу. В том случае, если клетка временно утрачивает способность к делению, она подвергается начальной дифференцировке. При этом дифференцированная клетка специализируется для выполнения определенной функции, после чего она способна вновь возвратиться в клеточный цикл. Н-р, при повреждении печени гепатоциты, подвергшиеся начальной дифференцировке, возвращаются в клеточный цикл, и за счет их деления происходит быстрое восстановление ткани. Те клетки, которые окончательно утрачивают способность к делению, не могут возвратиться в клеточный цикл и погибают. Н-р, гранулоциты крови, подвергшиеся дифференцировке, функционируют в течение 8 суток, а затем погибают. Также высокоспециализированные клетки - кардиомиоциты или нервные клетки не способны делиться.

Митоз - непрямое деление. В процессе, которого происходит равномерное распределение хромосомного материала между дочерними клетками. Выделяют 4 фазы, общая продолжительность которых 2 часа. Профаза - 30-60 мин, метафаза 10-20 мин, анафаза - 2-3 мин, телофаза - 30-40 мин.

Мейоз - это такое деление, при котором в дочерних клетках оказывается половинный (гаплоидный) набор хромосом. Такое деление имеет место при образовании половых клеток. Особенности мейоза: состоит из 2-х делений, второе деление без S-периода в интерфазе, 80% времени занимает профаза первого деления. В ней выделяют периоды: 1. Лептотена - хромосомы спирализуются и приобретают вид тонких нитей. 2. Зиготена - гомологичные хромосомы конъюгируют друг с другом.Пахитена - пары хромосом ещё больше спирализуются и, утолщаясь, укорачиваются. Хромосомы обмениваются гомологичными участками (кроссинговер).Вместе с тем активируются синтезы РНК и белка. Благодаря этому, сильно увеличивается объём ядра и клетки. Диплотена - гомологичные хромосомы начинают расходиться. Но между ними сохраняются хиазмы - перекрёсты в местах происшедшего кроссинговера. Из-за ещё большей спирализации хромосомы утолщаются и подразделяются на хроматиды. Поэтому каждая пара гомологичных хромосом выглядит как тетрада. Диакинез - хиазмы исчезают из-за ещё большего расхождения гомологичных хромосом.

Амитоз - этот тип деления характеризуется тем, что хромосомный материал ядра материнской клетки может распределяться неравномерно между дочерними клетками. Такой тип деления считается ненормальным.

Полиплоидия - это процесс увеличения количества хромосом в ядре клетки. В результате образуются полиплоидные клетки. Это может происходить в результате блокирования одной из фаз митоза, либо нарушения цитотомии во время телофазы. Н-р, гепатоциты, мегакариоциты красного костного мозга, гландулоциты ацинусов слюнных желез.

Эндорепродукция - это последовательное многократное удвоение ДНК, в результате увеличивается набор хромосом, при этом хромосомы связаны тонкими нитями, эти структуры называются политенами. Характерными для клеток плаценты.

Виды гибели клетки.

Апоптоз - запрограммированная гибель клетки наблюдается в различных тканях человека и животных в норме, при патологии, в процессе эмбрионального развития. Такая гибель связана с тем, что в ДНК хромосом имеются гены, в которых закодирована программа гибели клетки. Она запускается в двух случаях: 1) при воздействии на клетку некоторых белков или гормонов (н-р, повышенное содержание ГКС в крови инициирует апоптоз лимфоцитов) 2) если на клетку не поступают регулирующие сигналы (Н-р, при кастрации, к предстательной железе не поступают сигналы от семенников, что приводит к саморазрушению клеток простаты).

Выделяют 4 стадии в развитии апоптоза Для первой стадиихарактерно разделение ДНК на нуклеосомные фрагменты, хроматин конденсируется в виде крупных глыбок, которые располагаются в виде полулуний около ядерной мембраны. Цитоплазма становится конденсированной. Вторая стадия апоптоза характеризуется образованием ограниченных мембраной апоптозных телец. Некоторые апоптозные тельца содержат один или более фрагментов ядра, другие могут быть представлены только фрагментами цитоплазмы. Третья стадия - фагоцитоз апоптозных телец макрофагами. Четвертую стадию характеризует наличие остаточных телец в фагоцитах.

Некроз (греч. nekros - мертвый) возникает в результате прямого воздействия патогенного фактора (микроорганизм, ишемия и др.), нарушающего целостность мембраны клетки. В отличие от апоптоза при некротической форме гибели клетки набухают и признаки первичного повреждения наблюдаются в цитоплазме, а не в ядре. Обращают на себя внимание отек, набухание и просветление матрикса, нарушение структуры митохондрий, происходит разрушение плазматической мембраны. В ядре хроматин конденсируется, ядро уменьшается, уплотняется - кариопикноз, затем распадается на фрагменты - кариорексис и лизируется - кариолизис. В конечном итоге при некрозе происходят тотальное разрушение мембран, ядра и органелл цитоплазмы, выброс цитоплазматического содержимого в окружающее пространство. Как правило, некроз клеток сопровождается воспалительной реакцией, что нехарактерно для апоптоза.

Включения -необязательные компоненты цитоплазмы; они возникают исчезают в зависимости от состояния клетки.

Различают 4 типа включений:

I. Трофические (капельки жиров, гранулы полисахаридов и т.д.) - резервные запасы питательных веществ.

II – III. Секреторные и экскреторные включения - обычно это мембранные пузырьки, содержащие вещества, подлежащие выведению из клетки;

в одном случае (II) это биологически активные вещества (секреты клетки) (п. 2.2.2.3), в другом случае (III) - ненужные продукты обмена.

IV. Пигментные включения – экзогенные (красители, провитамин А и т.д.),
эндогенные (меланин, гемосидерин (комплекс белка с железом), гемоглобин и др.).

IV. Табличные, справочные и другие материалы (см. Раздел III.Учебно-материальное обеспечение, таблицы).