Загальна цитологія

Злагоджена взаємодія актинових філаментів з іншими допоміжними білками демонстративно проявляється при русі рухливих клітин -- фібробластів, макрофагів.

4. Мікротрубочки цитоскелету

Наступною постійною цитоскелетною структурою руху клітини є мікротрубочки. Однак всі вони утворюються завдяки діяльності ЦОМТів -- центрів організації мікротрубочок. ЦОМТи -- це електронно щільні утворення аморфної мілкозернистої структури. Вони виявляються в клітинному центрі біля центріолей в тваринних клітинах. В клітинах вищих рослин центріолей немає і ЦОМТи розташовуються безпосередньо в цитоплазмі. ЦОМТами також вважаються центромери (кінетохори) еукаріотичних хромосом. Хімічний склад ЦОМТів представлений комплексом РНК, білками та ДНК. ЦОМТи -- самореплікуюча структура, тому доведена в них наявність ДНК. Згідно симбіотичній теорії ЦОМТи -- є ендосимбіонтами -- залишками спіроплазм, в структурі яких є мікротрубочки, завдяки котрим спіроплазми здатні рухатися в просторі, утворюючі ундулюючі (хвилеподібні) рухи.

Основна функція ЦОМТів полягає в тому, що вони приймають участь в індукції зборки (полімеризації) мікротрубочок. Похідними ЦОМТів є: мікротрубочки (МТ) веретена поділу; МТ цитоплазми; МТ центріолей; МТ базального тільця і аксонеми війок та джгутиків.

Мікротрубочки -- це пусті циліндри з зовнішнім діаметром 25 нм, внутрішнім -- 14 нм. Вони складаються з тубулярних білків б та в-тубуліну, які близькі по молекулярній вазі (50 тис.) та амінокислотному складу. Вони з'єднуються в гетеродимери, а потім утворюють ниткоподібні структури -- протофіламенти, в яких в-тубулін одного димеру пов'язаний з б-тубуліном іншого. 13 протофіламентів розташовуючись паралельно утворюють саме мікротрубочку.

5. Мікротрубочки джгутиків

Мікротрубочки війок та джгутиків зібрані в упорядковані структури: базальне тіло та аксонему, покриту виростом цитоплазми. Базальне тільце має форму короткого циліндру розміром 1 мкм. Мікротрубочки організовані в структури типу (9+0): по периферії розташовані 9 триплетів злитих мікротрубочок, в центрі мікротрубочок немає. Триплет утворений однією пустою мікротрубочкою і двома іншими, які прилягають до неї (неповні мікротрубочки). Перші дві пари мікротрубочок базального тільця продовжуються в аксонему, в якій мікротрубочки утворюють структуру 9+2: по периферії розташовуються 9 диплетів мікротрубочок (одна повна, інша неповна), в центрі 2 повні мікротрубочки, які не доходять до базального тіла. Крім тубуліну, аксонема має інші допоміжні білки, які утворюють різноманітні структури:

1. Динеїн -- білок, що утворює пару коротких бічних виступів («ручки»), які відходять від кожного диплету мікротрубочок зовнішнього кільця у напрямку до сусіднього диплету. Динеїнові ручки забезпечують упор та ковзання дуплетів один відносно одного при русі.

2. Нексин -- утворює між сусідніми дуплетами поперечні зв'язки. Ці білки еластичні та стягують аксонему по колу як обручі, які стягують бочку.

3. Білки радіальних «спиць», які відходять від кожного периферійного дуплету всередину до білків центральної капсули.

4. Білки центральної капсули аксонеми. Останні дві структури забезпечують міцність та злагодженість ковзання дуплетів мікротрубочок.

Рух війок та джгутиків відбувається завдяки функції білка динеїна шляхом ковзання мікротрубочок відносно один одного призводить до згрібання війки або джгутика по типу хлиста. У відсутності двохвалентних іонів та АТФ динеїнові ручки відходять від сусідніх дуплетів і аксонема розправляється.

З'ясовано, що сам по собі динеїн ще не має АТФ-азної активності і взагалі за своєю функцією подібний до молекули міозину, особливо до функції їх головок в актин-міозиновому комплексі.

Мікротрубочки війок та джгутиків, як і міофібрили м'язових клітин, відносно стабільні утворення, спеціалізовані на виробництві рухів, що повторюються. Однак більшість форм клітинного та внутрішньоклітинного руху пов'язана з лабільними структурами, які з'являються на визначних стадіях клітинного циклу або у відповідь на зовнішній сигнал, а потім знов зникаючих. До них відносяться: веретено поділу клітин, центріолі клітинного центру, мікротрубочки цитоплазми.

6. Проміжні філаменти

Проміжні філаменти представляють собою міцні та довготривалі білкові фібрили. Один раз утворившись вони існують протягом всього життєвого циклу клітини. Останньою ознакою вони відрізняються від цитоплазматичних мікротрубочок та актинових філаментів, які динамічні у відношенні полімеризації та розборки. Проміжні філаменти на електронограмах виглядають як прямі, або злегка вигнуті волокна, товщиною 8-10 нм, тобто за діаметром вони займають проміжне положення між мікротрубочками (25 нм) та актиновими філаментами (8 нм). Найбільш багаті на проміжні філаменти клітини або частини клітин, які підлягають механічним навантаженням: ділянки дисковидних десмосом, клітини гладкої мускулатури, клітини епітелію шкіри: білок десмін поєднує в Z-дисках актинові нитки сусідніх саркомерів. Фактично термін «цитоскелет» був спочатку введений для визначення саме таких дуже стійких волокон.

Проміжні філаменти утворені фібрилярними, ниткоподібними пептидами, часто поєднаними по 3 молекули в структуру по типу витого канату, яка подібна молекулі колагену -- бік в бік, своїми фібрилярними частками. Інші не фібрилярні ділянки білкових субодиниць, не приймають участь безпосередньо у формуванні філаменту і, вірогідно, виконують інші функції. Така будова пояснює їх високу міцність до властивостей розтягуватися. Набір білкових субодиниць за хімічним складом та молекулярною вагою в проміжних філаментах дуже різноманітний. Однак всі ці мономери мають схожу центральну фібрилярну ділянку -- структурну основу при зборці полімеру. Вважають, що фібрилярні поліпептиди групуються центральними фібрилярними ділянками по три зі зсувом по довжині. Глобулярні кінці не приймають участь в асоціаціях.

Приклади проміжних філаментів

В нейронах є (1тип) нейрофіламенти, які складаються з триплетів фібрилярних білків. Вони надають міцності відросткам клітини. В епітеліальних клітинах розташовуються (2 тип) кератинові філаменти, так звані тонофіламенти, хімічний склад білків кератинів варіює, але має подібні риси.

Тонофіламенти входять до складу дисків демосом з боку цитоплазми і утворюють нерегулярну сітку в цитоплазмі епітеліальної клітини. Інші тонофіламенти тягнуться через міжклітинний простір від клітини до клітини, що поєднує половину десмосоми двох клітин. В результаті утворюється непереривна розгалужена сітка тонофіламентів.

Таке розташування тонофіламентів придає всьому епітеліальному шару міцність. В клітинах епітелію шкіри в процесі їх диференціювання тонофіламенти додатково зшиваються дисульфідними зв'язками між собою. Епітеліальні клітини наприкінці відмирають, а їх кератинові скелети у вигляді рогових лусок залишаються, виконуючи захисну функцію. Шляхом відмирання клітин та ущільнення кератинових скелетів відбувається формування волосся, нігтів, рогів, копит.

Більшість не епітеліальних клітин має розповсюджені (3 вид) філаменти, що мають віментин. Основний білок віментин поєднується з іншими специфічними для даного типу клітин тканин, утворюючі різноманіття проміжних фібрил. В м'язових клітинах віментин поєднується з десміном, утворюючі філаменти, які утримують в правильному положенні міофібрили, зв'язуючи Z-диски один з одним. В гліальних клітинах віментин з'єднується з гліальним кислим білком. Проміжні філаменти фібробластів, як і у більшості клітин складаються з одного віментину.

Основні цитоскелетні структури клітини: мікротрубочки, актинові філаменти, проміжні філаменти структурно та функціонально взаємозв'язані. Їх функціональні зміни чітко скоординовані в клітині по часу та простору, що забезпечує необхідні зміни форми клітини та визначені види рухів. Наприклад, коли фібробласт в культурі округляється та готується до поділу, в ньому відбувається реорганізація всього скелету: напружені нитки та цитоплазматичні мікротрубочки розпадаються, починає формуватися мітотичне веретено, а потім і скорочувальне кільце. Це строго контрольований послідовний ланцюг подій. Однак про молекулярні механізми цієї координації нам поки що нічого не відомо.

Контрольні питання:

1. Які структури цитоскелету більш стабільні в онтогенезі клітин?

2. Механізм дії колхіцину на полімеризацію мікротрубочок.

3. Який хімічний склад ЦОМТ?

4. Яка зі структур цитоскелету є ендосимбіонтом?

5. Чим обумовлена поперечносмугаста мікроструктура м'язів?

6. Назвіть актинові філаменти не м'язових клітин.

7. Які філаменти обумовлюють зв'язок клітин, форму нервових клітин?

Література: основна -- 1-5; додаткова -- 1-9, 11.

4.2 Клітинний цикл. Мітоз

1. Загальна характеристика клітинного циклу і стадій мітотичного циклу.

2. Цитологічний аналіз періодів інтерфази.

3. Цитологічний аналіз фаз мітозу.

4. Біологічне значення мітозу.

5. Відхилення, зрушення і різноманіття мітозу.

Основні поняття: клітинний цикл, онтогенез, мітоз, інтерфаза, цитокінез.

1. Загальна характеристика клітинного циклу і стадій мітотичного циклу

Розмноження клітин -- основа усіх форм розмноження організмів і підтримки гомеостазу онтогенезу багатоклітинних організмів. Під клітинним або життєвим циклом клітини розуміють період від утворення клітини шляхом мітозу до її смерті чи наступного поділу. В останньому випадку життєвий цикл клітини співпадає з поняттям мітотичний цикл -- період від одного поділу до іншого.

Клітинний або життєвий цикл клітини включає також поняття про онтогенез клітини, так як від неї починається перший рівень організації життя, на якому проявляються всі її властивості. У вищих багатоклітинних організмів з тканинним рівнем організації життя, поняття клітинного циклу співпадає також з поняттям гістогенез клітин, так як вони в кінці кінців будуть утворювати певну тканину. З часів Вірхова (1858 р.) відомо, що всі клітини утворюються шляхом поділу вихідних клітин. Але життєвий цикл у багатоклітинних організмів може бути різним.

1. Більша частина утворених клітин вступає на шлях диференціювання в певну тканину і після виконання функцій через певний час відмирає шляхом апоптозу. Апоптоз (від лат. -- опадання) запрограмована смерть клітини. Клітина або злущується в зовнішнє середовище, або фрагментується на мембранні бульбашки, які фагуються навколишніми клітинами. Лише невеликий різновид диференційованих клітин зберігає здатність до наступного повного поділу або проходження певних фаз мітотичного циклу (ендомітоз, багатоядерність -- клітини печінки, гладеньких м'язів).

2. Менша частина утворених клітин одразу після утворення гине (апоптоз) через помилки гістогенезу, або після диференціювання апоптотуються через не використання.

3. Лише невелика кількість клітин (< 0,1%) навіть у швидкооновлюваних тканинах (гемопоетична, епітеліальна) постійно ділиться. Це стовбурові клітини, що дають початок всім диференційованим клітинам. Їх життєвий цикл співпадає з поняттям мітотичного циклу.

Загальна характеристика мітотичного циклу.

В мітотичному циклі відбуваються паралельно, синхронно, взаємопов'язано три самостійних незалежних за молекулярним механізмом цикли:

1) хромосомний цикл, що включає подвоєння хромосом і розподіл їх копій між дочірніми клітинами;

2) цитоплазматичний цикл: ріст цитоплазми, збільшення кількості органоїдів з наступним їх цитокінезом;

3) клітинний цикл, що включає подвоєння ЦОМТів клітинного центру (центріолей), утворення веретена поділу з полюсними центросомами і розподілом між дочірніми клітинами.

Розрізняють 2 способи розмноження клітин: мітоз і мейоз. Перший спосіб характерний для соматичних клітин, другий -- для статевих.

Мітотичний цикл клітини ділиться перш за все на два періоди: мітоз та інтерфазу. Кожен з них ділиться на фази. Інтерфаза на: G₁-період -- перший проміжок між мітозом і редуплікацією ДНК (дар -- інтервал, пробіл); S-період -- синтез ДНК; G₂-період (другий проміжок між синтезом ДНК і мітозом). Інтерфаза займає не менше 90% часу мітотичного циклу. Мітоз ділиться на 4 основних фази: П, М, А, Т, і триває 1-2 години, тоді як інтерфаза в клітинах, що швидко діляться вищих еукаріот складає 16-24 години.

2. Цитологічний аналіз періодів інтерфази

Характеристика періодів інтерфази. В G₁-період, або пресинтетичний період клітини мають диплоїдний набір хромосом -- 2n, де n -- плоїдність -- гаплоїдний набір. В цей період відбувається ріст клітини, відновлюється об'єм цитоплазми і органоїдів, так як клітина нещодавно утворилась із материнської клітини. Саме в цей період синтезується більшість білка та інших специфічних макромолекул, властивих для даної диференційованої системи. В G₁-період клітина також готується до S-періоду: накопичується АТФ, синтезуються РНК, білки. Вважають, що швидкість поділу клітин, а також їх вступ в мітотичний цикл залежить від накопичення в G₁-період нестабільного кислотного білка (активатор S-фази).

S-період -- основний в мітотичному циклі. В цей період відбувається редуплікація ДНК, подвоюється хромосомний матеріал. Після S-періоду хромосоми стають подвійними, тобто складаються з 2-х хроматид -- сестринських хромосом, призначених для двох сестринських клітин. Але в цитогенетиці (науці, що вивчає хромосоми) вважається, що поки хроматиди утримуються в ділянці центромери у вигляді одного елементу, то набір хромосом клітини залишається диплоїдним (2n). Подвоюється число хромосом і відповідно їм число молекул ДНК -- 4n ДНК.

S-період починається з подвоєння його структури, що знаходиться на ядерній оболонці -- центросомальні (центросоми) полярні тільця веретена. В тваринній клітині в клітинному центрі розміщені центріолі з ЦОМТами. В середині G₁-періода центріолі розходяться до її кінця і на початку S-періоду від материнської центріолі відбруньковується перпендикулярно до неї -- дочірня центріоля. Подвоєння центріолей відбувається шляхом матричного синтезу і, певно, в цьому процесі керівну роль відіграють ЦОМТи.

G₂-період необхідний для безпосередньої підготовки клітини до поділу. В цей період продовжується синтез РНК і білків, але необхідних переважно для проходження власне мітозу: синтезується АТФ, тибулін мікротрубочок веретена поділу. Утворюються ферменти, наприклад кінази. Здійснюється фосфорилування гістонів (зокрема Н1), що супроводжується конденсацією хромосом і переходом клітин із G₂-періода в мітоз. Але головне -- це синтез білка-регулятора -- мітоз стимулюючого фактору (МСФ). Оскільки ступінь конденсації хромосом під час пізньої фази G₂ зростає повільно, момент початку фази визначається досить довільно.

Таким чином основні процеси, що відбулися в інтерфазі мітотичного циклу -- подвоєння генетичних структур, тобто хромосом. Основне значення мітозу полягає в точному розподілі цих генетичних структур -- сестринських хромосом (хроматид) між дочірніми клітинами. Здійснює цей важливий біологічний процес веретено поділу -- мітотичний апарат.

3. Цитологічний аналіз фаз мітозу. Власне мітоз поділяють на 4 основні фази: П, М, А, Т.

Профаза: 1) Конденсація хромосом (третій рівень). 2) Регресія ядерця. Ядерцевий організатор інактивується, а матеріал ядерця диспергується: більша його частина йде в цитоплазму, інша, менша частина, перерозподіляється між ЯО. 3) В кінці П відбувається швидкий розпад ядерної оболонки на мілкі вакуолі, що не відрізняються від везикул ЕС. Ці фрагменти залишаються асоційованими з мітотичним веретеном. 4) Одна з основних подій П -- побудова мітотичного веретена -- головного компонента мітотичного апарату. Мікротрубочки двох сусідніх мітотичних центрів (у тваринних астральних центрів) сходяться утворюючи біполярне мітотичне веретено (складається з двох напівверетен). Мікротрубочки, що його утворюють називають полюсними. Після розпаду ядерної оболонки частина полюсних мікротрубочок вступає в контакт кінетохорами, що є начебто початком наступної фази мітозу.

Метафаза. 1) Посилення конденсації хромосом (4 рівень конденсації хромосом, хроматину). В цей період вона досягає максимуму, в результаті чого хромосоми стають найбільш короткими та товстими. Повністю відокремлюються одна від одної хроматиди, які утримуються разом в ділянці центромери. 2) Завершується формування веретена поділу, його асоціація з кінетохорами хромосом, рух хромосом. 3) Орієнтація хромосом на екваторі веретена у вигляді метафазної пластинки. Хромосоми орієнтуються по відношенню до осі веретена таким чином, що їх один полярний кінетохор обернений до одного із полюсів клітини, іншим -- до другого полюсу і розміщуються в екваторіальній площині веретена, утворюючи фігуру у вигляді метафазної пластинки. До хромосом, розміщених в екваторіальній пластинці прикладені дві урівноважені сили спрямовані в протилежні сторони.

Анафаза. В анафазі одночасно зв'язок між хроматидами хромосом зупиняється, уже вільні сестринські хромосоми, колишні хроматиди відходять до протилежних полюсів зі швидкістю 1 мкм/хв. Розходження хроматид в анафазі відбувається в результаті двох незалежних процесів, що відбуваються в веретені: 1) деконденсація кінетохорних мікротрубочок та пов'язані з ними хроматиди за допомогою рухових білків відходять до полюсів; 2) подовження та ковзання мікротрубочок у кожному напівверетені за допомогою білка динеїна, що відбувається трохи пізніше, відштовхують полюса в протилежних напрямках.

Телофаза. В телофазі відбуваються процеси зворотні профазі. Хромосоми у полюсів фрагментарно деконденсуються, потоншуються і подовжуються. У місці контакту хромосом з мембранними бульбашками починається будуватись ядерна оболонка; одночасно полімеризуються білки трьох видів ляміни, що вистилають внутрішню ядерну мембрану, утворюються порові комплекси. Фрагменти ядерної оболонки на початку оточують окремі хромосоми, далі зливаючись, утворюють ядерну оболонку. Перш за все, хромосоми контактують з ядерною оболонкою центромерними і теломерними гетерохроматиновими ділянками. В пізній телофазі активується ЯО і починає утворюватись ядерце.

Цитокінез. Після телофази відбувається цитокінез. Перпендикулярно осі веретена в ділянці його екватора з внутрішньої сторони цитоплазматичної мембрани утворюється скорочувальне кільце. Воно починає утворюватись ще на початку анафази, але починає функціонувати після завершення телофази. Скорочувальне кільце в основному складається з активних компонентів, що знаходяться у комплексі з невеликою кількістю міозинових молекул. Механізм його скорочення ідентичний скороченню по типу ковзання міофібрил -- актинових філаментів відносно міозинових філаментів за допомогою міозинових голівок. В міру скорочення кільця, поглиблюється борозна поділу, але саме кільце не потовщується, зберігається постійна товщина за рахунок видалення частини філаментів. Після завершення цитокінезу скорочувальне кільце повністю розпадається. В рослинних клітинах, що мають щільні клітинні стінки, цитокінез відбувається іншим способом -- цитоплазма ділиться шляхом утворення нової клітинної стінки між двома дочірніми клітинами.

Окрім ядра, під час мітозу в цитоплазмі також відбуваються значні зміни. Мембрани ендоплазматичної сітки розпадаються на розрізнені мембранні вакуолі, апарат Гольджі розпадається на окремі диктіосоми. Деполімеризуються цитоплазматичні мікротрубочки і актинові філаменти. Зменшується кількість мітохондрій, пластид, лізосом. До метафази всі органоїди і структури відокремлюються веретеном до периферії клітини, а при цитокінезі йде пасивний їх розподіл по дочірніх клітинах.

4. Біологічне значення мітозу

Біологічне значення мітозу полягає в утворенні нових генетично ідентичних клітин. В результаті точного розподілу сестринських хроматид утворюються дві дочірні клітини з диплоїдним числом хромосом -- 2n і диплоїдною кількістю молекул ДНК -- 2n. При цьому, утворені дочірні клітини є точними генетичними копіями між собою і материнською клітинами. При вегетативному розмноженні, в основі якого лежить мітоз, утворюються також генетично ідентичні організми, що має велике значення при стабілізуючому доборі. Окрім того, в багатоклітинному організмі розмноження клітин забезпечує ріст організму і диференціювання в ньому клітин, заміну відмираючих чи пошкоджених клітин новими.

5. Відхилення, зрушення і різноманіття мітозу

Відхилення від звичного перебігу мітозу та різноманіття його форм. Розглянутий нами мітотичний цикл спостерігається у більшості проліферуючих еукаріотичних клітин багатоклітинних організмів. Але можливі різні відхилення.

1) Відсутність цитокінезу, що призводить до багатоядерності. Не завжди мітотичний поділ ядер завершується поділом цитоплазми. В цьому випадку можуть виникнути клітини з 2 і більше ядрами. Крайній варіант цього відхилення -- утворення гігантських багатоядерних симпластів. Так, довга багатоядерна клітина поперечносмугастих м'язів являє собою багатоклітинний симпласт. Епітелій плоских червів -- тегумент, також являє собою симпласт.

2) Другий варіант відхилення від нормального завершення мітотичного циклу -- відсутність каріокінезу, що призводить до поліплоїдії та політенії. Це ендомітоз та ендоредуплікація. При ендомітозі клітина проходить S-період, але повний мітоз не настає, так як має місце передчасне переривання поділу ядра. На стадії профази веретено поділу не утворюється і ядерна оболонка зберігається. Всередині ядра хромосоми конденсуються у вигляді компактних структур, що складаються з двох хроматид. Після роз'єднання центромер хроматиди, або сестринські хромосоми, залишаються в одному ядрі і клітина переходить в період інтерфази. Такий редукований мітотичний цикл завершується появою поліплоїдної клітини. Ендоредуплікація ще більше редуплікований процес поділу. В цьому випадку після S-періоду мітотичний цикл переривається, в G₂-періоді в ядрі не відбувається конденсація хромосом, і клітина без помітних змін в ядрі і цитоплазмі переходить в наступну інтерфазу. Утворюються, як і при ендомітозі, поліплоїдні клітини або політенні хромосоми.

Мейоз, як відхилення і еволюція мітозу

Розглянутий нами мітоз з усіма його фазами відноситься до так званого відкритого мітозу. Розрізняють і інші форми мітозу: напівзакритий і закритий.

При напівзакритому мітозі утворюється веретено поділу за рахунок ЦОМТів, розміщених в цитоплазмі. Ядерна оболонка зберігається протягом усього мітозу, за виключенням полярних зон. Цей тип мітозу спостерігається у водоростей (зелених, бурих, червоних) і деяких нижчих грибів. При закритому мітозі повністю зберігається ядерна оболонка, під якою утворюється веретено поділу внутрішньоядерними ЦОМТами. Такий тип мітозу має місце у найпростіших, грибів. При напівзакритих і закритих типах мітозів відбувається мітотична конденсація хромосом, але немає всіх фаз мітозу, наприклад, метафази. Вивчення механізмів закритого, напівзакритого і відкритого мітозів показує їх філогенетичний зв'язок, еволюцію комфорту та надійності розподілу генетичного матеріалу і цитоплазматичних структур.

Закриті мітози зі збереженням ядерної оболонки мають кілька філогенетичних варіантів.

1) Розподіл сестринських хромосом за допомогою ядерної оболонки по орієнтуючим позаядерним пучкам мікротрубочок, як у прокаріот. У багатьох примітивних еукаріот, наприклад, одноклітинної водорості дифілофлагеляти мікротрубочки зовнішнього ядра веретена поділу вдавлюються ЯО, утворюючи ряд паралельних наскрізних каналів. Хромосоми приєднуються до внутрішньої ядерної мембрани в ділянці цих каналів, і розподіл хромосом повністю відбувається на внутрішній поверхні цієї мембрани за рахунок росту ЯО.

2) За допомогою росту ЯО з наступним підтягуванням сестринських хромосом кінетохорними мікротрубочками. Спочатку сестринські хромосоми розходяться в сторони в результаті росту ЯО, до якого вони приєднані. Лише тоді, коли кінетохори опиняються поблизу полюсів зовнішнього веретена, вони приєднуються до веретена. При цьому кінетохорні нитки, утворені поза ядром проникають через ядерну мембрану. Після приєднання кінетохори підтягуються до полюсів звичним способом. Наприклад, крупні найпростіші із ряду гіпермастиганем, що живуть в кишечнику комах.

3) За рахунок утворення внутрішньоядерного веретена. Два варіанта. У дріжджів веретено складається з непереривного внутрішньоядерного пучка мікротрубочок, який тягнеться від одного полюса до іншого, і подовжуються в процесі мітозу. Окрім того розходження йде за рахунок кінетохорних МТ, які по одній, приєднуються до сестринських хроматид.

У діатомових водоростей розвивається 2 напівверетена і кінетохорні мікротрубочки. Таким чином даний тип мітозу наближується до звичайного відкритого, хіба що проходить всередині ядра (гриби).

Клітина в період життєвого циклу проходить складний багатоетапний онтогенез, від моменту свого утворення до послідуючого поділу, або смерті. Динаміка розвитку структур і функцій при онтогенезі клітини відображають філогенетичні етапи утворення і розвитку клітини, напрямки її диференціювання.

Контрольні питання:

1. Що вказує на ендосимбіотичне походження центрів організаторів мікротрубочок?

2. Який подвійний механізм розходження сестринських хромосом до полюсів ділення?

3. В який період мітотичного циклу в клітині є одночасно тетраплоїдний набір хромосом і молекул ДНК?

4. Які докази напівконсервативного способу редуплікації ДНК?

5. Чому утворені дочірні клітини в результаті мітозу генетично подібні одна до одної? В чому тоді причина структурно-функціональної різниці диференційованих клітин?

6. Назвіть головні структурні відмінності відкритого, закритого, напіввідкритого мітозів.

7. Назвіть стадії мітотичного циклу, в яких виникає відхилення від звичайного ходу мітозу, які приводять до політенії, поліплоїдії, багатоядерності.

8. Яке біологічне значення поліплоїдії?

Література: основна -- 1-5, 8; додаткова -- 1-11.

4.3 Клітинні основи розмноження організмів. Мейоз

1. Характеристика способів розмноження організмів.

2. Безстатеве розмноження та його біологічне значення.

3. Цитологічні та генетичні закономірності при вегетативному розмноженні.

4. Статеве розмноження та його еволюційні форми.

5. Мейоз та його біологічне значення.

6. Цитологічна та генетична характеристика стадій мейозу. Випадкова комбінація гомологів (батьківських і материнських) з різних пар в гаметах при мейозі.

Основні поняття: розмноження, вегетативне розмноження, статеве розмноження, мейоз, редукційний поділ, екваційний поділ, кросинговер.

1. Характеристика способів розмноження організмів

Розмноження -- відтворення собі подібних за ознаками і властивостями шляхом поділу клітин. Завдяки розмноженню клітин і організмів відбувається збереження і розвиток життя на всіх рівнях його організації.

Розмноження клітин, а з ними і організмів можливе лише завдяки здатності молекули ДНК до редуплікації. Це єдиний на Землі біополімер, що володіє такою властивістю -- відтворювати собі подібних.

Існують два основні способи розмноження: статеве і безстатеве. Останнє, у свою чергу, підрозділяється на вегетативне і спороутворення. Спороутворенню передує мейотичний поділ клітин. Спори, що при цьому утворюються, є генетично різноманітними, на відміну від нащадків вегетативного розмноження. Тому спороутворення доцільніше виділити в проміжне положення між безстатевим і статевим розмноженням, а ще точніше, всі названі способи розмноження вважати самостійними в наступній спадкоємності філогенезу: вегетативне, спороутворення і статеве.

2. Безстатеве розмноження та його біологічне значення

При вегетативному і споровому розмноженнях в утворенні нового організму бере участь лише одна батьківська особина. При статевому розмноженні -- два батьківські організми.

При розмноженні Природа вирішує два основні завдання:

1) збільшення числа особин в популяції;

2) отримання генетичної різноманітності особин -- матеріалу для природного відбору. Вирішення цих завдань при різних способах розмноження неоднакове. Звідси і різне значення цих способів розмноження в еволюційному процесі.

3. Цитологічні та генетичні закономірності при вегетативному розмноженні

Вегетативне розмноження -- це збільшення числа особин шляхом поділу вегетативних клітин однієї особини, при якому утворюються генетично ідентичні особини. При цьому генетична суть вегетативного розмноження полягає в редуплікації молекули ДНК, тоді як цитологічна суть -- в точному розподілі подвоєних копій молекул ДНК між двома дочірніми клітинами. Ця суть залишається незмінною при різному ступені складності організму.

Клітинний механізм сегрегації редуплікованих молекул ДНК (хромосом) у прокаріот і еукаріот різний; мембрана цитоплазми у перших і веретено поділу в других. Проте генетична суть вегетативного розмноження у них залишається однаковою: точний, рівномірний розподіл копій молекул ДНК між дочірніми клітинами. Тому утворюється потомство генетично ідентичних клітин. При всіх варіантах вегетативного розмноження еукаріотичних організмів завжди спостерігається мітотичний поділ ядер. Відмінності стосуються лише механізму цитокінезу -- поділ цитоплазми клітин.

Отже, вегетативне розмноження в тому або іншому ступені властиве всім організмам на Землі. Загальні генетичні і цитологічні закономірності для всіх форм вегетативного розмноження єдині.

1. В утворенні нового організму бере участь тільки одна батьківська особина.

2. Збільшення числа організмів завжди йде за рахунок поділу клітин.

3. Організми, що утворюються, генетично ідентичні між собою і батьківською особиною.

Біологічне значення вегетативного розмноження полягає в наступному.

1. Швидке збільшення числа генетично ідентичних особин в популяції.

2. Посилення ролі стабілізуючого природного відбору.

У стаціонарних умовах середовища стає доцільним швидке розмноження генетично ідентичних організмів з максимально адаптованими ознаками до даних умов.

4. Статеве розмноження та його еволюційні форми

Статеве розмноження таке ж стародавнє, як і безстатеве вегетативне розмноження. Воно виникло і удосконалювалося одночасно з виникненням і еволюцією прокаріотичних, а потім і еукаріотичних клітин в Археї.

Під статевим розмноженням в широкому сенсі слова розуміють всі випадки рекомбінації генетичного апарату двох організмів. За способом рекомбінації генетичного апарату розрізняють наступні форми статевого розмноження (особини генетично не ідентичні).

Форми статевого розмноження в широкому сенсі слова.

1. Парасексуальний процес: 1.1. Трансформація; 1.2. Трансдукція.

2. Статевий процес: 2.1. Кон'югація: 2.1.1. У прокаріот; 2.1.2. У еукаріот.

3. Власне статеве розмноження з утворенням гамет: 3.1. Копуляція.

Парасексуальний процес і статевий процес -- це примітивні, еволюційно ранні форми статевого розмноження, його аналоги. Ці форми статевого розмноження часто зустрічаються у прокаріот, проте мають місце і у еукаріот.

При трансформації в реципієнтну клітину пасивно проникає ділянка молекули ДНК, що містить гени із зруйнованої донорської клітини.

При трансдукції фрагмент ДНК із зруйнованої донорської клітини проникає в реципієнтну клітину за допомогою вірусів. Віруси здатні включати до складу своїх нуклеїнових кислот фрагменти ДНК клітини-господаря, в якій вони паразитували. Проникаючи в нові клітини віруси тим самим привносять і фрагменти ДНК інших клітин. Донорські фрагменти ДНК незалежно від способу потрапляння (трансформація, трансдукція) включаються в молекулу ДНК реципієнтної клітини за допомогою механізму кросинговера. В результаті утворюється рекомбінантна молекула ДНК в реципієнтній клітині, в якій є частина генів донорської клітини.

Сексуальний або статевий процес включає механізм кон'югації. Це досконаліша форма статевого розмноження. Кон'югація у бактерій, у нижчих водоростей протікає у формі одностороннього перенесення генетичного матеріалу від однієї бактеріальної клітини (донора) до іншої при безпосередньому контакті (утворюється місток цитоплазми). По містку цитоплазми з донорської клітини в реципієнтну переходить один з ланцюгів молекули ДНК. Ланцюг в донорській клітині, що залишився, і ланцюг, що перейшов, в реципієнтній клітині редуплікуються. Отже, у результаті виходять подвійні молекули ДНК. Кон'югація часто неповна, тобто може припинятися з різних причин. Тому може перейти фрагмент ДНК або ціла хромосома. Фрагмент донорської ДНК за допомогою кросинговера включається в реципієнтну ДНК. Утворюється рекомбінантна молекула РНК.

Кон'югація у еукаріот, наприклад у інфузорій, по своєму механізму наближається до вищої форми статевого розмноження -- до копуляції.

Копуляція, або власне статеве розмноження -- наступний вищий етап еволюції статевого розмноження. При копуляції за допомогою мейотичного поділу клітин утворюються гаплоїдні статеві клітини. Вони, зливаючись разом, утворюють диплоїдну зиготу.

Диплоїдний стан організмів має ряд переваг над гаплоїдним:

1) ховаються шкідливі рецесивні мутації;

2) збільшується доза генів;

3) з'являється можливість множинного алелізму.

Проте для підтримки постійності диплоїдності у ряді поколінь повинен з'явитися механізм зменшення числа хромосом в гаметах. Таким механізмом став мейоз, що еволюційно виник на основі мітоза.

5. Мейоз та його біологічне значення

Мейоз -- спосіб поділу диплоїдних клітин, що приводить до появи гаплоїдних клітин, в якому перекомбіновані алельні гени.

У тварин і рослин залежно від положення мейозу в життєвому циклі розвитку організмів виділяють два типи мейозу: зиготний і гаметний.

Зиготний, або початковий (еволюційно ранній) тип наступає відразу після запліднення і утворення зиготи. Ранній тип мейозу характерний для видів, у яких в життєвому циклі переважає гаплоїдна фаза (життєвий цикл споровиків).

Інший тип мейозу, гаметний, відбувається під час дозрівання гамет. Він зустрічається, в основному, у багатоклітинних тварин і вищих рослин. У життєвому циклі організмів з таким типом мейозу переважає диплофаза і лише статеві клітини гаплоїдні. В цьому випадку так само після злиття гамет утворюється диплоїдна зигота.

6. Цитологічна та генетична характеристика стадій мейозу. Випадкова комбінація гомологів (батьківських і материнських) з різних пар в гаметах при мейозі.

Мейоз складається з двох слідуючих один за одним поділів при одній редуплікації ДНК в інтерфазі перед першим поділом гаметоцита першого порядку. Кожен з двох поділів складається з 4-х фаз: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Найбільш складний з них перший поділ, а найбільш складна з фаз -- перша профаза.

Перший мейотичний поділ називають ще редукційним (редукція -- зменшення), тому що вже після нього дочірні клітини (гаметоцити ІІ порядку) стають гаплоїдними.

I профаза складніша, тривала; у людини вона триває близько 2-х діб. Виділяють 5 морфологічно помітних стадій: 1) лептонема (лепто -- тонкий) -- стадія тонких ниток; 2) зигонема (зигос -- разом) -- стадія ниток, що злилися; 3) пахінема (пахи -- товстий) -- стадія товстих ниток; 4) диплонема (дипло -- подвійний) -- стадія подвійних ниток; 5) діакінез -- стадія відособлення шляхом відходження один від одного двох ниток.

Головні події в профазі І:

1) кон'югація гомологічних хромосом (лептонема, зигонема);

2) кросинговер між сестринськими хроматидами гомологів (пахінема);

3) вибірковий синтез іРНК, рРНК (диплонема);

4) остаточне формування бівалентів (діакінез).

І метафаза.

Спарені гомологи, тобто біваленти вишиковуються в області екватора (перша відмінність від мітозу). Кінетохорні нитки обох хроматид одного бівалента обернені тільки до одного полюса, до якого він орієнтований (друга відмінність від мітозу). При цьому вони вступають в зв'язок з полюсними мікротрубочками.

І анафаза.

Відбувається розпад хіазм, що зв'язують батьківські і материнські хромосоми, відходження цілих гомологів, що складаються з двох хроматид. Тому з генетичної точки зору в анафазі відбувається розходження алельних генів, розташованих в різних гомологах.

I телофаза.

Коли хромосоми досягають полюсів поділу, вони деконденсуються, навколо них утворюється ядерна оболонка, наступає цитокінез і клітини переходять в коротку інтерфазу. В результаті першого мейотичного поділу утворюється дві клітини з гаплоїдним набором хромосом (1n), оскільки в них один гомолог з пари, але диплоїдний набір ДНК, оскільки гомологи складаються з двох хроматид, призначених для двох клітин. Тому після короткої інтерфази слідує другий мейотичний поділ.

Другий мейотичний поділ. Його ще називають екваційним (эквел -- рівний), оскільки його суть полягає в розходженні хроматид, внаслідок чого утворюються генетично рівні клітини (якщо не враховувати результати кросинговера). Отже цей поділ за своїми генетичними і цитологічними закономірностями нічим не відрізняється від мітозу, хіба що відбувається в гаплоїдній клітині. В результаті другого поділу утворюються 4 клітини з 1n хромосом і 1n ДНК.

Біологічне значення мейозу і статевого розмноження:

1) в результаті мейозу утворюються гамети з гаплоїдним числом хромосом, що забезпечує диплоїдний набір хромосом і його постійність у ряді поколінь при статевому розмноженні, яке супроводжується злиттям гаплоїдних гамет з утворенням диплоїдної зиготи;

2) мейоз забезпечує перекомбінацію алельних генів в гаметах, внаслідок чого кожна гамета має унікальний набір генів. Перекомбінація алельних генів відбувається завдяки трьом цитологічним процесам мейозу.

2.1. Кросинговер. Кросинговер відбувається в пахінемі профази I між хроматидами гомологічних хромосом. Кросинговер забезпечує перекомбінацію алельних генів в групах зчеплення.

2.2. Випадкова комбінація гомологів (батьківських і материнських) з різних пар в гаметах.

Батьківські і материнські гомологи різних бівалентів випадково орієнтуються до полюсів поділу в метафазі I, оскільки рухи бівалентів щодо один одного незалежні. Тому розбіжність жіночих і чоловічих гомологів з різних пар в анафазі I і потрапляння їх в різні клітини випадкове. Внаслідок чого в гаметах відбувається незалежна комбінація гомологів з різних пар, тобто перекомбінація різних груп зчеплення генів. Випадкова (незалежна) комбінація жіночих і чоловічих гомологів різних пар в гаметах є цитологічною основою 3-го закону Менделя -- закону незалежної комбінації ознак.

Число гамет з різною комбінацією батьківських і материнських гомологів (Уг) з різних пар можна обчислити за формулою степеневої функції Уг = 2^х, де 2 -- число комбінацій, яке утворює пара гомологічних хромосом (у одну клітину відходить жіночий гомолог, а в іншу -- чоловічий), х -- число пар гомологічних хромосом, що комбінуються, в клітині (бівалентів в метафазі I).

2.3. Запліднення алгебраїчно можна звести до множення комбінацій в гаметах. Тому число комбінацій жіночих і чоловічих гомологів з різних пар в зиготах виражається формулою: Уз = 2^х + х 2^х > = 2^2х, де 2^х + та 2^х > -- число комбінацій у відповідних гаметах. Приклади для видів: 2n = 4; 2n = 8; 2n = 46. Якщо до комбінацій різних груп зчеплення генів, додати число гомологів з різних пар, тобто до комбінацій комбінацій, які утворюються в результаті кросинговера, тобто перекомбінації генів усередині групи зчеплення, то число комбінацій гамет і зигот безкінечне. Отже, практично можна вважати, що кожна гамета і кожна зигота унікальні по набору алельних генів. Звідси розширення біологічного значення статевого розмноження полягає в наступному.

1. З виникненням мейозу, який призводить до утворення гаплоїдних гамет, стала можливою диплофаза організму, тобто диплоїдний набір хромосом (2n). Диплофаза у вищих організмів (вищий рослин, багатоклітинних тварин) стала основною в їх життєвому циклі. Перевага диплофази над гаплофазою полягає в тому, що, по-перше, збільшується доза алельних генів, що супроводжується прискоренням обмінних процесів; по-друге, приводить до появи нових морфологічних варіантів; по-третє, в диплофазі приховуються, тобто не виявляються шкідливі рецесивні гени, а, отже, підвищується стійкість організмів в зовнішньому середовищі.

2. Статеве розмноження в цілому забезпечує перекомбінацію генетичної інформації між особинами популяції, тобто комбінативну мінливість. Це призводить до нових морфологічних варіантів особин. Генетична різноманітність особин сприяє ефективності рушійного природного відбору, який діє в умовах середовища, що змінюються. У цих умовах відбираються особини з новим поєднанням ознак, адекватних новим умовам, які склалися, що призводить надалі до появи нового виду. Отже, статеве розмноження, з його комбінативною мінливістю сприяє прогресивній еволюції. Треба підкреслити, що комбінативна мінливість прискорює еволюційний процес. Вона є основною для диплоїдних організмів при прогресивній еволюції в порівнянні з мутаційною мінливістю. Одних мутацій недостатньо для еволюції, тобто вони спостерігаються в середньому 10-5 -- 10-7 ген на покоління. За допомогою статевого розмноження швидко утворюються потрібні комбінації ознак, відповідні новим умовам середовища.

Контрольні питання:

1. Чому при вегетативному розмноженні утворюються організми з ідентичним генотипом, тоді як при статевому завжди з різним?

2. Що загального при власне статевому розмноженні (копуляції) і його аналогах?

3. Перерахувати головні цитологічні перетворення мітозу при його еволюції в мейоз.

4. Що таке синаптонемальний комплекс і його значення.

5. Як цитологічно виглядає кросинговер? На якій стадії профази він відбувається і коли цитологічно проявляється?

6. При якій формі природного добору (стабілізуючий, рушійний) превалює вегетативне розмноження, а при якому статеве?

7. Назвіть три механізми комбінативної мінливості, обумовленої генетичними закономірностями мейозу.

Література: основна -- 1-5, 8; додаткова -- 1-9.

Рекомендована література

Основна:

1. Ченцов Ю. С. Общая цитология / Ю. С. Ченцов. -- М. : МИА, 2010. -- 368 с.

2. Трускавецький Є. С. Цитологія / Є. С. Трускавецький, Р. К. Мельниченко. -- К. : Вища школа, 2004. -- 254с.

3. Молекулярная биология клетки : В 3 т. / [Б. Альбертс, Д. Брей, Дж. Льюис и др.] ; 2-е изд. -- М. : Мир, 1994.

4. Фаллер Д. М. Молекулярная биология клетки / Д. М. Фаллер, Д. Шилдс; пер. с англ. И. Збарский, А. Анваер, Ю. Бородина, К. Кашкин. -- М. : Бином, 2006. -- 256 с.

5. Быков В. Л. Цитология и общая гистология. Функциональная морфология клеток и тканей человека / В. Л. Быков. -- СПб. : СОТИС, 2002. -- 254 с.

6. Фролов А. К. Иммуноцитогенетика / Фролов А. К., Арцимович Н. Т., Сохин А. А. -- М. : Медицина, 1993. -- 240 с.

7. Смирнов В. Г. Цитогенетика / В. Г. Смирнов -- М. : Высшая школа, 1991. -- 247 с.

8. Словник новітніх цитофізіологічних понять і термінів / В. Дудок, Ю. Чайковський, О. Луцик, М. Гжеготський. -- Л. : Leopolis, 2004. -- 74 с.

Додаткова:

1. Методичні вказівки до лабораторних занять із цитології (для студентів біологічного факультету денної та заочної форми навчання ) / О. К. Фролов, Н. В. Новосад, Є. Р.Федотов, В. В. Копійка. -- Запоріжжя : ЗДУ, 2004. -- 47 с.

2. Афанасьев Ю. И. Гистология, цитология и эмбриология / под ред. Ю. И. Афанасьев, Н. А. Юрина, Е. Ф. Котовский и др. -- М. : Медицина, 2006. -- 768 с. 

3. Кузнецов С. Л. Гистология, цитология и эмбриология / С. Л. Кузнецов. -- М. : МИА, 2007/ 2004. -- 602 с.

4. Верещагина В. А. Основы общей цитологии / В. А. Верещагина. -- М. : Академия, 2009. -- 176 с.

5. Ленченко Е. М. Цитология, гистология и эмбриология / Е. М. Ленченко. -- М. : КолосС, 2009. -- 376 с.

6. Кузнецов С. Л. Лекции по гистологии, цитологии и эмбриологии / С. Л. Кузнецов, М. К. Пугачев. -- М. : МИА, 2004. -- 432 с.

7. Васильев Ю. Г. Цитология. Гистология. Эмбриология / Ю. Г. Васильев, Е. И. Трошин, В. В. Яглов. -- СПб. : Лань, 2009. -- 576 с.

8. Соколов В. И. Цитология, гистология и эмбриология / В. И. Соколов, Е. И. Чумасов. -- М.: КолосС, 2004. -- 351 с.

9. Кузнецов С. Л. Атлас по гистологии, цитологии и эмбриологии / Кузнецов С. Л., Мушкамбаров Н. Н., Горячкина В. Л. -- М. : МИА, 2006. -- 376 с.

10. Самусев Р. П. Атлас по цитологии, гистологии и эмбриологии / Р. П. Самусев, А. В. Смирнов. -- М. : Мир и Образование, Оникс, Харвест, 2006. -- 400с.

11. Билич Г. Л. Универсальный атлас. Биология. В 3 книгах. Книга 1. Цитология. Гистология. Анатомия человека / Г. Л. Билич, В. А. Крыжановский. -- М. : Оникс 21 век, Харвест, 2005. -- 1008 с.

12. Цветной атлас клеток системы крови. Один источник и четыре составные части миелопоэза / В. М. Погорелов, Г. И. Козинец, О. А. Дягилева, Д. Д. Проценко. -- М. : Практическая Медицина, 2007. -- 176 с.

13. Карнаухов В. Н. Люминесцентный анализ клеток / В. Н. Карнаухов ; под. ред. А. Ю. Буданцева. -- Пущино : Аналитическая микроскопия, 2004. -- 131 с.

14. Лишко В. К. Мембраны и жизнь клетки / В. К. Лишко, М. И. Шевченко. -- К. : Наукова думка, 1987. -- 101 с.

15. Зинченко В. П. Внутриклеточная сигнализация. / В. П. Зинченко, Л. П. Долгачева. -- Пущино : Аналитическая микроскопия, 2003. -- 84 с.

Навчальне видання

(українською мовою)

Фролов Олександр Кирилович

ЗАГАЛЬНА ЦИТОЛОГІЯ

Конспект лекцій

для студентів напряму підготовки «Біологія»

освітньо-кваліфікаційного рівня «бакалавр»

Рецензент В. І. Домніч

Коректор Р. О. Литвиненко

Відповідальний за випуск О. К. Фролов

Адреса редакційної колегії:

Запорізький національний університет

69600, м. Запоріжжя, вул. Гоголя, 63, каб. 102а

тел. (061) 289-12-12

Підписано до друку ..............Формат А5

Папір офсетний 80 гр/м2. Гарніфтура «Times New Roman»

Друк - лазерний. Наклад 40 прим. 56 с.

Віддруковано у цифровій друкарні «Copy Art»

м. Запоріжжя, вул. Жуковського 57.

тел. (061) 289-22-00

тел. (061) 178-69-27

http: // copyart.uaprom.net/

e-mail: copyshopzp08@rambler.ru

Размещено на Allbest.ru

...