Клеточная теория, описание растительной клетки

Гетерофагия участвует также в обновлении и перестройке нерастворимых внеклеточных структур. Так, кости содержат клетки, названные остеокластами, которые заняты тем, что прорывают туннели через костный матрикс. С этой целью они секретируют кислые и лизосомальные ферменты в слепой конец туннеля; таким образом они растворяют кристаллы составляющие основную часть минералов кости, и демонтируют каркас из коллагеновых волокон, формирующий органический матрикс ткани. Весь этот процесс завершается фагоцитозом и внутриклеточным перевариванием обломков. Восстановление разрушенной ткани происходит при помощи клеток-строителей, названных остеобластами , которые создают новые костные элементы, или трабекулы .

69. Аутофагия

Процесс переваривания внутриклеточного материала называется аутофагией. Аутофагия обеспечивает постоянное обновление клеточных структур благодаря перевариванию митохондрий, полисом, фрагментов мембран. Частным случаем аутофагии является кринофагия - лизосомальное разрушение избытка невыведенного секрета.

70. Кринофагия

Частным случаем аутофагии является крино-фагия- лизосомальное разрушение избытка невыведенного секрета в железистых клетках.

71. Происхождение лизосом

Лизосомы не представляют собой в клетках самостоятельных структур, они образуются за счет активности эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи и в этом отношении напоминают секреторные вакуоли и что основная их роль заключается в участии в процессах внутриклеточного расщепления как экзогенных, так и эндогенных биологических макромолекул.

72. Митохондрии

Митохондрии, или хондриосомы, представляют собой гранулярные или нитевидные органеллы, присутствующие в цитоплазме простейших, растений и животных. Митохондрии можно наблюдать в живых клетках, так как они обладают достаточно высокой плотностью. В живых клетках митохондрии могут двигаться, перемещаться, сливаться друг с другом. Обычно митохондрии скапливаются вблизи тех участков цитоплазмы, где возникает потребность в АТФ, образующейся в митохондриях.

Функции митохондрий

1.Митохондрии осуществляют синтез АТФ, происходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорилирования АДФ. 2) участие в биосинтезе стероидов;3) участие в окислении жирных кислот.

73. История открытия

Митохондриальная ДНК была открыта Маргит Насс и Сильвен Насс в 1963 году в Стокгольмском университете при помощи электронной микроскопии и, независимо, ученымиЭллен Харлсбруннер, Хансом Туппи и Готтфридом Шацем при биохимическом анализе фракций митохондрий дрожжей в Венском университете в 1964 году.

74. Методы изучения митохондрий

Особенно хорошо митохондрии выявляются на препаратах, окрашенных различными способами после осмиевой фиксации, которая хорошо стабилизирует липиды. Наиболее широко распространен метод окраски по Альтману, который описал эти клеточные органеллы в конце позапрошлого века, называя их «биобластами». В последнее время стал широко применяться для изучения свойств митохондрий флуорохром родамин. Этот краситель обладает способностью люминесцировать в фиолетовом свете, если он связывается с мембранами активных митохондрий. При этом в люминесцентном микроскопе видна единая митохондриальнвя система - митохондриальный ретикулум .

75.Форма и кол-во

Митохондрии могут иметь эллиптическую, палочковидную или нитевидную форму. Их размеры составляют 0.2-2 мкм в ширину и до 10 мкм в длину. При специальных методах окраски митохондрии в световом микроскопе выглядят как короткие палочки, зерна или нити. Число митохондрий в разных клетках и их распределение в пределах клетки варьирует. Клетки содержат большое количество митохондрий - так, в клетке печени их около 800, - но всегда в числе, характерном для этого типа клетки. Много митохондрий встречается в клетках с активным метаболизмом, требующим высоких энергетических затрат: кардиомиоцитах, клетках почечных канальцев, париетальных клетках желез дна желудка. В цитоплазме митохондрии могут распределяться диффузно, но имеют тенденцию аккумулироваться в участках максимального потребления энергии, например в апикальной части реснитчатых клеток, в связующем отделе сперматозоидов, или вблизи ионных насосов

76.Ультраструктура митохондрий

Митохондрии независимо от их величины или формы имеют универсальное строение, их ультраструктура однообразна. Митохондрии ограничены двумя мембранами. Наружняя митохондриальная мембрана отделяет ее от гиалоплазмы. Обычно она имеет ровные контуры, не образует впячиваний или складок. Толщина этой мембраны около 7 нм, она не бывает связана ни с какими другими мембранами цитоплазмы и замкнута сама на себя, так что представляет собой мембранный мешок. Наружную мембрану от внутренней отделяет межмембранное пространство шириной около 10--20 нм. Внутренняя мембрана (толщиной около 7 нм) ограничивает собственно внутреннее содержимое митохондрии, ее матрикс. внутренняя митохондрий образует многочисленные впячивания - кристы.

Ориентация крист по отношению к длинной оси митохондрии различна для разных клеток. Так, может быть перпендикулярная ориентация (клетки печени, почек) крист; в некоторых клетках (сердечная мышца) наблюдается продольное расположение крист. Часто кристы могут ветвиться или образовывать пальцевидные отростки, изгибаться и не иметь выраженной ориентации. У простейших, одноклеточных водорослей, в некоторых клетках высших растений и животных выросты внутренней мембраны имеют вид трубок (трубчатые кристы). Матрикс митохондрий имеет тонкозернистое гомогенное строение, в нем иногда выявляются тонкие собранные в клубок нити (около 2--3 нм) и фанулы около 15--20 нм. Известно, что нити матрикса митохондрий представляют собой молекулы ДНК в составе митохондриального нуклеоида, а мелкие фанулы -- Митохондриальные рибосомы. Кроме того, в матриксе встречаются крупные (20-40 нм) плотные фанулы, это -- места отложения солей магния и кальция

77.Роль митохондрий в синтезе и накоплении АТФ

-извлечение энергии из пищевого субстрата и накопление ее в фосфотных связях АТФ. наличие внутренней разграничительной мембраны в митохондриях является необходимым условием для сопряжения окисления и фосфорилирования по электрохимическому принципу т.е. определяет самую сущность процесса сопряжения окисления и фосфорилирования.

78.Окислительное фосфорилирование у бактерий

У прокариотических клеток, способных к окислительному фосфорилированию, элементы цикла трикарбоновых кислот локализованы прямо в цитоплазме, а ферменты дыхательной цепи и фосфорилирования связаны с клеточной, плазматической мембраной. Вначале это было показано цитохимическими методами. Так, фермент сукцинатде-гидрогеназа связан с плазматической мембраной и с ее выпячиваниями, выступающими внутрь цитоплазмы, с так называемыми мезосо-мами (рис. 212). Необходимо отметить, что такие бактериальные мезосомы могут быть связаны не только с процессами аэробного дыхания, но у некоторых видов участвуют в делении клеток, в процессе распределения ДНК по новым клеткам, в образовании клеточной стенки и т. д. На плазматической мембране в мезосомах некоторых бактерий локализуются также факторы сопряжения окисления и синтеза АТФ. С помощью электронного микроскопа во фракциях плазматических мембран бактерий обнаружены сферические частицы, аналогичные тем, которые были найдены в митохондриях эукариотических клеток. Таким образом, у бактериальных клеток, способных к окислительному фосфорилированию, плазматическая мембрана выполняет роль, аналогичную внутренней мембране митохондрий эукариотических клеток.

79. Гипотезы синтеза АТФ (химическая, хемиосмотическая)

Процесс синтеза АТФ изучается уже более 30 лет, и сейчас еще нет четкого представления о механизме синтеза. В настоящее время рассматриваются 2 основные гипотезы синтеза АТФ: гипотеза химического сопряжения и хемиосмотическая гипотеза.

Гипотеза химического сопряжения. Согласно этой гипотезе, синтез АТФ сопряжен с переносом электронов при посредстве одного или нескольких высокоэнергетических промежуточных продуктов. Энергия, высвобождаемая при переносе электрона в окислительно-восстановительных реакциях дыхательной цепи, используется в нескольких ее звеньях для образования высокоэнергетической связи в одном из таких продуктов. Затем при фосфорилировании АДФ эта энергия переходит к высокоэнергетической связи АТФ. До сих пор, однако, обнаружить подобные промежуточные продукты не удалось, и до тех пор, пока их существование не подтвердится, эту гипотезу нельзя считать убедительной.

Хемиосмотическая гипотеза завоевала большее признание. Выдвинута Митчеллом в 1961 г. (Ноб премия) Он полагал, что синтез АТФ находится в тесной зависимости от того, каким образом электроны и протоны передаются по дыхательной цепи. Ниже перечислены условия, соблюдения которых требует эта гипотеза. 1. Внутренняя митохондриальная мембрана должна быть интактна (не вовлечена в какой-либо процесс) и непроницаема для протонов, направляющихся снаружи внутрь. 2. В результате активности дыхательной электрон-транспортной цепи протоны поступают в нее изнутри, из матрикса, а освобождаются на наружной стороне мембраны. 3. Движение протонов, направленное изнутри наружу, приводит к их накоплению, вследствие чего между двумя сторонами митохондриальной мембраны возникает градиент рН. Это может быть связано с тем, что ферменты, принимающие и отдающие протоны, расположены в мембране определенным образом и поэтому могут принимать протоны только изнутри и отдавать их только наружу. 4. Сам по себе градиент рН не мог бы поддерживаться, так как протоны диффундировали бы обратно в митохондрию. Поддержание такого градиента требует затраты энергии. Предполагается, что энергию поставляет перенос электронов по электронтранспортной дыхательной цепи. 5. Эта энергия используется затем для синтеза АТФ. Синтез АТФ, таким образом, поддерживается наличием градиента рН. 6. АТФ образуется в результате фосфорилирования АДФ: АДФ ФН=АТФ Н2O. По закону действующих масс удаление воды должно ускорять реакцию, идущую слева направо, т. е. благоприятствовать образованию АТФ. Согласно теории Митчелла, фермент, ответственный за образование воды при синтезе АТФ, ориентирован в мембране таким образом, что протоны освобождаются с внутренней стороны мембраны, где значение рН выше т.е. концентрация Н, меньше, а гидроксильные ионы ОН - с наружной стороны, где рН ниже т.е. концентрация Н больше. Таким образом, вода, образующаяся при синтезе АТФ, быстро удаляется, и это стимулирует синтез. Из гипотезы Митчелла ясно, почему мембрана должна быть интактной в моменты, ответственные за прохождение протонов и за образование воды, так что любое изменение структуры мембраны неминуемо сказалось бы также на расположении ферментов и на их структуре . Объяснимо и требование непроницаемости мембраны для протонов в направлении снаружи внутрь. В основе гипотезы лежит представление о трансмембранном градиенте рН, а такой градиент не мог бы поддерживаться, если бы мембрана была полностью проницаемой. Следует отметить также, что гипотеза обходится без каких бы то ни было промежуточных продуктов в процессе синтеза АТФ.

80. Происхождение митохондрий в онто- и филогенезе

В соответствии с теорией симбиогенеза, митохондрии появились в результате того, что примитивные прокариоты (ядерно-цитоплазматический компонент (ЯЦК)), которые не могли сами использовать кислород для генерирования энергии и что накладывало серьёзные ограничения на возможности развития, захватывали аэробные бактерии (прогеноты), которые могли это делать. В процессе развития таких отношений прогеноты передали множество своих генов сформировавшемуся, благодаря повысившейся энергоэффективности, ядру теперь уже эукариот. Таким образом, прежде митохондрии были аэробными бактериями (прокариотами), родственными риккетсиям, поселившимися некогда в предковой эукариотической клетке и «научившимися» жить в ней в качестве симбионтов. Теперь митохондрии имеются почти во всех эукариотических клетках, размножаться вне клетки они уже не способны. Вот почему современные митохондрии больше не являются самостоятельными организмами.

Хотя их ДНК содержит гены синтеза белка, многие ферменты и белки, необходимые для их функции, кодируются хромосомами, синтезируются в клетке и только потом транспортируются в органеллы. Первоначально эндосимбиотические предки митохондрий не могли ни импортировать белки, ни экспортировать АТФ. Вероятно, первоначально они получали от клетки-хозяина пируват, а выгода для хозяина состояла в обезвреживании аэробными симбионтами токсичного для цитоплазмы кислорода.

Доказательства: 1. внешняя мембрана сходна с мембранами вакуолей, внутренняя -- бактерий.

размножаются бинарным делением (причем делятся иногда независимо от деления клетки), никогда не синтезируются. 2. генетический материал -- кольцевая ДНК (по доле ГЦ ДНК митохондрий и пластид ближе к ДНК бактерий, чем к ядерной ДНК эукариот). 3. имеют рибосомы (способны синтезировать белок). 4. рибосомы прокариотического типа -- c константой седиментации 70S (как у прокариот), они мельче цитоплазматических и чувствительны к определенным антибиотикам (как и прокариотические).5. некоторые белки этих органелл похожи по своей первичной структуре на аналогичные белки бактерий и не похожи на соответствующие белки цитоплазмы.

Проблемы: 1. ДНК митохондрий и пластид, в отличие от ДНК большинства прокариот, содержат интроны (это часть гена, но не содержит информации о последовательности аминокислот белка). 2. В собственной ДНК митохондрий закодирована только часть их белков, а остальные закодированы в ДНК ядра клетки. В ходе эволюции происходило «перетекание» части генетического материала из генома митохондрий в ядерный геном. Этим объясняется тот факт, что митохондрии не могут больше размножаться независимо. 3. Неизвестно происхождение ядерно-цитоплазматического компонента (ЯЦК), захватившего прото-митохондрии. Прокариоты не способны к фагоцитозу, питаясь исключительно осмотрофно. Как произошло слияние организмов из двух доменов, не ясно.

81. Ядро

Ядро - важнейший компонент клетки эукариотической, содержащий ее генетический аппарат. В ядре происходит репликация -- удвоение молекул ДНК, а также транскрипция -- синтез молекул РНК на молекуле ДНК. В ядре же синтезированные молекулы РНК подвергаются ряду модификаций, после чего выходят в цитоплазму. Образование субъединиц рибосом также происходит в ядре в специальных образованиях - ядрышках. Основные функции ядра: 1. хранение генетической информации (в молекулах ДНК, находящихся в ее хромосомах). 2. реализация генетической информации, контролирующей разнообразные процессы в клетке - от синтетических до запланированной гибели (апоптоза). 3. воспроизведение и передача генетической информации (при делении клетки). Обычно в клетке бывает только 1 ядро, однако встречаются многоядерные клетки, которые образуются вследствие деления клеток, не сопровождающегося цитотомией, или слияния нескольких одноядерных клеток (симпласт). Форма ядра различных клеток неодинакова: встречаются клетки с округлым, овальным, бобовидным, палочковидным, многолопастным, сегментированным ядром, нередко на поверхности имеются вдавления.

82. Интерфазное ядро

Ядро - важнейший компонент клетки эукариотической, содержащий ее генетический аппарат. В ядре происходит репликация -- удвоение молекул ДНК, а также транскрипция -- синтез молекул РНК на молекуле ДНК. В ядре же синтезированные молекулы РНК подвергаются ряду модификаций, после чего выходят в цитоплазму. Образование субъединиц рибосом также происходит в ядре в специальных образованиях - ядрышках. Основные функции ядра: 1. хранение генетической информации (в молекулах ДНК, находящихся в ее хромосомах). 2. реализация генетической информации, контролирующей разнообразные процессы в клетке - от синтетических до запланированной гибели (апоптоза). 3. воспроизведение и передача генетической информации (при делении клетки). Обычно в клетке бывает только 1 ядро, однако встречаются многоядерные клетки, которые образуются вследствие деления клеток, не сопровождающегося цитотомией, или слияния нескольких одноядерных клеток (симпласт). Форма ядра различных клеток неодинакова: встречаются клетки с округлым, овальным, бобовидным, палочковидным, многолопастным, сегментированным ядром, нередко на поверхности имеются вдавления. Чаще всего форма ядра соответствуем 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 быть в центре клетки (в клетках округлой, плоской, кубической или вытянутой форм), у ее базального полюса (у призматической формы) или на периферии (в жировых клетках). Величина ядра относительно постоянна для каждого типа клеток, однако она может меняться в определенных пределах, увеличиваясь при усилении функциональной активности клетки и уменьшаясь при ее угнетении. Для интерфазного ядра характерно равенство: V ядра/Vцитоплазмы=const. Компоненты ядра: в ядре интерфазной (неделящейся) клетки выявляются кариолемма (ядерная оболочка), хроматин, ядрышко, кариоплазма (ядерный сок). Хроматин и ядрышко представляют собой не самостоятельные компоненты ядра, а являются морфологическим отражением хромосом, присутствующих в интерфазном ядре, но не выявляемых в качестве отдельных образований. Ядрышко - производное участка ДНК, его функция - синтез субъединиц рибосом. Хроматин представляет собой вещество, хорошо воспринимающее краситель (хромос), откуда и произошло его название. Хроматин состоит из хроматиновых фибрилл, которые могут располагаться в ядре рыхло или компактно. На этом основании различают два вида хроматина: эухроматин - рыхлый или деконденсированный хроматин, слабо окрашивается основными красителями; гетерохроматин - компактный или конденсированный хроматин, хорошо окрашивается этими же красителями. При подготовке клетки к делению (интерфаза) в ядре происходит спирализация хроматиновых фибрилл и превращение хроматина в хромосомы. После деления в ядрах дочерних клеток происходит деспирализация хроматиновых фибрилл и хромосомы снова преобразуются в хроматин. Следовательно, хроматин и хромосомы представляют собой различные фазы одного и того же вещества.

83. Ядерная оболочка

От цитоплазмы ядро отделено ядерной оболочкой (кариолеммой), образованной за счёт расширения и слияния друг с другом цистерн эндоплазматической сети таким образом, что у ядра образовались двойные стенки за счёт окружающих его узких компартментов. Таким образом, наружная мембрана составляет единое целое с мембранами гранулярной ЭПС - на ее поверхности имеются рибосомы, а перинуклеарное пространство соответствует полости цистерн гранулярной ЭПС и может содержать синтезированный материал. Полость ядерной оболочки называется люменом или перинуклеарным пространством. Внутренняя мембрана гладкая, ее интегральные белки связаны с ядерной пластинкой (ламиной) слоем, состоящим из переплетенных промежуточных филаментов (ламинов), образующих кариоскелет. Ламина - жёсткая белковая сеть, образованная белками-ламининами, к которой прикреплены нити хромосомной ДНК. Ламина играет очень важную роль в поддержании формы ядра, упорядоченной укладке хроматина, структурной организации поровых комплексов и формировании кариолеммы при делении клеток. В некоторых местах внутренняя и внешняя мембраны ядерной оболочки сливаются и образуют ядерные поры, через которые происходит материальный обмен между ядром и цитоплазмой. Пора не является дыркой в ядре, а имеет сложную структуру, организованную несколькими десятками специализированных белков -- нуклеопоринов.

84. Строение порового комплекса

В некоторых местах внутренняя и внешняя мембраны ядерной оболочки сливаются и образуют ядерные поры, через которые происходит материальный обмен между ядром и цитоплазмой. Ядерные поры занимают 3-35% поверхности ядерной оболочки. Они более многочисленны в ядрах интенсивно функционирующих клеток и отсутствуют в ядрах спермиев. Количество их зависит от интенсивности деления: чем клетка малдше, тем пор больше. Пора не является дыркой в ядре, а имеет сложную структуру: содержит 2 параллельных кольца (по одному с каждой поверхности кариолеммы), которые образованы 8 белковыми гранулами. От этих гранул к центру сходятся фибриллы, формирующие перегородку (диафрагму), в середине которой лежит центральная гранула. Совокупность структур, связанных с ядерной порой, называется комплексом ядерной поры. Это восьмиугольный цилиндр, состоящий из белков. Белки поровых комплексов структурно связаны с белками ядерной ламины, которая участвует в их организации. Он образует водный канал, по которому по градиенту концентрации свободно диффундируют молекулы воды, растворенные в ней газы и низкомолекулярные вещества, ионы. В результате содержимое ядра отличается от содержимого цитоплазмы по составу высокомолекулярных органических веществ, а по составу низкомолекулярных не отличается. Транспорт макромолекул происходит активно. На внутренней и наружной мембранах комплекса имеются рецепторы, обеспечивающие избирательный транспорт из ядра РНК, субъединиц рибосом (слишком велики для свободного прохождения пор - их транспорт, вероятно, сопровождается изменением конформации порового комплекса), а в ядро избирательно транспортируются синтезированные белки-гистоны и белки ламин, ферменты. Также комплекс ядерной поры обеспечивает регуляцию транспорта веществ между цитоплазмой и ядром.

85. Ядерно-цитоплазматический транспорт

Ядерно-цитоплазматический транспорт - материальный обмен между ядром и цитоплазмой клетки. Его можно разделить на две категории: активный транспорт, требующий затрат энергии, а также специальных белков-рецепторов, и пассивный транспорт, протекающий путем простой диффузии молекул через канал ядерной поры. Пассивный транспорт. Молекулы небольших размеров (молекулы воды, водорастворимые газы, ионы, низкомолекулярные вещества) способны пассивно диффундировать в ядро. Пропускная способность ядерных пор для пассивной диффузии может изменяться в зависимости от типа клетки и стадии клеточного цикла. Активный транспорт. Путём активного транспорта через ядерные поры могут проходить гораздо более крупные молекулы и целые надмолекулярные комплексы. На внутренней и наружной мембранах находятся специальные белки-рецепторы, обеспечивающие избирательный транспорт макромолекл. Так, рибосомные субъединицы транспортируются из ядра в цитоплазму через ядерные поры, и нет никаких оснований предполагать, что процесс транспорта сопровождается частичной разборкой этих субчастиц. Они слишком велики для свободного прохождения пор - их транспорт, вероятно, сопровождается изменением конформации порового комплекса. Системы активного транспорта обеспечивают весь макромолекулярный обмен между ядром и цитоплазмой. Молекулы РНК, синтезируемые в ядре, поступают через поры в цитоплазму, а в ядро попадают белки, участвующие в ядерном метаболизме. Причем одни белки должны поступать в ядро просто (гистоны), а другие в ответ на определенные стимулы. У ядерных белков идентифицированы специальные сигнальные последовательности, отвечающие за их локализацию. Самая распространенная из них, так называемый «классический» сигнал ядерной локализации -- NLS. Транслокация белков в ядро, в отличие от транслокации в митохондрии и эндоплазматический ретикулум, не сопровождается отщеплением этой сигнальной последовательности и разворачиванием полипептидной цепи. NLS-содержащие белки переносятся в ядро в комплексе со специальными белками -- транспортинами. Каждый транспортин для осуществления своей функции должен обладать тремя активностями: во-первых, он должен узнавать и связывать транспортируемый субстрат, во-вторых, заякориваться на ядерной поре, и в-третьих, связывать небольшой белок, служащий для сопряжения транспорта с гидролизом ГТФ, что снабжает процесс энергией.

86. Ядерная ламина; структура и функции

Ядерная ламина (ядерная пластинка) -- жесткая фибриллярная белковая сеть, образованная белками-ламининами (промежуточными филаментами), подстилает ядерную мембрану, поддерживая ее. Она представляет собой фиброзный слой ядерной оболочки с поровыми комплексами. Связана с интегральными белками слоем, состоящим из переплетенных промежуточных филаментов (ламинов), образующих кариоскелет. К ламине прикреплены нити хромосомной ДНК, т.е. участвует в организации хроматина. Белки поровых комплексов структурно связаны с белками ядерной ламины, которая участвует в их организации. Таким образом, ламина играет очень важную роль в поддержании формы ядра, упорядоченной укладке хроматина, структурной организации поровых комплексов и формировании кариолеммы при делении клеток (дезинтеграция ядерной оболочки в профазе и интеграция в телофазе).

87. Хроматин

Хроматин - мелкие зернышки и глыбки, который обнаруживается в ядре клеток и хорошо воспринимает краситель (хромос), откуда и произошло его название. В химическом плане хроматин состоит из комплекса ДНК и белка (туда также входит РНК) и соответствует хромосомам, которые в интерфазном ядре представлены тонкими нитями и неразличимы как индивидуальные структуры. Хроматин - вещество хромосом. Хроматин состоит из хроматиновых фибрилл, которые могут располагаться в ядре рыхло или компактно. На этом основании различают два вида хроматина: эухроматин - рыхлый или деконденсированный (деспирализованный) хроматин, слабо окрашивается основными красителями и не виден в световой микроскоп, он доступен для транскрипции; гетерохроматин - компактный или конденсированный (спирализованный) хроматин, хорошо окрашивается этими же красителями и виден в световой микроскоп. При подготовке клетки к делению (интерфаза) в ядре происходит спирализация хроматиновых фибрилл и превращение хроматина в хромосомы. После деления в ядрах дочерних клеток происходит деспирализация хроматиновых фибрилл и хромосомы снова преобразуются в хроматин. Следовательно, хроматин и хромосомы представляют собой различные фазы одного и того же вещества. Таким образом, по морфологическим признакам ядра (по соотношению содержания эу- и гетерохроматина) можно оценить активномть процессов транскрипции (синтетическую функцию клетки).При ее повышении это соотношение изменяется в пользу эухроматина, и наоборот. При полном подавлении функции ядра (например, в поврежденных и гибнущих клетках, при ороговении эпителия) оно уменьшается в размерах, содержит только гетерохроматин и окрашивается основными красителями интенсивно и равномерно. Это явление - кариопикноз. Распределение гетерохроматина и соотношение содержания эу- и гетерохроматина характерны для клеток каждого типа, что позволяет осуществлять их идентификацию. Вместе с тем имеются общие закономерности распределения гетерохроматина в ядре: его скопления располагаются под кариолеммой, прерываясь в области пор (что обусловлено его связью с ламиной) и вокруг ядрышка. Более мелкие глыбки разбросаны по всему ядру. Тельце Бара - скопление гетерохроматина, соответствующее одной Х-хромосоме у особей женского пола, которая в интерфазе скручена и неактивна. В большинстве клеток оно лежит у кариолеммы, а в гранулоцитах крови имеет вид маленькой добавочной дольки ядра («барабанной палочки»). Выявление тельца Бара (обычно в эпителиальных клетках слизистой оболочки полости рта) используется как диагностический тест для определения генетического пола.

88. Диффузный и конденсированный хроматин (эу- и гетерохроматин)

Хроматин - мелкие зернышки и глыбки, который обнаруживается в ядре клеток и хорошо воспринимает краситель (хромос), откуда и произошло его название. В химическом плане хроматин состоит из комплекса ДНК, РНК и белка, где ДНК находится в разной степени конденчации, и соответствует хромосомам, которые в интерфазном ядре представлены тонкими нитями и неразличимы как индивидуальные структуры. Хроматин - вещество хромосом. Хроматин состоит из хроматиновых фибрилл, которые могут располагаться в ядре рыхло или компактно. На этом основании различают два вида хроматина: эухроматин - рыхлый или деконденсированный (деспирализованный) хроматин, слабо окрашивается основными красителями и не виден в световой микроскоп, он доступен для транскрипции; гетерохроматин - компактный или конденсированный (спирализованный) хроматин, хорошо окрашивается этими же красителями и виден в световой микроскоп. При подготовке клетки к делению (интерфаза) в ядре происходит спирализация хроматиновых фибрилл и превращение хроматина в хромосомы. После деления в ядрах дочерних клеток происходит деспирализация хроматиновых фибрилл и хромосомы снова преобразуются в хроматин. Следовательно, хроматин и хромосомы представляют собой различные фазы одного и того же вещества. Таким образом, по морфологическим признакам ядра (по соотношению содержания эу- и гетерохроматина) можно оценить активномть процессов транскрипции (синтетическую функцию клетки).При ее повышении это соотношение изменяется в пользу эухроматина, и наоборот. При полном подавлении функции ядра (например, в поврежденных и гибнущих клетках, при ороговении эпителия) оно уменьшается в размерах, содержит только гетерохроматин и окрашивается основными красителями интенсивно и равномерно. Это явление - кариопикноз. Распределение гетерохроматина и соотношение содержания эу- и гетерохроматина характерны для клеток каждого типа, что позволяет осуществлять их идентификацию. Вместе с тем имеются общие закономерности распределения гетерохроматина в ядре: его скопления располагаются под кариолеммой, прерываясь в области пор (что обусловлено его связью с ламиной) и вокруг ядрышка (перинуклеарно). Более мелкие глыбки разбросаны по всему ядру. Тельце Бара - скопление гетерохроматина, соответствующее одной Х-хромосоме у особей женского пола, которая в интерфазе скручена и неактивна. В большинстве клеток оно лежит у кариолеммы, а в гранулоцитах крови имеет вид маленькой добавочной дольки ядра («барабанной палочки»). Выявление тельца Бара (обычно в эпителиальных клетках слизистой оболочки полости рта) используется как диагностический тест для определения генетического пола.

89. Функциональное значение

Функция хранения генетической информации в ядре в неизменном виде имеет исключительно важное значение для нормальной жизнедеятельности клетки и всего организма. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК. При репликации ДНК и в результате ее повреждений внешними факторами в каждой клетке человека ежегодно происходят изменения 6 нуклеотидов. Возникшие повреждения молекул ДНК могут исправляться в процессе репарации или путем замещения после распознавания соответствующего участка. В случае невозможности репарации ДНК при слишком значительных повреждениях включается механизм запрограммированной гибели клетки (апоптоз). В этой ситуации поведение клетки можно расценить как альтруистическое самоубийство: ценой своей гибели она спасает организм от возможных негативных последствий репликации и амплификации (образования дополнительных копий участков ДНК) поврежденного генетического материала. Способность к репарации ДНК у взрослого человека снижается с каждым годом. Это снижение может отчасти объяснить, почему старение является фактлором риска развития злокачественных заболеваний. Нарушение процессов репарации ДНК характерно для ряда наследственных болезней, при которых резко повышены чувствительность к повреждающим факторам и частота развития злокачественных болезней.

90. Молекулярная организация хроматина

Хроматин состоит из ДНК, РНК, гистоновых и в меньшей степени негистоновых белков. В качестве функциональных элементов хроматина выступают ДНК-белковые (нуклеосома) и белок-белковые комплексы, каждый из таких комплексов способен к самосборке в ответ на специфический регуляторный сигнал. Нуклеосома -- это структурная часть хромосомы, образованная совместной упаковкой нити ДНК с гистоновыми белками , , и . Нуклеосомное ядро представлено гистонным октамером. ДНК опоясывает гистонный октамер. Последовательность нуклеосом, соединенная гистоновым белком , формирует нуклеофиламент (нуклеосомную нить). Участок ДНК между нуклеосомами называется линкерной ДНК. В геноме присутствуют: участки, свободные от нуклеосом (места связывания регуляторных белков); участки, где положение нуклеосомы строго фиксировано; участки, в которых нуклеосомная укладка подвержена регуляции белками. Одной из интересных особенностей структурно-функциональных комплексов хроматина является тот факт, что помимо специализированных элементов, присущих каждому комплексу, в их составе очень часто встречаются одни и те же универсальные белковые молекулы, функциональное назначение которых зависит не от их аминокислотной последовательности, а от типа конечного комплекса.

91. Гистоновые и негистоновые белки: их роль в компактизации ДНК

Гистоны -- основной класс нуклеопротеинов, ядерных белков, необходимых для сборки и упаковки нитей ДНК в хромосомы. Основные гистоновые белки:, , , иГистоны синтезируются на полисомах(полирибосомах) в цитоплазме, этот синтез начинается несколько раньше редупликации ДНК. Синтезированные гистоны мигрируют из цитоплазмы в ядро, где и связываются с участками ДНК. Гистоновые белки интересны со многих точек зрения. Благодаря высокому содержанию лизина и аргинина они проявляют основные свойства. Кроме того, последовательность аминокислот гистонов, то есть их первичная структура, мало изменилась в процессе эволюции. Так, человека и пшеницы отличаются лишь несколькими аминокислотами. Роль гистонов -обеспечение специфической укладки хромосомной ДНК и регуляция транскрипции.Гистоны в октамере имеют подвижный N-концевой фрагмент («хвост») из 20 аминокислот, который выступает из нуклеосом и важен для поддержания структуры хроматина и контроля за генной экспрессией. Так, например, конденсация хромосом связана с фосфорилированием гистонов, а усиление транскрипции -- с ацетилированием в них остатков лизина. Детали механизма регуляции до конца не выяснены.

Негистоновые белки - наиболее плохо охарактеризованная фракция хроматина. Кроме ферментов, непосредственно связанных с хроматином (ферменты, ответственные за репарацию, редупликацию, транскрипцию ДНК), в эту фракцию входит множество других белков. Сюда входят специфические белки - регуляторы, узнающие определенные нуклеотидные последовательности в ДНК.

92. Уровни структурной организации хромосом

Предложена Ченцовым. Выделяют 5 уровней:

Хромосома неудобна для микроскопии: в электронной она огромная, в световой - маленькая. Здесь используется конфокальная микроскопия, предназначенная для толстых срезов, отражающая пространственную структуру. Наиболее изучен нуклеосомный уровень.

Нуклеосомный. Нуклеосома -- это структурная часть хромосомы, образованная совместной упаковкой нити ДНК с гистоновыми белками , , и . Они образуют напоминающие по форме шайбу белковые тела -- коры, состоящие из восьми молекул (по две молекулы каждого вида гистонов) - гистонный октамер. Хроматин на этой стадии имеет вид «бусин», нанизанных на «нить» (ДНК), формирует нуклеофиламент (нуклеосомную нить). Участок ДНК между нуклеосомами называется линкерной ДНК, линкерные ДНК играют важную роль в дальнейшей упаковке хроматина, так как содержат нуклеотидные последовательности, специфически узнаваемые различными негистоновыми белками. Молекула ДНК комплектируется с белковыми корами, спирально накручиваясь на них. Благодаря нуклеосомной организации в основе структуры хроматина лежит нить, представляющая собой цепочку повторяющихся единиц -- нуклеосом. В результате нуклеосомной организации хроматина диаметр двойной спирали ДНК в 2 нм увеличивается до 10 нм. Нуклеомерный. Дальнейшая компактизация нуклеосомной нити обеспечивается гистоном , который, соединяясь с линкерной ДНК и двумя соседними белковыми телами, сближает их друг с другом и сворачивает нуклеосомную фибриллу в спираль наподобие соленоида, формируя толстую нить сверхбусинок, толщина нити=30нм. Нуклеомер - глобула, образованная нуклеосомами. Хромомерный. Наиболее сложный. Спираль складывается, образуя петли различной длины, соединенные негистоновыми белками. Петли образуют розетковидные структуры. Диаметр такой структуры составляет 300 нм. Наиболее типична для интерфазной хромосомы. Хромонемный. 300 нм-фибриллы дополнительно сворачиваются, происходит сближение петель с образованием петлевых доменов. Диаметр такой структуры - 700 нм. Хроматида. Происходит спиральная укладка хромонемных нитей. Диаметр - 1400 нм.

93. Ядрышко

В ядре - от 1 до 8.Наиболее плотная структура ядра, это не самостоятельная структура, это производное участка ДНК. Образованы специальными участками (петлями, или зонами вторичной перетяжки) хромосом, так называемыми ядрышковыми организаторами, содержащими гены, кодирующие рРНК. Вокруг этих участков и формируются ядрышки. В ядрышке происходит синтез рРНК, ее созревание, сборка рибосомных субчастиц. Имеют различные размеры, форму, плотность и область распределения в зависимости от функциональной активности клетки. Не имеют собственной мембранной оболочки, хорошо различимы под световым и электронным микроскопом. Самая высокая концентрация белка в клетке наблюдается именно в ядрышке. Ядрышко исчезает в профазе митоза, когда ядрышковые организаторы "растаскиваются" в ходе конденсации соответствующих хромосом, вновь формируясь в телофазе. Под электронным микроскопом в ядрышке выделяют несколько компонентов. Плотный фибриллярный компонент -образована участками слабоспирализованной ДНК, РНК и белками, тут происходит транскрипция рРНК.Снаружи от плотного фибриллярного компонента расположен гранулярный компонент - скопление созревающих рибосомных субчастиц.

94. Число ядрышек и их хромосомное происхождение

Общее число ядрышек на ядро определяется числом ядрышковых организаторов (специальных участков хромосом, содержащих гены рРНК, такие хромосомы, как правило, имеют вторичные перетяжки, зоны которых представляют собой места, где идет развитие ядрышек) и увеличивается согласно плоидности ядра. Однако часто количество ядрышек на ядро бывает меньше числа ядрышковых организаторов. Было показано, что ядрышки могут сливаться; кроме того, в образовании одного ядрышка иногда участвует несколько организаторов.Еще в работах М.С.Навашина (1934) было показано, что хромосомный локус, который в нормальных условиях образует крупное ядрышко , становится неактивным, когда после гибридизации в ядре появляется более “сильный” локус на другой хромосоме. Тот факт, что в определенных условиях может подавляться активность одних ядрышковых организаторов или же повышаться активность других, бывших до этого в латентном, скрытом состоянии, указывает на то, что в клетках поддерживается определенный баланс количества ядрышкового материала или, другими словами, регулируется “валовая” продукция, выдаваемая ядрышками.

Исходя из перечисленных выше фактов, можно сделать следующие заключения:

- образования ядрышек и их число связаны с числом и активностью ядрышковых организаторов;

- изменения в числе ядрышек в клетках данного типа могут происходить за счет слияния ядрышек или за счет сдвигов в хромосомном балансе клетки.

95. Ультраструктура ядрышка

С помощью электронной микроскопии в ядрышке выделяют несколько компонентов:

1. Фибриллярный компонент - тонкофибриллярная структура, образованная учатками слабоспирализованной ДНК, считывающимися с нее молекулы РНК и белками.Занимает центральные области ядрышка. Тут происходит транскрипция рРНК. Этот хроматин и внутриядрышковая сеть ДНК являются единой системой и представляют собой интегральный компонент ядрышка.

2. Гранулярный (зернистый) компонент - это образующиеся субъединицы рибосом, располагается на периферии ядрышка, расположен снаружи от фибриллярного компонента.

3. Зона ядрышкового организатора - петли ДНК, или зона вторичной перетяжки в период митоза. Вокруг него в интерфазу образуется ядрышко.

4. Зона неактивной ДНК - в сильноспирализованном состоянии вокруг ядрышка (околоядрышковый гетерохроматин).

96. Функции ядрышка

Функции ядрышка заключаются в синтезе рРНК и ее сборке в предшественники рибосомальных субъединиц. При транскрипции генов ядрышковых организаторов начально формируется очень крупная молекула предшественника рРНК, которая связывается с белками, синтезированными в цитоплазме и импортированными в ядро, с образованием РНП. Далее предшественник расщепляется на 3 вида РНК, которые выявляются в рибосомах. Два из них соединяются с добавочными белковыми молекулами, образуя предшественники большой субъединицы рибосомы, третий формирует предшественник малой субъединицы. Предшественники рибосомальных субъединиц далее по отдельности транспортируются через ядерные поры в цитоплазму, где окончательно созревают.

97. Жизненный цикл клетки (клеточный цикл)

- это время существования клетки от деления до следующего деления, или от деления до смерти. Для разных типов клеток клеточный цикл различен.

Митотический цикл -существование клетки от деления до следующего деления.

98. Пресинтетическая, синтетическая и постсинтетическая фазы

Интерфаза - это период между двумя клеточными делениями. В интерфазе ядро компактное, не имеет выраженной структуры, хорошо видны ядрышки. Совокупность интерфазных хромосом представляет собой хроматин. Хромосомы в интерфазе не видны, поэтому их изучение ведется электронно-микроскопическими и биохимическими методами. Интерфаза включает три стадии: пресинтетическую (G₁), синтетическую (S) и постсинтетическую (G₂). G1-фаза -- самый длительный период (от 10 ч до нескольких суток). Заключается в подготовке клеток к удвоению хромосом. Сопровождается синтезом белков, РНК, увеличивается количество рибосом, митохондрий. В этой фазе происходит рост клетки. S-фаза (6--10 ч) - происходит самоудвоение, или репликация ДНК. При этом одни участки хромосом удваиваются раньше, а другие - позже, то есть репликация ДНК протекает асинхронно. Параллельно происходит удвоение центриолей (если они имеются). G2-фаза (3--6 ч) -- сопровождается конденсацией хромосом. В течение указанной фазы синтезируются белки микротрубочек, формирующих веретено деления.

99. Митоз

- непрямое деление соматических клеток эукариотов. Идёт глубокая перестройка структуры клеток. Митоз приводит к образованию двух полноценных клеток с диплоидным набором хромосом и равномерно распределенном клеточным материалом. Клеточный цикл может совпадать или не совпадать с митотическим. Если клеточный цикл совпадает с митотическим, то он состоит из митоза и интерфазы.

100. Стадии митоза, их продолжительность и характеристика. Профаза, метафаза, анафаза, телофаза

РАННЯЯ ПРОФАЗА: спирализация ДНК, ядерная оболочка ещё присутствует. Разрушается цитоскелет, центриоли отходят к полюсам. ПОЗДНЯЯ ПРОФАЗА: дезинтеграция ядерной оболочки, формирование веретена деления ха счёт ядерной ламины.

ПРОМЕТАФАЗА: «танец хромосом». Хромосомы располагаются в цитоплазме довольно беспорядочно. Формируется митотический аппарат, в состав которого входит веретено деления и центриоли. Веретено деления (ахроматиновое веретено) - это система тубулиновых микротрубочек в делящейся клетке, обеспечивающая расхождение хромосом. В состав веретена деления входят два типа нитей: полюсные (опорные) и хромосомальные (тянущие). После формирования митотического аппарата хромосомы начинают перемещаться в экваториальную плоскость клетки; это движение хромосом называется метакинез.

В МЕТАФАЗЕ хромосомы максимально спирализованы. Центромеры хромосом располагаются в экваториальной плоскости клетки независимо друг от друга. Полюсные нити веретена деления тянутся от полюсов клетки к хромосомам, а хромосомальные - от центромер (кинетохоров) - к полюсам. Совокупность хромосом в экваториальной плоскости клетки образует метафазную пластинку.

АНАФАЗА. Происходит разделение хромосом на хроматиды. С этого момента каждая хроматида становится самостоятельной однохроматидной хромосомой, в основе которой лежит одна молекула ДНК. Однохроматидные хромосомы в составе анафазных групп расходятся к полюсам клетки. При расхождении хромосом хромосомальные микротрубочки укорачиваются, а полюсные - удлиняются. При этом полюсные и хромосомальные нити скользят вдоль друг друга.

ТЕЛОФАЗА начинается с остановки хромосом (ранняя телофаза, поздняя анафаза) и кончается началом реконструкции нового интерфазного ядра (ранний G1-период) и разделением исходной клетки на две дочерние (цитокинез). В телофазе начинается и заканчивается процесс разрушения митотического аппарата - разборка микротрубочек. Он идет от полюсов к экватору бывшей клетки. Происходит деспирализация хромосом. Образуется ядрышко. Разрушается веретено деления. Происходит интеграция ядерной оболочки.

Продолжительность митоза зависит от размеров клеток, их плоидности, числа ядер, а также от условий окружающей среды, в частности от температуры. В животных клетках М. длится 30-60 мин, в растительных - 2-3 часа.

101. Организация ахроматинового веретена деления

Ахроматиновое веретено деления- система микротрубочек в делящейся клетке, обеспечивающая расхождение хромосом в митозе и мейозе. Веретено деления формируется в прометафазе и распадается в телофазе. В составе ВД два основных типа микротрубочек: отходящие от полюсов (полюсные) и от кинетохоров хромосом (хромосомальные). (участок хромосомы, к которому прикрепляется нить веретена, называется центромерой, или кинетохором). Нити веретена -- трубчатые образования, около 200 А в диаметре. Веретено деления клетки обладает двойным лучепреломлением. Расхождение хромосом связано, с одной стороны, с укорочением хромосомальных нитей, с другой -- с удлинением центральных нитей, точный механизм движения неизвестен.

102. Механизм движения хромосом

Анафаза включает процесс расхождения хромосом к полюсам делящейся клетки. Механизм движения хромосом объясняется гипотезой скользящих нитей, согласно которой состоящие из микротрубочек нити веретена, взаимодействуя друг с другом и с сократительными белками, тянут хромосомы к полюсам. Скорость движения хромосом достигает 0,2-0,5 мкм/мин, а вся анафаза продолжается 2-3 мин. Анафаза заканчивается перемещением двух идентичных наборов хромосом (s-хромосом, или одиночных хромосом) к полюсам, где они сближаются, образуя фигуры, напоминающие по внешнему виду (если смотреть со стороны полюса) звезды.

103. Цитокинез растительной и животной клеток

Цитокинез, цитотомия -- деление тела эукариотной клетки. Цитокинез обычно происходит после того, как клетка претерпела деление ядра (кариокинез) в ходе митоза или мейоза. В большинстве случаев цитоплазма и органоиды клетки распределяются между дочерними клетками приблизительно поровну. У подавляющего большинства клеток растений цитокинез осуществляется путём образования внутриклеточной перегородки -- фрагмопласта, у клеток животных путем образования перетяжки в результате впячивания плазматической мембраны внутрь клетки. При этом в кортикальном, подмембранном слое цитоплазмы располагаются сократимые элементы типа актиновых фибрилл, ориентированные циркулярно в зоне экватора клетки. Сокращение такого кольца приведет к впячиванию плазматической мембраны в области этого кольца, что завершается разделением клетки перетяжкой на две.

104. Образование фрагмопласта

ФРАГМОПЛАСТ, внутриклеточная пластинка, зачаток клеточной стенки, возникающий в делящихся клетках подавляющего большинства растений на стадии телофазы митоза. Сначала в центральной области веретена деления появляются образующиеся из мембран комплекса Гольджи многочисл. пузырьки, содержащие пектиновые вещества. В результате увеличения их числа и постепенного слияния друг с другом в направлении от центра к периферии клетки возникают длинные плоские мешочки -- так называемые мембранные цистерны, к-рые, сливаясь с плазматич. мембраной, делят материнскую клетку на две дочерние.

105. Клеточные органоиды в период деления клеток

Как же при делении клеток высших эукариот разделяются различные органеллы, окруженные мембраной (за исключением ядра)? В большинстве случаев число этих органелл достаточно велико, чтобы при случайном распределении их в процессе цитокинеза каждая дочерняя клетка получала их более или менее представительный набор. Таким образом, хотя клетка млекопитающего не выживет, не получив, например, ни одной митохондрии, вполне возможно, что для надежной передачи их дочерним клеткам не требуется никакого специального механизма. Органеллы, присутствующие в клетках в большом количестве, будут всегда успешно наследоваться в том случае, если в среднем их число будет удваиваться в каждом клеточном поколении. Другие органеллы, такие как аппарат Гольджи и эндоплазматический ретикулум, во время митоза распадаются на более мелкие фрагменты и пузырьки. Такое дробление, вероятно, способствует их более равномерному распределению между дочерними клетками.

106. Амитоз (прямое деление эукариотических клеток)

АМИТОЗ - прямое деление ядра клетки, которое чаще всего происходит в соматических клетках, без формирования веретена деления. Чаще всего такой процесс деления клеток наблюдается в стареющих и патологически измененных клетках, которые обречены на гибель. К примеру: амитоз зародышевых клеток млекопитающих, амитоз опухолевых клеток. В процессе амитоза ядро и ядерная оболочка остаются неизменными. Более того ядро не разделяется, а перешнуровывается или в нем образуется перегородка, вместо веретена деления. Отсутствует удвоение количества ДНК, вследствие чего клетки оказываются наследственно неполноценными, не наблюдается спирализация хроматина, не обнаруживаются хромосомы. При амитозе клетка остается функционально активной, однако деление клетки распределяет наследственный материал в хаотичном порядке. При амитозе отсутствует цитокинез, что ведет к образованию двуядерных клеток. Образовавшиеся клетки лишены, способности вступать в нормальный митотический цикл. Если амитоз происходит постоянно, то вполне допустимо появление многоядерных клеток.