Цель. Знать жизненный цикл клеток, процессы, протекающие в митотическом цикле и при терминальной дифференцировке. Иметь представление о механизмах регуляции клеточного цикла. Уметь определять на микропрепаратах фазы митоза и вычислять митотический коэффициент. Знать сущность и биологическое значение мейоза.
Задание для студентов
Работа 1. Клеточный цикл
Соматические клетки организма образуются в результате митоза. В дальнейшем возможны три варианта жизненного пути (цикла) клеток:
1. Клетки готовятся к делению и заканчивают свою жизнь митозом (митотический цикл).
2. Клетки дифференцируются, функционируют и погибают.
3. Клетки переходят в период G0, в котором могут находиться от нескольких часов до многих лет. При определенных условиях они могут перейти из этого периода в митотический цикл или терминальную дифференцировку.
Изучите и зарисуйте схему жизненного цикла клеток, представленную на рис. 1.
Рис. 1. Жизненный цикл клеток:
G1 — пресинтетический период; S — синтетический период; G2 — постсинтетический период;
МЦ (митотический цикл) = G1 + S + G2 + митоз;
G0 — период клеточного цикла, который включает:
• клетки пролиферативного пула медленнообновляющихся тканей;
• клетки, вышедшие из МЦ для репарации ДНК;
• клетки, не способные пройти МЦ из-за дефицита питательных веществ или факторов роста;
• резервные и стволовые клетки; n — гаплоидный набор хромосом;
c — одинарный набор ДНК
Работа 2. Удвоение хромосом и репликация ДНК у эукариот
Удвоение ДНК и хромосом происходит в S-периоде митотического цикла.
Репликация ДНК начинается одновременно во многих местах — точках инициации (рис. 2а). Происходит прикрепление комплекса ферментов («репликативная машина»), ДНК освобождается от гистонов и расплетается, образуется репликационный глазок (рис. 2б). Разделение исходных матричных и синтез новых дочерних цепей ДНК в глазке происходят одновременно в обе стороны в репликационных вилках (рис. 2в). После удвоения ДНК с ними соединяются гистоны, и хромосома становится двойной, состоящей из двух хроматид, которые соединены в области центромеры (рис. 2г).
Рис. 2а. Начало репликации ДНК в хромосоме
Рис. 2б. Образование репликационных глазков и репликационных вилок
Рис. 2в. Синтез ДНК в репликационной вилке:
1 — матричные цепи ДНК; 2 — фермент геликаза, разделяющий цепи матричной ДНК; 3 — ДСБ-белки, препятствующие воссоединению цепей ДНК; 4 — праймаза; 5 — РНК-затравка (синтезируется РНК-полимеразой — праймазой); 6 — ДНКполимераза, синтезирующая дочерние цепи; 7 — лидирующая дочерняя цепь ДНК; 8 — лигаза, соединяющая фрагменты Оказаки отстающей цепи ДНК; 9 — фрагмент Оказаки (150-200 нуклеотидов); 10 — топоизомераза
Рис. 2г. Завершение удвоения ДНК и хромосомы
Изучите схему репликации ДНК и удвоения хромосом, представленную на рис. 2а-2г. Зарисуйте рис. 2в.
Работа 3. Митоз растительных клеток
Рассмотрите под большим увеличением микроскопа микропрепарат корешка лука. Найдите клетки, находящиеся в интерфазе и разных фазах митоза. Зарисуйте и обозначьте:
I — стадии митоза: 1 — профаза;
2 — метафаза;
3 — анафаза;
4 — телофаза;
II — интерфаза (неделящаяся клетка).
Работа 4. Митоз клеток человека
Рассмотрите под малым увеличением цитогенетический препарат лимфоцитов крови человека. Найдите клетку в стадии митоза. Переведите на большое увеличение, поставив иммерсионный объектив (х90). Рассмотрите на препарате метафазную пластинку. Обратите внимание на строение хромосом человека, их размеры, расположение центромеры, количество хроматид в метафазной хромосоме. Определите набор хромосом, найдите гомологичные хромосомы. Зарисуйте метафазные хромосомы с различным расположением центромер.
Работа 5. Определение митотического коэффициента
На микропрепаратах корешка лука посчитайте число делящихся и неделящихся клеток в нескольких полях зрения (около 1000 клеток). Определите митотический коэффициент по формуле:
Число митозов
МК выражается в промилле (\%о).
Работа 6. Виды тканей в зависимости от уровня клеточной пролиферации
Стабильные — все клетки находятся в состоянии необратимой дифференцировки. Гибель части клеток в течение жизни организма ведет к убыванию общего количества клеток в ткани.
Растущие — количество клеток в ткани увеличивается, так как доля клеток, идущих в митотический цикл, превышает долю клеток, идущих в дифференцировку.
Обновляющиеся — происходит размножение клеток, однако общее количество клеток остается постоянным, так как половина клеток переходит в необратимую дифференцировку и погибает.
Изучите и перепишите таблицу.
|
Вид ткани |
Усредненные параметры пролиферации |
||
|
Pc, \% T, часы МК, \%\% |
|||
|
Быстро обновляющиеся ткани: красный костный мозг; эпителий ротовой полости, языка, пищевода, желудка и тонкой кишки; эпидермис кожи |
60-90 |
10-48 |
5-30 |
|
Медленно обновляющиеся ткани: паренхима печени, паренхима почки |
1,5-5 |
Не определяется. Скорость обновления клеток — около 6 мес |
0,2-0,5 |
|
Стабильные ткани: эмаль зубов, кардиомиоциты, нервная ткань |
Не определяется |
||
|
Растущие: эмбриональные, регенерирующие, опухолевые |
До 100 |
От 6-10 и более |
До 40-45 |
Примечание: Pc — пролиферативный пул; Т — продолжительность митотического цикла; МК — митотический коэффициент. Пролиферативный пул — доля клеток, находящихся во всех фазах митотического цикла и в пуле G0, способных к размножению.
Работа 7. Стволовые клетки. Их биологическое и медицинское значение
Стволовые клетки — это клетки, сохраняющие способность к размножению в течение всей жизни организма. В эмбриональном периоде они нужны для развития органов и тканей, в постэмбриональном — для роста организма, обновления тканей, регенерации и вегетативного размножения.
Изучите таблицу.
Вид стволовых клеток Характеристика Значение
|
Тотипотентные |
Способны давать начало любому виду клеток (бластомеры на ранних этапах дробления) |
С эмбриональных тотипотентных клеток начинается развитие организма при половом размножении. Соматические дают начало новым организмам при вегетативном размножении |
|
Полипотентные (плюрипотентные) |
Способны давать разные виды клеток (клетки зародышевых листков; клетки красного костного мозга) |
Формирование органов и тканей развивающегося организма. Необходимы для обновления или регенерации тканей, в которых нет собственных стволовых клеток — эритроцитов и лейкоцитов, нейронов, кардиомиоцитов |
|
Унипотентные |
При размножении образуют клетки только одного вида (эпителий ротовой полости, слюнных желез) |
Источник клеток для роста, обновления и регенерации органов |
|
Реконструированные эмбриональные |
Выделенные эмбриональные стволовые клетки, в которых методами генной инженерии изменен состав генов |
Использование в медицине позволяет выращивать органы и ткани с заданными свойствами. Их применение для репродуктивного клонирования является источником генномодифицированных организмов |
Применение стволовых клеток в медицине и стоматологии
Совершенствование методов выделения стволовых клеток, изучение факторов, регулирующих их рост и дифференцировку, открывает широкие возможности для использования таких клеток в медицине. Стволовыми клетками, взятыми из пуповинной крови или из других тканей, можно заменять собственные поврежденные клетки в любых органах, не опасаясь их отторжения. Применение эмбриональных клеток, терапевтическое клонирование и использование методов генной инженерии позволят выращивать органы и ткани и получать доступный материал для трансплантации. В настоящее время у экспериментальных животных из стволовых клеток удается получить целые зубы или их отдельные ткани (эмаль, пульпу и другие). Так, зародыши зуба, выращенные у мышей из клеток зубного сосочка, после имплантации взрослым животным вместо удаленных резцов прижились и сформировали полноценные зубы. У человека из стволовых клеток пульпы или апикального бугорка удаленных зубов мудрости удалось вырастить корни и периодонтальные связки, на основе которых восстановили (пока — с помощью обычных методов протезирования) коронку зуба. Таким образом в дальнейшем планируется получение материала для аутотрансплантации. Использование мезенхимальных стволовых клеток и композитных материалов позволило разработать имплантаты для замещения костных дефектов в челюстно-лицевой хирургии. Необходимо отметить, что в настоящее время применение стволовых клеток находится на стадии экспериментальных исследований или клинических испытаний. Их широкое внедрение в практическую медицину — дело ближайшего будущего.
Работа 8. Различные направления дифференцировки клеток ротовой полости
Изучите и зарисуйте схему 1.
Схема 1. Направления дифференцировки клеток ротовой полости Работа 9. Регуляция размножения клеток
В обновляющихся тканях постоянное количество клеток поддерживается в результате саморегуляции, осуществляемой по принципу отрицательной обратной связи. При уменьшении количества клеток включаются механизмы, активирующие протоонкогены. Индукция этих генов ведет к синтезу факторов роста, оказывающих митогенную стимуляцию на клетки, находящиеся в Go-периоде, в том числе стволовые клетки. Происходит их усиленное размножение и увеличение количества. Избыток клеток ведет к репрессии протоонкогенов и активации генов-супрессоров, отвечающих за синтез ингибиторов клеточной пролиферации. Периодические колебания числа делящихся клеток, проявляющиеся в суточных ритмах пролиферации, позволяют достичь состояния динамического равновесия — количество клеток поддерживается на том уровне, который необходим для данной ткани.
Изучите схему 2. Приведите примеры факторов роста и ингибиторов клеточного деления.
Схема 2. Саморегуляция клеточной пролиферации
Работа 10. Сравнительная характеристика нормальных клеток и клеток злокачественных опухолей
Спонтанно или при действии канцерогенных факторов могут происходить мутации протоонкогенов или генов супрессоров, регулирующих размножение клеток. Протоонкогены превращаются в онкогены, которые не реагируют на регуляторные факторы и образуют большое количество факторов роста. Повреждение генов-супрессоров не позволяет сдерживать избыточное размножение клеток — возникает опухоль. Для клеток опухоли характерна генетическая нестабильность — в них возникают новые мутации, которые еще больше нарушают регуляцию клеточной пролиферации. Доброкачественная опухоль может трансформироваться в злокачественную.
Изучите таблицу.
Параметры Нормальные клетки Опухолевые клетки
|
Генетический контроль пролиферации |
Осуществляется генамиактиваторами (протоонкогенами) и генами супрессорами |
Трансформация протоонкогенов в онкогены; подавление геновсупрессоров |
|
Регуляция клеточного цикла |
Сбалансированная работа генов-активаторов и супрессоров поддерживает оптимальный уровень пролиферации |
Нарушается: происходит прогрессивное увеличение количества клеток |
Окончание табл.
|
Параметры |
Нормальные клетки |
Опухолевые клетки |
|
Пролиферативный пул |
Постоянный для каждой ткани |
Прогрессивно увеличивается |
|
Межклеточные контакты |
Ограничивают увеличение количества клеток при контактном торможении |
Нарушены: нет контактного торможения пролиферации |
|
Клеточная мембрана |
Обеспечивает возможность размножения клеток при контакте с базальной мембраной или другими опорными структурами |
Изменена: возможно размножение клеток без контакта с опорными структурами |
|
Адгезия клеток |
Нормальная |
Снижена: возможен отрыв клеток и метастазирование |
|
Временная характеристика |
Одновершинный суточный ритм митозов |
Нарушение ритма митозов: двувершинный, инвертированный, отсутствие ритма |
|
Пространственная организация |
Строго определенная |
Нарушена вследствие утраты контроля пролиферации и изменения клеточных контактов |
|
Деление клеток |
Митоз |
Значительное количество нарушений митозов, амитозы |
|
Набор хромосом |
Строго определенный (кариотип) |
Значительные изменения числа и структуры хромосом |
Работа 11. Мейоз, его особенности по сравнению с митозом
а) Под большим увеличением микроскопа рассмотрите препарат поперечного среза матки аскариды. Найдите овоциты первого порядка на стадии мейоза 1.
Зарисуйте и обозначьте:
1 — овоцит;
2 — цитоплазма;
3 — тетрада.
б) Используя материалы учебника, лекций и наглядных пособий, изучите стадии редукционного и эквационного делений мейоза. Отметьте различия митоза и мейоза. Заполните таблицу.
Сравнительная характеристика митоза и мейоза
Вопросы для самоподготовки
1. Что такое жизненный цикл клеток?
2. Что такое митотический цикл, из каких периодов он состоит? Что происходит в различные периоды митотического цикла?
3. Как образуются новые клетки? Чем заканчивается жизнь клеток?
4. Какие молекулярные процессы лежат в основе удвоения молекулы ДНК? Как происходит удвоение хромосом?
5. Фазы митоза. Биологическая сущность и значение митоза.
6. Что такое политения, эндомитоз и полиплоидия?
7. Что такое митотический коэффициент и как он определяется?
8. Какие виды тканей различают в зависимости от их митотической активности? Чем они характеризуются?
9. Чем отличаются жизненные циклы нормальных и опухолевых клеток?
10. Каковы механизмы регуляции клеточного деления?
11. Что такое стволовые клетки? Виды стволовых клеток и их значение для стоматологии.
12. Клеточные циклы и направления дифференцировки при образовании тканей органов ротовой полости человека.
13. Каково биологическое значение и сущность мейоза?
14. Как изменяется набор хромосом, хроматид и ДНК в процессе мейоза?
15. Какие процессы ведут к рекомбинации генетического материала при мейозе?
Тестовые задания
Выбрать один правильный ответ.
1. УДВОЕНИЕ ХРОМОСОМ ПРОИСХОДИТ В ПЕРИОДЕ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА:
1. Пресинтетическом
2. Постсинтетическом
3. Синтетическом
4. Митозе
5. Go-периоде
2. УВЕЛИЧЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА МОЛЕКУЛ ДНК В ХРОМОСОМАХ ОБЕСПЕЧИВАЕТ:
1. Митоз
2. Мейоз
3. Эндомитоз
4. Амитоз
5. Политения
3. СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ СОХРАНЯЮТСЯ В ПЕРИОДЕ
КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА:
1. G0
2. G1
3. S
4. G2
5. В дифференцировке
4. В МЕЙОЗЕ РАСХОЖДЕНИЕ ГОМОЛОГИЧНЫХ ХРОМОСОМ
ПРОИСХОДИТ В:
1. Профазе I
2. Метафазе I
3. Анафазе I
4. Метафазе II
5. Анафазе II
Выберите несколько правильных ответов.
5. КОНЪЮГАЦИЯ ГОМОЛОГИЧНЫХ ХРОМОСОМ В МЕЙОЗЕ
НЕОБХОДИМА ДЛЯ:
1. Удвоения хромосом
2. Кроссинговера
3. Репарации
4. Амплификации
5. Упорядоченного расположения гомологичных хромосом
6. К БЫСТРО ОБНОВЛЯЮЩИМСЯ ТКАНЯМ ОТНОСЯТСЯ:
1. Нервная
2. Эпителий кишечника
3. Паренхима печени
4. Красный костный мозг
5. Эмаль зубов
6. Эпителий языка
7. Эмбриональные ткани
Установите соответствие.
7. КОЛИЧЕСТВО КЛЕТОК:
1. Не изменяется
2. Увеличивается
3. Уменьшается
ТКАНИ:
а) Растущие
б) Медленно обновляющиеся
в) Быстро обновляющиеся
г) Стабильные
8. ПОСЛЕ ДЕЛЕНИЯ:
1. Митоз
2. Мейоз
3. Эндомитоз
КОЛИЧЕСТВО ХРОМОСОМ (n) И ДНК (с)
СОСТАВЛЯЕТ В КЛЕТКЕ:
а) nc
б) п2с
в) 2п2с
г) 4п2с
д) 2п4с
е) 4п4с
9. ФЕРМЕНТ:
1. Геликаза
2. РНК-полимераза
3. ДНК-полимераза
ФУНКЦИИ:
а) Синтез праймеров
б) Вырезание праймеров
в) Разъединение матричных цепей ДНК
г) Стабилизация матричных цепей ДНК
д) Синтез дочерних цепей ДНК
е) Сшивание фрагментов Оказаки
Установить правильную последовательность. 10. СОБЫТИЯ ПРИ РЕПЛИКАЦИИ ДНК:
1. Разделение цепей ДНК
2. Соединение фрагментов Оказаки
3. Синтез праймеров
4. Удаление праймеров
5. Синтез фрагментов Оказаки
Литература
Основная
Биология / Под ред. В.Н. Ярыгина. — М.: Высшая школа, 2001. —
Кн. 1. — С. 55-60, 72-79, 118-144, 200-207.
Пехов А.П. Биология и общая генетика. — М.: Изд-во РУДН, 1993. —
С. 64-80, 107-112.
Дополнительная
Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. — Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.
Лушников Е.Ф., Абросимов А.Ю. Гибель клетки (апоптоз). — М.: Медицина, 2001.
Епифанова О.И. Лекции о клеточном цикле. — М.: КМК, 2003.