иии / мроекулярная биология клетки / Глава3
.pdfГБОУ ВПО «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РФ
КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ БИОЛОГИИ И ГЕНЕТИКИ
Молекулярная биология клетки
Глава 3. Закономерности существования клетки во времени. Пролиферация, дифференцировка, смерть
Казань 2012
УДК 611:018(075.8) ББК 28.05+28.06
Печатается по решению Центрального координационно-методичес- кого совета Казанского государственного медицинского университета.
Авторы:
Исламов Р.Р., Волков Е.М., Кошпаева Е.С., Пахалина И.А., Колочкова Е.В., Бойчук Н.В.
Рецензенты:
Заведующий кафедрой гистологии, цитологии и эмбриологии КГМУ проф. Челышев Ю.А.
Молекулярная биология клетки. Глава 1. Световая микроскопия. Строение и функция клеточного ядра. ДНК. Учебно-методическое пособие/ Исламов Р.Р., Волков Е.М., Кошпаева Е.С., Пахалина И.А., Колочкова Е.В., Бойчук Н.В. – Казань: КГМУ, 2012. – 45 с.
Учебно-методическое пособие составлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования (ФГОС-3) и типовой Учебной программой по дисциплине «Биология». В 1 главе Учебно-методического пособия «Световая микроскопия. Строение и функция ядра. ДНК» изложены цели и задачи изучения данной темы, указаны формируемые компетенции, приведён теоретический обзор, изложенный в лаконичной и рубрицированной форме и имеющий медицинскую направленность. Практические навыки включают правила работы с прямым световым и стереоскопическим микроскопом, анализ особенностей строения ядра в различных клеточных типах, лабораторную работу по выявлению полового хроматина. Пособие включает типовые тестовые вопросы, вопросы самоконтроля и справочник терминов.
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов младших курсов медицинских факультетов и медицинских вузов.
© Казанский государственный медицинский университет, 2012
Глава 3. Закономерности существования клетки во времени. Пролиферация, дифференцировка, смерть
Цель занятия:
Сформировать представление о жизненном цикле клетки, основных событиях, происходящих в клетке во время митоза и интерфазы, регуляторах клеточного цикла. Усвоить понятия клеточного типа и фенотипа, стволовости и апоптоза. Получить представление о механизме репликации молекулы ДНК, расхождении хромосом при митозе.
Задачи занятия:
1.Изучить фазы жизненного цикла клетки.
2.Разобрать основные процессы, происходящие во время различных стадий митотического цикла клетки.
3.Изучить механизмы регуляции клеточного цикла.
4.Рассмотреть процесс репликации ДНК.
5.Ознакомиться с нетипичными формами митоза.
6.Изучить типы и характеристики стволовых клеток.
7.Усвоить значение апоптоза в жизненном цикле клетки.
8.Изучить и зарисовать микропрепараты.
Формируемые компетенции:
ОК-1, ПК-2, ПК-3, ПК-9, ПК-31, ПК-32
Студент должен знать:
1.Периодизацию митотического цикла.
2.Структурные изменения хромосом во время клеточного цикла.
3.Значение компактизации хромосом при митозе.
4.Процессы, происходящие с хромосомами, ядром и другими структурными компонентами клетками во время митоза.
5.Биологическую роль митоза.
6.Нетипичные формы митоза (полиплоидия и политения).
7.Значение теломер хромосом в процессе клеточного деления.
4
8.Механизм апоптоза.
9.Значение дифференцировки клеток.
10.Виды стволовых клеток (тотипотентные, плюрипотентные, полипотентные).
Студент должен уметь:
1.По характерным признакам идентифицировать на препарате нужные фазы клеточного цикла.
2.Определять фазы митоза по их описанию, микрофотографиям и схемам.
3.Дифференцировать разные клеточные типы и их фенотипы.
Студент должен владеть:
1.Основными понятиями и терминами по теме.
2.Навыками устного и письменного описания этапов клеточного цикла.
3.Навыками отображения микропрепаратов, изучаемых под световым микроскопом.
Оснащение занятия:
1.Таблицы:
1.клеточный цикл
2.схема митоза
3.митоз в животной клетке
4.митоз в растительной клетке
5.репликация ДНК
6.строение хромосомы
2.Микроскопы:
1.прямой световой монокулярный
2.прямой световой бинокулярный
3.Микропрепараты:
1.фигуры митоза животной клетки
2.митоз в клетках корешка лука
3.эндомитоз в мегакариоцитах красного костного мозга
4.эндомитоз в клетках печени
5.in situ хромогенная гибридизация онкогена erbb2 в раковых клетках молочной железы
6. in situ хромогенная гибридизация протоонкогена erbb2 в эпителиальных клетках молочной железы
5
Хронологическая карта занятия:
1.Организационная часть.
2.Тестовый контроль базового уровня знаний.
3.Объяснение практического задания.
4.Самостоятельная работа.
5.Проверка выполненных работ в альбомах.
6.Установка задания для подготовки к следующей теме.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Клеточный цикл
Существование клетки во времени характеризуется закономерными структурными и функциональными изменениям в клетке, последовательно происходящими в её жизненном клеточном цикле. Клеточный цикл продолжается от момента образования клетки в результате деления материнской клетки до собственного деления или до стадии терминальной дифференцировки, заканчивающейся апопотозом. Митоз (клеточное деление, М-фаза) — относительно короткая стадия клеточного цикла, её разделяет более длительная — интерфаза. В интерфазе последовательно различают периоды G1, S и G2 (рис. 3-1). Часть клеток многоклеточного организма находятся на разных стадиях клеточного цикла (интерфаза → митоз → интерфаза). Другие выходят из клеточного цикла и дифференцируются для выполнения специализированных функций. Жизнь дифференцированной клетки заканчивается апоптозом (запрограммированной смертью). Стволовые клетки также выходят из клеточного цикла, но вступают в длительный период покоя. При этом они сохраняют способность вернуться в клеточный цикл для восстановления утраченной популяции клеток за счёт активной пролиферации (размножения).
Интерфаза
В интерфазе последовательно различают периоды G1, S и G2 (рис. 3-1).
•Пресинтетическая G1 фаза (от англ. gap — щель, интервал) — период высокой метаболической активности и роста клетки между телофазой митоза и репликацией (удвоением) ДНК. В эту фазу клетка синтезирует РНК и белки, завершается формирование ядрышка Продолжительность фазы — от нескольких часов до нескольких дней. У быстро делящихся клеток (эмбриональных и опухолевых) эта фаза сокращена.
6
•Синтетическая S фаза (от англ. synthetic) — период синтеза и репликации ДНК; в хромосоме формируется вторая хроматида. Митохондриальная ДНК синтезируется незначительно, основная ее часть реплицицируется в постсинтетическом периоде интерфазы. В S фазу в клетке продолжается синтез белка, разделяются центриоли. В большинстве клеток S фаза длится 8–12 часов.
Рис. 3-1. Стадии клеточного цикла. В клеточном цикле различают сравнительно короткую М-фазу (митоз) и более длительный период — интерфазу. М-Фаза состоит из профазы, прометафазы, метафазы, анафазы и телофазы. Интерфаза складывается из фаз G1, S и G2. В безопасной точке рестрикции клетка может выйти из клеточного цикла и вступить в фазу G0. Под действием митогенов клетки из фазы G0 могут вернуться в цикл. Checkpoint 1 (точка рестрикции) и Сheckpoint 2 — сверочные точки. Циклины А, B, E, D — регуляторные субъединицы цик- лин-зависимых протеинкиназ (Cdk).
7
•Постсинтетическая G2 фаза. В этот период завершается удвоение суммарной клеточной массы, дочерние центриоли достигают размеров дефинитивных органелл.В этуже фазупродолжается синтез РНК и белка (например, синтез тубулина для микротрубочек митотического веретена), накапливается АТФ для энергетического обеспечения последующего митоза. Эта фаза длится 2–4 часа.
G0 фаза — период пролиферативного покоя. В конце фазы G1существует точка рестрикции (Сheckpoint 1) — безопасная точка клеточного цикла, в которой клетка может остановиться и выйти из цикла в фазу G0. В фазе G0 клетки начинают дифференцироваться, достигая терминальной (окончательной) дифференцировки (например, нейроны), или остаются в состоянии покоя (стволовые клетки). Стимулом для прохождения через точку рестрикции или возвращения клетки из фазы G0 в клеточный цикл является действие митогенов (например, факторов роста) — молекул, взаимодействующих со специфическими рецепторами в мембране клетки-мишени и инициирующих её пролиферацию.
Митоз
Способность к размножению является характерным свойством живой материи. Размножение клеток происходит путём деления. Основной формой деления соматических клеток является митоз. Благодаря самоудвоению генетического материала и формированию хромосом происходит равномерное распределение наследственного материала между дочерними клетками, которые являются генетическими копиями материнской клетки. Таким образом обеспечивается преемственность передачи наследственного материала в ряду клеточных поколений и образование клеток, равноценных по объемуи содержанию наследственной информации. Митотический (пролиферативный) цикл, или митоз, обеспечивает не только обновление данной клеточной популяции, но и существование её во времени. Дочерние клетки после митоза могут тут же вступить в следующий митотический цикл или выйти из клеточного цикла для дифференцировки и выполнения специфических функций.
Репликация ДНК
Клетки перед каждым делением воспроизводят (реплицируют) ДНК: дочерние молекулы ДНК воспроизводятся при помощи ДНК-полиме- разы одновременно в нескольких точках начала репликации (репликон), обеспечивающих быстрое удвоение каждой нити ДНК (рис. 3-2). Каждая хромосома эукариотической клетки — полирепликон.
8
Рис. 3-2. Репликация ДНК. Пояснение к рисунку в тексте.
•Точка инициации репликации (ori) — определённая последовательность ДНК из 300 нуклеотидов, содержащая множественные короткие повторы. Ориджин-связывающие белки взаимодействуют с этими повторами и обеспечивают сборку ферментов репликации ДНК. Многочисленные А-Т участки в точке инициации облегчают расплетание молекулы ДНК.
•ДНК-топоизомераза и ДНК-геликаза распознают точку начала репликации и разъединяет спираль ДНК, образуя репликационные V- образные вилки.
•ДНК-полимераза катализирует полимеризацию нуклеотидов в направлении 5’→3’, т.е. присоединяет дезоксирибонуклеотидтрифосфат к 3’-ОН-концу цепи ДНК. Родительские цепи ДНК антипараллельны, поэтому одна из дочерних цепей (лидирующая) растёт в направлении 5’→3’, опережая рост второй дочерней цепи (отстаю-
9
щей) в обратном направлении. ДНК-полимераза d катализирует репликацию ДНК лидирующей цепи. Репликация отстающей цепи начинается с синтеза РНК-затравки (праймера) с помощью праймазы (СЕ ДНК-полимеразы a). Далее ДНК-полимераза a, используя 3’-ОН- конец РНК-затравки, синтезирует на матрице отстающей цепи короткий фрагмент ДНК (фрагмент Оказаки). Участки фрагментов Оказаки, занятые РНК-затравками, удаляются, а на их месте достраивается ДНК с помощью ДНК-полимераз β и ε. ДНК-лигаза завершает сшивку отдельных фрагментов Оказаки.
Структура хромосом
Хромосомы видны при митозе или мейозе, когда полностью конденсированный хроматин образует Х-образные структуры. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, содержащих по одной двуцепочечной молекуле ДНК. Совокупность хромосом называют хромосомным набором. В G1 фазу набор хромосом в соматических клетках ѕ 2n (диплоидный), количество ДНК ѕ 2c (в каждой хромосоме по одной молекуле ДНК) = 2n2c. В метафазных хромосомах соматических клеток количество хромосом ѕ 2n(диплоидный набор), содержание ДНК удвоено, в каждой хромосоме по две молекулы ДНК (4с) = 2n4c.
•Центромера ѕ специализированная последовательность нуклеотидов в области первичной перетяжки хромосомы. Кинетохор (белковый комплекс, включающий ассоциированные с микротрубочками белки) прикрепляется к центромеру, обеспечивая связь микротрубочек кинетохора (от 20 до 40) с хромосомами в митозе.
•Теломера ѕ локализованная на концах хромосом теломерная ДНК, представленная многочисленными короткими повторами (GGGTTA) длиной от 2 до 20 тыс. пар оснований. Повторяющиеся последовательности теломерной ДНК формируют петли на концах хромосом, таким образом предохраняя концы хромосом от разрушения. Теломерная ДНК, несмотря на то, что в ней отсутствуют гены, играет важную роль в пролиферации клеток. Теломера предотвращает деградацию и слияние хромосом в митозе. В линейных ДНК для полной репликации концов их молекул используется РНК-содержащий фермент теломераза, отвечающая за репликацию концевой ДНК, поскольку ДНК-полимеразы неспособны обеспечить полную репликацию ДНК.
•Теломераза ѕ РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза). В состав этого фермента входит РНК, используемая в качестве матрицы для синтеза теломерной ДНК.
10
•Бессмертие клеток и старение. Высокая теломеразная активность выявлена в стволовых и в т.ч. половых клетках. Хромосомы этих клеток имеют теломеры, состоящие из наибольшего числа ДНК-по- второв и содержащие все необходимые белки для нормальной пролиферации. Напротив, в клетках, вступивших в дифференцировку, активность теломеразы падает, а теломерная ДНК укорачивается. В таких клетках с каждым новым клеточным делением снижается экспрессия гена, кодирующего каталитическую СЕ теломеразы. Укорочение хромосом заканчивается гибелью клетки, что может быть одной из причин старения организма.
Митотическое веретено
Центросома (центр организации микротрубочек) играет важную роль в клеточном делении и в частности в образовании митотического веретена (рис. 3-3). В центросоме центриоли расположены под прямым углом друг к другу. В ходе фазы S клеточного цикла центриоли дуплицируются. При этом образовавшиеся дочерние центриоли располагаются перпендикулярно по отношению к материнским. В митозе пары центриолей, каждая из которых состоит из первоначальной и вновь образованной, расходятся к полюсам клетки и участвуют в образовании митотического веретена.
Цитостатики
Ряд агентов (цитостатики, или статмокинетики) нарушает сборкуили распад микротрубочек, что блокирует митоз и внутриклеточный транспорт. Это свойство цитостатиков широко используют в клинике (преимущественно в онкологии) при химиотерапии некоторых опухолей для блокады пролиферации трансформированных клеток.
•Колхицин связывается с субъединицами тубулина и препятствует их присоединению к (+)-концу микротрубочек, блокируя их рост. При этом продолжающаяся деполимеризация микротрубочек с (–)-конца приводит к полной разборке всех микротрубочек. Колхицин действует в М-фазе клеточного цикла, препятствуя образованию митотического веретена и как следствие этого делению клеток.
•АлкалоидыVincarosea.Винбластин и винкристин имеюттот же эффект, что и колхицин. Они специфически действуют на клетки в М-фазе.
•Таксол выделен из коры тиса. В отличие от алкалоидов Vincarosea и колхицина, подавляющих сборку микротрубочек, таксол, связываясь с микротрубочками, препятствуют их деполимеризации, что приводит к образованию стабильных микротрубочек. В митозе появление