Репродукція клітин.

Модуль 1. Цитологія, розмноження, ембріологія

Лекція № 2. Тема: Репродукція клітин.

1. Мітоз. Мейоз.

2. Загальна ембріологія.

3. Статеві клітини.

4. Гаметогенез.

5. Запліднення.

Одне із положень клітинної теорії стверджує, що збільшення кількості клі­тин, їх розмноження відбувається шляхом поділу початкової клітини. Репродук­ція забезпечує рівномірний розподіл редуплікованого генетичного матеріалу між двома новими клітинами.

У дорослому організмі клітини тканин і органів мають неоднакову здатність до поділу. Так, зустрічаються клітини, які зберігають здатність до поділу, постійно діляться (клітини базального шару епідерміса, крипт кишечника, кровотворні клітини червоного кісткового мозку); поряд з цим зустрічаються клітини, що втратили здатність ділитися (зернисті лейкоцити крові, остеоцити кісткової тка­нини, нейроцити).

Період існування клітини від поділу до поділу називається клітинним цик­лом. Він поділяється на чотири періоди: власне мітоз (М), при якому відбуває­ться ряд процесів у ядрі при поділі, він закінчується цитокінезом — поділом клітинного тіла, пресинтетичний (Y1), синтетичний (S) та постсинтетичний (Y₂ ) періоди. Різні періоди клітинного циклу відрізняються один від другого вмістом у клітині білка, ДНК, РНК.

У періоді Y1, відбувається посилений ріст молодої клітини, що виникла піс­ля поділу материнської за рахунок нагромадження клітинних білків.

У наступному періоді S починається синтез ДНК; якщо колхіцином викли­кати пригнічення синтезу білка або і РНК у Y1-періоді, то перехід клітини в S-період блокується. У періоді Y1 синтезуються ферменти, необхідні для утворен­ня попередників ДНК, метаболізму РНК і білка.

S-період характеризується подвоєнням кількості ДНК в ядрі (дуплікація) і відповідно відбувається подвоєння кількості хромосом. У S-періоді також відбувається подвоєння центріолей центросоми.

Постсинтетичний період Y₂ (премітотичний) характеризується синтезом і РНК, поряд з цим відбувається синтез РНК рибосом, що визначаються поділом клітини, при цьому синтезуються тубуліни — білки мітотичного веретена.

Y₂ -період має велике значення для проходження стадії мітотичного поділу. В кінці Y₂ -періоду синтез РНК різко знижується і зупиняється під час мітозу, відбувається конденсація хромосом. Поряд з цим у тканинах тварин є клітини, які ніби виходять з циклу. Це клітини Y₀ -періоду, у них відсутній S-період, вони не піддаються поділу. Це клітини, які тимчасово або повністю перестали роз­множуватися. Клітини після диференціації не втрачають здатності до поділу і при необхідності повертаються у цикл. Прикладом їх є клітини печінки при видаленні її частини вони починають синтезувати ДНК і вступають у мітоз, відбувається її регенерація.

1. Мітоз. Мейоз.

МІТОЗ

Мітоз ( mitosis ), каріокінез, непрямий поділ, надзвичайно важливий і необ­хідний етап у житті клітини, який забезпечує розмноження клітин і розподіл між новими клітинами усіх спадкових одиниць — генетичної інформації.

Розрізняють такі основні етапи мітозу: профазу, метафазу, анафазу, телофа зу .

На початку профа­ зи хромосоми набува­ють вигляду тонких спіралізованих ниток, сплетених у ядрі у ви­гляді клубка — стадія щільного клубка. Кож­на хромосома уже по­двоєна, оскільки реду­плікація ДНК відбула­ся в S-періоді і кожна хромосома вже є по­двійною структурою. Деякі хромосоми в ре­зультаті скорочення стають добре помітни­ми. Цю стадію назива­ють рихлим клубком. Вони прикріплюються одна до другої в ділян­ці кінетохора. У елект­ронному мікроскопі кінетохори мають вигляд щільних тілець. До по­чатку профази поряд з репродукцією ДНК і гістона (хромосом) відбу­вається також репродукція мітотичних центрів, вони використовуються на по­будову веретена поділу, яке виникає в результаті розходження центріолей до полюсів клітини. До кожного полюса відходить подвійна центріоля — диплосома. У цей час формуються мікротрубочки, які відходять від периферійних діля­нок материнської центріолі кожної диплосоми. Апарат по­ділу має дві центро­сфери з центріолями всередині і волокна веретена, що лежить між ними. У верете­ні поділу утворюють­ся центральні волок­на — від полюсів до центру веретена і хромосомні, що спо­лучають хромосоми з полюсами клітини.

Метафаза. Мікротрубочки в центральній частині у веретені поділу, також як мікротрубочки центросфер, виникають в результаті полімерізації тубуліну у зоні центріолей і біля кінетохорів, розміщених в ділянці центромерних перетяжок. Через інактивацію рибосомних генів у зоні ядерних організаторів в кінці профа­зи або на початку метафази зникає ядерце. Метафаза закінчується утворенням веретена поділу, а хромосоми вистроюються у екваторіальній площині веретена, утворюючи так звану метафазну пластинку хромосом, або материнську зірку. В кінці метафази завершується процес відокремлення однієї від другої сестринсь­ких хроматид. Останнім місцем, де контакт між хромосомами зберігається, є центромера. На початку метафази руйнується ядерна оболонка, вона фрагментується.

Анафаза. Хромосоми одночасно втрачають зв'язок між собою в ділянці центромер і відділяються одна від одної в напрямку протилежних полюсів клітини.

Телофаза. Починається зупинкою хромосом, що розійшлися і закінчується початком реконструкції нового інтерфазного ядра та поділом початкової кліти­ни на дві дочірні, тобто відбувається цитокінез.

Морфологія хромосом. Хромосоми добре забарвлюються основними барв­никами. Вони помітні в ядрі клітини під час мітозу. Хромосоми не зникають після закінчення мітозу, завдяки деконденсації вони набувають іншого вигляду і тому їх не видно, як окремі тільця. Як інтерфазні, так і мітотичні хромосоми складаються з елементарних хромосомних фібрил — молекул ДНП. Останнім часом вважають, що кожна хромосома побудована з однієї гігантської молекули ДНП (дезоксинуклеопротеїд), запакованої у відносно коротке тільце — власне мітотичну хромосому. Виявлено, що у мітотичній хромосомі гігантська молеку­ла ДНП утворює бічні петлі. Типова хромосома людини може містити 2600 пе­тель, кожна з яких утворена ділянкою хроматинової фібрили із середньої дов­жиною 400 нм.

Морфологію мітотичних хромосом краще вивчати у період їх найвищої кон­денсації. У метафазі та на початку анафази, хромосоми у цьому стані являють собою паличкоподібні утворення різної довжини і товщини. У більшості хро­мосом легко знайти зону первинної перетяжки (центромери), яка ділить хро­мосому на два плеча. Хромосоми з рівними або майже рівними плечами назива­ють метацентричними, а плечами різної довжини — субметацентричними. Палич­коподібні хромосоми з дуже коротким, майже не помітним другим плечем — аероцентричні .

Ділянка первинної перетяжки містить кінетохор, який є центром організації мікротрубочок, що утворюють хромосомні нитки веретена поділу. У деяких хро­мосом є й вторинні перетяжки, які знаходяться близько одного із кінців хро­мосоми і відокремлюють так званий супутник хромосоми. Вторинні перетяжки ще називають ядерцевими організаторами, оскільки у цих ділянках на початку інтерфази утворюється ядерце. Кінцеві ділянки плечей називають теломерами. У тваринних організмів, як і у рослин, кількість, розміри та будова хромосом мають свою специфіку. Сукупність ознак хромосомного набору називають ка- ріотипом. Кількість хромосомних наборів у клітині по­значають терміном плоїдність і літерою n. Соматичні клітини містять диплоїдний (по­двійний) набір хромосом (2 n). Статеві клі­тини — гаплоїдний (одинарний п), що від­повідає поняттю геном, тобто сукупності ядерних елементів генетичної конституції особи. Якщо клітина має 3 n набір хромосом, її називають триплоїдною, якщо 4 n — тетраплоїдною. Велику кількість хромосомних наборів називають поліплоїдією. Для хромосомного аналізу застосовують методи диференційного забарвлення хро­мосом, вперше запропонований — Касперсоном. Так, за допомогою диференційного забарвлення нефлуоресційними барвниками (суміш Гімза) вдалося виявити, що кожна хромосома забарвлюється неоднорідно вздовж її довжини, при цьому спо­стерігається чергування фарбованих і нефарбованих ділянок — так зва­на диференційна неоднорідність хромосом. Це дає змогу чітко іден­тифікувати кожну хромосому, а та­кож складати так звані хромосомні карти з визначенням локалізації у них певних генів.

Ендомітоз — пряме ділення клі­тин. На відміну від мітозу при ньо­му зберігається інтерфазне ядро: у ньому не утворюються хромосоми, наявні ядерце та ядерна оболонка. При ендомітозі збільшене ядро, не змінюючи своєї будови, воно діли­ться на дві (або три) більш-менш рівномірні частини шляхом перешнурування (утворення перегород­ки). У більшості випадків цей по­діл не супроводжується діленням клітини, результатом чого є утворення двоядерної клітини. Процес ендомітозу спо­стерігається у волокнах скелетних м'язів, міокарді, мезотелії, шипуватому шарі ба­гатошарових епітеліїв шкірного типу, па­ренхімі печінки, екзокринній частині під­шлункової залози, нейронах вегетативно­го відділу нервової системи, покривному шарі перехідного епітелію сечових шляхів, клітинах плаценти, мегакаріоцитах. Ендо­мітоз — це утворення клітин із збільше­ним вмістом ДНК, що відбувається в ре­зультаті блокування мітозу на певних його етапах.

Амітоз — пряме ділення клітини, без морфологічної перебудови ядра та цитопла­зми. Розрізняють — генеративний, реак­тивний, дегенеративний амітоз.

МЕЙОЗ

Це своєрідна форма клітинної репродукції, характерна для процесу утво­рення статевих клітин. Мейоз складається з двох послідовних статевих мітотич­них поділів, між якими відсутня інтерфаза. В результаті мейозу утворюються клітини з гаплоїдним набором хромосом. Характерною особливістю профази мейозу є кросінговер — обмін гомологічними ділянками хромосом, який є од­ним із суттєвих факторів мінливості організмів. (Див. гаметогенез).

2. Загальна ембріологія.

Ембріологія (embryon — зародок, loqos — вчення) — наука, що вивчає ембріогенез — походження і розвиток індивідуального організму. Ембріогенез являє собою складний процес, в якому знайшли відображення еволюції хребетних (філогенез) і індивіду­альний розвиток (онтогенез). Онтогенез починається із запліднен­ня яйцеклітини спермієм або є її активацією яким-небудь іншим агентом. Онтогенезу передує — прогенез — передзародковий пері­од утворення статевих клітин — гаметогенез.

Основними етапами ембріогенезу є запліднення, дроблення, га­струляція, закладання осьових органів і органогенез, розвиток про­візорних органів (тимчасових). Завдання ембріології полягає у то­му, щоб зрозуміти як виникає організм, ця структурно-функціо­нальна та біохімічно складна система із однієї заплідненої яйцеклітини.

Прогресивний вплив на розвиток еволюційної ембріології пер­шої половини XIX століття мали видатні дослідження К.Ф.Вольфа, Г.Х.Пандера, К.М.Бера, які заклали вчення про зародкові листки, а К.М.Бер виявив яйцеклітину.

Друга половина XIXстоліття позначилася знаменитими дослі­дженнями О.О.Ковалевського та І.І.Мечнікова. На основі величез­ного фактичного матеріалу їм вдалося довести, що ранні етапи роз­витку безхребетних та вищих хребетних тварин відбуваються одно­типно. Еволюційна теорія підтвердила єдність усього тваринного світу.

О.О.Ковалевський і І.І.Мечніков заклали основи нової науки — порівняльної ембріології, яка дала необхідні факти еволюційній теорії.

Одним із важливих напрямів еволюційної ембріології є експе­риментальна ембріологія, основи якої були закладені О.М.Северцевим, П.П.Івановим, Д.П.Філатовим, Г.А.Шмідтом та іншими вче­ними.

Розвиток сучасної ембріології тісно пов'язаний із застосуван­ням нових методів дослідження, серед яких важливе місце нале­жить гістохімії, електронній мікроскопії, гістоавторадіографії, куль­турі тканин, мікрургії, морфометрії та ін.

Ембріональні знання та методи мають безпосереднє прикладне значення у культивуванні яйцеклітин і зародків та імплантації їх в матку, при створенні відповідних умов, необхідних для нормальної життєдіяльності клітин, тканин і органів у різні періоди життя організму, дослідженні реакції тканин на зовнішній вплив. Особливо широкі перспективи перед практичною ембріоло­гією відкриває розвиток досліджень щодо екології і захисту природи.

Як біологічна наука, ембріологія тісно пов'язана з анатомією, фізіологією, генетикою, біохімією.

Ембріологія сприяє формуванню загальноосвітнього розвитку та лікарсько­го мислення.

3. Статеві клітини.

Серед статевих клітин розрізняють два різновиди — спермії (чоловіча) та яйцеклітини (жіноча) — овоцити.

Спермії. Довжина спермія 50-70 мкм. У ньому розрізняють головку і хвостову части­ну. Електронномікроскопічні дослідження показали, що головка має невелике щільне ядро з гаплоїдним набором хромосом. У ядрах сперміїв містяться різні типи статевих хромосом, що несуть генетичну інформацію. Половина сперміїв мають Х-хромосому, друга половина — У-хромосому. Останні хромосоми належать до аутосом.

Передня частина головки має плоский чохлик, що вкриває акросому. Як чохлик, так і акросома є похідними комплексу Гольджі. В акросомі знаходяться ферменти, серед них важливе місце належить гіалуронідазі і протеазі, які здатні розчиняти оболонку яйцеклітини та стимулювати проникнення у неї спермія при заплідненні. Зовні головка спермія покрита плазмолемою, в ній містяться фібрили, які надають їй механічної міцності. Хвостова частина спермія ниткоподібна, вона складається із шийки, проміжної, основної та термінальної частини.

За головкою знаходиться шийка; в ній розміщена проксимальна центріоль. Проксимальна центріоль під час запліднення переходить у зиготу і бере участь у її поділі. Проміжна частина спермія містить скоротливий апарат — мікротрубочки; на її периферії розмі­щені дев'ять пар мікротрубочок, у центрі — цент­ральна пара їх і осьова нит­ка. Навколо мікротрубочок по спіралі локалізовані 25 мітохондрій. Мітохондрії забезпечують енергією їх рухливість, завдяки послі­довній зміні білків мікро­трубочок, які мають АТФ-азну властивість. У складі проміжної частини місти­ться дистальна центріоль та циркулярні пучки мікро-фібрил. Основний відділ хвостика утворений цент­ральною парою мікротру­бочок з осьовою ниткою; на периферії розміщені де­в'ять пар мікротрубочок, які, як і весь спермій, ото­чують плазмолема з тонким прошарком цитоплазми. В останній є значна кількість циркулярно орієнтованих тонкофібрилярних струк­тур. Кінцева частина хвос­та в своєму складі має осьо­ву нитку з поодинокими скоротливими мікрофіламентами й покрита плазмолемою.

Біологічні властивості сперміїв.

Спермії рухаються з швидкістю 2—5 мм за хвилину.Спрямування руху сперміїв визначається їх реотаксисом, тобто здатністю руха­тися проти течії рідини. Реотаксис проявляється лише при порівняно слабкому зустрічному потоці слизу. В кислому середовищі головка сперміїв набрякає, округ­люється, втрачає асиметрію і тому він набуває кругового руху, що заважає йому рухатися прямолінійно і усувається можливість зустрічі з яйцеклітиною. У спер­мії мало поживних речовин, він їх скоро втрачає і через 24—36 годин гине, якщо не зустрінеться з яйцеклітиною. Спермії досить чутливі до іонів двох- та трьохвалентних металів, кислот, наркотиків, хініну. Глибоке охолодження до —78° або — 196°С гальмує у спермії обмін речовин, що дає можливість продовжити термін їх зберігання на декілька років і використовувати тривалий час для запліднення.

Яйцеклітини — овоцити (від лат. ovum— яйце). За своєю будовою яйцеклітини відрізняються від соматичних клітин. Зрілі яйцеклітини мають гаплоїдний набір хромосом, після запліднення здатні розви­ватися в новий організм. Вони містять більший чи менший запас поживних речовин (жовтка), необхідних для забезпечення зародкового розвитку організ­му, мають кортикальний шар цитоплазми, обмежені спеціальними оболонками, які захищають зародок від шкідливої дії зовнішнього середовища. Для овоцитів характерна поляризована будова за рахунок нерівномірного розміщення пожив­них речовин.

Поживні речовини (жовток) мають вигляд гранул або складніших утворень, що мають вигляд шарів та платівок, утворених фосфоліпідами, вуглеводами, протеїнами. Структурною одиницею жовтка є комплекс ліповітеліну і фосфовітину. Кожна платівка складається з щільнішої центральної і рихлої периферій­ної зони, зовні обмежена осьміофільною мембраною. Щільна зона утворена молекулами фосфовітина і має вигляд кристалічної сітки. Жовток синтезується при безпосередній участі ендоплазматичної сітки та комплексу Гольджі.

Особливостями овоцитів є те, що вони містять значні запаси рибосом, іРНК, тРНК, кількість яких в сотні разів перевищує їх в соматичних клітинах. В цито­плазмі яйцеклітини нагромаджуються запаси гістонів, тубуліну, ліпофосфопротеїдів, жовтка. Кортикальний шар розміщений у периферійній частині овоцитів, він не має жовтка, містить більшість мітохондрій та гранул глікозаміногліканів. Кортикальний шар відіграє важливу роль в заплідненні. Серед оболонок овоцитів розріз­няють цитолему (оволему), або пер­винну оболонку, яка утворена яйце­вою клітиною. Поряд з тим в яйце­клітинах інших тварин є вторинні оболонки. В їх утворенні беруть участь особливі фолікулярні клітини яєчника, що обмежують овоцит за рахунок стінки фолікула (foliculus — мішечок). Третинні оболонки різ­ної будови і значення, виникають після виходу овоцита із яєчника, во­ни утворюються в яйцепроводі. Полярність овоцитів виражена тим сильніше, чим більше жовтка. Та частина яйцеклітини, в якій нагромаджується жовток, являє собою вегетативний полюс, а протилежна, куди зміщується ядро та менше жов­тка, називається анімальною.

4. Гаметогенез.

Первинні статеві клітини — гаметобласти виникають у зародка на ранній стадії розвитку. В цей період вони ще не мають статевих особ­ливостей і являють собою великі клітини. Вони відрізняються від ін­ших клітин зародка вмістом гліко­гену та активними ферментами, се­ред яких важливе місце належить лужній фосфатазі. За цією ознакою їх виявляють, ставлячи відповідні гістохімічні реакції. Сперматогенез відбувається в звивистих сім'яних канальцях, у яких містяться сперматогенні клі­тини та клітини Сертолі, останні утворюють мікросередовище для сперматогенних клітин.

В сперматогенезі розрізняють чотири періоди: розмноження, ро­сту, дозрівання, формування.

На стадії розмноження кліти­ни називаються сперматогоніями. Вони межують з базальною мемб­раною, тобто займають периферій­ну частину звивистого сім'яного канальця. Сперматогонії невеликого розміру містять диплоїдний набір хромосом. Серед них існує два різновиди: одні з них мають овальне світле ядро з розсіяним у ньому хроматином. Діляться вони мітозом, збільшуючись кількісно. Це стов­бурові клітини. Сперматогонії другого різновиду мають кулясте ядро, що міс­тить зернистий хроматин. Такі сперматогонії перестають ділитися і переходять в стадію росту, перетворюючись у сперматоцити першого порядку. Вони збільше­ні в розмірі, зміщені в напрямі просвіту звивистого сім'яного канальця, зберіга­ють диплоїдний набір хромосом, проходять профазу мейозу, а перед початком профази у сперматоциті першого порядку подвоюється ДНК, а також відбува­ються складні зміни в перерозподілі спадкового матеріалу в ядрі, в зв'язку з цим спостерігаються такі фази: лептотени, зиготени, пахітени, дишютени. У фазі лептотени помітна ядерна мембрана, ядерце та хромосоми, що мають вигляд тонких ниток, зиготени — гомологічні хромосоми розміщуються парами, кон'югуючись за довжиною і утворюють біваленти, або діади.

У зиготенній фазі гомо­логічні хромосоми обмінюються генами, що забезпе­чує мінливість спадкового матеріалу в ряді поколінь. На стадії пахітени обидві аутосоми спіралізуються, потовщуються, стають ко­ротшими, залишаються у тісному контакті по всій довжині. На цій стадії за­кінчується кон'югація хро­мосом. В диплотенній в кожній із кон'югуючих го­мологів з'являються по па­рі сестринських хроматид. Хроматиди пов'я­зані центромерою, що пе­ретворює біваленти в тетради. В кожній парі виникає повздовжня щілина, і у двох кон'югованих хромосомах утворюється чотири хро­матиди. В тетрадах з'явля­ються перехрести хромосом (хіазми), що свідчить про обмін гомологічними час­тинами між несестринськими хроматидами в тетраді. В стадії диплотени зника­ють сили гомологічного притягання і виникають си­ли відштовхування між сестринськими хроматидами. На стадії діакінезу хромосоми ще більше спіралізуються, потовщуються і відокремлюються одна від


8-09-2015, 20:15